Подшипник со спиральной канавкой - Spiral groove bearing - Wikipedia

Подшипники со спиральными канавками (также известен как Подшипники винтовки) являются самодействующими (журнальные и упорные), или гидродинамические подшипники используется для уменьшения трения и износа без использования смазки под давлением. У них есть такая способность за счет особого рисунка бороздок. Подшипники со спиральными канавками являются самодействующими, поскольку их собственное вращение создает давление, необходимое для разделения поверхностей подшипников. По этой причине они также являются бесконтактными подшипниками.

Примеры спирально-желобчатых подшипников с цапфой и упором.

Операция

Упорные подшипники со спиральными канавками создают необходимое давление для смазывания и разделения поверхностей подшипников исключительно за счет перекачивания канавок, в то время как цапфы, конические и сферические формы также создают дополнительное давление за счет гидродинамический подшипник клиновое действие. Когда части подшипников вращаются относительно друг друга, канавки проталкивают смазку через подшипник между поверхностями, вызывая общее повышение давления.

Движение поверхностей затем заставит жидкость течь по канавкам и образуется пульсация давления, перпендикулярная направлению движения. Между поверхностью подшипников и жидкостью возникает чистый рост давления, поскольку этот поток ограничен подшипник скольжения секция или другой набор канавок, создающий повышение давления, которое противодействует повышению давления, создаваемому первым набором канавок (рисунок в елочку). При достаточной скорости внутреннее давление создает достаточную силу, чтобы выдерживать приложенную нагрузку, и опорные поверхности полностью разделяются. Это давление, действующее перпендикулярно направлению движения, которое поддерживает нагрузку на подшипник.

В качестве смазки можно использовать большинство газов или жидкостей, включая хладагенты, жидкие металлы, масла, смазки,^[1] вода или воздух.^[2]

Это объяснение не учитывает влияние инерция, сжимаемость смазки и другие факторы.^[3]

Изготовление

Размеры канавок адаптированы к предполагаемым условиям эксплуатации подшипника. Если углубления на рифленой поверхности будут слишком глубокими, произойдет значительная утечка смазки. Если глубина уменьшится, действие насоса прекратится. Также необходимо учитывать скорость вращения опорных поверхностей и точность размеров. Конструкторы и производители рассчитывают оптимальные размеры для максимальной эффективности.^[4]Пазы выполняются следующими способами:

Травление
Селективное травление
Механическая обработка канавок
Пайка
Лазерная обработка

Травление

Травление - самый простой способ сделать подшипники со спиральными канавками. Поверхность металла покрывается стойким к травлению лаком, затем предполагаемые места канавок удаляются вручную. Факторами, которые влияют на свойства канавок в этом методе, являются:

время травления
температура травильной ванны
движение металла через ванну
распространение травителя

Несмотря на простоту этого метода, у него есть существенный недостаток: глубина канавки неоднородна и, следовательно, является неточной.

Селективное травление

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

Механическая обработка канавок

Этот метод используется, когда требуются более точные и однородные канавки. Канавки нарезаются резаком с электрическим диаметром. Поверхность диска вращается, а резак управляется направляющим кольцом, так что спирали имеют требуемую логарифмическую форму.

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

Пайка

Пайка используется, когда другие методы изготовления недоступны или неприменимы в данной ситуации; например, подшипник слишком велик для травильной ванны. Фольга, на которой были выгравированы канавки получается, и припаяны к плоской опорной поверхности.

Факторы, которые учитываются в этом методе:

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 не все 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

Опорные подшипники цилиндрической формы с рисунком в елочку спиральных канавок обеспечивают подшипник с превосходной нагрузочной способностью, устойчивостью к кавитации и превосходной стабильностью.

Спиральные подшипники скольжения и упорные подшипники с использованием воздуха в качестве смазки.

Симметричный рисунок в виде елочки имеет нулевой поток, что снижает вероятность попадания грязи в подшипник, но также встречаются подшипники скольжения со спиральными канавками с единой структурой, которая обеспечивает сквозной поток смазки. Эта функция была использована для получения известного объема потока для систем измерения постоянного расхода с дизельным насосом.

Плоская тяга

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

Варианты подшипников этого типа зависят от характера спиральной поверхности и типа потока жидкости. Ниже приводится список различных типов упорных плоских подшипников:

С поперечным потоком
Рифленая в елочку, без поперечного слива
Частично рифленый (накачка внутрь или наружу)
С постоянным ограничением поперечного потока.

Сферическая тяга

Спиральные подшипники с канавками, смазываемые полусферической консистентной смазкой, используются в малошумных вентиляторах.

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

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

Коническая тяга

В этих подшипниках на конце цилиндрического вала вырезан конус. На поверхности конуса рядом с цилиндрической частью проделываются бороздки.

История и приложения

Подшипники со спиральными канавками были изобретены в Великобритании, и одной из первых опубликованных статей была статья Уиппла, из которой они первоначально были названы канавками Уиппла.^[7]В течение 1960-х и 1970-х годов произошел взрыв в аналитических методах их разработки, и были опробованы многочисленные приложения. Многое из истории можно увидеть в публикациях Международного симпозиума по газовым подшипникам. ^[8]

Подшипники со спиральными канавками наиболее успешно использовались в инерциальные гироскопы для самолетов и кораблей.^[9]В данном случае подшипники со спиральными канавками были изготовлены из керамики на основе карбида бора, а канавки были изготовлены компанией Ионный пучок. Подшипники оказались очень удачными, с MTBF значения более 100000 часов и возможность остановки-запуска 1000000 раз.^[10]

Благодаря многочисленным техническим преимуществам, упорные подшипники продолжают использоваться в гироскопах, например, в Телескоп Хаббла.^[11]

За последние 20 лет появилось множество других применений в компрессорах и турбинах, которые используют преимущества безмасляной, долгой службы, низкого трения и экологически чистых характеристик. ^[12]

Одна из основных областей применения - это сухой газовый затвор где упорный подшипник со спиральной канавкой служит для разрыва поверхностей уплотнения, создавая узкий зазор уплотнения, предотвращающий контакт и износ. Они очень успешны и применяются во многих промышленных компрессорах.

Еще одно известное применение подшипников со спиральными канавками - криогенный расширители. Они используются здесь для поддержки высокоскоростного вращения турбин и для минимизации потерь мощности из-за неэффективности. Криогенный расширители извлекают энергию из потоков газов, которые входят в нее, вызывая быстрое снижение температуры, а извлеченная энергия используется для вращения турбин.^[13]^[14]

Преимущества

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

Они просты и недороги в производстве по сравнению с подшипниками качения.
Они не изнашиваются во время работы и будут работать очень долгое время.
Они обладают отличной стабильностью (все газовые подшипники имеют проблемы со стабильностью, подшипники со спиральными канавками - одни из лучших)
Их можно использовать в небольших устройствах и поддерживать эффективность.
Они обеспечивают точное рабочее положение, обеспечивающее малый зазор между наконечниками и повышенную эффективность.
Они хорошо работают с газовой или воздушной смазкой и, как таковые, не содержат масла и идеально подходят для экологически чистых применений.

Дизайн

На рынке есть несколько методов проектирования электронных таблиц для несжимаемых смазочных материалов (масло, вода), но для сжимаемых газовых смазок необходимо прибегать к численным методам и специализированным проектным компаниям. Как правило, для анализа подшипников со спиральными канавками требуется численный метод решения Уравнение Рейнольдса хотя опубликованы некоторые оптимальные параметры.^[15]Современное CFD методы не подходят для общих проектных работ, так как количество элементов вокруг подшипника и по зазору делает анализ слишком медленным. Важнейшим аспектом конструкции всех подшипников, в которых используются сжимаемые газовые смазочные материалы, является стабильность тогда как для несжимаемых жидкостей нагрузка и потеря мощности становятся одинаково важными.

Смотрите также

Компьютерный вентилятор

внешняя ссылка

[1] Конструкция смазки рециркулирующих гидродинамических спиральных канавок подшипников с использованием консистентных смазок. Кандидатская диссертация. Молино А. Саутгемптонский университет 1983 г. <https://www.researchgate.net/publication/34993106_The_design_of_lubricant_recirculating_hydrodynamic_spiral_groove_bearings_using_grease_lubricants >

[2] "Molyneaux A. Подшипники с внешним давлением и гибридные подшипники со смазкой R134A для безмасляных компрессоров". EPFL. 1996 г. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)

[3] "Molyneaux A. Керамические спирально-желобчатые подшипники в безмасляных компрессорах" (PDF). IMechE конференция. 1993 г. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)

[4] Муйдерман, Э.А. (1965). "Спирально-желобчатые подшипники". Промышленная смазка и трибология. 17: 12–17. Дои:10.1108 / eb052769.

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

[6] Патент: Осевой упорный подшипник со смазкой. Вулли R W https://www.google.com/patents/US3927921

[7] Подшипник радиальный наклонный Автор (ы): R.T.P. Уиппл Великобритания. Управление по атомной энергии <http://discovery.nationalarchives.gov.uk/details/r/C2965248 >.

[8] Консультационная 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 изготовления. Бирдмор Дж. Смитс Индастриз, Великобритания. <http://www.google.com.au/patents/EP0029667A1 >.

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

[11] «Гироскопы».

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

[13] Молино, А. К. (1989). «Использование спирально-желобчатых газовых подшипников в криогенном детандере на 350 000 об / мин». Трибологические операции. 32 (2): 197–. Дои:10.1080/10402008908981879.

[14] «ОСНОВЫ ТУРБОРАСШИРЕНИЯ - MIT File». Поиск документов, конвертер и загрузка - MIT File. N.p., n.d. Интернет. 13 февраля 2012 г. <http://www.mitfile.com/pdf/fundamentals-turboexpander.html >.

[15] Оптимизация самодействующих опорных подшипников с канавками в елочку 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]