ВТУЛКА ПОДШИПНИКА СКОЛЬЖЕНИЯ

Заявляемая полезная модель относится к подшипникам скольжения центробежных насосов, работающих на перекачиваемой жидкости с температурой 100-200°С. Центробежные насосы энергетических установок - питательные, конденсатные и циркуляционные насосы ТЭЦ, ТЭ, АЭС, судовых энергетических установок - перекачивают перегретую жидкость с температурой до 200°С под гидростатическим давлением. Встроенные подшипники указанных установок смазываются перекачиваемой жидкостью.
Ресурс и надежность насосов во многом определяется конструкцией узлов трения и материалами, из которых они изготовлены. Для работы в перегретой воде и агрессивных жидкостях широко используются встроенные подшипники из керамики.
Известна втулка подшипника скольжения, включающая металлическую оправку и установленную на ней с возможностью упора в один из концов оправки керамическую цилиндрическую поверхность трения; другой конец керамической поверхности закреплен с помощью фиксирующего элемента [RU полезная модель №39169, МПК F16C 27/02, 20.07.2004]. Торцевые поверхности керамического цилиндра и фиксирующего элемента «выполнены со скосом, обеспечивающим сопряжение этих поверхностей, препятствующее возможности поворота» керамического цилиндра относительно металлической оправки. Указанная втулка работает по керамическому контртелу. Керамическая поверхность трения и контртело выполнены из карбида кремния. Подшипник предназначен для перекачки агрессивных сред.
Втулка с керамической поверхностью трения требует использования контртела, выполненного из керамики, поскольку не работоспособна при использовании металлического контртела. Керамические подшипники хрупки, а закрепление керамической поверхности на металлической оправке требует специального конструктивного решения.
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к заявляемой является втулка подшипника скольжения, включающая металлическую оправку с закрепленным на ее наружной поверхности слоем из неметаллического материала [RU полезная модель №48006, МПК F16C 27/02, 14.02.2005]. Наружный слой из неметаллического материала выполнен в виде керамического цилиндра; на одном из торцов металлической оправки выполнен буртик, в который упирается керамический цилиндр, на другом торце оправки выполнен фиксирующий элемент в форме стопорного кольца, скрепленного с оправкой резьбовым соединением или развальцовкой буртика. Наружная поверхность оправки выполнена с некруглым поперечным сечением, соответствующим поперечному сечению внутренней поверхности керамического цилиндра. Эти конструктивные детали должны предотвращать взаимное перемещение керамического цилиндра и оправки.
Недостатком известного устройства является повышенная хрупкость керамического цилиндра, что ведет к снижению надежности и долговечности втулки подшипника. Кроме того, втулка по RU №48006 сложна в монтаже, поскольку имеет дополнительный фиксирующий элемент.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в устранении хрупких деталей в конструкции подшипника, упрощении технологии ее изготовления и в возможности получения втулки, которая может работать во встроенном подшипнике по металлическому контртелу в перегретой воде с температурой до 200°С и агрессивных жидкостях.
Указанный технический результат достигается тем, что у втулки подшипника скольжения, включающей металлическую оправку с закрепленным на ее поверхности слоем из неметаллического материала, слой, нанесенный на оправку, выполнен из антифрикционного углепластика на основе угольной ткани и полимерного связующего, а на поверхности металлической оправки, контактирующей с углепластиком, выполнена спиральная нарезка глубиной 1-2 мм с шагом 5-10 мм.
В качестве полимерного связующего антифрикционный углепластик может содержать полифениленсульфид, и в этом случае подшипник может перекачивать воду, нагретую до 200°С, и агрессивные жидкости. Он может содержать в качестве связующего фенолформальдегидную смолу, возможно с добавлением 4,5-5,5% от массы углепластика порошка баббита с размером частиц 40-100 мкм. В этом случае подшипник может работать в воде при температуре 100-125°С и агрессивных жидкостях.
Металлическая оправка заявляемой втулки подшипника скольжения выполнена из коррозионно-стойкой стали мартенситного класса 20Х13 по ГОСТ 5632-72.
3
3
Антифрикционная композиция содержит углеродную ткань марки Урал Т-22 по ГОСТ 28005-88. В качестве полимерного связующего она содержит полифениленсульфид марки 0320В0 фирмы Ticona (Германия) с плотностью 1,35 г/см или фенолформальдегидную смолу марки ЛБС-1 с плотностью 1,19 г/см по ГОСТ 901-78. В последнем случае антифрикционная композиция может включать 4,5-5,5% масс. баббита в форме порошка с дисперсностью 40-100 мкм по ГОСТ 1320-74.
Полезная модель поясняется фиг.1, на которой представлен продольный разрез втулки.
Втулка содержит металлическую оправку 1 (фиг.1) и слой из неметаллического материала - антифрикционного углепластика 2. На поверхности А оправки 1 выполнена спиральная нарезка глубиной 1-2 мм с шагом 5-10 мм (см. фиг.1).
Втулка изготовлена следующим образом. Углеродная ткань пропитывается расплавом полимерного связующего в специальной машине и наматывается на оправку со спиральной нарезкой. Далее заготовка прессуется в прессформе в гидравлическом прессе при температуре 280-290°С с последующим охлаждением. При необходимости втулка может быть доведена до требуемого размера механической обработкой. При ее изготовлении не возникает технологических трудностей.
Полезная модель работает следующим образом: втулка подшипника скольжения жестко крепится на валу насоса, при вращении вала трение происходит по наружной поверхности слоя из антифрикционного углепластика. Спиральная нарезка на металлической оправке позволяет надежно фиксировать слой антифрикционного углепластика на поверхности оправки и не допускает взаимного перемещения частей втулки друг относительно друга во время работы подшипника.
Для антифрикционных материалов, используемых при изготовлении втулки, проведены физико-механические и триботехнические испытания, результаты которых представлены в таблице 1.
Заявляемая втулка успешно работает по контртелу из стали в перегретой воде, причем углепластик на основе полифениленсульфида может успешно эксплуатироваться при температурах 125°С и 200°С, а углепластик на основе фенольной смолы может работать при температуре 125°С. Коэффициент трения, интенсивность изнашивания и изменение линейных размеров при высокой температуре имеют низкие значения, удовлетворяют предъявленным требованиям и не превышают допустимых значений.
Заявляемые втулки в составе подшипника насоса марки ПКБТ-230-Р2Э (питательный конденсатный бустерный турбонасос) прошли стендовые испытания на ОАО «Пролетарский завод». При этом было установлено, что заявляемые втулки успешно работают по стали марки 20Х13, перемещения частей втулки друг относительно друга в процессе испытаний не наблюдалось. Результаты испытаний позволили рекомендовать заявляемые втулки для многочисленных конденсатных и питательных наосов, эксплуатирующихся на энергетических установках ТЭЦ, ТЭС, АЭС и СЭУ (судовых энергетических установках).
Таблица 1
Физико-механические и триботехнические характеристики антифрикционных материалов
Наименование параметра
Значения показателей для антифрикционных углепластиков на основе
Полифениленсульфида
Фенолформальдегидной смолы с использованием баббита
Плотность, кг/м<sup>3</sup>, при 20°С
1350±50
1400±80
Разрушающее напряжение при сжатии, МПа, при 20°С
281
161
Разрушающее напряжение при сжатии, МПа, при 125°С
135
121
Разрушающее напряжение при сжатии, МПа, при 200°С
93
-
Разрушающее напряжение при изгибе, МПа, при 20°С
386
215
Разрушающее напряжение при изгибе, МПа, при 125°С
207
188
Разрушающее напряжение при изгибе, МПа, при 200°С
189
-
Модуль нормальной упругости, ГПа, при 20°С
10
15
Разрушающее напряжение при межслойном сдвиге, МПа, 20°С
23
15
Коэффициент трения, при смазке водой, скорости скольжения 1 м/с и контактных давлениях до 30 МПа при трении по стали марки 20Х13
0,05
0,09
30Х13
0,04
0,08
Интенсивность изнашивания, мкм/км, при смазке водой, скорости скольжения 1 м/с и контактных давлениях до 30 МПа при трении по стали марки 20Х13
7
11,0
30Х13
5,5
10,4
Коэффициент трения при трении по стали 20Х13, при смазке водой, скорости скольжения 16 м/с:
-
- удельной нагрузке 0,6 МПа, время испытания 103 часа, Т=200°С
0,008
-
- удельной нагрузке 0,4 МПа,
время испытания 84 часа,
Т=125°С
-
0,017
Интенсивность изнашивания, мкм/км, при трении по стали 20Х13, при смазке водой, скорости скольжения 16 м/с, - Т=200°С, удельной нагрузке 0,6 МПа, время испытания 12 часов;
0,001
-
- Т=125°С, удельной нагрузке 0,4 МПа, время испытания 84 часа.
-
0,02
Изменение линейных размеров при экспозиции в воде при температуре 100°С, 96 часо, %
Длина
0,00
0,47
Ширина
0,02
0,05
Толщина
0,10
0,32
Изменение линейных размеров при экспозиции в воде при температуре 200°С, 96 часов, давление рабочей среды 8 МПа, %
Длина
0,11
-
Ширина
0,15
-
Толщина
0,34
-