Подшипник со спиральной канавкой

Подшипники со спиральными канавками (также известные как винтовочные подшипники ) представляют собой самодействующие ( упорные и упорные ) или гидродинамические подшипники, используемые для уменьшения трения и износа без использования смазочных материалов под давлением. Такая способность у них есть благодаря особому рисунку канавок. Подшипники со спиральными канавками являются самодействующими, поскольку их собственное вращение создает давление, необходимое для разделения поверхностей подшипника. По этой причине они также являются бесконтактными подшипниками.

Операция

Упорные подшипники со спиральными канавками создают необходимое давление для поддержания смазки и разделения поверхностей подшипников исключительно за счет накачивающего эффекта канавок, тогда как цапфовые, конические и сферические подшипники также создают дополнительное давление за счет подшипника гидродинамического клинового действия . Когда части подшипников вращаются относительно друг друга, канавки проталкивают смазку через подшипник между поверхностями, вызывая общее повышение давления.

Движение поверхностей приведет к тому, что жидкость будет течь по канавкам, и образуется пульсация давления, перпендикулярная направлению движения. Между поверхностью подшипников и жидкостью происходит увеличение чистого давления, поскольку этот поток ограничен секцией подшипника скольжения или другим набором канавок, вызывающим повышение давления, которое противодействует повышению давления, создаваемому первым набором канавок (елочка). шаблон). При достаточной скорости внутреннее давление создает достаточную силу, чтобы выдержать приложенную нагрузку, и поверхности подшипника полностью разделяются. Именно давление, действующее перпендикулярно направлению движения, поддерживает нагрузку на подшипник.

В качестве смазки можно использовать большинство газов и жидкостей, включая хладагенты, жидкие металлы, масло, смазку, ^{[ 1 ]} вода или воздух. ^{[ 2 ]}

Это объяснение не учитывает влияние инерции , сжимаемости смазки и других факторов. ^{[ 3 ]}

Изготовление

Размеры канавок подобраны с учетом предполагаемых условий эксплуатации подшипника. Если углубления на рифленой поверхности слишком глубокие, то произойдет значительная утечка смазки. Если глубина уменьшится, эффект насоса прекратится. Также необходимо учитывать скорость вращения несущих поверхностей и точность размеров. Конструкторы и производители рассчитывают оптимальные размеры для максимальной эффективности. ^{[ 4 ]} Пазы изготавливаются следующими методами:

Офорт
Селективное травление
Механическая обработка канавок
Пайка
Лазерная обработка

Офорт

Травление — самый простой способ изготовления подшипников со спиральными канавками. Поверхность металла покрывают устойчивым к травлению лаком, затем вручную удаляют намеченные места канавок. Факторами, влияющими на свойства канавок при этом методе, являются:

время травления
температура травильной ванны
движение металла через ванну
циркуляция травителя

Несмотря на простоту этого метода, у него есть существенный недостаток: глубина канавок неравномерна и поэтому довольно неточна.

Селективное травление

Этот метод отличается от обычного травления тем, что на поверхность, подлежащую бороздке, наносят два слоя, но воздействию травителя подвергается только верхний слой, оставляя нижние поверхности защищенными.

Механическая обработка канавок

Этот метод используется, когда требуются более точные и равномерные канавки. Пазы нарезаются электрической диаметральной фрезой. Поверхность диска вращается, а фреза управляется направляющим кольцом, так что спирали имеют необходимую логарифмическую форму.

Одним из недостатков этого метода является то, что для точного вырезания канавок меньшего размера требуется более специализированное оборудование. (примерно 6 см и меньше).

Пайка

Пайку применяют, когда другие методы изготовления недоступны или неприменимы в данной ситуации; например, подшипник слишком велик для ванны травления. Получают фольгу, на которой вытравлены канавки, и припаивают ее к плоской опорной поверхности.

Факторами, которые учитываются в этом методе, являются:

температура, при которой подшипник будет использоваться
размер подшипников
характер соединяемых материалов.

Лазерная обработка

Современные лазеры сделали изготовление точных канавок более простым и доступным, но не все лазеры и лазерные компании обладают необходимой технологией. Хороший поставщик изготовит точные канавки постоянной глубины в керамических или металлических деталях с точностью до долей микрометра, включая правильные логарифмические канавки для упорных подшипников. [1]

Типы

Это основные типы подшипников со спиральными канавками. ^{[ 5 ]}

Журнал

Подшипники скольжения цилиндрической формы со спиральными канавками в виде елочки обеспечивают подшипнику превосходную нагрузочную способность, устойчивость к кавитации и превосходную стабильность.

Симметричный рисунок «елочкой» имеет нулевой поток, что снижает вероятность попадания грязи в подшипник, но подшипники скольжения со спиральными канавками также встречаются с одинарным рисунком, обеспечивающим сквозной поток смазки. Эта функция использовалась для получения известного объема расхода для систем дозирования дизельных насосов с постоянным расходом.

Плоская тяга

Плоские упорные подшипники, наиболее распространенные подшипники со спиральными канавками, названы так потому, что они состоят из плоской поверхности, которая противостоит поверхности с канавками.

Вариации этого типа подшипников обусловлены природой спиральной поверхности и типом потока жидкости. Ниже приводится список различных типов плоских упорных подшипников:

С поперечным потоком
«Елочка» рифленая, без поперечного течения
Частично рифленый (накачка внутрь или наружу)
С постоянным ограничением поперечного потока.

Сферическая тяга

Сферический (или чаще полусферический) упорный подшипник состоит из сферы, которая концентрически вращается в сферической чашке с рисунком канавок.

На изображении показан полусферический подшипник со спиральной канавкой, смазываемый консистентной смазкой, изобретенный Роном Вулли из Консультативной службы по газовым подшипникам Саутгемптонского университета в сотрудничестве с компанией British Gas. ^{[ 6 ]}

Коническая тяга

В этих подшипниках на конце цилиндрического вала вырезается конус. На поверхности конуса рядом с цилиндрической частью выполнены канавки.

История и приложения

Подшипники со спиральными канавками были изобретены в Великобритании, и одной из первых опубликованных статей была статья Уиппла, в которой они первоначально назывались канавками Уиппла. ^{[ 7 ]} В 1960-е и 1970-е годы произошел бум аналитических методов их разработки, и были опробованы многочисленные приложения. Большую часть истории можно увидеть в публикациях Международного симпозиума по газовым подшипникам. ^{[ 8 ]}

Подшипники со спиральными канавками наиболее успешно использовались в инерциальных гироскопах самолетов и кораблей. ^{[ 9 ]} В этом случае подшипники со спиральными канавками были изготовлены из керамики из карбида бора, а канавки были изготовлены ионным лучом . Подшипники оказались очень успешными: среднее время безотказной работы превысило 100 000 часов, а способность остановки и запуска составила 1 000 000 раз. ^{[ 10 ]}

Из-за множества технических преимуществ упорные подшипники продолжают использоваться в гироскопах, таких как телескоп Хаббл . ^{[ 11 ]}

За последние 20 лет появилось множество других применений в компрессорах и турбинах, использующих преимущества безмасляного, длительного срока службы, низкого трения и экологически чистых характеристик. ^{[ 12 ]}

Одной из основных областей применения является сухое газовое уплотнение , в котором упорный подшипник со спиральной канавкой раздвигает поверхности уплотнения, создавая узкий зазор уплотнения, который предотвращает контакт и износ. Они очень успешны и применяются во многих промышленных компрессорах.

Еще одно заметное применение подшипников со спиральными канавками – криогенные детандеры . Здесь они используются для поддержки высокой скорости вращения турбин и минимизации потерь мощности из-за неэффективности. Криогенные детандеры извлекают энергию из поступающих в него потоков газов, вызывая быстрое снижение температуры, а полученная энергия используется для вращения турбин. ^{[ 13 ]}^{[ 14 ]}

Преимущества

Ниже перечислены преимущества использования подшипников со спиральными канавками по сравнению с другими самодействующими подшипниками.

Их легко и недорого изготовить по сравнению с подшипниками с наклонными подушками.
Они не изнашиваются при работе и будут работать очень долго.
Они обладают превосходной стабильностью (проблемами со стабильностью страдают все газовые подшипники, одни из лучших – со спиральными канавками).
Их можно использовать в небольших устройствах и сохранять эффективность.
Они обеспечивают точное место работы, что обеспечивает малый зазор между наконечниками и повышенную эффективность.
Они хорошо работают с газовой или воздушной смазкой, поэтому полностью не содержат масла и идеально подходят для экологически чистых применений.

Дизайн

На рынке несжимаемых смазочных материалов (масла, воды) существует несколько методов расчета с помощью электронных таблиц, но для смазочных материалов на основе сжимаемого газа приходится прибегать к численным методам и специализированным проектным компаниям. Обычно анализ подшипников со спиральными канавками требует численного метода решения уравнения Рейнольдса , хотя опубликованы некоторые оптимальные параметры. ^{[ 15 ]} Современные методы CFD не подходят для общих проектных работ, поскольку количество элементов вокруг подшипника и зазора делает анализ слишком медленным. Критическим аспектом конструкции всех подшипников, использующих смазочные материалы на основе сжимаемого газа, является стабильность , тогда как для несжимаемых жидкостей нагрузка и потери мощности становятся одинаково важными.

См. также

Компьютерный вентилятор - миниатюрный вентилятор, используемый в компьютере для активного охлаждения.

Ссылки

^ Конструкция гидродинамических подшипников со спиральными канавками с рециркуляцией смазки с использованием консистентных смазок. Кандидатская диссертация. Молино А. Университет Саутгемптона, 1983 г.
^ «Молино А. Подшипники с внешним давлением и гибридные подшипники, смазанные R134A, для безмасляных компрессоров» . ЭПФЛ. 1996. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ «Молино А. Керамические подшипники со спиральными канавками в безмасляных компрессорах» (PDF) . Конференция ИМехЭ. 1993. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ Мейдерман, Э.А. (1965). «Подшипники со спиральными канавками». Промышленная смазка и трибология . 17 :12–17. дои : 10.1108/eb052769 .
^ Мейдерман, Э.А. (1966). «Конструкции со спиральными подшипниками». Носить . 9 (2): 118–141. дои : 10.1016/0043-1648(66)90129-3 .
^ Патент: Осевой упорный подшипник со смазкой. Вулли RW https://patents.google.com/patent/US3927921
^ Подшипник с наклонной канавкой Автор(ы): RTP Whipple UK. Управление по атомной энергии < http://discovery.nationalarchives.gov.uk/details/r/C2965248 >.
^ Консультативная служба по газовым подшипникам, факультет машиностроения, Саутгемптонский университет < http://www.worldcat.org/title/gas-bearing-symposium-papers/oclc/216839017 >.
^ Патент: Подшипники с газовой смазкой и способ производства. Бердмор Дж. Смитс Индастриз, Великобритания. < http://www.google.com.au/patents/EP0029667A1 >.
^ Бредман, Г. Разработка газоподшипникового гироскопа серии 700. 5-й Международный симпозиум по газовым подшипникам, 1971 г. Саутгемптонский университет, Великобритания.
^ «Гироскопы» .
^ Керамические подшипники со спиральной канавкой в безмасляных компрессорах. Молино А. < http://www.ofttech.com/pdfpages/Ceramic%20Oil-Free%20Bearings.pdf >.
^ Молино, АК (1989). «Использование газовых подшипников со спиральной канавкой в криогенном детандере со скоростью 350 000 об/мин». Трибологические труды . 32 (2): 197–. дои : 10.1080/10402008908981879 .
^ «ОСНОВЫ ТУРБОЭКСПАНДЕРА — Файл MIT». Поиск документов, конвертер и загрузка — MIT File. Нп и Интернет. 13 февраля 2012 г. < http://www.mitfile.com/pdf/fundamentals-turboexpander.html >.
^ Оптимизация самодействующих опорных подшипников с канавками «елочкой» для максимальной устойчивости Hamrock Fleming NASA. < https://archive.org/details/nasa_techdoc_19740026775 >.

Броман, Горан. На упорном подшипнике с плоской спиральной канавкой. Лунд: [Отдел элементов машин, Лундский технический университет], 1991. Печать.
Хэмрок, Бернард Дж. Основы жидкостной пленочной смазки. Нью-Йорк: МакГроу-Хилл, 1994. Печать.
«Подшипники со спиральными канавками — SKF Industrial Trading and Development Company, BV» Информация о патентном поиске и патентовании изобретений. Веб. 26 января 2012 г. < http://www.freepatentsonline.com/3836214.html >.
Маланоски, С.Б.; Пан, CHT (1965). «Статические и динамические характеристики упорного подшипника со спиральными канавками». Журнал фундаментальной инженерии . 87 (3): 547. дои : 10.1115/1.3650603 .
Возможности использования газовых подшипников в гироскопах. Унтербергер, Р.А.А. (Мюнхен, Технический университет, Мюнхен, ФРГ). Симпозиум по гироскопической технологии, Гейдельберг, Западная Германия, 25, 26 апреля 1974 г., Труды. (A75-10151 01-35) Дюссельдорф, Немецкое общество позиционирования и навигации, 1974, стр. 189-209. На немецком языке. (1974) Приборы и фотография.
Газосмазываемые подшипники гироскопов: курс на кафедре общей механики, сентябрь – октябрь 1970 г. Выпуск 43 серии CISM, выпуск 43 Курсов и лекций. Герхард Генрих. Спрингер-Верлаг, 1972. Корнелльский университет. ISBN 0-387-81147-8 , 9780387811475.

Внешние ссылки

[1] Конструкция гидродинамических подшипников со спиральными канавками с рециркуляцией смазки с использованием консистентных смазок. Кандидатская диссертация. Молино А. Университет Саутгемптона, 1983 г.

[2] «Молино А. Подшипники с внешним давлением и гибридные подшипники, смазанные R134A, для безмасляных компрессоров» . ЭПФЛ. 1996. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[3] «Молино А. Керамические подшипники со спиральными канавками в безмасляных компрессорах» (PDF) . Конференция ИМехЭ. 1993. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[4] Мейдерман, Э.А. (1965). «Подшипники со спиральными канавками». Промышленная смазка и трибология . 17 :12–17. дои : 10.1108/eb052769 .

[5] Мейдерман, Э.А. (1966). «Конструкции со спиральными подшипниками». Носить . 9 (2): 118–141. дои : 10.1016/0043-1648(66)90129-3 .

[6] Патент: Осевой упорный подшипник со смазкой. Вулли RW https://patents.google.com/patent/US3927921

[7] Подшипник с наклонной канавкой Автор(ы): RTP Whipple UK. Управление по атомной энергии < http://discovery.nationalarchives.gov.uk/details/r/C2965248 >.

[8] Консультативная служба по газовым подшипникам, факультет машиностроения, Саутгемптонский университет < http://www.worldcat.org/title/gas-bearing-symposium-papers/oclc/216839017 >.

[9] Патент: Подшипники с газовой смазкой и способ производства. Бердмор Дж. Смитс Индастриз, Великобритания. < http://www.google.com.au/patents/EP0029667A1 >.

[10] Бредман, Г. Разработка газоподшипникового гироскопа серии 700. 5-й Международный симпозиум по газовым подшипникам, 1971 г. Саутгемптонский университет, Великобритания.

[11] «Гироскопы» .

[12] Керамические подшипники со спиральной канавкой в безмасляных компрессорах. Молино А. < http://www.ofttech.com/pdfpages/Ceramic%20Oil-Free%20Bearings.pdf >.

[13] Молино, АК (1989). «Использование газовых подшипников со спиральной канавкой в криогенном детандере со скоростью 350 000 об/мин». Трибологические труды . 32 (2): 197–. дои : 10.1080/10402008908981879 .

[14] «ОСНОВЫ ТУРБОЭКСПАНДЕРА — Файл MIT». Поиск документов, конвертер и загрузка — MIT File. Нп и Интернет. 13 февраля 2012 г. < http://www.mitfile.com/pdf/fundamentals-turboexpander.html >.

[15] Оптимизация самодействующих опорных подшипников с канавками «елочкой» для максимальной устойчивости Hamrock Fleming NASA. < https://archive.org/details/nasa_techdoc_19740026775 >.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]