Гідродинамічний підшипник

Дана стаття являється неперевіреним навчальним завданням. Студент: Marina Викладач: Шкодзінський О.К. Термін до: 10 січня 2011 До вказаного терміну стаття не повинна редагуватися іншими учасниками проекту. Після завершення терміну виконання будь-який учасник може вільно редагувати дану статтю і витерти дане попередження, що вводиться за допомогою шаблону.

Гідродинамічний підшипник

Загальний вигляд

Схематичне позначення

Гідродинамічний підшипник (рос.-гидродинамический подшипник,англ.-hydrodynamic bearing) - це підшипник ковзання з мастилом, в якому несучий оливний шар створюється в разі обертання шпинделя внаслідок прилипання оливи до поверхонь шийки і вкладки і затягування її в клиновий зазор між робочими поверхнями в результаті взаємодії між частинками оливи. Для переміщення в′язкої рідини з області з низьким тиском в область підвищеного тиску витрачається енергія від зовнішнього джерела. Прилиплий змащувальний матеріал до робочої поверхні чинить опір стиранню і рухається в область з підвищеним тиском. Точка найбільшого тиску знаходиться на деякій відстані перед точкою мінімального зазору. Вздовж шийки тиск розподіляється за законом, близьким до параболічного. Гідродинамічні підшипники ще називають гіродинамічними опорами.

Принцип роботи гідродинамічного підшипника

Принцип роботи заснований на гідродинамічному ефекті, що полягає у виникненні підіймальної сили в зазорі між рухомими тілами,які розділені шаром рідини чи газу.Сила збільшується з приростом швидкості руху і зменшенням зазору, вона являється рівнодійною тисків масляного клину.

Класифікація гідродинамічних підшипників

а) Одноклинові

Шпиндельний одноклиновий підшипник з осьовим регулюванням зазору

Схема одноклинового гідродинамічного підшипника

Якщо в підшипнику є один звужувальний зазор, який утворює один оливний клин то такий підшипник називається одноклиновим.

Одноклинові підшипники прецизійних і швидкохідних шпинделів мають низку недоліків, з яких найбільш суттєвим є те,що вони не забезпечують стабільне положення шпинделя при великих швидкостях і малих навантаженнях. Проте конструктивно вони простіші. Прикладом такого підшипника може бути підшипник з осьовим регулюванням зазору.

Одноклиновий підшипник з осьовим регулюванням зазору

Конічно розрізна вкладка 3 входить у конічний отвір втулки 2 або корпуса. У разі осьового переміщення вкладками гайками 1 і 4 вона деформується і в результаті змінюється зазор, але спотворюється форма вкладки. Нещільне прилягання вкладки до отвору знижує жорсткість опори. Для усунення цього явища в розріз вкладки, яка має форму ластівчиного хвоста, вводять головки болтів 5, аналогічної форми. Під час затягування болтів вкладка розширюється і притискається до поверхні отвору, спотворення отвору вкладки зменшується, тому й підвищується жорсткість опори. Проте в сучасних верстатах вкладки такого типу зустрічаються рідко.

б) Багатоклинові

Шпиндельний багатоклиновий підшипник з осьовим регулюванням зазору

Схема багатоклинового гідродинамічного підшипника

Підшипники які мають декілька оливних клинів, забезпечуючи цим більш високу точність і положення осі шпинделя,називають багатоклиновими.

У багатоклинового підшипника оливні клини взаємно навантажують один одного, що у багато разів перевищує зовнішнє навантаження і забезпечує стабільне положення осі шпинделя у разі неробочого обетрання і під навантаженням. Багатоклинові підшипники найбільш повно відповідають вимогам , які ставляться до шпиндельних підшипників.

Багатоклиновий підшипник з осьовим регулюванням зазору

Такі підшипники мають явну перевагу над одноклиновими, забезпечуючи: стійке обертання шпинделя за малих зовнішніх навантаженнь і великих швидкостях ковзання; мають високу жорсткість несучих оливних клинів; дають змогу регулювати величину діаметрального зазору без спотворення форми робочих поверхонь; мають меншу температуру внаслідок кращих умов тепловідведення.

Конструктивні параметри гідродинамічних підшипників

Конструктивні параметри гідродинамічних підшипників визначаються, виходячи з діаметра [math]\mathit{D} \[/math] шийки шпинделя, який вибраний з умов необхідної жорсткості. Довжина [math]\mathit{L} \[/math] сегмента в осьовому напрямку і довжина дуги охоплення [math]\mathit{B} \[/math], см.приймається із співвідношення

[math]L = 0,75\cdot \mathit{D } \[/math] [math]B\approx \mathit{0,5}\cdot \mathit{D} \[/math]

[math]\mathit{D} \[/math] - діаметр шийки шпинделя

Діаметральний зазор, мкм

[math]\Delta \ = 3\cdot \mathit{D } \[/math]

Розрахунок багатоклинового гідродинамічного підшипника

Визначається вантажна здатність [math]\mathit{F}_\delta \[/math]. За умови навантаження на кожний сегмент, у разі зміщення центру шпинделя під дією зовнішнього навантаження рівному нулю:

[math]\mathit{F}_{o}\ = 0,5\cdot \Large{\frac { \mu \cdot \mathit{n} \cdot \mathit{D} \cdot \mathit{B} \cdot \mathit{L} \ }{ \Delta^2 \ }\cdot \mathit{c}_L \ }[/math]

де

[math]\mathit{c}_{L}\ = \Large{\frac {1,25}{1 + \frac{\mathit{B}^2\ }{\mathit{L}^2 \ } }[/math]

Вантажна здатність підшипника [math]\mathit{F}_\delta \[/math] дорівнює

[math]\mathit{F}_\delta \ = \Large{\sum_{1}^k \vec {F}_i \ }[/math]

де [math]\mathit{k} \[/math] - кількість сегментів.

Вантажна здатність дорівнює нулю у разі відсутності зовнішніх сил, найбільше її значення [math]\left (\mathit{F}_\delta \right)_{max} \[/math] відповідає мінімально допустимому зазору [math]\mathit{h}_{min} \[/math] у підшипнику; звичайно [math]\mathit{h}_{min} = \frac{\Delta}{3 } \[/math], що дає змогу одержати для підшипників з трьома сегментами таку наближену залежність,Н:

[math]\left (\mathit{F}_\delta \right)_{max} = 0,036 \cdot \mathit{n} \cdot \mathit{D}^2 \[/math]

Жорсткість гідродинамічних опор визначається не стільки жорсткістю шару мастила [math]\mathit{j}_m\[/math], скільки жорсткістю елементів і спряжень конструкції підшипника [math]\mathit{j}_k\[/math].

Сумарна жорсткість опори, Н/мм:

[math]\mathit{j}_{on}\ = \Large{\frac{\mathit{j}_m \cdot \mathit{j}_m \ }{\mathit{j}_m \ + \mathit{j}_k \ } }[/math]

За малих навантажень, а відповідно, невеликих відносних зміщеннях для підшипника з трьома сегментами:

[math]\mathit{j}_m\ = 0,09\cdot \mathit{n} \cdot \mathit{b} \[/math]

і за великою частотою обертання шпинделя вона виявляється дуже високою. Але жорсткість елементів конструкції у разі дотику сегментів з опорними поверхнями не перевищує 250...300Н/мкм:

[math]\mathit{j}_k\ = 125\cdot \mathit{d} \cdot \mathit{c}^2 \[/math] ,де [math]\mathit{d}_c \[/math] - діаметр опорної півсфери, см; звичайно [math]\mathit{d}_c = 1,5..2,5 \[/math] см.

Сфери застосування гідродинамічних підшипників

Гідродинамічні підшипники одержали найбільш широке застосування в машинах завдяки простоті конструкції, хоча в періоди пуску, повільного прокручування й зупинки вони працюють в умовах граничного (або навіть «сухого») тертя.

• У прицезійних сучасних верстатах які працюють за невеликими навантаженнями, особливо в шліфувальних, зустрічається гідродинамічний підшипник з нерозрізною конічною вкладкою(підшипник "Макензен"-Японія).
• Використання гідродинамічних підшипників ковзання замість підшипників кочення в комп’ютерних HDD (Hard Disk Drive) дає можливість регулювати швидкість обертання шпинделів в широкому діапазоні, зменшити шум і вплив вібрацій на роботу пристроїв, тим самим дозволивши збільшити швидкість передачі даних і забезпечити збереження записаної інформації, а також – створити більш компактні HDD (0,8-дюймові). Проте є ряд недоліків: високі втрати на тертя і, отже, знижений коефіцієнт корисної дії (0,95… 0,98);необхідність в безперервному змащенні;нерівномірний знос підшипника і цапфи;застосування для виготовлення підшипників дорогих матеріалів.

Демонстрація гідродинамічного підшипника

,