Опорный подшипник скольжения
Владельцы патента RU 2688550:
Акционерное общество "Научно-исследовательский и конструкторский институт центробежных и роторных компрессоров им. В.Б. Шнеппа" (RU)
Изобретение относится к машиностроению, в частности, к подшипникам скольжения с самоустанавливающимися подушками, и может быть использовано, например, в высокоскоростных центробежных компрессорах. Опорный подшипник скольжения содержит корпус (1) с внутренней цилиндрической поверхностью (2) и размещенные в нем самоустанавливающиеся подушки (3-7), опирающиеся на упругие элементы в виде пластинчатых пружин (8). Пластинчатые пружины (8) установлены на парных опорных площадках (15) на поверхности (2), между которыми имеются пазы (16), обеспечивающие возможность прогиба пластинчатых пружин (8). Парные опорные площадки (15), на которых установлены пластинчатые пружины (8), находящиеся под ненагруженными подушками, выполнены на меньшем расстоянии от продольной оси поверхности (2), в сравнении с парными опорными площадками (15), на которых установлены пластинчатые пружины, находящиеся под нагруженными подушками. Технический результат: повышение надежности и долговечности работы опорного подшипника скольжения при динамических нагрузках. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к машиностроению, в частности, к деталям машин - подшипникам скольжения с самоустанавливающимися подушками. Известен опорный подшипник скольжения, содержащий корпус с кольцевой выточкой на внутренней поверхности и установленные в нем на упругих элементах самоустанавливающиеся подушки, на тыльных сторонах которых выполнены П-образные пазы, стенки которых выполнены цилиндрическими с осями, расположенными в плоскостях, перпендикулярных продольной оси подшипника, и с выпуклостями внутрь пазов, а упругие элементы выполнены в виде цилиндрических стержней, установленных параллельно продольной оси подшипника в пазах подушек и опирающихся на кромки кольцевой выточки корпуса (Авторское свидетельство СССР № SU 1083001 А, опубликовано 30.03.1984 г.)
Недостатком данного технического решения является то, что зазоры между рабочими поверхностями всех подушек и поверхностью вала при его центральном положении (оси вала и внутренней поверхности корпуса подшипника совпадают) в плоскостях, проходящих через ось внутренней поверхности корпуса и точки контакта подушек с упругими элементами, равны. В результате при работе подшипника, когда ось вала не находится в центральном положении, зазоры между рабочими поверхностями ненагруженных подушек и поверхностью вала становятся больше величины зазора, имеющего место при центральном положении вала. Это приводит к значительному снижению гидродинамических сил в смазочных слоях этих подушек и к повышению амплитуды колебания шейки вала в подшипнике при возникновении динамических нагрузок, например, от неуравновешенности ротора.
Недостатком является также сложность изготовления подушек, низкая точность обеспечения расчетных значений зазоров в подшипнике из-за длинной размерной цепочки. Кроме этого, при такой конфигурации паза имеет место точечный контакт между подушкой и упругим элементом, что часто приводит к обминанию зоны контакта и ухудшению самоустановки подушки.
Известен также опорный подшипник скольжения, содержащий корпус с внутренней цилиндрической поверхностью и размещенные в нем самоустанавливающиеся подушки, опирающиеся тыльной стороной на упругие элементы, выполненные в виде пластинчатых пружин, через шарниры, обеспечивающие возможность самоустановки подушек. Пластинчатые пружины установлены на парных опорных площадках на внутренней цилиндрической поверхности корпуса, между которыми имеются пазы, обеспечивающие возможность прогиба пластинчатых пружин (Авторское свидетельство СССР №418642, опубликовано 05.03.1974 г.)
Данное техническое решение в части точности обеспечения расчетных значений зазоров в подшипнике и исключения обмятия в зоне контакта тыльной стороны подушек является предпочтительным, хотя известны и более простые решения, когда возможность самоустановки подушек обеспечивается, например, выполнением тыльной стороны подушки в виде цилиндрической поверхности, продольная ось которой параллельна продольной оси внутренней цилиндрической поверхности корпуса подшипника, с радиусом, меньшим радиуса внутренней цилиндрической поверхности корпуса (В.А. Максимов, Г.С. Баткис, Высокоскоростные опоры скольжения гидродинамического трения, Казань, изд-во «Фэн», 2004, 406 с.).
Однако основным недостатком данного технического решения, является повышение амплитуды колебания шейки вала в подшипнике при возникновении динамических нагрузок из-за снижения гидродинамических сил в смазочных слоях ненагруженных подушек.
Не смотря на то, что известные технические решения предусматривают возможность обеспечения заданной жесткости упругих элементов в зависимости от предполагаемых режимов работы подшипника, они не предусматривают установление различных зазоров между поверхностью вала и рабочими поверхностями нагруженных и ненагруженных подушек при центральном положении вала.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение надежности и долговечности работы опорного подшипника скольжения при динамических нагрузках, за счет снижения действия ударных нагрузок на самоустанавливающиеся подушки и уменьшения амплитуды колебания шейки вала относительно подшипников.
Технический результат достигается тем, что в известном опорном подшипнике скольжения, содержащем корпус с внутренней цилиндрической поверхностью и размещенные в нем самоустанавливающиеся подушки, опирающиеся тыльной стороной, выполненной в виде цилиндрической поверхности, продольная ось которой параллельна продольной оси внутренней цилиндрической поверхности корпуса, с радиусом, меньшим радиуса внутренней цилиндрической поверхности корпуса, на упругие элементы в виде пластинчатой пружины, образуя линию контакта, расположенную в радиальной плоскости, в которой толщина подушки является максимальной, при этом пластинчатые пружины установлены на парных опорных площадках на внутренней цилиндрической поверхности корпуса, между которыми имеются пазы, обеспечивающие возможность прогиба пластинчатых пружин, парные опорные площадки, на которые установлены пластинчатые пружины, находящиеся под разнонагруженными подушками, выполнены на различных расстояниях от продольной оси внутренней цилиндрической поверхности корпуса.
Новым является также то, что парные опорные площадки, на которые установлены пластинчатые пружины, находящиеся под менее нагруженными подушками, выполнены на меньшем расстоянии от продольной осивнутренней цилиндрической поверхности корпуса, чем парные опорные площадки, на которые установлены пластинчатые пружины, находящиеся под более нагруженными подушками.
Кроме того, парные опорные площадки выполнены по обе стороны, симметрично и параллельно линии контакта тыльной стороны подушки и пластинчатой пружины, при этом глубина паза между парными опорными площадками меньше допустимой величины прогиба пластинчатой пружины.
Выполнение парных опорных площадок, на которые установлены находящиеся под разнонагруженными подушками пластинчатые пружины, на различных расстояниях от продольной оси внутренней цилиндрической поверхности корпуса обеспечивает возможность установки уменьшенных зазоров между поверхностью вала и рабочими поверхностями ненагруженных подушек для центрального положения вала. При работе подшипника, когда вал смещается из центрального положения, зазоры в смазочных слоях ненагруженных подушек увеличиваются, что приводит к уменьшению гидродинамических сил в смазочных слоях этих подушек. Но благодаря ранее установленным уменьшенным значениям зазоров, эти силы остаются достаточными для того, чтобы препятствовать смещению вала в направлении ненагруженных подушек при возникновении динамических нагрузок.
В результате уменьшается амплитуда колебания шейки вала относительно подшипника, повышается надежность его работы.
Благодаря тому, что пластинчатые пружины под ненагруженными подушками установлены на меньшем расстоянии от центра подшипника, чем под нагруженными подушками, способность отслеживать перемещение вала под действием динамической нагрузки приобретают и ненагруженные подушки, что способствует снижению ударных нагрузок на подушки и повышению надежности и долговечности работы подшипника.
Предлагаемый опорный подшипник скольжения иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1, 2:
на фиг. 1 показан поперечный разрез подшипника;
на фиг. 2 показан продольный разрез подшипника А-А фиг. 1.
Опорный подшипник скольжения (фиг. 1) содержит корпус 1 с внутренней цилиндрической поверхностью 2, установленные в корпусе 1 равномерно по окружности самоустанавливающиеся подушки 3, 4, 5, 6,7, опирающиеся тыльными сторонами на упругие элементы, выполненные в виде пластинчатых пружин 8, уплотнительные кольца 9 (фиг. 2), которые своими посадочными поверхностями 10 установлены на внутреннюю цилиндрическую поверхность 2 корпуса 1 и закреплены к нему винтами 11. От смещения в осевом и радиальном направлениях подушки 3, 4, 5, 6, 7 удерживаются уплотнительными кольцами 9, на внутренних торцовых поверхностях которых выполнены кольцевые выточки, в которые входят заплечики 12 самоустанавливающихся подушек.
От смещения в окружном направлении подушки удерживаются цилиндрическими стержнями 13, установленными параллельно продольной оси подшипника в пространствах между подушками и зафиксированными в отверстиях 14, выполненных в уплотнительных кольцах 9.
Пластинчатые пружины 8 установлены на парные опорные площадки 15 на внутренней цилиндрической поверхности 2, между которыми имеются пазы 16, обеспечивающие возможность прогиба пластинчатых пружин 8. От выпадания пластинчатые пружины удерживаются лысками 17, выполненными на посадочных поверхностях 10 уплотнительных колец 9.
Возможность самоустановки подушек обеспечивается тем, что ее тыльная сторона выполнена в виде цилиндрической поверхности с радиусом, меньше радиуса внутренней цилиндрической поверхности 2 корпуса 1 на величину, исключающую их касание, причем их продольные оси параллельны.
Касание тыльной стороны подушки и пластинчатой пружины происходит по линии контакта 18, вокруг которой происходит поворот подушки при самоустановке. В корпусе 1 выполнены каналы 19 для подвода смазочной жидкости к рабочим поверхностям подушек.
Расстояние Li от продольной оси внутренней цилиндрической поверхности 2 корпуса 1 до парных опорных площадок, расположенных под i-той подушкой, определяется из выражения
Li=r+H+h+hoi,
где r - радиус шейки вала 20; Н - высота подушки в зоне линии контакта; h - толщина пластинчатой пружины; hoi - зазор между рабочей поверхностью i-той подушки и поверхностью вала 20 при его центральном положении (продольные оси вала и внутренней цилиндрической поверхности совпадают); i=1…z; z - число подушек.
Характерной особенностью опорных подшипников скольжения с самоустанавливающимися подушками является то, что благодаря самоустановке подушек гидродинамические силы в смазочных слоях подушек возникают даже при центральном положении вала, например, для вертикальных валов. Но при смещении вала из центрального положения гидродинамические силы в смазочных слоях ненагруженных подушек (с увеличенными зазорами) становятся незначительными или обращаются в ноль, например, для реверсивных подушек.
Поэтому для того, чтобы при работе подшипника, когда шейка вала, находящаяся под действием силы F, находится в некоторой равновесной точке, не совпадающей с центром подшипника, в смазочных слоях всех нагруженных и ненагруженных подушек возникали гидродинамические силы, необходимо выполнение условия 0<hPi≤α⋅δ, где hPi - зазор между рабочей поверхностью i-той подушки и поверхностью вала, находящегося в некоторой равновесной точке; δ=(RП-r) - радиальный зазор в подшипнике; RП - радиус рабочей поверхности подушки; α - коэффициент запаса, принимаемый с учетом степени нереверсивности подушки и режима работы подшипника.
Для реверсивных подушек можно принять α=0,8÷0,9. Для нагруженных подушек 3, 4, 7 это условие при смещении шейки вала из центра подшипника выполняется всегда. Для ненагруженных подушек 5, 6 это условие выполняется при hoi≤α⋅δ(1+ε⋅cosϕi), где ε=е/δ - относительный эксцентриситет; е - смещение центра вала из центра подшипника под действием силы F; ϕi - угол расположения i-той ненагруженной подушки, отсчитываемый от линии действия нагрузки.
Таким образом, для рассматриваемого подшипника с числом подушек z=5 и направлением нагрузки F на подушку 3 (см. фиг. 1) согласно рассмотренному условию зазоры между рабочими поверхностями подушек и поверхностью шейки вала при его центральном положении должны определяться из условий:
| - для нагруженной подушки 3 | ho1≤δ; |
| - для нагруженных подушек 4, 7 | ho2≤δ; |
| - для ненагруженных подушек 5, 6 | ho3≤α⋅δ(1+ε⋅cosϕi=3). |
Фактические значения ho1, ho2, ho3 уточняются при расчете подшипника для заданного режима работы.
Соответствующие этим зазорам расстояния от продольной оси внутренней цилиндрической поверхности до парных опорных площадок будут равны:
| - для нагруженной подушки 3 | L1=r+H+h+ho1; |
| - для нагруженных подушек 4, 7 | L2=r+H+h+ho2; |
| - для ненагруженных подушек 5, 6 | L3=r+H+h+ho3. |
Толщина пластинчатой пружины h определяется из условия обеспечения требуемой податливости и прочности при ее ожидаемом максимальном прогибе.
Подшипник работает следующим образом. Смазочная жидкость, подаваемая в подшипник через каналы 19, увлекается вращающимся валом20 в зазоры между поверхностью вала и рабочими поверхностями подушек 3, 4, 5, 6, 7, которые приобретают клиновидную форму благодаря самоустановке подушек (повороту вокруг линии контакта 18).
При этом в смазочных слоях возникают гидродинамические силы, под действием которых вал занимает некоторое равновесное положение, характеризуемое смещением «е» центра вала от центра подшипника «О» и углом эксцентриситета, отсчитываемым от линии действия нагрузки в направлении вала.
Для подшипников с симметричным расположением подушек относительно линии действия нагрузки этот угол мал, и поэтому принято полагать, что центр вала при равновесном положении находится на линии действия нагрузки. При этом между рабочими поверхностями подушек 3, 4, 5, 6, 7 и поверхностью вала устанавливаются такие значения зазоров hPi, при которых гидродинамические силы уравновешиваются силами упругости пластинчатых пружин.
Благодаря тому, что для ненагруженных подушек были установлены уменьшенные значения зазоров hoi (для центрального положения вала), даже при значительном смещении вала из центрального положения гидродинамические силы в смазочных слоях верхних ненагруженных подушек 5, 6 будут достаточными для того, чтобы ограничить перемещение вала в направлении ненагруженных подушек при возникновении динамических сил.
При возникновении динамических нагрузок подушки благодаря возможности прогиба пластинчатых пружин будут перемещаться в радиальном направлении, избегая тем самым действие значительных ударных нагрузок, которые могут привести к выкрашиванию антифрикционного слоя на рабочей поверхности подушки. Перемещение подушки в радиальном направлении приводит к увеличению зазора и уменьшению гидродинамических сил. Поэтому под действием упругих сил пластинчатой пружины подушка возвращается в исходное положение.
Установка пластинчатых пружин под ненагруженными подушками на меньшем расстоянии от центра подшипника, чем под нагруженными подушками, дает возможность ненагруженным подушкам, наряду с нагруженными, отслеживать перемещение вала под действием динамической нагрузки.
Изобретение позволяет способствует снизить ударные нагрузки на самоустанавливающиеся подушки и повысить надежность и долговечность работы подшипника.
1. Опорный подшипник скольжения, содержащий корпус с внутренней цилиндрической поверхностью и размещенные в нем самоустанавливающиеся подушки, опирающиеся тыльной стороной в виде цилиндрической поверхности, продольная ось которой параллельна продольной оси внутренней цилиндрической поверхности корпуса, с радиусом, меньшим радиуса внутренней цилиндрической поверхности корпуса, на упругие элементы в виде пластинчатой пружины, образуя линию контакта, расположенную в радиальной плоскости, в которой толщина подушки является максимальной, при этом пластинчатые пружины установлены на парных опорных площадках на внутренней цилиндрической поверхности корпуса, между которыми имеются пазы, обеспечивающие возможность прогиба пластинчатых пружин, отличающийся тем, что парные опорные площадки, на которые установлены пластинчатые пружины, находящиеся под разнонагруженными подушками, выполнены на различных расстояниях от продольной оси внутренней цилиндрической поверхности корпуса.
2. Подшипник по п. 1, отличающийся тем, что парные опорные площадки, на которые установлены пластинчатые пружины, находящиеся под менее нагруженными подушками, выполнены на меньшем расстоянии от продольной оси внутренней цилиндрической поверхности корпуса, чем парные опорные площадки, на которые установлены пластинчатые пружины, находящиеся под более нагруженными подушками.
3. Подшипник по п. 1, отличающийся тем, что парные опорные площадки выполнены по обе стороны, симметрично и параллельно линии контакта тыльной стороны подушки и пластинчатой пружины.
4. Подшипник по п. 1, отличающийся тем, что глубина паза между парными опорными площадками меньше допустимой величины прогиба пластинчатой пружины.
