Подшипниковый узел судового валопровода

Полезная модель относится к машиностроению и предназначена для повышения надежности подшипниковых узлов судовых валопроводов при снижении потерь на трение в их упорных подшипниках скольжения.
Известен подшипниковый узел опор гребных валов судовых валопроводов, содержащий полый корпус, через который с возможностью вращения пропущен гребной вал, центральная продольная ось которого ориентирована преимущественно горизонтально, гидродинамический подшипник скольжения, организованный в зазоре между корпусом и гребным валом, и пассивный магнитный подшипник, состоящий из чередующихся полюсов и постоянных магнитов, намагниченных во встречных направлениях (см. патент РФ № 2785377, МПК F16C 17/03, дата публикации 07.12.2022).
Однако сила притяжения, действующая между гребным валом и полюсами, воспринимает только статическую нагрузку на пассивный магнитный подшипник от веса винта и гребного вала.
В качестве ближайшего аналога принят подшипниковый узел судового валопровода, содержащий полый корпус, через который с возможностью вращения пропущен вал, центральная продольная ось которого ориентирована преимущественно горизонтально, упорный подшипник, ориентированный перпендикулярно центральной продольной оси вала, пассивный магнитный подшипник, включающий постоянные магниты с радиальными направлениями намагниченности, и подшипник, расположенный по периметру вала (см. патент РФ № 2771999, МПК F16C 17/03, дата публикации 16.05.2022 г.).
Недостатком ближайшего аналога является невозможность воспринимать значительные нагрузки, действующие вдоль оси вала.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является разработка подшипникового узла с высокой несущей способностью в рабочем режиме, значительное снижение удельных давлений на подушки упорного гидродинамического подшипника скольжения, снижение потерь на трение в нем до вентиляционных потерь, а также улучшение виброакустических характеристик.
Технический результат предлагаемого технического решения выражается в обеспечении высокой несущей способности подшипникового узла судового валопровода, низких удельных давлениях на подушки упорного гидродинамического подшипника скольжения в рабочем режиме при уменьшении в нем потерь на трение.
Поставленная задача решается тем, что подшипниковый узел судового валопровода, содержащий полый корпус, через который с возможностью вращения пропущен вал, центральная продольная ось которого ориентирована преимущественно горизонтально, упорный подшипник, ориентированный перпендикулярно центральной продольной оси вала, пассивный магнитный подшипник, включающий постоянные магниты с радиальными направлениями намагниченности, и подшипник, расположенный по периметру вала, отличающийся тем, что вал снабжен парой поперечных гребней, выполненных симметричными относительно его центральной продольной оси, между которыми размещены упорный подшипник скольжения, ориентированный перпендикулярно центральной продольной оси вала, и радиальный подшипник скольжения, расположенный по периметру вала, кроме того, на внешней поверхности одного из поперечных гребней перпендикулярно центральной продольной оси вала жестко закреплена пята пассивного магнитного подшипника, выполненная из материала с высокой магнитной проницаемостью и жестко соединенная с валом, кроме того, подпятник пассивного магнитного подшипника выполнен из немагнитного материала с возможностью перемещения вдоль вала относительно пяты и на его поверхности, обращенной в сторону пяты, организован пассивный магнитный подшипник, состоящий из расположенных в чередующемся порядке кольцевых полюсов и кольцевых постоянных магнитов, намагниченных в радиальном встречном направлениях намагниченности.
Кроме того, пята и подпятник пассивного магнитного подшипника ориентированы симметрично относительно центральной продольной оси вала.
Кроме того, механизм перемещения подпятника пассивного магнитного подшипника вдоль вала выполнен в виде коаксиальных цилиндров, соосных с центральной продольной осью вала и сопряженных с возможностью вращения внешнего цилиндра относительно внутреннего, для чего их контактные поверхности снабжены винтовой резьбой, причем внешний цилиндр жестко соединен с подпятником пассивного магнитного подшипника и приводится в движение посредством внешней зубчатой передачи, а внутренний является частью корпуса.
Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения и существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом существенные признаки отличительной части формулы полезной модели решают следующие функциональные задачи.
Признаки «вал снабжен парой поперечных гребней, выполненных симметричными относительно его центральной продольной оси, между которыми размещены упорный подшипник скольжения, ориентированный перпендикулярно центральной продольной оси вала, и радиальный подшипник скольжения, расположенный по периметру вала» позволяют организовать главный упорный гидродинамический подшипник скольжения.
Признаки «на внешней поверхности одного из поперечных гребней перпендикулярно центральной продольной оси вала жестко закреплена пята пассивного магнитного подшипника, выполненная из материала с высокой магнитной проницаемостью и жестко соединенная с валом» позволяют организовать дополнительный пассивный магнитный подшипник.
Признаки «подпятник пассивного магнитного подшипника выполнен из немагнитного материала с возможностью перемещения вдоль вала относительно пяты и на его поверхности, обращенной в сторону пяты, организован пассивный магнитный подшипник» описывают конструкцию пассивного магнитного подшипника.
Признаки «[пассивный магнитный подшипник] состоит из расположенных в чередующемся порядке кольцевых полюсов и кольцевых постоянных магнитов, намагниченных в радиальном встречном направлениях намагниченности» позволяют сформировать эффективную магнитную систему пассивного магнитного подшипника.
Признак первого зависимого пункта формулы обеспечивает осевое направление упора винта судна.
Признаки второго зависимого пункта формулы позволяют регулировать величину немагнитного осевого зазора в пассивном магнитном подшипнике и соответственно величину электромагнитной силы.
На фиг.1 показан центральный продольный разрез подшипникового узла, на фиг.2 и 3 – поперечные разрезы по пассивному магнитному подшипнику и механизму перемещения подпятника пассивного магнитного подшипника вдоль вала соответственно. На фиг.4 представлена зависимость величины магнитной силы пассивного магнитного подшипника от величины немагнитного осевого зазора между пятой и полюсами с магнитами. На фиг. 5 представлена карта магнитного поля пассивного магнитного подшипника наружным диаметром 1200 мм при немагнитном осевом зазоре 1 мм.
На чертежах показаны корпус 1, вал 2, его центральная продольная ось 3 и поперечные гребни 4, упорный подшипник скольжения 5, радиальный подшипник скольжения 6, пята 7, подпятник 8, кольцевые полюса 9 и кольцевые постоянные магниты 10 пассивного магнитного подшипника, внешний 11 и внутренний 12 коаксиальные цилиндры механизма перемещения подпятника 8 пассивного магнитного подшипника вдоль вала 2, резьбовое соединение 13 между внешним 11 и внутренним 12 коаксиальными цилиндрами, колесо 14 и шестерня 15 механизма перемещения подпятника 8 пассивного магнитного подшипника вдоль вала 2, торцевая крышка 16 пассивного магнитного подшипника, немагнитный осевой зазор 17 между пятой 7 и кольцевыми полюсами 9 с кольцевыми постоянными магнитами 10 пассивного магнитного подшипника, подушки 18 упорного подшипника скольжения 5.
Подшипниковый узел судового валопровода содержит полый корпус 1, через который с возможностью вращения пропущен вал 2, центральная продольная ось 3 которого ориентирована преимущественно горизонтально.
На валу 2 симметрично относительно его центральной продольной оси 3 жестко закреплена пара поперечных гребней 4, между которыми размещены упорный подшипник скольжения 5 (с самоустанавливающимися сегментами), ориентированный перпендикулярно центральной продольной оси 3 вала 2, и радиальный подшипник скольжения 6, расположенный по периметру указанного вала 2.
На внешней поверхности одного из поперечных гребней 4 перпендикулярно центральной продольной оси 3 вала 2 жестко закреплена пята 7 пассивного магнитного подшипника, выполненная из материала с высокой магнитной проницаемостью и жестко соединенная с валом 2.
Подпятник 8 пассивного магнитного подшипника выполнен из немагнитного материала с возможностью перемещения вдоль вала 2 относительно пяты 7. На поверхности подпятника 8, обращенной в сторону пяты 7, расположен пассивный магнитный подшипник, который состоит из расположенных в чередующемся порядке кольцевых полюсов 9 и кольцевых постоянных магнитов 10, намагниченных в радиальном встречном направлениях намагниченности.
Механизм перемещения подпятника 8 пассивного магнитного подшипника вдоль вала 2 выполнен в виде коаксиальных цилиндров 11 и 12, соосных с центральной продольной осью 3 вала 2, причем указанные цилиндры сопряжены с возможностью вращения внешнего цилиндра 11 относительно внутреннего 12 и их контактные поверхности снабжены резьбовым соединением 13.
При этом внешний коаксиальный цилиндр 11 жестко соединен с подпятником 8 пассивного магнитного подшипника и с колесом 14, которое в сопряжении с шестерней 15 образует внешнюю зубчатую передачу (посредством которой внешний коаксиальный цилиндр 11 и приводится в движение), а внутренний коаксиальный цилиндр 12 жестко соединен с торцевой крышкой 16 пассивного магнитного подшипника и является частью корпуса 1.
Изготавливают и собирают подшипниковый узел судового валопровода следующим образом.
Изготавливают и собирают главный упорный гидродинамический подшипник скольжения согласно технологии изготовления в соответствии с ОСТ5.4105-80. Главный упорный гидродинамический подшипник скольжения обеспечивает восприятие осевой силы, возникающей на движителе судна при движении судна. В указанном виде подшипников выделяется тепловая энергия, которая тем больше, чем больше осевое усилие, и мощность потерь на трение может достигать десятков киловатт.
На внешней поверхности одного из поперечных гребней 4 перпендикулярно центральной продольной оси 3 вала 2 устанавливают пяту 7 пассивного магнитного подшипника и жестко соединяют с этим гребнем 4 и с валом 2, например, сваркой.
Изготавливают подпятник 8 пассивного магнитного подшипника и равномерно по радиусу размещают на нем кольцевые полюса 9 с зазорами под магниты, после чего скрепляют указанные полюса 9 с подпятником 8, например, сваркой.
Далее на подпятник 8 приклеивают кольцевые постоянные магниты 10, намагниченные в радиальном встречном направлениях намагниченности. Устанавливают две половины подпятника 8 пассивного магнитного подшипника в корпус 1.
Жестко (например, болтами) соединяют подпятник 8 с внешним коаксиальным цилиндром 11, на котором уже зафиксировано колесо 14.
Вкручивают торцевую крышку 16 пассивного магнитного подшипника, жестко соединенную с внутренним коаксиальным цилиндром 12, по резьбовому соединению 13 и закрепляют указанную крышку 16 на корпусе 1.
Устанавливают шестерню 15 механизма перемещения подпятника 8 пассивного магнитного подшипника вдоль вала 2 в сопряжении с колесом 14.
Собранный подшипниковый узел судового валопровода устанавливают на фундамент судна и закрепляют.
Кольцевые постоянные магниты 10 и полюса 9 пассивного магнитного подшипника рассчитываются и устанавливаются с таким расчетом, чтобы сила притяжения (при минимальной величине немагнитного осевого зазора 17 между пятой 7 и кольцевыми полюсами 9 с кольцевыми постоянными магнитами 10), направленная по центральной продольной оси 3 вала 2, была приблизительно равна упору винта на максимальной скорости судна.
Осевая сила притяжения действует между поперечным гребнем 4 и полюсами 9 пассивного магнитного подшипника и воспринимает осевое усилие от упора винта, тем самым разгружая упорный гидродинамический подшипник скольжения. При этом уменьшается износ упорного гидродинамического подшипника скольжения, существенно уменьшаются потери на трение в нем, улучшаются виброакустические характеристики за счет уменьшения жесткости упорного гидродинамического подшипника скольжения.
Для изменения величины немагнитного осевого зазора 17 между пятой 7 и кольцевыми полюсами 9 с кольцевыми постоянными магнитами 10 пассивного магнитного подшипника вращают шестерню 15, вследствие чего за счет внешней зубчатой передачи происходит совместный поворот колеса 14 и жестко соединенного с ним внешнего коаксиального цилиндра 11 относительно внутреннего коаксиального цилиндра 12, обеспечивающий перемещение подпятника 8 пассивного магнитного подшипника вдоль вала 2.
Подшипниковый узел судового валопровода работает следующим образом.
При начале движения судна, когда упор винта (на чертежах не показан) незначителен, пассивный магнитный подшипник выключается путем увеличения осевого немагнитного зазора 17 между пятой 7 и кольцевыми полюсами 9 с кольцевыми постоянными магнитами 10 и работает только упорный гидродинамический подшипник скольжения. Причем при пуске и режимах движения судна со скоростью меньше расчетной величину немагнитного осевого зазора 17 устанавливают такой, чтобы сила притяжения пассивного магнитного подшипника была равна упору винта при заданной скорости движения.
По мере увеличения скорости судна и упора винта немагнитный осевой зазор 17 уменьшают, и на ходовом режиме весь упор винта воспринимает пассивный магнитный подшипник.
На частичных и переходных режимах движения, когда происходит отклонение упора винта от расчетного значения, включается упорный гидродинамический подшипник скольжения.
При вращении вала 2 в рабочем осевом зазоре (на чертежах не обозначен) упорного гидродинамического подшипника скольжения образуется смазочный слой между подушками 18 упорного подшипника скольжения 5 и соответствующими поперечными гребнями 4.
Учитывая вышесказанное можно сделать вывод, что заявляемое техническое решение способствует уменьшению потерь на трение в упорном гидродинамическом подшипнике скольжения в рабочем режиме за счет использования пассивного магнитного подшипника, в котором потери на трение составляют лишь вентиляционные потери.