ГАЗОСТАТИЧЕСКИЙ ПОДШИПНИК СО СТРУЙНЫМ РЕГУЛЯТОРОМ ПОЛОЖЕНИЯ ВАЛА
GAS BEARING WITH SHAFT POSITION JET REGULATOR

Изобретение относится к машиностроению, а именно к газостатическим опорам скольжения, и может быть использовано в устройствах с вращающимися валами, и в частности в турбоустановках общепромышленного назначения, в газовой промышленности, энергоустановках, компрессорах, станкостроении, а также в аэрокосмической отрасли.
Известен "Газостатический подшипник", патент США №7066652, кл. F16C 32/06, 2007. Это шпиндельное устройство, в котором бесконтактное положение вала в опорах корпуса обеспечивается подачей газа под давлением извне к кольцевым вкладышам, с имеющимися в них организованной системой дросселей для стабилизации положения вала в радиальном и осевом направлениях.
Основным недостатком данного устройства является невысокий диапазон работы системы при изменении давления газа или внешних возмущений на шпиндель.
Известен "Газостатический подшипник", патент РФ №26092 на полезную модель, кл. F16C 32/06, 2002, в котором управление положением вала в опорах подшипника при действии внешних возмущений возлагается на пневматический струйный регулятор.
В состав регулятора входят пневматические датчики положения вала, связанные трубопроводами с соответствующими входами управления струйных блоков, выходы которых соединены с соответствующими каналами, обеспечивающими подачу воздуха в циркуляционный зазор между валом и корпусом газостатического подшипника.
Недостатком данного струйного регулятора является его невысокий кпд из-за больших потерь давления и расхода воздуха на его выходе, что приводит к необходимости увеличения размеров каналов струйных элементов с соответствующим увеличением их габаритов, а также потребного расхода воздуха от источника питания.
Известен также «Газостатический радиально-опорный подшипник с регулятором положения вала», патент РФ №2347961, 2009 (прототип), содержащий корпус и вал, между которыми имеется циркуляционный зазор, трубопроводы подачи воздуха в соответствующие зоны циркуляционного зазора, диаметрально противолежащие относительно вала по двум перпендикулярным осям индикаторные сопла, выполняющие роль датчиков положения вала, струйный регулятор, содержащий четыре мембранных клапана и два струйных блока, каждый из которых имеет два канала управления, два выходных канала и вентиляционные каналы, открытые в атмосферу, при этом каналы управления соединены с соответствующими им датчиками положения вала, а выходные каналы - с соответствующими мембранными клапанами, причем каждый мембранный клапан имеет с одной стороны мембраны глухую камеру, соединенную трубопроводом с выходным каналом соответствующего струйного блока, а с другой стороны мембраны - камеру, открытую в атмосферу и имеющую сопло, выходной канал которого подключен к источнику питания сжатым воздухом и к соответствующему трубопроводу подачи воздуха в соответствующую зону циркуляционного зазора. При работе струйные блоки по сигналам от датчиков положения вала вырабатывают пневматические команды, поступающие в мембранные клапаны, которые регулируют подачу воздуха в соответствующие зоны циркуляционного зазора.
Недостатками известного регулятора являются непроизводительные потери воздуха из-за частичного сброса его в атмосферу при регулировании, невысокое быстродействие из-за больших габаритов и наличия трубопроводов, соединяющих входы и выходы струйных регуляторов с датчиками положения вала и каналами подачи воздуха в циркуляционный зазор подшипника. Эти недостатки особенно заметны при одинаковых условных диаметрах проходных сечений известного регулятора и предлагаемого технического решения.
Задачей изобретения является достижение энергосберегающего режима работы, снижение габаритов, повышение быстродействия.
Это достигается тем, что в газостатическом подшипнике со струйным регулятором положения вала, содержащем корпус, установленный на валу с циркуляционным зазором, разделенным на зоны, подключенные к соответствующим каналам подвода воздуха, выполненным в корпусе, датчики положения вала, струйные регуляторы, каждый из которых содержит струйный блок, имеющий вентиляционные каналы, выходной канал, два канала управления, соединенных с каналами управления струйного регулятора, один из которых подключен к соответствующему датчику положения вала, и мембранный клапан, имеющий с одной стороны мембраны глухую камеру, соединенную с выходным каналом струйного блока, а с другой стороны мембраны - камеру с соплом, выходной канал которого подключен к выходу регулятора, присоединенного к каналу подвода воздуха в соответствующую зону циркуляционного зазора, согласно изобретению - циркуляционный зазор разделен на, по меньшей мере, три зоны, по числу струйных регуляторов и датчиков положения вала, второй канал управления каждого струйного регулятора подключен к дополнительно введенному, по числу датчиков положения вала, соответствующему задающему устройству, вентиляционные каналы каждого струйного блока соединены с выходными каналами сопел соответствующих мембранных клапанов, а их камеры с соплами соединены дополнительно с источником питания сжатым воздухом. В мембранном клапане мембрана снабжена заделкой и заслонкой, жестко прикрепленной к центру мембраны и имеющей диаметр больше диаметра сопла.
Перечисленные выше признаки являются новыми и существенными, так как они в совокупности неизвестны из патентной и научно-технической документации и достаточны для того, чтобы достичь положительного эффекта, а именно: энергосберегающий режим работы, малые габариты, отсутствие внешней разводки трубопроводов, повышение быстродействия.
Энергосберегающий режим работы достигается путем изменения конструкции струйного регулятора за счет соединения вентиляционных каналов струйного блока с выходным каналом сопла мембранного клапана и подключением соответствующей камеры клапана к источнику питания. Благодаря этому воздух в мембранном клапане не сбрасывается в атмосферу как в прототипе, а подается через сопло мембраны и выходной канал регулятора в соответствующую зону подшипника. Кроме того, при соответствующей настройке зазора f задающего устройства, в нейтральном положении вала подшипника или в режиме с зоной нечувствительности, мембранные клапаны всех регуляторов закрыты и расход воздуха минимизирован, а в случае смещения вала от нейтрального положения или отклонениях вала больше зоны нечувствительности открываются только соответствующие мембранные клапаны при закрытых всех остальных.
Предлагаемая конструкция струйного регулятора позволила для отслеживания зазора h между валом и подшипником использовать иной, чем в прототипе, принцип, а именно: сравнение значений датчика положения вала с задатчиком. Благодаря этому стал возможен платный монтаж, что позволило уменьшить габариты изделия и повысить быстродействие за счет отсутствия внешних трубопроводов, жиклеров и паразитных объемов в цепи подачи воздуха от регулятора в соответствующую зону циркуляционного зазора подшипника, а также применения более быстродействующего мембранного клапана.
Минимальное количество зон (три) определяются возможностями центрирования вала в корпусе подшипника. Максимальное количество зон определяется оптимальным сочетанием качества регулирования, количеством аппаратурных затрат и конструктивными особенностями конкретного объекта регулирования.
Проведены необходимые расчеты и собрана лабораторная схема струйного блока. Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критериям «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость»
На фиг.1 показан поперечный разрез газостатического подшипника и его взаимодействие со струйными регуляторами.
На фиг.2 - принципиальная схема струйного регулятора.
На фиг.3 - варианты исполнения мембранного клапана.
На фиг.4 - статические характеристики струйного блока.
На фиг.5 - статические характеристики струйного регулятора.
На фиг.6 - габаритный чертеж струйного регулятора.
Газостатический подшипник со струйным регулятором положения вала (см. фиг 1, 2, 3) содержит корпус 1, расположенный на валу 2, между которыми имеется циркуляционный зазор 3. Циркуляционный зазор 3 за счет, например, проточек, выполненных в корпусе 1, разделен на несколько зон 4 (например, на пять). Каждая зона 4 подключена к выполненному в корпусе 1 каналу 5 подвода воздуха и имеет автономный для каждой зоны пневматический датчик 6 положения вала и автономный струйный регулятор 7, который устанавливается методом платного монтажа на корпусе 1 в непосредственной близости от соответствующей зоны. Таким образом, количество струйных регуляторов равно количеству зон, на которые разделен циркуляционный зазор. Датчик 6 положения вала содержит сопло 8 и заслонку, функцию которой выполняет вал 2. Датчик 6 положения вала контролирует зазор h между соплом 8 и валом 2. Через зазор h сопло 8 соединяется с окружающей средой. Струйный регулятор 7 содержит струйный блок 9 и мембранный клапан 10. Канал питания 11 струйного блока 9 подключен к источнику питания сжатым воздухом 12, два его канала 13 и 14 управления, подключенные через дроссели настройки 15 и 16 к источнику питания 12, соединены с каналами 17 и 18 управления струйного регулятора соответственно. Канал 17 управления струйного регулятора подключен к датчику 6 положения вала. Струйный блок 9 имеет также вентиляционные каналы 19 и 20 и выходные каналы 21 и 22. Мембранный клапан 10 содержит мембрану 23, с одной стороны которой имеется глухая камера 24, соединенная с выходным каналом 21 струйного блока 9, а с другой стороны мембраны - камера 25 с соплом 26, выходной канал 27 которого подключен к выходу 28 струйного регулятора 7. Выход 28 подсоединен к каналу 5 подвода воздуха в соответствующую зону 4 циркуляционного зазора. Другой канал 18 управления струйного регулятора 7 подключен к задающему устройству 29, содержащему сопло 30 и заслонку 31, между которыми установлен зазор f, через который сопло 30 соединяется с окружающей средой. Выходной канал 22 и вентиляционные каналы 19 и 20 струйного блока каналом 32 соединены с выходным каналом 27 сопла 26 мембранного клапана. Камера 25 мембранного клапана 10 подключена к источнику 12 питания сжатым воздухом. В мембранном клапане 10 мембрана 23 имеет заделку, позволяющую вмонтировать мембрану в корпус мембранного клапана 10, и заслонку 33, жестко прикрепленную к центру мембраны 23, благодаря чему заслонка 33 получает возможность самоустанавливаться относительно сопла 26 для герметичного его закрытия, компенсируя таким образом погрешности изготовления, причем диаметр заслонки больше диаметра сопла.
ц
з
c
з
c
Величины и соотношения диаметров: d - диаметр заслонки, d - диаметр заделки мембраны и d - диаметр сопла выбираются в зависимости от конкретных требований к мембранному клапану. На фиг.3 показаны варианты выполнения мембранного клапана в зависимости от соотношения диаметров d заделки мембраны и d сопла. При этом, если:
з
c
П
d>d сила на мембрану от давления Р питания направлена влево, т.е. на открытие сопла (фиг.3а);
з
c
П
d<d сила на мембрану от давления Р питания направлена вправо, т.е.
на закрытие сопла (фиг.3б);
з
c
П
d=d сила на мембрану от давления Р питания равна нулю (фиг.3в).
з
c
Рассмотрим работу предлагаемого устройства на примере одного автономного струйного регулятора и при условии d=d (остальные регуляторы при совместной работе функционируют аналогично).
y
з
c
з
c
При равенстве давлений в камерах 24 и 25 мембранного клапана 10 между заслонкой 33 и соплом 26 устанавливается заранее отрегулированный зазор 34. Величина этого зазора δ, определяющая условный проходной диаметр d регулятора, зависит от выбранных геометрических параметров мембранного клапана, характеристики мембраны и располагаемого минимального перепада давления на ней от струйного блока. При условии, что сила на мембрану от давления питания отсутствует (т.к. d=d) на нее в процессе работы действуют следующие силы: со стороны глухой камеры 24 сила от давления с выхода 21 струйного блока 9 на площадь мембраны диаметра d, а с противоположной стороны мембраны, т.е. со стороны камеры 25 - сила от давления в выходном канале 27 сопла 26 на диаметре d сопла. Так как вентиляционные каналы 19 и 20 струйного блока 9 каналом 32 соединены с выходным каналом 27 сопла 26, давления в них всегда равны давлению в выходном канале 27. Таким образом, струйный блок работает на перепаде между давлением питания и давлением в выходном канале 27 и, следовательно, мембрана 23 в процессе работы всегда находится под управляющим перепадом давления струйного блока, т.е. под перепадом между давлением на его выходе 21 и давлением в его вентиляционных каналах 19 и 20. В процессе работы этот перепад может меняться от нулевого до максимально возможного значения, например, в режиме насыщения.
21
14
13
21
21
На фиг.4 изображена статическая характеристика струйного блока, т.е. изменение давления P на выходе 21 в зависимости от перепада давлений в каналах 13 и 14 управления струйного блока. Например, при постоянном давлении P в канале 14 управления, которое определяется задающим устройством 29, и увеличении при этом давления Р в канале13 управления, которое зависит от зазора h датчика 6 положения, давление P на выходе 21 уменьшается. При уменьшении же давления в канале управления 13 при тех же условиях давление P на выходе 21 увеличивается.
При подаче давления питания от источника 12 на струйный блок и в камеру 25 мембранного клапана 10 в каналах 13 и 14 управления струйного блока устанавливается перепад давлений, определяемый соотношением величин зазора f задающего устройства 29 и зазора h датчика 6 положения вала. Так при заданном зазоре f уменьшение зазора h между корпусом 1 и валом 2 приводит к увеличению давления в канале управления 13 струйного блока 9 и, следовательно, к уменьшению давления на его выходе 21. При этом заслонка 33 отходит от сопла 26, увеличивая зазор 34, а следовательно, и площадь F проходного сечения мембранного клапана. Давление на выходе 28 регулятора, а следовательно, и в соответствующей зоне 4 подшипника увеличивается, компенсируя возмущение, приведшее к уменьшению зазора h. Если при заданном зазоре f зазор h между корпусом 1 и валом 2 увеличивается, то давление в канале управления 13 струйного блока 9 уменьшается, и давление на его выходе 21 увеличивается. При этом заслонка 33 приближается к соплу 26, уменьшая зазор 34, а следовательно, и площадь F проходного сечения мембранного клапана. Давление на выходе 28 регулятора и в соответствующей зоне 4 подшипника уменьшается, компенсируя возмущение, приведшее к увеличению зазора h газостатического подшипника.
21
Установкой величины зазора f задающего устройства 29 возможно настраивать статистические характеристики как струйного блока, так и регулятора в целом. На фиг.5 изображены статические характеристики струйного блока, т.е. изменение давления P (верхний график) и соответствующие им характеристики регулятора, т.е. изменение площади F проходного сечения мембранного клапана (нижний график), приведенные к величине зазора h между корпусом 1 и валом 2 при различных значениях f задающего устройства 29.
1
21
м
1
ном
ном
21
м
ном
ном
21
м
На фиг. 5а эти характеристики изображены при установке зазоре f=f, при котором давление P достигает значения Р - давления открытия мембранного клапана при зазоре h=h, т.е. при нейтральном положении вала. В этом случае при значениях зазора h, меньших h, и, следовательно, давлениях P, меньших давления Р, площадь F мембранного клапана 9 открывается и увеличивается пропорционально отклонению (h-h) и все больший расход воздуха поступает в соответствующую зону 4 подшипника. При значениях зазора h, больших h, и, следовательно, давлениях P, больших давления Р, мембранный клапан 10 закрыт и расход воздуха в соответствующую зону 4 подшипника отсутствует. На фиг. 5б и 5в эти характеристики изображены пунктирными линиями.
2
1
21
м
2
ном
н
н
ном
2
На фиг. 5б изображены характеристики при зазоре f<f, при котором давление P достигает значения Р - давления открытия мембранного клапана при зазоре h<h. В этом случае характеристика регулятора имеет зону нечувствительности Δh, равную Δh=±(h-h), и еще более экономичный режим работы, если при этом соблюдается качество процесса регулирования, например нет касания валом корпуса подшипника.
3
1
21
м
3
ном
ном
21
м2
м
1
На фиг. 5в изображены характеристики при настройке зазора f>f, при котором давление P достигает значения Р - давления открытия мембранного клапана уже при зазоре h>h. В этом случае при зазоре h=h давление P равно давлению P<Р и мембранный клапан уже открыт на соответствующую величину F и расход воздуха поступает в соответствующую зону 4 подшипника. Такая настройка регулятора может оказаться полезной, например, при компенсации возмущений в направлении их преимущественного приложения, например массы вала в направлении вектора земного притяжения, полезной нагрузки на вал в направлении ее приложения и т.д.
c
y
Отличительные особенности конструктивных решений предлагаемого изобретения позволяют иметь большие проходные сечения при относительно небольших габаритах регулятора и малых ходах мембраны. Например, при диаметре сопла мембранного клапана d=28 мм и ходе мембраны h=0,2 мм условный диаметр проходного сечения регулятора равен d=5 мм.
Принципиальным достоинством регулятора является энергосберегающий режим работы, т.к. в нейтральном положении вала все мембранные клапаны закрыты, а в случае отклонения вала от нейтрали открывается только соответствующий клапан при закрытых всех остальных.
Платный монтаж регулятора обеспечивает отсутствие внешних трубопроводов, паразитных объемов и, как следствие, меньшие габариты и высокое быстродействие.
Автономность регуляторов обеспечивает оптимальное качество регулирования конкретного объекта, выполнение взаимной страховки регуляторов, а также возможность иметь как четное, так и нечетное количество зон воздействия регуляторов на объект.
Предлагаемое устройство на струйных элементах без подвижных деталей обеспечивает известные преимущества струйной техники, а именно высокие показатели надежности и работоспособность в тяжелых условиях эксплуатации (широкий диапазон давлений и температур, вибрации, перегрузки, ударные, радиационные и магнитные воздействия).