Борьба за скорость - Ляпунов Борис Валерианович (читать книги полные TXT) 📗
Трение растет со скоростью. И даже в жидкости оно будет таким значительным, что подшипник работать не сможет — сгорит.
Можно ли все же найти смазку с малой вязкостью, которая не нагревалась бы так, как масло, служила бы дольше, чем вода?
Да. Это совершенно другая смазка. Газовая. Воздушная — в первую очередь.
Я видел такой опыт.
Ротор и корпус центрифуги — аппарата для очистки жидкостей — включили в электрическую цепь. Жидкость подводится в центрифугу по трубке и впрыскивается в ротор, похожий на шпиндель сверлильного станка. Когда ротор вращается, жидкость центробежной силой расплескивается по стенкам и облегает их тонким слоем. Осадок из примесей отлагается на стенках и удаляется, а очищенная жидкость проходит через ротор и выплескивается наружу. Так все время проходит жидкость через это «чистилище», вращающееся с бешеной скоростью — 20 тысяч оборотов в минуту. Есть центрифуги и на 150 тысяч оборотов.
Ротор в верхней части соединен передачей с электромотором, а нижней, «пятой», упирается в подпятник — чашечку, в которую он входит, как пестик в ступку. Между пятой и подпятником — крошечный зазор.
Нет вращения, и под собственной тяжестью ротор слегка провисает, упирается в подпятник, замыкает электрическую цепь. В цепи появляется ток.
Включили двигатель, ротор начал набирать обороты, и через несколько секунд прибор показал, что цепь разорвана. Тока нет!
Это значит — появился воздушный промежуток, воздушная «подушка» между пятой и подпятником, и ротор «всплыл» в воздухе, как пробка в воде.
Тончайший слой воздуха разделяет теперь трущиеся поверхности. На ярком свету можно даже увидеть эту прослойку из воздуха, но в том, что она существует, нас наглядно убеждает и стрелка гальванометра, упорно стоящая на нуле.
Выключен двигатель, и обороты падают. Тока все еще нет. Постепенно уменьшается толщина воздушного слоя. Все медленнее вращается ротор. 600 оборотов в минуту… 500… 400… И только тогда начинает рваться слой смазки. Пята касается подпятника. Стрелка уходит от нуля. Цепь снова замкнута. И наконец ротор останавливается.
Инженерам пришлось остановиться на числе оборотов 21 тысяча в минуту не потому, что не выдерживал подшипник. Не выдерживала ременная передача от мотора к ротору — перетирался ремень.
А подшипник с газовой смазкой может безотказно работать при сколь угодно большом числе оборотов.
— Валы на опорах с воздушной смазкой могут вращаться с неограниченной скоростью, — говорит советский ученый С. А. Шейнберг, который разработал теорию и конструкцию таких опор — подшипников с газовой смазкой.
Подшипники с воздушной смазкой появились в последние годы и за рубежом. Но конструкторы решали задачу их смазки сложным путем — применяя сжатый воздух. Воздух принуждали идти в подшипник под давлением. Значит, нужен источник питания сжатым воздухом, а это усложняет конструкцию. Значит, работа всей машины зависит от бесперебойной подачи сжатого воздуха.
Суперцентрифуга.
Иной путь, простой и оригинальный, нашел советский ученый. Не нужно подавать воздух в подшипник. Не нужен сжатый воздух, и отпадает все, что с ним связано, — усложнение машины, ненадежность работы.
Подшипник может сам питать себя воздушной смазкой.
Нет вращения, и вал — «шип» — лежит в подшипнике, касаясь его. В зазоре между ними воздух. Но зазор этот не сплошной, не кольцевой — пока шип лежит в подшипнике.
Вал начинает вращаться. Он захватывает воздух, увлекает его за собой, гонит в узкую часть зазора, туда, где вал касается подшипникового кольца.
Растут обороты, и все сильнее вгоняет вал «под себя» воздух. При 400–500 оборотах в минуту воздух уже настолько собрался с силами, настолько сильно давит там, что вал не выдерживает. Он приподнимается и продолжает вращаться, уже не касаясь подшипника. Упругая воздушная подушка не дает ему опуститься. Вал «всплывает» в воздухе.
Теперь вместо трения шипа о подшипник есть только трение воздуха о воздух, одного воздушного слоя по другому. А это трение ничтожно — ведь вязкость воздуха очень мала — в 100 раз меньше, чем, например, у керосина. Поэтому малы и потери на трение. Поэтому и мал нагрев — этот главный бич подшипника на больших скоростях. Всего на 1,5–2 градуса повышается температура при воздушной смазке.
И так как вал сам увлекает воздух в смазочный зазор, не нужно заботиться о питании подшипника смазкой. Появляется воздушная подушка — и дальше все идет само собою, «как по маслу».
Подшипник, который сам себя смазывает, — это самый простой из всех подшипников.
Кстати, есть и подшипники с масляной смазкой, которые сами себя смазывают.
Такие подшипники создала порошковая металлургия.
Спрессованный под давлением подшипник из железа и графита получается не сплошным, а пористым, подобно губке. Как губка впитывает воду, так и пористый подшипник впитывает своими микроскопическими порами масло. При работе оно постепенно выдавливается из этих крохотных «масленок» и смазывает подшипник.
Но долго работать без смазки пористый подшипник не может. Как выжатую губку, его нужно снова наполнить. И остается главное — масло, нагревание и все связанные с ними беды. Для очень больших скоростей пористый подшипник не годится.
Воздушная смазка выводит нас из тупика, куда заводят большие скорости. Она оправдала себя в работе. И сейчас советские заводы выпускают быстроходные машины с подшипниками на воздушной смазке. Таковы, например, суперцентрифуги на 21 тысячу оборотов.
Подпятник с воздушной смазкой (разобран).
Там, где отказывает обычный подшипник, ему на смену приходит новый, простой и надежный, с воздушной смазкой, который отлично работает при сверхвысоких скоростях. Надо отметить, что применять его можно пока лишь там, где невелики нагрузки.
Прежде чем создать такой подшипник, пришлось немало поработать. Ведь то, что мы рассказали о нем, — это идея, принцип, а от идеи до конструкции — путь далекий. Теория и опыт, расчеты и испытания, поиски наилучшего решения — таков этот путь.
Нужно было узнать, когда и как возникает воздушная подушка, как работает с ней подшипник, не мешает ли ему трение металла о металл.
Нужно было воплотить идею воздушной смазки в реальную конструкцию, с учетом всего, что говорили теория и опыт.
Чтобы появилась воздушная подушка, нужен зазор. Величина его должна быть переменной. Она должна меняться — там, куда вал увлекает за собой воздух, быть меньше. Только тогда, вгоняя воздух в суженный зазор, и можно его сжать, уплотнить, создать упругую подушку. Только тогда и может вал отделиться от опоры и повиснуть в воздухе.
Хорошо, если подшипник цилиндрический.
Там это условие выполняется само собою.
Когда вал не вращается, он касается цилиндра, и зазор при взгляде на него «в профиль» имеет форму серпа. Вал начнет вращаться, он погонит воздух в узкий конец «серпа». Появится воздушная подушка. И вал приподнимает сам себя — «всплывает».
А если подшипник другой формы? Например, как у подпятника в центрифуге? Нужно было создать такую конструкцию опоры, чтобы выполнялось основное условие воздушной смазки — зазор переменной толщины.
С. А. Шейнберг сделал так.
На круглой металлической пластинке — колодке — он расположил по радиусам ребра. Эти ребра, возвышаясь над ней, не дают верхней тонкой пластинке плотно прилегать к колодке. Затем он соединил их винтами. Там, где ребер нет, пластинки сошлись вплотную. Там, где есть ребра, они не могли сойтись. В результате верхняя пластинка изогнулась, на ней образовались волны.
Появились волны, появился зазор переменной толщины — то, что было нужно.
Когда пята будет вместе с ротором вращаться, она загонит воздух в этот зазор, сожмет его — и возникнет воздушная прослойка. Всего несколько тысячных долей миллиметра отделяет пяту от подпятника, но этого достаточно, чтобы весь ротор вращался в воздухе и трение почти исчезло.
