УПОРНЫЙ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ПОДШИПНИК СКОЛЬЖЕНИЯ

Полезная модель относится к деталям машин и может быть использована в подшипниковых узлах, опорах скольжения и других узлах, применяемых в машиностроительной, металлообрабатывающей, станкостроительной, приборостроительной, авиационной промышленности и других.
На сегодняшний день, как правило, в малоразмерных турбокомпрессорных агрегатах (ТКА) для восприятия осевой нагрузки используют упорные гидродинамические подшипники скольжения с неподвижными сегментами.
Для появления в смазочном слое упорных подшипников скольжения гидродинамических давлений и соответствующей несущей силы необходим клиновый зазор между поверхностью пяты и подпятника. Такой зазор можно получить за счет особого профилирования поверхности подпятника.
Известен подшипник с периодическим профилем поверхности (спиральные канавки) подпятника (патент RU №20352, F16C 17/08, опубл. 27.10.2001). В данном подшипнике для обеспечения износостойкости, отсутствия схватывания и задиров рабочих поверхностей предложено выполнить на сопряженных поверхностях концентрично расположенные выступы и впадины. Существенным недостатком этого технического решения является острый, гребенчатый профиль контактирующих поверхностей. В процессе работы на выступах такого профиля возникают повышенные контактные давления, приводящие к разрушению выступов при использовании относительно хрупких материалов, например, металлокерамики, имеющих высокую твердость и износостойкость. В результате разрушения выступов из металлокерамики в трущиеся сопряжения попадают твердые абразивные частицы, что приводит к повышению интенсивности износа, разрушению рабочих поверхностей и снижению долговечности подшипника.
Хорошо известен многоклиновый упорный подшипник с наклонными несущими поверхностями (Орлов, П.И. Основы конструирования: справочно-методическое пособие в 3-х книгах / П.И. Орлов. - Кн. 2, 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1977. - 574 С. 423-431). В таких подшипниках между пятой и подпятником жидкостная пленка образуется вследствие нагнетания масла в зазор h между пятой и неподвижными сегментами подпятника, а масляный клин образуется из-за периодичности профиля сегментов подпятника. Обязательное условие образования масляного клина в данном случае - плавное закругление передней (по направлению движения) кромки несущей поверхности. К плюсам данной конструкции можно отнести: низкие потери на трение; при небольших отклонениях угла наклона от оптимального значения величина несущей способности изменяется незначительно. Однако требуется высокоточное оборудование, позволяющее выполнить наклонную поверхность под углом менее одного градуса (в этих пределах максимальная несущая способность). Как правило, такую конструкцию в малогабаритных турбокомпрессорах не используют и ограничиваются установкой плоского сегментного подпятника. Т.к. при установке подпятника в корпус ТКА возникают незначительные перекосы, что обеспечивает появление угла между пятой и подпятником и как следствие жидкостного клина.
Фирма «Иигуру Когуе К.К.» производит уплотнения, в которых на рабочей поверхности неподвижного кольца пары трения выполнены глухие отверстия специальной формы, равномерно расположенные по окружности и обеспечивающие гидродинамический эффект, подобный эффекту, создаваемому спиральными канавками (Заявка на патент 60-13668. Япония, 1985).
В работе (Brizmer, V. A Laser Surface Textured Parallel Thrust Bearing / V. Brizmer, Y. Kligerman, I. Etsion // Trib. Trans. - 2003. - Vol. 46 3). - Р. 397-403.) описывается влияние лазерного текстурирования поверхности подпятника на гидромеханические характеристики подпятника. В результате лазерного текстурирования на поверхности сегментов подпятника появляются микроямки с заданным диаметром, глубиной и плотностью их распределения. Выделяют основные плюсы данной технологии: высокая точность и скорость выполнения операций, что в свою очередь позволяет легко контролировать форму и размеры микроямок, а также реализовать заданную плотность их распределения на поверхности трибосопряжения. К недостаткам конструкции можно отнести низкую несущую способность по сравнению с предыдущими конструкциями.
Из известных аналогов наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является упорный подшипников скольжения, у которого несущая поверхность состоит из сегментов, при этом сегменты имеют форму ступеньки. Релея (Rahmani, R. Analitical analysis and optimization of the Raleigh step slider bearing / R. Rahmani, A. Shirvani, H. Shirvani // Tribology International. - 2009. - Vol. 42, №5. P. 666-674). Основным достоинством данной конструкции является простоя форма сегментов и высокая несущая способность. К недостаткам можно отнести высокие потери на трение.
Техническая задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение заключается в повышении несущей способности, снижении потерь на трение и увеличении надежности упорных гидродинамических подшипников.
Поставленная задача достигается тем, что упорный гидродинамический подшипник скольжения, содержащий пяту и подпятник, несущая поверхность которого разделена канавками на сегменты, имеющих форму ступеньки Релея, согласно полезной модели со стороны входной кромки на поверхности сегментов нанесено текстурирование в виде микроямок.
В новой конструкции упорного гидродинамического подшипника скольжения клиновый зазор между пятой и подпятником возникает из-за особого профиля сегментов последнего. Сегменты имеют форму ступеньки Релея, а со стороны входной кромки на поверхности наносится текстурирование в виде микроямок с заданной глубиной, шириной и плотностью их распределения.
Процесс образования несущей способности смазочного слоя происходит следующим образом. Смазка «прилипает» к поверхности пяты и подпятника, следовательно, частицы смазки на пяте движутся относительно подпятника со скоростью , а на подпятнике неподвижны. За счет сил вязкости движение от нижних слоев жидкости передается верхним слоям, и они вовлекаются в движение. Смазка движется в зазоре, где испытывает сжатие и расширение (в текстурированной области) и значительное сжатие (в зоне выступа «ступеньки»), под действием которого растекается. Растеканию смазочной жидкости в зазоре препятствуют силы вязкости, которые преодолеваются повышением давления внутри слоя смазки, передающимся на ограничивающие этот слой твердые поверхности. Результирующая сила  избыточного давления уравновешивает внешнюю силу , действующую на пяту. Возникает несущий смазочный слой, отделяющий пяту от подпятника. Пята как бы «плывет» по пленке масла не касаясь подпятника.
Благодаря предлагаемой новой конструкции подпятника, а именно выполнению текстурирования части поверхностей сегментов подпятника со стороны входной кромки и ступеньки - с выходной кромки, улучшается режим гидродинамической смазки в зоне упорной поверхности, что в свою очередь повышает надежность и долговечность упорного подшипника.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображено:
На фиг. 1, а - Схема упорного гидродинамического подшипника (вид сбоку);
На фиг. 1, б - Схема упорного гидродинамического подшипника (вид сверху);
На фиг. 2, а - Схема поверхности сегмента с лазерным текстурированием для однонаправленных опор;
На фиг. 2, б - Схема поверхности сегмента с лазерным текстурированием для однонаправленных опор в разрезе.
На фиг. 3 - Схема сегмента с лазерным текстурированием части поверхности.
На фиг. 4 - Схема сегмента с наклонной поверхностью в окружном направлении.
На фиг. 5 - Схема сегмента с поверхностью в виде ступеньки Релея.
На фиг. 6 - Схема сегмента у которого с входной кромки нанесено лазерное текстурирование на его части поверхности и выступ (ступенька Релея) со стороны выходной кромки
Упорный гидродинамический подшипник скольжения (фиг. 1) (в сборе) содержит вал 1, который вращается совместно с пятой 3, подпятник 2, жестко зафиксированный в корпусе турбокомпрессора. Подпятник 2 имеет форму диска, разделенного на сегменты канавками 4. Предлагаемая конструкция подпятника 2 выполнена для однонаправленных опор, схема сегмента такого подпятника представлена на фиг. 2. Каждый сегмент имеет форму ступеньки, а со стороны входа в сегмент на части поверхности наносится лазерное текстурирование в виде микроямок 5.
Эффективность новой конструкции подтверждается расчетом с помощью программных комплексов «Секторный подпятник» [Программный комплекс для расчета гидромеханических характеристик секторного упорного гидродинамического подшипника с различной обработкой поверхности «Секторный подпятник» / А.К. Бояршинова, С.В. Чернейко // Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. - 2013617906 от 27.08.2013] и «Секторный подпятник II» [авторы А.К. Бояршинова; С.В. Чернейко], с помощью которых можно сравнить гидромеханические характеристики упорных гидродинамических подшипников скольжения с различными конструкциями подпятников.
1
y
2
p
p
2
1
p
p
1
-6
-6
Каждая конструкция отличается несущей поверхностью (тип сегмента). Конструкция I (фиг. 3) - поверхность сегмента с лазерным текстурированием. Конструкция II (фиг. 4) - наклонная плоскость в окружном направлении, γ=0,3°. Конструкция III (фиг. 5) - ступенька Релея (h/h=1,87, l=l/3,59). Конструкция IV (фиг. 6) - сегмент у которого с входной кромки нанесено лазерное текстурирование на его части поверхности и выступ (ступенька Релея) со стороны выходной кромки. В расчетах использовались следующие параметры лазерного текстурирования поверхности: глубина ямки h=20·10 м, радиус ямки r=90·10 м, плотность распределения ямок  (к=r/r - соотношение размеров ячейки), l=l·0,6 (l=l·0,6 для IV-й конструкции).
Для расчета интегральных характеристик упорных гидродинамических подшипников номинальные значения геометрических и рабочих параметров принимались равными для упорного узла ротора турбокомпрессора ТКР-8,5C производство «Турботехника» г. Протвино и представлены в таблице 1.
Таблица 1
- Исходные данные
№
Наименование параметра
Обозначение
Значение
1
Внутренний радиус, мм
R<sub>1</sub>
5,9
2
Внешний радиус, мм
R<sub>2</sub>
9,35
3
Установочный зазор, мкм
h<sub>y</sub>
40
4
Минимально допустимый зазор, мкм
h<sub>min</sub>
1,5
6
Угловая частота вращения ротора, рад<sup>-1</sup>
ω<sub>1</sub>
7000
7
Давление подачи смазки, МПа
P<sub>вх</sub>
0,4
8
Температура подаваемой смазки, °C
T<sub>вх</sub>
80
9
Количество сегментов, шт
k
8
вх
a
вх
a
Граничные условия. Смазка под давлением P подается через внутреннюю кольцевую канавку подпятника. Давление по внешнему радиусу подпятника принимается равным атмосферному P. Колодки разделены радиальными канавками, давление в которых полагается распределенным по линейному закону от P до P.
В таблице 2 представлены расчетные характеристики четырех конструкций подпятников (цифрами обозначены номера конструкций подпятников).
Таблица 2
- Характеристики упорных подшипников
Характеристики
Конструкция подпятника
I
II
III
IV
P<sub>max</sub>, МПа
0,37
0,39
0,59
0,60
P<sub>max</sub>/P<sub>max</sub>
0,62
0,66
0,99
1
W, H
28,88
36,3
36,51
61,25
W/W<sub>4</sub>
0,47
0,59
0,60
1
Таким образом, заявляемая конструкция, а именно: упорный гидродинамический подшипник скольжения, содержащий пяту, и подпятник, несущая поверхность которого разделена канавками на сегменты, имеющих форму ступеньки Релея, а со стороны входной кромки на поверхности сегментов наносится текстурирование в виде микроямок с заданной глубиной, шириной и плотностью их распределения, - позволяет значительно (в несколько раз!) повысить несущую способность и тем самым увеличить надежность и ресурс упорных гидродинамических подшипников скольжения.