УПОРНЫЙ ПОДШИПНИК СКОЛЬЖЕНИЯ С НЕПОДВИЖНЫМИ ПОДУШКАМИ
PLAIN THRUST BEARING WITH FIXED PADS

Изобретение относится к области компрессоростроения и может быть использовано в центробежных и винтовых компрессорных машинах, работающих в сложных переходных режимах, при которых происходит изменение знака осевого усилия.
Из уровня техники известны самоустанавливающиеся подшипники на сферических опорах, которые применяют при недостаточно жестких валах и корпусах. Опорные сферические поверхности подшипника и корпуса изготавливают из материалов, образующих антифрикционную пару. При установке в стальной корпус подшипник выполняют из бронзы или заливают его поверхность свинцовистой бронзой, к опорной рабочей поверхности обязателен подвод масла, желательно под давлением, для чего на поверхности сферы проделывают масляные каналы, обеспечивающие определенный гидростатический эффект, облегчающий самоустановку сферы, (см. П.И. Орлов, Основы конструирования, том 2, М., Машиностроение, 1988, стр.372-373, 385-387, 399-404). В простейших конструкциях гидравлических опор скольжения путем упора в сферу с центром по оси вращения вала, подпитка масляной подушки осуществляется посредством игольчатого клапана, управляемого валом, (см. там же, стр.386-397). Недостатком гидравлических подпятников является высокое давление масла, относительно большая мощность, расходуемая на создание масляной подушки и недостаточно точная фиксация вала в осевом направлении.
Наиболее близкой к предложенной является конструкция упорного подшипника скольжения, содержащая сепаратор с пазами, в которых расположены упорные сегменты, имеющие ребра для самоустановки, упорные сегменты своими ребрами опираются на установленные в прорезях, выполненных в сепараторе, пластинчатые пружины, при этом упорный подшипник содержит несущее кольцо, установленное в сепараторе и имеющее радиальные пазы, обеспечивающие возможность прогиба пластинчатых пружин (см. описание изобретения к авторскому свидетельству SU №507715, опубликовано 25.03.1976 г.).
Недостатком является сложная конструкция из-за большого количества малогабаритных деталей сложной формы и совмещения с опорным подшипником в едином корпусе, наличие горизонтального разъема, необходимость точного выполнения пазов для размещения упругих и неподвижных элементов, низкая надежность, большое влияние динамических нагрузок на подшипник и низкое демпфирование. Самоустанавливающиеся подушки имеют более большие потери мощности на трение и более высокую температуру смазочного слоя по сравнению с подшипниками с неподвижными подушками. К недостаткам самоустанавливающихся подушек следует отнести также сложность повышения жесткости их смазочного слоя уменьшением толщины смазочного слоя.
Техническим результатом изобретения является повышение демпфирующих свойств подшипника, снижение влияния динамических нагрузок на подшипник, повышение технологичности, работоспособности, надежности и долговечности упорного подшипника скольжения в условиях работы при резких переходных режимах работы компрессорных машин, в том числе при помпаже центробежного компрессора.
Технический результат достигается за счет того, что упорный подшипник скольжения содержит соосно установленные несущее кольцо, сепаратор и упорный элемент, сепаратор имеет пазы, в которых установлены упругие элементы, несущее кольцо связано с сепаратором и имеет пазы, каждый из которых обращен к соответствующему упругому элементу и перекрыт им, а упорный элемент установлен внутри сепаратора с возможностью осевого перемещения относительно несущего кольца, при этом упорный элемент выполнен в виде подпятника, одна сторона которого имеет ребра, опирающиеся на упругие элементы, а на другой стороне выполнены неподвижные подушки, предназначенные для контакта с упорным гребнем вала, причем несущее кольцо имеет радиальные отверстия, сообщенные с полостью между несущим кольцом и подпятником.
Кроме того, одни радиальные отверстия несущего кольца могут быть выполнены в зоне его пазов, а другие - в зоне между упругими элементами и подпятником.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 (а, б) показан предлагаемый упорный подшипник скольжения (осевой разрез) и упругий элемент; на фиг.2 (а, б) показаны рабочая и тыльная стороны подпятника; на фиг.3 показан сепаратор; на фиг.4 показано несущее кольцо.
Упорный подшипник скольжения с неподвижными подушками содержит соосно установленные несущее кольцо 1, сепаратор 2 и упорный элемент в виде подпятника 3. Несущее кольцо 1 связано с сепаратором 2 посредством, например, винтов 5 (или любых других соединительных элементов) (фиг.1а), при этом несущее кольцо 1 имеет на своей плоской поверхности, обращенной к сепаратору 2, радиально направленные пазы 6 (фиг.1а, 4). Сепаратор 2 имеет пазы 7 (фиг.3), равномерно образованные на внутренней кольцевой поверхности со стороны несущего кольца 1, при этом количество пазов 7 сепаратора 1 равно количеству пазов 6 несущего кольца 1.
В каждом пазе 7 сепаратора 2 установлен упругий элемент 8 (фиг.1), выполненный в виде стальной пластины, представляющей собой пластинчатую пружину. Пазы 7 позволяют фиксировать упругие элементы 8 от окружного и радиального перемещений, а каждый упругий элемент 8 перекрывает своими длинными боковыми краями соответствующий паз 6 несущего кольца 1, при этом ширина L упругого элемента 8 больше ширины l паза 6 несущего кольца 1. Внутри сепаратора 2 на кольцевом выступе 9 несущего кольца 1 установлен подпятник 3, при этом подпятник 3 зафиксирован от проворота относительно сепаратора посредством штифта 10, размещенного в осевом пазе 11 сепаратора 2 (фиг.3). Подпятник 3 в свободном состоянии имеет осевой ход и со стороны упорного гребня 4 ограничен сепаратором 2.
Подпятник 3 на рабочей стороне (со стороны упорного гребня 4) имеет неподвижные подушки 12, а с тыльной (опорной) стороны, обращенной к несущему кольцу 1, имеет радиальные ребра 13, которые расположены по центру относительно неподвижных подушек 12 и опираются на соответствующие упругие элементы 8, которые имеют прямоугольную форму для равномерного прогиба под действием осевой нагрузки. Число радиальных ребер 13 равно числу подушек 12 подпятника 3, а также числу упругих элементов 8.
Осевой ход подпятника 3 обеспечивается за счет наличия небольшого зазора между подпятником 3 с его рабочей стороны (фиг.2а) и сепаратором 2, а также за счет прогиба упругих элементов 8 в радиально направленных пазах несущего кольца 1 под действием радиальных ребер 13 тыльной стороны подпятника 3 (фиг.2б). Также имеется небольшой зазор между несущим кольцом 1 и подпятником 3 как со стороны внешнего, так и со стороны внутреннего диаметров подпятника 3. Такие зазоры необходимы для взаимной самоустановки сопрягаемых поверхностей А между подпятником 3 и упорным гребнем 4, уменьшая биение и обеспечивая общее перемещение упорного гребня 4.
Несущее кольцо 1 имеет со стороны вала 14 на кольцевом выступе 9 радиальные отверстия 15, одни из которых образованы в зоне пазов 6, а другие в зоне между упругими элементами 3 и подпятником 7. Таким образом, отверстия 15 сообщены с полостью между несущим кольцом 1 и подпятником 3, т.е. с полостью, образованной самими пазами 6 несущего кольца 1 и перекрываемыми их упругими элементами 8, и полостью между упругими элементами 8 и тыльной поверхностью подпятника 3 с радиальными ребрами 13.
Предлагаемая конструкция упорного подшипника скольжения с неподвижными подушками представляет собой упорный пакет, стягиваемый винтами 5, который устанавливается в корпусе 16 компрессорной машины.
При сборке упорного подшипника скольжения с неподвижными подушками вначале в сепаратор 2 вставляется подпятник 3 со штифтом 10 неподвижными подушками 12 рабочей поверхности во внешнюю сторону. Затем вставляются упругие элементы 8 (пластины) в пазы 7 сепаратора 2 и укладываются на радиальные ребра 13 подпятника 3. Вся конструкция скрепляется несущим кольцом 1 винтами 5 к сепаратору 2, вставляется в корпус 16 компрессорной машины.
Образованная полость между несущим кольцом 1 и подпятником 3 заполняется маслом с давлением подачи. Диаметры отверстий 15 и их количество определяют демпфирующие свойства подшипника и являются расчетной величиной. Отверстия 15 представляют собой дроссели. Расход через дроссели определяет сечение отверстий 15.
Расход, пропускаемый дросселем, определяется по зависимости:
<mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>д</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>μ</mi><msub><mi>S</mi><mrow><mi>д</mi><mi>р</mi></mrow></msub><msqrt><mrow><mfrac><mn>2</mn><mi>ρ</mi></mfrac><mi>Δ</mi><mi>P</mi></mrow></msqrt></mrow>
,
k
под
k
под
др
отв
<mrow><mi>S</mi><mo>=</mo><mi>π</mi><msubsup><mi>d</mi><mrow><mi>о</mi><mi>т</mi><mi>в</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>/</mo><mn>4</mn></mrow>
где µ - коэффициент расхода дросселя, зависящий от свойств масла, формы проходных сечений и ряда других факторов (обычно принимают равным 0,62…0,65); ΔP=P-Р - перепад давления на дросселе; P - давление вкамере между несущим кольцом и подпятником; Р - давление подачи масла; ρ - плотность масла; S=nS - суммарная площадь дросселя; n - выбранное количество отверстий;
- площадь одного отверстия, d - диаметр отверстия.
<mrow><msub><mi>P</mi><mi>k</mi></msub><mo>=</mo><mi>F</mi><mo>/</mo><mfrac><mi>π</mi><mn>4</mn></mfrac><mo stretchy="false">(</mo><msup><mi>D</mi><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><msup><mi>d</mi><mn>2</mn></msup><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
,
где F - осевая сила; D и d - внешний и внутренний диаметры с тыльной стороны подпятника.
<mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>д</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>д</mi><mi>р</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi>μ</mi><msqrt><mrow><mfrac><mn>2</mn><mi>ρ</mi></mfrac><mi>Δ</mi><mi>P</mi></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow>
Соответственно,
.
Неподвижные подушки 12 на своей поверхности имеют плоскую площадку и сужающийся клиновой скос по направлению движения упорного гребня 4, за счет которого создается гидродинамическое давление масла. Неподвижные подушки 12 создают гидродинамическое давление масла между рабочей поверхностью упорного гребня 4 и поверхностью самих неподвижных подушек 12, за счет которого отодвигается упорный гребень 4 от поверхности упорного подшипника и не происходит их взаимного касания, т.е. упорный подшипник работает в режиме жидкостного трения. При работе упорного подшипника скольжения между неподвижными подушками 12 и поверхностью упорного гребня 4 за счет гидродинамического давления создается стабильная масляная пленка (масляный слой) и не происходит касания между поверхностями (жидкостной режим трения).
При работе такого подшипника в момент возникновения резких динамических нагрузок подпятник 3 способен перемещаться на величину прогиба пластинчатой пружины (упругого элемента 8), уменьшая передачу ударной нагрузки с роторной части на статорную через упорный гребень 4 и уменьшая амплитуду динамической нагрузки на подшипник. Наличие масла в полости между подпятником 3 и несущим кольцом 1 обеспечивает демпфирующие свойства подшипника, сглаживая осевые перемещения упорного гребня 4. Таким образом, конструкция обеспечивает более долговечную работу подшипника в момент возникновения резких переходных режимов работы компрессорной машины, в том числе при помпаже центробежного компрессора.