Результат интеллектуальной деятельности: ПОДШИПНИК СКОЛЬЖЕНИЯ

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, в частности к компрессорным машинам, насосам, двигателям и т.д., выполненным в бессмазочном исполнении, в которых происходит скольжение вала по поверхности подшипника без смазки.

Известен подшипник скольжения [Пат. РФ 2148736, МКИ⁶ F16C 33/20, F16С 27/02. Подшипник скольжения] из полимерных материалов, содержащий теплоотводящие элементы, выполненные в виде металлических колец, ширина которых равна толщине втулки, а внутренний диаметр равен наружному диаметру вкладыша из полимерного антифрикционного материала.

Известно, что полимерные композиционные материалы обладают низким значением коэффициента теплопроводности. Известно, что ресурс и надежность работы полимерного подшипникового узла существенно зависит от температуры на поверхности трения цапфы вала и подшипниковой втулки. Недостатком данного изобретения является размещение металлических теплоотводящих элементов на внешней поверхности полимерного подшипника, который имеет существенное значение термического сопротивления, что не позволяет интенсивно отводить тепло с поверхности трения подшипника.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является опора скольжения [Пат. СССР 1250749, МКИ⁶ F16C 17/02. Опора скольжения], содержащая цапфу вала и охватывающую ее втулку, оба торца которой выполнены наклонными к оси опоры и общая длина втулки равна или больше двойной длины опорной ее поверхности; при этом часть поверхности вала находится вне зоны трения и омывается охлаждающей средой (например, воздухом).

Указанная опора позволяет интенсифицировать отвод тепла из зоны трения, так как контакт охлаждающей среды осуществляется непосредственно с поверхностью металлического вала.

Недостатками прототипа являются: во-первых, увеличение осевых размеров подшипникового узла; во-вторых, в качестве охлаждающей среды в бессмазочных подшипниках может быть использован только газ, имеющий низкий коэффициент теплоотдачи, что не позволяет обеспечить интенсивное охлаждение поверхности вала.

Технической задачей данного изобретения является увеличение ресурса и расширение области применения подшипников скольжения, изготовленных из полимерных композиционных материалов, за счет снижения температуры трущихся поверхностей подшипника.

Известно [Основы трибологии (трение, износ, смазка) / Э.Д.Браун [и др.] / под ред. А.В.Чичинадзе: учебник для технических вузов. - М.: Центр "Наука и техника", 1995. - 778 с.], что область применения полимерного подшипника скольжения определяется следующим уравнением:

где КТ - суммарный параметр теплоотвода подшипникового узла; Т_п - допустимая избыточная температура эксплуатации; d, l - геометрические характеристики подшипникового узла; [р×υ] - фактор допустимых режимов эксплуатации подшипника.

Причем, если [p×υ] - фактор, определенный по формуле (1), выше или равен максимальному значению [р×υ], при котором эксплуатируется данный подшипниковый узел, то рассчитываемый подшипник может в нем эксплуатироваться. Анализ формулы (1) показывает, что с целью расширения области применения полимерного подшипника (увеличение величины [р×υ]) необходимо увеличивать параметр теплоотвода подшипникового узла (увеличивать параметр КТ).

Известно [Основы трибологии (трение, износ, смазка) / Э.Д.Браун [и др.] / под ред. А.В.Чичинадзе: учебник для технических вузов. - М.: Центр "Наука и техника", 1995. - 778 с.], что с целью увеличения ресурса полимерного подшипника скольжения необходимо снижать температуру его трущихся поверхностей.

Указанная техническая задача решается тем, что в конструкцию подшипника скольжения вводится, по крайней мере, одно дополнительное теплопередающее тело, находящееся в контакте с поверхностью металлического вала, причем данное тело располагается за пределами угла контакта вала и полимерного подшипника, тем самым не нарушая структуру антифрикционного слоя несущей поверхности подшипника. Дополнительное теплопередающее тело содержит систему охлаждения, в которой может быть использована охлаждающая среда с высоким значением коэффициента теплоотдачи.

Наиболее эффективными способами охлаждения пары трения "стальной вал-полимерная втулка", учитывая тепловой расчетно-теоретический анализ известных способов отвода тепла из зоны трения [Райковский Н.А. Факторный анализ влияния конструктивного исполнения бессмазочного подшипника скольжения и способов его охлаждения на температуру в зоне трения / Н.А.Райковский и [др.] // Омское время - взгляд в будущее: матер. регион. молодежн. науч. - техн. конф. - Омск: ОмГТУ, 2010. - Кн. 1. - С.85-88], являются: интенсификация охлаждения поверхностей вала и подшипника, заключенных в серповидном пространстве, а также охлаждение стального вала, у которых снижение температуры в зоне трения существенно выше в сравнении с другими способами отвода тепла (например, охлаждение внешней поверхности полимерного материала; охлаждение торцевых поверхностей полимерной втулки). Причем наибольший эффект проявляется в диапазоне коэффициентов теплоотдачи, которые соответствуют жидкостному охлаждению.

Данный анализ свидетельствует, что с целью интенсификации охлаждение подшипника скольжения необходимо стремиться отводить тепло либо непосредственно с поверхности стального вала, либо через тела, обладающие сравнительно высокими значениями коэффициентов теплопроводности. Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет существенно интенсифицировать процесс охлаждения и соответствует критерию "новизна".

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображены поперечный и продольный разрезы подшипника скольжения с дополнительным теплопередающим телом скольжения, на фиг.2 - вариант с теплопередающими телами, выполненными в форме тел качения.

Подшипник скольжения (фиг.1) включает стальной вал 1, полимерную втулку 2, расположенную эксцентрично валу, по меньшей мере, одно дополнительное теплопередающее тело скольжения 3, находящееся в контакте с поверхностью вала 1, что обеспечивают поджимающие элементы 4. Дополнительное теплопередающее тело 3 содержит систему охлаждения 5. Причем дополнительное теплопередающее тело может представлять собой, по меньшей мере, одно тело качения (например, на фиг.2 дополнительное теплопередающее тело имеет форму цилиндра).

Заявляемый подшипник скольжения работает следующим образом. При вращении вала 1 под действием нагрузки, в результате работы сил трения, на опорной поверхности втулки 2 выделяется тепло, распределяемое за счет вращательного движения по всей внешней поверхности вала 1 в пределах опорной длины втулки 2. Так как с ненагруженной части поверхности втулки 2 к валу 1 поджаты теплопередающие элементы 3 (из антифрикционных металлических и неметаллических материалов с высоким значением коэффициента теплопроводности, например 7В-2А, AT - 1500Б83, AГ - 1500С05, ЛС59-1 и т.д.), охлаждаемые известными методами (газовое охлаждение, жидкостное охлаждение, термоэлектрическое охлаждение и т.д.), то процесс теплообмена подшипникового узла с окружающей средой протекает интенсивно. Для интенсификации теплообмена можно увеличить площадь контакта теплопередающего элемента с валом (фиг.1). При контакте дополнительного теплопередающего тела скольжения 3 (фиг.1) с поверхностью вала 1 происходит выделение дополнительно некоторого количества тепла, но учитывая малую величину силы поджатия, которая необходима для обеспечения теплового контакта, а также возможность подбора оптимального, с точки зрения "теплопроводность - коэффициент трения", материала, данное количество тепла несущественно в сравнении с основной тепловой мощностью, выделяющейся на поверхности трения полимерной втулки (предварительная оценка показала, что мощность трения выделяющегося на поверхности дополнительного теплопередающего тела скольжения составляет менее 10% от суммарной мощности трения (при этом, чем сильнее нагружение полимерного подшипника со стороны ротора, тем менее существенно выделение дополнительной мощности трения и достигает значений менее 1%), при этом количество тепла, отводимое данным элементом с поверхности стального вала может достигать 95% от суммарной мощности трения). На фиг.2 представлен подшипник скольжения, в котором теплопередающие тела 3 выполнены в виде тел качения, что, как известно, существенно снижает коэффициент трения в контакте и, следовательно, снижает дополнительную тепловую мощность трения. Теплопередающие элементы при этом обкатывают внешнюю поверхность трения вала и в каждое мгновение будут касаться поверхности трения вала новыми участками своей поверхности. Участки поверхности теплопередающего элемента, вышедшие из прямого контакта с поверхностью вала, будут открыты в окружающую среду и интенсивно охлаждаться. Таким образом, данное техническое решение позволяет развить поверхность охлаждения вала, не затрагивая конструкцию самого вала.