УПОРНЫЙ ПОДШИПНИК
THRUST BEARING

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано, например, в установках погружных электроцентробежных насосов для добычи нефти.
7
Известно устройство для гидравлической защиты погружного электродвигателя, содержащее закрепленную на валу пяту, выполненную в виде стального корпуса, имеющего керамическую или твердосплавную вставку, и жестко закрепленный в корпусе гидрозащиты подпятник, выполненный в виде керамического или твердосплавного кольца (см. патент РФ №46056, MПК F04D 13/00, опубл. 10.06.2005 г.).
В такой конструкции допускаемая удельная нагрузка на антифрикционные вставки, изготовленные из керамики или из твердосплавных материалов, имеющих повышенную твердость по сравнению с металлическими, пластмассовыми и композиционными материалами, позволяет использовать эти вставки в конструкциях упорного подшипника повышенной грузоподъемности для гидравлических защит погружного электродвигателя.
Недостатком данной конструкции является то, что вставка пяты, также кольца подпятника изготовлены из хрупких материалов - керамики или твердого сплава. В настоящее время наиболее часто для таких условий работы применяются вставки и кольца из керамики или из твердых сплавов карбида вольфрама со связкой из кобальта типа ВК8 или карбида вольфрама со связкой из никеля типа CH8. Эти материалы являются дорогостоящими, что приводит к удорожанию упорного подшипника. В то же время детали из этих материалов хрупкие, это предъявляет повышенные требования бережного отношения к ним при сборке узла, транспортировке, эксплуатации, ремонтных работах. Особые требования предъявляются к конструкции изделий из этих материалов при повышенных нагрузках на них. Детали из этих материалов не должны иметь концентраторов напряжений, резких переходов с одной толщины на другую, должны иметь равномерную нагрузку по всей поверхности трения. Каналы для охлаждения внутри и на опорных поверхностях пяты и подпятника из этих материалов создают концентраторы напряжения. Отсутствие охлаждения приводит к перегреву и разрушению опор, перегреву масла, например, погружного электродвигателя и ухудшению электроизоляционных свойств масла, к отказу электродвигателя. Изделия из этих материалов разрушаются при вибрационных нагрузках. Это приводит к снижению надежности упорного подшипника, в конечном счете всей установки, в которую он установлен, приводит к необходимости частого ремонта установки для замены антифрикционных вставок и колец упорного подшипника, к снижению межремонтного периода упорного подшипника, установки, может привести к разрушению установки, в которую он установлен.
Известен упорный подшипник, содержащий пяту, установленную на валу с возможностью вращения совместно с валом и восприятия осевой силы со стороны вала и без возможности вращения относительно него, подпятник, содержащий самоустанавливающиеся сегменты и выполненный с возможностью восприятия осевой силы со стороны пяты (см. патент РФ №2305212, МПК F16C 17/04, опубл. 27.08.2007 г.). В такой конструкции опорные поверхности самоустанавливающихся сегментов, контактирующиеся с опорной поверхностью пяты, образуя пару трения, содержат антифрикционное покрытие. В качестве антифрикционного покрытия используются пластмассовые покрытия, например, типа полиэфирэфиркэтон (РЕЕК), политетрафторэтилен (PTFE), композиционные материалы или другие пластмассовые материалы. Данное техническое решение широко используется в современном машиностроении, т.к. в процессе вращения пяты совместно с валом самоустанавливающиеся сегменты подпятника в зависимости от частоты вращения вала занимают оптимальные положения для передачи осевой нагрузки, создавая гидродинамическую (аэродинамическую) подъемную силу на пяту. Тем самым снижается износ трущихся поверхностей.
Однако при повышении температуры в зоне трения, соответственно и пластмассовых покрытий самоустанавливающихся сегментов, падает несущая способность упорного подшипника, так как пластмассы теряют несущую способность с повышением температуры. С повышением частоты вращения вала, с повышением нагрузки на вал, соответственно на упорный подшипник, увеличивается выделение тепла и повышение температуры в зоне трения пяты с подпятником. При этом снижается надежность и долговечность упорного подшипника. Сегодня возникает значительная потребность в упорных подшипниках, работоспособных при высоких температурах окружающей среды, при высоких оборотах вала и высоких осевых нагрузках от вала на упорные подшипники. Особенно высока потребность в таких упорных подшипниках в нефтедобывающей, газодобывающей отраслях, в атомной энергетике.
Технической задачей полезной модели является повышение надежности работы упорного подшипника, увеличение межремонтного периода и долговечности работы упорного подшипника, путем создания конструкции упорного подшипника работоспособной при повышенных осевых нагрузках, частотах вращения вала и температуре окружающей рабочей среды.
Данная техническая задача решается тем, что упорный подшипник содержит пяту, установленный на валу с возможностью вращения совместно с валом и восприятия осевой силы со стороны вала и без возможности вращения относительно него подпятник, содержащий самоустанавливающиеся сегменты и выполненный с возможностью восприятия осевой силы со стороны пяты, отличающийся тем, что опорная поверхность пяты и опорная поверхность подпятника, состоящая из опорных поверхностей самоустанавливающихся сегментов, содержат твердосплавное покрытие, в частности, из карбида вольфрама со связкой из кобальта или карбида вольфрама со связкой из никеля, при этом опорная поверхность пяты твердосплавным покрытием контактирует с твердосплавным покрытием опорной поверхности подпятника, образованной самоустанавливающимися сегментами, образуя пару трения.
Опорная поверхность пяты и опорная поверхность подпятника, образованная самоустанавливающимися сегментами, содержат твердосплавное покрытие толщиной 0,1 мм-1,0 мм и более каждая.
Кроме того, самоустанавливающиеся сегменты подпятника содержат гидродинамические уклоны 19.
На фиг. 1 представлен заявляемый упорный подшипник.
На фиг. 2 представлен поперечный разрез А-А фиг. 1, на котором более подробно показаны самоустанавливающиеся сегменты упорного подшипника.
На фиг. 3 представлен разрез Б-Б фиг. 2, на котором самоустанавливающиеся сегменты подпятника упорного подшипника содержат гидродинамические уклоны.
Упорный подшипник содержит пяту 1 и подпятник 2. Пята 1 установлена на валу 3 с возможностью вращения совместно с валом и восприятия осевой силы со стороны вала 3 и без возможности вращения относительно него. Для этого пята 1 может быть закреплена к валу 3 шпонкой 4 или шпонками. Для восприятия пятой 1 осевой силы со стороны вала 3 на валу установлено упорное кольцо 5, которое опирается на пяту 1. Для воспрепятствования перемещения пяты 1 вдоль вала 3 в другом направлении вала служит упорное кольцо 6. Подпятник 2 содержит самоустанавливающиеся сегменты 7. Пята 1 опирается на самоустанавливающиеся сегменты 7 подпятника 2. Самоустанавливающиеся сегменты 7 подпятника 2 воспринимают осевую силу со стороны пяты 1. Самоустанавливающиеся сегменты 7 опираются опорными элементами 8, позволяющими сегментам 7 самоустанавливаться на основании 9 подпятника 2. Для ограничения перемещения самоустанавливающихся сегментов 7 в ограниченных пределах и не выпадения их из осевой опоры при транспортировке служат ограничительные элементы 10, установленные неподвижно в основании 9 подпятника. Подпятник 2 опирается основанием 9 на корпус 11 устройства 12, куда установлен упорный подшипник. Подпятник 2 закреплен основанием 9 в корпус 11 устройства 12, в которое установлен упорный подшипник, с помощью штифтов 13. Опорная поверхность 14 пяты 1 и опорная поверхность 15 подпятника 2, состоящая из опорных поверхностей 16 самоустанавливающихся сегментов 7, содержат твердосплавные покрытия 17 и 18, в частности, из карбида вольфрама со связкой из кобальта или карбида вольфрама со связкой из никеля. Опорная поверхность 14 пяты 1 твердосплавным покрытием 17 контактирует с твердосплавным покрытием 18 опорной поверхности 15 подпятника 2, образованной самоустанавливающимися сегментами 7, образуя пару трения. Применение того или иного карбида вольфрама со связкой из кобальта или того или иного карбида вольфрама со связкой из никеля определяется наличием компонентов для твердосплавного покрытия и необходимостью получения требуемых характеристик твердосплавного покрытия. Поверхности пар трения могут формироваться и из других твердых сплавов.
Опорная поверхность 14 пяты 1 и опорная поверхность 15 подпятника 2, образованная самоустанавливающимися сегментами 7, содержат твердосплавные покрытия 17 и 18 толщиной 0,1 мм-1,0 мм и более каждая. Толщина твердосплавного покрытия наносится на опорные поверхности в зависимости от условий эксплуатации упорного подшипника.
Кроме того, самоустанавливающиеся сегменты 7 подпятника 2 содержат гидродинамические уклоны 19.
В процессе работы упорного подшипника пята 1 передает осевую силу от вращающегося вала 3 на подпятник 2. Для восприятия пятой 1 осевой силы со стороны вала 3 служит упорное кольцо 5, которое опирается на пяту 1. Для воспрепятствования перемещения пяты 1 вдоль вала 3 в другом направлении вала служит упорное кольцо 6. Пята 1 закреплена к валу 3 шпонкой 4 или шпонками, которые предотвращают вращение пяты 1 относительно вала 3. Вал 3 вращается совместно с пятой 1 относительно неподвижного подпятника 2. При этом опорная поверхность 14 пяты 1 и опорная поверхность 15 подпятника 2, состоящая из опорных поверхностей 16 самоустанавливающихся сегментов 7, образуют пару трения. Осевая сила от самоустанавливающихся сегментов 7 передается посредством опорных элементов 8 основанию 9 подпятника 2. Опорные элементы 8 позволяют сегментам 7 самоустанавливаться на основании 9 подпятника, тем самым создавая благоприятные условия восприятия осевой силы. Подпятник 2 закреплен основанием 9 в корпус 11 устройства 12, в которое установлен упорный подшипник, с помощью штифтов 13. Основание 9 подпятника 2 передает осевое усилие корпусу 11 устройства 12, в которое установлен упорный подшипник. Опорная поверхность 14 пяты 1 и опорная поверхность 15 подпятника 2, состоящая из опорных поверхностей 16 самоустанавливающихся сегментов 7, содержат твердосплавные покрытия 17 и 18, в частности, из карбида вольфрама со связкой из кобальта или карбида вольфрама со связкой из никеля. Опорная поверхность 14 пяты 1 твердосплавным покрытием 17 контактирует с твердосплавным покрытием 18 опорной поверхности 15 подпятника 2, образованной самоустанавливающимися сегментами 7, образуя пару трения.
Твердосплавное покрытие на опорные поверхности может наноситься, например, методом газовоздушного сверхзвукового напыления. При этом обеспечивается повышенная адгезия слоя твердого материала к опорным поверхностям за счет диффузии расплавленного сплава в материал опорной поверхности, механического сцепления с неровностями опорной поверхности, химического соединения сплава с материалом опорной поверхности. После нанесения покрытия поверхности трения обрабатываются с шероховатостью, необходимой для поверхностей трения подшипников скольжения. Высокая твердость опорных поверхностей из твердосплавных покрытий увеличивает срок службы пары трения упорных подшипников, как пяты, так и подпятника, приводит к повышению надежности, снижению себестоимости упорного подшипника и к увеличению межремонтного периода эксплуатации упорного подшипника, соответственно и установки, в которую установлен упорный подшипник. Высокая температурная стойкость твердосплавного покрытия по сравнению с полимерными, композиционными, металлическими, например баббитовыми, покрытиями позволяет повысить надежность упорных подшипников особенно при работе их при высоких оборотах вала с большими осевыми нагрузками и при высоких температурах окружающей среды. Высокая теплопроводность твердосплавного покрытия способствует повышенному отводу тепла из зоны трения пар трения, что повышает надежность и долговечность работы упорного подшипника. Малая толщина твердосплавного покрытия по сравнению с вставками и кольцами из антифрикционных материалов, как карбид кремния и твердые сплавы, позволяет уменьшить стоимость упорного подшипника. Применение пяты и подпятника из надежных конструюшонных материалов, например из высокопрочных износокоррози-онностойких нержавеющих сталей, с твердосплавным покрытием опорной поверхности пяты и твердосплавным покрытием опорной поверхности подпятника, состоящей из опорных поверхностей самоустанавливающихся сегментов, позволяет повысить надежность работы упорного подшипника, увеличить межремонтный период и долговечность работы упорного подшипника, путем создания конструкции упорного подшипника работоспособной при повышенных осевых нагрузках, частотах вращения вала и температуре окружающей рабочей среды.
Толщина твердосплавного покрытия выполняется исходя из условий работы упорного подшипника, в первую очередь она зависит от удельной осевой нагрузки на пяту, соответственно на подпятник, частоты вращения вала, соответственно пяты. В современном машиностроении востребованы упорные подшипники, способные работать при повышенных температурах окружающей среды, высоких осевых нагрузках и повышенных частотах вращения вала. Например, интенсификация добычи нефти и потребность добычи нефти из глубоких скважин, 4000 м и более, накладывают на упорный подшипник устройства для гидравлической защиты погружного электродвигателя все более повышенные требования по надежности и "грузоподъемности", т.е. требования по восприятию значительных осевых нагрузок при высоких температурах пластовой жидкости. Это особенно актуально для насосных установок с насосами без осевых опор компрессионной схемы исполнения насосов. Для относительно слабонагруженных упорных подшипников гидравлических защит погружных электродвигателей, например, для насосных установок с осевой опорой в секциях насосов частотой вращения вала до 3000 об/мин, толщина твердосплавного покрытия на опорных поверхностях пар трения выполняется в пределах 0,1-0,2 мм. При частотах вращения вала до 6000 об/мин, толщина твердосплавного покрытия на опорных поверхностях выполняется в пределах 0,2-0,4 мм. Для средненагруженных упорных подшипников гидравлических защит погружных электродвигателей, например, для насосных установок без осевых опор в секциях насосов, "плавающих" и "пакетных" схем расположения рабочих колес в насосах, с частотой вращения вала до 3000 об/мин, и глубиной расположения насоса до 3 км толщина твердосплавного покрытия на опорных поверхностях выполняется в пределах 0,3-0,5 мм, частотой вращения вала до 6000 об/мин, толщина твердосплавного покрытия на опорных поверхностях выполняется в пределах 0,4-0,6 мм, т.д. Для высоконагруженных упорных подшипников гидравлических защит погружных электродвигателей, например для насосных установок без осевой опоры в секциях насосов с "компрессионной" схемой сборки в зависимости от напора насосной установки, частоты вращения вала насоса, глубины добычи нефти толщина твердосплавного покрытия на опорных поверхностях пар трения выполняется в пределах 0,4-1,0 мм и более.
Гидродинамические уклоны 19 самоустанавливающихся сегментов 7 подпятника 2 при работе упорного подшипника способствуют вращающейся пяте увлекать масло в клиновой зазор 20 между подпятником 2 и пятой 1. Гидродинамические уклоны 19 при меньших частотах вращения вала 3, соответственно и пяты 2, позволяют создание условий, при которых между поверхностями трения появляется устойчивый слой рабочего вещества, например масла, воды или газа, полностью разделяющий их. Тем самым способствуют созданию и повышению гидродинамической подъемной силы на пяту 2, снижению износа поверхностей трения упорного подшипника, повышению надежности, долговечности упорного подшипника, увеличению межремонтного периода упорного подшипника, соответственно и установки 12, в которую установлен упорный подшипник.
Выполнение таким образом упорного подшипника позволяет повысить надежность работы упорного подшипника, увеличить межремонтный период и долговечность работы упорного подшипника, путем создания конструкции упорного подшипника, работоспособной при повышенных осевых нагрузках, частотах вращения вала и температуре окружающей рабочей среды.