ГАЗОВАЯ СМАЗКА

Газовая смазка (ГС) — смазка, при которой разделение поверхностей трения деталей, находящихся в относительном движении, осуществляется газом. В качестве последнего применяют в основном воздух, азот, неон и хладон, а также газы с очень низким коэффициентом вязкости (водород). Применяется ГС в узлах трения точных приборов, аппаратуре ядерных установок, ультрацентрифугах, газовых турбинах, турбокомпрессорах.

Различают газодинамическую, газостатическую смазку и газостатодинамическую (гибридную) смазку.

Газодинамическая смазка — это газовая смазка, при которой полное разделение поверхностей трения осуществляется в результате давления, возникающего в слое газа вследствие относительного движения поверхностей. Применяется в узлах трения с малыми нагрузками и высокими скоростями скольжения, например в ультрацентрифугах, высокооборотных электродвигателях, подшипниках ротационных насосов и компрессоров, частота вращения вала которых достигает 3·10-4 мин-1.

Рис.1. Газодинамические подшипники: а, б – с подвижными вкладышами; в – упорный со спиральными канавками 1; г – радиальный со спиральными канавками 2; д – пленочный.

Следует иметь в виду, что вязкость распространенной ГС — воздуха в 100 раз меньше, чем у наименее вязкой из жидких смазок. Благодаря этому на ГС реализуют конструкции газодинамических подшипников, частота вращения которых составляет десятки тысяч оборотов в минуту.

В турбомашиностроении применяют так называемые гибридные подшипники, где используют газодинамические и газостатические эффекты, что осуществляется газом, поступающим в зазор между поверхностями под внешним давлением. Типичное давление в смазочном слое составляет 0,3 МПа.

Газостатическая смазка – это газовая смазка, при которой полное разделение поверхностей деталей, находящихся в относительном движении или покое, осуществляется газом, поступающим в зазор между поверхностями под внешним давлением (0,3 МПа). Газостатическую смазку применяют в узлах трения скоростных центрифуг, механических генераторов ультразвука, высокоскоростных шлифовальных головок.

Рис.2. Модель газостатического подшипника: а – разрез; б – общий вид; в – основные детали.

Газовая смазка осуществляется между двумя движущимися жесткими или упругими элементами трибосопряжения, расстояние между которыми весьма мало (обычно такой зазор не более 50 мкм). Для получения интегральных параметров ГС (несущей способности, жесткости, демпфирования) нужно знать закон изменения состояния газа в каждой точке зазора, а следовательно, физические свойства и общие уравнения движения газов в малых зазорах. Так, вязкость газов в интервале до 10 МПа изменяется не более чем на 10% по сравнению с вязкостью при атмосферном давлении. Так же ведет себя ГС при напряжениях, поэтому при практических расчетах изменением вязкости от давления часто пренебрегают.

Температура газа оказывает существенное влияние на кинетическую энергию молекул газа, из которых состоит ГС. Газы химически стабильнее, чем жидкости в большем диапазон температур, поэтому верхний предел использования определяется прочностью и теплостойкостью узлов машины, а нижний  конденсацией самой ГС.

Коэффициент трения при скольжении поверхностей, разделенных слоем газовой смазки, имеет весьма малые значения и рассчитывается для подшипника скольжения по одному из вариантов формулы Петрова. Согласно Ю.В. Пешти, коэффициент газодинамического трения газов примерно в 5000 раз меньше коэффициентов гидродинамического трения несжимаемой жидкой смазки. В то же время несущая способность газовой смазки на порядок ниже, чем у жидкостной смазки, но при этом вязкость газов с увеличением температуры при неизменном давлении возрастает, что приводит к увеличению несущей способности. Этим ГС отличается от жидкостной смазки, при которой с ростом температуры уменьшается несущая способность.

Как правило, в зазорах малой толщины течение газа является ламинарным. Исключение представляют конструкции высокооборотных роторов и крупногабаритных подшипников, работающих при больших давлениях наддува ГС, где имеет место турбулентное течение.

Обычно несущая способность слоя ГС на порядок ниже, чем слоя жидкостной смазки. Вследствие самовозбуждающихся колебаний ротора при высоких частотах рабочий слой ГС может терять несущую способность. Для правильно подобранных режимов работы характерны малый шум и низкий уровень вибрации.

Литература

  1. А. В. Чичинадзе, Э. Д. Браун, Н. А. Буше и др.; Под общ. ред. А. В. Чичинадзе. / Основы трибологии (трение, износ, смазка).  2-е изд. переработ, и доп. - М.: Машиностроение, 2001.
  2. Хебда М., Чичинадзе А.В. / Справочник по триботехнике в 3-х томах. Том 1: Теоретические основы - М.: Машиностроение, 1989.
  3. Доценко А.И., Буяновский И.А. / Основы триботехники. Учебник. - М.: Инфра-М, 2014.