Гидродинамический подшипник
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в упорных и опорных подшипниках с гидродинамическим смазочным слоем для машин и, в частности, для опор прокатных станов, где имеют место высокие окружные скорости и удельные нагрузки. Гидродинамический подшипник содержит карманы, выполненные на одной из рабочих поверхностей, образующих гидродинамический смазочный слой. При этом все карманы размещены только в части или по всей области слоя, где давление по длине слоя увеличивается, а карманы, начиная с подающего, из которого смазка поступает в слой, разделены между собой по длине слоя перегородками, имеющими заостренные вершины, заканчивающиеся уплотняющими кромками. Технический результат - увеличение минимальной толщины смазочного слоя, уменьшение тепловыделения, увеличение несущей способности подшипника, уменьшение износа. 4 з.п. ф-лы, 8 ил.
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в упорных и опорных подшипниках с гидродинамической (жидкой или газовой) смазкой для различных машин и в частности для опор прокатных станов, где имеют место высокие окружные скорости и удельные нагрузки.
Известны устройства упорных и опорных подшипников с гидродинамической смазкой и вязкостным смазочным слоем, работающие по принципу Рейнольдса-Митчела, в которых образующие слой движущаяся и неподвижная рабочие поверхности выполнены гладкими, установлены между собой под некоторым углом, а давление в жидком (газовом) смазочном слое между ними создается благодаря затягиванию смазки в тонкий сужающийся слой клиновидной формы силами вязкости (силами жидкостного трения), создаваемыми движущейся рабочей поверхностью. На слой действуют и силы трения со стороны неподвижной поверхности, но они являются реакцией на движение слоя. При этом движении в слое возникают и силы инерции массы потока смазки, вызванные резким изменением (в том числе и перераспределением по сечению слоя) скоростей этого потока, в основном, под действием сил жидкостного трения со стороны неподвижной рабочей поверхности во входном участке слоя, однако эти силы существенны только у самого входа в слой на его длине (в направлении движения рабочей поверхности) не более 2 мм. Далее по длине слоя быстрых изменений скорости не происходит и существенные силы инерции не возникают. Поэтому в подшипниках, работающих по принципу Рейнольдса-Митчела, силы инерции практически не влияют на образование давления в смазочном слое. Тем более не влияют силы инерции, возникающие за смазочным слоем в его спутном потоке (в затопленной струе) в связи с ускорением вытекающей из слоя жидкости, приторможенной в нем неподвижной рабочей поверхностью. Следовательно, в смазочном слое Рейнольдса- Митчела практически действуют только вязкостные силы и вызванные ими силы гидродинамического давления. Последние раздвигают рабочие поверхности и создают между ними слой смазки определенной толщины.
Недостатком подшипников, работающих по принципу Рейнольдса-Митчела, является то, что силы трения, действующие со стороны неподвижной рабочей поверхности в области слоя, где давление по его длине возрастает, непрерывно тормозят смазку при ее движении в слое. Это препятствует поступлению смазки в слой и дальнейшему ее там движению, т.е. уменьшает в нем скорости и расход смазки, что в свою очередь уменьшает минимальную толщину смазочного слоя, повышает его температуру и снижает несущую способность подшипника. Увеличивать угол клина (величину масляного зазора) для уменьшения указанного торможения - нельзя, т.к. любое его увеличение приводит к увеличению боковых утечек смазки из слоя, а увеличение угла клина свыше определенного размера - даже к возникновению у неподвижной рабочей поверхности обратного движения смазки в направлении к подающему карману (углублению в неподвижной рабочей поверхности, откуда смазка подается в слой).
Но инерционные силы в этих устройствах подшипников также не способствуют повышению давления в слое, поскольку там карманы по длине слоя разделены между собой частями неподвижной рабочей поверхности, длина которых много больше длины входных участков, на которых еще существенны силы инерции, и они не в состоянии способствовать преодолению сопротивления протяженного участка слоя между карманами и увеличению расхода, смазки. Следовательно, из-за торможения со стороны этих частей поверхности полностью гасятся силы инерции и ускоренный в карманах поток смазки не сохраняет полученную в предыдущем кармане дополнительную скорость до следующего кармана. Поэтому, занимая полезную площадь рабочей поверхности, где образуется давление, такие карманы при высоких удельных нагрузках снижают рост давления в слое и уменьшают его минимальную толщину.
Цель изобретения - увеличение несущей способности, снижение энергозатрат и износа подшипников.
Указанная цель достигается тем, что, как и в прототипе, на одной из рабочих поверхностей, образующих гидродинамический смазочный слой, выполнены масляные карманы, не сообщающиеся между собой.
Но кроме того, согласно изобретению, все карманы размещены только в части или по всей области слоя, где давление по длине слоя увеличивается, а карманы, - начиная с подающего кармана, из которого смазка поступает в слой, разделены между собой по длине слоя только перегородками, имеющими заостренные вершины, заканчивающиеся уплотняющими кромками.
Также, согласно изобретению, размер карманов по ширине слоя больше, чем по длине. Кроме того, по ширине слоя между карманами имеются промежутки. Расстояния по ширине слоя от края рабочей поверхности до карманов возрастают по длине слоя. Размер карманов по длине слоя и величина заглубления уплотняющей кромки увеличиваются тем более, чем ближе расположен данный карман к подающему.
Примыкающий к гребню слой смазки в карманах, начиная с подающего кармана, не испытывая в них большого торможения со стороны неподвижной рабочей поверхности, ускоряется движущейся рабочей поверхностью и приобретает дополнительные скорости по всей своей толщине. Далее, этот слой попадает в уплотнительную щель между карманами (между уплотняющей кромкой перегородки и другой рабочей поверхностью). Вследствие малой длины этой щели поток смазки проходит в ней путь меньший, чем длина входного участка, и силы инерции в слое, наиболее существенные именно в начальной части этого участка, преодолевая на этом малом пути силы трения со стороны кромки уплотнительной перегородки и перепад давления между карманами, в значительной степени способствуют сохранению до следующего кармана тех величин дополнительных скоростей по толщине слоя, которые были приобретены в предыдущем кармане. Таким образом обеспечивается увеличение расхода смазки в слое. Вследствие того, что аналогично сужающемуся клину толщины уплотнительных щелей на выходе из карманов меньше, чем на входе - увеличенные расходы смазки при тех же толщинах слоя создают и увеличенные в нем давления, а при той же нагрузке на подшипник - увеличивают толщину слоя. Следовательно, при всех прочих равных условиях, в смазочном слое подшипника согласно изобретению средняя скорость смазки, ее расход и минимальная толщина смазочного слоя (или давление) будут больше, чем в слое Рейнольдса-Митчела и в слое прототипа. Поскольку размер кармана по длине слоя выбирается не более такого, который требуется для восстановления в кармане части скорости потока, потерянной на преодоление сопротивления на пути между карманами в уплотнительной щели, то количество карманов по длине слоя будет оптимально большим, обеспечивающим многократное (многоступенчатое) использование инерционных сил для повышения скоростей смазки в слое. В области слоя, где давление не возрастает (достигло максимума или падает), в связи с отсутствием там карманов неподвижная поверхность максимально тормозит поток смазки, как это и требуется для уменьшения падения давления. Кроме того, расположение карманов вне зоны максимального износа, происходящего в месте минимальной толщины слоя, существенно снижает износ тонких вершин перегородок между карманами. Участки рабочей поверхности между карманами и у краев слоя в области расположения карманов в основном служат уплотнениями, уменьшающими боковые утечки, а образование в слое давления обеспечивается при переходе потока смазки через уплотняющие щели из одного кармана в другой. Поэтому заглубление уплотняющих кромок относительно уровня рабочей поверхности дает возможность образовывать различные толщины слоя в уплотнительных щелях и у рабочих поверхностей и создавать оптимальные их величины как для уменьшения боковых утечек, так и для увеличения расхода смазки. Кроме того, обеспечение увеличения ширины рабочей поверхности у краев слоя, по мере роста давления по его длине, уменьшает боковые утечки.
В результате общего влияния указанных конструктивных факторов увеличивается более, чем в 2 раза, минимальная толщина смазочного слоя. Следовательно, во столько же раз уменьшается тепловыделение (энергозатраты) и более, чем в 4 раза возрастает несущая способность подшипника, а также уменьшается его износ.
На фиг. 1 изображена в изометрии втулка опорного подшипника с рабочими поверхностями в промежутках, разделяющих карманы по ширине слоя.
На фиг. 2 показано поперечное сечение втулки, изображенной на фиг. 1, и сечение вала.
На изображенной на фиг. 1 и 2 втулке 1 опорного подшипника показаны: карманы 2, рабочая поверхность 3 втулки, расположенная в области, где карманы отсутствуют" перегородки 4 между карманами и участки рабочей поверхности 5 и 6, расположенные соответственно по краям втулки и между карманами по ширине втулки, уплотняющие кромки 7, выполненные на заостренных вершинах перегородок 4 и имеющие размер 8 притупления или закругления. Размер карманов по ширине слоя больше, чем по длине, и больше, чем размер по ширине слоя участков рабочей поверхности в промежутках между карманами.
На сечении, изображенном на фиг. 2, дополнительно показаны: вал 9, вращающийся с окружной скоростью 10 и имеющий рабочую поверхность 11, образующую с внутренними поверхностями втулки 1 части смазочного слоя 12 и 13 соответственно в области расположения карманов 2 и вне ее, и подающий карман 14. Также показана эпюра 15 распределения давлений в смазочном слое по его длине, угол 16 - центральный угол между местом расположения максимума давления в смазочном слое и перегородкой у подающего кармана и угол 17 - центральный угол, в пределах которого расположены карманы.
Гидродинамический подшипник, в котором на одной из рабочих поверхностей, образующих гидродинамический смазочный слой, выполнены масляные карманы, отличающийся тем, что все карманы размещены только в части или по всей области слоя, где давление по длине слоя увеличивается, в карманы, начиная с подающего, из которого смазка поступает в слой, разделены между собой по длине слоя перегородками, имеющими заостренные вершины, заканчивающиеся уплотняющими кромками.
