ПОДШИПНИК ГАЗОСТАТИЧЕСКИЙ

Полезная модель относится к деталям машин, а именно к конструкциям самоустанавливающихся газостатических подшипников, работающих в комплекте с быстровращающимися валами, подвергающимися в процессе работы изгибным деформациям из-за относительно невысокой изгибной жесткости вследствие большого удлинения и ограничений по массе, и может быть использована в турбомашинах авиационного, энергетического и аэрокосмического машиностроения.
Известен газостатический подшипник со струйным регулятором положения вала, содержащий корпус, охватывающий вал с образованием циркуляционного зазора. Циркуляционный зазор за счет проточек, выполненных в корпусе, разделен на несколько зон, каждая из которых подключена к выполненному в корпусе каналу подвода воздуха и имеет автономный для каждой зоны пневматический датчик положения вала и автономный струйный регулятор, который устанавливается на корпусе в непосредственной близости от соответствующей зоны. Датчик положения вала содержит сопло и заслонку, функцию которой выполняет вал. Датчик положения вала контролирует зазор между соплом и валом. Через зазор сопло соединяется с окружающей средой. Струйный регулятор содержит струйный блок и мембранный клапан. Канал питания струйного блока подключен к источнику питания сжатым воздухом, два его канала управления, подключенные через дроссели настройки к источнику питания, соединены с каналами управления струйного регулятора. Канал управления струйного регулятора подключен к датчику положения вала. Струйный блок имеет также вентиляционные и выходные каналы. Мембранный клапан содержит мембрану, с одной стороны которой имеется глухая камера, соединенная с выходным каналом струйного блока, а с другой стороны мембраны - камера с соплом, выходной канал которого подключен к выходу струйного регулятора. Выход подсоединен к каналу подвода воздуха в соответствующую зону циркуляционного зазора. Другой канал управления струйного регулятора подключен к задающему устройству, содержащему сопло и заслонку, между ними имеется зазор, через который сопло соединяется с окружающей средой. Выходной канал и вентиляционные каналы струйного блока каналом соединены с выходным каналом сопла мембранного клапана. Камера мембранного клапана подключена к источнику питания сжатым воздухом. В мембранном клапане мембрана имеет заделку, позволяющую вмонтировать мембрану в корпус мембранного клапана, и заслонку, жестко прикрепленную к центру мембраны, благодаря чему заслонка получает возможность самоустанавливаться относительно сопла для герметичного его закрытия, компенсируя, таким образом, погрешности изготовления.
(см. патент РФ №2453741 F16C 32/06, 2012 г.).
Особенностью известного газостатического подшипника является то, что в нем не предусмотрена возможность саморегулирования циркуляционного зазора между корпусом подшипника и валом, так как каждая, из условных опорных зон, имеет фиксированное положение относительно корпуса устройства, что существенно усложняет управление циркуляционным зазором, особенно при изгибных деформациях вала и приводит к необходимости конструктивно усложнять струйные блоки, а это приводит к снижению качества регулирования зазора и снижению надежности.
Известен подшипник газостатический, содержащий охватывающие вал колодки, каждая из которых установлена посредством оси в корпусе с возможностью поворота относительно оси, параллельной оси вала. Опорные поверхности колодок и наружная поверхность вала образуют циркуляционный зазор. В колодках выполнены питающие каналы для подвода в циркуляционный зазор рабочей среды. Каждый из каналов соединен с соответствующим каналом струйного блока управления, которым оснащена каждая колодка. Соединение каналов колодок с каналами струйного блока управления осуществляется посредством гибких полых элементов.
В процессе работы подшипника при вращающемся вале рабочая среда - воздух поступает под давлением в питающий канал и через гибкие элементы - в каналы колодки, а через них - в циркуляционный зазор. В результате того, что каждая колодка имеет возможность поворота относительно оси, она разворачивается вокруг оси и рабочая поверхность колодки располагается под углом атаки к набегающему потоку рабочей среды. Это создает аэродинамическую силу, которая тем больше, чем выше скорость вращения вала. При перемещениях вала происходит изменение нагрузки на колодки 2, в результате чего они поворачиваются на некоторый угол, что, в свою очередь, приводит к изменению давления в соответствующих областях циркуляционного зазора.
(см. патент РФ на полезную модель №134602, кл. F16C 17/03, 2013 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа известного решения необходимо отметить, что в конструкции газостатического подшипника за счет выполнения колодок самоустанавливающимися, имеется определенный диапазон саморегулирования, что снижает требования к системе управления и позволяет обеспечить надежную работу подшипника в случае изгибных деформаций вала под действием переменных несимметричных эксплуатационных нагрузок различного характера. Однако диапазон саморегулирования колодок достаточно узок и его может не хватить для отработки всего диапазона несимметричных переменных эксплуатационных нагрузок. Также в известном решении для работы газостатического подшипника требуется наличие струйного блока управления, так как без него работа газостатического подшипника невозможна, а это усложняет конструкцию подшипника и приводит к снижению ее надежности.
Техническим результатом настоящей полезной модели является повышение надежности работы подшипника за счет простоты его конструкции и расширение области применения за счет увеличения диапазона саморегулирования оптимального положения колодок подшипника в зависимости от нагрузки на валу.
Указанный технический результат достигается тем, что в подшипнике газостатическом, содержащем колодки, шарнирно установленные в корпусе, охватывающие вал и образующие своими опорными поверхностями с наружной поверхностью вала циркуляционный зазор, а также выполненные в каждой колодке питающие каналы для подачи рабочей среды в циркуляционный зазор, новым является то, что в каждой колодке образована питающая полость, посредством питающих каналов связанная с циркуляционным зазором для подачи в него рабочей среды, причем каждый питающий канал каждой колодки соединен с одной из канавок, выполненных на опорной поверхности колодки, одна из канавок имеет прямолинейную, а другая криволинейную форму для оптимального распределения рабочей среды в циркуляционном зазоре.
Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами, на которых:
- на фиг. 1 - схема газостатического подшипника;
- на фиг. 2 - вид колодки со стороны ее опорной поверхности.
Подшипник газостатический содержит охватывающие вал 1 колодки 2 (например, три колодки). Каждая колодка установлена посредством шарнира 3 в корпусе 4 с возможностью поворота относительно оси, параллельной оси вала 1. Опорные поверхности колодок 2 и наружная поверхность вала 1 образуют циркуляционный зазор. В колодках выполнены питающие каналы 6 и 7, сообщающие выполненную в каждой колодке общую питающую полость 8 с циркуляционным зазором.
На опорной поверхности каждой колодки 2 выполнены канавки 9 и 10. Канавка 9 выполнена прямолинейной и сообщена с питающим каналом 6, а канавка 10 выполнена криволинейной, например, дугообразной или радиусной формы и сообщена с питающим каналом 7. Как показали исследования, такое сочетание форм канавок 9 и 10 позволяет оптимальным образом распределить рабочую среду в зазоре между опорной поверхностью колодки и валом.
Подшипник газостатический работает следующим образом.
Для работы подшипника при вращающемся вале 1 в зазор между корпусом 4 и валом 1 подается (например, от воздушного компрессора - не показан) среда - сжатый воздух, который заполняет питающие полости 8 колодок, откуда по питающим каналам 6 и 7 сжатый воздух попадает в канавки 9 и 10 и далее - в циркуляционный зазор. Находящийся в циркуляционном зазоре сжатый воздух не позволяет поверхности вала и поверхности колодок соприкасаться. При отсутствии внешней нагрузки на подшипнике колодки 2 располагаются концентрично с осью вала 1. Под действием внешней силы вал смещается в корпусе 4 в радиальном направлении. В результате, средние циркуляционные зазоры между поверхностями вала и колодок 2 (см. фиг. 1) становятся разными. В зоне той колодки, где имеется минимальный зазор, возникают наибольшие силы давления воздуха. Наоборот, в месте наибольшего зазора возникают наименьшие силы. В результате векторного сложения сил от всех колодок 2 возникает суммарная реакция подшипника, компенсирующая внешнюю нагрузку. Колодки 2 передают нагрузку на корпус 4 посредством шарниров 3. За счет шарниров 3 обеспечивается поворот колодок 2 вокруг центра шарнира под действием аэродинамических сил и поворот их в положение равновесия, при котором крутящий момент на колодках 2 становиться равным нулю. В положении равновесия воздух в циркуляционный зазор поступает только через канал 6 и прямолинейную канавку 9, прямолинейность канавки обеспечивает максимальную площадь распределения воздуха с избыточным давлением в циркуляционном зазоре. Так как давление в канавке 10, в положении равновесия, равно давлению в общей питающей полости 8, то перетекание воздуха по каналу 7 не происходит. Сохранение одинакового давления по всей длине канавки 10 обеспечивается ее криволинейной формой, так как канавка 10 располагается вдоль изолинии давления в циркуляционном зазоре, а на изолинии давление постоянно. При возникновении внешней нагрузки на валу 1 подшипника колодка 2 поворачивается вокруг шарнира 3 таким образом, что давление в канавке 10 падает, и воздух через канал 7 и канавку 10 начинает поступать в циркуляционный зазор, вследствие чего в нем увеличивается давление, и, тем самым, увеличивается сила реакции подшипника на внешнюю нагрузку. Таким образом, за счет наличия общей питающей полости 8 создается надежная автоматическая система струйного управления внутри газостатического подшипника и увеличивается возможный диапазон внешних нагрузок. Так же отсутствие перетекания воздуха через канал 7 и канавку 10 в положении равновесия позволяет использовать меньшее количество воздуха с сохранением необходимой грузоподъемности подшипника.
Предложенная конструкция подшипника обеспечивает надежную его работу во всем диапазоне режимов и нагрузок за счет автоматического обеспечения соосности вала и опорных поверхностей колодок подшипника.