Подшипник скольжения

Полезная модель относится к подшипникам для деталей вращения, а именно к подшипникам скольжения и может быть использована в авиационной, авиакосмической промышленности и иных областях машиностроения.
Подшипники скольжения традиционно применяются в высокоскоростных турбокомпрессорных агрегатах, особенно когда требуется большая несущая способность. Одной из основных проблем подшипников скольжения является неустойчивость, причиной которой является смазывающая жидкость.
Явление масляной вибрации заключается в том, что подшипники скольжения, несущие сбалансированный ротор и работающие в режиме жидкостной смазки могут служить источником интенсивных колебаний ротора, вызванных анизотропией поля давления смазочного слоя. Возросшие скорости, консольные и аэродинамические нагрузки, автоколебания, вызываемые циркуляционными силами в масляном слое подшипников скольжения, усложнили задачу регулирования характеристик системы «ротор-подшипник».
При этом традиционный цилиндрический подшипник работоспособен в высокоскоростных машинах при условии поддержания температуры подшипника на достаточно низком уровне, для чего должны применяться большие зазоры, что входит в противоречие с требованием поддержания допустимого уровня вибраций ротора.
Известен подшипник скольжения, содержащий опору и внутреннюю втулку, предназначенную для размещения на валу, образующую с опорой пару скольжения, причем, по меньшей мере, одна из сопряженных поверхностей выполнена с антифрикционным покрытием в виде пленочного наноструктурированного дисперсно-упрочненного карбида кремния (RU 99558, 2010).
Пленочное покрытие в известном техническом решении обеспечивает возможность получения коэффициента трения в диапазоне от 0,025 до 0,015, что позволяет решить задачу улучшения триботехнических свойств подшипника скольжения.
Известен подшипник скольжения, содержащий опору и установленный на ней, по крайней мере, один элемент скольжения, выполненный в виде втулки, предназначенной для размещения на валу и образующей с опорой пару скольжения, причем сопряженные поверхности выполнены с наноструктурированным керамическим покрытием из порошка карбида кремния с фракциями нанодиапазона (RU 2476736, 2013).
Известное техническое решение обеспечивает снижение коэффициента трения с 0,015 до 0,011, что позволяет решить задачу комплексного улучшения эксплуатационных характеристик подшипника скольжения, повысив его износостойкость.
Необходимо отметить, что наноструктурированное покрытие и материалы корпуса, цапф вала и втулок подшипников скольжения в известных технических решениях имеют коэффициенты термического расширения, отличающиеся друг от друга в несколько раз, что с ростом температуры подшипника приводит к возникновению недопустимых контактных напряжений и возможности последующего разрушения покрытия.
Таким образом, существенным недостатком известных технических решений является снижение надежности при повышении температуры.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому техническому решению является известный подшипник скольжения, содержащий опору, предназначенную для размещения в корпусе, фиксирующую втулку, предназначенную для размещения на валу, и внутреннее кольцо, образующее с опорой пару скольжения, закрепленное на внешней поверхности фиксирующей втулки, причем опора и внутреннее кольцо выполнены из металлокерамоматричных материалов, при этом для опоры выбран материал на основе карбонитрида титана (TiCN) (RU 153885, 2015).
В известном техническом решении крепление фиксирующей втулки относительно вала и внутреннего кольца подшипника относительно фиксирующей втулки осуществляется при помощи соответствующих штифтов и гайки крепления. При этом внутреннее кольцо подшипника выполнено из наноструктурного дисперсно-упрочненного реакционно-спеченного материала на основе карбида кремния (SiC).
Важным условием нормальной работы подшипника является выбор оптимального зазора между опорой и внутренним кольцом, образующих пару трения, поскольку при увеличенном зазоре повышается износ втулки и возникает неустойчивость работы подшипника, в связи с чем невозможно поддержание допустимого уровня вибраций ротора, а уменьшенный зазор вызывает интенсивное тепловыделение, требующее повышения давления при подаче смазывающей жидкости для поддержания температуры подшипника на достаточно низком уровне с целью сохранения его работоспособности. Установка опоры и кольца из износостойкой керамики в корпусе и на валу с возможностью ограниченной подвижности через фиксирующие втулки обеспечивает самоустановку контактирующих поверхностей пары трения и позволяет снизить коэффициент трения, уменьшить износ пары трения, увеличить долговечность подшипника, и частично снизить уровень автоколебаний, вызываемых циркуляционными силами в масляном слое подшипников скольжения. Однако при увеличении нагрузок и повышении температуры зазор между поверхностями скольжения увеличивается, поскольку коэффициент термического расширения материала кольца меньше, чем у материала опоры. Кроме того, существенная разница (в несколько раз) в коэффициентах термического расширения материала фиксирующей втулки и материала кольца также приводит к возникновению дополнительных контактных напряжений, способствующих увеличению нагрузки на внутреннее кольцо.
Таким образом, существенным недостатком известного технического решения является неустойчивость работы подшипника скольжения при повышении температуры, обусловленная сложностью его конструкции, не обеспечивающей поддержания допустимого уровня вибраций.
Техническая проблема, решаемая созданием заявляемой полезной модели, заключается в расширении арсенала технических средств, а именно, создании подшипника скольжения, обладающего аналогичной износостойкостью с применением современных материалов для изготовления конструктивных элементов подшипника.
Технический результат, обеспечиваемый предлагаемой полезной моделью, заключается в реализации ее назначения, т.е. в создании подшипника скольжения, обеспечивающего повышение виброустойчивости.
Указанный технический результат достигается тем, что в подшипнике скольжения, содержащем опору, предназначенную для размещения в корпусе, фиксирующую втулку, предназначенную для размещения на валу, и внутреннее кольцо, образующее с опорой пару скольжения, закрепленное на внешней поверхности фиксирующей втулки, причем опора и внутреннее кольцо выполнены из металлокерамоматричных материалов, при этом для опоры выбран материал на основе карбонитрида титана (TiCN), в качестве материала для внутреннего кольца использован наноструктурированный дисперсно-упрочненный реакционно-спеченный материал на основе карбонитрида кремния (SiCN), причем кольцо выполнено разрезным в виде равномерно размещенных по окружности фиксирующей втулки секторов с зазорами между ними, жестко закрепленных на поверхности фиксирующей втулки при помощи высокотемпературного припоя.
Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата, так как:
- использование в качестве материала для внутреннего кольца наноструктурированного дисперсно-упрочненного реакционно-спеченного материала на основе карбонитрида кремния (SiCN) обеспечивает регулирование зазора между опорой и секторами внутреннего кольца, что позволяет повысить виброустойчивость путем снижения колебаний, вызванных анизотропией поля давления смазочного слоя;
- выполнение внутреннего кольца разрезным в виде равномерно размещенных по окружности фиксирующей втулки секторов с зазорами между ними и жесткое закрепление секторов на поверхности фиксирующей втулки при помощи высокотемпературного припоя обеспечивают повышение виброустойчивости за счет многоцентровости подшипника в результате изменения геометрических центров секторов при повышении температуры.
Предложенное техническое решение поясняется следующим описанием со ссылкой на чертеж, представленный на фигуре, где изображена схема подшипника скольжения в соответствии с предлагаемой полезной моделью.
На чертеже приняты следующие обозначения:
1 - опора;
2 - корпус;
3 - фиксирующая втулка;
4 - вал;
5 - сектор внутреннего кольца;
6 - зазор между секторами;
7 - припой;
8 - отверстия системы смазки.
Подшипник скольжения содержит опору 1, размещенную в корпусе 2, фиксирующую втулку 3, выполненную например из стали ВКС-5 и размещенную на валу 4, и внутреннее кольцо, образующее с опорой 1 пару скольжения. Внутреннее кольцо выполнено разрезным в виде секторов 5, равномерно расположенных по окружности на внешней поверхности фиксирующей втулки 3 с зазорами 6 между ними и жестко закрепленных при помощи высокотемпературного припоя 7. Опора 1 и сектора 5 выполнены из металлокерамоматричных материалов, причем для выполнения опоры 1 выбран металлокерамоматричный материал на основе карбонитрида титана (TiCN), а для выполнения секторов 5 внутреннего кольца - наноструктурированный дисперсно-упрочненный реакционно-спеченный материал на основе карбонитрида кремния (SiCN). Поверхность последнего маталлизируется, поэтому качество паяного соединения карбонитрида кремния (SiCN) с материалом фиксирующей втулки 3 (сталь ВКС-5) выше, чем качество аналогичного соединения карбида кремния (SiC) с металлом. Смазочная жидкость подается в зазор между поверхностями скольжения подшипника при помощи системы смазки, выполненной в виде соосных отверстий 8, расположенных в корпусе 2 и опоре 1.
Подшипник скольжения работает следующим образом.
-6
-6
-6
При вращении вала 4 фиксирующая втулка 3 с закрепленными на ее внешней поверхности секторами 5 образует с опорой 1 пару трения. Через отверстия 8 системы смазки в зону трения поступает масло. При повышении температуры фиксирующая втулка 3 расширяется, изменяя свою форму. Поскольку коэффициент термического расширения материала секторов 5 меньше коэффициента термического расширения материала опоры 1 (коэффициенты термического расширения композитных материалов на основе карбонитрида титана и карбонитрида кремния соответственно 6,5×10 и 2,5×10), происходит изменение зазора 6 между секторами 5. Происходит увеличение объема для размещения смазочной жидкости за счет увеличения зазоров 6, что исключает появление сухого трения при повышении температуры и нагрузок, и обеспечивает охлаждение пары скольжения. Кроме того, возникающие дополнительные термические напряжения, обусловленные существенной разницей в значениях коэффициентов термического расширения фиксирующей втулки 3 (для стали ВКС-5 коэффициент термического расширения равен 12,0×10) и материала секторов 5, компенсируются за счет соответствующего деформируемого высокотемпературного термокомпенсационного слоя припоя. В качестве последнего могут быть использованы припои марок ПМН-25, ППДН60-40 с температурой пайки 1220-1250°C. С повышением температуры за счет разницы в коэффициентах термического расширения фиксирующей втулки 3, и материала секторов 5 и опоры 1 происходит уменьшение зазора в паре скольжения и изменяется местоположение геометрических центров секторов 5, что приводит к возникновению многоцентровости подшипника. В результате возникновения многоцентровости уменьшаются анизотропия поля давления смазочного слоя и циркуляционные силы, вызывающие автоколебания, что позволяет повысить устойчивость работы подшипника скольжения при повышенных температурах. Отвод смазки из зазора в паре трения «опора-кольцо» осуществляется сбросом смазки центробежным способом через зазоры 6 между секторами 5 внутреннего кольца. При снижении температуры происходит уменьшение зазоров 6 до исходного состояния, и подшипник становится одноцентровым.
Предложенная полезная модель обеспечивает:
- устойчивую работу подшипника скольжения в условиях повышенных температур и возможность регулирования характеристик системы «ротор-подшипник» путем изготовления элементов подшипника из современных материалов с определенными свойствами;
- регулирование зазора между опорой и секторами внутреннего кольца в зависимости от температуры за счет разницы в коэффициентах термического расширения, что позволяет повысить виброустойчивость путем снижения колебаний, вызванных анизотропией поля давления смазочного слоя;
- увеличение объема для размещения смазочной жидкости, что исключает появление сухого трения при повышении температуры и нагрузок и обеспечивает охлаждение пары скольжения;
- повышение виброустойчивости за счет многоцентровости подшипника в результате изменения геометрических центров секторов при повышении температуры.
Таким образом, предложенная полезная модель позволяет решить проблему расширения арсенала технических средств, а именно создать подшипник скольжения, который обеспечивает повышение виброустойчивости, обладает высокой износостойкостью, характеризуется надежной и стабильной работой при воздействии высоких температур и нагрузок.