Подшипники вентиляторов: Sleeve, Ball, Hydraulic, MagLev
От типа подшипника зависят шум, ресурс и цена вентилятора. Сравниваем подшипники скольжения, качения, гидродинамические и магнитные.
Почему вентиляторам уделяют внимание
КПД электроники и моторов далёк от ста процентов, и часть энергии неизбежно превращается в тепло. Перегрев вреден для самих компонентов и опасен возгоранием. Пока тепла немного, хватает пассивного охлаждения за счёт конвекции; когда оно не успевает рассеиваться, нужен принудительный поток воздуха. Даже жидкостные системы в итоге отдают тепло воздуху, так что без вентиляторов не обойтись.
В 3D-принтере вентиляторов особенно много: они охлаждают электронику, двигатели и застывающий пластик. От их работы зависят качество и скорость печати, шум, вибрации, безопасность и срок службы устройства. А свойства самого вентилятора во многом определяет подшипник — один из трёх ключевых узлов наряду с мотором и крыльчаткой.
Откуда взялся подшипник
Облегчить вращение пытались с древности: в колёсах, дверях, колодцах, жерновах. Чтобы уменьшить трение, сокращали площадь контакта, опирая деталь на заострённый наконечник, шип; отсюда и название. Позже шип и седло стали делать из всё более твёрдых материалов: дерево сменила сталь, затем минералы. Такие опоры применяются до сих пор, например рубиновые в механических часах. Но шиповая конструкция выдерживает небольшую нагрузку, поэтому для нагруженных механизмов появились смазка и тела вращения.
Скольжения (Sleeve) и гидродинамические (Hydraulic)
В подшипнике скольжения трущиеся поверхности разделены слоем масла. Микронеровности вала захватывают смазку и переносят её в зону трения, образуя так называемый масляный клин. Трение, нагрев и износ резко снижаются, а узел выдерживает большие нагрузки и высокие обороты.
- Сильные стороны: простота, дешевизна и надёжность, тихая работа в исправном состоянии, большой ресурс при правильном уходе, лёгкое обслуживание. О приближающемся отказе подшипник заранее сообщает скрипом и шумом
- Слабые стороны: при нагреве масло теряет свойства, а при сильном перегреве клин разрушается и начинается сухое трение; смазка со временем высыхает, может вытекать и загрязняться, поэтому нужны герметизация, чистка и замена масла; играет роль ориентация в пространстве, особенно при пуске после долгого простоя
Гидродинамический подшипник — развитие той же идеи. На трущихся поверхностях сделаны канавки, которые направляют масло в рабочую зону и поддерживают нужное давление в клине даже на минимальных оборотах и при высоких нагрузках. Такие узлы дороже, но служат значительно дольше.
Вентиляторы на подшипниках скольжения — самые распространённые и доступные, ими комплектуют оборудование по умолчанию. При своевременной смазке они работают годами.
Качения (Ball)
Здесь между валом и корпусом находятся шарики, ролики или иглы, а сепаратор держит их на равном расстоянии друг от друга. Тела вращения катятся одновременно по внутреннему и внешнему кольцу. Смазка в теории не нужна, но её добавляют, главным образом для снижения трения в сепараторе. Потери связаны в основном с пластической деформацией колец и тел качения, поэтому детали изготавливают из твёрдых сплавов, а иногда из керамики.
- Достоинства: долговечность, высокая нагрузочная способность, отсутствие трения покоя, точность и работа без вибраций в исправном состоянии, устойчивость к перегреву, минимум обслуживания
- Недостатки: шумнее подшипников скольжения, причём шум со временем растёт; дороже, крупнее и тяжелее; небольшая поломка быстро выводит узел из строя; ремонту почти не поддаются; на высоких оборотах изнашиваются быстрее
Их рекомендуют для пыльных, жарких и труднодоступных мест, а также для крупных вентиляторов с тяжёлой крыльчаткой и невысокой скоростью вращения.
Отдельный случай — игольчатые подшипники, гибрид двух типов: длинные тонкие ролики работают в пространстве, полностью заполненном маслом. На малых оборотах узел ведёт себя как подшипник качения, на больших — как скольжения. Он дорог и сложен, применяется в основном в аэрокосмической технике, а в 3D-принтерах и станках ЧПУ не используется.
Магнитная левитация (MagLev)
В маглеве ротор подвешен в переменных магнитных полях, и трение сводится практически только к воздушному. Со временем такой подшипник выходит из строя из-за размагничивания, но обычные, как правило, ломаются раньше.
- Плюсы: высокий КПД, отсутствие нагрева и износа, высокие скорости, бесшумность, работа без смазки и обслуживания в широком диапазоне температур
- Минусы: сложность, заметные размеры и вес, высокая цена и редкость, непригодность для больших нагрузок, возможные вибрации на резонансных частотах, неремонтопригодность, чувствительность к ударам
Маглевы стоят в несколько раз дороже обычных вентиляторов, от двух раз и выше в зависимости от размера и мощности. Выбор типоразмеров ограничен, поэтому нередко оборудование приходится подстраивать под вентилятор. Для обдува зоны печати они редки: уместить такой подшипник в маленький корпус трудно, и чаще их ставят на охлаждение электроники в замкнутом пространстве.
Практические выводы
Для большинства задач, включая охлаждение электроники и зоны печати, подходят недорогие и неприхотливые вентиляторы на подшипниках скольжения. Крупные, мощные и медленные модели лучше брать на подшипниках качения. Маглев оправдан там, где нужны очень высокие обороты или минимальный шум, например при высокоскоростной печати.
Менять исправные штатные вентиляторы нового принтера незачем: подшипник скольжения сам предупредит об износе. А снизить шум можно без замены, уменьшив скорость. Так, резистор на 100 Ом в цепи питания 12-вольтового вентилятора делает его заметно тише при небольшой потере эффективности.