СПОСОБ ГИДРОГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ СМАЗКИ УПОРНОГО ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ПОДШИПНИКА СКОЛЬЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО УПОРНОГО ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ПОДШИПНИКА СКОЛЬЖЕНИЯ
METHOD FOR HYDRAULIC GAS-DYNAMIC LUBRICATION OF HIGH-SPEED PLAIN THRUST BEARING AND APPARATUS OF A HIGH-SPEED PLAIN THRUST BEARING

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к области разработки и производства подшипников, в частности упорных высокоскоростных подшипников жидкостного трения, и может быть использовано в машинах и механизмах, применяемых в энергетической промышленности, машиностроении, нефтяной отрасли и других видах промышленности, где используют гидродинамические подшипники скольжения.
Подшипниковые опоры, созданные по данному способу, могут быть использованы практически во всех условиях, где в настоящее время применяют высокоскоростные упорные подшипники жидкостного трения с циркуляционной смазкой водой.
Известна конструкция газодинамической опоры, в которой устойчивый газовый слой создается в упорном подшипнике, на поверхности подпятника которого располагаются газодинамические канавки в форме спирали Архимеда.
(Патент РФ №2239734 С1, МПК F16C 32/06. Газодинамическая опора и способ ее изготовления. 2004)
Недостатком указанной конструкции упорного подшипника является невысокая несущая способность в случае его использования с газовой смазкой и достаточно высокие энергетические потери по сравнению с газовой смазкой при использовании указанной конструкции с жидкими смазочными средствами.
Известна конструкция упорного подшипника скольжения, в одном из вариантов которого для образования гидрогазодинамического слоя подают жидкую смазку в свободную часть зазора устройства в количестве, обеспечивающем неполное ее заполнение, затягивают из свободной части слоя газ в напорную часть слоя, таким образом, формируют газодинамическую часть напорной части слоя у подвижной поверхности, а жидкой смазкой, прилегающей к неподвижной рабочей поверхности, заполняют ее неровности и образуют гидродинамическую часть напорной части слоя, причем количество жидкой смазки, обеспечивающее как снижение трения, так и безаварийную работу подшипника, регулируют выбором места расположения и размером отверстия для проникновения жидкой смазки.
(Патент РФ №2442033 С2, МПК F16C 17/00, F16C 33/10. Способ повышения несущей способности и быстроходности автономного опорно-упорного подшипника жидкостного трения. Опубл. 10.02.2012, Бюл. №.4).
Недостатком указанного способа создания гидрогазодинамического слоя смазки в упорном подшипнике является сложность и громоздкость конструкции подшипника скольжения.
Известен способ создания газожидкостного слоя на поверхности твердого тела (торпеды), перемещающегося в жидкой среде с высокой скоростью. Способ реализуется путем создания потока кавитационных пузырей (полостей) в жидкой среде и затем впрыскиванием сжатого газа в кавитационный поток. Устройство, реализующий указанный способ, конструктивно имеет кавитатор в виде диска или конуса в начальной части торпеды и генератор газа внутри торпеды. Кавитатор обеспечивает кавитационный поток по поверхности торпеды, а генератор газа - поток газа на поверхности торпеды через сеть отверстий на поверхности, располагаемых позади кавитатора в области кавитационного потока. Способ обеспечивает снижение сопротивления трения и повышение устойчивости газового слоя, создаваемого только за счет кавитации.
(Byoung-Kwon Ann and et. Experimental Study on Artificial Supercavitation of the High Speed Torpedo. Journal of the KIMST, 2015, Vol.18, No. 3, pp.300-308. или патент KR 101353410)
Недостатком указанного способа создания газожидкостного слоя смазки на поверхности твердого тела является сложность и громоздкость конструкции устройства для реализации способа.
Известен способ создания гидрогазодинамического потока смазочной жидкости в зазоре упорного высокооборотного подшипника скольжения, содержащего пяту и подпятник с плоскими параллельными контактными поверхностями. Для создания гидрогазодинамического трения на поверхности подпятника имеются углубления в виде спиральных канавок.
(Zhentao Lia and et. Experimental study of cavitation characteristic of single-row reverse spiral groove liquid-film seals. Tribology International, 2020, Vol. 141, 105782. https://doi.org/10.1016/j.triboint.)
Данный способ по технической сущности и достигаемому результату наиболее близок к предложенному техническому решению и, поэтому, принят за его ближайший прототип.
Согласно этому способу спиральные канавки на подпятнике выполнены определенной формы и расположения, которые обеспечивают при вращении пяты эффект нагнетания смазочной жидкости в канавки и повышение давления в зазоре между пятой и подпятником для создания гидродинамического трения. Потери на трение в режиме гидродинамической смазки определяются вязкостью смазочной жидкости. При повышении скорости вращения упорного подшипника на входе в гидродинамические канавки возникают условия для возникновения кавитации смазочной жидкости. Сначала кавитация возникает в начальной области гидродинамической канавки. С повышением скорости скольжения кавитация распространяется вдоль канавки. Заполнение канавок подшипника кавитационной фазой зависит от скорости, конструкции канавок и природы смазочной жидкости. Образование кавитационной фазы в упорных гидродинамических подшипниках приводит к снижению коэффициента трения.
Недостатком указанного способа создания гидрогазодинамической смазки упорных подшипников скольжения является неустойчивость режимов возникновения и существования кавитационной фазы, а также снижение несущей способности.
Задача, решаемая в предлагаемом способе, заключается в создании в зазоре упорного жидкостного высокоскоростного подшипника скольжения устойчивого двухфазного слоя, состоящего из жидкости (воды) и газового слоя, последний из которых располагается на поверхности неподвижного тела (подпятника).
Решение поставленной задачи достигается усовершенствованием устройства упорного высокоскоростного подшипника скольжения, смазка трущихся частей которого выполняется предлагаемым способом, техническая сущность которого заключается в том, что в опорном подшипнике, для улучшения скольжения двух трущихся поверхностей пяты и подпятника осуществляется создание гидродинамического скольжения двух поверхностей и образование кавитации при вращении пяты относительно подпятника при смазке с водой, при этом подпятник, изготовляют из энергоаккумулирующего материала, который в процессе вращения восстанавливает водород из воды, который совместно с кавитационным потоком образует протяженный газовый слой на поверхности подпятника, создавая, в конечном счете, устойчивую двухслойную смазочную среду в зазоре подшипника, состоящую из газовой и жидкой фаз. В качестве гидроаккумулирующий материала используют алюминий или его сплавы или щелочные металлы или гидриды металлов. Практическая реализации предложенного способа осуществляется в устройстве упорного высокоскоростного подшипника скольжения, состоящее из пяты и подпятника с гидродинамическими канавками на поверхности подпятника для создания гидродинамического скольжении и образования кавитации при смазке водой, в котором подпятник выполнен или содержит в своем составе энергоаккумулирующий материал.
Технический результат, получаемый при реализации предлагаемого способа, состоит в снижении коэффициента трения, повышении несущей способности и упрощении конструкции подшипника.
Предлагаемый способ гидрогазодинамической смазки упорного высокоскоростного подшипника скольжения включает в себя создание гидродинамического слоя смазки (воды) движением пяты относительно подпятника и образование кавитации в области гидродинамических канавок, имеющихся на поверхности подпятника, изготовленного из энергоаккумулирующего материала. В результате эрозионного воздействия кавитационных пузырей (полостей) со стенками газодинамических канавок и последующего химического взаимодействия воды с активированным кавитацией энергоаккумулирующим материалом подпятника образуется поток водорода, который заполняет и увеличивает в размерах кавитационные полости, приводя к образованию сплошного газового слоя над поверхностью подпятника. В сочетании с поступающей жидкой смазкой (водой) в зазор между пятой и подпятником образуется газожидкостная двухфазная среда, реализующая гидрогазодинамическое трение высокооборотного упорного подшипника.
Отличительным признаком изобретения является наличие подпятника из энергоаккумулирующего материала и создание устойчивого гидрогазодинамического слоя за счет использования кавитации и химической реакции смазочной жидкости (воды) с энергоаккумулирующим материалом, из которого изготовлен подпятник высокооборотного упорного подшипника.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет снизить потери энергии на трение, повысить несущую способность и стабильность работы подшипника, в то время как в прототипе смазывание подшипника производится при более высоких значениях коэффициента трения, более низких значениях несущей способности и с большей вероятностью возникновения нестабильной работы.
Проведенный заявителем анализ техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение признаков из перечня выявленных аналогов и прототипов, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных (по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату) отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.
Способ гидрогазодинамической смазки упорного высокоскоростного подшипника скольжения реализуется следующим образом.
Используется конструкция упорного гидродинамического подшипника скольжения, состоящего из пяты и подпятника с гладкими параллельными контактными поверхностями (см. Zhentao Lia and et. Experimental study of cavitation characteristic of single-row reverse spiral groove liquid-film seals. Tribology International, 2020, Vol. 141, 105782). На поверхности подпятника созданы гидродинамические канавки, например, в форме спирали Архимеда. Материалом подпятника служит энергоаккумулирующий материал. Контактные поверхности пяты и подпятника упрочняются (модифицируются) известными в машиностроении методами для обеспечения антифрикционности и защиты от изнашивания, так как работа упорных подшипников часто сопровождается режимом пуска и остановки, когда смазочный слой между пятой и подпятником практически отсутствует. Пята подшипника трения может не подвергаться упрочняющей или модифицирующей поверхность обработки, когда пята изготавливается из керамики, твердого сплава, графита и тому подобных материалов в компактном виде.
При работе указанной конструкции упорного подшипника скольжения используется вода в качестве смазочной жидкости. Подпятник изготовляют из материалов, способных к генерированию водорода в контакте с водой. Такие материалы получили название энергоаккумулирующих. К ним относятся алюминий и его сплавы, или щелочные металлы или гидриды металлов и т.п. Исходя из необходимости обеспечения конструкционной прочности изделия (подпятника) наиболее приемлемыми веществами являются сплавы на основе алюминия.
Гидрогазодинамическая смазка в предлагаемой конструкции упорного подшипника скольжения создается в процессе вращательного движения пяты относительно подпятника при достижении определенной скорости скольжения, при которой возникает устойчивый слой жидкости в зазоре между подпятником и пятой. С повышением скорости вращения пяты в гидродинамических канавках подпятника возникает и, с возрастанием скорости, расширяется область кавитации. Образовавшиеся кавитационные пузырьки при контакте с материалом подпятника схлопываются, приводя к эрозии поверхности. Эрозия поверхности представляет собой процесс разрушения материала поверхности на нано- и микроуровне. Этот процесс разрушения приводит к удалению оксидных пленок и загрязнений, имеющихся на стенках и дне гидродинамических канавок подпятника, которые образовались в процессе механического изготовления подпятника. Процесс удаления оксидных слоев с энергоаккумулирующего материала подпятника приводит к его активации, что в свою очередь запускает процесс химической реакции энергоаккумулирующего материала с водой. В результате протекания химической реакции из воды восстанавливается водород и заполняет кавитационные полости (пузырьки). С ростом потока водорода кавитационные пузырьки увеличиваются в размерах и сливаются между собой. В конечном счете, образуются протяженные области газовой фазы в среде жидкости. Упорный подшипник скольжения начинает работать в режиме гидрогазодинамического трения.
Конструкция упорного высокоскоростного подшипника скольжения, в котором реализован способ гидрогазодинамической смазки по предлагаемому техническому решению, состоит из пяты и подпятника, который выполнен полностью из энергоаккумулирующего материала или содержит в своем составе энергоаккумулирующий материал.
Таким образом, предлагаемый способ гидрогазодинамической смазки упорных высокоскоростных подшипников скольжения и конструкция упорного высокоскоростного подшипника скольжения позволяет снизить потери энергии на трение, повысить несущую способность и стабильность работы подшипника.