Гидравлические и пневматические подшипники

Гидравлические подшипники — это подшипники, в которых непосредственную нагрузку от вала воспринимает тонкий слой жидкости.

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

Эти подшипники в общем случае могут быть разделены на два типа:

• гидродинамические и газодинамические;
• гидростатические.

В гидростатическом подшипнике высокое давление жидкости поддерживается внешним насосом. Жидкостью в них служит обычно масло или вода. Поскольку такие подшипники для своей работы требуют нагнетания жидкости от внешнего насоса, то энергия, подводимая к насосу, для системы в целом является потерянной энергией. Однако, в отсутствие насоса эта энергия расходовалась бы на преодоление сил трения.

В гидродинамическом подшипнике при вращении вала на больших скоростях жидкость увлекается валом в пространство между поверхностями трения, и таким образом осуществляется самосмазывание. Можно рассматривать его как подшипник скольжения, в котором геометрия, достаточная скорость вращения и свободная подача смазки делают масляный слой достаточно толстым, чтобы полностью исключить контактное трение на любых рабочих режимах.

В этих подшипниках жидкость засасывается внутрь подшипника движением вала и нагнетается под вал или вокруг него так же движением вала. Вследствие этого при небольших скоростях вращения вала (в том числе, в момент старта и торможения) слой жидкости под валом имеет недостаточную толщину, а это приводит к непосредственному контакту деталей пары. Если такие режимы случаются достаточно часто, то подшипник имеет меньший срок службы, и в нём происходят большие потери энергии. Иногда для предотвращения указанных проблем в гидродинамических подшипниках используют либо вторичный подшипник, либо внешний насос, которые включаются в работу в момент запуска или торможения. Специальные износостойкие и антифрикционные покрытия (например,алмазоподобные^[англ.]) также способны значительно уменьшить пусковой износ. Часто оговаривается число пусков/остановок машины до ремонта с заменой подшипника, которое может быть очень малым в сравнении с общим ресурсом.

Вал может быть окружён не жёсткой втулкой, а несколькими упругими лепестками или разрезным кольцом из пружинящей фольги на упругой опоре («фольговый подшипник») для равномерного распределения нагрузки по поверхности пары. Лепестковые (и в целом газодинамические) подшипники существуют и в торцевом (упорном) исполнении^[1].

• Гидравлические и пневматические подшипники, в общем, имеют очень малые коэффициенты трения — намного меньше, чем у механических подшипников. Основной источник трения — это вязкость жидкости или газа. Поскольку у газа вязкость меньше, 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 10⁷ МН/м, в то время как в гидравлических подшипниках ~10⁶ 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.

Также большинство гидравлических и пневматических подшипников требует небольших затрат на техническое обслуживание или не требует их вовсе. Кроме того, у них практически неограниченный срок службы. Обычные подшипники качения имеют более короткий срок службы и требуют регулярной смазки, проверки и замены.

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

• 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^{[источник не указан 3487 дней]}.

• 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.

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 гидравлического режима трения из повседневной жизни — подшипники коленчатого и распределительного валов двигателя внутреннего сгорания, в которых при его работе за счёт вязкости масла и повышенного давления смазочной системы постоянно удерживается масляный клин. Основной износ вала происходит в момент пуска двигателя, когда производительности насоса недостаточно 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, меньший 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.

Газодинамические подшипники нашли широкое применение в газотурбинной технике и скоростных пневматических турбомашинах. Основные преимущества их в этой области — долговечность в тяжёлых условиях без необходимости смазки, устойчивость к температурным воздействиям, отсутствие вибраций и практически неограниченная скорость вращения. «Воздушные» подшипники используются во вспомогательных авиационных турбинах, энергетических^[2] турбоагрегатах, пневматических холодильниках системы кондиционирования воздуха самолётов, получающих сжатый воздух от двигателей. Ведутся активные работы в направлении создания газодинамических подшипников для основных авиационных ГТД, сулящие повышение долговечности, облегчение за счёт отсутствия масляной системы и экономию топлива в 10 % благодаря исключению жидкостного трения^[3]. Отсутствие органической смазки и способность работать при криогенных температурах делают возможным применение таких подшипников в турбодетандерах на производстве сжиженных газов. Созданы турбокомпрессоры с газодинамическим подшипником для наддува поршневых ДВС. Отсутствие смазочного масла упрощает конструкцию, уменьшает массу и увеличивает надёжность этого проблемного^[4] узла.

По принципу газодинамического подшипника работает пара «головка-магнитная поверхность» жёсткого диска, в которой при вращении создаётся воздушный клин в доли микрона, исключающий контактное трение, а также пара «лента-вращающаяся головка» видеомагнитофона.

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