Жидкий подшипник

Жидкие подшипники - это подшипники , в которых нагрузка поддерживается тонким слоем быстро движущейся жидкости или газа под подшипниками. ^{[ 1 ]} Поскольку между движущимися частями нет контакта, не существует скольжения , позволяя подшипникам жидкости иметь более низкие трения, износ и вибрацию, чем многие другие типы подшипников. Таким образом, некоторые подшипники жидкости могут иметь почти нулевой износ, если они работают правильно. ^{[ 1 ]}

Они могут быть широко классифицированы на два типа: динамические подшипники жидкости (также известные как гидродинамические подшипники ) и гидростатические подшипники . Гидростатические подшипники представляют собой подшипники жидкости внешнего подсказок, где жидкость обычно представляет собой нефть, воду или воздух, а также под давлением насосом. Гидродинамические подшипники полагаются на высокую скорость журнала (часть вала, покоящегося на жидкости), чтобы подчеркнуть жидкость в клин между лицами. Жидкие подшипники часто используются в высокой нагрузке, высокой скорости или высокой точке применения, где обычные шариковые подшипники укорачивают срок службы или вызывали высокий шум и вибрацию. Они также все чаще используются для снижения стоимости. Например, подшипники жесткого диска двигателя жидкости более тише и дешевле, чем шариковые подшипники, которые они заменяют. Приложения очень универсальны и могут даже использоваться в сложных геометриях, таких как свинцовые вины . ^{[ 2 ]}

Жидкий подшипник, возможно, был изобретен французским инженером-строителем LD Girard, который в 1852 году предложил систему железнодорожного движения, включающего гидравлические подшипники с водой. ^{[ 3 ]}^{[ 1 ]}

Операция

Жидкие подшипники представляют собой неконтактные подшипники, в которых используется тонкий слой быстро движущейся поджатой жидкости или газовой жидкости между движущимися гранками, которые обычно герметизируются вокруг или под вращающимся валом. ^{[ 1 ]} Движущиеся части не вступают в контакт, поэтому не существует скользящего трения ; Сила нагрузки поддерживается исключительно давлением движущейся жидкости. Есть два основных способа попадания жидкости в подшипник:

В статических , гидростатических и многих газовых или воздушных подшипниках жидкость перекачивается через отверстие или через пористый материал. Такие подшипники должны быть оснащены системой управления положением вала, которая регулирует давление и потребление жидкости в соответствии со скоростью вращения и нагрузкой вала. ^{[ 4 ]}
В подшипниках жидкости-динамического , вращение подшипника высасывает жидкость на внутреннюю поверхность подшипника, образуя смазочный клин под или вокруг вала.

Гидростатические подшипники полагаются на внешний насос. Мощность, требуемая этим насосом, способствует потере энергии системы, так же, как трение подшипника в противном случае. Лучшие уплотнения могут снизить скорость утечки и насосную мощность, но могут увеличить трение.

Гидродинамические подшипники полагаются на движение подшипника, чтобы всосать жидкость в подшипник, и могут иметь высокое трение и короткий срок службы на скоростях ниже, чем в дизайне, или во время запуска и остановки. Внешний насос или вторичный подшипник может использоваться для запуска и выключения, чтобы предотвратить повреждение гидродинамического подшипника. Второе подшипник может иметь высокое трение и короткий срок службы, но хороший общий срок службы, если начинается и остановки подшипника нечасто.

Гидродинамическая смазка

Гидродинамическая (HD) смазка , также известная как смазка жидкости, имеет необходимые элементы:

Смазка , которая должна быть вязкой жидкостью.
Гидродинамическое поведение потока жидкости между подшипником и журналом.
Поверхности, между которыми перемещаются пленки жидкости, должны быть сходящимися.

Гидродинамическая (полная пленка) смазка получается, когда две сопряженные поверхности полностью разделены сплоченной пленкой смазки.

Таким образом, толщина пленки превышает комбинированную шероховатость поверхностей. Коэффициент трения ниже, чем при смазке с пограничным слоем. Гидродинамическая смазка предотвращает износ в движущихся деталях, а контакт с металлом до металла предотвращается.

Гидродинамическая смазка требует тонких, сходящихся жидкости. Эти жидкости могут быть жидкостью или газом, если они проявляют вязкость. В компьютерном вентиляторе и прямом устройстве, как и жесткий диск , головы поддерживаются гидродинамической смазкой, в которой пленка жидкости является атмосферой.

Масштаб этих пленок находится в порядке микрометров. Их конвергенция создает давление, нормальное к поверхностям, с которыми они контактируют, вытесняя их.

Три типа подшипников включают в себя:

Самооценка: фильм существует из-за относительного движения. Например, спиральные подшипники .
Squeeze Film: Фильм существует из -за относительного нормального движения.
Внешнее давление: пленка существует из-за внешней давления.

Концептуально подшипники можно рассматривать как два основных геометрических класса: подшипник-Journal (анти-фантастик) и плоскость (трение).

Уравнения Рейнольдса могут быть использованы для получения руководящих принципов для жидкостей. Обратите внимание, что когда используются газы, их вывод гораздо более вовлечен.

Можно подумать, что тонкие пленки имеют давление и вязкие силы, действующие на них. Поскольку существует разница в скорости, будет разница в векторах поверхностного тяги. Из -за массового сохранения мы также можем принять увеличение давления, что делает силы тела различными.

Гидродинамическая смазка - характеристики:
1. Жидкая пленка в точке минимальной толщины уменьшается по толщине по мере увеличения нагрузки
2. Давление в массе жидкости увеличивается по мере уменьшения толщины пленки из -за нагрузки
3. Давление в пределах массы жидкости является наибольшим в какой -то точке, приближаясь к минимальному зазору и самым низким в точке максимального зазора (из -за дивергенции)
4. Вязкость увеличивается по мере увеличения давления (больше сопротивления к сдвигу)
5. Толщина пленки в точке минимального зазора увеличивается с использованием большего количества вязких жидкостей
6. С той же нагрузкой давление увеличивается по мере увеличения вязкости жидкости
7. При данной нагрузке и жидкости толщина пленки будет увеличиваться по мере увеличения скорости
8. Жидкое трение увеличивается по мере того, как вязкость смазки становится больше
Гидродинамическое состояние - скорость жидкости:
1. Скорость жидкости зависит от скорости журнала или гонщика
2. Увеличение относительной скорости имеет тенденцию к снижению эксцентриситета центров подшипника журнала
3. Это сопровождается большей минимальной толщиной пленки
Гидродинамическое состояние - нагрузка:
1. Увеличение нагрузки уменьшает минимальную толщину пленки
2. Также увеличивает давление в массе пленки, чтобы обеспечить противодействующую силу
3. Давление действует во всех направлениях, следовательно, оно имеет тенденцию выжать масло с концов подшипника
4. Увеличение давления увеличивает вязкость жидкости

Характерное число подшипника: Поскольку вязкость, скорость и нагрузка определяют характеристики гидродинамического состояния, было разработано характерное число подшипника на основе влияния их на толщину пленки.

Увеличение скорости увеличивается мин. Толщина пленки

Увеличение вязкости увеличивается мин. Толщина пленки

Увеличение нагрузки уменьшается мин. Толщина пленки

Поэтому,

Вязкость × скорость/единичная нагрузка = безразмерное число = c

C известен как характерное число подшипников .

Значение C , в некоторой степени, дает указание на то, будет ли гидродинамическая смазка или нет

Характеристики работы

Жидкие подшипники могут быть относительно дешевыми по сравнению с другими подшипниками с аналогичным рейтингом нагрузки. Подшипник может быть таким же простым, как две гладкие поверхности с уплотнениями, чтобы держать в рабочей жидкости. Напротив, обычный подшипник с помощью вращения может потребовать много высоких валиков со сложными формами. Гидростатические и многие газовые подшипники имеют осложнение и затраты на внешние насосы.

Большинство подшипников жидкости требуют незначительного обслуживания или вообще не имеют практически неограниченного срока службы. Обычные подшипники, направленные на прокатывание, обычно имеют более короткий срок службы и требуют регулярного обслуживания. Прокатные гидростатические и аэростатические (газовые) конструкции подшипника сохраняют низкое трение до нулевой скорости и не должны страдать от начала/остановки, при условии, что насос не выйдет из строя.

Жидкие подшипники обычно имеют очень низкое трение - лучше, чем механические подшипники. Одним из источников трения в жидкости является вязкость жидкости, ведущей к динамическому трению, которая увеличивается со скоростью, но статическое трение обычно незначительно. Гидростатические газовые подшипники являются одними из самых низких подшипников трения даже на очень высоких скоростях. Тем не менее, более низкая вязкость жидкости также обычно означает быстрее утечки жидкости от поверхностей подшипника, что требует повышенной мощности для насосов или трения от уплотнений.

Когда ролик или мяч сильно загружаются, подшипники жидкости имеют зазоры, которые меньше меняются при нагрузке («более жесткие»), чем механические подшипники. Может показаться, что жесткость подшипника, как и с максимальной дизайнерской нагрузкой, будет простой функцией среднего давления жидкости и площади поверхности подшипника. На практике, когда поверхности подшипника прижимаются вместе, отток жидкости сжимается. Это значительно увеличивает давление жидкости между подшипниками. Поскольку жидкие подшипники могут быть сравнительно большими, чем катящиеся поверхности, даже небольшие различия в давлении жидкости вызывают большие восстановительные силы, поддерживая зазор.

Однако в слегка нагруженных подшипниках, таких как дисковые приводы, типичные жесткости шарикового подшипника составляют ~ 10^7 мн/м. Сопоставимые подшипники жидкости имеют жесткость ~ 10^6 мн/м. ^{[ Цитация необходима ]} Из-за этого некоторые подшипники жидкости, особенно гидростатические подшипники, преднамеренно предназначены для предварительной загрузки подшипника для повышения жесткости.

Жидкие подшипники часто по своей природе добавляют значительное демпфирование. Это помогает ослаблять резонансы на гироскопических частотах подшипников журнала (иногда называемых коническими или качающими режимами).

Очень сложно сделать механический подшипник, который атомно гладкий и круглый; и механические подшипники деформируются в высокоскоростной работе из-за центростремительной силы . Напротив, подшипники жидкости самокорректируют незначительные недостатки и небольшие деформации.

Жидкие подшипники, как правило, тише и более гладко (более последовательное трение), чем подшипники с помощью вращающихся элементов. Например, жесткие диски, изготовленные с подшипниками жидкости, имеют оценки шума для подшипников/двигателей по порядку 20–24 дБ , что немного больше, чем фоновый шум тихой комнаты. Диски, основанные на подшипниках, направленных на вращение, как правило, не менее 4 дБ шумнее.

Жидкие подшипники могут быть изготовлены с более низким NRRO (не повторяемой выпуск), чем шарик или подшипник катания. Это может иметь решающее значение в современном жестком диском и ультра -точном шпинделях.

Подшипники склона наклона используются в качестве радиальных подшипников для поддержки и расположения валов в компрессорах.

Недостатки

Подшипники должны поддерживать давление, чтобы предотвратить износ, а гидростатические типы могут быть полностью неподвижными при ухудшении.
Общее энергопотребление обычно выше по сравнению с шариковыми подшипниками.
Потребление энергии и жесткость или демпфирование сильно варьируются в зависимости от температуры, что усложняет конструкцию и работу подшипника жидкости в широких ситуациях температурного диапазона.
Многие типы подшипников жидкости могут катастрофически захватывать в ударных ситуациях или неожиданной потери давления питания. Шаровые подшипники ухудшаются более постепенно и обеспечивают акустические симптомы.
Подобно вибрации частоты клетки в шариковом подшипнике, половина частотная вихрь представляет собой нестабильность подшипника, которая генерирует эксцентричную прецессию , которая может привести к плохой производительности и снижению жизни.
Утечка жидкости; Поддержание жидкости в подшипнике может быть проблемой для типов жидкости, восстановления вакуума и фильтрации могут потребоваться в некоторых ситуациях.
Подшипники масляной жидкости нецелесообразны в средах, где утечка масла может быть разрушительной или где техническое обслуживание не является экономичным.
Жидкие подшипники «прокладки» часто должны использоваться парами или тройками, чтобы избежать наклона подшипника и потери жидкости с одной стороны.
В отличие от безжизных механических подшипников, подшипники жидкости не могут работать при чрезвычайно низких температурах, необходимых для некоторых специализированных научных исследований.

Некоторые плавные подшипники

Фольга

Подшипники фольги являются типом динамического воздушного подшипника жидкости, которые были введены в высокоскоростных турбинных приложениях в 1960 -х годах Гарреттом Airesearch . Они используют газ в качестве рабочей жидкости, обычно воздуха и не требуют внешней системы давления, но нуждаются в тщательном дизайне, чтобы предотвратить износ во время вращения и вращения, когда подшипник устанавливает физический контакт.

Резиновые подшипники, смазывающие воду

Резиновые подшипники с смазкой с водой имеют длинную цилиндрическую металлическую оболочку, которая размещает несколько резиновых слоев, разделенных осевыми канавками. Использование подшипника имеет три основных преимущества: (i) накачанная вода, проходящая через подшипник, удобно используется в качестве смазки, которая снижает стоимость эксплуатации насоса; (ii) Поток воды убирает тепло и мелкие частицы через канавки подшипника; и (iii) естественная устойчивость резины придает подшипнику хорошие свойства для амортизации и вибрации поглощения и устойчивости к износу. Водяные резиновые подшипники работают при условии смешанной смазывания. ^{[ 5 ]}

Воздушные подшипники

В отличие от подшипников контакта-роллера, воздушный подшипник (или воздушный заклинатель ) использует тонкую пленку воздуха под давлением, чтобы обеспечить чрезвычайно низкий интерфейс с нагрузкой на трение между поверхностями. Две поверхности не касаются. Неконтактные подшипники воздушного периода избегают традиционных связанных с подшипниками проблем трения, износа, частиц и обработки смазки, а также предлагают четкие преимущества в точном позиционировании, такие как отсутствие обратной реакции и скуки, а также в высокоскоростных применениях.

Жидкая пленка подшипника - это воздух, который течет через подшипник к поверхности подшипника. Конструкция воздушного подшипника такова, что, хотя воздух постоянно выходит из зазора подшипника, давления между гранями подшипника достаточно для поддержки рабочих нагрузок. Это давление может быть создано внешне (аэростатическое) или внутри (аэродинамическое).

Аэродинамические подшипники могут работать только в высокоскоростных приложениях, аэростатические подшипники необходимы для подшипников нагрузки на низкой скорости. Оба типа требуют высоко готовых поверхностей и точного производства.

Примеры

Hockey Air - это игра, основанная на аэростатическом подшипнике, которая приостанавливает весла шайбы и игроков, чтобы обеспечить низкое трение и, таким образом, выдерживает высокие скорости шайбы. Подшипник использует плоскую плоскость с периодическими отверстиями, которые обеспечивают воздух прямо над давлением окружающей среды. Шайма и весны отдыхают на воздухе.

Мишель/Кингсбери Жидкости для наклонов

Мишель/Кингсбери Жидкий динамический наклонный подшипник был изобретен независимо и почти одновременно как австралийца, родившегося в британском происхождении, Энтони Джорджем Мальдоном Мичеллом и американским трибологом Альбертом Кингсбери . Оба конструкции были почти идентичны, за исключением различий в подходе, используемом для разворачивания прокладки. Мишель математически вывел распределение давления, при котором был расположен поворот в виде линии, позволяя нагрузке действовать через точку максимального давления жидкости. В патенте Кингсбери не хватало этого математического подхода, и точка поворота прокладки была помещена в геометрический центр подшипника. ^{[ 6 ]} Патент Мишелла (в Великобритании и Австралии) был предоставлен в 1905 году, в то время как первая попытка Кингсбери была 1907 году. Патент в США в Кингсбери в конечном итоге был предоставлен в 1911 году после того, как он продемонстрировал, что он работал над этой концепцией в течение многих лет. Как заявил Сидни Уокер, давний сотрудник Michell's, предоставление патента Кингсбери было «ударом, который Мишелл был трудно принять».

У подшипника есть секционная обувь или прокладки на шарнирах. Когда подшипник находится в работе, вращающаяся часть подшипника несет свежее масло в площадь прокладки через вязкое сопротивление . Жидкое давление заставляет прокладку слегка наклоняться, создавая узкое сужение между обувью и другой поверхностью подшипника. За этим сужником строится клин жидкости под давлением, разделяя движущиеся части. Наклон прокладки адаптивно меняется с нагрузкой и скоростью. Различные детали дизайна обеспечивают продолжение пополнения масла, чтобы избежать перегрева и повреждения накладки. ^{[ 7 ]}

Подшипники жидкости Michell/Kingsbury используются в более широком разнообразии вращающегося оборудования для тяжелых случаев, в том числе на гидроэлектростанциях для поддержки турбин и генераторов, взвешивающих сотни тонн. Они также используются в очень тяжелых техниках, таких как морского стволы винта .

Вероятно, это первая наклонная наклона, но и была построена в 1907 году George Weymoth (Pty) Ltd (под руководством AGM Michell) для центробежного насоса в Cohuna на реке Мюррей, Виктория, Австралия, всего через два года после опубликованного Микелла и Запатентовал свое трехмерное решение уравнения Рейнольда . К 1913 году за морские применения были признаны большие достоинства подшипника с накисной панмировкой. который был оснащен подшипником, был перекрестный канал Париж , Первым британским кораблем , но многие военно-морские суда были аналогично оборудованы во время Первой мировой войны . Практические результаты были впечатляющими - блок неприятного тяги стал значительно меньше и легче, значительно более эффективна и удивительно свободна от проблем с техническим обслуживанием. Было подсчитано, что Королевский флот сэкономил уголь до 500 000 фунтов стерлингов только в 1918 году в результате установки подшипников Мишелла.

Согласно ASME (см. Справочную ссылку), первая жидкость Мишель/Кингсбери в США была установлена на гидроэлектростанции Холтвуда (на реке Саскуэханна , недалеко от Ланкастера, штат Пенсильвания , США) в 1912 году. Водяная турбина и электрический генератор с вращающейся массой около 165 тонн и давлением турбины водной турбины добавляют еще 40 тонн. Подшипник находится в почти непрерывном обслуживании с 1912 года, без замены частей. ASME . сообщила, что по состоянию на 2000 год он все еще работал. По состоянию на 2002 год производитель оценил, что подшипники в Холтвуде должны иметь срок службы без технического обслуживания около 1300 лет

До сих пор подшипники наклоны накладки играют важную роль для вращающегося оборудования, такого как расширяющие, насосы, газовые или паровые турбины или компрессоры. Рядом с традиционными подшипниками Babbitt, которые использовались со времен современных производителей начала 20-го века, таких как MIBA, используют другие материалы, например бронзовый или медный хромий, а также для повышения производительности подшипников. ^{[ 8 ]}

Смотрите также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} Роу, В. Брайан (2012). Гидростатический, аэростатический и гибридный конструкция подшипника . Баттерворт-Хейнеманн. С. 1–4. ISBN 978-0123972392 .
^ [1] , «Гидростатическая гайка и свинцовый винт в сборе, и метод формирования указанной гайки», выпущен 1994-12-29
^ Жирар, Л. Доминик (1852). Прикладная гидравлика. Новая система локомоции на железных дорогах (прикладная гидравлика. Новая система локомоции для железных дорог) . Политехническая школа.
^ Il'ina Te, Prodan NV (2015). «Дизайн элемента для струйной системы управления гидростатическим газовым подшипником» . Научный и технический журнал информационных технологий, механиков и оптики . 15 (5): 921–929. doi : 10.17586/2226-1494-2015-15-5-921-929 .
^ Лю, приложание; Ян, Бинген (2015). «Новая модель резиновых подшипников, смазывающих воду, для анализа вибрации гибких систем многоэтажного ротора» . Журнал звука и вибрации . 349 : 230–258. Bibcode : 2015JSV ... 349..230L . doi : 10.1016/j.jsv.2015.03.052 .
^ Stachowiak, Gwidon; Batchelor, Andrew W. «Инженерная трибология, стр. 135–136» , Баттерворт -Хейнеманн , Лондон, 31 марта 2011 года. Получено 23 марта 2013 года.
^ «Особенности линейных подшипников INA» . 2022-05-09 . Получено 2022-11-16 .
^ «Подшипники Miba Thrust» .

Внешние ссылки

Брошюра истории ASME о несущей в Саскуэханне Кингсбери
91-страничная 10,6 МБ техническая справочник НАСА Смазка элементов машин , NASA-RP-1126 от BJHAMROCK, 1984 Dead Link New Link .
Кинематические модели для дизайна цифровой библиотеки (KMODDL) -фильмы и фотографии сотен рабочих моделей механических систем в Корнелльском университете. Также включает в себя библиотеку электронных книг классических текстов по механическому дизайну и технике.
[2] - Техническая дискуссия, внедряющая воздушные подшипники и их многочисленные приложения в Specialty Components Inc.
[3] - видео демонстрация сферического воздушного подшипника.

[Rowe-1] Jump up to: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} Роу, В. Брайан (2012). Гидростатический, аэростатический и гибридный конструкция подшипника . Баттерворт-Хейнеманн. С. 1–4. ISBN 978-0123972392 .

[2] [1] , «Гидростатическая гайка и свинцовый винт в сборе, и метод формирования указанной гайки», выпущен 1994-12-29

[Girard-3] Жирар, Л. Доминик (1852). Прикладная гидравлика. Новая система локомоции на железных дорогах (прикладная гидравлика. Новая система локомоции для железных дорог) . Политехническая школа.

[4] Il'ina Te, Prodan NV (2015). «Дизайн элемента для струйной системы управления гидростатическим газовым подшипником» . Научный и технический журнал информационных технологий, механиков и оптики . 15 (5): 921–929. doi : 10.17586/2226-1494-2015-15-5-921-929 .

[5] Лю, приложание; Ян, Бинген (2015). «Новая модель резиновых подшипников, смазывающих воду, для анализа вибрации гибких систем многоэтажного ротора» . Журнал звука и вибрации . 349 : 230–258. Bibcode : 2015JSV ... 349..230L . doi : 10.1016/j.jsv.2015.03.052 .

[6] Stachowiak, Gwidon; Batchelor, Andrew W. «Инженерная трибология, стр. 135–136» , Баттерворт -Хейнеманн , Лондон, 31 марта 2011 года. Получено 23 марта 2013 года.

[SKF_Bearing-7] «Особенности линейных подшипников INA» . 2022-05-09 . Получено 2022-11-16 .

[8] «Подшипники Miba Thrust» .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]