ШАРИКОВАЯ МНОГОРЯДНАЯ ОПОРА

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к подшипникам качения, и предназначена для использования в машинах и устройствах, рабочие органы которых испытывают высокие осевые нагрузки, например, в забойных винтовых двигателях бурильных установок.
Известна конструкция подшипника качения ротора турбины (1). Подшипник содержит одно наружное и три внутренних кольца с возможностью формирования в сборе двух дорожек качения. Тела качения выполнены в виде роликов, при этом внутреннее кольцо одного из ряда роликов продлено в осевом направлении под вторым рядом роликов и поддерживает два других внутренних кольца. Подшипник снабжен трубками для подвода смазки к дорожкам качения и роликам.
Такое конструктивное исполнение подшипника позволяет воспринимать повышенные осевые нагрузки на ротор, однако не эффективно в тяжелых условиях работы, когда возможно попадание в подшипник мелкодисперсных абразивных частиц.
Известен также двухрядный подшипник вращения с углом контакта по дуге в 240° (2). Такой угол контакта достигается за счет применения специального распорного частично кольцевого элемента, размещенного в щели выполненной во внутреннем кольце. В результате расширен интервал между внешней и внутренней дорожками качения, что обеспечивает благоприятные условия работы телам вращения при повышенных осевых нагрузках.
Недостатком такой конструкции является не защищенность ее от проникновения абразивных частиц в зону контакта тел вращения с дорожкой качения и соответственно быстрый износ подшипников.
Наиболее близко к предлагаемой полезной модели техническое решение подшипника с множеством шаровых дорожек для восприятия преимущественно
осевой, а также частично радиальной нагрузки, которое и выбрано в качестве прототипа (3).
Известный многорядный подшипник содержит разъемный корпус из внутреннего и наружного колец. Последние составлены из элементов цилиндрического профиля, в сборе образующих цилиндрические части стенок упомянутых колец. На внешней поверхности элементов внутреннего кольца и на внутренней поверхности элементов наружного кольца выполнены сферические тороидальные кольцевые дорожки. Дорожки снабжены телами качения в форме шаров. Окружность дорожки внутреннего кольца проходит через центры шаров, диаметр которой больше упомянутой цилиндрической части. Тороидальные кольцевые дорожки наружного кольца имеют диаметр цилиндрической части больший, чем диаметр окружности проходящей через центры шаров, заполняющих эти дорожки, при этом каждый шар кольцевой дорожки, имеет с последней угол линейного контакта равный 90°. Шаровые дорожки цилиндрических элементов наружного и внутреннего колец снабжены выступами, которые предотвращают вращение шаров в углублениях в горизонтальной плоскости. При этом геометрия подшипника выполнена таким образом, что суммированные тангенсы шаровых дорожек в углах описывают конусы, все вершины которых размещены на оси подшипника, а все сложенные вместе обеспечивают возможность подшипнику воспринимать осевую нагрузку, избегая высокой концентрации напряжений в углах шаровых дорожек, занятых шарами.
Недостатком такого подшипника является исполнение внутреннего и наружного колец из составных элементов, что снижает жесткость и надежность конструкции и делает невозможным его эксплуатацию при ударных осевых нагрузках, например, в двигателях бурильных установок. Кроме того, сложными являются сборка и монтаж подшипников при замене в эксплуатационных условиях.
Задачей полезной модели является создание конструкции шариковой многорядной опоры способной воспринимать высокие ударные осевые и частично
радиальные нагрузки и свободной от указанных недостатков.
ж
ш
ж
ш
Поставленная задача решена тем, что шариковая многорядная опора, содержащая разъемный блок из наружных и внутренних колец со сферическими тороидальными дорожками качения и размещенные в них шаровые тела качения, согласно полезной модели, блок опоры выполнен из цельных наружных и внутренних колец с разъемом по торцевым плоскостям последних, на боковых углах внутренней цилиндрической поверхности наружных колец и внешней цилиндрической поверхности внутренних колец выбраны кольцевые канавки с возможностью формирования в сборе сферических тороидальных дорожек качения, при чем отношение радиуса дорожки качения R к радиусу шарового тела качения r составляет: R/r=1,35-1,40, угол контакта тел качения с дорожками качения колец равен α=52-57°, при этом внутренний диаметр наружных колец больше, а наружный диаметр внутренних колец меньше, чем диаметр окружности проходящей через центр вращения шаровых тел качения.
Сущность полезной модели поясняется чертежами (фиг.1-3).
На фиг.1 представлена схема монтажа шариковой многорядной опоры на валу и в корпусе забойного винтового двигателя.
На фиг.2 продольное сечение блока шариковой многорядной опоры.
На фиг.3 сечение стенки блока с видом размещения тела качения (шара) в сферической тороидальной дорожке качения шариковой многорядной опоры.
Шариковая многорядная опора состоит из блока 1, набранного из сопряженных пар наружных 2 и внутренних 3 колец, которые смонтированы на валу 4 и в корпусе 12 винтового забойного двигателя (на чертеже не показан). Наружные кольца 2 на боковых углах внутренней цилиндрической поверхности 5 снабжены кольцевыми канавками 6, а внутренние кольца 3 снабжены кольцевыми канавками 8 соответственно на боковых углах внешней цилиндрической поверхности 7. В собранном блоке 1 кольцевые канавки 6 и 8 сопряженных пар наружных 2 и внутренних 3 колец формируют сферические тороидальные дорожки качения 9, в которых размещены шаровые тела качения
10. При этом за счет того, что внутренний диаметр наружных колец больше, а наружный диаметр внутренних колец меньше, чем диаметр окружности проходящей через центр вращения шаровых тел качения, образуется заданный зазор 13 между поверхностями 5 и 8 наружного и внутреннего колец соответственно.
ж
ш
ж
ш
Отношение радиуса дорожки качения (желоба) 9 R к радиусу тела качения (шара) 10 r равно: R/r=1,35-1,40, при этом угол контакта тел качения с дорожками качения колец составляет α=52-57°, что позволяет шариковой многорядной опоре воспринимать более высокую осевую нагрузку, уменьшить момент вращения шара и трение скольжения тел вращения.
Шариковая многорядная опора работает следующим образом. Блок 1 монтируют по внутреннему диаметру на вал 4 винтового забойного двигателя (на чертеже не показан) вместе с твердосплавной радиальной опорой 11, а по наружному диаметру в корпус 12 упомянутого двигателя. Блок 1 в сборе может содержать от 6-и до 16-и пар наружных 2 и внутренних 3 колец и от 5-и до 15-и рядов шаровых тел качения 10 соответственно.
При монтаже, для создания единой системы «вал-корпус», отдельно внутренние кольца 3 и отдельно наружные кольца 2 блока 1, а также радиальную опору 11 сжимают с усилием 25-60 тонн через втулки 14. Величину сжимающего усилия регулируют в зависимости от конструкции и габаритов двигателя за счет затяжки резьбовых соединений (не показаны) по валу 4 и корпусу 12 двигателя. Выбранный диапазон угла контакта α позволяет существенно перераспределить нагрузку, увеличив осевую составляющую за счет уменьшения ее радиальной составляющей.
ж
ш
Увеличенное соотношение R/r также позволяет уменьшить трение скольжения и предотвратить заклинивание в процессе бурения при так называемом «закоксовывании» пространства между шарами 10 и кольцами 2, 3 многорядной опоры породой (песком, глиной и др.) и буровым раствором.
Испытания новой конструкции шариковой многорядной опоры показали, что она обеспечивает нормальную работу двигателей при забойной (рабочей)
3
температуре до 100°С, а в качестве рабочей жидкости может с успехом использоваться вода или глинистый раствор с плотностью до 1500 кг/м.
Конструкция шариковой многорядной опоры обеспечивает повышение грузоподъемности и долговечности опор и в целом двигателей, а так же пригодна для винтовых забойных двигателей с диаметром корпуса 172-240 мм и позволяет уменьшить габаритные размеры шпиндельной секции установок бурения.
Источники информации:
1. ЕР 00769630 А 2, от 23.04.1997, МПК: F 16 C 33/66.
2. DE 3822961 А 1 от 11.01.1990, МПК: F 16 C 19/18/
3. US 2,650,864 от 01.09.1953, U.S. C 1. 308-174 (прототип).