Подшипниковый узел ротора винтового компрессора
HELICAL COMPRESSOR ROTOR BEARING ASSEMBLY

Изобретение относится к области компрессоростроения, преимущественно к винтовым компрессорам, в частности к подшипниковым узлам ротора винтового компрессора.
В конструкции винтовых компрессоров в качестве опор роторов, в зависимости от их нагрузок, используются подшипники качения и подшипники скольжения. При прочих равных условиях подшипники качения обладают собственными основными преимуществами. Так у данного типа подшипников коэффициент трения качения на порядок меньше коэффициента трения скольжения, поэтому и расход масла значительно меньше, чем на подшипники скольжения. Как следствие, это уменьшает габариты элементов системы смазки, повышает удобство обслуживания и ремонта. Также подшипники скольжения имеют относительно невысокую стоимость.
В зависимости от воспринимаемой в компрессоре нагрузки подшипники качения подразделяются на радиальные (опорные) и осевые (упорные) подшипники. Опорные и упорные подшипники собираются в пакет (подшипниковый узел) образующий достаточно жесткую конструкцию.
Надежность подшипников качения, при прочих равных условиях, в значительной мере зависит от точности изготовления посадочных поверхностей под их установку. При изготовлении корпусов компрессоров, а также подшипниковых шеек, роторов винтовых компрессоров и других машин, всегда имеются погрешности от их идеальной геометрической формы и взаимного расположения посадочных мест подшипников на валах и корпусах.
Накопление погрешностей значительно снижает реальную площадь контакта упорных поверхностей подшипника, что является причиной вибрации, щелевой фреттинг-коррозии и, как следствие, преждевременного выхода из строя подшипников.
Известен подшипниковый узел ротора винтового компрессора, содержащий установленные в линию опорный роликовый подшипник, воспринимающий радиальные нагрузки, и упорные шариковые подшипники, воспринимающие осевые нагрузки, между которыми устанавливается форсунка подачи масла. Данные элементы образуют единый пакет. [И.Г. Хисамеев, В.А. Максимов. Двухроторные винтовые и прямозубые компрессоры: теория, расчет и проектирование. Казань: изд-во «Фэн», 2000 - 638 с. - JSBN5-7544-0153-1, с. 19-20].
В данной конструкции радиально-упорные шарикоподшипники внутренней обоймой устанавливаются на вал по переходной посадке, их наружные обоймы являются свободными. Опорный роликовый подшипник внутренней обоймой устанавливается по посадке с натягом, а наружной обоймой по переходной посадке для возможности монтажа/демонтажа и повторного использования подшипников. Таким образом радиально-упорные шарикоподшипники находятся под действием осевого предварительного натяга.
Недостатком данного подшипникового узла является зависимость рабочего ресурса подшипников от точности изготовления установочных поверхностей.
Поскольку требования к точности обработки поверхностей под установку подшипников достаточно жесткие, они не всегда могут быть выдержаны на предприятии-изготовителе, особенно когда обработка расточек корпуса компрессора под подшипники ведутся консольно на достаточно большой длине.
Основной погрешностью, влияющей на работоспособность подшипников, является несоосность мест под установку подшипников на валу и корпусе. Эта погрешность приводит к перекосу ротора.
Для винтовых компрессоров следует различать два вида перекоса ротора:
1. Перекос ротора в результате изготовления компрессора;
2. Перекос ротора при работе компрессора, за счет прогиба ротора под действием на нем циклической нагрузки от радиальной газовой силы.
Способность радиально-упорного подшипника компенсировать угловой перекос наружного кольца по отношению к внутреннему, как следствие ошибок в соосности расточек и прогиба ротора при работе компрессора, ограничена тремя угловыми минутами (в соответствии с рекомендациями производителя подшипников).
Изначальный перекос, полученный на упорной поверхности расточки корпуса компрессора, приводит к перекашиванию наружной обоймы упорного роликового подшипника и упорных шариковых подшипников относительно внутренней обоймы. Образовавшийся угловой перекос может компенсироваться только усилием, возникающим между шариками и дорожками качения, в результате чего возрастают нагрузки на шарики и сепаратор. В результате перекосов возрастают потери на трение подшипников, увеличивается расход масла на подшипники, возникает повышенный износ дорожек шарикоподшипников, вибрация, шум, что приводит к сокращению срока службы подшипников. Дополнительным фактором, снижающим ресурс подшипников является щелевая фреттинг-коррозия между валом и внутренней обоймой упорного подшипника, возникающая в результате вибрационного движения с микроскопической амплитудой и прогиба консоли ротора при работе компрессора вследствие недостаточной жесткости.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение надежности работы подшипникового узла ротора винтового компрессора и увеличение его рабочего ресурса, за счет обеспечения компенсации перекосов упорных поверхностей, возникающих при их изготовлении, а также в результате прогиба вала ротора при работе компрессора.
Технический результат достигается тем, что подшипниковый узел винтового компрессора, содержащий последовательно установленные опорный роликовый подшипник и радиально-упорные подшипники качения с предварительным натягом содержит два самоустанавливающихся элемента, установленных с обеих сторон от радиально-упорных подшипников качения и выполненных в виде двух втулок, сопряженных друг с другом по сферической поверхности, центр которой находится на оси ротора, причем одна из втулок выполнена с форсункой для подвода масла в подшипники качения и сообщенной с ней диаметральной канавкой, выполненной на сферической поверхности втулки.
Установка с двух сторон от радиально-упорных подшипников качения самоустанавливающихся элементов, выполненных в виде двух втулок, сопряженных друг с другом по сферической поверхности, и выполнение одной из втулок самоустанавливающегося элементы с форсункой для подвода масла в подшипники качения и связанной с этой форсункой диаметральной канавкой, выполненной на сферической поверхности втулки, центр которой находится на оси ротора, обеспечивает подвижность самоустанавливающихся элементов относительно друг друга, что позволяет при возникновении прогибов ротора во время работы компрессора, компенсировать перекосы упорных поверхностей, обеспечивая при этом плотное прилегание и жесткую связь всей цепочки подшипников в линейном направлении.
Сущность изобретения поясняется графически на фиг. 1 представлен продольный разрез предлагаемого подшипникового узла винтового компрессора; на фиг. 2 - вид А фиг. 1; на фиг. 3 - вид Б фиг. 3; на фиг. 4 представлена общая схема ротора винтового компрессора на опорах.
Подшипниковый узел винтового компрессора содержит опорный роликовый подшипник 1, ряд радиально-упорных подшипников качения 2, и два самоустанавливающихся элемента 3 и 4 (фиг. 1). Самоустанавливающийся элемент 3 размещается на роторе между наружными обоймами опорного роликового подшипника 1 и соседнего с ним радиально-упорного подшипника качения 2, а самоустанавливающийся элемент 4 установлен по другую сторону от радиально упорных подшипников 2 между наружной обоймой крайнего из подшипников 2 и тарельчатой пружиной 5.
сф
Самоустанавливающийся элемент 3 (Фиг. 2) состоит из двух частей: втулок 6 и 7 сопряженных по сферической поверхности радиусом R, центр которой находится на оси ротора (фиг. 4). Втулка 6 выполнена с форсункой 8 и имеет плоскую упорную поверхность с одной стороны и выпуклую сферическую поверхность с другой стороны. Втулка 7 имеет ответную втулке 6 вогнутую сферическую поверхность с одной стороны и плоскую упорную поверхность с другой стороны. На сферической поверхности втулки 6 выполнена диаметральная канавка 9, сообщенная с форсункой 8. Конструкция самоустанавливающегося элемента 4 аналогична конструкции самоустанавливающегося элемента 3. Самоустанавливающийся элемент 4 (Фиг. 3) состоит из втулки 10 с форсункой 11 и с сообщенной с ней диаметральной канавкой 12 и втулки 13.
При работе винтового компрессора на роторы действуют осевые и радиальные нагрузки. Под воздействием радиальных сил на консольной части ротора под действием циклической нагрузки от радиальных газовых сил  возникают прогибы 16 (фиг. 4).
Смещение внешней обоймы опорного роликового подшипника 1, в следствии отклонения от допуска перпендикулярности опорной поверхности расточки корпуса 14 подшипника, будет скомпенсировано за счет прилегания втулки 6 к подшипнику 1, а требуемая перпендикулярность упорной поверхности под установку радиально - упорного шарикоподшипника 2 будет обеспечена плотным прилеганием втулки 6 к втулке 7 по сферической поверхности. Подвижность втулок 6 и 7 относительно друг друга обеспечивается за счет смазывания их зоны контакта рабочим маслом из диаметральной канавки 9, связанной с форсункой 8, которая, в свою очередь, связана с системой 15 подачи масла в подшипниковый узел.
Плотное прилегание тарельчатой пружины 5 и жесткость подшипникового узла осуществляется установкой сопряженных по сферической поверхности втулок 10 и 13.
Таким образом, самоустанавливающиеся элементы 3 и 4 за счет подвижности в них втулок 6,7,10,13 позволяют устранить погрешности изготовления, обеспечить требуемую перпендикулярность упорных поверхностей подшипников, плотное прилегание элементов подшипникового узла и сохранение жесткой связи при перекосах поверхностей. Данная конструкция позволяет обеспечить допустимые значения по смещению наружного кольца шарикоподшипника относительно внутреннего, что способствует равномерному распределению нагрузки на шарики и улучшению вибросостояния компрессора в целом. Снижение микровибраций внутреннего кольца подшипников исключает образование фреттинг-коррозии на шейках вала компрессора и внутренней обоймы подшипника, что способствует увеличению долговечности элементов компрессора и надежности компрессора в целом.