ОПОРА РОТОРА
ROTOR SUPPORT

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в конструкциях сепараторов, центрифуг и других подобных устройств, содержащих быстровращающийся ротор, и касается конструкции опорного узла и, в частности, его подшипника скольжения, работающего постоянно или временно, например на разгоне и торможении, в условиях граничной смазки.
Известны различные конструкции опор ротора и элементов радиально-упорного подшипника скольжения, содержащие связанную с ротором вращающуюся и связанную с корпусом машины непосредственно или через демпфирующий узел полупары, контактирующие поверхности которых имеют сферическую или близкую к ней форму [1], [2], [3].
В настоящее время большинство трущихся деталей изготавливаются из металлов и их сплавов, однако при трении без смазки или с ограниченной смазкой существуют ограничения на контактные давления и скорости скольжения, связанные с возможностью возникновения высоких локальных давлений и температур, приводящих к "схватыванию" и быстрому износу сопрягаемых поверхностей [1], [2].
Существуют способы исключения контакта поверхностей и их износа путем принудительной подачи в зону трения жидкой или газовой смазки, так называемые гидростатические или газостатические подшипники, однако для многих типов машин, например машин небольших размеров или работающих под вакуумом, такие способы неприменимы.
2
Другим способом исключения контакта поверхностей и их износа на номинальных режимах является нагнетание масла в зону контакта элементами вращающихся полупары и/или других частей ротора, так называемые гидродинамические подшипники [1], [2], [3]. Для этого вращающаяся поверхность профилируется для нагнетания масла в зону контакта. Недостатком такой конструкции является наличие сухого или граничного трения на малых скоростях и при повышенных нагрузках возникающих, например, в резонансных зонах работы машин. Кроме того, создание гидродинамического режима смазки труднореализуемо для небольших ~1 мм контактирующих поверхностей.
Улучшить антифрикционные свойства и износостойкость рассматриваемых опор можно путем применения разнородных по природе материалов пары трения, например, как это предлагается в [3], использовать стальную вращающуюся полупару в сочетании с полупарой из лейкосапфира или рубина. Несмотря на то что прочностные свойства кристаллов существенно превосходят свойства металлов, эффект от их применения менее значительный. Для кристаллов свойственна анизотропия свойств и наличие дефектов кристаллической структуры, поэтому для элементов пар трения, изготовленных из них, даже при незначительных нагрузках свойственно появление достаточно крупных дефектов, приводящих к быстрому износу подшипника, особенно при наличии циклических и ударных нагрузок.
2
4
Известна конструкция радиально-упорного подшипника качения [4], взятая за прототип, в которой в качестве материалов пар трения используются керамические материалы на основе нитрида и карбида кремния с упрочняющей добавкой MgAlO. Основными недостатками данного подшипника являются сложность конструкции, состоящей из множества элементов, которые ограничивают применимость в небольших машинах, и повышенное трение, требующее при высоких частотах вращения больших затрат мощности и вызывающее повышенные температуры.
Кроме того, известна конструкция подшипника скольжения [5], в элементах которой используются керамические материалы, в частности оксиды алюминия и циркония. Этой конструкции свойственны те же недостатки, что и [4].
Устранить эти недостатки возможно применением в конструкциях опор типа [1], [2], [3] керамических материалов, свойства большинства из которых изотропны и для которых отсутствует эффект схватывания при контакте с металлом.
Техническая задача, решаемая настоящим изобретением, состоит в повышении долговечности опоры быстровращающегося ротора с увеличенной осевой и радиальной нагрузками при сохранении простоты конструкции.
Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в повышении несущей способности опоры и связанной с этим ее долговечности.
Технический результат достигается тем, что в опоре типа приведенной на чертеже, одна часть трущейся сферической поверхности 1 подшипника выполнена из металла, другая часть 2 выполнена из керамического материала на основе оксидов алюминия, циркония, карбида и нитрида кремния.
Кроме того, долговечность и антифрикционные свойства опор зависят от состояния трущейся керамической поверхности, определяемого наличием пор и размерами появляющихся при работе дефектов. Эти свойства зависят от размеров частиц керамики и, как правило, не должны превышать 30 мкм. Использование керамики с большими размерами ускоряет абразивное и усталостное изнашивание опор.
Дополнительно керамика содержит игольчатые (нитевидные) формы веществ, упрочняющие матрицу, в частности, керамика на основе оксида алюминия, содержащая 2…40% игольчатых кристаллов карбида кремния.
В таблице 1 приведены результаты испытаний группы машин с разгонами роторов до линейных скоростей вращения наружной поверхности полупары ~20 м/с в масле, опоры с металлическими полупарами испытания не выдерживают.
Таблица 1
Материал полупары
Лейкосапфир
Оксид циркония
Нитрид кремния
Оксид алюминия с игольчатыми кристаллами карбида кремния
% появления дефектов за один цикл испытаний
43
50
10
0
Видно, что наилучшие результаты достигаются при применении керамики на основе оксида алюминия, содержащего игольчатые кристаллы карбида кремния, однако при умеренных нагрузках применимы и имеют преимущества другие виды керамик.
Дополнительно при наличии конструктивных возможностей в полупарах могут выполняться отверстия 3 и профилирование 4 поверхностей для облегчения доступа масла к трущимся поверхностям.
Наибольшие преимущества данная опора имеет при использовании в устройствах, работающих в вакууме, на режимах с граничной смазкой.
Следует понимать, что в описании приведена схема предпочтительного воплощения изобретения и могут быть сделаны изменения и модификации, например ввод в состав керамики незначительных количеств веществ, улучшающих технологию изготовления, которые не являются отступлением от изобретения в его общих чертах.
Источники информации
1. Патент US №3883193, F16C 35/00. Опубл. 13.05.1975.
2. Патент US №3902770, F16C 17/16, F16C 17/04. Опубл. 02.09.1975.
3. Патент РФ №2360154, F16C 17/08, F16C 27/08, F16F 15/023. Опубл. 27.06.2009.
4. Патент US №5575571, F16C 33/56. Опубл. 19.11.1996.
5. Патент US №5102239, F16C 33/04, F16C 19/55. Опубл. 07.04.1992.