1. Типы газодинамических подшипников и их применение в современной технике

Газовыми подшипниками называются подшипники скольжения с газовой смазкой. Газы, подобно другим видам смазок, обладают некоторыми только им присущими достоинствами и недостатками, которые вытекают из основных различий в свойствах газов и жидкостей.

1. Газы имеют малую вязкость, например при 15-20° С динамическая вязкость воздуха примерно в 4 тыс. раз меньше вязкости машинного масла и в 60-100 раз меньше вязкости воды и керосина. С повышением температуры вязкость жидкостей резко падает, а вязкость газов несколько увеличивается, например динамическая вязкость машинного масла при атмосферном давлении с увеличением температуры от 20 до 80° С уменьшается в 14 раз, в то время как для воздуха при тех же условиях она увеличивается в 1,16 раза. Вязкость газов в пределах диапазона давлений работы подшипников не зависит от давления.

2. Газы химически стабильны в значительно более широком интервале температур, чем жидкости.

3. Газ - сжимаемая среда, поэтому при движении в зазоре подшипника его плотность существенно зависит от изменения давления, скорости и проходного сечения.

4. Газ - некавитирующая среда. В отличие от жидкостной смазки при смазке газами отсутствуют разрывы в смазочной пленке.

Наиболее важным преимуществом газовой смазки в противоположность тем, которые проявляются лишь в определенных обстоятельствах, является использование малой вязкости газов по сравнению с вязкостью жидкостей. Малая вязкость газов позволяет осуществить высокие скорости вращения при незначительных потерях на трение, а следовательно, и малом повышении температуры смазки и опор. Следствием малых потерь на трение является возможность получения малого износа и большой долго-

вечности работы таких опор, повышенной экономичности и точности машины или прибора при их применении.

Примеры применения высокоскоростных подшипников можно привести из различных областей техники: в станкостроении - во внутришлифовальных головках для обработки отверстий малых диаметров [57], что позволяет повысить производительность и улучшить качество шлифования; в приборостроении -в гироскопических и других приборах [46, т. 91, № 11, что повышает надежность, долговечность и точность прибора; в компрессоро-строении в центробежных нагнетателях [34; 57; 18], где при сравнительно небольших весах роторов и высокой их уравновешенности можно при применении таких подшипников значительно увеличить число оборотов ротора, а следовательно, получить большую производительность и более высокий к. п. д. компрессора.

Примерами применения газовой смазки в устройствах статического типа, где необходимо иметь малые собственные моменты трения, являются динамометры, аэродинамические весы, подвесы.

Газовая смазка исключает проблемы, связанные с граничной CAfasKofi, так что вопрос приработки в таком смысле, как онстоит при жидкостной смазке и в подшипниках качения, не имеет места в подшипниках с газовой смазкой.

Высокаятермическаястабильность свойств газа позволяет использовать подшипники с газовой смазкой в турбостроении и криогенной технике [34; 46, т. 90, № 4]. В турбодетандерах в качестве смазки можно использовать газы при температурах, близких к точке превращения газа в жидкость, например в [41 ] приводится малогабаритный высокоскоростной (п = 350 ООО об/мин) турбо-детандер, разработанный Британской кислородной компанией для сжижения гелия. В нем применены подшипники с гелиевой смазкой, которые работают в интервале температур 50-13 К.

При высоких температурах качественные характеристики опор с газовой смазкой определяются в основном прочностью узлов и деталей машин, а не смазкой.

Стабильность физико-химических свойств газа в условиях радиации вызывает применение газовой смазки в атомной энергетике, химической промышленности и других специальных областях техники [40].

Кроме достоинств подшипников с газовой смазкой, связанных с перечисленными свойствами газов, их применение может обеспечить дополнительные преимущества по отношению к подшипникам с жидкостной смазкой: герметичность системы, снижение загрязнения, устранение необходимости уплотнений валов, устранение громоздкого оборудования для хранения, подогрева и охлаждения, нагнетания и откачки жидкостных смазок, упрощение и удешевление конструкции подшипника, снижение вибрации и шума. Если учесть, что при этом сокращаются габариты и вес всего механизма, упрощается эксплуатация, обеспечивается кон-12

диционность среды, то понятен тот интерес, который проявляется в последние годы к их применению в целом ряде случаев. Подшипники с газовой смазкой приобретают важное значение и там, где необходимо предотвратить загрязнение окружающей подшипник среды продуктами испарения обычных смазок или самой смазкой. Это имеет место в замкнутых системах, где производятся операции с газами высокой . чистоты, в атомных реакторах, в ряде механизмов и машин текстильной и пищевой промышленности [41].

В принципе смазкой может служить любой газ или смеси газов. Они мало различаются по тем свойствам, которые важны для подшипников, но воздушная смазка более практична и экономична, поэтому, за исключением частных случаев, в качестве смазки используется воздух.

Одновременно с преимуществами газовой смазки, в основном определяемыми первыми двумя из перечисленных свойств газа, малая вязкость газа приводит к понижению несущей способности газовых подшипников по сравнению с жидкостными. Повысить i несущую способность подшипников можно различными способами:; нагнетанием газа, уменьшением зазоров между рабочими поверх-, ностями опор, увеличением эксцентриситета (смещения оси вала), i Анализ этих факторов приведен в работах [25; 57].

По принципу создания несущей способности подшипники с газовой смазкой можно разделить на два типа: статический -с внешним нагнетанием давления (так называемые газостатические подшипники) и динамический - с внутренним нагнетанием давления (так называемые газодинамические подшипники). В последних поддерживающая сила возникает вследствие газодинамических процессов, происходящих во время работы б газовом зазоре, такие подшипники можно назвать самоподдерживающимися. Этот эффект может иметь место и в газостатических опорах. Если он в них играет заметную роль, то подшипники называют гибридными.

Самоподдерживающиеся подшипники можно разделить на две разновидности: с продольным и поперечным перемещением поверхностей, газового слоя; последние получили название вибронесущих [40; 41 ].

Каждый тип подшипников имеет множество различных конструктивных решений. Выбор типа подшипника определяется предъявляемыми к нему требованиями.

Газостатические подшипники применяются как в скоростных, так и в тихоходных машинах. Они допускают реверс и обладают большей несущей способностью, чем газодинамические опоры, требуют меньшей точности изготовления, выдерживают постоянные и пульсирующие нагрузки. Главным их недостатком, ограничивающим область применения, является необходимость установки насоса. На рис. 1 показаны схемы таких подшипников: а - цилиндрический радиальный, б - плоский упорный, в - сферический радиально-упорный. ,

Разработка в ЭВМ лентопротяжных механизмов и устройств для магнитной записи на ленте с гибкой основой стимулировала появление и исследование ленточных газовых опор с внешним и внутренним нагнетанием давления [40]. На рис. 2 дано схематическое изображение ленточного подшипника: 1, 2, 3 -- ленточные секторы; О - положение центра шипа при отсутствии вращения и нулевой нагрузке. Эти подшипники интересны возможностью ис-

а) ШШу/Щ

Рис. 1

пользования их в качестве опор турбомашин [46, т. 92, № 4 ]. Появившиеся вибронесущие подшипники [46, т. 91, № 1 ] находят применение в аксельрометрах и реверсивных машинах малой мощности. Высокочастотные колебания с незначительной амплитудой по направлению к нормали их несущей поверхности позволяют

выдерживать малые нагрузки в опорах такого назначения.

В последнее время в приборах точной механики находят применение смешанные опоры, например магни-тогазодинамические [40].

В данной работе рассматриваются самоподдерживающиеся подшипники с продольным перемещением поверхностей газового слоя (за исключением ленточных). Их обычно и называют газодинамическими подшипниками.

Газодинамические подшипники нашли применение в машинах, гироскопах и других приборах как скоростные подшипники, которые могут работать как самоподдерживающиеся при определенной скорости вращения. Они применяются для восприятия сравнительно небольших нагрузок (несколько десятых килограмма на квадратный сантиметр).

Малое демпфирование газовой смазки, кроме преимуществ, имеет существенный недостаток - создает повышенную склонность к колебаниям вала в подшипниках. Для устранения этих колебаний необходимо применять специальные меры. При рас-14

Рис. 2

смотрении колебательных явлений нужно принципиально различать их природу в газостатических и газодинамических подшипниках. Наиболее часто колебания в газодинамических подшипниках возникают при скоростях вращения, равных половине какой-то критической скорости. Это явление называется полускоростным вихрем [41; 57]. При возникновении полускоростного вихря подшипники почти полностью теряют несущую способность и разрушаются.

Рис. 3

По конструктивному выполнению газодинамические опоры условно проклассифицируем следующим образом:

1) по геометрическим признакам: цилиндрические, плоские, конические, сферические, полусферические (они определяют вид подшипника по воспринимаемой нагрузке: радиальный, радиально-упорный, осевой);

Рис. 4

2) по характеру выполнения несущих поверхностей: цельные и разрезные (сегментные), гладкие и с рельефом, одноцентровые и многоцентровые;

3) по характеру крепления опор в корпусе: с жестким и с эластичным креплением, с креплением типа кардана и др.;

4) по количеству и виду опор; одноопорные (катушечные, шаровые, полусферические и др.), многоопорные (двухопорные и др.).

Выбор вида зависит от конструктивных особенностей статора и ротора, условий компоновки и т. д.

На рис. 3-6 приведены различные типы газодинамических подшипников. На рис. 3 изображены подшипники с обращенной схемой [46, т. 91, № 4], применяемые для подвеса осей собственного вращения гироскопа: а - конусный; б -катушечный, пред-