На возможность применения воздуха в качестве смазки подшипников впервые было указано А. Хирном еще в 1854 г. Результаты первых экспериментов с воздушной смазкой опубликованы в 1897 году, а теоретических исследований - в 1913 году. Но теория и практика применения газовой смазки оформилась в самостоятельную науку лишь в конце 50-х годов. Это связано с развитием ядерной энергетики, вычислительной техники, точного приборостроения, увеличением рабочих скоростей машин.
В нашей стране С.А. Шейнбергом в 1949 году были сконструированы и испытаны образцы пяти подшипников, смазываемых воздухом, которые могли иметь техническое применение. Но в то время подшипники с газовой смазкой рассматривались скорее как технические курьёзы, а не как проблема, которая может дать удачные решения. Однако в 1955-1959 годах, в период бурного развития ядерной энергетики, обнаружились существенные преимущества подшипников с газовой смазкой в машинах, применяемых в ядерных энергетических установках. Эти подшипники оказались весьма перспективными и в некоторых других отраслях машино- и приборостроения.
В связи с этим значительно возрос интерес к опорам с газовой смазкой и в 1959 г. был созван в Вашингтоне (США) первый международный симпозиум по проблемам газовой смазки.
В мае 1965 г. в Николаеве был проведен первый Всесоюзный научный семинар по подшипникам с газовой смазкой, а 6 июня 1966 г. был проведен там же, в Николаеве второй семинар.
На этих семинарах были доложены результаты теоретических и экспериментальных работ, выполненных исследователями из различных организаций нашей страны. Семинары способствовали объединению усилий и координации работ, разрозненных до этого отдельных исследований.
Первое координационное совещание по вопросам газовой смазки состоялось в Москве в 1968 г. Семинары и совещание показали, что в нашей стране активно ведутся исследования и начинает осуществляться практическое применение подшипников с газовой смазкой.
Итоги внедрения газовых опор скольжения в технику в мировом масштабе были проведены на 2 международном симпозиуме по газовой смазке, проходившем в г. Лас-Вегас (США) в июне 1968 г., здесь впервые участвовали и выступали с докладами представители нашей страны.
В мае 1972 г. в Москве было проведено второе координационное совещание по проблемам развития газовой смазки. Совещание показало, какой широкий размах получило в нашей стране исследование и применение подшипников с газовой смазкой в различных отраслях машиностроения и приборостроения.
Основное внимание в докладах было уделено вопросам экспериментального исследования опор с газовой смазкой, общим вопросам теории газовой смазки, вопросам устойчивости ротора на опорах с газовой смазкой. В дальнейшем координационные совещания проводились с периодичностью в 5 лет. Публикация материалов совещаний дала возможность исследователям быть в курсе всех достижений в области развития газовой смазки в нашей стране. К сожалению, в настоящее время такие совещания не проводятся.
Достоинства газовой смазки вытекают из двух основных различий в свойствах газов и жидкостей:
-
газы химически стабильны в значительно более широком интервале температур, чем жидкости;
-
газы по существу менее вязки, чем жидкости.
Рассмотрим подробнее преимущества газовых подшипников по сравнению с другими видами опор и их области применения.
1. Работоспособность при высоких и низких температурах.
Подшипники скольжения и качения с жидкой смазкой могут работать при относительно низких температурах. При повышении температуры качество жидкой смазки ухудшается из-за снижения ее вязкости, несущая же способность опор с газовой смазкой, как правило, повышается за счёт увеличения вязкости газов.
2. Качественные показатели опор на газовой смазке.
Подшипники скольжения и качения с жидкой смазкой малопригодны для работы в сверхбыстроходных машинах. Для газовых подшипников высокая скорость выгодна, так как приводит к увеличению их несущей способности. При этом потери мощности у них на 2-3 порядка ниже, чем у подшипников с жидкой смазкой.
Газовые опоры успешно используются в малогабаритных турбодетандерах, приборах морской и воздушной навигации, устройствах для гидростабилизации морских судов, в зубоврачебном и медицинском оборудовании, измерительных устройствах, космической технике и т.д.
Наиболее широкое применение газовые опоры нашли в машиностроении в шлифовальных шпинделях и сверлильных фрезерных головках.
Современные высокоскоростные и высокоточные шлифовальные, расточные и другие станки должны обеспечивать точность формы рабочих поверхностей порядка десятых долей микрометра при чистоте поверхности Ra 0,08 мкм. Стабильное получение таких параметров в немалой степени связано с эксплуатационными качествами шпиндельных узлов металлорежущих станков, применяемых при изготовлении деталей.
Достижение точности вращения шпинделя в пределах 0,5 мкм установленного на опорах качения, уже связано со значительными технологическими трудностями. Для этого шарикоподшипники приходится изготавливать с весьма высокой точностью.
Опыт эксплуатации шпиндельных узлов шлифовальных станков с опорами различных типов показал, что в ряде случаев применение газостатических опор более предпочтительно, поскольку такие опоры способны, из-за усредняющего эффекта газового слоя обеспечить точность вращения шпинделя равную 0,02...0,04 мкм.
Кроме этого шпиндельные узлы с газовыми опорами обладают следующими преимуществами по сравнению со шпиндельными узлами на опорах качения:
а) отсутствием металлического контакта, а, следовательно, долговечностью при неизменном качестве шлифования;
б) малым трением, обусловленным небольшой динамической вязкостью газа и, следовательно, малым тепловыделением. Это позволяет увеличить мощность, передаваемую на шлифовальный круг, исключить время для разогрева шпинделя, т.е. повысить производительность труда;
в) почти полным отсутствием вибрации;
г) возможностью балансировки шлифовального круга непосредственно на шпинделе. Также следует учесть, что большая толщина воздушного слоя (по сравнению с высотой микронеровностей поверхности шейки вала) способствует тому, что неточности изготовления шейки вала практически не влияют на точность вращения шпинделя.
Шпиндель на газостатических опорах можно считать абсолютно жестким по сравнению с жесткостью газового слоя, то есть он практически не имеет деформации в воздушном зазоре.
Первые шпиндельные головки на опорах с воздушной смазкой в нашей стране были разработаны и внедрены ЭНИМСом под руководством С.А. Шейнберга. Учеными института Машиноведения АН СССР разработаны конструкции метрологического оборудования на газовой смазке для замера чистоты поверхности, активно велись разработки в области применения газовой смазки в вычислительной технике и гироскопических устройствах.
Имея большую жесткость и высокие скорости шлифования, шпиндели на газовых опорах обеспечивают высокое качество обрабатываемых поверхностей, и способствуют повышению производительности труда.
Но количество видов разработанных конструкций невелико и выпуск их крайне ограничен, поэтому актуальным является вопрос замены подшипников качения на опоры с газовой смазкой, для обеспечения высокой точности обрабатываемых изделий. Во всех конструкциях ЭНИМСа применялись в качестве газостатических опор подшипники с дискретными отверстиями малых диаметров (меньше 1 мм), которые, во-первых, трудно изготавливать и, во-вторых, существует реальная опасность засорения отверстий.
В Комсомольском-на-Амуре государственном техническом университете разработана конструкция шпинделя внутришлифовального станка на газостатических опорах скольжения с пористыми вставками с рабочей частотой вращения 30000 мин-1 [2, 4]. Это позволило упростить технологию изготовления вкладышей подшипников и создать в подшипниках более устойчивый несущий слой газа, вследствие увеличения полезной площади подачи газа. Продолжением такой работы явилось создание комбинированной - газомагнитной опоры [5], основы теоретических расчетов которой заложены в работах [8, 10], а результаты экспериментальных исследований освещены в работах [1, 3, 6, 9]. Комплекс выполненных исследований позволил создать опытно-промышленный образец высокоскоростного шпиндельного узла на газомагнитных опорах [7].
Заметим, что опоры с газовой смазкой также успешно применяются и в качестве направляющих металлообрабатывающих станков.
3. Долговечность и надежность.
У подшипников с газовой смазкой на рабочих режимах практически отсутствует износ. Подшипник не изнашивается, если газ не содержит взвешенных твердых частиц и если они по своей природе не вызывают коррозии.
Американские ученные на втором международном симпозиуме отмечали, что турбомашины на опорах с газовой смазкой очень надежны и долговечны в работе. Так одной из первых разработок в этом направлении являлось создание американской фирмой «Дженерал Электрик» авиационного турбогенератора мощностью 60 кВт для бомбардировщика В-52.
По данным ЭНИМСа срок службы опор внутришлифовальных шпинделей на газовой смазке составляет 15000-20000 часов, что превышает срок службы шпинделей на опорах качения в 3-5 раз. Поэтому для любых практических целей газовые опоры можно считать достаточно долговечными.
4. Стойкость против радиационного облучения.
В газоохлаждаемых реакторах циркуляцию рабочего тела в первом контуре создают компрессоры и вентиляторы, которые работают при высоком уровне радиации. В таких условиях большинство обычных смазок разрушается, в то время как многие газы устойчивы против радиации.
5. Отсутствие загрязнения.
Газовая смазка предотвращает загрязнение окружающей среды, что особенно важно в ядерных силовых установках. Примером турбомашины с газовыми подшипниками, в которой требуется «нулевое» загрязнение рабочего тела может служить неоновый компрессор для реактора. Установка представляет собой высокотемпературный газоохлаждаемый реактор, в котором загрязнение теплоносителя недопустимо, так как может ухудшить теплопередачу в реакторе и уменьшить срок его службы.
6. Упрощение конструкции.
По сравнению с подшипниками на жидкостной смазке газовые подшипники не требуют сложных агрегатов смазки (насосов), систем возврата смазки, системы охлаждения масла, фильтров. Кроме того, обычные уплотнения здесь оказываются непригодными, громоздкими и малоэффективными.
В отечественной и иностранной технической литературе имеются сведения о все более широком применении газовых опор в технике. Например, газовые подшипники применяются в метрологическом оборудовании для замера чистоты поверхности. В приборостроении эти подшипники нашли применение в гироскопических устройствах.
Подшипники с газовой смазкой успешно применяются в малых вентиляторах для охлаждения электронного оборудования. Газовые сферические подвесы используют в имитаторах космических условий - для имитации стыковки, маневрирования и проверки системы ориентации.
В пищевой, химической и фармацевтической промышленности, а также в бытовой технике газовые подшипники получают распространение в таких устройствах, где требуется предотвратить загрязнение продукта или окружающих предметов, снизить шум, обеспечить компактность и удобство эксплуатации. Значительное распространение газовые опоры получили в конструкциях различных бормашин.
7. Низкий уровень шума и вибрации.
Одним из важных требований, предъявляемых к ручным турбопневмошлифовальным инструментам, является защита операторов от акустических и вибрационных воздействий.
Не следует, однако, полагать, что газовые подшипники универсальны, их следует применять только там, где они совершенно необходимы, так как наряду с преимуществами они имеют и некоторые недостатки, а именно:
а) подшипники этого типа требуют высокой точности обработки;
б) для работы газостатических подшипников нужен источник газа повышенного давления;
в) в связи с небольшой величиной вязкости газа эти подшипники имеют небольшую несущую способность.
Однако исследования показывают, что эти недостатки чаще всего можно преодолеть, поэтому подшипники с газовой смазкой могут широко применяться в различных машинах и приборах, как и подшипники с жидкой смазкой.
Список литературы
-
Влияние размера магнитопровода на характеристики шпиндельного узла с газомагнитной опорой / А.В. Космынин, В.С. Щетинин, А.С. Хвостиков, А.В. Смирнов, С.С. Блинков // Фундаментальные исследования. - 2011. - № 12-1. - С. 129-132.
-
О результатах экспериментальной проверки расчётных характеристик высокоскоростных шпиндельных узлов металлорежущих станков с частично пористыми газостатическими опорами / А.В. Космынин, В.И. Шаломов, И.Г. Суходоев, С.В. Виноградов // Фундаментальные исследования. - 2009. - №1.- С. 32-33.
-
Стенд для исследования выходных характеристик шпиндельного узла на газомагнитных опорах / А.В. Космынин, В.С. Щетинин, Н.А. Иванова, А.С. Хвостиков, С.С. Блинков // СТИН. - 2010. - №5. - С. 8-10.
-
Космынин А.В., Шаломов В.И. Аэростатические шпиндельные опоры с частично пористой стенкой вкладыша // Современные проблемы науки и образования. - 2006. - № 2. - С. 69-70.
-
Космынин А.В., Щетинин В.С., Виноградов С.В. Комбинированная опора шпиндельного узла // Фундаментальные исследования. - 2007. - №12-1 - C. 83-84.
-
Космынин А.В., Щетинин В.С. Влияние магнитной силы в газомагнитных подшипниках на эксплуатационные показатели высокоскоростных шпиндельных узлов металлообрабатывающего оборудования // Вестник машиностроения. - 2010. - №5.- С. 24-25.
-
Космынин А.В., Щетинин В.С., Иванова Н.А. Шпиндельные узлы на газомагнитных опорах // Фундаментальные исследования. - 2008. - №10. - С. 76.
-
Космынин А.В., Щетинин В.С. Расчет несущей способности газомагнитных опор высокоскоростных шпиндельных узлов // СТИН. - 2010. - №9. - С. 6-8.
-
Космынин А.В., Щетинин В.С. Эксплуатационные показатели высокоскоростных шпиндельных узлов металлообрабатывающего оборудования с газомагнитными опорами // Успехи современного естествознания. - 2009. - №11. - С. 69-70.
- Щетинин В.С., Космынин А.В. Математическая модель расчета несущей способности высокоскоростного шпиндельного узла на газомагнитной опоре // Трение и смазка в машинах и механизмах. - 2010. - № 8. - С. 31-35.