Техника - молодёжи 1975-02, страница 46

Еще меньшее трение при тгжом же весе подвижных частей дают опоры на кернах (рис 20) Керн — это сталы-.ая каленая цапфа конической формы и с окончанием в виде полированной сферы очень малого радиуса, измеряемого сотыми долями миллиметра. Подпятник же, изготовляемый обычно из агата, рубина и тому подобных камней, имеет углубление несколько большего радиуса При этом керн соприкасается с подпятником по коошечной поверхности, практически в точке. Такие опоры применяются, например, в известных всем электросчетчиках, где они поддерживают вращающуюся ось диска, обод которого виден через смотровое окошко

Почти в пять раз меньш-эе трение, чем в керновом подшипнике у так называемой опоры ча капле (рис. 21). Подьижная часть весом до нескольких граммов удержиьае^ся благодаря поверхностному натяжению каг.ли, обычно ртути. Трение между ее слоями и определяет сопротивление вращению Одно здесь плохо: точность центрирования у таких опор невелика; к тому же ось вращения может быть толь.<о вертикальной.

Но есть опоры, в которых ирение настолько мало, что его трудно обнаружить, то есть практически равно нулю. Это опоры с трением упругости, работающие как на изгиб, — упругие шарниры, так и на кручение — торсионы (рис. 22). К сожалению, перемещения подвижной части в них ограничены и сводятся к колебаниям В качестве торсионов выгодно применять очень тонкие и длинные проволочки и волокна которые могут «выстоять» значительные углы закрутки ^до нескольких оборотов). Правда, они должны быть максимально прочными, чтобы удержать подвижную часть. Для современных точных приборов идут волокна графита, кьарца, а также монокристаллы («усы») железа, сапфира и некоторых других веществ, у которых фантастическая прочность — до нескольких тысяч килограммов на квадра^тный миллиметр Это в несколько сот раз больше, чем у обычной стали!

Конечно, если бы подобные торсионы можно было Ьы использовать не только для колебательных движений, но и для непрерывного вращения, то проблема создания идеальных подшипников была бы решена... Но, увы, столь смелым мечтам, видимо, не суждено сбыться, А потому рассмотрим пути снижения трения в обычных опорах. Таких путей сегодня достаточно много, однако мы ограничимся всего трем* осноч-ными: принудительное движение подшипников по отношению к цапфе магнитная разгрузка и использование эффекта сверхнизкого трения.

Принудительное движение подшипника по отношению к цапфе может быть осевым и вращательным Пример перього случая показан на рисунке 23. В электромагнит подается переменный ток, и якорь (а вместе с ним и вкладыш) приводится в колебательное движение. Вкладо1ш в котором вращается цапфа, при этом скользит вдоль оси, Результат налицо — в момент трогания трение в таком подшипнике скольжения снижается в 200 раз! Для подшипникол качения эффект от этого мероприятия гораздо меньше, но все-таки трение и здесь сокращается в несколько раз.

Вращением или колебанием наружного кольца можно добиться десятикратного уменьшения сопротивлений для подшипников как скольжения, так и качения. Для этого иногда г.омещакп е. о внутрь другого, еще б( льшего кольца (рис. 24).

Описанный способ хотя и приводит к снижению сопротивлений в опорах, но требует усложнения их конструкций и дополнительных затрат энергии Между 1ем от последнего недостатка избавлен другой метод — магнитная разгрузка опор. Еще в середине прошлого века Эрншоу и Максвелл провели первые опыты по магнитному подвешиванию ферромагнитных тел. Кстати, они Заодно доказали что с помощею только постоянных магнитов нельзя добиться полного «рывешивания» ферромагнитного тела (это опровергает популярное объяснение причины «парения» «гробг. Магомета» за счет магнитов). Магнитная разгрузка опор применяется в ряде приборов, например, в электросчетчиках, а та.еже в более мощных устройствах — инерционных аккумуляторах и даже турбогенераюрах на электростанциях.

При горизонтальной оси вращения применяются кольцевые магниты с радиальной намагниченностью, то есть такие, у которых внешняя поверхность одной польрности, а внутренняя — друюй (рис. 25) Небольшие магниты, вращающиеся на оси, вставляются в крупные неподвижные, причем внутренняя поверхность чнешних магнитов и внешняя — внутренних одинаковой полярности Магнитные силы отталкивания стремятся поддержать небольшие магниты в центре крупных, вывешизая за крепленный на оси груз При этом подвижная часть будет «выталкиваться» в осевом направлении, и никакими постоянными магнитами эту неустойчивость не устранить. Здесь используются жесткие фиксирующие опоры, например иглы. Нагрузка на них, разумеется, крайне мала.

Более грузоподъемны и технологичны магнитные опоры для верти

кальной оси (рис. 26) Они очень выгодны для подвешиьаних маховиков инерционных аккумуляторов (см «ТМ», № 6, 1973 г.). Сейчас созданы мощные постоянные магниты, позволяющие вывешивать весьма тяжелые маховики при малом собственном весе (до 3% от веса маховика}. Дополнительные фиксирующие опоры воспринимают в ocholhom лишь силы от толчкев и тряски вращаю ■цейся подвески. Сами магниты — с осевой намагниченностью, то есть их торцы имеют разную полярность. Расположены они на оси так, чтобы использовалась и сила притяжения, и сила отталкивания.

В первых моих опытах по магнитной разгрузке опор маховика инер • циоьного аккум/лятора, проведен ных лет десять назад, было достигнуто более чем 30-кратное снижение трения, Заметим, что в новейших конструкциях инерционных аккумуляторов, разраЬотанных в США доктором Д Рабепхорстол,, также предусматривается магнитная разгрузка опор маховика.

В приложении к точным приборам магнитные опоры имеют недостаток — при колебаниях температуры окружающей среды сила взаимодействия магни~ов меняется Это изменение очеиь незначительно, но для точных приборов даже еле заметное перемещение подьижной части может оказаться недопустимым Для устранения столь нежелательною явления мною совместно с М. Баш-коьой предложена магнитная опора с автокомпенсацией.

Посмотрите на рисунок 27. Неподвижный магнит устанавливается ia биметаллической пластинке, спаянной из двух металлов с разными коэффициентами теплового расширения, скажем стали и алюминия Такая пластинка, как известно, изгибается при изменении температурь-Например, при повышении температуры сила взаимодействия магнитов уменьшается, и подвижная часть может слегка «осесть». Но при этом биметаллическая пластинка прогибаете* и поднимает неподвижный магнит на величину предполагаемой осадки. В результате подвижная часть остается на прежней высоте.

В принципе с помощью магнитных опор можно добиться и полного «вывешивания» подвижной части Но для этого фиксирующие опоры нужно заменить управляемыми электромагнитами. За положением подвижной части следит датчик — фотоэлею{>и-ческий, индукционный и т. п. При малейшем перемещении подвижной части из-за неустойчивости датчик мгновенно срабатывает, Его сигнал, предварительно усиленный, поступает в соответствующий элек-|ромаг нит, «оття.ивьющий» подвижную часть в первоначальное положение, и т. д.

42