Подшипниковый узел приводного вала насосного агрегата

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к подшипниковым узлам с радиально-упорными подшипниками скольжения, предназначенным для применения преимущественно в насосных агрегатах, использующих для охлаждения смазки поверхностей скольжения перекачиваемую жидкую среду.
Известны различные конструкции подшипниковых узлов с подшипниками скольжения, предназначенные для применения в насосных агрегатах. Так к весьма распространенным относятся подшипниковые узлы с использованием разнесенных радиальных и упорных подшипников из карбида кремния, включающих неподвижную опору радиального подшипника, устанавливаемую в корпусе насосного агрегата, с размещенной в ней неподвижной полой цилиндрической втулкой, имеющей внутреннюю поверхность скольжения в упомянутой полости, и цилиндрическую втулку, закрепляемую на валу насосного агрегата с возможностью совместного с ним вращения, наружная поверхность скольжения которой взаимодействует с внутренней поверхностью скольжения неподвижной втулки, и размещенную в корпусе насосного агрегата со стороны торца приводного вала пяту упорного подшипника с торцовой поверхностью скольжения, взаимодействующей с торцовой поверхностью скольжения на валу (DICKOW PUMPEN www.dickow.de, [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.dickow.de/images/Produkte/Pumpentypen/mit_Wellenabdichtung/Spiralgehauusepumpen/NCT/pdf/NCT-NMT_eng.pdf, свободный - (05.06.2020).
К недостаткам аналога следует отнести ограниченный диапазон его применения, обусловленный тем, что вследствие температурных деформаций, определяемых длиной вала, предложенная схема с разнесенными радиальными и упорными подшипниками применяется только при ограниченных расстояниях между подшипниковыми опорами вала.
Указанного недостатка, присущего аналогу, лишен подшипниковый узел, выбранный заявителем в качестве прототипа, представляющий собой подшипниковый узел приводного вала насосного агрегата, содержащий неподвижную опору, устанавливаемую в корпусе насосного агрегата, с размещенной в ней неподвижной полой цилиндрической втулкой, имеющей внутреннюю и торцовую поверхности скольжения, цилиндрическую втулку, закрепляемую на валу насосного агрегата с возможностью совместного с ним вращения, наружная поверхность скольжения которой взаимодействует с внутренней поверхностью скольжения неподвижной втулки, пяту, закрепляемую на валу насосного агрегата с возможностью совместного с ним вращения, снабженную кольцевым вкладышем, образующим торцовую поверхность скольжения пяты, взаимодействующую с торцовой поверхностью скольжения неподвижной втулки, и каналы подведения прокачиваемой насосным агрегатом среды (вода, нефть и т.п.) к указанным поверхностям скольжения, выполненным из карбида кремния (см. сайт компании ЗАО СИРЭМИКС www.siremiks.com [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.siremiks.com/Production.htm, свободный - (05.06.2020).
К недостаткам прототипа следует отнести его невысокую надежность, обусловленную следующим. Одной из наиболее распространенных нештатных ситуаций при использовании насосных агрегатов при перекачке нефтепродуктов в условиях скважин является внезапное прекращение подачи прокачиваемой среды -как следствие различных природных и/или технических отклонений. Как показала практика, в этом случае известный из прототипа подшипниковый узел с поверхностями скольжения из карбида кремния, преимущественно в наиболее нагруженной контактной зоне: внутренняя поверхность скольжения неподвижной полой цилиндрической втулки - наружная поверхность скольжения цилиндрической втулки, закрепляемой на валу насосного агрегата, весьма быстро -в течение 3...5 секунд, достигает стадии начала катастрофического износа означенных поверхностей скольжения, причем на срабатывание аварийной автоматики в стандартно применяемых агрегатах уходит от 6 и более секунд, т.е. разрушение поверхностей скольжения подшипникового узла начинается до срабатывания аварийной автоматики. В осевом направлении - в контактной зоне торцовой поверхности скольжения пяты с торцовой поверхностью скольжения неподвижной втулки - разрушения означенных поверхностей скольжения в подобной внештатной ситуации не наблюдалось.
Техническая проблема, решаемая полезной моделью - устранение отмеченных недостатков.
Технический результат - повышение надежности подшипникового узла.
дк
дв
нв
вв
дк
дв
нв
вв
Поставленная техническая проблема решается, а заявленный технический результат достигается тем, что в подшипниковом узле приводного вала насосного агрегата, содержащем неподвижную опору, устанавливаемую в корпусе насосного агрегата, с размещенной в ней неподвижной полой цилиндрической втулкой, имеющей внутреннюю и торцовую поверхности скольжения, цилиндрическую втулку из карбида кремния, закрепляемую на валу насосного агрегата с возможностью совместного с ним вращения, наружная поверхность скольжения которой взаимодействует с внутренней поверхностью скольжения неподвижной втулки, пяту, закрепляемую на валу насосного агрегата с возможностью совместного с ним вращения, снабженную кольцевым вкладышем, образующим торцовую поверхность скольжения пяты, взаимодействующую с торцовой поверхностью скольжения неподвижной втулки, и каналы подведения прокачиваемой насосным агрегатом среды к указанным поверхностям скольжения, неподвижная полая цилиндрическая втулка выполнена из антифрикционного графита с коэффициентом теплового расширения большим коэффициента теплового расширения карбида кремния, а каналы подведения прокачиваемой насосным агрегатом среды к поверхностям скольжения представляют собой Г-образные канавки радиусного профиля, стойки и полки которых выполнены соответственно на внутренней и торцевой поверхностях скольжения неподвижной полой цилиндрической втулки так, что плоскость симметрии каждой из упомянутых Г-образных канавок является диаметральной плоскостью неподвижной полой цилиндрической втулки, при этом марка антифрикционного графита и геометрические параметры радиусного профиля Г-образных канавок подбираются с соблюдением условия: L/L=λ/λ±0…40%, где L - длина дуги радиусного профиля канавки; L - длина дуги цилиндрической втулки, закрепляемой на валу насосного агрегата, на участке, прилегающем к радиусной канавке; λ - коэффициент теплопроводности материала неподвижной втулки; λ - коэффициент теплопроводности материала цилиндрической втулки, закрепляемой на валу насосного агрегата.
Полезная модель иллюстрируется изображениями, на которых представлены:
Фиг. 1 - насосный агрегат в разрезе с установленными по месту заявленными подшипниковыми узлами;
Фиг. 2 - заявленный подшипниковый узел в сборе;
Фиг. 3 - неподвижная опора заявленного подшипникового узла с размещенной в ней неподвижной полой цилиндрической втулкой, вид с торца;
Фиг. 4 - пята заявленного подшипникового узла в разрезе;
Фиг. 5 - фрагмент контакта втулок 4 и 7 в зоне Г-образной канавки 12 (увеличение).
Позиции на представленных изображениях имеют следующие значения:
1 - корпус насосного агрегата;
2 - приводной вал насосного агрегата;
3 - неподвижная опора;
4 - неподвижная полая цилиндрическая втулка;
5 - внутренняя поверхность скольжения втулки 4;
6 - торцовая поверхность скольжения втулки 4;
7 - цилиндрическая втулка, закрепляемая на валу 2;
8 - наружная поверхность скольжения втулки 7;
9 - пята;
10 - кольцевой вкладыш пяты 9;
11 - торцовая поверхность скольжения пяты 9;
12 - Г-образная канавка радиусного профиля;
13 - плоскость симметрии (ее проекция на торцовую плоскость) Г-образной канавки 12 / диаметральная плоскость неподвижной полой цилиндрической втулки 4;
14 - шпоночное соединение (на изображениях условно представлено одним из элементов: шпон или шпоночный паз);
15 - резьбовое соединение (на изображениях резьбовые соединения показаны различными символами, употребляемыми для данного типа соединений, удобными для использования в конкретном месте изображения).
Согласно полезной модели, заявленный подшипниковый узел содержит неподвижную опору 3, устанавливаемую в корпусе 1 насосного агрегата (Фиг. 1) посредством, например, резьбовых соединений 15 (Фиг. 3). В опоре 3 размещена неподвижная полая цилиндрическая втулка 4, зафиксированная, например, резьбовыми соединениями 15 (Фиг. 2), имеющая внутреннюю 5 и торцовую 6 поверхности скольжения. Во втулку 4 вставлена цилиндрическая втулка 7 из карбида кремния, закрепляемая на валу 2 насосного агрегата (посредством, например, шпоночного соединения, шлицевого соединения, соединения внатяг и т.п.) с возможностью совместного с ним вращения, при этом наружная поверхность скольжения 8 втулки 7 скользит по внутренней поверхности скольжения 5 неподвижной втулки 4. К торцовой поверхности скольжения 6 втулки 4 примыкает торцовая поверхность скольжения 11 кольцевого вкладыша 10 пяты 9. Пята 9 закрепляется на валу 2 насосного агрегата с возможностью совместного с ним вращения посредством, например, шпоночного соединения 14 (Фиг. 4), кольцевой вкладыш 10 фиксируется в пяте 9 посредством, например, резьбовых соединений 15 (Фиг. 2, 4), специальные требования к материалу вкладыша 10 не предъявляются, он может быть выполнен как из карбида кремния, так и тз антифрикционного графита, без потери своих функциональных качеств.
Взаимная фиксация элементов подшипникового узла в осевом направлении обеспечена ответными/примыкающими поверхностями корпуса 1, вала 2 и закрепленных на нем концевых функциональных элементов насосного агрегата (как это показано на Фиг. 1).
В отличие от прототипа неподвижная втулка 4 была изготовлена из антифрикционного графита с коэффициентом теплового расширения большим коэффициента теплового расширения карбида кремния. Параметры некоторых марок карбидов кремния (Сиремикс, Вириал) и антифрикционных графитов (АГ-1500, АГ-1500 Б83) представлены ниже в табличной форме.
дк
дв
нв
вв
дк
дв
нв
вв
Кроме того, каналы подведения прокачиваемой насосным агрегатом среды к поверхностям скольжения представляют собой Г-образные канавки 12 радиусного профиля, стойки и полки которых выполнены соответственно на внутренней 5 и торцовой 6 поверхностях скольжения неподвижной полой цилиндрической втулки 4 так, что плоскость симметрии 13 каждой из упомянутых Г-образных канавок 12 является диаметральной плоскостью неподвижной полой цилиндрической втулки 4, при этом марка антифрикционного графита и геометрические параметры радиусного профиля Г-образных канавок 12 подбираются с соблюдением условия: Г/L=λ/λ±0…40%, где L - длина дуги радиусного профиля канавки; L - длина дуги цилиндрической втулки, закрепляемой на валу насосного агрегата, на участке, прилегающем к радиусной канавке; λ - коэффициент теплопроводности материала неподвижной втулки; λ - коэффициент теплопроводности материала цилиндрической втулки, закрепляемой на валу насосного агрегата.
дк
4
дв
7
дк
дв
ив
вв
Заявленные признаки были получены в ходе экспериментальной проработки подшипникового узла, исходя из следующего. Поскольку радиальная пара трения карбид кремния - карбид кремния в условиях описанной выше нештатной ситуации (прекращение подачи смазывающей охлаждающей жидкости - прокачиваемой среды - воды, нефти и т.п.) чрезвычайно быстро выходит из строя, было предложено заменить материал неподвижной втулки на антифрикционный графит (опробовано несколько марок, в частности: АГ-1500, АГ-1500 Б83, АГ-2500 и ряд других), удовлетворяющий перечисленным выше условиям. Результат - время работы подшипникового узла увеличилось до 3 часов и более. Объяснить полученный эффект можно следующим образом. Антифрикционный графит обладает эффектом самосмазывания, но лишь в том случае, если в зону трения поступает жидкая и/или газовая среда, стабилизирующая оксидную пленку на поверхности трения. Предложенные Г-образные канавки 12 радиусного профиля полностью обеспечивают такое условие. При этом, как видно из Фиг. 5 L - это длина дуги АВС, L - это длина дуги АВС, определяющие площади теплопередачи соответственно от втулки 4 и втулки 7 к прокачиваемой среде (или наоборот), и, как легко подсчитать, соответствуют для данной пары материалов (карбид кремния - антифрикционный графит) условию L/L=λ/λ±0…40%, которое было получено экспериментально и является условием обеспечения равномерного теплообмена (стабильного зазора между трущимися поверхностями 5 и 8) в контактной зоне при нормальных условиях (в присутствии прокачиваемой жидкости - воды, нефти и т.п.). Для выбранной пары материалов в предложенном конструкторском исполнении так же характерно (за счет того, что коэффициент теплового расширения антифрикционного графита больше коэффициента теплового расширения карбида кремния), что в случае начала катастрофического износа (как следствие некой внештатной ситуации, в том числе и описанной выше), сопровождающегося повышением температуры, втулка 4 будет расширяться больше, нежели втулка 7, увеличивая тем самым зазор между ними, уменьшая тем самым взаимодействие между втулками и устраняя причину катастрофического износа.
Проведенные многократные опыты показали, что стойкость заявленного подшипникового узла в условиях присутствия прокачиваемой среды по сравнению с прототипом не уменьшилась, а стойкость в условиях отсутствия прокачиваемой среды увеличилась до 3 часов и более.
Изложенное позволяет сделать вывод о том, что техническая проблема, на решение которой направлена полезная модель - решена, а заявленный технический результат - повышение надежности подшипникового узла - достигнут.