Подшипник скольжения

Подшипник скольжения — это опора или направляющая механизма, в которой трение возникает при скольжении сопряжённых поверхностей (цапфы вала и вкладыша подшипника) по слою смазочного материала. В отличие от подшипника качения, где трение качения обеспечивается телами качения (шариками, роликами), в подшипнике скольжения рабочие поверхности разделены тонким слоем смазки, что позволяет воспринимать значительные радиальные и осевые нагрузки, гасить вибрации и работать при высоких скоростях вращения.

История

Принцип скольжения используется в опорах вращения с древнейших времён. Первые прототипы подшипников скольжения — деревянные втулки, в которые вставлялись оси колёс повозок, — известны со времён неолита. В Древнем Египте и Месопотамии для снижения трения применяли растительные масла и животные жиры.

В эпоху промышленной революции (XVIII—XIX века) подшипники скольжения стали ключевым элементом паровых машин, водяных насосов и текстильных станков. В 1839 году американский изобретатель Айзек Баббит запатентовал антифрикционный сплав на основе олова, сурьмы и меди (баббит), который до сих пор используется для заливки вкладышей. В XX веке развитие получили гидродинамическая и гидростатическая теория смазки, что позволило создавать подшипники для турбин, двигателей внутреннего сгорания и прокатных станов. В СССР и России значительный вклад в теорию и практику подшипников скольжения внесли учёные Н. П. Петров (основоположник гидродинамической теории смазки), О. Рейнольдс, М. В. Коровчинский.

Классификация

Подшипники скольжения классифицируются по нескольким признакам.

По направлению воспринимаемой нагрузки

• Радиальные — воспринимают нагрузку, направленную перпендикулярно оси вращения вала (наиболее распространённый тип).
• Упорные (осевые) — воспринимают нагрузку вдоль оси вала (например, подпятники гребных валов).
• Радиально-упорные — воспринимают комбинированную нагрузку.

По режиму смазки

• Граничная смазка — смазочный слой частично разрушен, поверхности контактируют через плёнку адсорбированных молекул. Применяется в тихоходных и малонагруженных узлах (например, в бытовых вентиляторах).
• Гидродинамическая смазка — смазочный слой создаётся за счёт относительного движения поверхностей, которое втягивает масло в сужающийся зазор. Характерна для высокоскоростных валов (коленчатые валы двигателей, турбины).
• Гидростатическая смазка — смазка подаётся под давлением от внешнего насоса. Обеспечивает жидкостное трение даже при нулевой скорости вращения, но требует сложной системы подачи масла. Используется в тяжёлых станках и астрономических телескопах.
• Эластогидродинамическая смазка — учитывает упругую деформацию поверхностей при высоких контактных нагрузках (например, в зубчатых передачах и подшипниках качения, но также встречается в некоторых подшипниках скольжения).

По материалу вкладыша

• Металлические (баббит, бронза, латунь, чугун, сталь).
• Неметаллические (пластмассы — капрон, фторопласт, полиамид; резина; графит; керамика; древесно-слоистые пластики).
• Металлокерамические (пористые бронзографитовые втулки, пропитанные маслом — самосмазывающиеся подшипники).

По конструкции

• Неразъёмные (втулки, гильзы) — цилиндрическая втулка, запрессованная в корпус.
• Разъёмные — состоят из двух половин (вкладышей), что облегчает монтаж и замену. Применяются в крупных машинах (двигатели, компрессоры).
• Самоустанавливающиеся — имеют сферическую опорную поверхность, позволяющую компенсировать перекосы вала.
• Сегментные — рабочие поверхности разделены на несколько сегментов (подушек), способных поворачиваться. Используются в гидрогенераторах и турбинах.

Устройство и принцип работы

Основные элементы подшипника скольжения:

• Корпус — неподвижная часть, воспринимающая нагрузку и передающая её на фундамент или раму.
• Вкладыш (втулка) — сменный элемент, непосредственно контактирующий с валом. Изготавливается из антифрикционного материала.
• Смазочная система — канавки, отверстия, маслёнки, насосы для подачи смазки.
• Уплотнения — предотвращают вытекание смазки и попадание загрязнений.

Принцип работы гидродинамического подшипника основан на эффекте клинового зазора. При вращении вала масло, обладающее вязкостью, увлекается в сужающийся зазор между валом и вкладышем. В результате в масляном слое возникает гидродинамическое давление, которое приподнимает вал и отделяет его от поверхности вкладыша. При определённой скорости вращения (критической) вал «всплывает» на масляной плёнке, и трение становится чисто жидкостным — коэффициент трения составляет 0,001–0,01.

Применение

Подшипники скольжения применяются в широком спектре машин и механизмов, где подшипники качения неэффективны или невозможны:

• Двигатели внутреннего сгорания — коренные и шатунные шейки коленчатого вала, поршневой палец.
• Турбины — паровые, газовые, гидравлические (опоры роторов).
• Компрессоры и насосы — особенно высокого давления.
• Прокатные станы — рабочие и опорные валки.
• Железнодорожный транспорт — буксы колёсных пар (в СССР и России до 1970-х годов широко использовались подшипники скольжения, затем заменены на роликовые).
• Судостроение — гребные валы, рулевые устройства.
• Станкостроение — шпиндели высокоточных станков (например, токарных, шлифовальных).
• Бытовая техника — электродвигатели, вентиляторы, стиральные машины (втулки из пористых материалов).
• Авиация — опоры роторов газотурбинных двигателей, где требуется высокая надёжность при больших перепадах температур.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая несущая способность при малых габаритах.
• Работа при очень высоких частотах вращения (до десятков тысяч оборотов в минуту).
• Устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам.
• Малый уровень шума (отсутствие тел качения).
• Возможность работы в агрессивных средах (при использовании специальных материалов).
• Долговечность при правильной эксплуатации (срок службы может достигать десятков лет).
• Простота конструкции и ремонтопригодность (замена вкладыша).

Недостатки

• Повышенные потери на трение при пуске и остановке (в момент граничной смазки).
• Необходимость в надёжной системе смазки и охлаждения.
• Чувствительность к загрязнениям смазочного материала.
• Более высокие требования к точности изготовления и сборки.
• Сравнительно большие осевые габариты (для упорных подшипников).
• Ограниченная работоспособность при малых скоростях вращения (гидродинамический режим не устанавливается).

Интересные факты

• Самый большой в мире подшипник скольжения (диаметром около 10 метров) установлен в гидрогенераторе Красноярской ГЭС.
• В подшипниках скольжения атомных ледоколов и подводных лодок используется водяная смазка (вода подаётся под давлением), что исключает загрязнение окружающей среды маслом.
• Баббит, изобретённый в 1839 году, до сих пор остаётся одним из лучших материалов для заливки вкладышей крупных машин (паровые турбины, дизели).
• В некоторых конструкциях подшипников скольжения применяют магнитную смазку (феррожидкость), которая удерживается в зазоре магнитным полем.
• В СССР в 1950-х годах были разработаны самосмазывающиеся подшипники на основе графита и фторопласта, которые не требуют подачи масла в течение всего срока службы.

Источники

• Орлов П. И. Основы конструирования: Справочно-методическое пособие. — М.: Машиностроение, 1988.
• Чернавский С. А. Подшипники скольжения. — М.: Машгиз, 1963.
• Биргер И. А., Шорр Б. Ф., Иосилевич Г. Б. Расчёт на прочность деталей машин. — М.: Машиностроение, 1993.
• ГОСТ 27674-88 «Подшипники скольжения. Термины и определения».
• Хейфец М. Л. Теория смазки и подшипники скольжения. — М.: Наука, 1975.