Лекция 8. Подшипники без трения. Работа механизмов без отказов и остановок

Цель лекции: Изучить принцип действия подшипников без трения.

Ключевые слова: подшипники без трения.

Подшипники без трения. При перемещении одного тела по поверхности другого возникает сила трения (F), препятствующая движению. Трение является следствием ряда причин, среди которых можно назвать две главные. Поверхности любых тел всегда имеют неровности, шероховатость. Во-первых, при движении одного тела по поверхности другого неровности обоих тел цепляются друг за друга. И, во-вторых, трущиеся тела так близко соприкасаются, что на их движение оказывает влияние молекулярное сцепление - взаимодействие молекул материала этих тел.

Еще Кулон установил, что сила трения при взаимном движении двух тел, выполненных из конкретных материалов, пропорциональна нормальному (перпендикулярному к трущимся поверхностям) давлению N:

где f - коэффициент трения, определяемый свойствами материала трущихся поверхностей, наличием и свойствами их смазки.

Очевидно, что чем меньше значение f, тем меньше сила трения, тем меньше потерь энергии будет при перемещении одного тела по поверхности другого. А это очень важно для практики. Ведь сила трения вызывает энергию потерь, которая в основном затрачивается на нагрев трущихся поверхностей, а также (в меньшей мере) на механическую энергию срезания и смятия неровностей, что вызывает износ трущихся поверхностей. Отвод тепла из зоны соприкосновения (трения) трущихся поверхностей, равно как и их износ во время работы механизма - вечные и сложные технические проблемы. Поэтому конструкторы, технологи, изобретатели стремятся сделать коэффициент трения как можно меньшим (f-> min —> 0).

Процесс эволюционного развития опор движущихся (вращающихся) стальных валов является убедительной иллюстрацией стремления многих поколений изобретателей и инженеров к идеальному техническому решению (f —> 0).

Самый древний из радиальных подшипников - это "подшипник", в котором ось машины (телеги) вращалась в отверстии из дерева (вяза, дуба и т.п.). Коэффициент трения скольжения для пары "сталь-дерево" составляет порядка f = 0,2-0,25. Следующий тип - это подшипник, стальной вал которого вращается в бронзовой втулке. Здесь значение f намного меньше предыдущего и составляет порядка 0,02 - 0,08. Такие подшипники используются и по сей день: их можно встретить на колесах железнодорожных вагонов, на валах тяжелых поршневых компрессов. Правда, все они смазываются специальными маслами, за счет чего значение f у них значительно снижается по сравнению с сухим трением. Следующие два типа подшипников являются более экономичными, имеют меньшие потери на трение, поскольку у них другой вид трения - трение качения. Роликовые подшипники имеют коэффициент трения качения 0, 0025 - 0,01, шариковые подшипники - f = 0,001 - 0,004.

Во второй половине нашего века были изобретены опоры для валов, имеющих большое число оборотов (50-100 тысяч в минуту), на так называемой воздушной подвеске. Ее смысл состоит в том, что в зону (в зазор) возможного соприкосновения вала машины и неподвижной опоры под большим давлением из ряда отверстий, расположенных по периметру опоры, подается сжатый воздух. Это вызывает зависание вращающегося вала в струе воздуха и колоссальное снижение потерь на трение (f < 0,0001).

В последние десятилетия стали применять "подшипники", использующие эффект магнитной подвески. С этой целью вокруг вала машины располагают симметричный ряд электромагнитов, магнитное поле которых и удерживает вал машины в воздушном зазоре такого "подшипника". Эта конструкция имеет еще меньшее значение f, чем предыдущая, поскольку воздух в воздушном зазоре имеет нормальное давление.

Контрольные вопросы:

1. Принцип действия подшипников без трения.