Упругая опора подшипника качения высокооборотного ротора
ELASTIC ROLLING BEARING SUPPORT OF HIGH SPEED ROTOR

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к подшипникам качения, и касается динамической устойчивости роторов. Может найти применение в устройствах с подшипниками качения роторов турбонасосных агрегатов, к которым предъявляются требования по герметичности при вибрационных нагрузках.
Известны устройства упругих подшипниковых опор роторов машин и оборудования, где ротор установлен в корпусе на подшипниках качения с упругим элементом:
1. Упругая опора качения. [1. А.с.SU 1213274 А, МПК F16C 27/00. Упругая опора качения / Барков А.В., Родионов Е.С. - Опубл. 23.02.86. Бюл. №7.], где упругий элемент выполнен в виде роликового подшипника с пустотелыми упругими роликами, содержащими расположенные в чередующем порядке демпфирующие элементы и упругие ограничители прогиба стенок ролика.
Недостатки указанного устройства:
- невозможно ожидать классического положения элементов конструкции, как на фиг. 1 [1], даже теоретически, так как их свободе перемещения нет препятствий. Из этого очевидно, что положение демпфирующих элементов и упругих ограничителей прогиба стенок роликов, как на фиг. 2, будет хаотичным и относительным, а «…деформация сдвига демпфирующих элементов за счет относительного перемещения ограничителей прогиба…» [1] вследствие взаимного защемления вызовет также хаотичную деформацию роликов с непредсказуемыми величинами колебаний ротора, тем более при резонансных частотах;
- из первого недостатка следует основной - в указанной опоре качения не может быть обеспечена стабильность амплитуды колебаний ротора в связи с тем, что каждый ролик при обилии элементов разной жесткости будет иметь индивидуальные величины упругости, удельные нагрузки и параметры демпфирования.
2. Известна также виброизолирующая опора [2. Пат. RU 2432507 С1, МПК F16C 27/04, F16C 35/06. Виброизолирующая опора / Мишанин С.В., Голубев П.И., Корякин Ю.М., Мишанин Г.С., Фомченко В.А., Вальков А.А., Иванова Л.И. - Опубл. 27.10.2011. Бюл. №30.], где упругий элемент выполнен в виде одной или нескольких деталей из нетканого пористого проволочного материала при многовариантных комбинациях опор, в том числе из различных групп деталей, отличающихся жесткостью.
Недостатки указанного устройства:
- при наработке ресурса вследствие релаксации напряжений в проволоке пористого материала он уплотнится с изменением формы, упругости и увеличением амплитуды колебаний ротора при отсутствии ее стабильности, кроме того при деформации материала проблематично создать стабильным натяг в подшипнике;
- при обилии элементов упругости разной жесткости недостатки аналогичны [1], поэтому в связи с отсутствием стабильности перечисленных выше параметров отбор на выборочные испытания для подтверждения качества при партионном изготовлении теряет смысл;
- разбивка на группы при множестве вариантов упругой опоры делает ее слишком сложной для практического применения, особенно для высокооборотных роторов, учитывая и выше изложенные недостатки;
- для изготовления проволочного упругого материала требуется специальное оригинальное технологическое оборудование и технологический процесс по приемке готовой продукции.
3. Известна упругая подшипниковая опора вала [3. А.с. SU 1803622 А1, МПК F16C 27/04. Упругая подшипниковая опора вала / Волобуев Е.В., Выборнов В.Г., Киселев Д.В., Минаев А.А., Немцов В.В., Семенов В.М., Белоцерковский М.А., Сахнович В.Т. - Опубл. 23.03.93. Бюл. №11.], где упругий элемент выполнен в виде многослойной упругой втулки из металлических нитей, изготавливаемый по специальной технологии.
Недостатки указанного устройства аналогичны [2], кроме того, не рассматривается снижение амплитуды колебаний, что важно в том случае, когда присутствуют требования по герметичности агрегата.
4. Также известна виброизоляционная подвеска ротора машин и оборудования [4. Пат. RU 2440518 С1, МПК F16C 27/04. Виброизоляционная подвеска ротора машин и оборудования / Валеев А.Р., Зотов А.Н. - Опубл. 20.01.2012. Бюл. №2.], где упругий элемент подшипника выполнен в виде двух внутренних и двух внешних полуколец, опирающихся на пластины, установленные между полукольцами диаметрально относительно подшипника. Недостаток устройства: сложная подвеска с перенастройкой жесткости не обеспечивает требований по минимизации и стабильности амплитуды колебаний, что в высокооборотных роторах является одним из основных условий.
5. Известен подшипник качения [5. А.с. SU 1016579 А, МПК F16C 27/04. Подшипник качения / Андреев Ю.А., Богорад Э.Е., Гуляев В.Я., Генкин В.В., Лебедев А.С, Кельзон А.С, Никитин А.А. - Опубл. 07.05.83. Бюл. №17.], где подшипник содержит наружое кольцо как упругий элемент, выполненный в виде концентричных колец, установленных с зазором, причем среднее из этих колец соединено одним торцом с наружным, а другим торцом с внутренним кольцом перемычками, расположенными относительно друг друга в шахматном порядке.
Недостатки:
- из описания понятно, что указанная упругая опора не может быть реализована в тех устройствах, где габариты и масса имеют определяющее значение, так как кольцевые канавки между кольцами не могут быть выполнены на универсальном оборудовании с высоким качеством ввиду малого отношения ширины канавок к глубине;
- изготовление данного специального подшипника нерентабельно и исключает применение стандартного высокоточного подшипника, что целесообразнее как с точки зрения качества, так и в эксплуатации при необходимой замене подшипника.
6. В справочнике [6. Вибрации в технике: Справочник в 6-ти т.Т. 3. Колебания машин, конструкций и их элементов / Под ред. Ф.М. Диментберга, К.С. Колесникова. - М.: Машиностроение, 1980. - С. 285-287, рис. 8, 9, 10.] упругий элемент опоры ротора представлен в виде кольца, установленного между наружной обоймой подшипника и корпусом, снабженного с двух сторон выступами, расположенными по окружности в шахматном порядке.
Недостатки:
- отсутствует компенсатор радиального смещения опоры ротора, обязательно необходимого при допустимых отклонениях в конструкции. В опоре возникает повышенная односторонняя динамическая нагрузка, усугубляемая присутствующим дисбалансом масс ротора - это отрицательно влияет на ресурс и надежность агрегата;
- экспериментальными исследованиями, имитирующими транспортные и эксплуатационные нагрузки агрегата, определено, что опора по [6. Рис. 9.] и по соответствующей упругой характеристике [6. Рис. 8б.] не снимает полностью частоты резонансных режимов и при проходе через резонанс не ограничивает амплитуды колебаний, создавая аварийную ситуацию с объектом.
Ближайшим устройством, выбранным в качестве прототипа, принята упругодемпферная опора ротора [7. Пат. RU 2099606 С1, МПК F04D 29/04, F16C 27/04. Упругодемпферная опора ротора / Дмитренко А.И., Якубенко П.В. - Опубл. 20.12.1997.], содержащая корпус опоры, подшипник качения, на наружном кольце подшипника установлена втулка с возможностью радиального перемещения, содержащая равномерно расположенные по окружности фиксаторы, на внешней поверхности втулки установлен демпфер. Недостаток: демпфер из набора упругих пластин, свернутых в пакет, не может обеспечить стабильности амплитуды колебаний ротора ввиду широкого спектра суммарной жесткости пакета, состоящего из множества элементов разной жесткости, что необходимо для обеспечения герметизации роторов и сохранения зазоров между ротором и корпусом.
Таким образом, аналоги и прототип содержат общий недостаток: не обеспечивают стабильную амплитуду колебаний при ее минимальном значении. К тому же, аналоги не снимают полностью частоты резонансных режимов.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в обеспечении следующих требований к упругой опоре подшипника качения высокооборотного ротора:
- обеспечение стабильности амплитуды колебаний ротора в опоре при ее минимальном значении;
- исключение частоты резонансных режимов;
- обеспечение условий по герметичности агрегата во всем диапазоне частот при транспортных и эксплуатационных нагрузках;
- сохранение зазоров между ротором и корпусом в течение всего периода эксплуатации.
1
2
1
1
В предлагаемом техническом решении упругая опора содержит корпус опоры, подшипник качения, установленную по наружному кольцу подшипника втулку с возможностью радиального перемещения. Втулка содержит равномерно расположенные по окружности фиксаторы. На внешней поверхности втулки установлен демпфер, выполненный в виде упругого кольца из гомогенного материала, снабженного с двух сторон выступами, равномерно расположенными по окружности в шахматном порядке. Разность между диаметрами кольца (D-D) по выступам составляет 2-3% от наружного диаметра. Ширина выступа S составляет 1-2% от длины окружности по наружному диаметру кольца. Превышение выступа над минимальным сечением S кольца составляет 5-8%, минимальное сечение S кольца расположено на оси симметрии смежных наружного и внутреннего выступов, а образующие выступов сопряжены с образующими минимального сечения кольца радиусами R.
Сущность предполагаемого изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1, 2, 3 представлено устройство упругой опоры подшипника качения высокооборотного ротора. Ротор 1 установлен в корпусе опоры 2 на подшипнике 3, по наружному кольцу которого установлена втулка 4 с возможностью радиального перемещения. Втулка содержит фиксаторы 5, на внешней поверхности втулки 4 установлено упругое кольцо 6, снабженное с двух сторон выступами 7, равномерно расположенными по окружности в шахматном порядке. Кроме того, опора снабжена уплотнениями 8, герметизирующими полости агрегата от внешней среды.
На фиг. 4 показана конфигурация упругого кольца 6 со следующими параметрами:
1
2
1
- разность (D-D) составляет 2-3% от диаметра D;
1
- ширина выступа S составляет 1-2% от длины окружности по диаметру D;
1
- превышение выступа 7 над минимальным сечением S составляет 5-8%;
1
- минимальное сечение S расположено на оси симметрии смежных наружного и внутреннего выступов 7;
1
- образующие выступов 7 сопряжены с образующими минимального сечения S кольца радиусом R.
Указанные соотношения параметров упругого кольца из гомогенного материала подтверждены испытаниями упругой опоры подшипника качения высокооборотного ротора с имитацией транспортных и эксплуатационных нагрузок [8. Выписка из ПРОТОКОЛА №8 от 29 ноября 2017 года испытаний упругой опоры: характеристика упругой опоры P=f(δ). - Оренбург. - 2017. -1 с.].
Принцип действия упругой опоры. При вращении ротор 1 под действием динамических нагрузок от дисбаланса совместно с подшипником 3 и втулкой 4 перемещается в радиальном направлении, поджимая упругое кольцо 6 в направлении перемещения, вектор которого смещается по окружности следом за направлением дисбаланса. Проворачивание кольца 6 невозможно без поворота втулки 4, проворачивание которой исключается фиксаторами 5, тогда как в радиальном направлении втулка 4 имеет возможность перемещения в пределах упругой податливости кольца 6. Перечисленные действия обеспечивают постоянство окружных усилий от ротора на опору, обеспечивая высокие демпфирующие свойства упругого кольца, герметичность по уплотнению ротора, исключают заклинивание ротора при вращении в течение всего периода эксплуатации.
Технический результат:
- упругая опора обладает высокими демпфирующими свойствами, способствующими повышению надежности высокооборотного ротора;
- обеспечена стабильная амплитуда колебаний при ее минимальном значении, соответствующем сохранению условий герметичности уплотнения по ротору;
- обеспечена нелинейность характеристики демпфера [6. С.286, рис. 8в], чем исключено появление резонансного режима с сохранением стабильности амплитуды колебаний и эксплуатационных зазоров между ротором и корпусом.
Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом и аналогами показывает, что устройство в указанном исполнении обладает рядом преимуществ:
- снижены нагрузки на опору;
- гарантирована надежность упругой опоры подшипника качения высокооборотного ротора;
- исключается заклинивание ротора при вращении во всем диапазоне эксплуатации;
- обеспечивается герметичность по уплотнениям в пределах требований к объекту применения.
Предлагаемое устройство упругой опоры подшипника качения высокооборотного ротора может быть выполнено с помощью стандартного оборудования и материалов отечественного производства. Таким образом, заявленное устройство соответствует критерию «промышленная применимость».
Источники, принятые во внимание
1. А.с. SU 1213274 А, МПК F16C 27/00. Упругая опора качения / Барков А.В., Родионов Е.С. - Опубл. 23.02.86. Бюл. №7.
2. Пат. RU 2432507 С1, МПК F16C 27/04, F16C 35/06. Виброизолирующая опора / Мишанин С.В., Голубев П.И., Корякин Ю.М., Мишанин Г.С., Фомченко В.А., Вальков А.А., Иванова Л.И. - Опубл. 27.10.2011. Бюл. №30.
3. А.с. SU 1803622 А1, МПК F16C 27/04. Упругая подшипниковая опора вала / Волобуев Е.В., Выборнов В.Г., Киселев Д.В., Минаев А.А., Немцов В.В., Семенов В.М., Белоцерковский М.А., Сахнович В.Т. - Опубл. 23.03.93. Бюл. №11.
4. Пат. RU 2440518 С1, МПК F16C 27/04. Виброизоляционная подвеска ротора машин и оборудования / Валеев А.Р., Зотов А.Н. - Опубл. 20.01.2012. Бюл. №2.
5. А.с. SU 1016579 А, МПК F16C 27/04. Подшипник качения / Андреев Ю.А., Богорад Э.Е., Гуляев В.Я., Генкин В.В., Лебедев А.С, Кельзон A.С, Никитин А.А. - Опубл. 07.05.83. Бюл. №17.
6. Вибрации в технике: Справочник в 6-ти т. Т. 3. Колебания машин, конструкций и их элементов / Под ред. Ф.М. Диментберга, К.С.Колесникова. - М.: Машиностроение, 1980. - 544 с.
7. Пат. RU 2099606 С1, МПК F04D 29/04, F16C 27/04. Упругодемпферная опора ротора / Дмитренко А.И., Якубенко П.В. - Опубл. 20.12.1997.
8. Выписка из ПРОТОКОЛА №8 от 29 ноября 2017 года испытаний упругой опоры: характеристика упругой опоры P=f(δ). - Оренбург. - 2017. - 1 с.
9. Пат. RU 2508482 С1, МПК F16C 27/00, F16C 27/04. Упругая подшипниковая опора / Насибуллин Р.А. - Опубл. 27.02.2014. Бюл. №6.
10. А.с. SU 1229472 А1, МПК F16C 27/04. Демпферная опора / Осадченко B.C. - Опубл. 07.05.86. Бюл. №17.
11. А.с. SU 1448136 А2, МПК F16C 27/04. Упругая опора / Рогачев B.М., Иевлев В.В. - Опубл. 30.12.88. Бюл. №48.
12. Овсянников Б.В. Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей: Учебник для авиац. вузов / Б.В. Овсянников, Б.И. Боровский. - М.: Машиностроение, 1986. - 376 с.