Радиальные подшипники скольжения с газовой смазкой.

Газовые подшипники могут быть аэростатическими (цапфа вала у такого подшипника поддерживается воздушной подушкой благодаря непрерывному поддуву сжатого воздуха) или аэродинамическими (при работе этих подшипников воздух самозасасывается из атмосферы в торцовые зазоры подшипника, обеспечивая вращение ротора на воздушной подушке).

Газовые подшипники перспективны и экономически выгодны при частоте вращения ротора n>104 мин-1 и небольших нагрузках. Газовые подшипники применяют, например, в установках для сжижения гелия, где они работают при частоте вращения ротора n=106 мин-1; в шлифовальных станках, электрошпиндель которых вращается с угловой скоростью n=(4,5 ÷ 14,5)·104 мин-1, а пневмошпиндель с n ≈ 3·105 мин-1; в роторах центрифуг, предназначенных для получения биологических эмульсий и вращающихся с частотой до 5·106 мин-1; в отдельных деталях текстильных машин, частота вращения которых достигает 106 мин-1.

Принцип действия. Примерная эпюра давлений в подшипнике при воздушной смазке показана на рис. 15.

Рис. 15. Эпюра давлений при воздушной смазке

Такое распределение давлений по значительной части окружности способствует стабилизации ротора, повышает виброустойчивость опоры.

Особенности подшипников с воздушной смазкой:

1. Малая грузоподъемность, если нет питания под давлением, среднее допускаемое удельное давление р:

где n, мин -1.

При подаче воздуха под давлением несущая способность подшипника возрастает почти прямо пропорционально давлению. Предельная нагрузка Рmax определяется по эмпирической формуле:

Рmax=0,33рF,

где F – площадь подшипника.

2. В подшипниках на воздушной смазке может быть только два вида трения: аэродинамическое (под давлением), когда рабочие поверхности разделены воздухом, или сухое.

Промежуточных стадий нет, так как воздух не создает на поверхностях трения граничной пленки, как это свойственно маслам. Поэтому при переменном режиме работы, а также при пуске и остановке ротора в подшипники должен подаваться воздух под давлением, чтобы предохранить опоры от заедания. Относительный зазор Ψ≤0,001.

3. Требуется высокая точность обработки рабочей поверхности шеек опор и динамическая балансировка ротора. Поверхность шейки должна иметь твердость HRC 58-60.

Для втулок могут применяться цветные сплавы или специальные графитовые материалы с пропиткой антифрикционными материалами (свинцом, баббитом и др.).

Схема подшипника с воздушной смазкой показана на рис. 16; воздух с маслом под давлением подается в радиально расположенные карманы (а) втулки. По длине ротора их может быть один или несколько рядов, разделенных перемычками (б). Ненагруженный ротор при подаче давления в карманы располагается практически концентрично по отношению к внутренней поверхности втулки.

Рис. 16. Схема подшипника с воздушной смазкой под давлением: а – карман; б – перемычка

Под нагрузкой ротор смещается и занимает эксцентричное положение относительно втулки, чем изменяет величину радиальных зазоров. При этом ротор частично перекрывает выход воздуха из карманов, к которым он приблизился, и вызывает рост давления в этих карманах. Под давлением воздуха ротор перемещается в положение, в котором он с воспринимаемой нагрузкой уравновешивается в подшипнике.

Рабочей средой является сжатый воздух с тонко распыленным маслом (масляный туман).

Аэродинамические подшипники

В металлорежущих станках применяют сжатый воздух, прошедший очистку и стабилизацию, который под давлением не более 30 ÷ 40 Н/см2 поступает в маслораспылитель и затем в карманы подшипника с плавающим ротором.

Аэродинамические подшипники применяют в основном для особо быстроходных шпинделей малого размера, например во внутришлифовальных и сверлильных станках для обработки отверстий небольшого диаметра. Более широкое применение для шпинделей прецизионных станков с малыми нагрузками и большими окружными скоростями нашли аэростатические подшипники.

Аэростатические подшипники

Главные особенности аэростатических подшипников с воздушной смазкой связаны с использованием малых давлений, так как в питающей магистрали после очистки и стабилизации давление воздуха не превышает 30-40 Н/см2. Другие особенности опор с воздушной смазкой связаны с малой вязкостью воздуха и склонностью шпинделя на воздушных опорах к потере устойчивости. Основным средством повышения устойчивости опор является уменьшение объема воздуха в карманах, а также применение специальных способов подвода воздуха – поддува.

Конструктивное оформление аэростатических подшипников скольжения предусматривает использование жесткого цельного втулки-вкладыша (рис. 17) с системой ввода воздуха под давлением по концам, а при коротких подшипниках иногда и в среднюю часть втулки. Часто руководствуются соотношением l=0,11L, а длину подшипника выбирают в пределах:

L=(1 ÷ 1,5)D.

Диаметр отверстий поддува принимают 0,2 ÷ 0,3 мм, а величину диаметрального зазора ограничивают значением:

Δ=(0,0002 ÷ 0,0004)D.

Рис. 17. Схема конструкции аэродинамического подшипника

Число z отверстий поддува, по экспериментальным данным, целесообразно выбирать с учетом зависимости:

где z – число отверстий, с округлением в большую сторону до ближайшего целого числа и с условием, что число z отверстий поддува не должно быть менее трех; D – диаметр шейки шпинделя, в мм.

Отверстия поддува целесообразно соединять кольцевой канавкой треугольного профиля и небольшой глубины, что повышает грузоподъемность и жесткость примерно в 1,5 раза.

Глубину профиля канавки выбирают на основе зависимости:

где L – длина подшипника; h = Δ/2 – толщина щели.

Объем воздуха в канавках должен быть в 4-5 раз меньше, чем объем воздуха в рабочем пространстве зазора.

Динамические характеристики опор с воздушной смазкой связаны с появлением и возможным развитием колебаний, которые связаны с некруглостью шейки шпинделя и остаточным дисбалансом шпинделя и связанных с ним деталей. Как показала практика, основными способами устранения вредного влияния колебаний является повышение точности размеров и формы шейки шпинделя и тщательная балансировка шпиндельного узла вместе с комплектом сопряженных деталей.

Плоские направляющие скольжения с газовой смазкой. Конструктивное оформление аэростатических направляющих (рис. 18) для прямолинейного и кругового движения основано на разделении всей рабочей поверхности на несколько карманов (секций) с независимым подводом и распределением воздуха. Карманы и распределительные канавки выполняют небольшими по объему из-за опасности потери устойчивости и самовозбуждения интенсивных колебаний.

Рис. 18. Схема конструкции плоской аэростатической направляющей

Обычно применяют канавки небольшой глубины и треугольного профиля для обеспечения устойчивости при объеме воздуха в канавке в 4-5 раз меньше объема воздуха в щели опоры.

Глубину профиля канавки выбирают на основе зависимости:

где В – ширина подшипника; h – толщина щели.

При значительной ширине опоры используют канавки замкнутой формы, объединяющей несколько отверстий.

Опыт эксплуатации аэростатических направляющих в станках подтверждают целесообразность применения для этих направляющих карманов простейшего вида (рис. 19, а-в). Геометрические размеры можно выполнять, учитывая примерные зависимости: а=0,5а1; а1=0,15В; а2=2а1.

Рис. 19. Форма карманов для аэростатических направляющих

Воздух через дросселирующее отверстие (d=0,2 ÷ 0,8 мм) подводится к центру канавки под избыточным давлением 20 ÷ 40 Н/см2 после очистки и стабилизации давления воздуха от пневмосети.

Грузоподъемность аэростатических опор определяют на основе закона распределения давлений в зазоре. Условие неразрывности воздушного потока и допущение о том, что истечение происходит только в поперечном направлении, дают возможность определить подъемную силу опоры с одной канавкой:

где fp(k) – коэффициент, зависящий от характеристики опоры;