Гідродинамічна вальниця (рос. гидродинамический подшипник, англ. hydrodynamic bearing) — це вальниця ковзання з мастилом, в якому тримальний оливний шар створюється при обертанні шпинделя внаслідок прилипання оливи до поверхонь шийки й вкладки й затягування її в клиновий зазор між робочими поверхнями в результаті взаємодії між частинками оливи. Для переміщення в′язкої рідини з області з низьким тиском в область підвищеного тиску витрачається енергія від зовнішнього джерела. Прилиплий змащувальний матеріал до робочої поверхні чинить опір стиранню і рухається в область з підвищеним тиском. Точка найбільшого тиску знаходиться на деякій відстані перед точкою мінімального зазору. Вздовж шийки тиск розподіляється за законом, близьким до параболічного. Гідродинамічні вальниці ще називають гіродинамічними опорами.
Принцип роботи гідродинамічної вальниці
Принцип роботи заснований на гідродинамічному ефекті, що полягає у виникненні підіймальної сили в зазорі між рухомими тілами, які розділені шаром рідини чи газу. Сила збільшується з приростом швидкості руху і зменшенням зазору, вона є рівнодійною тисків масляного клину.
Класифікація гідродинамічних вальниць
Одноклинові
- Шпиндельна вальниця з осьовим регулюванням зазору
- Схема одноклинової гідродинамічної вальниці
Якщо у вальниці є один звужувальний зазор, який утворює один оливний клин то така вальниця називається одноклиновою.
Одноклинові вальниці прецизійних і швидкохідних шпинделів мають низку недоліків, з яких найбільш суттєвим є те, що вони не забезпечують стабільне положення шпинделя при великих швидкостях і малих навантаженнях. Проте конструктивно вони простіші. Прикладом такої вальниці може бути вальниця з осьовим регулюванням зазору.
Одноклинова вальниця з осьовим регулюванням зазору
Конічна розрізна вкладка 3 входить у конічний отвір втулки 2 або корпуса. У разі осьового переміщення вкладками гайками 1 і 4 вона деформується і в результаті змінюється зазор, але спотворюється форма вкладки. Нещільне прилягання вкладки до отвору знижує жорсткість опори. Для усунення цього явища в розріз вкладки, яка має форму ластівчиного хвоста, вводять головки болтів 5, аналогічної форми. Під час затягування болтів вкладка розширюється і притискається до поверхні отвору, спотворення отвору вкладки зменшується, тому й підвищується жорсткість опори. Проте в сучасних верстатах вкладки такого типу зустрічаються рідко.
Багатоклинові
- Шпиндельна вальниця з осьовим регулюванням зазору
- Схема багатоклинової гідродинамічної вальниці
Вальниці, які мають декілька оливних клинів, забезпечуючи цим більш високу точність і положення осі шпинделя, називають багатоклиновими.
У багатоклинової вальниці оливні клини взаємно навантажують один одного, що у багато разів перевищує зовнішнє навантаження і забезпечує стабільне положення осі шпинделя у разі неробочого обертання і під навантаженням. Багатоклинові вальниці найбільш повно відповідають вимогам, які ставляться до шпиндельних вальниць.
Багатоклинова вальниця з осьовим регулюванням зазору
Тонкостінна вкладка має три або більше виступів, які спираються на конічну поверхню отвору корпусу. За осьового зміщення вкладки 2 з допомогою гайки 1 вона деформується і, між поверхнею шийки шпинделя і внутрішньою поверхнею вкладки утворюються сегментоподібні кишені, в яких розміщується мастило. Таким чином утворюється декілька оливних клинів. Мінімальний зазор становить 0,002-0,003 мм. Завдяки малому зазору і наявності декількох оливних клинів вальниці цього типу забезпечують високу стабільність положення осі шпинделя. Змащування вальниць здійснюється гасом або сумішшю гасу з оливою. Вальниця відрізняється низькою тримкістю і використовується за навантаження, яке не перевищує 1 кН. Недоліком даної конструкції є також складність обробки, яка повинна бути виконана з дуже високою точністю.
Такі вальниці мають явну перевагу над одноклиновими, забезпечуючи: стійке обертання шпинделя за малих зовнішніх навантажень та великих швидкостей ковзання; мають високу жорсткість тримальних оливних клинів; дають змогу регулювати величину діаметрального зазору без спотворення форми робочих поверхонь; мають меншу температуру внаслідок кращих умов тепловідведення.
Конструктивні параметри гідродинамічних вальниць
Конструктивні параметри гідродинамічних вальниць визначаються, виходячи з діаметра шийки шпинделя, який вибраний з умов необхідної жорсткості. Довжина сегмента в осьовому напрямку і довжина дуги охоплення , см приймається зі співвідношення
- діаметр шийки шпинделя
Діаметральний зазор, мкм
Розрахунок багатоклинової гідродинамічної вальниці
Визначається вантажна здатність . За умови навантаження на кожний сегмент, у разі зміщення центру шпинделя під дією зовнішнього навантаження рівному нулю:
де
Вантажна здатність вальниці дорівнює
де - кількість сегментів.
Вантажна здатність дорівнює нулю у разі відсутності зовнішніх сил, найбільше її значення відповідає мінімально допустимому зазору у вальниці; звичайно , що дає змогу одержати для вальниці з трьома сегментами таку наближену залежність, Н:
Жорсткість гідродинамічних опор визначається не стільки жорсткістю шару мастила , скільки жорсткістю елементів і спряжень конструкції вальниці .
Сумарна жорсткість опори, Н/мм:
За малих навантажень, а відповідно, невеликих відносних зміщень для вальниці з трьома сегментами:
і за великою частотою обертання шпинделя вона виявляється дуже високою. Але жорсткість елементів конструкції у разі дотику сегментів з опорними поверхнями не перевищує 250...300 Н/мкм:
,
де - діаметр опорної півсфери, см; звичайно см.
Сфери застосування гідродинамічних вальниць
Гідродинамічні вальниці одержали найбільш широке застосування в машинах завдяки простоті конструкції, хоча в періоди пуску, повільного прокручування й зупинки вони працюють в умовах граничного змащення, або навіть «сухого» тертя (див. режими змащення).
- У прецизійних сучасних верстатах які працюють за невеликими навантаженнями, особливо в шліфувальних, зустрічається гідродинамічна вальниця з нерозрізною конічною вкладкою (вальниця "Макензен"-Японія).
- Використання гідродинамічних вальниць ковзання замість вальниць кочення в комп’ютерних HDD (Hard Disk Drive) дає можливість регулювати швидкість обертання шпинделів в широкому діапазоні, зменшити шум і вплив вібрацій на роботу пристроїв, тим самим дозволивши збільшити швидкість передачі даних і забезпечити збереження записаної інформації, а також – створити компактніші HDD (0,8-дюймові). Проте є ряд недоліків: високі втрати на тертя і, отже, знижений коефіцієнт корисної дії (0,95… 0,98);необхідність в безперервному змащенні; нерівномірний знос вальниць і цапфи; застосування для виготовлення вальниць дорогих матеріалів.
- У насосах, наприклад у циркуляційному насосі реактора РБМК-1000.
- У вентиляторах(cooler) для охолодження комп'ютерного процесора. Використання такого виду вальниць дозволяє зменшити шум і підвищити ефективність системи охолодження. Відзначається, що гідродинамічна вальниця навіть на початковому етапі своєї роботи виявляється тихішою від вальниці ковзання, що вважається найтихішою, ну і звичайно, вона тихіша двох вальниць кочення. Після закінчення певного періоду експлуатації вона не втрачає свої акустичні властивості й не стає гучнішою, на відміну від інших вальниць.
Цікаві відомості про гідродинамічні вальниці
На міжнародному щорічному семінарі з питань технології машинобудування був продемонстрований новий зразок гідродинамічної вальниці. Його особливістю полягає в тому, що робоча рідина приводиться в дію ручним насосом (важелем рукоятки). По ходу обертання важеля, під дією накачаного повітря, формується плівка натягу на поверхні рідини між поверхнями ковзання. Більшої швидкості та навантаження можна досягнути шляхом регулювання обертового моменту з панелі керування та індикації.
Література
- Розрахунок та конструювання металорізальних верстатів : підручник / В. М. Бочков, Р. І. Сілін, О. В. Гаврильченко. — Львів : Бескид Біт, 2008. — 445 с.
- Металлорежущие станки : учебник / В. Э. Пуш. — Москва : Машиностроение, 1986. — 564 с.
Посилання
- Матеріал взято з wikitntu.org.ua[недоступне посилання з липень 2019 — історія]
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Gidrodinamichna valnicya ros gidrodinamicheskij podshipnik angl hydrodynamic bearing ce valnicya kovzannya z mastilom v yakomu trimalnij olivnij shar stvoryuyetsya pri obertanni shpindelya vnaslidok prilipannya olivi do poverhon shijki j vkladki j zatyaguvannya yiyi v klinovij zazor mizh robochimi poverhnyami v rezultati vzayemodiyi mizh chastinkami olivi Dlya peremishennya v yazkoyi ridini z oblasti z nizkim tiskom v oblast pidvishenogo tisku vitrachayetsya energiya vid zovnishnogo dzherela Priliplij zmashuvalnij material do robochoyi poverhni chinit opir stirannyu i ruhayetsya v oblast z pidvishenim tiskom Tochka najbilshogo tisku znahoditsya na deyakij vidstani pered tochkoyu minimalnogo zazoru Vzdovzh shijki tisk rozpodilyayetsya za zakonom blizkim do parabolichnogo Gidrodinamichni valnici she nazivayut girodinamichnimi oporami Gidrodinamichna uporna valnicya konstrukciya Princip roboti gidrodinamichnoyi valniciPrincip roboti zasnovanij na gidrodinamichnomu efekti sho polyagaye u viniknenni pidijmalnoyi sili v zazori mizh ruhomimi tilami yaki rozdileni sharom ridini chi gazu Sila zbilshuyetsya z prirostom shvidkosti ruhu i zmenshennyam zazoru vona ye rivnodijnoyu tiskiv maslyanogo klinu Klasifikaciya gidrodinamichnih valnicOdnoklinovi Gidrodinamichni odnoklinovi valnici Shpindelna valnicya z osovim regulyuvannyam zazoru Shema odnoklinovoyi gidrodinamichnoyi valnici Yaksho u valnici ye odin zvuzhuvalnij zazor yakij utvoryuye odin olivnij klin to taka valnicya nazivayetsya odnoklinovoyu Odnoklinovi valnici precizijnih i shvidkohidnih shpindeliv mayut nizku nedolikiv z yakih najbilsh suttyevim ye te sho voni ne zabezpechuyut stabilne polozhennya shpindelya pri velikih shvidkostyah i malih navantazhennyah Prote konstruktivno voni prostishi Prikladom takoyi valnici mozhe buti valnicya z osovim regulyuvannyam zazoru Odnoklinova valnicya z osovim regulyuvannyam zazoru Konichna rozrizna vkladka 3 vhodit u konichnij otvir vtulki 2 abo korpusa U razi osovogo peremishennya vkladkami gajkami 1 i 4 vona deformuyetsya i v rezultati zminyuyetsya zazor ale spotvoryuyetsya forma vkladki Neshilne prilyagannya vkladki do otvoru znizhuye zhorstkist opori Dlya usunennya cogo yavisha v rozriz vkladki yaka maye formu lastivchinogo hvosta vvodyat golovki boltiv 5 analogichnoyi formi Pid chas zatyaguvannya boltiv vkladka rozshiryuyetsya i pritiskayetsya do poverhni otvoru spotvorennya otvoru vkladki zmenshuyetsya tomu j pidvishuyetsya zhorstkist opori Prote v suchasnih verstatah vkladki takogo tipu zustrichayutsya ridko Bagatoklinovi Gidrodinamichni bagatoklinovi valnici Shpindelna valnicya z osovim regulyuvannyam zazoru Shema bagatoklinovoyi gidrodinamichnoyi valnici Valnici yaki mayut dekilka olivnih kliniv zabezpechuyuchi cim bilsh visoku tochnist i polozhennya osi shpindelya nazivayut bagatoklinovimi U bagatoklinovoyi valnici olivni klini vzayemno navantazhuyut odin odnogo sho u bagato raziv perevishuye zovnishnye navantazhennya i zabezpechuye stabilne polozhennya osi shpindelya u razi nerobochogo obertannya i pid navantazhennyam Bagatoklinovi valnici najbilsh povno vidpovidayut vimogam yaki stavlyatsya do shpindelnih valnic Bagatoklinova valnicya z osovim regulyuvannyam zazoru Tonkostinna vkladka maye tri abo bilshe vistupiv yaki spirayutsya na konichnu poverhnyu otvoru korpusu Za osovogo zmishennya vkladki 2 z dopomogoyu gajki 1 vona deformuyetsya i mizh poverhneyu shijki shpindelya i vnutrishnoyu poverhneyu vkladki utvoryuyutsya segmentopodibni kisheni v yakih rozmishuyetsya mastilo Takim chinom utvoryuyetsya dekilka olivnih kliniv Minimalnij zazor stanovit 0 002 0 003 mm Zavdyaki malomu zazoru i nayavnosti dekilkoh olivnih kliniv valnici cogo tipu zabezpechuyut visoku stabilnist polozhennya osi shpindelya Zmashuvannya valnic zdijsnyuyetsya gasom abo sumishshyu gasu z olivoyu Valnicya vidriznyayetsya nizkoyu trimkistyu i vikoristovuyetsya za navantazhennya yake ne perevishuye 1 kN Nedolikom danoyi konstrukciyi ye takozh skladnist obrobki yaka povinna buti vikonana z duzhe visokoyu tochnistyu Taki valnici mayut yavnu perevagu nad odnoklinovimi zabezpechuyuchi stijke obertannya shpindelya za malih zovnishnih navantazhen ta velikih shvidkostej kovzannya mayut visoku zhorstkist trimalnih olivnih kliniv dayut zmogu regulyuvati velichinu diametralnogo zazoru bez spotvorennya formi robochih poverhon mayut menshu temperaturu vnaslidok krashih umov teplovidvedennya Konstruktivni parametri gidrodinamichnih valnicKonstruktivni parametri gidrodinamichnih valnic viznachayutsya vihodyachi z diametra D displaystyle mathsf D shijki shpindelya yakij vibranij z umov neobhidnoyi zhorstkosti Dovzhina L displaystyle mathsf L segmenta v osovomu napryamku i dovzhina dugi ohoplennya B displaystyle mathsf B sm prijmayetsya zi spivvidnoshennya L 0 75 D displaystyle L 0 75 cdot mathit D B 0 5 D displaystyle B approx mathit 0 5 cdot mathit D D displaystyle mathit D diametr shijki shpindelya Diametralnij zazor mkm D 3 D displaystyle Delta 3 cdot mathit D Rozrahunok bagatoklinovoyi gidrodinamichnoyi valniciViznachayetsya vantazhna zdatnist F d displaystyle mathsf mathit F delta Za umovi navantazhennya na kozhnij segment u razi zmishennya centru shpindelya pid diyeyu zovnishnogo navantazhennya rivnomu nulyu F o 0 5 m n D B L D 2 c L displaystyle mathit F o 0 5 cdot frac mu cdot mathit n cdot mathit D cdot mathit B cdot mathit L Delta 2 cdot mathit c L de c L 1 25 1 B 2 L 2 displaystyle mathit c L frac 1 25 1 frac mathit B 2 mathit L 2 Vantazhna zdatnist valnici F d displaystyle mathsf mathit F delta dorivnyuye F d 1 k F i displaystyle mathit F delta sum 1 k vec F i de k displaystyle mathsf mathit k kilkist segmentiv Vantazhna zdatnist dorivnyuye nulyu u razi vidsutnosti zovnishnih sil najbilshe yiyi znachennya F d m a x displaystyle left mathit F delta right max vidpovidaye minimalno dopustimomu zazoru h m i n displaystyle mathsf mathit h min u valnici zvichajno h m i n D 3 displaystyle mathit h min frac Delta 3 sho daye zmogu oderzhati dlya valnici z troma segmentami taku nablizhenu zalezhnist N F d m a x 0 036 n D 2 displaystyle left mathit F delta right max 0 036 cdot mathit n cdot mathit D 2 Zhorstkist gidrodinamichnih opor viznachayetsya ne stilki zhorstkistyu sharu mastila j m displaystyle mathit j m skilki zhorstkistyu elementiv i spryazhen konstrukciyi valnici j k displaystyle mathit j k Sumarna zhorstkist opori N mm j o n j m j m j m j k displaystyle mathit j on mathsf frac mathit j m cdot mathit j m mathit j m mathit j k Za malih navantazhen a vidpovidno nevelikih vidnosnih zmishen dlya valnici z troma segmentami j m 0 09 n b displaystyle mathit j m 0 09 cdot mathit n cdot mathit b i za velikoyu chastotoyu obertannya shpindelya vona viyavlyayetsya duzhe visokoyu Ale zhorstkist elementiv konstrukciyi u razi dotiku segmentiv z opornimi poverhnyami ne perevishuye 250 300 N mkm j k 125 d c 2 displaystyle mathit j k 125 cdot mathit d cdot mathit c 2 de d c displaystyle mathit d c diametr opornoyi pivsferi sm zvichajno d c 1 5 2 5 displaystyle mathit d c 1 5 2 5 sm Sferi zastosuvannya gidrodinamichnih valnicGidrodinamichni valnici oderzhali najbilsh shiroke zastosuvannya v mashinah zavdyaki prostoti konstrukciyi hocha v periodi pusku povilnogo prokruchuvannya j zupinki voni pracyuyut v umovah granichnogo zmashennya abo navit suhogo tertya div rezhimi zmashennya U precizijnih suchasnih verstatah yaki pracyuyut za nevelikimi navantazhennyami osoblivo v shlifuvalnih zustrichayetsya gidrodinamichna valnicya z nerozriznoyu konichnoyu vkladkoyu valnicya Makenzen Yaponiya Vikoristannya gidrodinamichnih valnic kovzannya zamist valnic kochennya v komp yuternih HDD Hard Disk Drive daye mozhlivist regulyuvati shvidkist obertannya shpindeliv v shirokomu diapazoni zmenshiti shum i vpliv vibracij na robotu pristroyiv tim samim dozvolivshi zbilshiti shvidkist peredachi danih i zabezpechiti zberezhennya zapisanoyi informaciyi a takozh stvoriti kompaktnishi HDD 0 8 dyujmovi Prote ye ryad nedolikiv visoki vtrati na tertya i otzhe znizhenij koeficiyent korisnoyi diyi 0 95 0 98 neobhidnist v bezperervnomu zmashenni nerivnomirnij znos valnic i capfi zastosuvannya dlya vigotovlennya valnic dorogih materialiv U nasosah napriklad u cirkulyacijnomu nasosi reaktora RBMK 1000 U ventilyatorah cooler dlya oholodzhennya komp yuternogo procesora Vikoristannya takogo vidu valnic dozvolyaye zmenshiti shum i pidvishiti efektivnist sistemi oholodzhennya Vidznachayetsya sho gidrodinamichna valnicya navit na pochatkovomu etapi svoyeyi roboti viyavlyayetsya tihishoyu vid valnici kovzannya sho vvazhayetsya najtihishoyu nu i zvichajno vona tihisha dvoh valnic kochennya Pislya zakinchennya pevnogo periodu ekspluataciyi vona ne vtrachaye svoyi akustichni vlastivosti j ne staye guchnishoyu na vidminu vid inshih valnic Cikavi vidomosti pro gidrodinamichni valniciDemonstraciya gidrodinamichnoyi valnici Na mizhnarodnomu shorichnomu seminari z pitan tehnologiyi mashinobuduvannya buv prodemonstrovanij novij zrazok gidrodinamichnoyi valnici Jogo osoblivistyu polyagaye v tomu sho robocha ridina privoditsya v diyu ruchnim nasosom vazhelem rukoyatki Po hodu obertannya vazhelya pid diyeyu nakachanogo povitrya formuyetsya plivka natyagu na poverhni ridini mizh poverhnyami kovzannya Bilshoyi shvidkosti ta navantazhennya mozhna dosyagnuti shlyahom regulyuvannya obertovogo momentu z paneli keruvannya ta indikaciyi LiteraturaRozrahunok ta konstruyuvannya metalorizalnih verstativ pidruchnik V M Bochkov R I Silin O V Gavrilchenko Lviv Beskid Bit 2008 445 s Metallorezhushie stanki uchebnik V E Push Moskva Mashinostroenie 1986 564 s PosilannyaMaterial vzyato z wikitntu org ua nedostupne posilannya z lipen 2019 istoriya