Борьба за скорость

Исследования показали, что это не так. Лишь при небольшой скорости трение остается примерно постоянным. Затем оно начинает расти— и тем быстрее, чем больше обороты.

Но чем сильнее трение, тем больше выделяется тепла. Нагрев со скоростью растет, а охлаждение ухудшается.

Шарики, катясь по канавке, касаются ее лишь в точке, вернее в крохотной площадке, да и то на очень короткое время. Коснулась площадочка канавки, и до следующего прикосновения она «отдыхает», охлаждается. Тепло успевает рассеяться, площадка — остыть. В конце концов даже такой переменный нагрев приводит к тому, что шарики могут треснуть. Впрочем, при малых и средних скоростях это случается не скоро.

Скорости возросли, резко увеличился нагрев, перерывы в нагреве настолько малы, что шарик не успевает охлаждаться. Все больше и больше накапливается тепла, и твердый металла «размягчается», отказывается нормально работать.

Чтобы усилить отвод тепла от подшипника, смазку подают к нему под давлением, стараются прогнать через него больше смазки, уносящей тепло. В газотурбинных авиационных двигателях, например, где скорости вращения доходят до 15–18 тысяч оборотов в минуту, масло прогоняется через подшипники под давлением до 7–8 атмосфер.

Вообще со смазкой пришлось повозиться инженерам немало. Так, однажды изготовили шпиндель, все учли и проверили, еще раз проверили и запустили станок. Сначала все шло хорошо — обороты растут, смазка происходит нормально.

Прибавили обороты — смазка ухудшилась, станок едва не вышел совсем из строя. И так каждый раз: еще не достигли и половины нужных оборотов, а дальше идти нельзя.

Решили, что смазка, видимо, теряет вязкость, и масляная пленка, эта защита от «сухого» трения, не выдерживает, рвется. Взяли смазку повязче — обороты прибавились.

Все же долгой бесперебойной работы добиться не могли. Смазка сильно нагревалась. Позаботились об искусственном охлаждении подшипника.

Задумались над тем, как подавать смазку. Оказалось, что лучше ее подавать каплями. Всего одна-две капли в минуту — и быстроходный шпиндель работает нормально.

Устроили специальный разбрызгиватель, чтобы подавать масло мелко распыленным. Кроме того, на помощь призвали сам подшипник. Вращаясь, он засасывает масло, а воздух, вихрями кружась вокруг, выбрасывает смазку из подшипника. Подшипник сам перекачивает масло из одного маленького бачка в другой. Остается соединить их трубкой — и маслосистема готова.

Тем не менее подшипник не гарантирован от неприятностей, если обороты очень велики. И инженеры ищут способы улучшить его конструкцию.

Слабое место шарикоподшипника — сепаратор. Это тонкое кольцо с гнездами для шариков, которые не дают им «рассыпаться» как попало между верхним и нижним кольцами подшипника.

Разрез мощной советской паровой турбины высокого давления.

Шарики истирают гнезда сепаратора — и в конце концов он разрушается. Неизбежна авария. Конечно, в этом виноват не один сепаратор: тут и нагрев, и порча трущихся поверхностей, которые начинают «шелушиться». Но все же главное зло в сепараторе, и на него пришлось обратить особое внимание.

Подобрали материал, на который можно положиться. Часто применяют теперь пластмассу — текстолит — и легкие сплавы. Укрепляя слабое место подшипника, отказались от штамповки и от клепки — начали сепаратор делать цельным, гнезда сверлить и отделывать с предельной тщательностью.

С другой стороны, попробовали подшипник еще упростить.

В некоторых образцах избавились от сепаратора. Попытались отказаться от внутреннего кольца. Вместо него на валу сделали желобки, в которых и катятся шарики. Эти подшипники применяются в шпинделях, где скорость вращения доходит до сотни тысяч оборотов в минуту.

Таким путем приспосабливали подшипники качения для работы при больших скоростях.

И в простых и в сложных машинах можно встретить другой подшипник — подшипник скольжения, который должен работать при малых и при больших нагрузках, при низких и высоких скоростях.

Нагрев — враг и этого подшипника.

Высокоскоростные шарикоподшипники.

Исчерпаны ли все средства борьбы с врагом подшипника — перегревом? Нет. К такому выводу пришел советский ученый профессор А. К. Дьячков. Он нашел новый путь для того, чтобы продлить жизнь подшипника скольжения, отодвинуть предел скорости, когда нагрев не позволяет подшипнику работать.

Нам нетрудно понять, что это значит для техники больших скоростей.

Во многих машинах нагрев получается гораздо более сильным, чем может выдержать шарикоподшипник. Не только потому, что растут обороты, нагрузки, растет трение, нагревается вязкая смазка. Многие скоростные машины работают при высоких температурах.

Например, подшипники газовых турбин нагреваются почти до 200 с лишним градусов. Вот почему смазку к ним подают под сравнительно большим давлением. Но даже и этого оказывается мало, и подшипники еще дополнительно охлаждают воздухом.

И не в одних только турбинах тяжело приходится работать подшипнику. Во всех тепловых двигателях, — а их мы найдем всюду, — есть нагрев. Моторы автомобилей, тракторов, танков, — всех машин, где тепло служит человеку, — нагреваются при работе. А в связи с ростом скорости нагрев становится грозным врагом, не только тепловых двигателей, но и всех быстроходных машин, где служат подшипники скольжения.

Как можно увеличить отвод тепла, избежать опасного перегрева? Только ли тем, что повышать давление масла?

После нескольких лет упорной работы нашел ответ на этот вопрос А. К. Дьячков.

Нужно заставить масло само бороться с нагревом: не только смазывать, но и охлаждать подшипник. На первый взгляд — парадокс: масло, которое, нагреваясь, разжижается и теряет несущую способность, должно продлить жизнь подшипника!

Но такова диалектика развития техники. Врага машины при известных условиях можно сделать другом, помощником.

Заглянем внутрь подшипника. Мы говорили о том, что местная толщина масляного слоя между шипом и подшипником — величина переменная. Против отверстия, откуда подается смазка, может оказаться узкое место, где масляный слой всего меньше. Тогда масло, входя в подшипник, неизбежно сначала должно пройти через это самое узкое, самое тесное место. Только потом оно попадает в более широкое «русло» — расширяющееся расстояние между трущимися поверхностями.

Дьячков обратил внимание на то, что подшипник не нагревается всюду одинаково. Возникают «горячие зоны», где происходит перегрев. А здесь-то, как мы знаем, и таится опасность. Падает прочность и стойкость против коррозии подшипникового сплава.

Сколько тепла от нагретого подшипника может масло забрать и унести с собой? Очевидно, тем больше, чем больше пройдет его через подшипник за одно и то же время. Увеличить же подачу масла мешает «ловушка», узкое место у смазочного отверстия. Увеличивая давление, мы помогаем маслу быстрее пройти через это узкое место.