Выбор конструкции упорного подшипника скольжения с неподвижными подушками с целью изучения нестационарных характеристик

УДК 621.515

М. Б. Хадиев, Т. В. Максимов, Н. В. Соколов ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ УПОРНОГО ПОДШИПНИКА СКОЛЬЖЕНИЯ

С НЕПОДВИЖНЫМИ ПОДУШКАМИ С ЦЕЛЬЮ ИЗУЧЕНИЯ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

Ключевые слова: компрессор, упорный подшипник, неподвижные подушки, нестационарные характеристики,

помпаж, измерительный узел.

В статье изложена целесообразность применения упорных подшипников скольжения с неподвижными подушками в винтовых и центробежных компрессорах. Приведены достоинства и недостатки, особенности конструкции и эксплуатации подшипников скольжения при различных условиях. Описывается экспериментальный центробежный компрессор, схема испытательного узла и способы снятия показаний с исследуемого масляного слоя.

Key words: compressor thrust bearing, stationary pads, non-steady characteristics, surge, measuring assembly.

Expedience of application of plain thrust bearings with stationary pads in screw and centrifugal compressors is set forth in this paper. Advantages and limitations, details and operations of sliding bearings in various conditions are shows. Test centrifugal compressor, schematic of testing assembly and methods for reading instrument’s indications in the oil film being investigated has been described.

Повышение надежности работы, ресурса эксплуатации и других эксплуатационных характеристик винтовых и центробежных компрессоров является важной задачей последних десятилетий для компрессорной техники [1]. Эти параметры в первую очередь зависят от надежности эксплуатации подшипников и уплотнений. Опыт эксплуатации показывает, что работа подшипников скольжения и уплотнений в значительной мере определяет эксплуатационную надежность компрессора в целом.

Упорный подшипник предназначен для восприятия осевой нагрузки, действующей на ротор, а так же для фиксации ротора относительно корпуса в осевом направлении.

В винтовых компрессорных машинах (ВКМ), центробежных компрессорных машинах (ЦКМ) и быстроходных мультипликаторах широкое распространение находят упорные подшипники с неподвижными подушками. Условия нормальной работы подшипников: марка масла Турбинное 30 ГОСТ 32-74, температура подачи 1о=40...50°С, давление подачи масла po=1.. .1,5 кгс/см2, тонкость фильтрации масла 25 мкм.

Опыт эксплуатации показывает, что работа подшипников скольжения в значительной мере определяет эксплуатационную надежность компрессора в целом. Поэтому одной из главных задач при проектировании винтовых компрессоров является выбор типа подшипников. В настоящее время к подшипниковым опорам предъявляются следующие требования:

1. Подшипники должны иметь ограниченный ряд типоразмеров с целью унификации.

2. Подшипники должны обеспечивать точное фиксирование роторов компрессора относительно корпуса, что необходимо для надежной работы компрессора в целом. Данное требование обусловлено малыми зазорами, как между самими роторами, так и между роторами и корпусом компрессора.

3. Они должны обладать высокой жесткостью смазочного слоя, т.е. при изменении нагрузки в широких пределах смещение роторов должно быть минимальным (на порядок меньше величин между винтами и корпусом).

4. Обеспечить надежную работу компрессора в широком диапазоне изменения частот вращения роторов (2000.20000 об/мин и более).

5. Подшипники должны иметь низкую температуру несущего смазочного слоя с тем, чтобы иметь возможность работать при высоких скоростях скольжения (100...120 м/сек) и малых зазорах. Это возможно в случае организованного отвода тепла из подшипника.

6. Подшипники должны иметь минимальные потери мощности на трение. Это повышает механический к.п.д. компрессорных машин.

Вышеприведенным требованиям отвечают упорные подшипники с неподвижными подушками. Они конструктивно просты, имеют малое количество деталей, допускают пуск и остановку под нагрузкой, имеют малые потери мощности на трение, и низкую температуру смазочного слоя по сравнению с подшипниками с самоустанавливающимися подушками. К положительным качествам этих подшипников следует отнести также возможность повышения жесткости их смазочного слоя уменьшением глубины клинового зазора.

К недостаткам этих подшипников следует отнести изменение характеристик вследствие износа клиновых скосов и трудности получения клиновых скосов малой глубины. Первый недостаток может быть сведен к минимуму применением обильной смазки достаточной чистоты. Снижение шероховатости поверхности пяты до Ка ^ 0,32 также снижает износ рабочей поверхности подшипника. Это объясняется тем, что при снижении высот шероховатостей пята увлекает в смазочный слой частицы только малого размера, которые свободно проходят через минимальный зазор между подушкой и пятой.

Второй недостаток устраняется при изготовлении клиновых скосов механическим путем с помощью специальных приспособлений.

Малые потери мощности на трение в этих подшипниках являются особенно важными в ВКМ, так как в них имеется 4 опорных и 2 упорных подшипника. Поэтому механический к. п. д. винтового компрессора значительно зависти от того, какие подшипники в нем использованы.

Разрушение подшипников обычно происходит при превышении допустимой нагрузки, при отсутствии подачи смазки, при износе в процессе длительной эксплуатации. Поэтому в зависимости от условий эксплуатации подшипник должен быть защищен от разрушения тем или иным образом, так как выход его из строя часто приводит к аварии. Защита может производиться по температуре баббита вблизи максимальной температуры смазочного слоя, по датчику осевого сдвига или одновременно обоими датчиками в зависимости от назначения компрессорной установки. Величина критической температуры, при которой компрессорная установка должна отключаться, определяется в зависимости от нагруженности для каждой машины индивидуально.

В процессе исследования необходимо рассмотреть работу упорных подшипников скольжения с постоянным скосом на переходных (нестационарных) режимах - при пуске компрессора, останове, а также при сильных вибрациях с низкой частотой (помпаж). Необходимо изучить поведение масляного слоя в подшипнике при разной частоте вращения вала, при разной подаче давления масла и при разной осевой нагрузке.

Работа при переходных режимах мало изучена, требует четкого понимания гидродинамики процесса для повышения надежности и увеличения ресурса работы подшипников.

При эксперименте используется конструкция и некоторые размеры существующего ряда упорных подшипников скольжения, применяемых в ОАО «Казанькомпрессормаш» и ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа» и входящих в СТП предприятий [2]. Конструкция данного подшипника представлена на рисунках 1 и 2.

Упорный подшипник с неподвижными подушками состоит из кольцевого подпятника

1, корпуса 2, пяты 3. На рабочей поверхности подпятника имеются радиальные каналы 4 для подвода смазки к неподвижным подушкам 5. Рабочие поверхности подушек совместно с пятой 3 образуют сужающийся по направлению вращения пяты зазор 6, который заполняется смазкой, поступающей из каналов 4.

Рис. 1 - Конструкция упорного подшипника, входящего в СТП предприятий ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б.Шнеппа» и ОАО «Казанькомпрессормаш»: 1 -

подпятник, 2 - корпус, 3 - пята, 4 - каналы, 5 - неподвижные подушки, 6 - сужающийся зазор, 7 - коническая шайба, 8 - сферическая гайка, 9, 10 - штифты

Рис. 2 - Упорный подшипник и направление вращения

При вращении пяты масло из каналов увлекается в зазор 6, где возникает гидродинамическое давление [5]. Осевая сила Р при этом уравновешивается суммарным значением сил, возникающих от гидродинамического давления. Пята 3 на роторе компрессора закрепляется с помощью конической шайбы 7 и сферической гайки 8. Применение такого вида крепления позволяет на порядок снизить биение торцовой рабочей поверхности пяты по сравнению с простым креплением типа «плоская шайба-гайка». При применении нового крепления в подшипнике биение на наружном диаметре снижается с 0,06 мм до 0,006 мм. Кроме того, пята может быть изготовлена независимо от ротора, и легко достигается шероховатость поверхности Ка < 0,32 притиркой [3,4].

Штифт 9 фиксирует пяту 3 от проворачивания в угловом направлении. Подпятник 1 от проворачивания в корпусе 2 удерживается штифтом 10. Подпятник изготавливается из стали 20 и рабочая поверхность его заливается баббитом Б-83. Пята из стали 20 с цементацией и последующей закалкой рабочей поверхности до твердости ИЯС 5 5... 60 ед [3,4]. Шероховатость рабочей поверхности должна быть Ка<0,32. Корпус может изготавливаться из конструкционных сталей любых марок. Особое внимание должно быть обращено на сферическую поверхность корпуса. Она является опорой для подпятника и должна быть обеспечена хорошая прилегаемость сопрягаемых деталей (75%).

Подшипники являются односторонними по направлению прикладываемой нагрузки и имеют определенное направление вращения. Для фиксации ротора в противоположном направлении основной нагрузке следует пользоваться жесткими подпятниками, совмещенными с опорными подпятниками.

Стенд для испытания упорных подшипников скольжения установлен на кафедре КМУ Казанского национального исследовательского технологического университета КНИТУ (рис. 3). Представляет собой установку, включающую в себя корпус со встроенной повышающей зубчатой передачей и расположенной консольносменной центробежной малорасходной ступенью с одноярусной решеткой профилей, безлопаточный диффузор, кольцевую сборную камеру прямоугольного сечения и отводящий трубопровод, а также электропривод.

Рис. 3 - Схема стенда для испытания упорных подшипников скольжения

Опора - мультипликатор, одноступенчатый, с эвольвентным зацеплением. Служит для повышения оборотов ротора ступени и имеет передаточное отношение 1=8,4209. В подшипниках опоры-мультипликатора вращается ротор ступени (ротор-шестерня), который имеет 2 подшипника скольжения (опорный и опорно-упорный). Первичный вал - два радиальных шариковых подшипника легкой серии диаметров 2, узкой серии ширин 0 (подшипник 212 ГОСТ 8338-75). Рабочая температура подшипника качения 30.110 0С. Смазка подшипников принудительная.

Общее количество подшипников в корпусе компрессора - 5. Из них два опорных многоклиновых подшипника скольжения и один упорный многоклиновой на быстроходном роторе, который и является объектом исследования.

Стенд оснащен системой трубопроводов:

1. газовая служит для подвода воздуха к ступени, отвода;

2. масляная служит для подвода масла к подшипникам скольжения стенда и сливе масла в маслобак;

3. система подачи воздуха в щелевое уплотнение служит для предотвращения попадания масла в лабиринтные уплотнения и в ступень. В качестве запорного газа применяется воздух. Воздух с линии нагнетания также используется для увеличения и регулирования осевой нагрузки на исследуемый упорный подшипник скольжения путем перетекания воздуха через щелевое уплотнение в сторону всасывания компрессора.

В качестве привода стенда используется электродвигатель постоянного тока с номинальной мощностью 55 кВт и максимальной частотой вращения 1500 об/мин, что позволяет изменять крутящий момент на валу привода и, соответственно, вала-шестерни.

Система автоматики обеспечивает контроль за параметрами и аварийную остановку стенда при превышении заданных величин определенных параметров. Защита осуществляется по давлению масла в напорном коллекторе (не менее 0,8 кгс/см2), по температуре в подшипниках мультипликатора и опоры (не более 1000С) и по вибрации (не более 75 мкм).

Рис. 4 - Узел для испытания упорного подшипника скольжения с неподвижными подушками: 1 - корпус подшипника, 2 - подшипник, 3 - неподвижные подушки, 4 -гребень упорный, 5 - коническая шайба, 6 - сферическая гайка, 7 - шпонка, 8 - штуцер подачи масла, 9 - опорный многоклиновой подшипник скольжения, 10 - материнская плата, 11 - медные трубки подачи масла в гидроцилиндр

Узел для испытания состоит из двухстороннего упорного подшипника скольжения, системы смазки и системы измерения (рис. 4). Упорный гребень составной, состоит из двух дисков, скрепленный по окружности кольцом. Во внутренней полости расположена материнская плата, к которой подключены провода от датчиков давления. Крутящий момент от вала-шестерни передается через шпонку. Вдоль вала идет отходящий от мат. платы контрольный провод, подключенный на торце вала-шестерни к токосъемнику.

Подшипники плавающие, с внутренней торцовой поверхности поджимающие гидроцилиндр. Гидроцилиндр представляет собой замкнутую полость, заполненную маслом; предназначен для измерения осевого усилия. В упорных подшипниках расположены разъемные отверстия под термопары и датчики давления. Масло под давлением подается через штуцера; расход регулируется внешне расходомерным устройством.

В процессе эксперимента замеряются значения следующих величин: температура смазки на подводе и сливе из подшипника, расход смазки, распределение температуры в смазочном слое, толщина смазочного слоя, распределение давления смазочном слое, частота вращения ротора, осевая нагрузка посредством измерения давления в гидроцилиндре и давление подачи масла. Распределение давления в подшипнике замеряется в трех разных последовательно расположенных подушках в точках на выходе из подушек через равные отрезки на разных диаметрах, а с вращающегося упорного гребня - также в трех точках, расположенных симметрично относительно близ лежащего подшипника. Снятия измерений с вращающейся части подшипника происходит через бесконтактный токосъемник, расположенный консольно на вращающемся валу. Все измерения выводятся на компьютер и заносятся в память жесткого диска. При этом в процессе эксперимента изменяется частота вращения ротора посредством электродвигателя постоянного тока, осевая нагрузка -изменением давления на всасывании и подачей воздуха в щелевые уплотнения, также изменяется давление подачи масла в подшипник.

Предполагается разработать новую методику расчета с использованием энергетических уравнений, изучение гидродинамики процесса для повышения надежности, усовершенствования конструкции и ресурса работы. Так же предполагается испытание, изучение и подбор улучшенных масел при переходных процессах.

Изучение переходных процессов работы упорных подшипников скольжения поможет решить проблему увеличения ресурса работы при пуске и останове существующих моделей подшипников, что значительно увеличит надежность работы и улучшит конструкцию при разработке будущих моделей подшипников центробежных и винтовых компрессоров высокого давления.

Литература

1. Максимов, В.А. Компрессорное и холодильное машиностроение на современном этапе./ В.А. Максимов, А. А. Мифтахов, И.Г. Хисамеев // Вестник Казан. технол. ун-та-1998. - №1. - С.104-113.

2. Максимов, В.А. Разработка и утверждение СТП «Упорные подшипники винтовых компрессоров. Типы, основные параметры и размеры»./ В.А. Максимов, М.Б. Хадиев, Л.С. Юхневич //Технический отчет № 1214-78. СКБ по компрессоростроению, г. Казань, 1978.-65 с.

3. Хадиев, М.Б. Изготовление подпятников с плоско-клиновой рабочей поверхностью./ М.Б. Хадиев, В.А. Максимов //Информационный листок № 375-74 Татарского ЦНТИ,1978.-35с.

4. Хадиев, М.Б. Расчет подпятников с плоско-клиновой рабочей поверхностью для винтовых компрессорных машин. / М.Б. Хадиев, В.А. Максимов //Тез. докл. IV Всес. науч.-технич. конф. по компрессоростроению. - Сумы, 1974. - 215 с.

5. Хадиев, М.Б. Гидродинамический расчет подпятников с плоско-клиновой рабочей поверхностью/ М.Б. Хадиев, В.А. Максимов //Вестник машиностроения. - 1977. - №1. - 42 с.

© М. Б. Хадиев - д-р техн. наук, проф. каф. компрессорных машин и установок КНИТУ, cmu@inbox.ru; Т. В. Максимов - препод. той же кафедры; Н. В. Соколов - инж.-конструктор III кат. ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа», niitk@kazan.ru.