Hydraulická a pneumatická ložiska

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 18. srpna 2014; kontroly vyžadují 20 úprav .

Hydraulická ložiska  jsou ložiska , ve kterých tenká vrstva kapaliny přebírá přímé zatížení hřídele.

Hydraulická a pneumatická ložiska se často používají pro vysoké zatížení, vysoké rychlosti a tam, kde je vyžadováno přesné uložení hřídele, když konvenční kuličková ložiska produkují příliš mnoho vibrací, příliš mnoho hluku nebo nesplňují požadavky na kompaktní zařízení nebo podmínky dlouhé životnosti. Jsou používány stále častěji kvůli klesající ceně. Například počítačové pevné disky , u kterých je hřídel motoru uložena na hydraulických ložiskách, mají tišší chod a jsou levnější než stejné disky obsahující kuličková ložiska.

Jak to funguje

Tato ložiska lze obecně rozdělit do dvou typů:

• hydrodynamické a plynodynamické;
• hydrostatický.

V hydrostatickém ložisku je vysoký tlak kapaliny udržován externím čerpadlem . Kapalina v nich je obvykle olej nebo voda. Protože taková ložiska vyžadují ke svému provozu vstřikování kapaliny z externího čerpadla, energie dodávaná čerpadlu je plýtváním energie pro systém jako celek. Při absenci čerpadla by však tato energie byla vynaložena na překonání třecích sil.

U hydrodynamického ložiska je při otáčení hřídele vysokou rychlostí kapalina unášena hřídelí do prostoru mezi třecími plochami a tím dochází k samomazání. Lze jej považovat za kluzné ložisko, u kterého geometrie, dostatečná rychlost otáčení a volný přívod mazání činí vrstvu oleje dostatečně silnou, aby zcela eliminovala kontaktní tření za jakýchkoliv provozních podmínek.

U těchto ložisek je kapalina nasávána do ložiska pohybem hřídele a tlačena pod hřídel nebo kolem hřídele stejným pohybem hřídele. Výsledkem je, že při nízkých rychlostech otáčení hřídele (včetně okamžiku spouštění a brzdění) má vrstva kapaliny pod hřídelem nedostatečnou tloušťku, což vede k přímému kontaktu částí dvojice. Pokud se takové režimy vyskytují dostatečně často, pak má ložisko kratší životnost a dochází v něm k velkým energetickým ztrátám. Někdy, aby se předešlo těmto problémům u hydrodynamických ložisek, se používá buď sekundární ložisko nebo externí čerpadlo, které jsou zahrnuty do práce v době rozjezdu nebo brzdění. Speciální povlaky odolné proti opotřebení a proti tření (například diamantové ) mohou také výrazně snížit opotřebení při rozběhu. Často se vyjednává počet spuštění/zastavení stroje před opravou výměny ložiska, který může být v porovnání s celkovou životností velmi malý.

Hřídel může být obklopena nikoli pevným pouzdrem, ale několika pružnými plátky nebo děleným kroužkem z pružinové fólie na pružné podložce („foliové ložisko“, anglicky fóliové ložisko ), aby se zatížení rovnoměrně rozložilo po povrchu páru. Petal (a obecně plynová dynamická) ložiska existují i ​​v koncové ( axiální ) verzi [1] .

Výhody a nevýhody

Výhody

• Hydraulická a pneumatická ložiska mají obecně velmi nízké koeficienty tření – mnohem nižší než mechanická ložiska. Hlavním zdrojem tření je viskozita kapaliny nebo plynu. Vzhledem k tomu, že viskozita plynu je nižší než viskozita kapaliny, patří plynová statická ložiska mezi ložiska s nejnižším koeficientem tření. Čím nižší je však viskozita kapaliny, tím vyšší je únik, což vyžaduje dodatečné náklady na vstřikování kapaliny (nebo plynu) do ložiska. Tato ložiska také vyžadují těsnění a čím lepší těsnění, tím vyšší třecí síly.

• Při vysokém zatížení se vůle mezi plochami u hydraulických ložisek mění méně než u mechanických ložisek. „Tuhost ložiska“ lze chápat jako jednoduchou funkci průměrného tlaku kapaliny a plochy povrchu ložiska. V praxi, když je zatížení hřídele velké a vůle mezi ložiskovými plochami se zmenšuje, tlak kapaliny pod hřídelí se zvyšuje, odporová síla kapaliny velmi roste a tím je zachována vůle v ložisku.
  U málo zatížených ložisek, jako jsou ložiska v diskových pohonech, je však tuhost valivých ložisek řádově 10 7 MN / m , zatímco u hydraulických ložisek je ~10 6 MN/m. Z tohoto důvodu, aby se zvýšila tuhost, jsou některá hydraulická ložiska, zejména hydrostatická, navržena jako předepjatá.

• Hydraulická ložiska mají díky svému principu činnosti často značnou tlumicí schopnost.

• Hydraulická a pneumatická ložiska mají tendenci pracovat tišeji a vytvářet menší vibrace než valivá ložiska (díky rovnoměrnějšímu rozložení třecích sil ). Například pevné disky vyrobené s hydraulickými (pneumatickými) ložisky mají hlučnost ložiska/motoru 20-24 dB , což není o mnoho více než okolní hluk v uzavřené místnosti. Kotouče s valivými ložisky jsou minimálně o 4 dB hlučnější.

• Hydraulická ložiska jsou pro stejné zatížení levnější než běžná ložiska. Hydraulická a pneumatická ložiska mají poměrně jednoduchý design. Naproti tomu valivá ložiska obsahují válečky nebo kuličky, které mají složitý tvar a vyžadují vysokou přesnost výroby – je velmi obtížné vyrobit dokonale oblé a hladké valivé plochy. U mechanických ložisek při vysokých otáčkách dochází k deformaci povrchů vlivem odstředivé síly , zatímco hydraulická a pneumatická ložiska jsou samočinná proti malým odchylkám tvaru ložiskových částí.

Většina hydraulických a pneumatických ložisek také vyžaduje malou nebo žádnou údržbu . Navíc mají téměř neomezenou životnost. Konvenční valivá ložiska mají kratší životnost a vyžadují pravidelné mazání, kontrolu a výměnu.

• Hydrostatická a mnohá pneumatická ložiska jsou složitější a dražší než hydrodynamická ložiska kvůli přítomnosti čerpadla .

Nevýhody

• Kapalinová ložiska obvykle rozptylují více energie než kuličková ložiska.

• Ztráta energie v ložiskách, stejně jako tuhost a tlumicí vlastnosti, jsou velmi závislé na teplotě, což komplikuje konstrukci ložisek a jejich provoz v širokém teplotním rozsahu.

• Hydraulická a pneumatická ložiska se mohou v kritických situacích náhle zadřít nebo selhat. Kuličková ložiska často postupně selhávají, tento proces je doprovázen výskytem slyšitelného vnějšího hluku a vůle.

• Nevyváženost hřídele a dalších částí u hydraulických a pneumatických ložisek je větší než u kuličkových ložisek, což má za následek větší precesi , což vede ke snížení životnosti ložisek a špatnému výkonu. .

• Další nevýhodou hydraulických a pneumatických ložisek je únik kapaliny nebo plynu mimo ložisko; držení kapaliny nebo plynu uvnitř ložiska může být značný problém. Hydraulické a pneumatické ložiskové čepy jsou často instalovány dva nebo tři v řadě, aby se zabránilo úniku z jedné strany. Hydraulická ložiska využívající olej se nepoužívají v případech, kdy je únik oleje do okolí nepřijatelný, nebo kdy jejich údržba není ekonomicky únosná.

Aplikace hydrodynamických ložisek

Hydrodynamická ložiska jsou nejrozšířenější ve strojích kvůli jejich jednoduchosti konstrukce, ačkoli během období rozběhu a zastavení, při nízkých otáčkách, pracují za podmínek mezního mazání nebo dokonce "suchého" tření.

• Jedním z hlavních příkladů hydraulického režimu tření z každodenního života jsou ložiska klikového a vačkového hřídele spalovacího motoru, ve kterém se při jeho provozu neustále drží olejový klín v důsledku viskozity oleje a zvýšený tlak v mazacím systému. K hlavnímu opotřebení hřídele dochází v okamžiku spouštění motoru, kdy výkon čerpadla nestačí udržet olejový klín a tření se stává hraničním.
• V přesných moderních strojích pracujících při nízkém zatížení, zejména při broušení.
• Použití hydrodynamických kluzných ložisek místo valivých ložisek u pevných disků počítačů umožňuje regulovat rychlost otáčení vřeten v širokém rozsahu, snížit hlučnost a vliv vibrací na provoz zařízení, a tím zvýšit rychlost přenosu dat a zajištění bezpečnosti zaznamenaných informací a také vytváření kompaktnějších pevných disků .disků (0,8 palce). Existuje však řada nevýhod: vysoké ztráty třením a v důsledku toho snížená účinnost (0,95 ... 0,98); potřeba nepřetržitého mazání; nerovnoměrné opotřebení ložiska a čepu; použití drahých materiálů pro výrobu ložisek.
• V čerpadlech např. v oběhovém čerpadle reaktoru RBMK - 1000.
• Ve ventilátorech pro chlazení osobního počítače. Použití tohoto typu ložisek snižuje hluk a zlepšuje účinnost chladicího systému. I v počáteční fázi je hydrodynamické ložisko tišší než kluzné ložisko. Po určité době provozu neztrácí své akustické vlastnosti a nestává se hlučnější, na rozdíl od jiných ložisek.

Použití plynových dynamických ložisek

Plynová dynamická ložiska jsou široce používána v technologii plynových turbín a vysokorychlostních pneumatických turbostrojích. Jejich hlavní předností v této oblasti je odolnost v obtížných podmínkách bez nutnosti mazání, odolnost proti tepelným vlivům, absence vibrací a prakticky neomezená rychlost otáčení. „Vzduchová“ ložiska se používají v pomocných leteckých turbínách, výkonových [2] turbínových jednotkách, pneumatických lednicích klimatizačního systému letadel, které přijímají stlačený vzduch z motorů. Probíhají aktivní práce ve směru vytváření plynodynamických ložisek pro hlavní letecké motory s plynovou turbínou , slibující zvýšenou odolnost, odlehčení díky absenci olejového systému a úsporu paliva o 10 % díky eliminaci tření kapaliny [3] . Absence organického mazání a schopnost pracovat při kryogenních teplotách umožňují použití takových ložisek v turboexpandérech při výrobě zkapalněných plynů. Vznikla turbodmychadla s plyno-dynamickými ložisky pro přeplňování pístových spalovacích motorů . Absence mazacího oleje zjednodušuje konstrukci, snižuje hmotnost a zvyšuje spolehlivost této problematické [4] jednotky.

Na principu plynodynamického ložiska funguje dvojice „hlava-magnetický povrch“ pevného disku, ve kterém se při rotaci vytváří vzduchový klín ve zlomcích mikronu , čímž se eliminuje kontaktní tření a také pár „hlavy s rotující páskou“ videorekordéru .

Poznámky

1. ↑ http://foil-bearing.ru Archivní kopie ze dne 31. května 2022 na stránce Wayback Machine Page tuzemských vývojářů ložisek okvětních lístků
2. ↑ Vzduchová ložiska mikroturbíny . Získáno 22. dubna 2015. Archivováno z originálu 18. února 2015. (neurčitý)
3. ↑ MiTi – Fóliové ložisko – Bezolejové ložisko – Tribometr – Turbodmychadlo Archivováno 16. února 2015 na Wayback Machine
4. ↑ http://info.inodetal.ru/avtozapchasti/malenkie-xitrosti/pochemu-gonit-maslo-turbina/ Archivováno 24. dubna 2015 na Wayback Machine Proč turbína „pohání olej“? (o poruchách turbodmychadla automobilu)

Literatura

• Obráběcí stroje: Učebnice / V. E. Push, Moskva : Mashinostroyeniye , 1986.- 564 s.