Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

Космынин А.В., Шаломов В.И.

Из опыта проектирования и эксплуатации опор с внешним наддувом газа известно, что во избежание вибраций, необходимо стремиться к весьма малым диаметрам питающих отверстий (меньше 0,1 мм). Стремление к малым диаметрам питателей диктуется также необходимостью получения приемлемого расхода газа через подшипник. Однако, при постоянном давлении наддува и толщине смазочного слоя вместе с уменьшением расхода газа при весьма малых диаметрах отверстий уменьшается и несущая способность подшипника. Поэтому приходиться увеличивать число питающих отверстий. Это обстоятельство привело конструкторов и исследователей к идее применения в газостатических подшипниках пористых вкладышей.

Впервые пористые ограничители были предложены Робинсоном и Стерри с целью повышения несущей способности подшипников по сравнению с опорами, имеющими дроссельные питающие отверстия.

Привлекательность пористого питателя становится очевидной, так как его применение устраняет необходимость сверления отверстий малых диаметров. При этом пористый материал допускает определённый объём засорений твёрдыми частицами без серьёзного изменения сопротивления потоку смазки, что позволяет создавать подшипники достаточной жесткости.

При использовании пористых материалов, характер изменения давления газа в зазоре подшипников улучшается из-за увеличения площади наддува. Поэтому если вместо дискретного ограничения струи применить пористое ограничение, то при заданных геометрических размерах подшипника это приводит к росту несущей способности.

В настоящие время в качестве пористых вкладышей газовых подшипников с внешним наддувом применяют, главным образом, материалы, получаемые путем спекания металлических и неметаллических порошков. К таким материалам предъявляют ряд основных требований: хорошая обрабатываемость резанием, сохранение пористости после механической обработки, обеспечение требуемых геометрических размеров, хорошая самосмазываемость, отсутствие взаимодействия с химическими примесями, содержащимися в воздухе, обеспечение ламинарного режима течения газа в порах с целью экономичного расхода воздуха и во избежание пневматической неустойчивости.

Для изготовления пористых подшипников принципиально пригодны металлокерамические материалы и некоторые сорта керамики. Однако, при окончательной механической обработке внутреннего отверстия вкладыша, изготовленного из металлокерамики, его проницаемость уменьшается в три раза по сравнению с первоначальной.

В настоящие время нет еще достаточного опыта эксплуатации газовых подшипников с внешним наддувом из спеченных материалов. Это обусловлено отчасти отсутствием металлокерамических материалов, в наиболее полном объеме отвечающим требованиям газовой смазки.

Лучшими характеристиками, в частности, по проницаемости обладают керамические материалы. Здесь следует отметить керамические материалы на базе Al2O2 и непропитанный искусственный уголь. Опасность засорения пор в процессе механической обработки керамических материалов существенно уменьшается, если воспрепятствовать попаданию частиц абразива в поры. Хорошие результаты получаются при постоянном продувании воздухом подшипника во время окончательной доводочной операции. Потери проницаемости в этом случае не превышают 10%.

Материалы на основе MoS2 имеют очень высокую твердость и обрабатываются алмазным инструментом. Эти материалы отличаются плохой самосмазываемостью. Искусственный графитированный уголь наоборот хорошо обрабатывается обычным инструментом, имеет достаточную самосмазываемость и с этой точки зрения наиболее пригоден в качестве материала для пористых подшипников. Углеграфиты марок АГ-1500 и А0-1500 не претерпевают химических превращений до температур 480 0С при работе в окислительной среде, хорошо работают на влажном газе, но быстро разрушаются при попадании масла. Поэтому применение пористых углеграфитов для изготовления вкладышей газовых подшипников требует почти 100% очистку воздуха. В противном случае их долговечность резко сокращается, и применение таких вкладышей становится бессмысленным.

Пористые материалы были предложены в качестве ограничителей для газостатических подшипников, как в виде втулок полной длины, так и в виде вкладышей в обычный подшипник. Первый тип привлек больше внимание, чем второй, по-видимому, вследствие трудностей изготовления вставок требуемой проницаемости и заданной геометрической формы.

Первые исследования были сконцентрированы на радиальных подшипниках скольжения, но постепенно проявился интерес и к упорным подшипникам. Теоретические исследования характеристик этих подшипников разработаны до такой степени, что с учетом или без учёта вращения вала могут быть успешно использованы на практике. Так, Робинсон и Стерри [1] сообщают о результатах теоретических и экспериментальных исследований по разработке газостатических подшипников с пористыми вкладышами. Снек и Иен [2] нашли аналитическое решение для подшипников с пористыми втулками, используя уравнение Дарси для низкоскоростного потока. Снек и Элуэл [3] сравнили теоретические расчеты с результатами экспериментального исследования и сделали вывод, что они хорошо согласуются. Снек и Иен [4] осуществили дальнейший анализ опор с целью учёта эффекта вращения вала. Они делают вывод, что вращение не оказывает существенного влияния на способность подшипника к восприятию нагрузки, но массовый расход может уменьшиться при больших значениях эксцентриситета. Гарджюло и Джилмор [5] представили численное решение по определению характеристик упорного пористого подшипника и сделали вывод, что пористые подшипники нуждаются в испытаниях для дальнейшего их внедрения в производство.

Некоторые эксперименты с пористыми вкладышами из графита и керамики были выполнены в Саутгемптонском университете. Керамика, полученная из газофильтрующего элемента, обладала более однообразной проницаемостью, чем графит, но обе системы были чувствительны к самовозбуждающейся нестабильности.

Большинство исследователей использовало в качестве вкладышей подшипников спечённые материалы, и все они сообщают о трудностях при производстве вкладышей равной проницаемости в сочетании с требуемой геометрической формой. Пластическая деформация и стирание поверхности подшипника при обработке резанием ведёт к непредсказуемым изменениям проницаемости. Применение спечённых материалов без обработки требует больших радиальных зазоров подшипника и как следствие высокоскоростных потоков газа.

Важной задачей в настоящее время является получение материала, имеющего предсказуемую проницаемость и хорошо поддающегося обработке резанием. Этот материал должен допускать определенную степень загрязнения поверхности посторонними частицами из подаваемого газа и в тоже время обеспечить подачу газа в подшипник через большое число дискретных отверстий очень малых диаметров.

Практически, лучшим решением проблемы является применение материала с низкой пористостью, пронизанного дискретными капиллярными отверстиями. О производстве такого материала в США в открытой печати встречались краткие сообщения, но вследствие исследований в частной фирме, подробностей не сообщалось.

В целом, можно отметить, что пористые материалы являются эффективным и экономичным средством изготовления ограничителей для газостатических подшипников. При этом необходим материал предсказуемой проницаемости в сочетании со способностью к обработке резанием и минимальной пористой поверхностью.

В какой – то мере решение указанных выше проблем нашло отражение в конструкциях газовых подшипников, разработанных в КнАГТУ для производства прецизионных внутришлифовальных шпиндельных узлов. Вкладыши подшипников имеют специально подготовленные пазы с установленными в них пористыми вставками, через которые газ подводится в воздушный зазор. В качестве материала вставок впервые использована модифицированная древесина березы - материал общедоступный и достаточно дешевый, по своей структуре отвечающего указанным требованиям.

Газопроницаемость древесины объясняется наличием сосудов и пор, которые имеются в любом древесном материале.

Внутренняя структура древесины достаточно изучена. Стамм [6] делает вывод, что древесина со своими волокнами и сосудами похожа на систему капилляров и трубок, через которую поток жидкости движется ламинарно под действием определенного давления. В такой системе, свободной от газожидкостного мениска, эффект турбулентности на концах капилляров незначительный.

В работе [7] приведены данные исследования, указывающие на важность определения действительного размера отверстий в мембране поры. Такие сведения при известном значении радиуса капилляров позволили бы использовать закон Хагена-Пуазейля для вычисления расхода жидкости через древесину. Эта задача была решена рядом исследователей косвенным путем, исходя из скорости потока пронизывающих газов [7]. Было установлено, что радиусы этих пор лежат в пределах от  до см. Уточненные значения размеров пор, полученные по фотографиям с помощью электронного микроскопа, показали, что размер отверстий между волокнами лежит в пределах от  до  см.

Древесина достаточно прочный и легкий материал, хорошо сопротивляющийся ударным и вибрационным нагрузкам. Она хорошо обрабатывается на станках, из нее можно получить детали и изделия любой формы, она является также немагнитным материалом и хорошо противостоит воздействию агрессивных газов и жидкостей. Кроме того, древесина, особенно твердых пород и в прессованном виде, очень хорошо противостоит износу. Так по данным Хухрянского П.И. [7] износостойкость прессованной древесины, особенно в абразивных средах, в 1,5...3 раза выше, чем у бронзы.

Как машиностроительный материал натуральная древесина, в том числе и твердых пород, имеет ряд недостатков. Один из них - способность древесины набухать от воздействия влаги и усыхать при удалении ее. Это вызывает нестабильность линейных и объемных размеров в деталях машин типа втулок, вкладышей и т.д., отсюда и ненадежная работа подшипниковых узлов с парами трения сталь-древесина.

Нестабильность размеров диаметральных зазоров долгое время была главным техническим и психологическим барьером, который мешал конструкторам, механикам и технологам широко применять древесные подшипниковые материалы в технике.

Существует, несколько методов решения данной проблемы. Одни из, них основаны на химическом воздействии на древесину, другие - на пропитке её различными составами, третьи - на тепловом воздействии.

Именно последним способом - наиболее технологичным, не требующим больших затрат времени, оборудования и материалов, происходила стабилизация размеров пористых вкладышей газовых опор внутришлифовальных шпинделей, опыт эксплуатации которых в производственных условиях показал на их высокую эффективность и надежность работы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ROBINSON C.H., STERRY F. The static strength of pressure Fed Gas Journal Bearings AERE ED/R, Harwell, Berkshire, England, 1958, p. 9-11.

2. Снек Х.Дж., Иен К.Т. Пористые подшипники с газовой смазкой //Проблемы трения и смазки.- 1968. N4. С.161 – 168.

3. SNECK H. J., ELWELL R. C. The externally pressurized, porous wall, gas-lubricated journal bearing. Pt2. - Trans. ASME, vol. 8, N 4, p. 339-344

4. SNECK H. J., YEN K. T. The externally pressurized, porous wall, gas lubricated journal bearing. - Paper ASME, 1966, N 66-LC-25, 25 pp.; Trans ASLE, 1967, vol. 10, N 3, p. 339-347.

5. Гарджюло Е.П., Джилмор П.В. Численное решение задачи расчёта пористых газовых подшипников с внешним наддувом. Упорные подшипники //Проблемы трения и смазки.- 1968. №4. С.169-178.

6. Майко И.П. Получение стабилизированной прессованной древесины и её некоторые физико-механические свойства.-В книге "Пластификация и модификация древесины." //Материалы Всесоюзного научно-технического совещания, (г. Рига, 26-28 ноября, 1968 г.) – Рига: "Зинатне", 1970.- С.34-37.

7. Хухрянский П.И. Прессованная древесина. М.: Лесная промышленность, 1964.- 293 с.