Д-р Роберт М. Грешем, редактор | Основы смазки TLT Октябрь 2012 г.

Ключевые моменты статьи заключались в том, чтобы сначала выяснить такие вещи, как:

• Был ли установлен правильный подшипник (размер, тип и т. Д.)?
• Правильно ли проведена установка (правильная посадка, проверка центровки и т. Д.)?
• Был ли подшипник правильно смазан подходящей смазкой и соответствовал ли смазочный материал надлежащим спецификациям для обслуживания?
• Правильно ли установлены и отрегулированы уплотнения подходящего типа?
• Было ли оборудование эксплуатироваться в проектных пределах?
• Была ли вероятность заражения во время чего-либо из вышеперечисленного?

Существуют также более неясные виды отказов, такие как точечная коррозия из-за электрической дуги через подшипник или ложный бриннеллинг при транспортировке автомобилей или машин на большие расстояния, когда машина отскакивает или раскачивается на подшипниках.Возможно, вы можете вспомнить другие примеры, но суть в следующем: только после того, как будут даны ответы на подобные вопросы, мы можем начать подозревать производителя оборудования, производителя подшипников или производителя смазочных материалов.

В целях краткости в предыдущей статье я не охватывал основные типы подшипников, с которыми мы чаще всего сталкиваемся. Если мы не проектируем оборудование или не работаем для подшипниковой компании, базовых знаний должно быть достаточно. При покупке оборудования производитель и компания-производитель подшипников подберут подходящий тип подшипников.Если вы используете оборудование по назначению, все должно получиться. Они также должны рекомендовать цикл и процедуру обслуживания; опять же, все должно наладиться, если вы используете оборудование по назначению.

ОСНОВА ПОДШИПНИКА
Итак, мы все можем наверстать упущенное, цель этой статьи — рассмотреть основные типы подшипников, как подшипников скольжения, так и качения.

Подшипник скольжения, также известный как подшипник скольжения или подшипник скольжения, представляет собой простейший тип подшипника, состоящий только из опорной поверхности.Простая линейная опора может представлять собой пару плоских поверхностей, предназначенных для перемещения, например ящик стола и направляющие, на которых он опирается. При применении вала цапфа (часть вала, контактирующая с подшипником) скользит по поверхности подшипника либо в осевом, либо в радиальном направлении, или, я полагаю, и то, и другое.

Подшипники скольжения — наименее дорогие подшипники. Они также компактны, легки и обладают высокой грузоподъемностью. Смазка обычно обеспечивается канавками, по которым подается и распределяется смазка или масло (канавки расположены вне зоны нагрузки).Правильная толщина масляной пленки определяется вязкостью, шероховатостью поверхности, скоростью, нагрузкой и зазорами для конкретного применения.

При увеличении скорости режим смазки — гидродинамический. Таким образом, теоретически подшипник может служить вечно, как показано на рисунке 1, где шейка работает на полной масляной пленке без реального износа.

Рисунок 1.

Примеры таких подшипников включают:

Подшипники скольжения скольжения

Подшипники скольжения скольжения

В дополнение к этим конструкциям существуют также сферические подшипники скольжения и подшипники скольжения с угловым контактом.

Сферические подшипники скольжения

Лучше всего подходят для приложений, требующих нагрузок при колебательных и / или непрерывных вращательных движениях. Они также предназначены для приложений с угловым перекосом.

Радиально-упорные подшипники скольжения

Лучше всего подходят для приложений с большими нагрузками, однонаправленными, осевыми нагрузками. Если осевая нагрузка изменится, радиально-упорный подшипник отделится. Для приложений, требующих реверсирования осевой нагрузки, используйте пару радиально-упорных подшипников.

Следующим по значимости классом подшипников являются подшипники качения, среди которых шариковые подшипники являются одними из самых распространенных. Шариковые подшипники, как правило, имеют меньшую грузоподъемность для своего размера, чем другие типы подшипников качения, из-за меньшей площади контакта между шариками и дорожками качения. Они могут терпеть небольшое несоответствие внутренней и внешней рас.

Из различных типов шарикоподшипников, одним из них является так называемый радиальный шарикоподшипник ( см. Рис. 2 ).

Рисунок 2.

В радиальном подшипнике с глубоким желобом размеры дорожки близки к размерам шариков, которые в нем движутся. Подшипники с глубокими канавками могут выдерживать более высокие нагрузки из-за большей площади контакта с поверхностью.

Радиальные шарикоподшипники предназначены для восприятия как радиальных, так и легких осевых нагрузок.

Аналогичным образом, для применений, где осевые нагрузки являются частью конструкции, а также радиальные нагрузки, существуют осевые шарикоподшипники, которые являются более экстремальной версией угловых шарикоподшипников.

Для тех случаев, когда вал может нагружать подшипник из-за неправильного выравнивания, используются самоустанавливающиеся шарикоподшипники.

Самоустанавливающиеся шарикоподшипники

Для тех применений, где нагрузка является чисто осевой, используются упорные шарикоподшипники:

Упорные шарикоподшипники

Следующим основным классом подшипников качения являются роликовые подшипники. . Они рассчитаны на более высокие нагрузки и решают те же конструктивные проблемы, что и шариковые подшипники.Первым из них является конический роликовый подшипник, ключевым элементом конструкции которого является то, что конусы (, см. Рис. 3, ) могут перекатываться друг с другом без проскальзывания.

Рисунок 3.

Опять же, когда наблюдается некоторый прогиб или возможна угловая ошибка при центровке, используются сферические роликовые подшипники. Для приложений с высокими радиальными нагрузками используются цилиндрические роликоподшипники. А для применения в упорных подшипниках с высокими нагрузками используются упорные конические роликовые подшипники.Эти подшипники обеспечивают очень компактные в осевом направлении подшипниковые узлы. Они могут нести очень большие осевые нагрузки, нечувствительны к ударным нагрузкам и обладают жесткостью. Они доступны в однонаправленных упорных конических роликоподшипниках и двухсторонних упорных конических роликоподшипниках.

Также для высоких осевых нагрузок используются упорные цилиндрические роликоподшипники. Упорные цилиндрические роликоподшипники подходят для высоких осевых нагрузок. Они относительно нечувствительны к ударным нагрузкам, очень жесткие и требуют небольшого осевого пространства.Кроме того, они обычно доступны в виде однонаправленных подшипников, которые могут выдерживать только осевые нагрузки, действующие в одном направлении.

Одной из самых универсальных конструкций является упорный сферический роликовый подшипник. Здесь нагрузка передается от одной дорожки качения к другой под углом к ​​оси подшипника. Таким образом, они могут выдерживать радиальные нагрузки в дополнение к одновременно действующим осевым нагрузкам. Их функция самоцентрирования делает их относительно нечувствительными к прогибу и перекосу вала. Следовательно, они могут выдерживать очень большие осевые нагрузки и относительно высокую скорость работы.

Особым случаем подшипников качения являются игольчатые подшипники. Игольчатые подшипники имеют большую площадь поверхности контакта с внешними поверхностями подшипников по сравнению с шариковыми подшипниками. Они компактны — меньше добавленный зазор (разница между диаметром вала и внешним диаметром подшипника). Таким образом, они могут выдерживать чрезвычайно высокую радиальную нагрузку.

Некоторые специальные типы подшипников включают магнитные подшипники, которые удерживают вал с помощью электромагнитов, окружающих вал.Таким образом, в процессе эксплуатации он не изнашивается и, конечно же, имеет очень низкое трение. Очевидно, что это очень дорогие подшипники для покупки и эксплуатации.

Сферические роликовые упорные подшипники

Драгоценные подшипники — еще один необычный тип, но они обычно используются в часах и других точных механизмах. Они могут быть очень маленькими и часто не смазываются.

Наконец, воздушные подшипники — это еще один специальный подшипник, в котором устранены недостатки систем смазки маслом или консистентной смазкой в ​​таком оборудовании, как турбокомпрессоры.Здесь масло может попасть во всасываемый воздух и негативно повлиять на выбросы выхлопных газов в турбокомпрессоре. Кроме того, масло, подаваемое на роликовый подшипник, создает некоторое гидродинамическое сопротивление. Это устранено в воздушном подшипнике. Масло будет закоксовываться, если двигатель выключить, когда турбонагнетатель еще очень горячий.

Кроме того, необходимо разработать турбонагнетатель с масляной смазкой для подачи масла и со сливными шлангами и, возможно, охладителем, что увеличивает стоимость и сложность турбонагнетателя. Использование подшипников скольжения и качения потребует относительно большого зазора между вершинами лопастей, тогда как воздушные подшипники имеют очень низкий профиль.

Игольчатые подшипники

Драгоценные подшипники в часах

Что ж, это, вероятно, больше, чем вы когда-либо хотели знать о конструкции подшипников. Тем не менее, тем, кто готовится к сертификационному экзамену CLS, вам необходимо знать о различных типах подшипников и о том, как их устранять.

Смазка подшипников — Консистентная смазка подшипников

Смазка

Смазка абсолютно необходима для правильной работы шариковых и роликовых подшипников. Правильная смазка уменьшит трение между внутренними поверхностями скольжения компонентов подшипников и уменьшит или предотвратит контакт металла по металлу тел качения с их дорожками качения. Правильная смазка снижает износ и предотвращает коррозию, обеспечивая длительный срок службы подшипников.

Смазка, особенно циркулирующее масло, также отводит тепло от подшипника.

Существует два основных типа смазочных материалов для подшипников: масло и консистентная смазка. Первое довольно просто понять, поскольку оно является свободно текущей жидкостью, а второе — немного сложнее. Чтобы быть смазочным материалом, все консистентные смазки содержат масло, улавливаемое загустевшей основой. Именно эта основа создает впечатление, что смазка является более вязким типом масла; однако фактическое смазывание выполняет масло в пластичной смазке. Каждый тип смазки имеет свои преимущества и недостатки и выбирается в зависимости от области применения.Основными преимуществами двух основных типов смазочных материалов являются:

Каждый производитель смазочного материала может предоставить лист технических характеристик для каждого из своих продуктов, и каждый лист будет иметь список примерно из 20 свойств и их значений, связанных с этим смазочным материалом. Важнейшим свойством любой смазки для подшипников качения является вязкость масла. Если спецификация относится к маслу, значения вязкости относятся к маслу.Если это пластичная смазка, это должно относиться к «вязкости базового масла» или другому подобному термину, в зависимости от производителя. Обычно четыре значения вязкости отображаются следующим образом:

• сСт при 40 ° C (104 ° F) Единицы СИ
• сСт при 100 ° C (212 ° F), единицы СИ
• SUS @ 100 ° F (38 ° C) Британские единицы
• SUS @ 210 ° F (99 ° C) Британские единицы

Очень важно выбрать смазочный материал, который будет обеспечивать минимально приемлемую вязкость при рабочей температуре подшипника, которая обычно находится между самой низкой и самой высокой эталонными температурами, указанными выше.Обычно значения вязкости масла очень быстро уменьшаются с повышением температуры. Определение рабочей температуры подшипника — довольно сложный расчет, который выходит за рамки этого каталога. Другое дело — расчет вязкости смазочного материала при этой температуре на основе спецификаций производителя смазочного материала. Часто предыдущий опыт работы с существующей аналогичной машиной указывает на приемлемую смазку. В ходе домашних испытаний прототипа или первой машины можно определить рабочие температуры.В большинстве машин используется смазка, подобранная в соответствии с наиболее жесткими требованиями к одному из компонентов машины, например подшипнику, шестерне и т. Д.

Присадки являются очень важной характеристикой современных масел и консистентных смазок и часто могут иметь значение для успешной и долгосрочной эксплуатации подшипников и других компонентов машин. При выборе любого смазочного материала следует всегда учитывать добавки.

Подшипники, которые мы предлагаем

American Roller Bearing в основном производит подшипники для тяжелых условий эксплуатации, которые используются в различных отраслях промышленности в США и во всем мире.Наши подшипники промышленного класса не только должны обеспечивать длительный срок службы по критерию усталости при качении, но они также должны сохранять целостность конструкции от ударов, перегрузок и случайных скачков на высокой скорости. С этой целью была оптимизирована конструкция каждого подшипника для тяжелых условий эксплуатации, включая наши подшипники с большим внутренним диаметром.

Смазка маслом

С точки зрения производительности масло является лучшей формой смазки, и оно предлагает несколько способов подачи в подшипники. Самая простая форма — поддержание статического уровня масла в корпусе подшипника.В некоторых типах оборудования, например, с шестернями и / или шатунами, масло, подаваемое к этим компонентам, создает туман или брызги, которые смачивают контактные поверхности подшипников. Иногда это называют «смазкой разбрызгиванием».

Следующими по сложности являются масляный туман и системы воздух / масло, которые предназначены для обеспечения точного количества масла, необходимого для смазки, предотвращения излишка масла, которое может взбить подшипник, увеличения сопротивления и температуры.

Для высокоскоростных применений часто требуется циркулирующее масло.Форсунки впрыскивают масло непосредственно в подшипник, обеспечивая двойную функцию смазки и отвода тепла. Эти системы сложны и дороги, и их выбирают в случае крайней необходимости.

Консистентная смазка

Обычно консистентная смазка выбирается, если это позволяют требования к смазке подшипника. Типичные системы смазки намного проще масляных систем и не так дорого стоят. Часто необходимы только отверстия для подачи смазки и внешний смазочный ниппель для пополнения.

При выборе смазки для области применения необходимо учитывать несколько ее свойств для ожидаемых условий эксплуатации. Приоритет этих свойств:

1. Требуемая вязкость масла при температуре подшипника.
2. Марка для рабочей температуры.
3. Мыльная основа, которая лучше всего подходит для нанесения.
4. Наличие противозадирных присадок.

Уровень «Марка» смазки является показателем жесткости смазки.Марки «0» и «1» относительно мягкие и обычно используются при низких рабочих температурах. Классы «2», «3» и «4» используются при все более высоких температурах. Уровень «3» также обычно используется в вертикальных установках, чтобы предотвратить оседание всей смазки на дне подшипника.

Различные утолщающие основы обладают определенными преимуществами, поэтому их можно выбирать для различных областей применения. Некоторые из их основных преимуществ:

Смазка подшипников

Во многих случаях необходимо пополнять смазку через регулярные промежутки времени, так как старая смазка «высыхает» из-за попадания масла в движущиеся части подшипника, а загущающая основа окисляется. Повторная смазка должна быть неотъемлемой частью конструкции оборудования, а некоторые типы подшипников уже имеют функцию повторной смазки. Хорошие конструкторы обеспечат в самой машине доступные смазочные каналы для попадания смазки в подшипник.Если старая смазка преграждает путь, толкать новую смазку к подшипнику очень мало. Гораздо лучше ввести новую смазку в центр подшипника и дать ей вытолкнуть старую смазку с каждой стороны. Если в выбранном подшипнике это невозможно, то смазку необходимо нанести на одну сторону подшипника, в то время как другая сторона полости корпуса обеспечивает место для старой смазки. Некоторые конструкции машин предусматривали продувочное отверстие или позволяли старой смазке выходить из-под кромок уплотнения.В некоторых типах оборудования, применяемого в отраслях промышленности, где в воздухе содержатся абразивные частицы, консистентная смазка используется в качестве фильтрующего материала для улавливания этих частиц. Регулярная смазка этих подшипников и их корпусов удаляет загрязненную смазку из корпусов подшипников. Важно помнить, что повторную смазку следует производить, когда смазка в подшипнике еще хороша.

Интервалы повторной смазки, которые всегда обеспечивают необходимое количество масла для подшипников, не всегда можно точно спрогнозировать.Мы знаем, что правильный интервал в основном зависит от рабочей температуры, количества часов работы в день, а также размера и скорости подшипника. Некоторое оборудование требует повторной смазки всех подшипников каждый день, некоторые — раз в неделю, некоторые — каждые две недели, а некоторые — раз в месяц. В подобных случаях часто бывает полезно полностью промывать подшипники один раз в год, повторно набивать новую смазку и продолжать работу по установленной программе повторной смазки. Пользователям рекомендуется не только проверять состояние старой смазки, но и отправлять образцы в лабораторию, которая специализируется на анализе использованных смазочных материалов.Знания, полученные для каждого конкретного применения, являются лучшим показателем правильного интервала замены смазки.

Получение рекомендаций по смазке не должно быть трудным, поскольку существует множество производителей и дистрибьюторов смазочных материалов, которые должны обладать знаниями и техническими характеристиками для оказания профессиональной помощи. Опыт, полученный с их продуктами на аналогичном оборудовании и / или в аналогичных условиях эксплуатации, часто является лучшей причиной для выбора марки и типа смазки для подшипников в единице оборудования.

Мы постарались определить наиболее важные характеристики смазочного материала для наших подшипников, чтобы они обеспечивали долгий срок службы владельцам и операторам оборудования, в котором они установлены. Были кратко затронуты только некоторые характеристики обычных масел и консистентных смазок, оставив многие другие характеристики различных смазочных материалов, которые предстоит объяснить специалистам по смазочным материалам. Если у клиентов наших подшипников есть какие-либо вопросы или опасения по поводу рекомендаций по смазочным материалам для их оборудования, не стесняйтесь обращаться в отдел продаж American Roller Bearing или к одному из наших представителей на местах.Политика компании American Roller Bearing Company гласит, что мы не рекомендуем какой-либо конкретный смазочный материал или даже компанию, производящую смазочные материалы. Однако мы проверим, подходит ли смазка, выбранная нашими клиентами, для наших подшипников.

Нажмите здесь, чтобы запросить ценовое предложение, или позвоните нам по телефону 828-624-1460

Термоэластогидродинамическая смазка в упорных подшипниках

Автор:
Брокетт, Теодор Скотт, Департамент инженерии, Университет Вирджинии

Консультанты:
Барретт, Ллойд, факультет машиностроения и аэрокосмической техники, Университет Вирджинии
Аллер, Пол Э., Департамент машиностроения и аэрокосмической техники, Un
Flack, Рональд, Департамент машиностроения и аэрокосмической техники, Университет Вирджинии
Мэнсфилд, Лоис, Инженерно-деканат, Университет Вирджинии
Хадж-Харири, Хоссейн, Департамент механической и аэрокосмической техники , Университет Вирджинии

Предметом диссертации является теоретическое прогнозирование рабочих характеристик несжимаемых жидкостно-пленочных упорных подшипников с неподвижными и наклонными подушками с использованием новых и улучшенных моделей.Новые модели, представляющие интерес, включают упругую деформацию бегунка и детальную трехмерную упругую деформацию и проводимость внутри колодки. Рабочие характеристики, представляющие интерес для данного режима скоростной нагрузки, включают распределение температуры в пленке и твердых телах, распределение давления в пленке, упругую деформацию твердых тел из-за термической и механической нагрузки, минимальную толщину пленки, потери мощности из-за смазки. требования к резке и потоку масла.

Основные уравнения для распределения давления в пленке, распределения температуры в пленке и твердых телах и упругой деформации твердых тел решаются одновременно с использованием метода конечных элементов с линейными, билинейными и трилинейными элементами.Обобщенное уравнение Рейнольдса, включающее эффекты изменения вязкости поперечной пленки, члена центробежной инерции и кавитации, связано с трехмерным уравнением энергии в пленке, трехмерными уравнениями проводимости и упругости в подушке, а также осесимметричной проводимостью и упругостью. уравнения в тяговом бегуне. Уравнение Рейнольдса и уравнение энергии пленки включают эффекты турбулентности с использованием модели турбулентности с нулевым уравнением.

Влияние различных физических моделей на рабочие характеристики изучается для типа подшипника, который ранее не появлялся в литературе — подшипника с параллельной конической площадкой.Рабочие характеристики подшипников этого типа изучаются как функция различных моделей, включенных в анализ, как функция нагрузки и как функция скорости вращения. Рассмотрены изовязкий, адиабатический, полностью трехмерный термический и термоэластогидродинамический анализы. Также рассмотрен подробный термоэластогидродинамический анализ упорного подшипника шарнирно-поворотной опоры.

Установлено, что термин центробежной инерции мало влияет даже на более высоких скоростях для типичных смазочных масел и нагрузок.Деформация рабочего колеса может вызвать увеличение или уменьшение максимальной температуры пленки подшипников с фиксированной геометрией, в зависимости от скорости и нагрузки. Однако снижение максимальной температуры пленки происходит за счет минимальной толщины пленки. Механической деформацией в типичных подшипниках с фиксированной геометрией можно пренебречь, но термическая деформация может существенно повлиять на максимальную температуру пленки. Отдельный термоэластогидродинамический анализ подшипника с наклонной подушкой демонстрирует преимущества использования трехмерной модели упругой проводимости в подушке по сравнению с более простыми доступными моделями.

Примечание. Резюме извлечено из файла PDF с помощью OCR.

Степень:
доктор философских наук

Язык:
Английский

Права:
Все права защищены (без дополнительной лицензии для публичного повторного использования)

Дата выдачи:
1995

Упорный подшипник — обзор

VI Динамическое взаимодействие между двигателем и корпусом

Мы заметили, что разработка судовых двигателей достигла точки, когда конструкция двигателя больше не доминирует в конструкции корабля; обычно можно выбрать один из нескольких типов двигателей, и ни один из них не требует большой доли объема корпуса и грузоподъемности.Тем не менее, судовой конструктор не должен самостоятельно проектировать корпус и выбирать механизмы. Существуют конструктивные связи, такие как влияние веса и объема двигателя на полезную нагрузку, о которых упоминалось ранее.

Возможные динамические взаимодействия, пожалуй, самые важные из всех, поскольку плохая конструкция может серьезно ухудшить работу корабля, чего, скажем, небольшая потеря полезной нагрузки никогда бы не сделала. Динамические взаимодействия возникают из-за почти неизбежной тенденции гребного винта генерировать крутильное, продольное и поперечное возбуждение, когда его лопасти вращаются через области с различной скоростью воды, а также из нескольких источников возбуждения внутри двигателя.

Если двигатель дизельный, крутящий момент, прикладываемый к коленчатому валу каждым поршнем, периодически изменяется по мере изменения давления газа в цилиндре и сил инерции от ускорения поршня. Если любая из многих гармоник этих периодических крутящих моментов резонирует с собственной частотой системы двигатель-вал-гребной винт, может возникнуть сильная крутильная вибрация. Торсионная вибрация может быть разрушительной только для вращающегося механизма, но по своей природе гребной винт является преобразователем крутящего момента в тягу, поэтому также может возникать сильная продольная вибрация.

Продольные вибрационные силы передаются на корпус упорным подшипником, который передает движительную тягу, так что может быть возбуждена одна из собственных частот колебаний корпуса. В частности, тихоходный дизель может колебаться в продольном направлении, действуя наподобие вертикальной консольной балки. Если одна из его собственных частот резонирует с частотой продольных сил вала, двигатель может чрезмерно вибрировать и, в свою очередь, возбуждать окружающую конструкцию корабля.

Поршневой двигатель передает на подшипники вала периодические силы, которые должны сопровождать периодические ускорения его поршней и связанных с ними движущихся частей.Однако обычно силы нейтрализуются посредством противовесов на коленчатом валу, но может оказаться невозможным нейтрализовать моменты, которые эти силы создают. Степень компенсации момента в значительной степени зависит от количества цилиндров, но чаще всего существует некоторая значительная степень момента второго порядка (то есть частота, равная удвоенной частоте вращения двигателя). Этот момент имеет тенденцию изгибать двигатель вертикально вокруг поперечной оси (т. Е. Загибать его концы вверх и вниз).Поскольку конструкция двигателя не является бесконечно жесткой, этот изгиб передается на фундамент двигателя и, таким образом, может вызвать вибрацию корпуса.

Явления, вызывающие эти динамические взаимодействия, в значительной степени неизбежны — например, пульсирующий характер крутящего момента дизельного двигателя является неизбежной характеристикой поршневого двигателя. Основное решение — спроектировать движущиеся части двигателя и системы валов таким образом, чтобы не возникали резонансы между его колебательными режимами и возбуждениями.В некоторых случаях это может включать усиление конструкции двигателя за счет добавления раскосов между корпусом и верхним уровнем двигателя (особенно для высоких низкоскоростных дизелей). Последствия неуравновешенного крутящего момента в двигателе могут быть минимизированы путем выбора количества цилиндров для низкого значения момента, придания дополнительной жесткости фундаменту и путем установки двигателя рядом с узлом ожидаемого режима вибрации корпуса.

Плавный крутящий момент турбинных двигателей снижает их динамическую опасность, но винт может вызывать недопустимые крутильные и продольные колебания.В паровых турбинах также были случаи сильной вибрации, вызываемой периодическим прохождением лопаток турбины через паровые форсунки. Как и в случае с поршневыми двигателями, главное средство — знание возбуждений и частот вибрации, чтобы можно было избежать резонансов.

Поведение воздушной смазки демонстрационного упорного подшипника Кингсбери

Чтобы понять поведение воздушной смазки демонстрационного упорного подшипника Кингсбери, было представлено экспериментальное и теоретическое исследование смоделированного упорного подшипника Кингсбери.Движения упорного диска и опрокидывающихся подушек измерялись датчиками вихревых токов для трех вариантов массовых нагрузок. Создана упрощенная теоретическая модель движения упорного диска. Подшипник успешно прошел проверку на гашение лампы и выдержал максимальное время вращения 16 с. Эффективная гидродинамическая пленка толщиной около 5 мкм мкм была сосредоточена в средней части рабочей поверхности с плоскостностью 0,010 мм. Неблагоприятное воздействие трех неровностей на поверхности было минимизировано поворотным движением опрокидывающихся подушек.Более того, около 1/3 толщины воздушной пленки было потрачено впустую из-за неровностей поверхности. Тем не менее, требования к качеству поверхности и перекосу были соответствующим образом смягчены за счет конструкции поворотных опор с центральным поворотом. Такая конструкция обеспечивает тонкопленочную смазку и может применяться в микротурбинах.

1. Введение

Демонстрационный образец упорного подшипника Kingsbury представляет собой класс газовых упорных подшипников с наклонной подушкой. Его использовали продавцы Kingsbury Company, чтобы продемонстрировать существование полноценного воздушного фильма.Подшипник был сконструирован просто как упорный диск с тремя опрокидывающимися опорами, что позволяло ему работать в условиях хорошей воздушной смазки при ручном приведении в движение. Упорный диск может вращаться непрерывно от нескольких секунд до минут без контакта.

Конструкция и производство подшипников устарели без использования новейших технологий производства. В частности, наждачной бумагой можно даже шлифовать ее рабочую поверхность. Однако этот подшипник может стабильно работать при неблагоприятных факторах, таких как большая неровность поверхности и низкая частота вращения.Адаптивная способность поддерживать эффективную смазку впечатляет, и ее стоит использовать в современных промышленных приложениях. Газовые подшипники в микротурбинах, например, могут изучить конструкцию подшипников. На сегодняшний день мало исследований этого подшипника с экспериментальной или теоретической точки зрения. Условия внутренней смазки и необходимый механизм остаются неясными. Эта статья направлена ​​на (1) систематическое изучение этого подшипника и подробное представление его динамических характеристик, (2) обеспечение эффективного метода измерения толщины воздушной пленки и качательных движений опрокидывающихся подушек, и (3) обсуждение спорной конструкции централизованно поворотные опоры.

С тех пор, как Хирн [1] предложил идею использования газа в качестве смазки в 1854 году, технология газовой смазки разрабатывалась более 160 лет. По сравнению с масляными подшипниками, газовые подшипники особенно подходят для высокоскоростных шпинделей с малой нагрузкой в ​​прецизионных станках [2, 3]. Их основные преимущества включают меньшее трение, высокую точность и длительный срок службы. Применение газовых подшипников [4–9] было расширено от традиционных гироскопов и акселерометров до симуляторов космических аппаратов, промышленных измерений, медицинского оборудования и микротурбин.На раннем этапе развития газовой смазки исследования были сосредоточены на измерении газовой пленки микронного размера. Был рассмотрен метод точного подбора толщины воздушной пленки в микронном масштабе. В новаторской работе Кингсбери [10] небольшой винт с мелкой резьбой использовался в качестве датчика для измерения расстояния между поршнем и цилиндром в испытательном устройстве. В этом эксперименте впервые была подтверждена возможность использования газовой смазки. С развитием технологии тестирования вихретоковые датчики получили широкое распространение.Реализовано измерение динамического изменения воздушных пленок. Многие исследования [11–14] показали, что толщина пленки от 3 мкм мкм до 50 мкм мкм была общим рабочим зазором для большинства устройств с газовой смазкой. Более того, для динамических нагрузок требуется большая толщина пленки, чтобы уменьшить возможность контакта.

Благодаря передовой технологии обработки, плоскостность поверхности современных подшипников может быть минимизирована до менее 1 мкм м [15, 16].Влияние плоскостности воздушной пленки меньше. Исследования были сосредоточены на повышении грузоподъемности [17–20]. Однако на демонстрации упорного подшипника Kingsbury качество поверхности, полученной шлифованием наждачной бумаги, относительно низкое. Это означает несовершенное состояние смазки. Возможность контакта с поверхностью увеличивается, особенно когда подшипник работает с низкой скоростью вращения; кроме того, необходимо более строгое соблюдение центровки подшипника вала.В этом исследовании смоделированный упорный подшипник Кингсбери был испытан для трех вариантов массовой нагрузки при скорости менее 350 об / мин. Изучены состояние внутренней смазки и динамические характеристики подшипника. Были измерены осевое перемещение упорного диска и поворотное движение опрокидывающихся подушек. Была создана упрощенная теоретическая модель для объяснения рабочего поведения подшипника.

2. Аппарат

Упорный подшипник Kingsbury был смоделирован для изучения его рабочих характеристик, как показано на Рисунке 1.Несущие элементы состоят из упорного диска, трех опорных подушек, трех опорных болтов и основания. Упорный диск гибко располагался на трех опорных подушках, а нижний центральный вал вставлялся в изолированный опорный подшипник основания. Подушечки для опрокидывания устанавливались в пазы основания и поддерживались точечными шарнирами болтов. Такое расположение позволяет колодкам более свободно перемещаться. Кроме того, поверхности упорного диска и опрокидывающихся подушек могут плотно соприкасаться, если отрегулировать болты на подходящую высоту.Упорный диск изготовлен из алюминия диаметром 100 мм. Его масса составляет 0,15 кг и может быть увеличена добавлением дополнительных металлических колец на поверхность. Наклонные подушки изготовлены из нержавеющей стали веерообразной формы с углом наклона 50 градусов и имеют внутренний и внешний диаметр 35 мм и 95 мм соответственно. Рабочие поверхности двух деталей были отшлифованы наждачной бумагой зернистостью 2000.

Датчик вихревых токов, Датчик 1, с Зонд диаметром 5 мм был помещен поверх упорного диска для измерения осевого смещения, как показано на рисунке 2.Диаметр измеряемой поверхности был увеличен до 20 мм после наклеивания на стальное кольцо. Другой датчик вихревых токов, Sensor 2, был расположен на основании между опорными площадками. Его зонд был обращен к вспомогательной стальной плоскости, которая была совмещена с наклонной подушкой (см. Рис. 2 (б)). Эта комбинация позволяет измерять смещение поворотной опоры. Скорость вращения упорного диска измерялась фотоэлектрическим датчиком Sensor 3. Все данные испытаний были записаны в программном обеспечении eZ-TOMAS 8.0, когда упорный диск приводился в движение вручную.

3. Упрощенная модель

Анализ сил упорный диск и опорные подушки показаны на рис. 3. Упорный диск перемещался по воздушной пленке и подвергался главным образом воздействию силы воздушной пленки, силы трения воздушной пленки и силы тяжести. Угловое движение игнорируется.Тогда осевое движение упорного диска просто регулируется где — масса упорного диска, — осевое смещение, — осевое демпфирование воздушной пленки, — сила воздушной пленки, — сила тяжести упорного диска.