Шарикопідшипники, Двигун прогресу
Шарикопідшипники серед нас.
Усім відомо про підшипники. Ця деталь застосовується настільки широко, що стала абсолютно повсякденною. Підшипники виробляють мільйонами штук, але ми, звикнувши до них, зовсім не замислюємося настільки це складна і по-справжньому неймовірна річ.
У будь-якому складному механічному пристрої, від скейтборду до трактора, є підшипники. Вони забезпечують легке обертання деталей, при цьому підшипник виступає у вигляді прокладки між, наприклад, колінчастим валом і блоком двигуна.
Влаштування шарикопідшипника
З чого складається звичайний шарикопідшипник?
Звичайний шарикопідшипник у розрізі.
Це два кільця різного діаметра. На внутрішній стороні зовнішнього та на зовнішній стороні внутрішнього кільця проточені шляхи – жолобки. У зазор між кільцями поміщаються кілька кульок або роликів, що забезпечують прослизання кілець. Вони називаються тілами кочення. Кульки кріпляться в підшипнику за допомогою сепаратора, він фіксує кульки на своїх місцях, не даючи їм скочуватися в купу. Існують підшипники без сепаратора, там немає зазорів між тілами кочення, вони впираються одне в інше, створюючи цільне кільце. Але такі системи менш зносостійкі та можуть працювати лише на низьких швидкостях. Самі тіла кочення робляться з різних сплавів сталі, що мають високу міцність.
Існуєдва основних типи підшипників –кулькові та роликові. Неважко здогадатися, що у другому типі замість кульок використовуються невеликі металеві циліндри. Такі підшипники міцніші і витримують більші навантаження за рахунок більшої площі зіткнення.
Винахід підшипників приписуютьФіліппу Воану (Philip Vaughan), ковалюз Уельсу. Саме він у 1794 році першим запатентував конструкцію класичного підшипника. Однак за іншими даними сепаратор підшипника був винайдений ще в середині 1700-х років Джоном Харрісоном (John Harrison).
З того часу було винайдено безліч типів цього вузла. Качення, ковзання, геостатичні, гідростатичні, гідродинамічні та навіть магнітні підшипники. Останні сильно відрізняються від своїх прадідусів і навіть найближчих родичів, проте всі вони забезпечують стабільну роботу вузлів і механізмів, що обертаються, вже багато років.
Виробники підшипників
Найбільшою компанією у світі, що виробляє підшипники, на сьогоднішній момент вважаєтьсяшведська компанія SKF.
У 1905 році шведський інженер Свен Вінгкуїст працював на текстильному заводі Gamlesstadens Fabriker, розташованому на західному узбережжі Швейцарії, зголосився вирішити одну з основних проблем виробництва. Оскільки всі верстати заводу працювали на паровому двигуні, потрібно було якось "доносити" момент, що крутить, від турбіни до верстатів, розташованих на значному віддаленні від нього. Зазвичай практикою було запитувати верстати центрального валу, що проходить від моторного залу, через всі цехи. саме до нього, через пасову передачу підключалися всі ткацькі верстати. Проблема полягала в тому, що шарикопідшипники, встановлені на валу, постійно виходили з ладу, не витримуючи навантажень.
Свен зголосився розробити новий тип підшипників, які більше підходили під ці умови роботи. Начальство дало добро і через рік Свен створив новий тип підшипників - самовстановлюваний шарикопідшипні до.
А в 1907 році була створена компанія Svenska Kullagerfabriken (SKF) – перша в Швейцарії компанія, що виготовляє шарикопідшипники.Саме SKF належать численні винаходи у цій сфері. Талановиті інженери всерйоз зайнялися розробками і через кілька років SKF, з дочірнього підприємства ткацької фабрики, перетворилося на велику компанію з філіями та представництвами у Німеччині, Франції, Фінляндії, Швейцарії, Бельгії, Австрії та Австралії, США та багатьох інших.
У 1918 році був винайдений новий тип підшипників для використання на залізниці. Їх назвали сферичними роликовими підшипниками.
Сферичний роликопідшипник у розрізі – добре видно особливості конструкції жолобків та роликів. Збільшити.
Особливість цього типу пристроїв у тому, що внутрішнє кільце разом у обоймі роликів можемо повертатися на значні кути в процесі експлуатації. За кордоном цей тип називається CARB bearing. Також можливі незначні виходи центрального кільця із площини підшипника. Це особливо важливо, коли потрібно забезпечувати безперебійну роботу вузла під великими навантаженнями, а також впливом температурного розширення та вібрацій. У ньому використовуються бочкоподібні ролики та широкі жолобки на кільцях.
CARB підшипник та сам вітрогенератор 5М
Наприклад один із найзнаменитіших CARB-підшипників використовується у найбільшому у світі вітрогенераторі 5M.
Гігантський підшипник CARB, що використовується в суднобудуванні.
Типи підшипників
Крім підшипників кочення, про які йшлося вище, також існують підшипники ковзання, набагато простіші у виготовленні та експлуатації, але є неремонтопридатними. Найпростіший підшипник ковзання також складається із зовнішнього та внутрішнього кілець. У внутрішнє кільце вставляється вал. Але між ними знаходяться не кульки, а мастило, якеповинна безперервно подаватися у вузол, змащуючи поверхні, що труться.
Сферичний підшипник ковзання
Цей тип підшипників дешевше, але менш довговічний. Однак він широко застосовується в двигунобудуванні – переважна більшість колінчастих валів ДВЗ спираються на підшипники ковзання. Причому там підшипники спрощені – колінчастий вал служить внутрішнім тілом ковзання, безпосередньо упираючись на зовнішнє кільце, що складається із двох половинок – вкладишів. Подібне спрощення іноді робиться і щодо шарикопідшипників – коли канавки для тіл кочення робляться прямо на валу.
Підшипники ковзання витримують великі навантаження, температуру та високі обороти. Невелика кількість деталей забезпечує більшу точність. Саме тому їх використовують у двигунах жорстких дисків, де потрібна каліграфічна точність позиціонування головок, що зчитують.
Всі підшипники, незалежно від їх типу, необхідно змащувати в процесі роботи. Для оптимальної роботи під час всього терміну служби до підшипника необхідно постійно перебувати в мастилі. Із цієї ситуації є два виходи – або зробити закритий підшипник, уже змащений на заводі, або зробити так, щоб до нього постійно підводилося мастило.
Підшипники закритого типу, зі змащенням закладеним на заводі. У цьому випадку ще й водонепроникні.
Найпередовішими в цьому плані вважаються пористі підшипники, що самозмазуються. Вони виготовляються шляхом порошкового напилення. При нагріванні під час роботи такий підшипник починає виділяти мастило, яке розширюючись виходить назовні. При охолодженні мастило йде назад у пори.
Для мастила застосовуються в основному класичні мастила типу машинного масла чи інші з урахуванням нафтопродуктів. Також виділяють пластичне мастило,виготовлену на основі літієвого мила, тверду, в ній використовують графіт, дисульфід молібдену та ін. А також газоподібну, у ролі якої виступають різні інертні гази.
Крім свого безпосереднього завдання мастило не дає підшипникам іржавіти, а отже підвищується термін служби. Але, незважаючи на це, в деяких областях механіки потрібна відсутність мастила або підвищена корозійна стійкість. У разі застосовуються пластикові чи керамічні підшипники.
Зверху – керамічні підшипники, знизу – пластикові.
Магнітні підшипники
Існує ще один абсолютно окремий вид підшипників - магнітні підшипники.
Ротор та магнітні підшипники
Принцип дії магнітних підшипників ґрунтується на ефекті левітації в магнітному полі. Найпопулярнішим типом магнітних підшипників є активні магнітні підшипники (АМП). Вал у таких підшипниках у буквальному значенні слова висить у потужному магнітному полі. Система датчиків постійно відстежує положення валу, і подає сигнали на позиційні статори магніти, коригуючи силу тяжіння з тієї чи іншої сторони.
Безперечною перевагою магнітних підшипників є повна відсутність поверхонь, що труться, а отже зносу, тертя, а головна відсутність вильоту з робочої зони частинок, що утворюються в процесі роботи звичайних підшипників.
На цій фотографії добре видно обмотки. Поруч лежить внутрішнє кільце - воно не кріпиться на корпус.
Цей вид підшипників використовується для надточних та надчистих виробництв. Наприклад, у турбомолекулярних насосах, що використовуються для створення вакууму.
Незважаючи на всі переваги АПМ, вони мають дуже велику ваду – вони енергозалежні. Цесильно дорожчає всю конструкцію, а також збільшує ймовірність виходу підшипника з ладу.
Тому провідними компаніями активно ведуться розробки магнітних підшипників заснованих на потужних постійних магнітах, наприклад, на основі сплаву NdFeB (неодим-жедезо-бор).
Якщо освоїти масове виробництво таких підшипників, це викличе революцію у світі механіки.