Комбинация гидродинамического подшипника с валом

Использование в различных отраслях промышленности, в частности в опорах для небольших высокоскоростных слабонагруженных охлаждающих вентиляторов. Сущность: комбинация гидродинамического подшипника с валом содержит корпус, вал с опорным цилиндрическим участком и смонтированный в наружной корпусной обойме подшипниковый вкладыш скольжения. Вал снабжен, по меньшей мере, одним установленным на упомянутом опорном участке с возможностью их совместного вращения гребнем. Подшипниковый вкладыш выполнен в виде расположенных по окружности самоустанавливающихся сегментов с входными, выходными и окружными кромками поддерживающих их опорных ножей и соединенных с ними кольцевого основания с посадочной поверхностью. Часть сегментов выполнена с рабочей поверхностью для поддержания вала, другая часть - с рабочей поверхностью для поддержания гребня. Самоустанавливающиеся сегменты для гребня выполнены на его рабочей поверхности с кольцеобразными канавками, профиль которых идентичен профилю гребня. Опорные ножки для этих сегментов размещены вдоль оси вращения для обеспечения возможности установки самоустанавливающихся сегментов на гребень. Опорные ножки достаточно упруги, чтобы обеспечить установку сегментов на гребне. Подшипник обеспечивает как радиальное, так и осевое поддержание вала. Подшипник предпочтительно изготавливают из пластмассы методом литьевого формования или методом прямого прессования. Изобретение относится к машиностроению для опорных узлов механизмов.

Известна комбинация гидродинамического подшипника с валом, содержащая корпус, вал с опорным цилиндрическим участком и смонтированный в наружной корпусной обойме подшипниковый вкладыш скольжения [1] Недостатком известного узла являются пониженные эксплуатационные характеристики за счет неспособности конструкции компенсировать несоосность цапфы вала.

Техническим результатом изобретения является повышение универсальности устройства путем повышения динамической гибкости комбинации подшипника с валом и улучшения ее технологических свойств.

Это достигается тем, что в комбинации гидродинамического подшипника с валом, содержащей вал с опорным цилиндрическим участком и смонтированный в наружной корпусной обойме подшипниковый вкладыш скольжения, вал снабжен по меньшей мере одним установленным на упомянутом опорном участке с возможностью их совместного вращения гребнем, подшипниковый вкладыш выполнен в виде расположенных по окружности самоустанавливающихся сегментов с входными, выходными и окружными кромками, часть из которых выполнена с рабочей поверхностью для поддержания вала, другая часть с рабочей поверхностью для поддержания гребня, поддерживающих их опорных ножек и соединенных с ними кольцевого основания с посадочной поверхностью, при этом самоустанавливающиеся сегменты для гребня выполнены на его рабочей поверхности с кольцеобразными канавками, профиль которых идентичен профилю гребня, а их опорные ножки размещены вдоль оси вращения для обеспечения возможности установки самоустанавливающихся сегментов на гребень.

Кроме того, самоустанавливающиеся сегменты для вала могут быть выполнены с цилиндрическими рабочими поверхностями, образующие которых параллельны оси вращения подшипника.

Гидродинамический подшипник может быть выполнен из пластмассы. Гидродинамический подшипник может быть выполнен посредством литьевого формования. Самоустанавливающиеся сегменты, опорные ножки и кольцевое основание могут быть выполнены из одной заготовки. Размещенная вдоль оси вращения опорная ножка может быть расположена со стороны одной из двух окружных кромок самоустанавливающегося сегмента. Гребень вала может быть выполнен с цилиндрической и перпендикулярно расположенными к поверхностям опорного цилиндрического участка вала торцовыми поверхностями. Гребень может быть выполнен с по меньшей мере одним участком с конической поверхностью. Опорные ножки, поддерживающие самоустанавливающиеся сегменты для вала, могут быть расположены вдоль оси вала.

На фиг. 1 представлена комбинация гидродинамического подшипника с валом, продольный разрез; на фиг. 2 вид сбоку по А-А на фиг. 1; на фиг. 3 разрез В-В на фиг. 1; на фиг. 4 последовательность сборки элементов комбинации; на фиг. 5 модификация гребня и охватывающего его сегмента;

Комбинация гидродинамического подшипника с валом (фиг. 1, 6) содержит вал с опорным цилиндрическим участком 5, на котором установлен с возможностью совместного вращения по меньшей мере один гребень 5R и смонтированный в наружном корпусном кольце 10 подшипниковый вкладыш 70 скольжения.

Гребень 5R может быть выполнен за одно целое с опорным цилиндрическим участком 5 вала, либо быть закрепленным на нем. Гребень 5R может быть выполнен с по меньшей мере одним участком с конической поверхностью (фиг. 4) или с цилиндрической и перпендикулярно расположенными к поверхности опорного цилиндрического участка 5 вала торцовыми поверхностями (фиг. 5). На фиг. 1, 4, 6 представлен гребень 5R с двумя симметрично расположенными участками с коническими поверхностями, а на фиг. 5 представлен гребень 5R с упорными торцовыми и цилиндрической поверхностями.

Подшипниковый вкладыш 70 скольжения может быть выполнен за одно целое с наружным корпусным кольцом 10 или заформован в корпусное кольцо 10 или просто установлен в упомянутом кольце 10.

Подшипниковый вкладыш 70 (фиг. 1) выполнен в виде расположенных по окружности самоустанавливающихся сегментов 72 и 75 с входными, выходными и окружными кромками, поддерживающих их опорных ножек 73 и 74 и соединенного с ними кольцевого основания 71 с посадочной поверхностью. Сегменты 72 выполнены для поддержания опорного цилиндрического участка 5 вала с цилиндрическими рабочими поверхностями, образующие которых параллельны оси вращения подшипника. Опорные ножки 74, поддерживающие самоустанавливающиеся сегменты 72 для вала, расположены вдоль оси вала.

Сегменты 75 (фиг. 1, 6) выполнены для поддержания гребня 5R и их опорные ножки 73 размещены вдоль оси вращения вала для обеспечения установки самоустанавливающихся сегментов 75 на гребень 5R. Каждая опорная ножка 73 расположена со стороны одной из двух окружных кромок каждого сегмента 75 (фиг. 6). На рабочей поверхности этих сегментов 75 выполнены кольцеобразные канавки 75G, профиль которых идентичен профилю гребня 5R (фиг. 8).

Основание 71 может быть снабжено прорезями или канавками (фиг. 6) для обеспечения радиальной гибкости.

Самоустанавливающиеся сегменты 72 с рабочей цилиндрической поверхностью поддерживаются консольными опорными ножками 74 и образуют гибкую радиальную опору. Получаемая гибкость достаточна для некоторых областей применения с низкими частотами вращения и малыми нагрузками.

Самоустанавливающиеся сегменты 75 через поверхности канавок 75G контактируют с поверхностями профильного гребня 5R, в результате чего сегменты 75 воспринимают как осевые, так и радиальные нагрузки на вал, т.е. самоустанавливающиеся сегменты 75 (фиг. 1, 6) образуют гибкую радиально-упорную опору.

Подшипниковый вкладыш 70 может быть выполнен в виде одной цельной детали, например, методом литьевого формования или методом прямого прессования. Подшипниковый вкладыш 70 может быть выполнен за одно целое с корпусом 10.

На фиг. 4 представлена последовательность сборки предлагаемого опорного узла. Подшипниковый вкладыш 70 перемещают по опорному цилиндрическому участку 5 вала до тех пор, пока сегменты 75 не войдут в контакты с гребнем 5R. После этого сегменты скользят по конической поверхности гребня, опорные ножки 73 изгибаются и обеспечивают сегментам радиальные перемещения до вершины гребня 5R. Достигнув поверхности гребня с наибольшим диаметром, сегменты 75 как бы "защелкиваются" на гребне 5R, обеспечивая установку подшипникового вкладыша 70 в требуемом точном положении.

На фиг. 6 показана модификация комбинации гидродинамического подшипника с валом. В данной конструкции продольные опорные ножки 74 выполнены за одно целое с основанием 71.

На фиг. 7 представлен вид сбоку на модификацию комбинации гидродинамического подшипника с валом. В этой модификации опорная ножка 73 смещена в окружном направлении в сторону выходной кромки, что обеспечивает отклонение под нагрузкой входной кромки сегмента 75 от гребня 5R.

Для комбинации гидродинамического подшипника с валом может быть использована любая из раскрытых в данном описании конструкций гидродинамического подшипника. Кроме того, комбинация гидродинамического подшипника с валом может быть использована в герметизированном опорном узле, в котором вращающаяся часть корпуса будет использована для установки гребня с рабочими поверхностями.

Жидкостная опора

Жидкостные опоры подразделяют на низко - и высокоскоростные. Жидкостные опоры более грузоподъемны, чем воздушные.

В жидкостных опорах необходимо обеспечить стабильную масляную пленку между трущимися поверхностями, способную выдержать нагрузку, действующую на вал. Давление, возникающее в масляном слое, зависит от величины зазора, вязкости масла и относительной скорости вращения.

Наиболее совершенные и широко применяемые опоры автомобильных двигателей - это так называемые гидравлические или жидкостные опоры. Эти узлы содержат не только традиционные пружины с клееной резиной, в них реализован принцип жидкостного амортизатора. Жидкости в замкнутом объеме, например, смеси этиленгликоля и воды могут двигаться вперед и назад через отверстие или перегородки. Вторичный механизм демпфирования позволил более эффективно бороться с вибрацией. Подшипники с жидкостной смазкой обладают большой несущей способностью, могут выдерживать большие перегрузки при сравнительно небольшом трении и износе. Благодаря вязкости жидкости подшипники хорошо работают при пуске и остановке. Величина зазора между цапфой и подшипником в жидкостных опорах может быть выбрана значительно больше, чем в опорах с газовой смазкой. Поэтому жидкостные опоры могут быть изготовлены более грубо, с большей шероховатостью рабочих поверхностей, нежели газовые опоры. С другой стороны, из-за недостаточности сведений о процессе кавитации жидкостей расчет жидкостных вибронесущих опор до сих пор не разработан и при их проектировании следует руководствоваться экспериментальными данными.

Для улучшения эксплуатационных свойств и повышения долговечности в механизмах приборов применяют газовые опоры. Их несущим элементом является газовая подушка, расположенная в зазоре между цапфой и подшипником. В зависимости от способа создания несущей подушки газовые опоры делятся на аэродинамические и аэростатические. Аэродинамические опоры работают только при больших скоростях скольжения. В этих опорах несущая подушка создается избыточным давлением, возникающим внутри слоя смазочного материала в наиболее узкой части зазора между цапфой и подшипником. В аэростатических опорах несущая подушка создается избыточным давлением подаваемого газа.

Газовые опоры характеризуются параметрами: моментом трения, ресурсом работы, жесткостью, несущей способностью, предельной быстроходностью, шумообразованием, точностью, устойчивостью.

Схема газостатического подшипника

Быстровращающиеся жидкостные и газовые опоры применяются для замены шарикоподшипников, вращающихся со скоростями, доходящими до 100 - 180 тысяч об / мин. При вращении с такими большими скоростями обычные шарикоподшипники относительно быстро изнашиваются и выходят из строя.

Достоинствами газовых опор являются практически неограниченный срок службы ( для газодинамических опор этот срок зависит от числа остановок двигателя) и возможность обеспечить практически любую частоту вращения.

В газовых опорах турбомашин и рефрижератора используется для смазки рабочее тело цикла, что исключает главную причину отказа рефрижератора - загрязнение. Поскольку нет износа элементов конструкции, которые должны периодически заменяться, нет и продуктов износа, ухудшающих характеристики. Турбомашины должны балансироваться с большей точностью, чем система поршень - коленчатый вал; чем совершеннее балансировка, тем ниже уровень вибрации. Турбомашины могут работать при любой ориентации, что может дать значительное преимущество в военном применении.

Ресурс работы газовых опор практически неограничен. При работе подшипниковых узлов на газовой смазке отсутствует взаимное касание рабочих поверхностей в установившемся режиме, но в кратковременные периоды пуска и останова в газодинамическом подшипнике скольжения имеет место сухое трение и касание поверхностей шипа и втулки при трогании с места и при снижении подъемной силы при выбеге, когда вращающаяся часть садится на неподвижную часть опоры. Однако благодаря высокому качеству геометрии поверхностей, образующих пару скольжения, наличию микроканавок, которые выполняются практически во всех конструкциях газодинамической опоры в целях повышения устойчивости, сухое трение составляет незначительную часть пускового периода и периода останова. Поэтому опору с газовой смазкой считают практически лишенной износа. Ресурс работы опор с газовой смазкой оценивают не числом часов работы, а количеством пусков-остановов. Известны конструкции приборов на газодинамических опорах, которые после 250 000 таких циклов не показали заметного изменения напряжения трогания приводного электродвигателя.

Несущая способность газовых опор оценивается по грузоподъемной силе. Шариковые подшипники имеют существенно большую динамическую грузоподъемную силу, чем подшипники с газовой смазкой.

Высокоскоростной ротор на газовых опорах должен быть точно сбалансирован. Механические напряжения во всех деталях должны быть умеренные, чтобы исключить пластическую деформацию даже при максимальной рабочей скорости вращения и полной нагрузке. Бесколлекторный двигатель постоянного тока, имеющий статор простой формы в виде концентрического стального цилиндра, расположенного вокруг магнита, достаточно хорошо соответствует этому требованию.

Из многих известных видов газовых опор были выбраны радиальные подшипники с качающимися вкладышами благодаря их следующим особенностям.

По принципу действия и конструкции газовые опоры аналогичны гидростатическим опорам с жидкостным трением. Отличие состоит лишь в том, что разделяющей средой в них являются газы ( воздух, водород, гелий, аргон), имеющие малую вязкость.

Кроме того, с применением газовых опор должна сократиться осевая длина корпуса турбомашины, так как газодинамические подшипники могут одновременно служить уплотнением валов. При сжатии в компрессоре кислорода и других газов, склонных к образованию взрывчатых смесей с маслами, применение газовых подшипников устраняет необходимость в установке на роторе маслоохраняющих устройств.