ПОДШИПНИКОВАЯ ОПОРА СКОЛЬЖЕНИЯ
BEARING SLIDING SUPPORT

Изобретение относится к радиальным подшипниковым опорам скольжения, у которых в паре трения по меньшей мере одна из рабочих поверхностей выполнена из силицированного графита (или другого антифрикционного материала с близкими свойствами). Преимущественно изобретение может быть использовано в соответствующих конструктивных узлах лопастных насосов, которые предназначены для работы в широком диапазоне температуры перекачиваемой среды, находящейся под высоким давлением, в частности - водоохлаждаемых реакторных установок на атомных электростанциях (в главных циркуляционных и питательных насосных агрегатах) и т.п. Силицированный графит (как антифрикционный подшипниковый материал) в допускаемых режимах работы характеризуется температуростойкостью (по меньшей мере до 300°С) и достаточно высокими удельными нагрузками. В качестве смазочно-охлаждающей жидкости силицированный графит допускает применение воды, которое повышает пожаробезопасность упомянутых насосов и упрощает их конструкцию. Повышенная хрупкость антифрикционных элементов из силицированного графита обуславливает необходимость связывать их с несущими элементами из материала, лишенного указанного недостатка (например, из стали) и устойчивого к воздействию перекачиваемой среды. При этом для обеспечения работоспособности при изменении распределения температур по элементам подшипниковой опоры последнюю необходимо выполнять с учетом более низкого коэффициента линейного расширения силицированного графита по сравнению со сталью и другими сплавами.
Из описания подшипника скольжения [патент РФ 2351813, МПК F16C 25/02 (2006.01), F16C 33/04 (2006.01). - Опубл. 10.04.2009, Бюл. №10] известна подшипниковая опора скольжения, содержащая по крайней мере одну наборную втулку, которая выполнена составной по окружности из антифрикционных элементов, закрепленных с обоих торцов в обойме посредством поджимных колец. Антифрикционные элементы выполнены в виде секторов разделенного в продольном направлении цилиндрического кольца, причем рабочую поверхность втулки образуют рабочие поверхности всех секторов из их комплекта, полученного при разделении кольца. По крайней мере в один из промежутков между антифрикционными элементами введен упругий компенсатор, выполненный с возможностью поддержания сплошности рабочей поверхности на остальной части окружности втулки, а поджимные кольца, снабженные коническими частями, выполнены с возможностью упругой деформации в направлении продольной оси опоры.
Нагрузочная способность этой подшипниковой опоры скольжения ограничена технологической сложностью изготовления достаточно протяженного цилиндрического кольца большого диаметра (до 450 мм при ширине больше 100 мм) из силицированного графита с достижением требуемого качества. Возможность увеличения нагрузочной способности путем последовательной установки нескольких наборных втулок из антифрикционных элементов ограничена тем, что в такой конфигурации поджимные кольца не обеспечат во время работы постоянного контакта по всем коническим поверхностям. Это может стать причиной потери работоспособности за счет недопустимой деформации антифрикционных элементов при тепловых расширениях элементов опоры. Поэтому увеличение нагрузочной способности может потребовать конструктивного объединения в одном узле нескольких единичных опор указанного вида.
Увеличение сплошности рабочей поверхности ухудшает условия смазки и охлаждения антифрикционных элементов, что может привести к их перегреву и растрескиванию. Использование упругого компенсатора в виде плоской пружины связано с трудностью расчета ее толщины с учетом всех факторов при работе в горячей среде, ошибка в котором может привести к растрескиванию антифрикционных элементов при высокой температуре. Кроме того, не исключена необходимость индивидуальной пригонки при установке компенсатора в зазор между антифрикционными элементами, снижающей технологичность изготовления и ремонтопригодность подшипниковой опоры.
Задача, решаемая изобретением, состоит в повышении надежности лопастных (например, центробежных) насосов, предназначенных для работы в широком диапазоне температуры перекачиваемой среды, в частности, в обеспечении работоспособности путем повышения нагрузочной способности подшипниковых опор скольжения большого диаметра и осевого размера, которые включают рабочую поверхность из силицированного графита (или другого антифрикционного материала с близкими свойствами), а также в повышении ремонтопригодности указанных опор в процессе эксплуатации. При осуществлении предлагаемого изобретения могут быть получены следующие технические результаты:
во-первых, увеличение нагрузочной способности единичной радиальной подшипниковой опоры скольжения;
во-вторых, увеличение взаимозаменяемости одноименных элементов подшипниковой опоры скольжения (с исключением пригонки при сборке и ремонте);
в-третьих, улучшение подвода смазочно-охлаждающей жидкости в зону трения рабочих поверхностей подшипниковой опоры скольжения.
Как решение поставленной задачи, позволяющее достигнуть эффекта с указанными характеристиками, предлагается подшипниковая опора скольжения, содержащая по крайней мере одну наборную втулку, которая выполнена составной по окружности из антифрикционных элементов, закрепленных с обоих торцов в обойме посредством поджимных колец, причем антифрикционные элементы выполнены в виде секторов разделенного в продольном направлении цилиндрического кольца, и отличающаяся от прототипа следующим признаками. От обоих торцов указанного исходного цилиндрического кольца на его стороне, соответствующей рабочей поверхности антифрикционных элементов, выполнены радиальные ступени. В каждом из тангенциальных промежутков между антифрикционными элементами установлена с отступом от рабочей поверхности планка, на обоих концевых участках которой выполнены ступени, продолжающие в окружном направлении ступени антифрикционных элементов с образованием цилиндрической посадочной поверхности. Каждое из поджимных колец снабжено буртом на его поверхности со стороны обоймы, который выполнен с зазором по диаметру относительно обоймы, а часть каждого из поджимных колец между его торцом и буртом выполнена с отступом от рабочей поверхности, ближней к последней поверхности кольца, и упруго сопряжена с указанными ступенями на антифрикционных элементах и планках с созданием радиального усилия, направленного к обойме. По крайней мере в одном из тангенциальных промежутков между антифрикционными элементами установлена стопорная планка, которая расширена и удлинена за пределы антифрикционных элементов с выходом в продольный паз, выполненный на поверхности обоймы, прилегающей к антифрикционных элементам, и в сквозные пазы, выполненные как продолжение продольного паза обоймы в бурте каждого из поджимных колец, взаимодействующих с данной планкой, при этом количество стопорных планок не превосходит числа любого из указанных пазов.
Подшипниковая опора скольжения для лопастного насоса в частном выполнении (для случая, когда в паре трения обе рабочие поверхности выполнены из силицированного графита, а несущие элементы - из стали) поясняется чертежами:
Фиг.1 - подшипниковая опора скольжения (радиальный разрез);
Фиг.2 - статорная втулка (осевой разрез);
Фиг.3 - роторная втулка (осевой разрез);
Фиг.4 - статорная втулка (радиальный разрез);
Фиг.5 - роторная втулка (радиальный разрез);
Фиг.6 - поджимное кольцо статорной втулки;
Фиг.7 - граничное поджимное кольцо статорной втулки (осевое сечение);
Фиг.8 - промежуточное поджимное кольцо статорной втулки (осевое сечение);
Фиг.9 - поджимное кольцо роторной втулки;
Фиг.10 - граничное поджимное кольцо роторной втулки (осевое сечение);
Фиг.11 - промежуточное поджимное кольцо роторной втулки (осевое сечение).
В состав подшипниковой опоры вала 1 входят радиальный подшипник скольжения, включающий статорную втулку, и цапфа, образованная роторной втулкой.
Статорная втулка включает обойму 2 и наборную втулку, которая выполнена составной по окружности из антифрикционных элементов 3, закрепленных с обоих торцов в обойме 2 посредством поджимных колец 4 и 5 из стали.
Антифрикционные элементы 3 выполнены в виде секторов цилиндрического кольца, разделенного в продольном направлении на три (в данном частном случае) одинаковых сектора.
Направленные к валу 1 вогнутые поверхности антифрикционных элементов 3 являются для последних рабочими (в паре трения) и в совокупности образуют рабочую поверхность 6 статорной втулки. Причем от обоих торцов исходного цилиндрического кольца (заготовки из силицированного графита) на его внутренней стороне, соответствующей рабочей поверхности антифрикционных элементов 3, до разделения кольца выполнены радиальные ступени 7, которые после разделения остаются на поверхности элементов 3. Комплект антифрикционных элементов 3, соответствующий разделению одного цилиндрического кольца, образует рабочую поверхность одной из трех секций статорной втулки. В каждом из тангенциальных промежутков между антифрикционными элементами 3 установлена с отступом от рабочей поверхности 6 продольная проставочная 8 или стопорная 9 планка из стали. На обоих концевых участках каждой из планок 8 и 9 выполнены ступени, продолжающие в окружном направлении ступени 7 антифрикционных элементов 3 с образованием цилиндрической посадочной поверхности.
Каждое из поджимных колец 4 и 5 снабжено буртом 10 на его внешней поверхности (со стороны обоймы 2), который выполнен с зазором по диаметру относительно внутренней поверхности обоймы 2. У граничных поджимных колец 4 бурт 10 прилегает к их внешнему (относительно наборной втулки) торцу, у промежуточных (между секциями наборной втулки) поджимных колец 5 бурт 10 выполнен посередине кольца. Граничные кольца 4 имеют L-образное продольное сечение (относительно геометрической оси вала), а промежуточные кольца 5 - в виде перевернутой буквы Т (то есть, как ⊥). Часть каждого из поджимных колец 4 и 5 между его торцом и буртом 10 выполнена с отступом от рабочей поверхности 6, ближней к последней поверхности кольца, и упруго сопряжена с посадочной поверхностью, образованной указанными ступенями на антифрикционных элементах 3 и планках 8 и 9, с созданием радиального усилия, направленного к обойме 2. Это усилие прижимает антифрикционные элементы 3 (вместе с планками 8 и 9) к внутренней поверхности обоймы 2, сопрягая ее с антифрикционными элементами 3.
Планки 8 и 9 замещают (в окружном направлении) антифрикционный материал, удаленный при разделении исходного цилиндрического кольца (заготовки из силицированного графита). Длина двух проставочных планок 8 равна ширине (осевому размеру) антифрикционных элементов 3, но ширина этих планок меньше толщины (радиального размера) элементов 3. Единственная стопорная планка 9 дополнительно фиксирует прилегающий комплект антифрикционных элементов 3 относительно обоймы 2 в окружном направлении. Для этого планка 9 расширена и удлинена (относительно проставочных планок 8) за пределы антифрикционных элементов 3 с выходом в продольный паз 11, выполненный на внутренней поверхности обоймы 2, прилегающей к антифрикционным элементам 3, и в сквозные пазы 12, выполненные как продолжение продольного паза 11 обоймы 2 в бурте 10 каждого из поджимных колец, взаимодействующих с данной планкой. В соответствие с числом стопорных планок 9 на внутренней поверхности обоймы 2 выполнен один продольный паз 11, а в бурте 10 каждого из поджимных колец 4 и 5 - также по одному сквозному пазу 12. Роль обоймы 2 может в частном случае исполнять непосредственно корпус радиального подшипника скольжения.
Роторная втулка, закрепленная на валу 1 и образующая цапфу, включает обойму 13 и наборную втулку, которая выполнена составной по окружности из антифрикционных элементов 14, закрепленных с обоих торцов в обойме 13 посредством поджимных колец 15 и 16 (например, из стали).
Антифрикционные элементы 14 выполнены в виде секторов цилиндрического кольца из силицированного графита, разделенного в продольном направлении на восемь (в данном частном случае) одинаковых секторов. Направленные от вала 1 выпуклые поверхности антифрикционных элементов 14 являются для последних рабочими (в паре трения) и в совокупности образуют рабочую поверхность 17 роторной втулки. Причем от обоих торцов исходного цилиндрического кольца (заготовки из силицированного графита) с его внешней стороны, соответствующей рабочей поверхности антифрикционных элементов 14, до разделения кольца выполнены радиальные ступени 18, которые после разделения остаются на поверхности элементов 14. Комплект антифрикционных элементов 14, соответствующий разделению одного цилиндрического кольца, образует рабочую поверхность одной из трех секций роторной втулки. В каждом из тангенциальных промежутков между антифрикционными элементами 14 установлена с отступом от рабочей поверхности 17 продольная проставочная 19 или стопорная 20 планка из стали. На обоих концевых участках каждой из планок 19 и 20 выполнены ступени, продолжающие в окружном направлении ступени 18 антифрикционных элементов 14 с образованием цилиндрической посадочной поверхности.
Каждое из поджимных колец 15 и 16 снабжено буртом 21 на его внутренней поверхности (со стороны обоймы 13), который выполнен с зазором по диаметру относительно внешней поверхности обоймы 13. У граничных поджимных колец 15 бурт 21 прилегает к их внешнему (относительно наборной втулки) торцу, у промежуточных (между секциями роторной втулки) поджимных колец 16 бурт 21 выполнен посередине кольца. Граничные кольца 15 имеют Г-образное продольное сечение (относительно геометрической оси вала 1), а промежуточные кольца 16 - Т-образное. Часть каждого из поджимных колец 15 и 16 между его торцом и буртом 21 выполнена с отступом от рабочей поверхности 17, ближней к последней поверхности кольца, и упруго сопряжена с посадочной поверхностью, образованной указанными ступенями на антифрикционных элементах 14 и планках 19 и 20, с созданием радиального усилия, направленного к обойме 13. Это усилие прижимает антифрикционные элементы 14 (вместе с планками 19 и 20) к внешней поверхности обоймы 13, сопрягая ее с антифрикционными элементами 14.
Планки 19 и 20 замещают (в окружном направлении) антифрикционный материал, удаленный при разделении исходного цилиндрического кольца (заготовки из силицированного графита). Длина шести проставочных планок 19 равна ширине антифрикционных элементов 14, но ширина этих планок меньше толщины элементов 14. Две стопорные планки 20 дополнительно фиксируют прилегающий комплект антифрикционных элементов 14 относительно обоймы 13 в окружном направлении. Для этого каждая из планок 20 расширена и удлинена (относительно проставочных планок 19) за пределы антифрикционных элементов 14 с выходом в продольный паз 22, выполненный на внешней поверхности обоймы 13, прилегающей к антифрикционным элементам 14, и в сквозные пазы 23, выполненные как продолжение продольного паза 22 обоймы 13 в бурте 21 каждого из поджимных колец, взаимодействующих с данной планкой.
На роторной втулке, вращающейся вместе с валом 1, целесообразно (для предотвращения дополнительной неуравновешенности) использовать четное количество стопорных планок 20, расположив их симметрично относительно геометрической оси вала 1. Кроме того, целесообразно иметь возможность смещать в окружном направлении продольные границы между антифрикционными элементами 14 одной секции относительно таковых в смежных секциях. Для этого (в соответствие с числом стопорных планок 20) продольные пазы 22 на внешней поверхности обоймы 13, а также сквозные пазы 23 в бурте 21 каждого из поджимных колец 15 и 16 выполнены в удвоенном относительно числа стопорных планок 20 количестве (по четыре). Пазы на каждом из указанных элементов выполнены в виде двух пар, симметричных относительно геометрической оси вала 1, причем в каждой паре угловой промежуток между пазами равен полутора угловым шагам антифрикционных элементов 14.
Для компенсации осевых тепловых расширений статорная втулка с одной стороны поджата в осевом направлении пружинным фланцем 24 до упора другой стороной в заплечик 25 между ступенями на внутренней поверхности обоймы 2 статорной втулки. Пружинный фланец 24 снабжен прорезями, которые выполнены перпендикулярно его оси смещенными по окружности друг относительно друга, и упруго деформирован в осевом направлении кольцевым фланцем 26 через регулировочную прокладку 27, обеспечивающую необходимую степень поджатия. Кольцевой фланец 26 образует разъемное соединение с фланцем обоймы 2 (резьбовые элементы на чертежах не показаны). Для компенсации осевых тепловых расширений роторная втулка с одной стороны поджата в осевом направлении пружинным фланцем 28 до упора другой стороной в заплечик 29 между ступенями на внешней поверхности обоймы 13 роторной втулки. Пружинный фланец 28 снабжен прорезями, которые выполнены перпендикулярно его оси смещенными по окружности друг относительно друга, и упруго деформирован в осевом направлении кольцом 30 через регулировочную прокладку 31, обеспечивающую необходимую степень поджатия. Кольцо 30 установлено с упором в заплечик между ступенями на внешней поверхности обоймы 13 (отличный от заплечика 29 у другого конца обоймы 13).
В процессе сборки статорной втулки антифрикционные элементы 3, планки 8 и 9 устанавливают в обойме 2 и, прижимая к ее внутренней поверхности, образуют рабочую поверхность статорной втулки требуемой правильной цилиндрической формы. Упругого сопряжения поджимных колец 4 и 5 со ступенями 7 на антифрикционных элементах 3 и соответствующими ступенями на планках 8 и 9 с созданием радиального усилия, направленного к обойме 2, достигают посредством создания соответствующей разности температур между охватывающими и охватываемыми стальными элементами статорной втулки. В процессе сборки роторной втулки антифрикционные элементы 14, планки 19 и 20 устанавливают в обойме 13 и, прижимая к ее внешней поверхности, образуют рабочую поверхность роторной втулки требуемой правильной цилиндрической формы. Упругого сопряжения поджимных колец 15 и 16 со ступенями 18 на антифрикционных элементах 14 и соответствующими ступенями на планках 19 и 20 с созданием радиального усилия, направленного к обойме 13, достигают посредством создания соответствующей разности температур между охватывающими и охватываемыми стальными элементами роторной втулки.
При сборке роторной втулки придают границам между антифрикционными элементами 14 на смежных секциях угловой сдвиг, равный половине шага антифрикционных элементов 14, смещая последние за счет совместной перестановки каждой из стопорных планок 20 в соседний продольный паз 22 на внешней поверхности обоймы 13 и, соответственно, в соседние сквозные пазы 23 в буртах 21 поджимных колец. Это улучшает вибрационную характеристику вала 1.
Изобретение позволяет в рамках унифицированной технологии (однообразным регулярным способом) легко увеличивать нагрузочную способность подшипниковой опоры или (и) снижать удельную нагрузку в ней, наращивая количество ее секций (с требуемым варьированием их осевого размера). В процессе сборки исключено возникновение больших нагрузок на антифрикционные элементы 3 и 14 при их установке и закреплении соответственно в статорной и роторной втулках.
При нагревании во время работы опоры упругое взаимодействие поджимных колец с антифрикционными элементами и планками будет ослабевать (из-за различия коэффициентов линейного расширения), но за счет соответствующего выбора размеров этих деталей и величины исходного упругого взаимодействия (вида посадки) возможно обеспечить гарантированное сопряжение соответствующей обоймы и антифрикционных элементов без их разрушения во всем диапазоне рабочих температур. Несущий каркас из стальных поджимных колец и планок обеспечивает сохранение целостности всех антифрикционных элементов и правильную цилиндрическую форму рабочих поверхностей каждой из секций как статорной, так и роторной втулок.
Изобретение позволяет технологически обеспечить взаимозаменяемость одноименных элементов подшипниковой опоры (в первую очередь, антифрикционных элементов, полученных из нескольких заготовок - колец из силицированного графита) за счет унифицированной технологии, обеспечивающей размеры данного элемента в пределах необходимых допусков, что увеличивает ремонтопригодность подшипниковой опоры при эксплуатации. В частности, взаимозаменяемость исключает необходимость пригонки элементов опоры и соответствующих затрат труда и времени при сборке и ремонте.
Зазоры между антифрикционными элементами вдоль планок и по окружности поджимных колец образуют регулярную систему каналов, по которым смазочно-охлаждающая жидкость (в данном случае вода) достигает каждого из антифрикционных элементов в надлежащем количестве. Улучшение подвода смазочно-охлаждающей жидкости в зону трения рабочих поверхностей подшипниковой опоры скольжения поддерживает ее работоспособность, увеличивая надежность лопастного насоса.