Полускоростной вихрь. Описание

При достаточно высокой скорости вращения большинство радиальных подшипников входит в режим полускоростного вихря. Это означает, что если скорость вращения вала постепенно возрастает и при этом не возбуждается ни один из описанных выше видов синхронных вибраций вала или упорной пластины, то в конце концов, и притом довольно внезапно, либо вал, либо подшипники начинают вибрировать, описывая вихревые траектории в направлении собственного вращения со скоростью, близкой к половине скорости вращения вала.

Скорость, при которой происходит переход от установившегося рабочего режима к вихреподобному движению, называется пороговой скоростью полускоростного вихря, и ее величина зависит от значений параметров подшипника и от массы или момента инерции вала или подшипников. Если скорость вращения и далее продолжает возрастать, то амплитуда вихря увеличивается до тех пор, пока не произойдет соприкосновение поверхностей шипа и подшипника, вызывающее их повреждение. Итак, важно заранее рассчитать эту пороговую скорость для любой заданной конструкции и позаботиться о том, чтобы рабочая скорость вращения была ниже этой величины.

Вращающийся вал стремится войти в режим вихря или, иначе говоря, в режим орбитального движения относительно своего положения равновесия в направлении собственного вращения потому, что, как известно из теории смазки, при смещении вала из его положения равновесия восстанавливающая сила W действует под углом ϕ (угол положения) к направлению смещения.

Рис. 3.6. Восстанавливающая сила в радиальном подшипнике

Как видно из фиг. 3.6, вал А смещен от центрального положения равновесия О. Восстанавливающая сила W направлена не к центру, а повернута на угол ϕ от этого направления в сторону вращения. Составляющая этой силы Wsinϕ вызывает вихревое вращение вала, и когда его скорость становится близкой к половине скорости вращения вала, наступает неустойчивость. Физический механизм возникновения этой неустойчивости при скорости, равной половине скорости вращения вала, может быть качественно описан следующим образом:

1. В аэродинамическом подшипнике средняя скорость перетекания смазки по зазору подшипника, при которой поддерживается необходимое распределение давления, равна половине окружной скорости вала и направлена в сторону вращения. Это показано на фиг. 3.7,а.

Рис. 3.7. Течение смазки в процессе полускоростного вихря: а — профиль скоростей в условиях полускоростного вихря. Средняя скорость смазки по зазору равна половине скорости поверхности вала; б — эквивалентное условие в системе координат, вращающейся с угловой скоростью ω/2

2. Если центр вала описывает траекторию в направлении вращения вала со скоростью, равной половине скорости этого вращения, то профиль образующегося при этом между валом и подшипником зазора (сужающегося с одной стороны и расширяющегося с другой) будет также поворачиваться относительно подшипника с той же половинной угловой скоростью. Так, например, положение минимального зазора будет перемещаться также с половинной скоростью.

3. Таким образом, смазывающая жидкость перетекает в зазоре с такой же скоростью, с какой перемещается профиль зазора, так что не может образоваться перепада давлений, и силы, действовавшие со стороны смазки, исчезают.

Это можно уяснить также путем сравнения режима полускоростного вихря (фиг. 3.7, а) с эквивалентными условиями (фиг. 3.7, 6), при которых в системе вал — подшипник создается противовращение со скоростью ω/2. Поскольку в этих условиях смазывающая жидкость не перетекает по зазору подшипника, то поддерживающий эффект при этом отсутствует.