Подшипники скольжения представляют собой опорные узлы, в которых трение возникает при непосредственном скольжении сопряженных поверхностей вала и неподвижного вкладыша. В отличие от подшипников качения с телами качения, эти конструкции работают за счет создания масляного клина между трущимися деталями. Такие опоры незаменимы в высоконагруженных узлах турбин, компрессоров и двигателей внутреннего сгорания, где требуется выдерживать значительные нагрузки при высоких скоростях вращения до 300 000 оборотов в минуту.
Что такое подшипник скольжения и его назначение
Подшипник скольжения — это опора или направляющая для вращающихся и подвижных деталей машин, работающая на принципе трения скольжения. Основная задача такого узла заключается в поддержании вала с заданной жесткостью, фиксации его положения в пространстве и обеспечении свободного вращения с минимальным сопротивлением. При этом подшипник воспринимает радиальные или осевые нагрузки и передает их на корпус оборудования.
Конструктивно подшипник скольжения состоит из корпуса с цилиндрическим отверстием, внутрь которого устанавливается вкладыш или втулка из антифрикционного материала. Между валом и внутренней поверхностью вкладыша предусмотрен зазор величиной от нескольких микрометров до долей миллиметра, который заполняется смазочным материалом. Именно смазка обеспечивает разделение трущихся поверхностей и создает условия для плавного вращения.
Важная особенность: в режиме установившегося вращения при достаточной скорости вал буквально «всплывает» на масляной пленке и не касается вкладыша, что обеспечивает минимальный износ деталей и высокую долговечность узла.
Устройство подшипника скольжения
Основные конструктивные элементы
Радиальный подшипник скольжения включает несколько ключевых компонентов. Корпус подшипника выполняется из прочных материалов — стали или чугуна — и служит основой для установки рабочих элементов. Внутри корпуса размещается вкладыш или втулка, изготовленная из антифрикционного материала с низким коэффициентом трения. Вкладыши могут быть цельными или разъемными из двух половин, что упрощает монтаж на коленчатые валы и другие узлы.
Система смазки представляет собой масляные каналы и карманы, через которые смазочный материал подводится в зону трения. В зависимости от конструкции смазка может подаваться самотеком, под давлением от насоса или за счет системы самосмазывания с пористыми вкладышами, пропитанными маслом. Зазор между валом и вкладышем — критически важный параметр, который обычно составляет 20–100 микрометров и рассчитывается исходя из диаметра вала, скорости вращения и вязкости масла.
Особенности разъемных конструкций
Разъемные подшипники скольжения состоят из верхней и нижней половин корпуса, соединяемых болтами. Такая конструкция позволяет устанавливать подшипник на вал без его разборки, что особенно важно для коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания. Вкладыши в разъемных подшипниках фиксируются от проворачивания с помощью усиков или штифтов, а между половинами корпуса устанавливаются регулировочные прокладки для компенсации износа.
Принцип работы и теория масляного клина
Работа подшипника скольжения основана на гидродинамической теории смазки, разработанной русским ученым Николаем Петровым. При неподвижном вале под действием нагрузки шейка вала опускается вниз и контактирует с нижней частью вкладыша в режиме граничного трения. Когда вал начинает вращаться, он увлекает за собой слои масла благодаря адгезии и вязкости смазочного материала.
По мере увеличения скорости вращения вал смещается от центра подшипника, создавая клиновидный зазор. В сужающейся части этого клина масло подвергается сжатию, что приводит к резкому повышению гидродинамического давления. Максимальное давление в масляном клине может достигать 3–5 МПа и более в зависимости от нагрузки. Под действием этого давления вал «всплывает» и занимает эксцентричное положение, при котором минимальная толщина масляной пленки составляет всего 15–25 микрометров.
Режимы трения в подшипнике: граничный режим возникает при пуске и остановке, когда поверхности разделены тончайшей пленкой толщиной около 0,1 мкм; полужидкостный режим наблюдается при разгоне, когда касание происходит только микронеровностями; жидкостный режим обеспечивает полное разделение поверхностей масляным слоем без износа.
Условия устойчивой работы
Для формирования устойчивого масляного клина необходимо соблюдение нескольких условий. Вязкость масла должна быть достаточной для создания несущего слоя — обычно применяют масла с вязкостью 100–150 сантистоков при рабочей температуре. Скорость вращения вала должна превышать критическое значение, при котором начинается переход к жидкостному трению. Непрерывная подача свежего масла необходима не только для смазки, но и для отвода тепла, выделяющегося при трении.
Материалы для вкладышей подшипников
Баббиты — классические антифрикционные сплавы
Баббит представляет собой мягкий антифрикционный сплав на основе олова или свинца с добавками меди и сурьмы. Этот материал изобрел американец Исаак Баббит в 1839 году, и с тех пор его имя стало нарицательным для целого класса подшипниковых сплавов. Оловянные баббиты марок Б83 и Б88 содержат 83–88 процентов олова и применяются в наиболее ответственных узлах турбин и крупных двигателей благодаря превосходным антифрикционным свойствам.
Свинцовые баббиты марок Б16 и БН имеют более высокую рабочую температуру до 320 градусов Цельсия против 240 градусов у оловянных сплавов. Их используют в дизельных двигателях и прокатных станах. Структура баббита гетерогенна — твердые кристаллы интерметаллидов внедрены в мягкую пластичную матрицу. При работе мягкая основа истирается, обнажая твердые частицы, которые и образуют фактическую поверхность скольжения.
| Материал | Твердость НВ | Температура плавления | Применение |
|---|---|---|---|
| Баббит Б83 | 25–30 | 240 °C | Турбины, высокоскоростные валы |
| Баббит Б16 | 17–20 | 320 °C | Дизельные двигатели |
| Бронза БрО10Ф1 | 70–90 | 1000 °C | Тяжелонагруженные узлы |
| Алюминиевые сплавы | 60–85 | 650 °C | Автомобильные двигатели |
Современные материалы
Бронзовые сплавы обладают более высокой прочностью и твердостью по сравнению с баббитами. Оловянная бронза применяется в подшипниках с повышенными нагрузками, но требует тщательной подготовки поверхностей и качественной фильтрации масла. Алюминиевые подшипниковые сплавы сочетают хорошую теплопроводность и коррозионную стойкость, широко используются в автомобильных двигателях.
Композитные материалы на основе полимеров набирают популярность благодаря способности работать без жидкой смазки. Подшипники из фторопласта с добавками графита или дисульфида молибдена применяются в пищевой промышленности и медицинском оборудовании. Современные полимерные материалы имеют коэффициент трения в 10 раз ниже баббита и могут работать при температурах до 280 градусов.
Системы смазки подшипников скольжения
Гидродинамическая смазка
В гидродинамических подшипниках масляный клин создается самим вращающимся валом без внешних источников давления. Масло подается в зону низкого давления самотеком или разбрызгиванием, а затем вал затягивает его в клиновидный зазор. Система работает автоматически при достижении определенной скорости вращения. Преимущество такой схемы — простота конструкции и отсутствие дополнительного оборудования.
Недостаток гидродинамической смазки проявляется при пуске и остановке двигателя, когда скорость недостаточна для образования несущего слоя. В эти моменты происходит наибольший износ подшипника в режиме граничного трения. Для снижения пускового износа применяют предварительную прокачку масла и проворачивание вала валоповоротным устройством.
Гидростатическая смазка
Гидростатические подшипники получают смазку под давлением от внешнего насоса независимо от скорости вращения вала. Масло подается через специальные карманы непосредственно в зону нагружения и создает несущий слой даже при неподвижном вале. Толщина масляной пленки гарантированно поддерживается на уровне 40–60 микрометров во всех режимах работы, включая пуск и остановку.
Гидростатические подшипники применяются в прецизионном оборудовании — шлифовальных и расточных станках, где требуется высокая точность и жесткость опор. В энергетических турбинах для облегчения пуска используют систему гидроподъема ротора, которая создает масляную подушку перед началом вращения. Давление подачи масла обычно составляет 0,5–2 МПа в зависимости от размеров подшипника.
Типы и классификация подшипников скольжения
По направлению воспринимаемой нагрузки:
- Радиальные воспринимают нагрузку в направлении, перпендикулярном оси вала, и являются наиболее распространенным типом опор
- Упорные предназначены для восприятия осевых усилий и фиксации вала в продольном направлении
- Радиально-упорные комбинируют обе функции и одновременно воспринимают радиальные и осевые нагрузки
По конструктивному исполнению различают неразъемные подшипники в виде цельных втулок, которые запрессовываются в корпус, и разъемные конструкции из двух половин. Встроенные подшипники изготавливаются как единое целое со станиной машины или корпусом механизма. Самоустанавливающиеся сферические подшипники имеют криволинейную поверхность скольжения и компенсируют перекосы вала.
Специальные типы
Сегментные упорные подшипники состоят из нескольких колодок, установленных по окружности упорного диска. Каждая колодка качается на опоре и автоматически принимает оптимальный угол наклона для формирования масляного клина. Такая конструкция была предложена Альбертом Кингсбери и применяется в крупных турбинах с осевыми усилиями до нескольких сотен тонн.
Газодинамические подшипники используют в качестве смазки воздух или инертный газ. При высоких скоростях вращения от 10 000 до 100 000 оборотов в минуту газовый клин обеспечивает бесконтактную работу. Применяются в компактных турбинах, жестких дисках компьютеров и авиационных турбодетандерах. Преимущество — отсутствие системы масляной смазки и возможность работы при криогенных температурах.
Преимущества подшипников скольжения
Способность работать при сверхвысоких скоростях вращения — главное достоинство подшипников скольжения. В турбокомпрессорах они выдерживают скорости до 300 000 оборотов в минуту, тогда как подшипники качения разрушаются от центробежных сил уже при 15 000–20 000 оборотов. Компактные радиальные размеры позволяют размещать подшипники на валах любого диаметра без существенного увеличения габаритов узла.
Высокая нагрузочная способность обеспечивается большой площадью контакта и равномерным распределением давления по поверхности вкладыша. Удельное давление может достигать 15–20 МПа у баббитовых и 50 МПа у бронзовых подшипников. Стойкость к ударным и вибрационным нагрузкам объясняется демпфирующими свойствами масляного слоя, который гасит колебания. Разъемная конструкция упрощает монтаж на коленчатые валы без разборки всего узла.
Дополнительные преимущества:
- Бесшумная работа благодаря отсутствию ударов тел качения
- Возможность работы в воде и агрессивных средах при правильном подборе материалов
- Простота регулировки зазора для компенсации износа
- Высокая долговечность при режиме жидкостного трения
Недостатки и ограничения
Значительные потери на трение при пуске и на малых оборотах приводят к пониженному КПД подшипника. Коэффициент полезного действия составляет 0,95–0,98 против 0,99 у подшипников качения. Повышенный износ при пусках и остановках требует использования дорогих антифрикционных материалов и тщательного контроля системы смазки. Баббитовые вкладыши имеют ограниченную температуру эксплуатации — оловянные баббиты размягчаются при температуре выше 75–80 градусов, свинцовые при 70 градусах.
Необходимость непрерывной подачи смазки усложняет конструкцию машины и повышает эксплуатационные расходы. Расход масла через подшипник может достигать нескольких литров в минуту для крупных турбин. Чувствительность к загрязнениям требует установки тонких фильтров, так как абразивные частицы быстро разрушают мягкие вкладыши. Сложность изготовления и более высокая стоимость по сравнению со стандартизованными подшипниками качения ограничивают область применения.
Применение подшипников скольжения в промышленности
Турбины и компрессоры
Паровые и газовые турбины мощных энергоблоков оснащаются опорными и упорными подшипниками скольжения с баббитовой заливкой. Ротор турбины весом до 100 тонн вращается со скоростью 3000 оборотов в минуту на масляной пленке толщиной всего 20–30 микрометров. Система принудительной смазки обеспечивает подачу масла под давлением 0,2–0,5 МПа с расходом до 500 литров в минуту.
Турбокомпрессоры двигателей используют плавающие бронзовые втулки, которые вращаются с частотой вдвое меньшей скорости ротора. Это позволяет валу турбины развивать обороты до 170 000 в минуту без прямого контакта металл-металл. Воздушные компрессоры и нагнетатели промышленного назначения также комплектуются подшипниками скольжения благодаря их устойчивости к пыли и ударным нагрузкам.
Двигатели внутреннего сгорания
Коленчатые валы автомобильных и судовых дизелей опираются на разъемные подшипники с тонким слоем баббита или алюминиевого сплава на стальной основе. Толщина антифрикционного слоя составляет всего 0,3–0,5 миллиметра, что повышает сопротивление усталостному разрушению. Шатунные подшипники работают в условиях переменных нагрузок с максимальным давлением до 100 МПа в момент вспышки топлива.
Система смазки двигателя подает масло к подшипникам под давлением 0,3–0,6 МПа через сверления в коленчатом валу. Для предотвращения перегрева применяют масла с высоким индексом вязкости, сохраняющие несущую способность при температуре 140–160 градусов. Ресурс подшипников современных двигателей достигает 500 000 километров пробега при условии регулярной замены масла.
Прокатное оборудование
Валки прокатных станов вращаются в подшипниках скольжения, воспринимающих колоссальные нагрузки до 10 000 тонн. Применяются составные вкладыши с подложкой из свинцовой бронзы и тонким рабочим слоем баббита. Циркуляционная система смазки обеспечивает интенсивное охлаждение подшипников, отводя тепло от зоны контакта. Расход масла через один подшипник может превышать 1000 литров в минуту.
Часто задаваемые вопросы
Подшипники скольжения остаются незаменимыми элементами в механизмах с экстремальными условиями работы. Способность выдерживать сверхвысокие скорости вращения, большие нагрузки и работать при ударных воздействиях делает их оптимальным выбором для турбин, компрессоров и двигателей. Развитие технологий антифрикционных материалов и систем смазки постоянно расширяет область применения этих опор.
Правильный выбор типа подшипника, материала вкладыша и системы смазки обеспечивает длительную безаварийную работу оборудования. Современные композитные материалы и газодинамические подшипники открывают новые возможности применения в высокоточном оборудовании и экологически чистых системах без масляной смазки.
Информация в статье носит ознакомительный характер. Расчет, подбор и установка подшипников скольжения должны выполняться квалифицированными специалистами с учетом конкретных условий эксплуатации оборудования. Автор не несет ответственности за последствия применения информации без профессиональной консультации.
