Шпиндельные узлы с гидродинамическими опорами. Гидростатические и гидродинамические подшипники Ещё о некоторых особенностях подшипников скольжения

В гидродинамическом подшипнике отсутствует прямой контакт между трущимися поверхностями, так как зазор между ними под действием гидродинамических сил заполняется смазывающей жидкостью.

Использование гидродинамического подшипника позволяет заменить трение скольжения на жидкостное трение , и снизить потери энергии.

В гидродинамическом подшипнике нагрузку воспринимает и передает на опору тонкий слой жидкости.

Условия возникновения жидкостного трения

Для работы гидродинамического подшипника необходимо создание гидродинамического слоя смазки, для этого нужно обеспечить следующие условия:

• смазывающая жидкость должна удерживаться в зазоре (например между валом и корпусом подшипника)
• в смазывающей жидкости должно поддерживаться давление достаточное для уравновешивания нагрузки
• жидкость должна полностью разделять скользящие поверхности, а значит ее слой должен быть выше, чем сумма шероховатостей поверхностей
• толщина слоя жидкости должна быть больше минимального значения

Принцип работы гидродинамического подшипника

Рассмотрим схему работы гидродинамического подшипника.

Вал установлен в корпусе заполненном маслом с зазором, под действием нагрузки прижимается к нижней поверхности корпуса. Получается, что в начальном положении вал расположен в корпусе с эксцентриситетом.

При вращении вала, небольшой слой жидкость за счет адсорбции приходит в движение и увлекается вслед за поверхностью вала. Последующие слои также могут увлекаться во вращательное движение за счет вязкости рабочего масла. Получается, что вал выполняет роль насоса, создавая поток рабочей жидкости, и нагнетая ее в клиновидную щель между корпусом и валом. В результате воздействия вращающегося вала масло стремится заполнить клиновидную щель и поднять вал, с другой стороны этому препятствует нагрузка действующая на вал.

При создании достаточного для того, чтобы приподнять вал, и обеспечить протекание масла по всей окружности наступает равновесное состояние.

Гидродинамический подшипник с клиновыми расточками вкладыша

Для обеспечения высоких антивибрационных свойств используют гидродинамический подшипник с клиновыми расточками, в котором цапфа вала опирается на несколько масляных клиньев. Это снижает вероятность возникновения вибраций.

Расчет гидродинамического подшипника

Условие обеспечения жидкостного трения:

H≥1,1(R z1 +R z2 +y)

• где h - толщина слоя смазки
• R z1 шероховатость детали 1
• R z2 шероховатость детали 2
• y - стрела прогиба шипа (вала)

Наименьшее отношение относительного эксцентриситета можно вычислить по формуле:

Х=1-(h/0,5s)

• где s - средний зазор
• х - относительный эксцентриситет х = e / 0,5 s

Необходимую вязкость жидкости, при которой удастся достичь режима жидкостного трения можно определить по формуле:

μ=PΨ 2 /ωldФр

• l - длина вала, м
• d - диаметр вала, м
• ω - угловая скорость вращения вала
• P - величина нагрузки
• Ψ - относительный зазор Ψ = s/d
• Фр - безразмерный коэффициент несущей способности

При работе гидродинамического подшипника скольжения масло будет нагреваться, а значит его вязкость будет изменяться. Зависимость вязкости от температуры рабочей жидкости отражена в . В случае если начальная температура масла неизвестна расчет производят методом последовательных приближений, задаваясь начальным значением - 50 °С.

Достоинства гидродинамических подшипников

• высокий ресурс
• низкий уровень шума
• малые вибрации при работе
• демпфирование ударных нагрузок

Недостатки гидродинамических подшипников

• возможность работы только при высоких частотах вращения
• влияние температуры на режим работы, характеристики

Принцип работы гидродинамических подшипников . Гидродинамический подшипник представляет собой опору жидкостного трения. Эти подшипники бывают радиальными и упорными. Радиальный подшипник имеет три или че­тыре сегмента (башмака) 1 (рис. 7.6). С помощью гидравлической системы опора заполняется маслом. Под действием силы тяжести невращающийся шпиндель 3 опускается на сегменты. Когда шпиндель приводится во вращение, он своей шероховатой поверхностью увлекает масло в зазоры между ним и сегментами. Конструкция сегмента, в частности смещенное положение его опоры 2 относительно оси симметрии, позволяет ему поворачиваться под действием давления масла, в результате чего образуется клиновый зазор, су­жающийся в направлении вращения шпинделя, В этом зазоре возникает гидро­динамическое давление р, удерживающее шпиндель во взвешенном положе­нии. Если шпиндель вращается на многоклиновых подшипниках с самоустанавливающимися сегментами, охватывающими его равномерно по окружнос­ти, незначительное смещение его из среднего положения под действием внеш­ней нагрузки приводит к перераспределению давления в клиновом зазоре и возникновению результирующей гидродинамической силы, уравновешиваю­щей внешнюю нагрузку.

Гидродинамические опоры рекомендуется применять для шпинделей, вра­щающихся с высокой постоянной или мало изменяющейся частотой и воспри­нимающих небольшую нагрузку, например для шпинделей шлифовальных станков. Достоинства гидродинамических подшипников заключаются в высо­кой точности и долговечности (смешанное трение только в моменты пусков и остановов), недостатки - в сложности конструкции системы питания опор Маслом, в изменении положения оси шпинделя при изменении частоты его вращения.

Масло для гидродинамических подшипников . Обычно применяют мине­ральное масло марки Л (велосит), имеющее коэффициент динамической вяз­кости у. = (4...5)10~ 3 Па-с при температуре 50 С. Масло (1...3 л/мин при давлении 0,1 ...0,2 МПа) подается в подшипник с помощью гидравлической системы, включающей фильтр тонкой очистки и холодильную установку.

Конструктивные исполнения радиальных гидродинамических подшипни­ков . Сегменты подшипников должны иметь возможность самостоятельно изменять свое положение как в плоскости, перпендикулярной к оси шпинде­ля, так и в плоскости, проходящей через ось. Последнее избавляет от возмож­ных высоких кромочных давлений в опоре, сопровождаемых перегревом масла в тонкой граничной пленке и потерей его смазочных свойств. Имеется ряд конструкций подшипников, у которых зазор между валом и сегментами автоматически изменяется в зависимости от нагрузки и частоты вращения шпинделя.

Одна из конструкций - ЛОН-88, разработанная ЭНИМС, представлена на рис. 7.7. Подшипник выполнен в виде отдельного блока, состоящего из двух колец 2, трех сегментов 1 и проставочного кольца 3. Наружная торцовая по­верхность сегментов находится в двухточечном контакте с коническими по­верхностями колец, вследствие чего сегменты имеют возможность устанавли­ваться вдоль оси шпинделя и в направлении его вращения. Проставочное кольцо своими выступами препятствует смещению сегментов по окружности. Изменяя толщину проставочного кольца, можно регулировать рабочий зазор в подшипнике.

Подшипники другой конструкции - ЛОН-34 - с сегментами 1 , устанавли­вающимися в результате поворота на сферических опорах А (рис. 7.8) , допус­кают скорость скольжения до 60 м/с при отсутствии кромочного давления* Опоры сегментов выполнены в виде винтов 2 из закаленной стали с мелкой резьбой. Перемещениями их в радиальном направлении регулируют радиаль­ный зазор в опоре и положение оси шпинделя. Для повышения жесткости за­зоры в резьбовых соединениях опорных штырей с корпусом выбирают гайка­ми 3, С целью уменьшения изнашивания сегментов в моменты пуска и тормо­жения шпинделя они выполнены биметаллическими: на стальную основу спо­собом центробежного литья нанесен слой бронзы Бр ОФ10-0,5 , Бр 0С10-10 или другого антифрикционного материала. Параметр шероховатости Ra рабо­чих поверхностей сегментов должен быть не выше 0,32 мкм, шеек шпинделя - не выше 0,04...0,16 мкм. Размеры сегментов и опорных винтов приведе­ны в табл. 7.1 и 7.2.

Пример конструкции шпиндельного узла . В передней и задней опорах шпиндельного узла шлифовального станка (рис. 7.9) установлены гидродина­мические подшипники 1 типа ЛОН-88. Осевые нагрузки воспринимаются дву­сторонним упорным подшипником, образованным дисками 2 и 4, С ними контактирует бурт 3 шпинделя. Смазочный материал в этот подшипник под­водится через отверстия Б и 5. Вытеканию масла из шпиндельной бабки пре­пятствуют уплотнения щелевого типа. По каналу Г масло из полостей уплотне­ний сливается в корпус бабки.

Конструктивные параметры подшипников. Диаметр D шейки шпинделя выбирают по условиям жесткости. Длина I подшипника для шлифовальных станков - 0,751), для прецизионных токарных и расточных станков - (0,85- 0,9) D. Длина дуги охвата вкладыша (0,6-0,8)1. Диаметральный зазор = 0,003 D. Обычно применяют подшипники с тремя или четырьмя вкладыша­ми.

Расчет гидродинамических радиальных подшипников . Расчет выполняется с целью определить размеры подшипника в зависимости от заданной нагрузоч­ной способности опоры и ее жесткости. Кроме того, определяют потери на тре­ние в опоре.

Ниже изложена методика расчета радиальных гидродинамических подшип­ников с тремя или четырьмя самоустанавливающимися сегментами для опор со скоростями скольжения до 30 м/с [ 67].

Исходные данные: конструктивные параметры подшипника, частота вра­щения шпинделя, наибольшая радиальная нагрузка, требуемая радиальная жесткость опоры.

Нагрузочная способность (Н) одного сегмента при центральном положе­нии шпинделя

где динамическая вязкость масла, Па-с; n -частота вращения шпинделя, об/с; D - диаметр расточки сегментов, мм; В - хорда дуги сегмента, мм; L - длина сегмента, мм; ; расчетный диаметральный зазор, мм.

Под действием результирующей силы шпиндель смещается из начального положения на е миллиметров, и его новое положение характеризуется относи­тельным эксцентриситетом Если результирующая сила направлена по оси опоры сегмента, нагрузочная способность трехсегментного подшипника

Гидродинамический, или, как часто его называют, гидравлический подшипник – это машиностроительный узел, в котором рабочим телом, непосредственно воспринимающим нагрузку вала механизма, является тонкий слой изолирующей смазывающей жидкости, нагнетаемой в конструкцию при помощи смазываемого вала.

История изобретения подшипника

История изобретения подшипника насчитывает не одну тысячу лет. Первые примитивные подшипники скольжения относятся к эпохе неолита. Люди изготавливали их из камней и использовали в сверлильных приспособлениях для добывания огня и различных приспособлениях для прядения. С развитием человеческой цивилизации примитивные подшипники скольжения начали применяться во многих механизмах, использующих принцип колеса: в повозках, для изготовления глиняной посуды круглой формы при помощи гончарного круга, в ветряных мельницах для подъёма воды и привода жерновов.

Первые сведения о подшипниках качения относятся к 330 году до н.э. В этот период древнегреческий инженер Диад разработал конструкцию тарана для разрушения крепостных стен. В этой конструкции подвижная часть передвигалась на специальных роликах по направляющим.

Впервые металлический подшипник качения был изготовлен в ХУ111 веке в Англии для ветряной мельницы. Конструктивно он состоял из двух чугунных колец, представлявших собой направляющие, между которыми было помещено до сорока чугунных шаров.

В ХХ веке работы учёных О.Рейнолдса и Н.П.Петрова, работавших независимо друг от друга, привели к замечательному открытию. Они установили, что если скорость вращения машинного вала в подшипнике скольжения, наполненном смазкой, достаточно велика, то на валу создаётся как бы искусственная невесомость, при которой вал перестаёт давить на подшипник. Техническое применение этого открытия привело к разработкам подшипников скольжения, обладающих весьма малыми коэффициентами трения. Дальнейшие разработки открытия привели к созданию подшипников, в которых смазывающая рабочая среда нагнетается снаружи при помощи специального насоса.

Особенности применения гидродинамических подшипников

Современные гидродинамические подшипники используются в разнообразных прецизионных механизмах, когда обычные шарико- или роликоподшипники не удовлетворяют необходимым требованиям, предъявляемым к работе тех или иных конструкций и узлов. Например, при необходимости обеспечения минимальной вибрации, малого уровня шума, минимальных габаритов в стеснённых эксплуатационных условиях, достаточно большого срока службы. В процессе дальнейших разработок и усовершенствований такие подшипники становятся всё более и более конкурентоспособными в связи с уменьшающейся себестоимостью изготовления.

Отличие гидростатических подшипников от гидродинамических заключается в том, что в первых необходимое рабочее давление жидкости создаётся при помощи специального насоса, а в последних самосмазывание обеспечивается рабочим валом при его вращении. Следует учитывать, что эффект самосмазывания имеет достаточную эффективность только при достижении паспортных скоростей вращения вала, в противном случае прослойка смазки под валом имеет недостаточную толщину, а это неизбежно приводит к возрастанию сил трения и, как правило, к преждевременному износу механизма. Поэтому, для предотвращения подобных случаев, которые могут происходить достаточно часто, например, при пусках и остановках механизмов, бывает целесообразно предусмотреть специальный «пусковой» насос, который будет использоваться только при вышеупомянутых переходных режимах.

Эксплуатационные достоинства гидродинамических подшипников

Конструктивно гидродинамические подшипники достаточно просты и надёжны.Как правило, они состоят из внешнего и внутреннего колец тороидальной формы, имеющих герметичные уплотнения в местах стыков. Эксплуатационные затраты минимальны или вообще отсутствуют. Подшипники обладают практически, неограниченным сроком службы. Требования к точности их изготовления гораздо ниже, чем к точности изготовления шарико- или роликоподшипников. Уровень шума от таких подшипников гораздо ниже шума, создаваемого подшипниками качения. Вибрации минимальны. Исходя из конструктивных особенностей, подшипники в ряде случаев обладают огромной демпфирующей способностью.

Недостатки гидродинамических подшипников

Нельзя не отметить недостатки гидродинамических подшипников.

Они обладают значительными потерями энергии. Эти потери варьируются в связи с наружными температурными режимами, что значительно затрудняет проведение необходимых температурных расчётов. Гидродинамические подшипники чаще подвержены внезапным авариям при внештатных ситуациях. Подшипники весьма чувствительны к неточностям изготовления валов и их аксессуаров. Возможны утечки рабочей среды в процессе эксплуатации. Поэтому достаточно часты практики установки двух и более цапф в подшипниках для предотвращения утечек с одной стороны.

Область применения

Подшипники применяются, чаще всего, в компьютерных установках, для жёстких дисков, для вентиляторов охлаждения персонального компьютера. Возможно применение для металлообрабатывающих станков, для ядерных реакторов.

Крепление вентилятора для пк

К некоторым моделям прилагаются, резиновые, силиконовые или иные крепления, позволяющие снизить вибрацию и уровень шума.

К радиатору кулера вентиляторы крепятся, чаше всего с помощью прижимных рамок или винтов.

Типы и виды подшипников в вентиляторах для пк

Подшипники, применяемые в вентиляторах для пк, можно разделить на два типа: скольжения и качения, по принципу работы.

Около наименования, располагаться цифры, обозначающие примерно возможное время наработки подшипника на отказ, при идеальных условиях.

Подшипники скольжения

Ресурс работы напрямую зависит от вибрационных нагрузок и температурного режима. Издаваемый шум невысокий, но из-за быстрого износа, может достигать неприятных для слуха значений.

Гидродинамический (FDB bearing) до 80 т ч
Улучшенный вариант простого. Пространство между втулкой и валом заполнено смазкой, минимизирующий трение, благодаря чему срок службы значительно увеличивается и снижается уровень шума.

Масляного давления (SSO) до 160 т ч
Отличается от предыдущего магнитом, центрирующим вал, благодаря которому снижается износ, увеличен объем смазки, следствие чего более долговечен и тих.

Самосмазывающийся (LDP) до 160 т ч
Используется специальная, более вязкая, жидкая или твердая смазка, прочная пленка или покрытие. Улучшено качеством обработки внутренних компонентов…

С магнитным центрированием , левитацией от -- - 160 до --
Практически, бесконтактный механизм, основанный на принципе магнитной левитации.
Очень тихий (До 80% тише, чем остальные...), обладает большей надежностью, лучше переносит использование в агрессивных средах.

Подшипники качения

Керамический (ceramic bearing) до 160 т ч
Изготавливается с применением керамических материалов, выдерживает более высокие температуры и обладает более низким уровнем шума.

Виды разъемов вентиляторов для пк

3pin и 4 pin - pwn

Отличия 3pin от 4pin
Отличие 3pin от 4pin коннектора заключается в следующем:

У 3pin количество оборотов фиксированно, как правило, это максимальное значение, которое обычно, изначально не контролируется в автоматическом режиме.

У 4pin регулировка производится автоматически, за счет получаемого PWM сигнала с 4 контакта.

2pin

Molex

*
Если подключить 3pin коннектор к 4pin разъему или наоборот, то регулировка по принципу PWM осуществляться не будет. Если материнская плата способна самостоятельно регулировать скорость через 3 контакт, путем изменения напряжения, то регулировка будет происходить самостоятельно, если нет, то возможно выставить фиксированное количество оборотов, в биосе, либо оставить, как есть, тогда вентилятор, все время будет работать на максимальных оборотах.

Влияние параметров на работу вентилятора

Пример
Представим, два вентилятора.

Пример демонстрирует (зависимости), что при большем диаметре вентилятора и меньшем количестве оборотов, возможно получить большую эффективность.

Подсветка

Некоторые модели оснащаются подсветкой в декоративных целях. Она может быть, как одноцветной, многоцветной, так и с возможностью выбора цвета и эффекта. Наличие подсветка влияет, как на стоимость, так и на потребление электроэнергии.

В которых непосредственную нагрузку от вала воспринимает тонкий слой жидкости.

Гидравлические и пневматические подшипники часто используются при высоких нагрузках, высоких скоростях и при необходимости обеспечить точную посадку вала, когда обычные шарикоподшипники создают слишком большую вибрацию, слишком большой шум или не удовлетворяют условиям компактности оборудования или условиям долговечности. Они всё чаще и чаще используются вследствие снижающейся стоимости. Например, компьютерные жёсткие диски , у которых вал электродвигателя посажен на гидравлические подшипники, работают тише, и они дешевле, чем те же диски, содержащие шарикоподшипники.

Принцип действия

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Гидравлические и пневматические подшипники, в общем, имеют очень низкие коэффициенты трения - намного ниже, чем у механических подшипников. Основной источник трения - это вязкость жидкости или газа. Поскольку у газа вязкость ниже, чем у жидкости, то газостатические подшипники относятся к числу подшипников с наименьшими коэффициентами трения. Однако, чем меньше вязкость жидкости, тем выше утечки, что требует дополнительных затрат на нагнетание жидкости (или газа) в подшипник. Такие подшипники также требуют применения уплотнений и, чем лучше уплотнение, тем выше силы трения.

• При высоких нагрузках зазор между поверхностями в гидравлических подшипниках изменяется меньше, чем в механических подшипниках. Можно считать, что «жёсткость подшипника» является простой функцией среднего давления жидкости и площади поверхностей подшипника. На практике, когда нагрузка на вал велика и зазор между поверхностями подшипника уменьшается, давление жидкости под валом увеличивается, сила сопротивления жидкости сильно возрастает и таким образом поддерживается наличие зазора в подшипнике.
  Однако, в подшипниках с небольшой нагрузкой, таких как подшипники в приводах дисков, жёсткость подшипников качения составляет порядка 10 7 МН / , в то время как в гидравлических подшипниках ~10 6 МН/м. По этой причине для повышения жёсткости некоторые гидравлические подшипники, в частности, гидростатические подшипники, конструируют таким образом, чтобы они имели предварительную нагрузку.

• Вследствие принципа своей работы гидравлические подшипники часто имеют значительную демпфирующую способность.

• Гидравлические и пневматические подшипники, как правило, работают тише и создают меньшие вибрации , чем подшипники качения (вследствие более равномерно распределённых сил трения). Например, жёсткие диски , изготовленные с использованием гидравлических (пневматических) подшипников, имеют уровень шума подшипников/двигателей порядка 20-24 дБ , что не намного больше, чем фоновый шум в закрытой комнате. Диски с подшипниками качения как минимум на 4 дБ более шумные.

• Гидравлические подшипники дешевле обычных подшипников при одинаковых нагрузках. Гидравлические и пневматические подшипники достаточно просты по конструкции. В противоположность этому подшипники качения содержат в себе ролики или шарики, имеющие сложную форму и требующие высокой точности изготовления - очень трудно изготовить идеально круглые и гладкие поверхности качения. В механических подшипниках на высоких скоростях вращения поверхности деформируются вследствие центробежной силы, а гидравлические и пневматические подшипники являются самокорректирующимися по отношению к малым отклонениям в форме деталей подшипника.

• Гидростатические и многие пневматические подшипники более сложны и дороги, чем гидродинамические, вследствие наличия насоса .

Недостатки

• В гидродинамических подшипниках обычно рассеивается больше энергии, чем в шарикоподшипниках.

• Рассеивание энергии в подшипниках, а также жёсткость и их демпфирующие свойства очень сильно зависят от температуры, что усложняет разработку подшипников и их работу в широком температурном диапазоне.

• Гидравлические и пневматические подшипники могут внезапно заклинивать или разрушаться в критических ситуациях. Шарикоподшипники чаще выходят из строя постепенно, этот процесс сопровождается появлением слышимых посторонних шумов и люфта.

• Дисбаланс вала и других деталей в гидравлических и пневматических подшипниках больше аналогичного дисбаланса в шарикоподшипниках, что приводит к возникновению более сильной прецессии , ведущей к сокращению срока службы и подшипника и ухудшению его показателей качества [ ] .

• Ещё одним недостатком гидравлических и пневматических подшипников являются утечки жидкости или газа наружу подшипника; удержание жидкости или газа внутри подшипника может представлять значительные трудности. Цапфы гидравлических и пневматических подшипников часто устанавливают по две и по три друг за другом во избежание утечек с одной из сторон. Гидравлические подшипники, в которых используется масло, не применяются в тех случаях, когда утечки масла в окружающую среду недопустимы, или когда их обслуживание экономически нецелесообразно.

Применение гидродинамических подшипников

Гидродинамические подшипники получили наиболее широкое применение в машинах благодаря простоте конструкции, хотя в периоды пуска и остановки, на малых оборотах они работают в условиях граничного смазывания или даже «сухого» трения.

• Один из главных примеров гидродинамического режима трения из повседневной жизни - подшипники коленчатого и распределительного валов двигателя внутреннего сгорания, в которых при его работе за счёт вязкости масла и быстрого вращения вала постоянно удерживается масляный клин. Основной износ вала происходит в момент пуска и остановки двигателя, когда обороты вала недостаточны для поддержания масляного клина и трение переходит в граничное.
• В прецизионных современных станках, работающих при небольших нагрузках, особенно в шлифовальных
• Использование гидродинамических подшипников скольжения вместо подшипников качения в компьютерных жёстких дисках даёт возможность регулировать скорость вращения шпинделей в широком диапазоне, уменьшить шум и влияние вибраций на работу устройств, тем самым позволяя увеличить скорость передачи данных и обеспечить сохранность записанной информации, а также - создать более компактные жёсткие диски (0,8-дюймовые). Однако имеется и ряд недостатков: высокие потери на трение и, как следствие, пониженный коэффициент полезного действия (0,95 … 0,98); необходимость в непрерывной смазке; неравномерный износ подшипника и цапфы; использование для изготовления подшипников дорогих материалов.
• В насосах, например, в циркуляционном насосе реактора РБМК -1000.
• В вентиляторах для охлаждения персонального компьютера. Использование такого вида подшипников позволяет уменьшить шум и повысить эффективность системы охлаждения. Даже на начальном этапе гидродинамический подшипник работает тише, чем подшипник скольжения. После окончания определённого периода эксплуатации он не теряет своих акустических свойств и не становится более шумным, в отличие от других подшипников.

Применение газодинамических подшипников

Примечания

Литература

• Металлорежущие станки: Учебник / В. Э. Пуш, Москва: Машиностроение, 1986.- 564 с