УПЛОТНЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ВАЛОВ И ОСЕЙ
SEALING OF HORIZONTAL SHAFTS OR AXES

Изобретение относится к уплотнительной технике подшипниковых узлов горизонтальных валов и осей в области машиностроения и может быть использовано в двигателестроении для уплотнения, в частности, подшипникового узла жидкостного трения шатунных и коренных шеек коленчатого вала или быстроходных валов и шпинделей.
Известные уплотнения горизонтальных валов (а.с. №1585603, F16J 15/54) снабжены маслосъемным элементом и поджимающим его к валу упругим элементом, маслосъемный элемент выполнен клиновидной формы с внутренней цилиндрической поверхностью и расположен в зоне входного отверстия дренажного канала. Такое уплотнение снимает масло с поверхности вала, не обеспечивает достаточно большое превышение рабочей угловой скорости, при которой наступает период перехода в режим смешанного трения.
Уплотнение горизонтальных валов и осей (а.с. №460396, МПК F16J 15/54) содержит пьезоэлемент из кристаллов кварца, который возбуждается генератором частоты в пространстве уплотняемой щели между опорой и валом, тем самым создавшееся давление не позволяет уплотняемой среде, например маслу, протекать из рабочей полости за счет колебания пьезокристаллов.
Известны уплотнения с кольцевой полостью (а.с. №310076. Бесконтактное уплотнение, МПК F16J 15/54). В нижней части полость пересекается с языкообразным карманом. Поверхности полости и кармана образуют острый угол, острие которого направлено против вращения шпинделя. В глубине кармана выполнены сливные отверстия, сообщающие полости кармана и шпиндельного узла. В результате торможения потока давление в глубине кармана повышается, и масло сливается через отверстие в корпус шпиндельного узла. В кольцевой полости давление понижается, и тем самым предотвращается вытекание смазки наружу.
Недостатками этих уплотнений горизонтальных валов и осей в узлах жидкостного трения являются недостаточная надежность работы подшипникового узла из-за съема масла, усложнения конструкции, обеспечивающих снижение радиальной жесткости гидростатических опор при произвольном направлении нагрузки и неприемлемых для вращающихся валов с подшипниками скольжения.
Технический результат - повышение надежности уплотнения вращающихся валов и увеличения долговечности работы подшипникового узла.
Указанный технический результат достигается тем, что уплотнение горизонтальных валов и осей содержит вал с крышкой, на которой выполнена кольцевая проточка, несколько распределенных по окружности попарно противоположно направленных маслосборных карманов, соединенных со сливом.
Особенностью является то, что вращающийся горизонтальный вал снабжен поверхностными торцевыми упрочненными полосками, которые в процессе вращения вала на подшипниках скольжения различной твердости трущихся поверхностей образуют карманы, способствующие повышению давления в карманах масляного слоя и жесткости гидравлических опор, оказывающие сопротивление торцевой утечки масла.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена конструкция, а на фиг.2 - характеристика торцевой утечки смазочного материала от геометрических размеров подшипника скольжения.
Уплотнение подшипникового узла состоит из вала 1 с крышкой 2, поверхностных торцевых упрочненных кольцевых полосок 3 на валу 1, подшипника скольжения 4, карманов 5 на подшипнике скольжения 4 и рабочей пространственной полости 6 подшипникового узла.
Процесс упрочнения поверхностных торцевых упрочненных кольцевых полосок 3 осуществляют электромеханической или лазерной обработкой шириной не более 3…5 мм в виде двух поверхностных торцевых упрочненных полосок 3, при вращении вала 1 поверхностные торцевые упрочненные кольцевые полоски 3 срезают антифрикционный слой на подшипнике скольжения 4 за счет различной твердости трущихся поверхностей и образуют карманы 5. В пространственной полости 6 между двумя поверхностными торцевыми упрочненными кольцевыми полосками 3, равной 0,8…0,9 ширины подшипника скольжения 4, создается гидравлическое давление, которое повышает гидравлическую жесткость опоры и не позволяет уплотняемой среде, например маслу или воде, протекать из рабочей пространственной полости 6 подшипникового узла.
При переходе в режим смешанного трения минимальный зазор в подшипниковой пространственной полости 6 равен сумме высот неровностей поверхностей подшипника скольжения 4 и вала 1, то на основании классической теории подшипников скольжения коэффициент, учитывающий влияние торцевой утечки u смазочного материала, зависит
n
min
где ω - переходная угловая скорость вала подшипника; µ - динамическая вязкость смазочного масла; d - номинальный диаметр подшипника; р - среднее давление в подшипнике; ψ - относительный зазор; h - минимальный зазор в подшипнике.
2
n
w
Отношение рψ/ωµ=с - характеризует коэффициент нагруженности подшипникового узла, тогда торцевую утечку смазочного материала можно представить
w
где χ - относительный эксцентриситет при переходе от жидкостного трения к смешанному. Так как с зависит от χ и отношения l/d (l - длина втулки подшипника), а χ колеблется в небольших пределах (χ=0,95…0,99), то коэффициент утечки зависит в основном от l/d.
В процессе работы давление в карманах 5 и коэффициент нагруженности подшипника скольжения 4 увеличиваются, а относительный эксцентриситет при переходе от жидкостного трения к смешанному уменьшается, при этом торцевая утечка смазочного материала u снижается, тем самым герметичность уплотнения повышается.
На фиг.2 представлена характеристика u от l/d для половинных подшипников скольжения 4. Эта зависимость при данном значении χ описывается выражением
Радиальная жесткость при эксцентриситете ε=0 для гидростатических опор выражается через давление в карманах зависимостью
i
i
где с(0) - радиальная жесткость гидростатической опоры; A - коэффициенты, зависящие от геометрических параметров опоры и направления нагрузки; p - давление в i-м кармане; n - число карманов.
Исходная система уравнений для давлений в карманах 5 на подшипнике скольжения 4 получается из уравнений баланса расхода смазки для каждого кармана 5.
При малых удельных нагрузках в подшипнике скольжения 4, когда упругие деформации поверхностей подшипника скольжения 4 и увеличения вязкости смазочного материала незначительны, формула (1) дает удовлетворительные результаты, при высоких нагрузках - завышенные значения переходной угловой скорости.
Тогда зависимость для определения переходной угловой скорости вала 1 в подшипниковом узле с учетом податливости поверхностей подшипника скольжения 4 и зависимости вязкости смазочного материала от давления примет вид
где c - коэффициент, учитывающий податливость поверхностей подшипников скольжения, вязкости смазочного масла и от давления в кармане.
min
При выборе h учитывается неточность изготовления форм поверхностей скольжения, деформации крышки подшипника скольжения и перекосы шипов вала.