Эта удивительная подушка, стр. 42

В большинстве случаев число оборотов вала ограничивается подшипниками, на которые вал опирается. Подшипники — важнейший элемент современной техники, вся она «вращается на подшипниках». Никто не подсчитал, сколько подшипников находится постоянно в работе, им несть числа.

Первый подшипник появился, вероятно, вместе с древним колесом. У многих из людей старшего поколения в воспоминаниях детства присутствует скрип колес плохо смазанной телеги — основного средства сообщения каких-нибудь полвека назад. Всего полвека, а как изменился мир! Даже бесшумное автомобильное колесо, обутое в воздушную подушку-шину, уже не устраивает: подавай летающие автомобили, летающие поезда…

Скрипит колесо — это скрипит ступица колеса, его подшипник. Он нуждается в постоянном уходе, прежде всего смазке. Не для того, чтобы унять противный скрип, это бы еще полбеды. Скрип — первый сигнал неблагополучия со смазкой, сигнал тревоги. Без смазки ни один подшипник работать не может.

Без смазки вращающийся вал будет тереться непосредственно о поверхность подшипника. Как ни гладка поверхность трущихся деталей, она усеяна незаметными глазу пиками и впадинами, которые отчетливо видны в окуляре микроскопа, — они и есть первопричина так называемого сухого трения. А оно смертельно опасно для подшипника, так как приводит к его износу и перегреву. Ведь сильное трение означает, что в тепло переходит большая работа трения — один шаг до выхода подшипника из строя из-за заклинивания или разрушения.

Когда подшипник смазан, то вал и подшипник разделены тонким слоем смазочного масла. Столь велика роль этой масляной пленки, что без преувеличения можно сказать — на ней держится вся современная индустрия.

Роль смазки была оценена людьми в самые старинные времена. Во всяком случае, египетский рисунок давностью почти три тысячи лет изображает человека, льющего смазочное масло под салазки, перевозящие тяжелое каменное изваяние. Археологи нашли остатки смазки в ступицах колес древних повозок, возраст которых не менее трех с половиной тысяч лет.

Смазочное масло непрерывно течет сквозь едва видимый зазор между вращающимся валом и подшипником, образуя там масляную подушку, поддерживающую вал. Теперь уже трется не вал о подшипник, а слои масла в подушке друг о друга. Трение в жидкости неизмеримо меньше — значит, меньше работа трения и выделяющееся тепло. Но и оно уносится маслом, которое не только смазывает, но и охлаждает подшипник, дважды защищая его от перегрева. Смазка нужна любым подшипникам — и опорным, подобным описанному выше, и упорным, когда нагрузка действует вдоль вала — в случае трения скольжения или качения.

Всем хорошо смазочное масло, но и оно сдает, когда число оборотов сильно возрастает. Как ни мало трение в масляной подушке, оно быстро увеличивается с числом оборотов. И вскоре ставит предел дальнейшему росту числа оборотов.

Техника не терпит барьеров на пути своего развития. Разумеется, и барьер числа оборотов будет преодолен, уже успешно преодолевается. С помощью все той же воздушной подушки.

Это одно из самых важных его применений.

Идея воздушной смазки вместо масляной вполне оправдана — трение в газе неизмеримо, в сотни и тысячи раз слабее, чем в жидкости, им можно пренебречь. Это и позволяет практически снять барьер оборотов.

Идея подшипника с воздушной смазкой проста. Воздух под давлением поступает в зазор между валом и подшипником и поднимает вал, всплывающий на тончайшей воздушной подушке. Ее толщина измеряется долями миллиметра, ведь поверхности вала и подшипника гладкие, имеют лишь микроскопические неровности. Но зато давление воздуха в подшипнике значительно больше, чем в воздушной подушке летающего судна или автолета, оно обычно равно нескольким атмосферам.

Подшипник с воздушной смазкой может быть устроен и иначе, напоминая экранолет. В этом случае воздух в зазор подшипника под давлением не подводится, вращающийся вал создает сам динамическую воздушную подушку, подминая окружающий воздух под себя. Какой вид воздушной смазки выгоднее в данном подшипнике — аэростатический или аэродинамический, устанавливают тщательным расчетом.

Бесчисленное множество воздушных подшипников работает в различных высокооборотных машинах и приборах современной техники.

Имеются фрезерные станки, в которых зубчатая фреза вращается на воздушных подшипниках, делая полмиллиона оборотов в минуту. С подобным же числом оборотов вращаются на воздушных подшипниках веретена ткацких станков, ультрацентрифуги в научных лабораториях и даже бормашины в зубоврачебных кабинетах — они практически безболезненны!

Проблему высокооборотности воздушная подушка, можно считать, решила окончательно. В подшипниках малых размеров число оборотов уже превысило миллион в минуту! Ограничивает его уже не подшипник, а прочность вращающегося вала и связанных с ним деталей.

Рекорд высокооборотности установлен воздушным подшипником в содружестве с магнитной опорой. Магнитная подвеска, создающая воздушный зазор между вращающимися деталями, известна давно, но лишь в последнее время приобретает все большее значение в связи с требованиями сверхточной техники. Ее преимущество в том, что она может действовать в вакууме — разреженная атмосфера позволяет достичь особенно высокого числа оборотов: ведь трение воздуха, как оно ни мало, все же замедляет вращение.

В одной из новых машин для производства синтетических волокон вал вращается с миллионом оборотов в минуту, опираясь на невидимый магнитный подшипник. Еще намного больше число оборотов сверхцентрифуги — при диаметре тридцать миллиметров она делает шесть миллионов оборотов в минуту! При таких оборотах магнитный подшипник необходим, центрифуга должна вращаться в вакууме.

Нужна как воздух

Как бывают довольны мамы, когда им удается купить детям ботинки с прочной, неизнашивающейся подметкой. Лучше похвалы быть не может — износу нет!

Никак не меньше радуются инженеры, имея дело с надежным, неизнашивающимся, не требующим ремонта оборудованием. Ремонт не только обременителен из-за сложности, трудоемкости, стоимости. Главное, он нарушает нормальный ритм производства: станки, машины, конвейер приходится останавливать.

Вот почему одним из главных требований к современным машинам является надежность, длительность работы без ремонта. Чем меньше изнашивается машина в работе, тем больше, как говорят, межремонтный период ее работы. Тем она качественнее, ценнее.

Изнашиваются прежде всего трущиеся детали и части машины. Чем больше трение, тем больше износ. Там, где применен воздушный подшипник, трения практически нет. Значит, нет и износа.

Особенно нужны подшипники там, где обычная смазка не годится. В атомных котлах и других ядерных установках радиоактивное излучение быстро ухудшает смазочные свойства обычных масел, и они становятся непригодными. Воздушные подшипники спасают положение.

Другой пример — различные химические производства. Часто машины и механизмы находятся в непосредственном контакте с веществами, вступающими в реакцию со смазочными жидкостями. Ясно, что и здесь могут найти применение подшипники с воздушной или газовой смазкой. Иногда смазка осуществляется газами, участвующими в самом технологическом процессе. Требования высокой чистоты конечного продукта исключают в этих случаях применение для смазки посторонних веществ.

Важна воздушная смазка, когда рабочие температуры машин очень высоки или, наоборот, низки — в металлургии, криогенной технике. При подобных температурах жидкие смазочные вещества, как правило, непригодны.