К статье СМАЗКА
Сегментный подшипник. Здесь принцип повышения давления в клиновидном слое масла между поверхностями используется для удержания осевой нагрузки.
Прототипом сегментного подшипника является подпятник Кингсбери (рис. 6). В современных конструкциях сегменты подпятника либо устанавливаются на шарнирах, либо делаются гибкими, чтобы обеспечивалась автоматическая регулировка угла наклона относительно движущейся поверхности. В некоторых механизмах и машинах, особенно с очень высокими нагрузками, предусматриваются также пружинные устройства для выравнивания давления. Подпятник такого типа наружным диаметром более 220 см используется в генераторе ГЭС плотины им. Гувера. Масса ротора генератора равна 817 т, частота вращения - 150 об/мин. Коэффициент трения в подпятниках Кингсбери обычно составляет от 0,001 до 0,005. Число сегментов, как правило, равно шести.
Опорный подшипник скольжения. Опорный подшипник скольжения полностью охватывает вращающийся в нем вал несколько меньшего диаметра. Часть вала, находящаяся в подшипнике, называется шипом, шейкой вала или цапфой. Смазка вводится в определенном месте, проходит по всему подшипнику и затем вытекает на его концах.
Распределение смазки в подшипнике обычно регулируется канавками, сделанными на поверхности подшипника. Канавки могут иметь разную форму; существуют различные методы оптимального конструирования канавок в тех или иных условиях работы. Тем не менее всеми признано, что канавки не должны мешать формированию и поддержанию смазочной пленки или отводить смазку из области повышенного давления. Продольные канавки должны заканчиваться, не доходя до концов подшипника, чтобы предотвратить утечку смазки. Края канавок должны быть скруглены, чтобы масло не соскребалось с поверхности вала.
Когда вал не вращается, смазка силой тяжести выдавливается из-под шейки, и вал соприкасается с поверхностью подшипника, так что условия в подшипнике при этом соответствуют граничному трению. Когда же вал приходит во вращение, в одной половине подшипника формируется сходящийся масляный клин, а в другой - расходящийся.
Механизм нарастания несущего нагрузку давления в этих клиньях аналогичен тому, который был рассмотрен в случае плоских поверхностей. Вес груза W (рис. 7) направлен по вертикали сверху вниз, но максимум давления в смазочной пленке с нижней стороны вала не лежит на линии действия нагрузки. Дело в том, что центр шейки вала на практике не совпадает с центром подшипника. Расстояние e между их центрами называется эксцентриситетом.
При построении распределений давления через центры вала и подшипника проводят прямую, составляющую угол ? с линией нагрузки. Угол ? равен нулю, когда вал не вращается. При вращении вала этот угол принимает некоторое значение в пределах от нуля до 90? (значение 90? никогда не достигается). Угол ? зависит от таких факторов, как нагрузка, частота вращения, вязкость смазочного материала при рабочей температуре, ширина зазора между шейкой вала и подшипником и утечка смазки из подшипника. Угол отсчета ? измеряется в направлении вращения вала. Для линии, проходящей через центры вала и подшипника, этот угол равен нулю. Радиальными стрелками на рис. 7 показано распределение избыточного давления в смазочной пленке (без дополнительной подачи смазки) в зависимости от угла ?. Когда угол ? достигает 180?, давление проходит через нулевое значение, после чего следует участок отрицательного давления NP (давление ниже атмосферного). Ввод смазки обычно располагают в этой области. Входное давление смазки на практике может составлять от 0,07 до 0,7 МПа.
Механизм формирования масляного клина, несущего нагрузку, в опорном подшипнике скольжения показан на рис. 8. Здесь зазор для большей ясности сильно увеличен. На рис. 8,а вал не движется, и в самой нижней точке шейка вала контактирует с подшипником. Когда начинается вращение, вал вкатывается по поверхности подшипника вверх в условиях граничного трения (рис. 8,б). Когда достигается достаточно большая скорость вращения, под шейку вала втягивается масло, и образуется стабильный масляный клин, который и поддерживает вал, как это показано на рис. 8,в. При этом шейка вала смещается влево, занимая свое равновесное положение.
Трение в подшипнике скольжения. Как показывают теория и практика, коэффициент трения в геометрически подобных подшипниках зависит от критерия
Zn/p,
где Z - вязкость смазки, n - частота вращения вала (число оборотов в единицу времени), а p - среднее давление нагрузки на подшипник, т.е. нагрузка, деленная на произведение длины шейки вала на ее диаметр.
Геометрически подобными считают подшипники, для которых отношение длины подшипника к диаметру шейки вала (отношение L/D) одинаково, а также одинаков относительный зазор - разность диаметров подшипника и шейки вала, деленная на диаметр шейки.
Коэффициент трения f при разных рабочих условиях для всех геометрически подобных подшипников можно определить по единому графику зависимости f от Zn/p типа представленного на рис. 9. Участок от А до В на рис. 9 соответствует граничному трению; здесь возможны контакт сухих поверхностей и заклинивание. Участок BC соответствует переходу от граничного трения к жидкостному (при увеличении Zn/p). Участок CD, приблизительно прямолинейный, характерен для жидкостного трения.
Хотя, как видно на рисунке, величина f минимальна при значениях, лежащих в интервале между B и C, рекомендуется выбирать значительно более высокие значения Zn/p, чтобы надежно обеспечивались условия жидкостного трения.
Получено целое семейство кривых зависимости f от Zn/p, отвечающее разным отношениям L/D и разным относительным зазорам. В общем, с увеличением относительного зазора трение уменьшается. При определении величины f по графику нужно следить за тем, чтобы величины Z, n и p были взяты в правильных единицах измерения.
Момент сил трения, действующий по касательной на шейку вала, можно вычислить по формуле
T = fWr,
где Т - момент сил трения (H?м), f - коэффициент трения, W - нагрузка на шейку вала (H) и r - радиус шейки вала (м).
Потери мощности на трение (Вт) можно вычислить как 0,1 TN, где N - частота вращения (число оборотов в минуту), а T - то же, что и ранее.
Подшипники с жидкостным трением (гидродинамического типа), как опорные, так и упорные, конструируются в расчете на разные виды смазочных материалов. К числу таких материалов относятся консистентные смазки, минеральные и синтетические масла, ртуть, вода, жидкие хладагенты, воздух, газ, а в особых случаях - жидкие металлы. Для смазывания подшипников часто используются технологические жидкости, что позволяет исключить возможность загрязнения последних и обойтись без уплотнений.