ОПОРНЫЙ УЗЕЛ

Полезная модель относится к машиностроению и может быть использована, например, в установках погружных электроцентробежных насосов для добычи нефти.
Известен упорный подшипник, содержащий пяту, установленную на валу с возможностью вращения совместно с валом и восприятия осевой силы со стороны вала и без возможности вращения относительно него, подпятник, содержащий самоустанавливающиеся сегменты и выполненный с возможностью восприятия осевой силы со стороны пяты (см. Патент РФ №2305212, МПК 51 F16C 17/04, опубл. 27.08.2007 г.). В такой конструкции опорные поверхности самоустанавливающихся сегментов, контактирующие с опорной поверхностью пяты, образуя пару трения, содержат антифрикционное покрытие. В качестве антифрикционного покрытия используются пластмассовые покрытия, например, типа полиэфирэфиркэтон (PEEK), политетрафторэтилен (PTFE), композиционные материалы или другие пластмассовые материалы. Данное техническое решение широко используется в современном машиностроении, т.к. в процессе вращения пяты совместно с валом самоустанавливающиеся сегменты подпятника в зависимости от частоты вращения вала занимают оптимальные положения для передачи осевой нагрузки создавая гидродинамическую подъемную силу на пяту. Тем самым снижается износ трущихся поверхностей.
Однако при повышении температуры в зоне трения, соответственно и пластмассовых покрытий самоустанавливающихся сегментов, падает несущая способность упорного подшипника, так как пластмассы теряют несущую способность с повышением температуры. С повышением частоты вращения вала, с повышением нагрузки на вал, соответственно на упорный подшипник, увеличивается выделение тепла и повышение температуры в зоне трения пяты с подпятником. При этом снижается надежность, долговечность, несущая способность упорного подшипника. В то же время ограничение во многих случаях площади трущихся поверхностей в связи с ограничением наружного диаметра упорного подшипника, например, в установках погружных электроцентробежных насосов для добычи пластовой жидкости, ограничивает грузоподъемность упорного подшипника, не позволяя достигнуть необходимых значений. Это ограничивает применение их при высоких температурах и осевых нагрузках.
Сегодня возникает значительная потребность в упорных подшипниках (опорных узлах) работоспособных при высоких температурах окружающей среды при высоких оборотах вала и высоких осевых нагрузках от вала на упорные подшипники в условиях ограничения наружных диаметров упорных подшипников. Особенно высока потребность в таких упорных подшипниках (опорных узлах) в нефтедобывающей, газодобывающей отраслях, в атомной энергетике.
Известен опорный узел, содержащий корпус, вал, расположенные вдоль оси вала, по крайней мере, две опорные секции, каждая из которых содержит упругий элемент, закрепленный на валу упор и закрепленную в корпусе опору, в кольцевой проточке, выполненной на внутренней торцевой поверхности упора, закреплено антифрикционное кольцо, контактирующее с антифрикционным кольцом, установленным в держателе, который закреплен на основании опоры, (см. Патент РФ №2235226, МПК 7 F16C 17/26, опубл. 10.04.2004 г.).
В такой конструкции допускаемая удельная нагрузка на антифрикционные вставки, изготовленные из керамики или из твердосплавных материалов, имеющих повышенную твердость и теплостойкость по сравнению с металлическими, пластмассовыми и композиционными материалами, позволяет использовать эти вставки в конструкциях опорного узла (упорного подшипника) повышенной грузоподъемности.
Недостатком данной конструкции является то, что антифрикционные кольца изготовлены из хрупких материалов - керамики или твердого сплава. В настоящее время наиболее часто для таких условий работы применяются вставки и кольца из керамики или из твердых сплавов карбида вольфрама со связкой из кобальта типа ВК8 или карбида вольфрама со связкой из никеля типа СН8. Эти материалы являются дорогостоящими, что приводит удорожанию упорного подшипника. В то же время детали из этих материалов хрупкие, это предъявляет повышенные требования бережного отношения к ним при сборке узла, транспортировке, эксплуатации, ремонтных работах. Особые требования предъявляются к конструкции изделий из этих материалов при повышенных нагрузках на них. Детали из этих материалов не должны иметь концентраторов напряжений, резких переходов с одной толщины на другую, должны иметь равномерную нагрузку по всей поверхности трения. Каналы для охлаждения внутри и на опорных поверхностях пяты и подпятника из этих материалов создают концентраторы напряжения. Отсутствие охлаждения приводит перегреву и разрушению опор, перегреву масла, например, погружного электродвигателя, и ухудшению электроизоляционных свойств масла, к отказу электродвигателя. Изделия из этих материалов разрушаются при вибрационных нагрузках. Недостаточная надежность крепления антифрикционных вставок и колец снижает грузоподъемность опорного узла. Все это приводит к снижению надежности опорного узла, в конечном счете всей установки, в которую он установлен, приводить к необходимости частого ремонта опорного узла для замены антифрикционных вставок и колец узла, к снижению межремонтного периода опорного узла, установки в целом, может привести к разрушению установки, в которую он установлен.
Технической задачей полезной модели является увеличение грузоподъемности опорного узла, повышение надежности его работы, увеличение межремонтного периода и долговечности его работы, путем создания конструкции опорного узла работоспособной при повышенных осевых нагрузках, частотах вращения вала и температуре окружающей рабочей среды.
Данная техническая задача решается тем, что опорный узел, содержащий основание, корпус, головку, последовательно соединенные между собой, вал, радиальные подшипники, расположенные вдоль оси вала опорные секции, каждая из которых содержит пяту, установленную на валу с возможностью вращения совместно с валом и восприятия осевой силы со стороны вала и без возможности вращения относительно него, подпятник, выполненный с возможностью восприятия осевой силы со стороны пяты и закрепленный в корпусе, отличающийся тем, что опорная поверхность подпятника состоит из опорных поверхностей самоустанавливающихся сегментов, при этом опорные поверхности самоустанавливающихся сегментов и опорная поверхность пяты содержат твердосплавное покрытие, в частности, из карбида вольфрама со связкой из кобальта или карбида вольфрама со связкой из никеля, при этом опорная поверхность пяты твердосплавным покрытием контактирует с твердосплавным покрытием опорной поверхности подпятника, образуя пару трения.
Кроме того, опорная поверхность пяты и опорная поверхность подпятника содержат твердосплавное покрытие толщиной 0.1 мм - 1.0 мм и более каждая.
Кроме того, пята опорной секции со стороны противоположной опорной поверхности с твердосплавным покрытием содержит закрепленный на валу упругий элемент.
Кроме того, подпятник выполнен в виде корпуса с опорной поверхностью, контактирующей с пятой образованием пары трения, и сопрягаемого с ним основания, при этом поверхность корпуса подпятника противоположная опорной поверхности выполнена сферической или торовой, а сопрягаемая с ней поверхность основания подпятника выполнена конической или сферической.
Кроме того, опорный узел может содержит упор-ограничитель содержащий опорную секцию, расположенную на валу симметрично остальным опорным секциям относительно плоскости перпендикулярной оси вала, имеющую пяту и подпятник, при этом подпятник закреплен в корпусе, пята, закрепленная на валу без возможности вращения относительно него, установлена с возможностью передачи усилия от вала на подпятник, опорная поверхность пяты и опорная поверхность подпятника содержат твердосплавное покрытие, в частности, из карбида вольфрама со связкой из кобальта или карбида вольфрама со связкой из никеля, при этом опорная поверхность пяты твердосплавным покрытием имеет возможность контактировать с твердосплавным покрытием опорной поверхности подпятника, образуя пару трения.
Кроме того, самоустанавливающиеся сегменты подпятника содержат гидродинамические уклоны.
На фиг. 1 представлен продольный разрез заявляемого опорного узла.
На фиг. 2 представлен выносной элемент I фиг. 1, на котором в увеличенном масштабе показана опорная секция опорного узла.
На фиг. 3 представлен поперечный разрез А-А фиг. 2, на котором более подробно показаны самоустанавливающиеся сегменты опорной секции.
На фиг. 4 представлен разрез Б-Б фиг. 3, на котором самоустанавливающиеся сегменты подпятника опорной секции содержат гидродинамические уклоны.
Опорный узел содержит основание 1, корпус 2, головку 3, последовательно соединенные между собой, вал 4, радиальные подшипники 5, расположенные вдоль оси вала опорные секции 6, каждая из которых содержит пяту 7, установленную на валу 4 опорного узла с возможностью вращения совместно с валом 4 и восприятия осевой силы со стороны вала 4 и без возможности вращения относительно него, подпятник 8, выполненный с возможностью восприятия осевой силы со стороны пяты 7 и закрепленный в корпусе 2. Опорная поверхность 9 подпятника 8 состоит из опорных поверхностей 10 самоустанавливающихся сегментов 11. Опорные поверхности 10 самоустанавливающихся сегментов 11 и опорная поверхность 12 пяты 7 содержат твердосплавные покрытия 13 и 14, в частности, из карбида вольфрама со связкой из кобальта или карбида вольфрама со связкой из никеля. Пята 7 опирается на самоустанавливающиеся сегменты И подпятника 8.
Самоустанавливающиеся сегменты 11 подпятника 8 воспринимают осевую силу со стороны пяты 7. Самоустанавливающиеся сегменты 11 опираются опорными элементами 15, позволяющими сегментам 11 самоустанавливаться, на основание 16 корпуса 17 подпятника 8. Для ограничения перемещения самоустанавливающихся сегментов 11 в ограниченных пределах и не выпадения их из корпуса 17 подпятника 8 при транспортировке служат ограничительные элементы 18, установленные неподвижно в основании 16 корпуса 17 подпятника 8. Подпятник может быть закреплен в корпусе 2 путем установки неподвижно основания 16 корпуса 17 подпятника 8 в корпусе 2. Опорная поверхность 12 пяты 7 твердосплавным покрытием 14 контактирует с твердосплавным покрытием 13 опорной поверхности 9 подпятника 8, образуя пару трения. Поверхности пар трения могут формироваться и из покрытий других твердых сплавов.
Основание 1, корпус 2, и головка 3 последовательно соединены между собой, например, посредством резьбы 19. Пята 7 может быть установлена на валу 4 с помощью шпонки 20 или шпонок. Для восприятия пятой 7 осевой силы (нагрузки) со стороны вала 4 на валу может быть установлено упорное кольцо 21 с упором 22.
Опорная поверхность пяты и опорная поверхность подпятника содержат твердосплавное покрытие толщиной 0.1 мм - 1.0 мм и более каждая.
Для обеспечения одновременного контакта всех опорных поверхностей 12 пят 7 и с опорными поверхностями 9 подпятников 8 при работе и компенсации зазоров, возникающих при изготовлении вследствие технологических допусков, пята 7 опорной секции 6 со стороны противоположной опорной поверхности 12 с твердосплавным покрытием 14 содержит закрепленный на валу 4 упругий элемент 23. В качестве упругого элемента могут применяться, например, тарельчатые пружины.
Подпятник 8 выполнен с возможностью восприятия осевой силы со стороны пяты 7 и закреплен корпусе 2 с помощью втулок распорных 24. В распорных втулках 24 для удобства сборки опорного узла могут быть выполнены отверстия 25. Для компенсации зазоров могут быть применены шайбы 26. Шайбы 26 могут служить для обеспечения необходимого вылета или заглубления торцов вала 4 от посадочных поверхностей 27 и 28 основания 1 и головки 3.
Кроме того, подпятник 8 выполнен в виде корпуса 17 с опорной поверхностью 14, контактирующей с пятой 7 образованием пары трения, и сопрягаемого с ним основания 29. Поверхность 30 корпуса 17 подпятника 8, противоположная опорной поверхности 9, выполнена сферической или торовой, а сопрягаемая с ней поверхность 31 основания 29 подпятника 8 выполнена конической или сферической. Выполнение поверхности 30 корпуса 17 сферической или торовой, а поверхности 31 основания 29 подпятника конической или сферической зависит от технологических возможностей изготовителя и материалов сопрягаемых пар. Два штифта 32 одним концом закреплены на основании 29 подпятника 8 со стороны конической (или сферической) поверхности 31, а другим своим концом размещены в отверстиях, выполненных на торце корпуса 17 подпятника 8, содержащего сферическую или торовую поверхность 30, фиксируя его от вращения относительно продольной оси основания 29. Основание 29 подпятника 8 закреплено в корпусе 2 опорного узла с помощью втулок распорных 24.
Кроме того, опорный узел содержит упор-ограничитель 33 содержащий опорную секцию 34, имеющую пяту 35 и подпятник 36, и расположенную на валу 4 симметрично остальным опорным секциям 6, при этом подпятник 36 закреплен в корпусе 2 опорного узла с помощью втулок распорных 37. Пята 35 закреплена на валу 4 без возможности вращения относительно вала 4 и установлена с возможностью передачи усилия от вала 4 на подпятник 36. Пята 35 может передать осевое усилие от вала 4 в противоположном направлении чем остальные пяты 7 опорного узла. Пята 35 может быть установлена на валу 4 с помощью шпонки 20 или шпонок. Для восприятия пятой 35 осевой силы со стороны вала 4 на валу 4 может быть установлено упорное кольцо 38 с упором 39. Упорное кольцо 38 предназначено для восприятия осевой нагрузки, при возникновении таковой, от вала 4 противоположной осевым нагрузкам воспринимаемым упорными кольцами 21 от вала 4. Опорная поверхность 12 пяты 35 твердосплавным покрытием 14 имеет возможность контактировать с твердосплавным покрытием 13 опорной поверхности 9 подпятника 36, образуя пару трения. Упорное кольцо 38 ограничивает перемещение вала 4 в одном направлении вдоль оси опорного узла, а упорное кольцо 21 ограничивает перемещение вала 4 в другом направлении вдоль оси опорного узла. Таким образом все опорные секции 6, 34 и вал 4 находятся зафиксированными в корпусе 2 опорного узла в продольном направлении, при этом основную продольную (осевую) нагрузку воспринимают опорные секции 6. При возникновении обратной осевой нагрузки эту нагрузку воспринимает опорная секция 34. Для циркуляции рабочей жидкости (масла) вокруг опорных секций с целью их охлаждения между упором 39 и пятой 35 может быть установлен переходник 40 с отверстиями 41, и выполнены отверстия 42 в пяте 35. Для обеспечения необходимого зазора или натяга между пятой и подпятником опорной секции 34 может быть установлено одно или несколько компенсационных колец 43.
Кроме того, самоустанавливающиеся сегменты 11 подпятника 8 содержат гидродинамические уклоны 44.
В процессе работы опорного узла осевая нагрузка от вала 4 распределяется между всеми опорными секциями 6. Пята 7 опорной секции 6, установленная на валу 4, например, с помощью шпонки 20 или шпонок, в процессе работы вращается совместно с валом 4, воспринимает осевое усилие от вала посредством упорного кольца 21, упора 22 и передает осевое усилие подпятнику 8. Передача осевых усилий от упоров 22 пятам 7 может проводиться посредством упругих элементов 23. Подпятник 8 выполнен с возможностью восприятия осевой силы со стороны пяты 7 и закреплен корпусе 2 опорного узла. Осевое усилие от пяты воспринимается самоустанавливающимися сегментами 11 подпятника 8. Осевое усилие (осевая сила) от самоустанавливающихся сегментов 11 передается посредством опорных элементов 15 основанию 16 корпуса 17 подпятника 8. Опорные элементы 15 позволяют сегментам 11 самоустанавливаться на основании 16, тем самым создают благоприятные условия восприятия осевой силы. Подпятник 8 закреплен в корпусе 2 с помощью втулок распорных 24. Для устранения зазора между подпятником 8 и втулкой распорной 24 могут быть применены шайбы 26. Подпятники 8 посредством втулок распорных 24 и шайб 26 передает осевое усилие корпусу 2. Радиальные нагрузки от вала 4 воспринимают радиальные подшипники 5. Радиальные подшипники 5 могут быть встроены в основание 1 и головку 3 опорного узла. Опорная поверхность 12 пяты 7 и опорная поверхность 9 подпятника 8, состоящая из опорных поверхностей 10 самоустанавливающихся сегментов 11, содержат твердосплавные покрытия 14 и 13, в частности, из карбида вольфрама со связкой из кобальта или карбида вольфрама со связкой из никеля, при этом опорная поверхность 12 пяты 7 твердосплавным покрытием 14 контактирует с твердосплавным покрытием 13 опорной поверхности 9 подпятника 8, образуя пару трения.
Твердосплавное покрытие на опорные поверхности может наноситься, например, методом сверхзвукового газовоздушного напыления. При этом обеспечивается повышенная адгезия слоя твердого материала к опорным поверхностям за счет диффузии расплавленного сплава в материал опорной поверхности, механического сцепления с неровностями опорной поверхности, химического соединения сплава с материалом опорной поверхности. Это позволяет получить особо прочные твердосплавные покрытия. После нанесения покрытия поверхности трения обрабатываются с шероховатостью, необходимой для поверхностей трения подшипников скольжения. Высокая твердость опорных поверхностей из твердосплавных покрытий увеличивает срок службы пар трения опорного узла, как пяты, так и подпятника, приводит к увеличению грузоподъемности, повышению надежности, снижению себестоимости упорного подшипника и к увеличению межремонтного периода эксплуатации опорного узла, соответственно и установки, в которую установлен опорный узел. Высокая температурная стойкость твердосплавного покрытия по сравнению полимерными, композиционными, металлическими, например, баббитовыми, покрытиями позволяет повысить грузоподъемность и надежность опорного узла особенно при работе их при высоких оборотах вала и при высоких температурах окружающей среды. Высокая теплопроводность твердосплавного покрытия способствует повышенному отводу тепла из зоны трения пар трения, что повышает надежность и долговечность работы опорного узла. Малая толщина твердосплавного покрытия по сравнению с вставками и кольцами из антифрикционных материалов, как карбид кремния и твердые сплавы, позволяет уменьшить стоимость, габариты опорного узла.
Метод сверхзвукового газовоздушного напыления позволяет получить нано структурированные покрытия при использовании нанопорошка исходного материала, например, карбида вольфрама со связкой из кобальта или карбида вольфрама со связкой из никеля. Это позволяет получить сверхпрочные твердосплавные покрытия для пар трения опорного узла.
Толщина твердосплавного покрытия выполняется исходя из применяемого метода нанесения покрытия, из условий работы опорного узла, в первую очередь она зависит от удельной осевой нагрузки на пяту, соответственно и на подпятник, частоты вращения вала, соответственно пяты, и необходимого срока службы опорного узла. В современном машиностроении востребованы упорные подшипники (опорные узлы) способные работать при повышенных температурах окружающей среды, высоких осевых нагрузках и повышенных частотах вращения вала. Например, сегодня возникает необходимость добычи пластовой жидкости с высокой температурой, более 170°C, из глубоких и сверхглубоких скважин, 4000 м и более. Это накладывают на упорные подшипники (опорные секции) устройств для гидравлической защиты погружного электродвигателя все более повышенные требования по надежности и грузоподъемности, требования по восприятию значительных осевых нагрузок при высоких температурах пластовой жидкости. Это особенно актуально для насосных установок с насосами без осевых опор компрессионной схемы исполнения насосов. При необходимости работы при высоких температурах окружающей среды относительно непродолжительное время (1-2 года) и с частотой вращения вала до 3000 об/мин, толщина твердосплавного покрытия на опорных поверхностях пар трения выполняется в пределах 0,1-0,3 мм. При частотах вращения вала до 6000 об/мин при средней
продолжительности работы опорного узла толщина твердосплавного покрытия на опорных поверхностях выполняется в пределах 0,2-0,5 мм. Для высоконагруженных опорных секций опорных узлов с высокой частой вращения вала, более 6000 об/мин., например, для гидравлических защит погружных электродвигателей работающих в высокотемпературной среде для насосных установок без осевой опоры в секциях насосов с компрессионной схемой сборки в зависимости от напора насосной установки, частоты вращения вала насоса, глубины добычи нефти, продолжительного срока службы (5 лет и более) опорного узла толщина твердосплавного покрытия на опорных поверхностях пар трения выполняется в пределах 0,4-1,0 мм и более. Применение того или иного карбида вольфрама со связкой из кобальта или того или иного карбида вольфрама со связкой из никеля определяется наличием компонентов для твердосплавного покрытия и необходимостью получения требуемых характеристик твердосплавного покрытия. Поверхности пар трения могут формироваться и из других твердых сплавов. Это позволяет увеличить грузоподъемность опорного узла, повысить надежность его работы, увеличить межремонтный период и долговечность его работы, путем создания конструкции опорного узла работоспособной при повышенных осевых нагрузках, частотах вращения вала и температуре окружающей рабочей среды.
Упругие элементы 23 пяты 7, закрепленные на валу 4 со стороны противоположной опорной поверхности 12 с твердосплавным покрытием 14, позволяют одновременно во всех опорных секциях обеспечить равномерный контакт опорных поверхностей 12 пят 7 и с опорными поверхностями 9 подпятников 8 и компенсировать зазоры, возникающие при изготовлении опорного узла. Упругие элементы 23 также способствуют более полному прилеганию трущихся поверхностей 12 и 9, соответственно поверхностей 10 самоустанавливающихся сегментов 11, пяты 7 и подпятника 8 в процессе работы. Тем самым создается благоприятные условия для долговечной работы опорного узла за счет равномерного распределения осевой нагрузки по поверхности пяты 7 и подпятника 8, что значительно снижает износ трущихся поверхностей 12 и 9, повышает надежность, долговечность опорного узла, повышает межремонтный период опорного узла.
Выполнение подпятника 8 в виде корпуса 17 с опорной поверхностью 9, контактирующей с пятой 7 образованием пары трения, и сопрягаемого с ним основания 29, где поверхность 30 корпуса 17 подпятника 8 противоположная опорной поверхности 9 выполнена сферической или торовой, а сопрягаемая с ней поверхность 31 основания 29 подпятника 8 выполнена конической или сферической, при работе опорного узла позволяет за счет возможности смещения сферической (или торовой) поверхности 30 корпуса 17 подпятника 8 относительно конической (или сферической) поверхности 31 основания 29 подпятника 8 обеспечить параллельность трущихся поверхностей 12 и 9 пяты 7 и подпятника 8. Это приводит к полному контакту сопрягающихся поверхностей трения 12 и 9, приводит к увеличению поверхности трения, приводит к снижению удельного давления на единицу площади и уменьшению вибраций. Это позволит повысить грузоподъемность, надежность, увеличит межремонтный период и долговечность опорного узла.
Гидродинамические уклоны 44 на опорной поверхности 10 самоустанавливающихся сегментов 11 подпятника 8 при работе опорного узла способствуют вращающейся пяте 8 увлекать рабочую жидкость в клиновой зазор 45 между трущимися поверхностями 12 пяты 7 и поверхностей 10 самоустанавливающихся сегментов 11 подпятника 8. Гидродинамические уклоны 44 при меньших частотах вращения вала 4, соответственно и пяты 7, позволяют созданию условий, при котором между поверхностями трения 12 и 10 появляется устойчивый слой рабочей жидкости, например, масла, воды или газа, полностью разделяющий их. Тем самым способствуют созданию и повышению гидродинамической подъемной силы на пяту 7, снижению износа поверхностей трения опорного узла, повышению грузоподъемности, надежности, долговечности опорного узла, увеличению межремонтного периода опорного узла, соответственно и установки в которую установлен опорный узел.
Выполнение таким образом опорного узла позволяет увеличить грузоподъемность опорного узла, повысить надежность его работы, увеличить межремонтный период и долговечность его работы, путем создания конструкции опорного узла работоспособной при повышенных осевых нагрузках, частотах вращения вала и температуре окружающей рабочей среды.