15. Подшипниковые опоры насосов. Элементарная теория смазки.

Для герметичных ГЦНПК использование опор скольжения вращающегося ротора зачастую является единственно приемлемым конструктивным решением, обеспечивающим необходимую надежность и долговечность машины. Малые размеры, простота изготовления, бесшумность в работе и другие достоинства опор скольжения при высоких нагрузках и частоте вращения вала могут быть реализованы только при рациональном конструировании, организации смазки и подборе материалов пар трения.

Рассмотрим схему действия простейшего подшипника, состоящего из втулки 1, окружающей с зазором Δ вращающийся с угловой скоростью ω вал 2 радиуса R_B. Заполняющая зазор жидкость вязкостью μ формирует на поверхности вала тангенциальные усилия τ = μ W / Δ , зависящие от градиента скорости W / Δ, изображенного на рисунке 15.1, а.

P

Сухое трение

Граничное трение

0

3

1

Полужидкост-ная смазка

0,10

W= ω R_B

Жидкостная смазка

2

f_{ТР. MIN}

3

λ_КР

λ= μω/р_СР

Эпюра давления

в смазочном слое

0,20

f_ТР

τ

Δ

ω

μ

R_B

1

2

а

б

Рис. 15.1.

Усредненые по поверхности тангециальные усилия τ_СР при длине вала L образуют суммарную силу трения:

F_ТР = τ_СР 2π R_B L = К μ ω R_B 2π R_B L / Δ, (15.1)

где К- коэффициент усреднения.

Условный коэффициент трения скольжения f_ТР, определенный как отношение F_ТР к нагрузке P, действующей на вал :

f_ТР = F_ТР/ P = К μ ω R_B 2π R_B L / 2R_BL р_СР Δ = К₁ μω/ р_СР = К₁ λ, (15.2)

зависит от основных эксплуатационных параметров (μ, ω, удельной нагрузки на подшипник р_СР = P/2R_BL ), от геометрии (К₁ = К R_B/Δ), а так же через величину К от физического механизма трения в зазоре.

На рис. 15.1, б представлена определенная экспериментально зависимость f_ТР от, называемой характеристикой режима, - диаграмма Герси-Штрибека. Диаграмма иллюстрирует наличие нескольких видов трения в подшипнике, выделяя обозначенные участки кривой 1-2-3. Работа подшипника при наличии нагрузки Р происходит при смещении вала в зазоре, как это показано пунктирной окружностью на рис15.1,а. В результате втягивания жидкости в дугообразный клин -3 давление смазки возрастает, создавая согласно изображенной эпюре давлений уравновешивающую Р гидродинамическую силу. В зависимости от соотношения величины минимального зазора и высоты шероховатостей поверхностей втулки и вала реализуются обозначенные на диаграмме режимы смазки.

При малой λ поверхности вала и подшипника соприкасаются, а смазка в зоне контакта присутствует только в виде адсорбированных пленок. Такой режим трения, соответствует участку диаграммы 0-1 и называется граничным трением.

Полужидкостная смазка (участок 1-2) существует при нарушении сплошности смазочного слоя, когда его толщина недостаточна для предотвращения соприкосновений микронеровностей трущихся поверхностей. Этот вид смазки присутствует при малой вязкости μ и высокой р_СР; он характеризуется быстрым уменьшением коэффициента трения до величины f_{ТР. MIN} , который определяет границу λ_КР режима жидкостной смазки.

Небольшой диапазон изменения 0<λ< λ_КР позволяет иметь на пусковых режимах сравнительно безопасный переход работы подшипника от сухого трения через граничное и полужидкостное к жидкостной смазке - участку 2-3..

На этом участке диаграммы работа подшипника характеризуется отсутствием непосредственного контакта твердых поверхностей в области минимального зазора, а, следовательно, отсутствием износа и малыми коэффициентами трения. При жидкостной смазке подшипник устойчиво работает в широком диапазоне λ благодаря:

- самоподдерживающемуся процессу создания давления в слое смазки при эксцентричном положении вала,

- внутренней отрицательной обратной связи при изменении нагрузки, т.е. возрастанию противодавления с увеличением эксцентриситета,

- регулирующей роли уменьшения вязкости смазки с ростом температуры.

Действительно, при возрастании р_СР уменьшается λ, но благодаря уменьшению f_ТР снижается энерговыделение в слое смазки, т.е. ее температура. Связанное с этим увеличение μ восстанавливает значение λ и режим работы подшипника стабилизируется.

Обеспечение жидкостного трения в гидродинамических подшипниках требует применения высоковязкой смазки с высокой адгезионной способностью, что затрудняет создание подшипников, смазываемых водой в условиях герметичных ГЦНПК. Дело в том, что вязкость воды (10^-3 Па.сек) намного меньше вязкости масел (1,0 Па.сек), что позволяет реализовать режим жидкостной смазки только при малых удельных нагрузках. Если осуществить чисто жидкостный режим трения невозможно, то конструирование подшипниковых опор с заданными P, R_B, L, ω сводится к подбору материалов и обеспечению надежного теплоотвода из зоны трения.

В качестве материалов подшипников с масляной смазкой используются:

• металлические сплавы: баббиты, бронзы, чугуны,

• металлокерамики и бронзографитовые и железографитовые композиции,

• неметаллические материалы: фторопластографиты, углеграфиты, тефлоны, текстолит, резина, дерево.

Последние нашли применение в смазываемых водой узлах трения, наблюдаемая при этом величина коэффициента трения в режиме полужидкостной смазки относительно невелика (порядка 0,03-0,05).

К настоящему времени теория и практика создания опор скольжения насосов представляется достаточно развитым разделом технических наук, что позволило отработать надежные и долговечные конструкции подшипников. Например, для ГЦНПК широкое распространение нашли опоры трения с вкладышами из фторопластографитов, работающих в паре с шипами, оснащенными твердыми металлическими втулками. Приближенный расчет этих узлов может быть выполнен по определенной экспериментально допускаемой величине произведения окружной скорости на удельную нагрузку (допустимому режиму работы ): [W р_СР] = [ ω R_B р_СР] < 10⁶ Па . м/сек. Допускаемое значение удельной нагрузки таких опор [р_СР] лежит в пределах 0,1 – 1,0 МПа.

Конструкции подшипниковых опор и их методики расчета широко представлены в специальной литературе.