ОПОРА ВЕРТИКАЛЬНОГО РОТОРА
VERTICAL ROTOR SUPPORT

Изобретение относится к опорам быстровращающихся машин и приборов, таким как накопители энергии, гироскопы, сепараторы, центрифуги, и, в частности, к опорам вертикальных валов таких устройств.
Известна вертикально нагруженная опора быстровращающегося ротора по патенту US №5945754, 1999.08.31, Н02К 5/16. Опора позволяет вращать ротор с большой скоростью 800-1200 об/с и выполнена в виде иглы, на конце которой закреплен наконечник со сферической опорной поверхностью, установленной в сферическое углубление подпятника подшипника опоры, расположенного на демпфирующем элементе опоры. На поверхности сферы наконечника выполнены сферические спиральные канавки для нагнетания смазывающей жидкости между поверхностями наконечника и подпятника и отрыва поверхности наконечника от подпятника для уменьшения износа опоры.
Известная опора сложна в изготовлении и требует индивидуальной притирки сферы наконечника иглы и сферы подпятника, что создает дополнительные затраты при изготовлении и ремонте опорной пары.
Известна вертикально нагруженная опора быстровращающегося вала по патенту UK №1212481, 1969.03.05, F16C 17/08, взятая за прототип. Вертикально нагруженная цапфа подшипника вала со скругленным по радиусу концом поддерживается в соответствующем углублении в подпятнике подшипника. В подпятнике подшипника выполнена прорезь, соединенная с каналом для отвода смазки. Радиус кривизны сферы цапфы подшипника составляет либо 2/3 от величины радиуса сферического углубления подпятника и сфера скруглена на периферии вала по меньшему радиусу, либо меньше величины радиуса сферы подпятника. На цапфе и на охватывающей цапфу втулке выполнены канавки для прокачки смазки.
Известная опора имеет высокие напряжения в опорных поверхностях под вертикальной и радиальной нагрузкой при давлении меньшей сферы цапфы на большую сферу углубления подпятника, что может вызвать разрыв смазывающей пленки и износ опоры.
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в создании простой в изготовлении опоры быстровращающегося ротора с увеличенной осевой и радиальной нагрузкой.
Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в повышении несущей способности опоры, снижении затрат на изготовление и ремонт опоры.
Технический результат достигается тем, что в опоре вертикального ротора, включающей погруженную в смазывающую жидкость опорную поверхность, выполненную на скругленном конце цапфы, установленную на опорную поверхность, выполненную в углублении подпятника опоры, опорная поверхность цапфы выполнена в виде тороидальной поверхности.
Дополнительно, опорная поверхность подпятника выполнена в виде сферической поверхности.
Кроме того, радиус тороидальной поверхности цапфы составляет 0,4÷0,95 от величины радиуса сферической опорной поверхности подпятника.
Дополнительно, расстояние между осевой линией тороидальной поверхности и осью цапфы составляет 0,05÷0,6 от величины радиуса сферической опорной поверхности подпятника.
Кроме того, глубина сферической опорной поверхности подпятника составляет 0,7÷1,3 от величины радиуса сферической опорной поверхности подпятника.
Дополнительно, торцевая поверхность цапфы выполнена плоской.
Кроме того, торцевая поверхность цапфы выполнена сферической с радиусом сферы, большим радиуса сферической опорной поверхности подпятника.
Дополнительно, на тороидальной поверхности цапфы выполнены канавки, наклоненные к оси вращения в направлении нагнетания смазывающей жидкости между тороидальной и сферической опорными поверхностями.
Кроме того, сферическая опорная поверхность подпятника сопряжена с цилиндрической или конической поверхностью.
Дополнительно, в подпятнике выполнен канал для прохода смазывающей жидкости, расположенный на оси вращения ротора.
Кроме того, в подпятнике выполнен один или несколько каналов для прохода смазывающей жидкости, расположенный под углом к оси вращения ротора.
Дополнительно, подпятник опоры установлен на демпфирующем элементе.
Кроме того, подпятник выполнен из лейкосапфира или рубина.
Сущность изобретения поясняется прилагаемыми чертежами.
На фиг.1 показан вертикальный разрез общего вида опоры с демпфирующим элементом.
На фиг.2 дан вертикальный разрез цапфы и подпятника с обозначениями геометрии опоры.
На фиг.3 показан вертикальный разрез варианта геометрии цапфы и подпятника.
Вертикальный ротор 1 с цапфой 2 установлен для вращения вокруг вертикальной оси 3 на подпятник 4, закрепленный на демпфирующем элементе 5. Демпфирующий элемент 5 в виде цилиндра установлен на шарнире 6 и центрирующих пружинах 7 в полости корпуса 8, заполненного смазывающей жидкостью 9. На конце цапфы 2 выполнена тороидальная опорная поверхность 10, погруженная в смазывающую жидкость 9 и опирающаяся на сферическую опорную поверхность 11, выполненную в углублении подпятника 4. Для прохода смазывающей жидкости к опорным поверхностям 10 и 11 в подпятнике 4 выполнены канал 12, расположенный на оси вращения 3, и канал 13, расположенный под углом к оси вращения 3. Тороидальная опорная поверхность 10 образована вращением вокруг оси 3 дуги окружности радиуса ρ с центром, смещенным от оси 3 на величину δ, и опирается на сферическую опорную поверхность 11 подпятника 4 с радиусом сферы r. Причем, радиус ρ тороидальной поверхности 10 цапфы 2 составляет 0,4÷0,95 от величины радиуса r сферической опорной поверхности 11 подпятника 4, так что выполняется соотношение: ρ=(0,4÷0,95)r. Расстояние δ между осевой линией тороидальной поверхности 10 и осью 3 цапфы 2 составляет 0,05÷0,6 от величины радиуса r сферической опорной поверхности 11 подпятника 4, так что выполняется соотношение: δ=(0,05÷0,6)r.
Торцевая поверхность 14 цапфы 2 в варианте опоры, показанном на фиг.2, выполнена плоской. Торцевая поверхность 15 цапфы 2 в варианте опоры, показанном на фиг.3, выполнена сферической с радиусом сферы R. Причем радиус R сферы 15 больше радиуса r сферической опорной поверхности 11 подпятника 4, так что выполняется соотношение: R>r.
На тороидальной поверхности 10 цапфы 2 выполнены канавки 16, наклоненные к оси 3 вращения ротора 1 в направлении нагнетания смазывающей жидкости 9 между тороидальной 10 и сферической 11 опорными поверхностям.
Глубина h сферической опорной поверхности 11 подпятника 4 составляет 0,7÷1,3 от величины радиуса r сферической опорной поверхности 11, так что выполняется соотношение: h=(0,7÷1,3)r.
При глубине h>r сферическая опорная поверхность 11 сопряжена с цилиндрической поверхностью 17 или конической поверхностью 18 с небольшой конусностью (показана на фиг.3 пунктиром).
Опора работает следующим образом.
При отсутствии вращения ротора 1 конец цапфы 2 с тороидальной поверхностью 10 погружен в смазывающую жидкость 9 и установлен на сферической опорной поверхности 11 подпятника 4. Контактные напряжения от осевой нагрузки вертикального ротора 1 распределены между сферической опорной поверхности 11 и тороидальной поверхностью 10 по кольцевой площадке. Площадь этой площадки значительно превышает площадь пятна контакта на поверхностях известной опоры, в результате чего уровень максимальных контактных напряжений в тороидальной опоре значительно меньше, чем в опоре с непритертыми сферическими поверхностями. При вращении ротора 1 с частотой 800-1200 Гц происходит увеличение температуры смазывающей жидкости на поверхностях контакта между тороидальной поверхностью 10 и сферической опорной поверхностью 11. Меньший уровень распределенных по большей площади контактных напряжений создает более равномерное распределение температур в зоне контакта тороидальной опоры, что снижает значение максимальных температур в смазывающей жидкости и повышает работоспособность опоры. Выполнение каналов 12 и 13 в подпятнике 4 опоры обеспечивает при вращении ротора 1 проток более холодной смазывающей жидкости в зону контакта с повышенной температурой и дополнительное охлаждение опоры, а выполнение канавок 16 на тороидальной поверхности 10 увеличивает скорость циркуляции масла через зону контакта, что снижает износ опоры и увеличивает ее работоспособность.
Кроме того, при выполнении подпятника 4 из лейкосапфира или рубина в сочетании, например, со стальной тороидальной поверхностью 10 цапфы 2 опорная пара имеет малый коэффициент трения и меньшую мощность трения и температуру в опоре.
Сопряжение сферической опорной поверхности 11 при ее увеличенной глубине с цилиндрической поверхностью 17 или конической поверхностью 18 обеспечивает предотвращение выскакивания конца цапфы 2 из подпятника 4 при больших радиальных нагрузках взаимодействия и неустойчивых режимах работы ротора, а установка подпятника опоры на демпфирующем элементе 5 дополнительно уменьшает радиальные нагрузки.
Конструкция опоры допускает изготовление опорной поверхности цапфы и подпятника без их взаимной притирки в индивидуальную пару, что снижает затраты на изготовление, а независимая установка элементов пары в опору при сборке или замене при ремонте снижает затраты на монтаж и эксплуатацию.