Подшипниковый узел опор гребных валов судовых валопроводов
BEARING ASSEMBLY FOR PROPELLER SHAFT SUPPORTS OF SHIP SHAFTING

Изобретение относится к машиностроению и предназначено для повышения надежности опор гребных валов судовых валопроводов.
Известен подшипник скольжения для применения при изготовлении опор гребных валов судовых валопроводов, включающий силовые слоистые и твердосмазочные элементы, обработанные по внутреннему диаметру в один размер, причем силовые слоистые элементы выполнены в форме цельной цилиндрической втулки, имеющей на части внутренней поверхности продольные пазы, в которых размещены и неподвижно закреплены с помощью заливочной композиции твердосмазочные элементы трапецеидальной формы, при этом втулка выполнена из слоистого материала, включающего армирующую ткань из углеродного волокна со средним размером кристаллитов по базисной плоскости 3,0-6,0 нм и толщиной пакета базисных плоскостей 1,0-4,0 нм и полимерное термореактивное связующее, например эпоксидную и фенолформальдегидную смолу, а твердосмазочные элементы выполнены из наполненного сополимера политетрафторэтилена (см. патент РФ № 2269683, МПК F16C 17/03, 2006 г.).
В качестве ближайшего аналога принят подшипниковый узел опор гребных валов судовых валопроводов, содержащий корпус в виде обечайки, через полость которой соосно и с возможностью вращения пропущен гребной вал, причем в кольцевом зазоре между обечайкой и гребным валом организован гидродинамический подшипник скольжения, состоящий из силовых слоистых и твердосмазочных сегментов, которые обработаны по внутреннему диаметру в один размер и ориентированы в продольном направлении и расположены с чередованием в поперечной плоскости корпуса симметрично относительно его центральной продольной оси (см. патент РФ № 2598121, МПК F16C 17/03, 2016 г.).
Недостатки известных технических решений – высокие удельные давления на вкладыш, износ подшипника и вала.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является разработка подшипникового узла, обеспечивающего высокую несущую способность опор гребных валов судовых валопроводов в рабочем режиме, значительное снижение удельных давлений на сегменты гидродинамического подшипника скольжения и потерь на трение, а также улучшение виброакустических характеристик.
Технический результат предлагаемого технического решения выражается в обеспечении высокой несущей способности опор гребных валов судовых валопроводов, низких удельных давлениях на сегменты гидродинамического подшипника скольжения в рабочем режиме при уменьшении в нем потерь на трение.
Поставленная задача решается тем, что подшипниковый узел опор гребных валов судовых валопроводов, содержащий корпус в виде обечайки, через полость которой соосно и с возможностью вращения пропущен гребной вал, причем в кольцевом зазоре между обечайкой и гребным валом организован гидродинамический подшипник скольжения, состоящий из силовых слоистых и твердосмазочных сегментов, которые обработаны по внутреннему диаметру в один размер, ориентированы в продольном направлении и расположены с чередованием в поперечной плоскости корпуса симметрично относительно его центральной продольной оси отличается тем, что корпус подшипникового узла выполнен из немагнитного материала и в его верхней части, в кольцевом зазоре между обечайкой и сегментами гидродинамического подшипника скольжения меньшей толщины дополнительно организован пассивный магнитный подшипник в виде симметричного относительно центральной продольной оси корпуса ряда, состоящего из чередующихся друг с другом и имеющих одинаковую угловую длину полюсов, выполненных из материала с высокой магнитной проницаемостью, и постоянных магнитов, намагниченных в осевом встречном направлении намагниченности, причем полюса пассивного магнитного подшипника жестко закреплены на внутренней поверхности корпуса с обеспечением контакта их боковых поверхностей с боковыми поверхностями смежных постоянных магнитов, кроме того, гребной вал выполнен из материала с высокой магнитной проницаемостью и дополнительно снабжен антикоррозионным покрытием из немагнитного материала, при этом внешняя поверхность, образованная сегментами гидродинамического подшипника скольжения и обращенная к гребному валу, выполнена с образованием рабочего кольцевого зазора с поверхностью антикоррозионного покрытия гребного вала.
Кроме того, сегменты гидродинамического подшипника скольжения большей толщины закреплены на внутренней поверхности корпуса.
Кроме того, между гребным валом и его антикоррозионным покрытием размещена дополнительная облицовка, выполненная из стали с высокой магнитной проницаемостью.
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 изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признаки «корпус подшипникового узла выполнен из немагнитного материала и в его верхней части в кольцевом зазоре между обечайкой и сегментами гидродинамического подшипника скольжения меньшей толщины дополнительно организован пассивный магнитный подшипник» создают замыкание магнитного потока и направление его основной части в зону рабочего кольцевого зазора, что обеспечивает высокую несущую способность пассивного магнитного подшипника.
Признаки «пассивный магнитный подшипник… в виде симметричного относительно центральной продольной оси корпуса ряда, состоящего из чередующихся друг с другом и имеющих одинаковую угловую длину полюсов, выполненных из материала с высокой магнитной проницаемостью, и постоянных магнитов, намагниченных в осевом встречном направлении намагниченности» позволяют сформировать эффективную магнитную систему пассивного магнитного подшипника.
Признак «полюса пассивного магнитного подшипника жестко закреплены на внутренней поверхности корпуса» обеспечивает восприятие значительных статических нагрузок от веса гребного винта и гребного вала полюсами пассивного магнитного подшипника и корпусом подшипникового узла.
Признаки «[полюса пассивного магнитного подшипника] закреплены с обеспечением контакта их боковых поверхностей с боковыми поверхностями смежных постоянных магнитов» обеспечивают формирование магнитной системы с тангенциальным направлением намагниченности пассивного магнитного подшипника.
Признак «[гребной вал] выполнен из материала с высокой магнитной проницаемостью и дополнительно снабжен антикоррозионным покрытием из немагнитного материала» обеспечивает антикоррозионную защиту гребного вала, позволяет сформировать рабочий кольцевой зазор между обращенными друг к другу поверхностью антикоррозионного покрытия гребного вала и внешней поверхностью, образованной сегментами гидродинамического подшипника скольжения, а также обеспечивает гладкую цилиндрическую поверхность гидродинамического подшипника скольжения.
Признак «внешняя поверхность, образованная сегментами гидродинамического подшипника скольжения и обращенная к гребному валу, выполнена с образованием рабочего кольцевого зазора с поверхностью антикоррозионного покрытия гребного вала» формирует гидродинамический подшипник гребного вала и позволяет дополнительно к гидродинамическим силам использовать силы притяжения пассивного магнитного подшипника путем концентрации магнитного потока и направления основной его части в рабочий кольцевой зазор между обращенными друг к другу поверхностью антикоррозионного покрытия гребного вала и внешней поверхностью, образованной полюсами и магнитами пассивного магнитного подшипника, в результате чего возникают значительные силы притяжения, которые равны статической нагрузке, приходящейся на пассивный магнитный подшипник и, тем самым, позволяют компенсировать силу тяжести гребного винта и гребного вала.
Признак «сегменты гидродинамического подшипника скольжения большей толщины закреплены на внутренней поверхности корпуса» обеспечивает восприятие значительных нагрузок нижней частью гидродинамического подшипника гребного вала.
Признак первого зависимого пункта формулы обеспечивает восприятие значительных нагрузок нижней частью гидродинамического подшипника гребного вала.
Признак второго зависимого пункта формулы обеспечивает значительную силу притяжения между полюсами и гребным валом.
На фиг.1 и фиг.2 показаны продольный и поперечный разрезы подшипникового узла соответственно, на фиг. 3 изображена зависимость относительного эксцентриситета цапфы (гребного вала) в гидродинамическом подшипнике скольжения от нагрузки на указанную цапфу, на фиг.4 представлена зависимость мощности трения в гидродинамическом подшипнике скольжения от нагрузки на указанный подшипник, а на фиг. 5 представлена карта магнитного поля пассивного магнитного подшипника (продольное сечение).
На чертежах показаны корпус 1 подшипникового узла, гребной вал 2 судового валопровода, его дополнительная облицовка 3 и антикоррозионное покрытие 4 соответственно, полюса 5 и постоянные магниты 6 пассивного магнитного подшипника, твердосмазочные сегменты 7 и 10 гидродинамического подшипника скольжения меньшей и большей толщины соответственно, силовые слоистые сегменты 8 и 11 гидродинамического подшипника скольжения меньшей и большей толщины соответственно, рабочий кольцевой зазор 9.
Подшипниковый узел опор гребных валов судовых валопроводов включает корпус 1, выполненный в виде обечайки из немагнитного материала, например нержавеющей стали, через полость которой соосно и с возможностью вращения пропущен гребной вал 2.
Гребной вал 2 выполнен из материала с высокой магнитной проницаемостью, например магнитномягкой стали 48КНФ, и дополнительно снабжен антикоррозионным покрытием 4 из немагнитного материала, например бронзы.
В случае если гребной вал 2 выполнен из материала с низкой магнитной проницаемостью, между ним и его антикоррозионным покрытием 4 можно разместить дополнительную облицовку 3, выполненную из стали с высокой магнитной проницаемостью.
В верхней части, в кольцевом зазоре между корпусом 1 и гребным валом 2 дополнительно организован пассивный магнитный подшипник, состоящий из полюсов 5, выполненных из материала с высокой магнитной проницаемостью (например, из сплава 48 КНФ) и постоянных магнитов 6, выполненных из магнитного материала, например, неодим-железо-бор, намагниченных в осевом встречном направлениях намагниченности.
Полюса 5 пассивного магнитного подшипника жестко закреплены на внутренней поверхности корпуса 1 с обеспечением контакта их боковых поверхностей с боковыми поверхностями смежных постоянных магнитов 6.
Указанные полюса 5 и постоянные магниты 6 пассивного магнитного подшипника имеют одинаковую угловую длину и расположены с чередованием, образуя симметричный относительно центральной продольной оси корпуса 1 ряд.
В кольцевом зазоре (на чертежах не обозначен) между корпусом 1 и гребным валом 2 организован гидродинамический подшипник скольжения, состоящий из твердосмазочных сегментов – пластин, выполненных, например, из материала АНИТА-40, и силовых слоистых сегментов – плит, выполненных из материала, например, ФУТ, которые обработаны по внутреннему диаметру в один размер, ориентированы в продольном направлении и расположены с чередованием в поперечной плоскости корпуса 1 симметрично относительно его центральной продольной оси (на чертежах не обозначена).
При этом твердосмазочные 10 и силовые слоистые 11 сегменты большей толщины размещены в нижней части подшипникового узла и закреплены на внутренней поверхности корпуса 1, а твердосмазочные 7 и силовые слоистые 8 сегменты меньшей толщины расположены в верхней половине корпуса 1 и закреплены на внешней поверхности полюсов 5 и постоянных магнитов 6 пассивного магнитного подшипника.
Внешняя поверхность, образованная сегментами 7, 10 и 8, 11 гидродинамического подшипника скольжения и обращенная к гребному валу 2, выполнена с образованием рабочего кольцевого зазора 9 с поверхностью антикоррозионного покрытия 4 гребного вала 2.
Изготавливают и собирают подшипниковый узел опор гребных валов судовых валопроводов следующим образом.
Изготавливают корпус 1 подшипникового узла в виде обечайки и гребной вал 2, на который насаживают облицовку 3 и антикоррозионное покрытие 4.
Изготавливают полюса 5, размещают внутри корпуса 1 с равным шагом, формируя симметричный относительно центральной продольной оси корпуса 1 ряд и скрепляют их с ним, например сваркой.
Между полюсами 5 вклеивают постоянные магниты 6, намагниченные в осевом встречном направлении намагниченности.
В корпусе 1 с ориентацией в продольном направлении и чередованием в его поперечной плоскости и симметрично относительно его центральной продольной оси располагают сегменты гидродинамического подшипника скольжения, твердосмазочные 10 и силовые слоистые 11 сегменты большей толщины закрепляют на внутренней поверхности корпуса 1, а твердосмазочные 7 и силовые слоистые 8 сегменты меньшей толщины – на внешней поверхности полюсов 5 и постоянных магнитов 6 пассивного магнитного подшипника.
Собранный подшипниковый узел опор гребных валов 2 судовых валопроводов устанавливают в кормовую оконечность судна и закрепляют. Устанавливают гребной вал и гребной винт.
Подшипниковый узел опор гребных валов судовых валопроводов работает следующим образом.
Постоянные магниты 6 и полюса 5 пассивного магнитного подшипника рассчитываются и устанавливаются с таким расчетом, чтобы сила притяжения, направленная по вертикальной оси вверх от ее действия, была приблизительно равна сумме сил тяжести гребного винта и гребного вала, а сумма горизонтальных составляющих этой силы равнялась нулю.
В качестве смазки гидродинамического подшипника скольжения гребного вала 2 используется вода. При вращении гребного вала 2 образуется смазочный клин между втулкой, образованной твердосмазочными 8, 11 и силовыми слоистыми 7, 10 сегментами гидродинамического подшипника скольжения, и антикоррозионным покрытием 4 гребного вала 2 в рабочем кольцевом зазоре 9. В результате вращения гребной вал 2 всплывает на смазочном слое.
Вертикальные составляющие сил притяжения действуют между гребным валом 2 и полюсами 5 пассивного магнитного подшипника, воспринимают статическую нагрузку на пассивный магнитный подшипник от веса гребного винта и гребного вала 2, уменьшают относительный эксцентриситет гребного вала 2 в гидродинамическом подшипнике скольжения и, тем самым, существенно уменьшают удельное давление на твердосмазочные сегменты 8, 11 и силовые слоистые сегменты 7, 10, уменьшают их износ, существенно уменьшают потери на трение в подшипниковом узле, улучшают виброакустические характеристики.
На фиг. 4 видно, что с ростом нагрузки (эксцентриситета цапфы (гребного вала)) на гидродинамический подшипник скольжения мощность трения увеличивается в два раза.
Учитывая то, что в разработанном подшипниковом узле относительный эксцентриситет будет близок к нулю (за счет магнитных сил пассивного магнитного подшипника), то и трение в таком подшипниковом узле будет в два раза меньше, а при минимальном эксцентриситете удельные нагрузки на сегменты гидродинамического подшипника скольжения будут минимальны, как и их износ.
На фиг. 5 представлена карта магнитного поля пассивного магнитного подшипника (продольное сечение). Расчеты показывают, что при длине пассивного магнитного подшипника, равной 1040 мм и немагнитном зазоре 6 мм вертикальная составляющая магнитной силы этого подшипника составляет 147,33 кН, что компенсирует основную часть нагрузки от веса гребного винта
С уменьшением немагнитного зазора (уменьшением толщины твердосмазочных 7 и силовых слоистых 8 сегментов) в пассивном магнитном подшипнике и массы магнитов величина магнитной силы многократно возрастает.