Бесконтактный подшипник

Полезная модель относится к машиностроению, касается бесконтактного подшипника, который может быть использован в электродвигателях, в приборах, в автомобилях и в другой технике взамен подшипника качения в случаях, когда требуется обеспечить высокую скорость вращения, пониженный момент трения, отсутствие износа, высокую долговечность.
Известен магнитный подшипник (полезная модель RU №112729), содержащий наружное и внутренние опорные кольца и жестко связанные с ними рабочие кольца, изготовленные из немагнитного материала, рабочие поверхности рабочих колец выполнены в виде тел вращения, размещенных один в полости другого с возможностью свободного вращения рабочих колец относительно друг друга, на рабочей поверхности торов выполнены покрытия из магнитного материала, ориентированные одно к другому одноименными полюсами, а наружное рабочее кольцо выполнено сборным.
Существенным недостатком этого подшипника является то, что рабочей части рабочих колец выполнены в виде тора, что не обеспечивает направление действия главной нагрузки на подшипник, а это снижает нагрузочную способность подшипника.
Известен магнитный подшипник (полезная модель RU №170274), содержащий наружное и внутренние кольца, изготовленные из немагнитного материала с возможностью свободного вращения относительно друг друга, на рабочей поверхности каждого из которых находится слой магнитного материала так, что оба из этих слоев ориентированные друг к другу одноименными полюсами. Наружное рабочее кольцо выполнено сборным, внутренне рабочее кольцо выполнено монолитным, а наружное кольцо выполнено из двух одинаковых половинок, поперечное сечение рабочей части торов выполнено в виде эквидистантных эллипсов, большая ось которых расположена перпендикулярно действию внешней максимальной нагрузки на подшипник, свободные части рабочих колец образуют лабиринтное соединение, зазоры в котором установлены меньше зазоров между рабочими поверхностями наружного и внутреннего рабочих колец.
Недостатком такой конструкции подшипника является недостаточная надежность и долговечность подшипника при экстремальных условиях эксплуатации, например, при ударных нагрузках, вызывающих случайный контакт магнитных слоев и их разрушения, разрушение магнитных слоев под действием вибраций и наличия твердых частиц загрязнений в зазоре между ними.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемой полезной модели является бесконтактный подшипник авторов (полезная модель RU №185370, 2017 г. - прототип), содержащий наружное и внутренние кольца, изготовленные из немагнитного материала с возможностью свободного вращения относительно друг друга, на рабочей поверхности каждого из которых находится слой магнитного материала так, что оба из этих слоев ориентированные друг к другу одноименными полюсами, поверхности магнитного материала имеют антифрикционное покрытие на основе эластомеров.
Недостатком такой конструкции подшипника является малая нагрузочная способность в осевом и радиальном направлении, обусловленная большой сложностью и трудоемкостью изготовления наружного и внутреннего магнитных колец, содержащих слои магнитного материала значительной толщины, а также сложность обеспечения равномерного намагничивания магнитных слоев в индукторе, что в итоге может привести к неравномерности вращения магнитного подшипника при изменениях внешней нагрузки и, как следствие, недостаточная надежность и долговечность подшипника при экстремальных условиях эксплуатации, например, при ударных нагрузках и т.д.
В задачу полезной модели положено повышении надежности и долговечности бесконтактного подшипника.
Технический результат от использования полезной модели заключается в уменьшении вероятности разрушения слоя специального материала на основе моноэлектрета на поверхностях рабочих кольцах подшипника.
Указанная задача решается тем, что в магнитном подшипнике, содержащем наружное и внутренние кольца, изготовленные из немагнитного материала с возможностью свободного вращения относительно друг друга, на рабочей поверхности каждого из которых находится слой магнитного материала так, что оба из этих слоев, ориентированных друг к другу одноименными полюсами, и поверхности магнитного материала имеют антифрикционное покрытие на основе эластомеров, в качестве магнитного материала рабочих поверхностей наружного и внутреннего колец используют моноэлектрет, имеющий на каждом из колец заряд одного знака и величины.
Так как на рабочие поверхности наружного и внутреннего колец нанесены слои моноэлектрета, имеющие заряд одного знака и величины, то из-за этого уменьшается сложность и трудоемкость изготовления наружного и внутреннего колец, ранее содержащих слои магнитного материала значительной толщины, а также сложность обеспечения равномерного намагничивания магнитных слоев в индукторе, что в итоге исключает неравномерность вращения магнитного подшипника при изменениях внешней нагрузки, а также повышает надежность и долговечность подшипника при экстремальных условиях эксплуатации, например, при ударных нагрузках и т.д.
Сущность полезной модели поясняется чертежом.
На фигуре показан общий вид конструкции магнитного подшипника. На фигуре используются следующие обозначения: 1 - внутреннее опорное кольцо; 2 - наружное опорное кольцо; 3 - внутреннее рабочее кольцо; 4 - наружное рабочее кольцо; 5 - слой моноэлектрета; 6 - антифрикционное покрытие; 7 - запорные шайбы.
Подшипник содержит наружное 1 и внутреннее 2 опорные кольца, а также жестко связанные с ними рабочие наружное 4 и внутреннее 3 кольца, изготовленные из немагнитного материала с возможностью свободного вращения относительно друг друга. Рабочее внутренне кольцо 3 размещено в полости наружного рабочего кольца 4. Профили внутреннего рабочего кольца и наружного рабочего кольца 4 выполнены в виде эквидистантных эллипсов, ориентированных большей осью в направлении, параллельном оси подшипника. Наружное рабочее кольцо 4 выполнено из двух одинаковых половинок. Обе половинки наружного рабочего кольца 4 установлены в опорном наружном кольце 2 с гарантированным натягом и дополнительно закреплены запорными шайбами 7. Внутреннее рабочее кольцо 3 и наружное рабочее кольцо 4 на своих рабочих поверхностях снабжены слоями моноэлектрета, имеющего заряд одного знака и величины 5. Слои 5 обращены друг к другу поверхностями, имеющими заряд одного знака и величины. Поверхности моноэлектрета 5 имеют антифрикционное покрытие 6 на основе эластомеров.
Между поверхностями антифрикционных покрытий 6 выполнен зазор λ. Свободные части рабочих колец 3 и 4 образуют лабиринтное соединение с максимальным зазором δ. Величина зазоров в лабиринтном соединении δ гарантированно меньше величины зазора λ.
Подшипник работает следующим образом.
На опорные кольца подшипника 1 и 2 подают нагрузку, одному из этих колец придают вращение. Так как слои из моноэлектрета 5 рабочих колец 3 и 4 имеют заряд одного знака и величины, то за счет кулоновских сил взаимодействия (отталкивания) обеспечивается бесконтактное взаимодействия рабочих колец и исключаются потери энергии вращения на трение. Так как величина зазора δ в лабиринтном уплотнении меньше величины зазора λ между рабочими поверхностями, то это предотвращает соприкосновение рабочих поверхностей при небольших динамических нагрузках на подшипник и вибрациях. Но в экстремальной ситуации динамические нагрузки могут быть так велики, что за счет упругой деформации поверхностей лабиринтного уплотнения рабочие поверхности рабочих колец 3 и 4 могут вступать в механическое взаимодействие и разрушаться. В связи с высокой хрупкостью моноэлектрета он может разрушаться и без механического взаимодействия только под действием вибрационной нагрузки. Эффект разрушения моноэлектрета усиливается при наличии в зазоре между рабочими поверхностями рабочих колец 3 и 4 твердых частиц загрязнений.
Наличие на поверхности рабочих колец 3 и 4 антифрикционного покрытия 6 из эластомера предотвращает возможность разрушения слоя из моноэлектрета 5. Так как антифрикционные покрытия представляют собой дисперсии твердых смазочных материалов, равномерно распределенных в смеси растворителей и связующих веществ, то помимо снижения трения при случайном контакте рабочих поверхностей рабочих колец 3 и 4, они упрочняют поверхностный слой моноэлектрета 6, гасят вибрации и, тем самым, предотвращают разрушение магнитного материала от вибрационной нагрузки. Это повышает надежность и долговечность работы бесконтактного подшипника.
В качестве антифрикционных покрытий на основе антифрикционных эластомеров могут быть использованы, например, антифрикционные покрытия Molykote - Molykote 3400А; Molykote 3402С Leadfree; Molykote 7400; Molykote D-10-GBL; и др. [см., например, сайт - http://atf.ru].
Слои моноэлектрета, нанесенные на поверхности рабочих колец, обращены друг к другу поверхностями, имеющими заряд одного знака и величины, представляют собой, например, моноэлектретную пленку.
Отметим, что принципиальным отличием новых электретов является то, что их получают не из готовых термопластичных полимеров, а из олигомерных термореактивных смол (эпоксидных, фенолформальдегидных или полиэфирных). Важной особенностью изготовления таких электретов является то, что поляризация происходит в процессе отверждения олигомерной смолы на подложке: металлической или полимерной [см. патент РФ №2298245 от 2005 г.].
-8
-4
2
Величина основной характеристики электретов - поверхностной плотности зарядов а (10…10 Кл/м) - определяется главным образом разностью потенциалов сторон электрета и зависит от химической природы наполнителя [Марценюк, В.В. Полимерные электреты на основе реактопластов / В.В. Марценюк // Тенденции развития науки и образования. - 2021. - №78-2. - С. 56-59. - DOI 10.18411/trnio-10-2021-54].
3
3
3
3
В качестве примера неорганических электретных материалов можно назвать тикондбвую керамику (на основе MgTiO, SrTiO, CaTiO, BaTiO и др.). Однако наиболее широкое применение в электретных устройствах находят полимерные пленки. Подходящими материалами служат такие полимеры, как политетрафторэтилен (ПТФЭ), полиэтилентерефталат, поликарбонат, полиметилметакрилат, поливинилфторид, поливинилиденфторид и др. С течением времени заряд электретов изменяется обычно более быстро в первые часы после окончания электризации и относительно медленно - в последующий период.
е
Стабильность заряда у большинства электретов повышается при их нагревании в процессе электризации. Моноэлектретные пленки оказываются наиболее стабильными и в условиях повышенной влажности. Период времени, в течение которого поверхностная плотность заряда уменьшается в  раз, принимают за время жизни электрета. Расчетное время жизни для электретов из ПТФЭ составляет не менее 200 лет. Для других диэлектриков оно может составлять от нескольких месяцев до десятков лет и зависит не только от свойств материала, но и от условий хранения электрета.
3
2
-4
2
Релаксация электретного состояния также может происходить и вследствие адсорбции ионов поверхностью диэлектрика из окружающей атмосферы. Однако, если атмосферный объем, в котором хранится электрет, достаточно мал, процессами внешней релаксации практически можно пренебречь. Например, полагая, что все ионы, образующиеся в нормальных условиях в 1 см воздуха, осаждаются на участке поверхности электрета площадью 1 см, то при начальной поверхностной плотности σ=10 Кл/м время, необходимое для полной компенсации электретного заряда, составит около 200 лет. Также укажем, что путем изменения величины поверхностной плотности заряда моноэлектрета у слоев поверхностей рабочих колец и величины лабиринтного уплотнения можно обеспечивать требуемые величины радиальной и осевых нагрузок бесконтактного подшипника.
-8
2
В качестве моноэлектрета, используемого в слоях 5, могут быть использованы электретные пленки поли-бис-трифторэтоксифосфазена (ПТФЭФ) [Формирование поверхности в смесях полистирола с поли-бис-трифторэтоксифосфазеном / И.О. Волков, Д.Р. Тур, А.И. Перцин [и др.] // Высокомолекулярные соединения. Серия Б. - 2002. - Т. 44. - №5. - С.882-885, Smirnova, N.N., Lebedev, B.V., Bykova, Т.А. et al. Thermodynamic properties of poly[6w(trifluoroethoxy)phosphazene] in the range from T→0 TO 620 K // J. Therm. Anal. Calorim, 2009. - Vol. 95, P. 229-234 URL: https://doi.org/10.1007/s10973-008-9038-7], например, толщиной 100…300 (мкм), имеющие начальную поверхностную плотность заряда, например, σ=10 Кл/м, что обеспечивает временной интервал, необходимый для полной компенсации электретного заряда, около 200 лет, а также величину сил кулоновского взаимодействия (отталкивания), обеспечивающую радиальную и осевую нагрузку бесконтактного подшипника при величине зазора в лабиринтном уплотнении 0,25 мм в первом приближении на уровне 14, 4 N.
Пример
Требуется заменить стандартный радиальный шариковый подшипник на бесконтактный подшипник. Размеры подшипника: внутренний диаметр d=30 мм, наружный диаметр D=62 мм, высота Н=16 мм. Поэтому внутренне опорное кольцо 1 подшипника берем с внутренним диаметром d=30 мм, высотой Н=16 мм и толщиной стенки 2 мм. Наружное опорное кольцо 2 берем с наружным диаметром D=62 мм, высотой Н=16 мм и толщиной стенки 2 мм. Высоту наружного рабочего кольца берем равной 14 мм, оставляя по 1 мм с двух сторон для размещения запорных шайб 6. Наружный диаметр равен внутреннему диаметру наружного опорного кольца, равному 58 мм. Внутренний диаметр наружного рабочего кольца 4 равен внутреннему диаметру подшипника d=30 мм. Внутренний диаметр наружного рабочего кольца 4 равен 38 мм. Внутри наружного рабочего кольца 4 размещаем полость вращения, профиль которой представляет собой эллипс. Центр эллипса находится на окружности диаметром 48 мм.
Параметры рабочих поверхностей колец 3 и 4 принимали равными: малую полуось эллипса рабочей поверхности наружного рабочего кольца 4 принимали равной 2,75 мм, малую полуось рабочей поверхности внутреннего рабочего кольца 3 принимали равной 2,25 мм, большую полуось эллипса профиля рабочей поверхности наружного рабочего кольца 4 принимали равной 5,8 мм, большую полуось рабочей части профиля внутреннего рабочего кольца 3 приняли равной 5,3 мм. Величина зазора, в лабиринтном уплотнении составляла 0,25 мм. Наружное рабочее кольцо 4 выполнили в виде соединения из двух равных частей, каждую из которых высотой по 7 мм устанавливали с натягом в наружном опорном кольце 2 и дополнительно закрепляли с боковых сторон запорными шайбами 7.
Для повышения надежности и долговечности подшипника при экстремальных условиях эксплуатации, например, при ударных нагрузках, чтобы минимизировать возможные последствия разрушения поверхностей торов со слоем моноэлектрета при их случайном контакте, на внутреннюю поверхность наружного тора рабочего кольца 4 и на наружную поверхность рабочей поверхности тора внутреннего рабочего кольца 3 нанесли антифрикционные покрытия Molykote 3400 толщиной 15…20 мкм.
Подшипник наружным кольцом 1 устанавливали на вибрационный стол, который создавал осевые колебания амплитудой 1,2 мм с частотой 50 Гц., на внутреннее кольцо подшипника налагали нагрузку 0,3 кг и придавали ему вращение с частотой 1500 об/мин. Исследовании показали, что вероятность выхода подшипника из строя по причине разрушения слоя моноэлектрета рабочих колец при наличии на поверхности слоя моноэлектрета антифрикционного покрытия уменьшается на 40…60% по сравнению с магнитными подшипниками, имеющими антифрикционное покрытие.
Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественным всем признакам заявленного бесконтактного подшипника, отсутствуют, поэтому полезная модель соответствует условию патентоспособности "новизна".
Результаты поиска известных решений в данной и смежной областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемого технического решения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения на достижение указанного технического результата.
Тем самым решается задача повышения надежности и долговечности бесконтактного подшипника.