Борьба за скорость - Ляпунов Борис Валерианович (читать книги полные TXT) 📗
Все это очень осложняет картину трения, затрудняет ее объяснение.
Смазка помогает бороться с трением, заменяя сухое трение жидкостным, уменьшая потери энергии.
Действие смазки в подшипнике скольжения.
Но есть и другой путь борьбы. Избавиться от трения скольжения и заменить его другим, во много раз меньшим — трением качения.
На вал плотно надето кольцо. Вместе с валом оно вращается. Другое кольцо, побольше диаметром, неподвижно. Между кольцами по канавкам катятся шарики или ролика. Вместо скольжения вала во втулке — качение шариков по канавкам. Это — подшипник качения. В нем скольжение заменено качением. И трение поэтому уменьшается.
Для разных машин разные бывают и подшипники. Есть шарикоподшипники весом в тонну и весом в доли грамма. Через внутреннее кольцо подшипника-гиганта проедет малолитражный автомобиль, а крошка-подшипник для приборов размером меньше блохи.
Есть подшипники для больших машин, выдерживающие большие нагрузки — в сотни тонн. Есть подшипники, которые переносят вибрации вала или сильные ударные нагрузки.
Подшипник качения (шариковый).
Изготовление подшипниковых шариков или роликов требует большой точности. Они должны быть абсолютно правильной формы и притом совершенно одинаковыми. Иначе подшипники не будут хорошо работать.
Но сделать идеально точный шарик очень трудно, почти невозможно. Еще труднее все шарики изготовить совершенно одинакового размера. Машины, которые их делают, — прессы, станки — не могут решить такую задачу. Неизбежны отклонения, хотя и очень малые.
Надо добиваться, чтобы форма шарика отклонялась от идеальной лишь на очень малую, строго определенную величину. Надо сделать и так, чтобы один шарик отличался от другого тоже не больше, чем можно допустить для хорошей работы подшипника.
Какой же может быть эта величина, этот допуск? Десятитысячные доли миллиметра. Такова здесь мера точности.
Растут обороты, больше становится центробежная сила — растет и нагрузка. Поэтому при большой скорости и самый маленький бугорок, малейшая неровность может стать причиной аварии.
При небольших скоростях подшипник только тогда отказывался служить, когда металл уставал, на что требовалось время. Прежней точности было достаточно раньше. Ее недостаточно теперь.
Технологи смогли обеспечить повышенную точность. Они изготовили отличный подшипник.
Установили его и включили машину. 1 000… 2 000… 5 000 оборотов в минуту… машина выходит из строя. Запах пригоревшего масла показывает, в чем дело. Перегрелся подшипник!
Нагрев при больших скоростях бывает так велик, что его не выдерживают и твердые, закаленные шарики. На их зеркально-гладкой поверхности, как и на кольцах — синеватые цвета побежалости. Твердый металл перестает быть твердым.
Что же произошло?
Раньше считали, что сила трения не зависит от числа оборотов.
Исследования показали, что это не так. Лишь при небольшой скорости трение остается примерно постоянным. Затем оно начинает расти— и тем быстрее, чем больше обороты.
Но чем сильнее трение, тем больше выделяется тепла. Нагрев со скоростью растет, а охлаждение ухудшается.
Шарики, катясь по канавке, касаются ее лишь в точке, вернее в крохотной площадке, да и то на очень короткое время. Коснулась площадочка канавки, и до следующего прикосновения она «отдыхает», охлаждается. Тепло успевает рассеяться, площадка — остыть. В конце концов даже такой переменный нагрев приводит к тому, что шарики могут треснуть. Впрочем, при малых и средних скоростях это случается не скоро.
Скорости возросли, резко увеличился нагрев, перерывы в нагреве настолько малы, что шарик не успевает охлаждаться. Все больше и больше накапливается тепла, и твердый металла «размягчается», отказывается нормально работать.
Чтобы усилить отвод тепла от подшипника, смазку подают к нему под давлением, стараются прогнать через него больше смазки, уносящей тепло. В газотурбинных авиационных двигателях, например, где скорости вращения доходят до 15–18 тысяч оборотов в минуту, масло прогоняется через подшипники под давлением до 7–8 атмосфер.
Вообще со смазкой пришлось повозиться инженерам немало. Так, однажды изготовили шпиндель, все учли и проверили, еще раз проверили и запустили станок. Сначала все шло хорошо — обороты растут, смазка происходит нормально.
Прибавили обороты — смазка ухудшилась, станок едва не вышел совсем из строя. И так каждый раз: еще не достигли и половины нужных оборотов, а дальше идти нельзя.
Решили, что смазка, видимо, теряет вязкость, и масляная пленка, эта защита от «сухого» трения, не выдерживает, рвется. Взяли смазку повязче — обороты прибавились.
Все же долгой бесперебойной работы добиться не могли. Смазка сильно нагревалась. Позаботились об искусственном охлаждении подшипника.
Задумались над тем, как подавать смазку. Оказалось, что лучше ее подавать каплями. Всего одна-две капли в минуту — и быстроходный шпиндель работает нормально.
Устроили специальный разбрызгиватель, чтобы подавать масло мелко распыленным. Кроме того, на помощь призвали сам подшипник. Вращаясь, он засасывает масло, а воздух, вихрями кружась вокруг, выбрасывает смазку из подшипника. Подшипник сам перекачивает масло из одного маленького бачка в другой. Остается соединить их трубкой — и маслосистема готова.
Тем не менее подшипник не гарантирован от неприятностей, если обороты очень велики. И инженеры ищут способы улучшить его конструкцию.
Слабое место шарикоподшипника — сепаратор. Это тонкое кольцо с гнездами для шариков, которые не дают им «рассыпаться» как попало между верхним и нижним кольцами подшипника.
Разрез мощной советской паровой турбины высокого давления.
Шарики истирают гнезда сепаратора — и в конце концов он разрушается. Неизбежна авария. Конечно, в этом виноват не один сепаратор: тут и нагрев, и порча трущихся поверхностей, которые начинают «шелушиться». Но все же главное зло в сепараторе, и на него пришлось обратить особое внимание.
Подобрали материал, на который можно положиться. Часто применяют теперь пластмассу — текстолит — и легкие сплавы. Укрепляя слабое место подшипника, отказались от штамповки и от клепки — начали сепаратор делать цельным, гнезда сверлить и отделывать с предельной тщательностью.
С другой стороны, попробовали подшипник еще упростить.
В некоторых образцах избавились от сепаратора. Попытались отказаться от внутреннего кольца. Вместо него на валу сделали желобки, в которых и катятся шарики. Эти подшипники применяются в шпинделях, где скорость вращения доходит до сотни тысяч оборотов в минуту.
Таким путем приспосабливали подшипники качения для работы при больших скоростях.
И в простых и в сложных машинах можно встретить другой подшипник — подшипник скольжения, который должен работать при малых и при больших нагрузках, при низких и высоких скоростях.
Нагрев — враг и этого подшипника.
Высокоскоростные шарикоподшипники.
Исчерпаны ли все средства борьбы с врагом подшипника — перегревом? Нет. К такому выводу пришел советский ученый профессор А. К. Дьячков. Он нашел новый путь для того, чтобы продлить жизнь подшипника скольжения, отодвинуть предел скорости, когда нагрев не позволяет подшипнику работать.
Нам нетрудно понять, что это значит для техники больших скоростей.
Во многих машинах нагрев получается гораздо более сильным, чем может выдержать шарикоподшипник. Не только потому, что растут обороты, нагрузки, растет трение, нагревается вязкая смазка. Многие скоростные машины работают при высоких температурах.
