Преимущества подшипников со спиральными канавками

Опоры скольжения со спиральными канавками по сравнению с традиционными подшипниками скольжения обладают существенно более высокими силовыми характеристиками. Но кроме этих, они имеют еще целый ряд важных преимуществ, обеспечивающих широкое применение спиральных и винтовых канавок не только в торцовых, радиальных и радиально-осевых опорах, но и в лучших бесконтактных уплотнениях.

Рис. 8. Смазочный слой между вращающимся шипом 1 и неподвижным подшипником 2

Принципиальное отличие механизма образования избыточного давления в смазочном слое, одна из стенок которого имеет спиральные канавки, от механизма действия гидродинамического клина может быть проиллюстрирована на примере радиального подшипника. На рис. 8 изображен рабочий зазор гладкого цилиндрического подшипника. В этом случае линия центров ОО 1 делит смазочный слой на конфузорную область, где частицы смазки движутся в сторону сужающегося щелевого канала, и диффузорную, где течение смазки таково же, как в клиновидном зазоре (рис. 1) с обратным движением нижней стенки — от меньших зазоров к большим. Вследствие асимметрии гидродинамических сил относительно оси ОО 1, нагруженный вал всегда смещается не в направлении внешней нагрузки Q, а уходит в сторону вращения. Это явление называется девиацией, а угол между направлением нагрузки Q и линией центров следует именовать углом девиации.

Рассмотрим теперь работу такого подшипника, когда он не нагружен, а вал расположен вертикально. На первый взгляд кажется, что в этом случае подшипник будет занимать соосное положение. На самом деле вращение вала будет неустойчивым. Действительно, представим, что по какой-либо причине вал сместится от соосного положения. Тогда из-за девиации возникнет сила, заставляющая ось вала двигаться в сторону его вращения, вследствие чего линия центров ОО 1 начнет ускоренно вращаться вокруг оси подшипника до тех пор, пока угловая скорость линии центров .

Рис. 9. Геометрия смазочного слоя и скорости стенок при получастотной неустойчивости

На рис. 9 представлен вид смазочного слоя в системе отсчета, связанной с линией центров при:

.

Скорости стенок слоя равны по величине и направлены в противоположные стороны. Поэтому сколько смазки загоняется в сужающийся зазор одной поверхностью, столько же и выносится из него обратно другой стенкой смазочного слоя. Гидродинамический клин оказывается полностью разрушенным, и давление в смазочном слое становится везде одинаковым. Кроме сил вязкого трения, со стороны смазочного слоя на шип в этом случае не действуют никакие другие силы.

Однако система отсчета, связанная с вращающейся линией центров, является неинерциальной, и на вал действует центробежная сила инерции, равная, где m — масса вала, e — расстояние оси вала от оси подшипника, — угловая скорость вала. Эта сила приводит к росту эксцентриситета, и центр вала движется по развертывающейся спирали до тех пор, пока не наступит касание рабочих поверхностей. В подшипниках с газовой смазкой, где на рабочих поверхностях нет мономолекулярного смазочного слоя, это означает аварию. Рассмотренное явление получило название получастотной неустойчивости.

Совершенно другая картина получается, когда на одной из рабочих поверхностей подшипника имеются спиральные канавки (рис. 10, 11). В этом случае, во-первых, нагнетательный эффект, обусловленный действием спиральных канавок, сохраняется полностью вне зависимости от траектории и скорости движения центра вала. Поэтому в таких подшипниках всегда будет сила, возвращающая шип в центральное положение. Во-вторых, спиральные канавки позволяют радикальным образом влиять на угол девиации — его можно сделать не только равным нулю, но даже противоположным по знаку без ущерба для силовых характеристик опоры. В таких подшипниках исчезают причины, вызывающие получастотную неустойчивость. Валы, опирающиеся на радиальные газодинамические подшипники со спиральными канавками, устойчиво вращаются при любых практически достижимых скоростях.

Рис. 10. Радиальный газодинамический подшипник с винтовыми канавками и гладкой центральной зоной

Рис. 11. Радиальный газодинамический подшипник с шевронными канавками

Как видно, подшипники со спиральными канавками произвели настоящую революцию в теории и практике опор скольжения. То, что они более совершенны, видно уже по возросшему числу параметров, варьируя которые, можно достигать более высоких характеристик. Действительно, в то время, как в ступенчатой опоре (рис. 1) мы можем управлять только координатой ступени и её глубиной, а в гладком цилиндрическом подшипнике (рис. 8) нет вообще ни одного параметра, которым можно управлять, в подшипниках со спиральными канавками число управляемых параметров достигает пяти: число канавок, их глубина, ширина, угол наклона к скорости скольжения и протяжённость. Теория этих опор [3, 4, 7, 8, 10] хотя и очень сложна, но и очень эффективна в том отношении, что позволяет находить оптимальные геометрические параметры по любым различным критериям [2, 4, 7, 11, 12].

Весьма поучительно, что спиральные подшипники были изобретены английским физиком Уипплом (Whippe R.T.P.) в конце сороковых годов двадцатого века, но были засекречены, поскольку Уиппл был сотрудником Британского научно-исследовательского центра по атомной энергии (г. Харуэлл). Известно, что вариационные методы, широко используемые в научных статьях в области гидродинамической теории смазки, до сих пор не открыли ни одной новой и практически ценной модели подшипника, потому что модели, подобные спиральным опорам, по своей сложности совершенно недоступны даже численной реализации вариационных задач. Как видно, физическое мышление и математические методы взаимно дополняют друг друга, увеличивая полезный эффект не вдвое, а на порядок.