Гидравлические и пневматические подшипники — это подшипники, в которых непосредственную нагрузку от вала воспринимает тонкий слой жидкости или газа.

Гидравлические и пневматические подшипники часто используются при высоких нагрузках, высоких скоростях и при необходимости обеспечить точную посадку вала, когда обычные шарикоподшипники создают слишком большую вибрацию, слишком большой шум или не удовлетворяют условиям компактности оборудования или условиям долговечности. Они всё чаще и чаще используются вследствие снижающейся стоимости. Например, компьютерные жёсткие диски, у которых вал электродвигателя посажен на гиддравлические подшипники, работают тише, и они дешевле, чем те же диски, содержащие шарикоподшипники.

Принцип действия

Эти подшипники в общем случае могут быть разделены на два типа:

• гидродинамические и газодинамические;
• гидростатические.

В гидростатических подшипниках высокое давление жидкости поддерживается внешним насосом. Жидкостью в них служит обычно масло или вода.

В гидродинамических подшипниках при вращении вала на больших скоростях жидкость увлекается валом в пространство между цапфой и валом, и таким образом осуществляется самосмазываемость.

Поскольку гидростатические подшипники для своей работы требуют нагнетания жидкости от внешнего насоса, то энергия, подводимая к насосу, для систему в целом является потеряной энергией. Однако в отсутствии насоса эта энергия расходовалась бы на преодоление сил трения.

В гидродинамических подшипниках жидкость засасывается внутрь подшипника движением вала, и нагнетается под вал или вокруг него также движением вала. Вследствие этого при небольших скоростях вращения вала (в том числе, в момент старта и торможения) слой жидкости под валом имеет недостаточную толщину, а это приводит к возрастанию сил трения. Если такие режимы случаются достаточно часто, то подшипник имеет меньший срок службы, и в нём происходят большие потери энергии. Иногда для предотвращения указанных проблем в гидродинамических подшипниках используют либо вторичный подшипник, либо внешний насос, которые включаются в работу в момент запуска или торможения.

Преимущества

Гидравлические подшипники дешевле обычных подшипников при одинаковых нагрузках. Гидравлические и пневматические подшипники достаточно просты по конструкции. В противоположность этому, подшипники качения содержат в себе ролики или шарики, имеющие сложную форму, и требующие высокой точности изготовления. Гидростатические и многие пневматические подшипники более сложны и дороги, чем гидродинамические, вследствие наличия насоса.

Большинство гидравлических и пневматических подшипников требуют небольших затрат на техническое обслуживание, или не требуют их вовсе. Кроме того, у них практически неограниченный срок службы. Обычные подшипники качения имеют более короткий срок службы и требуют регулярного технического обслуживания.

Гидравлические и пневматические подшипники, в общем, имеют очень низкие коэффициенты трения – намного ниже, чем у механических подшипников. Основное источник трения – это вязкость жидкости или газа. Поскольку у газа вязкость ниже, чем у жидкости, то газостатические подшипники относятся к числу подшипников с наименьшими коэффициентами трения. Однако, чем меньше вязкость жидкости, тем выше утечки, что требует дополнительных затрат на нагнетание жидкости (или газа) в подшипник. Такие подшипники также требуют применения уплотнений, и чем лучше уплотнение, тем выше силы трения.

При высоких нагрузках зазор между поверхностями в гидравлических подшипниках изменяется меньше, чем в механических подшипниках. Можно считать, что "жёсткость подшипника" является простой функцией среднего давления жидкости и площади поверхностей подшипника. На практике, когда нагрузка на вал велика, и зазор между поверхностями подшипника уменьшается, давление жидкости под валом увеличивается, сила сопротивления жидкости сильно возрастает, и таким образом поддерживается наличие зазора в подшипнике.

Однако, в подшипниках с небольшой нагрузкой, таких как подшипники в приводах дисков, жёсткость подшипников качения составляет порядка 10^7 МН/м, в то время как в гидравлических подшипниках ~10^6 МН/м. По этой причине, для повышения жёсткости, некоторые гидравлические подшипники, в частности, гидростатические подшипники, конструируют таким образом, чтобы они имели предварительную нагрузку.

Вследствие принципа своей работы, гидравлические подшипники часто имеют значительную демпфирующую способность.

Очень трудно изготовить идельно круглые и гладкие поверхности в подшипниках качения. В механических подшипниках на высоких скоростях вращения поверхности деформируются вследствие центростремительной силы. В противоположность этому, гидравлические и пневматические подшипники являются самокорректирующимися по отношению к малым отклонениям в форме деталей подшипника.

Гидравлические и пневматические подшипники как правило работают тише и создают меньшие вибрации, чем подшипники качения (вследствие более равномерно распределённых сил трения). Например, жёсткие диски, изготовленные с использованием гидравлических (пневматических) подшипников, имеют уровень шума подшипников/двигателей порядка 20-24 дБ, что не намного больше, чем фоновый шум в закрытой комнате. Диски с подшипниками качения как минимум на 4 дБ более шумные.

Недостатки

В этих подшипниках обычно рассеивается больше энергии, чем в шарикоподшипниках.

Рассеивание энергии в подшипниках, а также жёсткость и их демпфирующие свойства очень сильно зависят от температуры, что усложняет разработку подшипников и их работу в широком температурном диапазоне.

Гидравлические и пневматические подшипники могут внезапно клинить или разрушаться в критических ситуациях. Шарикоподшипники выходят из строя более постепенно, и этот процесс сопровождается акустическими симптомами.

Дисбаланс вала и других деталей в гидравлических и пневматических подшипниках больше аналогичного дисбаланса в шарикоподшипниках, что приводит к возникновению более сильной прецессии, ведущей к сокращению срока службы и подшипника и ухудшению его показателей качества.

Ещё одним недостатком гидравлических и пневматических подшипников являются утечки жидкости или газа наружу подшипника; удержание жидкости или газа внутри подшипника может представлять значительные трудности.

Гидравлические подшипники, в которых используется масло, не применяются в тех случаях, когда утечки масла в окружающую среду недопустимы, или когда их обслуживание экономически нецелесообразно.

Цапфы гидравлических и пневматических подшипников часто устанавливают по две и по три друг за другом во избежание утечек с одной из сторон.

Область применения гидродинамических подшипников

Гидродинамические подшипники получили наиболее широкое применение в машинах, благодаря простоте конструкции, хотя в периоды пуска и остановки, на малых оборотах они работают в условиях граничного смазывания, или даже «сухого» трения.

• В прецизионных современных станках, работающих при небольших нагрузках, особенно в шлифовальных
• Использование гидродинамических подшипников скольжения вместо подшипников качения в компьютерных жёстких дисках даёт возможность регулировать скорость вращения шпинделей в широком диапазоне, уменьшить шум и влияние вибраций на работу устройств, тем самым позволяя увеличить скорость передачи данных и обеспечить сохранность записанной информации, а также – создать более компактные жёсткие диски (0,8-дюймовые). Однако имеется и ряд недостатков: высокие потери на трение и, как следствие, пониженный коэффициент полезного действия (0,95… 0,98); необходимость в непрерывной смазке; неравномерный износ подшипника и цапфы; использование для изготовления подшипников дорогих материалов.
• В насосах, например, в циркуляционном насосе реактора РБМК-1000.
• В вентиляторах для охлаждения компьютерного процессора. Использование такого вида подшипников позволяет уменьшить шум и повысить эффективность системы охлаждения. Даже на начальном этапе гидродинамический подшипник работает тише, чем подшипник скольжения. После окончания определённого периода эксплуатации он не теряет свои акустические свойства и не становится более шумным, в отличие от других подшипников.

Литература

• Металлорежущие станки: Учебник / В. Э. Пуш, Москва:Машиностроение, 1986.- 564 с