УЗЕЛ КРЕПЛЕНИЯ ОХВАТЫВАЮЩЕЙ ДЕТАЛИ К ВАЛУ

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована для крепления на валу рабочих колес центробежных длительно или непрерывно работающих насосов, к которым предъявляются высокие требования по вибрации и надежности работы, например, нефтяных магистральных насосов.
Для уменьшения вероятности смещения центра масс деталей ротора относительно оси вращения вала в пределах реального зазора между ступицей и валом применяют нагрев колеса и посадку его на вал с натягом, что в ряде случаев затруднительно, так как колесо является массивной деталью и монтаж нагретого колеса небезопасен для обслуживающего персонала.
К тому же, демонтаж колеса, установленного с натягом, так же представляется затруднительным, так как на колесе необходимо предусматривать специальные захваты, съемники и т.д., и кроме того при демонтаже повреждается поверхность вала и поверхность отверстия ступицы.
Ну и главным недостатком этого способа посадки колес на вал с натягом является то, что натяг по внутреннему диаметру растягивает посадочное отверстие в ступице колеса, что может привести к трещинам в ступице и разрыву колеса, которое к тому же является весьма сложной и дорогостоящей деталью.
Аналогичный недостаток имеется в известных конструкциях насосов, где установка колеса обеспечивается за счет натяга при выполнении в отверстии ступицы колеса конического отверстия и конического участка на валу насоса [П.И. Орлов «Основы конструирования», Справочно-методическое пособие, в 2-х кн., книга 2, стр. 290, рис. 631 «а», под ред. Н.П. Учаева, М., Машиностроение, 1988].
Известна также конструкция узла крепления охватывающей детали (рабочего колеса центробежного насоса) на валу, в которой между отверстием в ступице колеса и валом установлен разжимной элемент, обеспечивающий за счет стягивания деталей этого элемента создание усилия, растягивающего ступицу, что, как указано выше, также усиливает вероятность появления трещины в колесе [патент РФ №2484305 «Магистральный нефтяной электронасосный агрегат и способ улучшения характеристик агрегата, МПК F04D 13/00, F04D 29/62].
Другим недостатком известной конструкции является ее сложность из-за наличия большого количества деталей: винтов, колец и других необходимых для создания натяга между отверстием в колесе и валом элементов. Еще одним важным недостатком является необходимость дополнительного (по сравнению с диаметром вала) увеличения диаметра ступицы, что требует увеличения толщины стенки ступицы, так и увеличения диаметра ступицы, что повышает гидравлическое сопротивление проточной части центробежного насоса. Последнее обстоятельство ухудшает прочностные свойства рабочего колеса, его гидравлические и массовые характеристики, а в целом снижает надежность узла крепления детали (рабочего колеса центробежного насоса) к валу.
В качестве прототипа выбрана конструкция узла крепления охватывающей детали (внутреннего кольца подшипника качения) к валу с помощью разрезной закрепительной втулки с конической наружной и цилиндрической внутренней поверхностями [П.И. Орлов «Основы конструирования», справочно-методическое пособие, в 2-х кн., книга 2, издание третье исправленное. Под редакцией канд. технич. наук. Н.П. Учаева, М., Машиностроение, 1988, рис. 764 «а»].
Подшипник затягивают на втулке гайкой, благодаря чему создается необходимый натяг между внутренней поверхностью подшипника, с одной стороны и закрепленной втулкой и валом - с другой.
Как отмечено в вышеуказанной книге (см. стр. 419): «подшипники этого типа имеют следующие недостатки - возможна перетяжка подшипника, вызывающая уменьшение зазора между телами качения и обоймами, сильная перетяжка может привести к заклиниванию тел качения; …
подшипники не могут выдерживать сколько-нибудь значительные осевые силы, направленные в сторону большего диаметра конуса, поскольку они вызывают защемление тел качения».
Все это в целом снижает надежность работы узла охватывающей вал детали.
Задачей полезной модели является повышение надежности работы узла крепления охватывающей детали к валу.
Поставленная задача решена тем, что в узле крепления охватывающей детали к валу, содержащем вал, охватывающую вал деталь со ступицей и центральным отверстием, а также элемент крепления ступицы на валу, согласно полезной модели, центральное отверстие ступицы детали выполнено с диаметром больше наружного диаметра вала, при этом на торце ступицы за одно целое с ней выполнен кольцевой выступ, охватывающий вал с зазором, а элемент крепления ступицы на валу выполнен в виде установленного на валу по скользящей посадке кольца с разрезом и охватывающего его цельного кольца, установленного с натягом одновременно на выступе и кольце с разрезом.
Для снижения трудоемкости сборки и демонтажа узла, повышающих надежность работы последнего, в нем наружный диаметр кольцевого выступа выполнен больше наружного диаметра кольца с разрезом, а отверстие цельного кольца выполнено ступенчатым.
С целью большего повышения надежности работы узла за счет обеспечения легкого и без повреждений монтажа и демонтажа его элементов (что особенно важно для такого сложного и дорогостоящего элемента, как вал), на наружной поверхности цельного кольца выполнена резьба для установки съемника.
Полезная модель иллюстрирована чертежами:
Фиг. 1 - продольный разрез узла крепления охватывающей детали (рабочего колеса) к валу (валу центробежного насоса); Фиг. 2 - схема монтажа/демонтажа узла; Фиг. 3 - разрез А-А на Фиг. 1.
Перечень позиций и обозначений на чертежах:
1 - ступица колеса;
2 - центральное отверстие;
3 - вал;
4 - кольцевой выступ;
5, 6 - цилиндрические поверхности выступа;
7 - кольцо с разрезом;
8 - сквозной разрез;
9 - наружная поверхность кольца с разрезом;
10 - цельное кольцо;
11 - резьба;
Z - диаметральный зазор;
1
2
L, L - величины сдвига цельного кольца с цилиндрическим и ступенчатым отверстием, соответственно;
1
2
T, Т - торцы ступицы.
1
1
Узел крепления охватывающей детали (рабочего колеса насоса) к валу (валу центробежного насоса) содержит ступицу 1 рабочего колеса насоса с выполненным в нем центральным отверстием 2, внутри которого с малым диаметральным зазором Z установлен вал 3 центробежного насоса. На торце T ступицы 1 заодно целое с ней выполнен кольцевой выступ 4, как это показано на Фиг 1. Выступ на торце T образован двумя цилиндрическими поверхностями: поверхностью 5, обращенной к валу, и наружной поверхностью 6.
1
На валу 3, примыкая к торцу T кольцевого выступа 4 по скользящей посадке (H/h), то есть посадке с зазором от нуля до 0,05 мм установлено кольцо 7 с разрезом 8, благодаря которому кольцо 7 можно без усилий перемещать вдоль вала 3. Наличие разреза 8 существенно снижает необходимое для сжатия кольца 7 усилие.
На наружной поверхности 9 разрезного кольца 7 с натягом установлено цельное кольцо 10, выполненное с такой шириной, чтобы оно могло охватить одновременно и наружную поверхность 6 кольцевого выступа 4.
Под воздействием натяга от кольца 10 кольцо 7 прижимается к валу 3, образуя жесткую, без зазора связь: «вал - кольцо с разрезом - цельное кольцо - кольцевой выступ - ступица», обеспечивая центрирование ступицы 1 на валу 3. При этом кольцо 7 может быть выполнено из стали, алюминия или другого материала (необязательно упругого материала), только не мягкого (типа резины или пластмассы).
2
На Фиг. 1 показан также один из возможных вариантов выполнения выступа - ступенчатый выступ, расположенный на торце Т.
1
2
Если отверстие 2 в ступице 1 выполнено относительно длинным (например, более диаметра отверстия 2), то для повышения надежности крепления охватывающей детали на валу 3 и предотвращения ее перекоса в пределах зазора между ступицей 1 и валом 3, выступы 4 могут быть выполнены на обоих торцах (T и Т) охватывающей детали (рабочего колеса насоса).
2
1
Если наружная поверхность разрезного кольца 7 будет выполнена с меньшим диаметром, чем наружная поверхность кольцевого выступа (вариант кольца 10 со ступенчатым отверстием - изображена справа на Фиг. 1), то это существенно упростит демонтаж цельного кольца 10 (для чего на его резьбу 11 навинчивается специальный съемник, который на разрезе не показан) - так как для сдвига цельного кольца достаточно его переместить вправо на величину ширины кольцевого выступа L вместо L - для случая, когда диаметры кольцевого выступа и кольца с разрезом равны (см. Фиг. 2).
Резьба 11 выполняется на наружной поверхности кольца 10 для демонтажа, когда путем навинчивания съемника можно сдвинуть кольцо с наружной поверхности кольцевого выступа 4 и кольца 7 с разрезом 8.
Для монтажа ступицы 1 охватывающей детали на валу 3 кольцо 10 нагревают до 100…150°С (эта деталь в тысячи раз меньше по массе и в разы меньше по габаритам, чем рабочее колесо) и устанавливают на наружной поверхности 6 выступа 4 и наружной поверхности 9 разрезного кольца 7. После остывания кольцо 10 сжимается, охватывая с натягом выступ 4 и разрезное кольцо 7, прижимая последнее к валу 3. Так как растягивающие усилия возникают только в кольце 10, а не в отверстии ступицы (как в прототипе), то прочность ступицы не уменьшается, а габариты всего устройства и ступицы существенно снижаются.
Для демонтажа кольца 7 используется технологическая резьба 11 на ее наружном диаметре, на которую навинчивается съемник (не показан).
Следует отметить, что кольцо 7 - это маленькая и простая по конструкции деталь, что удешевляет узел в целом. При этом кольцо 7 может поставляться в качестве запасной детали к насосу.
Так как элемент крепления охватывающей вал детали (рабочего колеса насоса) выполнен в виде кольца 10 охватывающего с натягом кольцевой выступ 4 ступицы 1 колеса, то в последней отсутствуют напряжения растяжения, благодаря чему не ослабляется прочность колеса. Благодаря расположению элемента крепления на торце ступицы не требуется увеличение диаметра отверстия ступицы, что также повышает прочность и надежность работы узла крепления.
Преимуществом заявленного узла крепления является также то, что на валу с одним посадочным диаметром с натягом может быть установлено несколько деталей, например, по краям вала установлено два подшипника, а в срединной части вала - несколько дисков, колес и т.д. Другим достоинством заявляемого узла крепления является то, что при монтаже/демонтаже деталей не повреждается поверхность вала (не образуются царапины, задиры и т.п. механические повреждения), что весьма важно при выполнении ремонтных работ и замене подшипников.
Использование заявляемой полезной модели позволяет существенно повысить надежность работы узла крепления охватывающей детали к валу.