МАГНИТНЫЙ ПОДШИПНИКОВЫЙ УЗЕЛ Российский патент 1997 года по МПК F16C39/06 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к опорным узлам.

В машиностроении известна задача поддерживания вращающихся валов в пространстве. Данная задача решается при помощи различного рода подшипников.

Известны подшипники скольжения, в которых цапфа вала скользит по поверхности подшипника. Для уменьшения износа поверхностей цапфу вала и опорную поверхность подшипника разделяют слоем смазки. Для длительного существования масляного слоя в нем создают избыточное давление.

В подшипнике с гидродинамической смазкой избыточное давление создается за счет движения цапфы вала. Как показано в [1] сила F, уравновешивающая нагрузку вала P, равна:

где m коэффициент вязкости жидкости;
w угловая скорость вала;
R радиус вала;
e=R′-R R радиус опорной поверхности подшипника;
λ=e/ε
e эксцентриситет вала.

К недостаткам гидродинамических подшипников относятся: высокая чувствительность к перекосам вала;
"схватывание" местная потеря масляной пленкой своей скользящей способности из-за повышенных местных давлений и температуре.

Известны подшипники качения, в которых цапфа вала опирается на элементы качения (шарики или ролики). По сравнению с подшипниками скольжения подшипники качения характеризуются меньшими моментами сил трения, пусковыми моментами, пониженным теплообразованием и расходом смазочных материалов.

К недостаткам подшипников качения относятся:
высокие контактные напряжения и поэтому ограниченный срок службы;
меньшая по сравнению с подшипниками скольжения способность демпфировать колебания.

При остановке подшипника смазочное масло стекает с поверхностей, поэтому при последующем пуске проходит определенное время, в течение которого восстанавливается режим жидкостной смазки. В указанный промежуток времени резко возрастает износ поверхностей, в связи с чем возникает задача снижения трения в узле.

Одним из вариантов решения этой задачи является применение смазочных материалов, в состав которых введены мелкодисперсные частицы ферромагнетика
магнитных жидкостей [2] Магнитные жидкости легко удерживаются на поверхности магнитным полем, что определяет широкое их использование в различных устройствах.

Известно техническое решение [4] в котором магнитная смазка циркулирует в зазоре между валом и опорной втулкой за счет вращения самого вала. Недостатком данного устройства является тепловой разогрев смазки, поскольку скорость движения жидкости в зазоре пропорциональна w, а мощность тепловыделения ω² [3]
Известен подшипник скольжения [5] в котором указанный недостаток устраняется за счет применения электромагнитов, перекачивающих магнитную смазку. Регулируя силу тока в электромагнитах, изменяют скорость течения смазки.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является магнитожидкостной узел [6] содержащий установленный в корпусе постоянный магнит с полюсными наконечниками, вал, опорный элемент, размещенный между полюсными наконечниками, и магнитную жидкость в рабочих зазорах. Полости, заполненные магнитной жидкостью, сообщаются между собой через зазор между втулками, установленными на валу и являющимися частью магнитопровода. Магнитопровод и постоянный магнит образуют магнитожидкостное уплотнение, препятствующее вытеканию магнитной жидкости из узла.

К недостаткам данного устройства относятся:
нетехнологичность конструкции (наличие втулок сложной геометрии);
возможность возникновения кавитации в устройстве.

Целью изобретения является:
повышение технологичности устройства;
возможность регулирования поддерживающей силы вала;
возможность компенсации температурных изменений вязкости смазывающей жидкости;
снижение тепловыделения;
снижение износа цапфы вала.

Поставленная цель достигается тем, что магнитный подшипниковый узел, содержащий установленные в корпусе постоянный магнит с полюсными наконечниками, проходящий через корпус вал, опорный элемент, размещенный между полюсными наконечниками, и магнитную жидкость в рабочих зазорах, снабжен регулируемым электромагнитом, охватывающим вал, а в магнитной жидкости размещают элементы качения, причем радиус элементов качения r определяют из расчетного соотношения , где R₁ радиус отверстия опорного элемента, R₂ радиус цапфы вала.

На фиг.1 представлено поперечное сечение узла; на фиг.2 и 3 представлено поперечное сечение рабочего зазора в статическом (фиг.2) и динамическом (фиг. 3) режимах работы; на фиг.4 указаны силы, действующие на вал и опорный элемент; на фиг.5 представлена система автоматического регулирования положения вала.

Магнитожидкостной подшипниковый узел содержит корпус 1, проходящий через корпус вал 2. Две полюсных насадки 3 расположены по обе стороны опорного элемента 4, между полюсными наконечниками на внутренней поверхности корпуса 1 также расположены постоянный магнит 5 и электромагнит 6, образующие магнитную систему. В рабочем зазоре между опорным элементом и валом располагается магнитная смазывающая жидкость 7, в котором находятся сферические магнитные частицы 8. Магнитная система, полюсные наконечники и магнитная смазка образуют магнитожидкостное уплотнение, не позволяющее смазке вытекать из узла.

В статическом положении (см. фиг.2) цапфа вала контактирует с опорным элементом 4 не непосредственно, как в подшипниках скольжения, а через сферические частицы 8 (опирается на частицы), как в подшипнике качения. Магнитная жидкость эффективно смазывает цапфу вала, т.к. практически вся поверхность цапфы в узле контактирует со смазкой.

В динамическом режиме узел работает следующим образом. При малых скоростях вращения вала поддерживающая сила F не может уравновесить вес тела P, поэтому цапфа вала опирается на сферические частицы (см. фиг.2). Фактически узел работает аналогично подшипнику качения. При этом цапфа вала практически не изнашивается, а тепло практически не выделяется, поскольку осуществляется режим трения качения.

При увеличении частоты вращения вала поддерживающая сила F начинает превышать вес вала P, цапфа вала "всплывает", перестает опираться на сферические частицы, и узел начинает работать как подшипник скольжения (см. фиг.3). Отметим, что центробежные силы F_ц и возникающая при вращении вала, приводящего в движение смазочную жидкость, будут прижимать сферические частицы 8 к внутренней поверхности опорного элемента 4, и вал 2 будет вращаться в слое жидкости, не касаясь частиц.

Принципиальной особенностью устройства является возможность изменять вязкость смазочной жидкости посредством электромагнита, т.к. при увеличении внешнего магнитного поля вязкость магнитного поля вязкость магнитной жидкости увеличивается [3] Следовательно, изменяя силу в обмотке электромагнита, возможно регулировать как величину "подъемной силы F, так и компенсировать температурное изменение вязкости смазывающей жидкости.

Как следует из вышесказанного, устройство обладает достоинствами как подшипника качения, так и подшипника скольжения, в то же время лишено их основных недостатков, а также позволяет регулировать "подъемную" силу и компенсировать температурное изменение вязкости смазывающей жидкости.

Таким образом, устройство обладает качественно новым режимом работы: при малых скоростях в режиме качения, при больших в режиме скольжения.

Существенным фактором, определяющим функционирование устройства, являются свойства материала, из которого изготовлены элементы качения.

В случае, если элементы качения обладают магнитными моментами вдоль силовых линий, вязкость магнитной смазки при этом возрастает. Таким образом, выбором материала частиц можно регулировать "подъемную" силу в устройстве.

Магнитные моменты элементов качения, взаимодействуя между собой, будут создавать силы отталкивания F_м, препятствующие сближению элементов качения, т.е. в заявляемом устройстве отпадает необходимость в применении сепаратора.

Силу F_м можно регулировать как с помощью магнитного поля электромагнита, так и варьированием магнитной проницаемости элементов качения, например, изменяя величину объемной доли магнетика в немагнитной фазе. Отметим, что магнитное поле также будет расталкивать в магнитной жидкости и немагнитные элементы качения, поскольку они также будут искажать внешнее магнитное поле.

К достоинствам устройства относится:
снижение износа цапфы вала;
снижение тепловыделения в узле;
возможность регулирования поддерживающей силы вала.

Отличительными от прототипа признаками изобретения являются:
использование магнитной системы, позволяющей регулировать магнитное поле;
наличие элементов качения в смазывающей магнитной жидкости, размер которых определяется из расчетного соотношения;
качественно новый режим работы устройства;
возможность регулирования несущей способности узла.

Возможность осуществления устройства обеспечивается наличием широкого класса технологических магнитных жидкостей, изменяющих свою вязкость в широких пределах под действием магнитного поля.

Данное устройство позволяет реализовать автоподстройку положения вала за счет применения следящей системы с обратной связью (см. фиг.4). Положение вала 2 внутри корпуса 1 определяется датчиком 9, например, оптическим. Сигнал с датчика 9 поступает на блок управления 10, который формирует управляющий ток 1 для электромагнита.

Использование: в регулируемых опорных узлах. Сущность: магнитоуправляемый подшипниковый узел содержит установленный в корпусе постоянный магнит с полюсными наконечниками, между которыми расположен регулируемый электромагнит, охватывающий вал. В зазоре между опорным элементом и валом расположена магнитная жидкость с размещенными в ней элементами качения с радиусом, меньшим разности радиусов отверстия опорного элемента и цапфы вала. 5 ил.

Магнитный подшипниковый узел, содержащий установленный в корпусе постоянный магнит с полюсными наконечниками, проходящий через корпус вал, охватывающий его опорный элемент, расположенный между полюсными наконечниками, и магнитную жидкость в рабочем зазоре, отличающийся тем, что в корпусе между полюсными наконечниками расположен регулируемый электромагнит, охватывающий вал, а в магнитной жидкости размещены элементы качения, причем радиус элементов качения определяется из расчетного соотношения

где R₁ радиус внутренней поверхности опорного элемента;
R₂ радиус цапфы вала;
r радиус элемента качения.