Результат интеллектуальной деятельности: УПОРНЫЙ ПОДШИПНИК ЖИДКОСТНОГО ТРЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в энергетике, судостроении, металлургии, для обеспечения долговечной, надежной работы оборудования (турбины, компрессоры, двигательные установки, центрифуги и т.д.) с возможностью редких остановок, при более простой в изготовлении и обслуживании конструкции упорного подшипника.

Известный упорный подшипник жидкостного трения Мичелля [1, с. 102-106], [2, с. 84-86], состоящий из двух металлических вкладышей (корпусов), внутри которых расположены две упорных шайбы - неподвижная и вращающаяся вместе с валом. Между шайбами кольцеобразно расположен ряд стальных или бронзовых колодок (сегментов), залитых с рабочей стороны тонким слоем баббита. Каждый сегмент на противоположной стороне, которая залита баббитом, имеет ребро, относительно которого он может, в пределах нескольких градусов, поворачиваться. Во время вращения упорной шайбы, установленной на валу, масло вовлекается в зазор между шайбой и сегментами, автоматически поворачивает сегменты вокруг ребер и формирует масляные клинья, создающие гидродинамические силы, уравновешивающие осевые нагрузки машины. Равномерно распределенные нагрузки по сегментам получают чаще всего опирая их на упругие кольца, или на рычаги, или на шарики [2, с.85].

Недостатками данного подшипника являются сложность конструкции, высокие требования к точности изготовления деталей и их монтажу. Кроме того, такой подшипник плохо переносит резкие перегрузки [1, с. 464-465], что может привести к серьезным авариям [1, с. 467-470]. Подшипник может работать только в одном направлении вращения (либо по часовой стрелке, либо против).

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является упорный подшипник жидкостного трения [2, с. 84-86, фиг. 24, фиг. 25], рабочая часть которого состоит из пяты в виде кольца, установленного на валу, с гладкой рабочей поверхностью и кольцевого подпятника, опирающегося на корпус машины и имеющего со стороны пяты неподвижные сегменты, каждый из которых образован двумя плоскостями: параллельной рабочей плоскости пяты и наклонной к этой же плоскости. Наклонная поверхность каждого сегмента при вращении пяты, за счет увлекаемого ею масла, формирует масляный клин, создает гидродинамическую силу поддержания пяты.

Отмеченный упорный подшипник жидкостного трения требует высокой точности обработки для сегментов подпятника, которая достигается несколькими операциями - черновым и чистовым фрезерованием, черновым и чистовым шлифованием, доводкой (получением плоских вершин микронеровностей). В связи с тем, что сегменты выполняются без термообработки, этот подшипник нельзя использовать в режимах работы с пусками и остановками, во время которых он работает в условиях полусухого трения, что приводит к износу сырых рабочих поверхностей и, соответственно, снижению надежности работы машины в целом. Подшипник непригоден для работы со сменой направления вращения.

Задачей изобретения является создание упорного подшипника жидкостного трения, могущего работать в двух направлениях его вращения, при незначительном количестве пусков и остановок, не боящегося кратковременных перегрузок и не требующего высокоточного станочного оборудования и многочисленных операций при его изготовлении, не нуждающегося в доводке и простого в монтаже и эксплуатации.

Поставленная задача достигается тем, что в упорном подшипнике жидкостного трения, включающем кольцевую пяту с гладкой рабочей закаленной поверхностью и кольцевой подпятник, расположенные в корпусе машины, согласно изобретению на рабочей поверхности подпятника расположены выпуклые валики из мелкоигольчатого мартенсита, боковые поверхности которых образуют совместно с пятой клинья, при этом валики расположены на рабочей поверхности подпятника по радиусам и они отстоят друг от друга на расстоянии L=(1,5÷3)h на внутреннем диаметре подпятника D₀ (h - ширина валика) и продолжаются до наружного диаметра D_max, образуя первую систему, на диаметре D₁=2D₀ расположены начала валиков второй системы, продолжающиеся до наружного диаметра D_max и находящиеся посередине между валиками первой системы, а на диаметре D₂=4D₀ расположены начала валиков третьей системы, продолжающиеся до наружного диаметра D_max и находящиеся посередине между валиками первой и второй систем.

В упорном подшипнике жидкостного трения, включающем кольцевую пяту с гладкой рабочей закаленной поверхностью и кольцевой подпятник, расположенные в корпусе машины, согласно изобретению на рабочей поверхности подпятника расположены выпуклые валики из мелкоигольчатого мартенсита, боковые поверхности которых образуют совместно с пятой клинья, при этом мартенситные валики одной длины расположены по радиусам в диапазоне диаметров подпятника от (0,5÷0,8) D_max до D_max.

Выполнение мартенситных валиков на рабочей поверхности износостойких пар трения на изделиях из конструкционных сталей известно (см. патент РФ №2486002), однако такое расположение валиков возможно только для изделий, работающих в тяжелых условиях с возвратно-поступательным движением.

На фиг. 1 показана схема упорного подшипника (разрез); на фиг. 2 - расположение мартенситных валиков на подпятнике упорного подшипника жидкостного трения, могущего работать в двух направлениях вращения при Д_max<150 мм; на фиг. 3 - расположение мартенситных валиков на подпятнике реверсивного упорного подшипника жидкостного трения для диаметров Д_max>150 мм; на фиг. 4 - положение валиков относительно друг друга в начале любой системы.

В предлагаемом подшипнике на валу машины установлена пята 1 (фиг. 1), выполненная из конструкционной стали, закаленная ТВЧ со стороны рабочей поверхности 3 и подвергнутая шлифовке. Подпятник 2 опирается сферической поверхностью в корпус машины 4 и удерживается от поворота установочным болтом 5.

На фиг. 4 обозначено 6 - поперечное сечение валика; между валиками пространство заполнено маслом; m - высота валика над поверхностью подпятника m=(0,3-1,5) мм; h - ширина валика; С - опорная поверхность валика. С=(h-2d); d - длина масляного клина d=3-4 мм; L - расстояние между валиками (минимальное) L=(1,5÷3)h, где h - ширина валика.

Масло подается через центральное отверстие в подпятнике, создает гидродинамические силы поддержания пяты на клиновых поверхностях мартенситных валиков и уходит в циркуляционную систему.

Для возможной работы подшипника в двух направлениях вращения при D_max<150 мм (фиг. 2) мартенситные валики располагают в радиальном направлении в виде 3-х систем. Первая система начинается от внутреннего диаметра подпятника и продолжается до диаметра D_max (система I, на фиг. 2). На диаметре D₀ валики отстоят друг от друга на расстоянии L=(1,5-3)h, где h - ширина валика. Вторая система валиков начинается от диаметра D₁=2D₀ и продолжается до диаметра D_max (система II на фиг. 2). Валики второй системы располагают по середине между валиками 1-й системы. Валики 3-й системы начинаются от диаметра подпятника D₂=4D₀ и продолжаются до D_max (система III на фиг. 2). Располагаются эти валики посредине между валиками 1-й и II-й систем.

В случае значительного наружного диаметра подпятника, когда D_max>150 мм, площадь клиновых поверхностей валиков велика и их располагают в виде одной системы, которая начинается от диаметра D=(0,5-0,8) D_max и продолжается до диаметра D_max (фиг. 3), что упрощает процесс изготовления валиков. На диаметре D валики располагают на расстоянии L=(1,5-3)h.

Подшипник работает следующим образом. Перед началом работы в центральное отверстие подпятника подают масло под давлением 150-200 кПа, которое заполняет масляные карманы между мартенситными валиками, после чего запускают машину вхолостую и окружную скорость подшипника доводят до значений выше 2-3 м/с. Масло, увлекаемое вращающейся пятой, затягивается в сужающийся клиновой зазор между пятой и наклонными бортами мартенситных валиков трех систем I, II, III, фиг. 2, где и создает гидродинамические силы поддержания. Пята «всплывает» (образует зазор) над опорными поверхностями валиков С (фиг. 4), полусухое трение переходит в жидкостное трение. После этого дают нагрузку машине и технологические осевые нагрузки полностью воспринимаются гидродинамическими силами поддержания. В связи с симметричным расположением мартенситных валиков на рабочей поверхности подпятника направление вращения пяты может быть как по часовой стрелке, так и против.

При случайных чрезмерных нагрузках, а также в случае аварийных ситуаций, подшипник переходит в условия работы с полусухим трением. Опорные поверхности валиков C (фиг. 4) нагреваются, однако они могут работать до тех пор, пока не начнется структурное превращение мелкоигольчатого мартенсита трения в аустенит (это соответствует массовой температуре в 840°C), на что необходимо достаточно времени, чтобы остановить машину и предотвратить аварию.

Когда осевые нагрузки машины велики и диаметр подшипника жидкостного трения D_max>150 мм (может достигать до 500-600 мм). С целью упрощения изготовления подпятника мартенситные валики располагают в диапазоне диаметров от D до D_max, где D=(0,5-0,8)D_max. Валики располагают по радиусам, и подпятник может работать при вращении пяты как по часовой стрелке, так и против.

Работа подшипника заметно стабилизируется, когда опорные поверхности C (фиг. 4) подвергают шлифовке и жидкостное трение наступает при меньших зазорах между закаленным слоем 2 (рабочей поверхностью) пяты и опорными поверхностями валиков C, причем все зазоры при этом практически одинаковы.

Источники информации

1. С.М. Лосев. Паровые турбины и конденсационные устройства. Изд. четвертое, переработанное и дополненное. НКТП СССР. Объединенное научно-техническое издательство. Главная редакция энергетической литературы. Москва-Ленинград. 1935. 528 с.

2. Детали машин. Сборник материалов по расчету и конструированию в двух книгах. Издание второе, исправленное и дополненное. Книга II, под редакцией д.т.н., проф. Н.С. Ачеркана. М.: Машниз. 1953. 560 с.

3. RU 2466002 C1, МПК B23P /02 (2006.01).