Сейсмозащитная платформа
EARTHQUAKE PROTECTION PLATFORM

Изобретение относится к машиностроению, в частности к средствам сейсмо- и виброзащиты электрического, электронного, оптического и другого оборудования, которое чувствительно к промышленной вибрации, сейсмическим и техногенным воздействиям, действующим на оборудование одновременно в вертикальном и горизонтальном направлении.
Уровень техники
Известны демпфирующие основания, которые защищают оборудование от сейсмики и вибрации, которые содержат неподвижное основание, подвижную платформу для крепления защищаемого оборудования, устройства компенсации вертикальных и горизонтальных перемещений, например, сейсмоударная платформа по патенту RU №2178845, кл. F16F 7/14, опубл. 27.01.2002, которая защищает оборудование одновременно от вертикальных и горизонтальных перемещений. Недостатком данного технического решения является тот факт, что платформа имеет габаритные размеры, превышающие габариты защищаемого оборудования. В связи с чем, такие платформы затруднительно применять для защиты секций шкафов.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предложенного изобретения является сейсмозащитная платформа, содержащая неподвижное основание, подвижную горизонтальную платформу для крепления защищаемого оборудования, устройства компенсации вертикальных и горизонтальных перемещений, устройство защиты от опрокидывания, при этом что подвижная горизонтальная платформа размещена на основании через узлы качения (RU №131108 U1, кл. F16F 7/14, опубл. 10.08.2013). Указанная платформа эффективно защищает оборудование одновременно в вертикальном и горизонтальном направлении, но при этом имеет ограниченный ресурс горизонтальной компенсации при эксплуатации в зоне интенсивной промышленной вибрации.
Ограничение ресурса сейсмозащитной платформы по прототипу связано с тем, что металлический узел качения теряет способность компенсации при продолжительном воздействии интенсивной промышленной вибрации из-за адгезионного износа металла в опорных поверхностях, в результате которого происходит повреждение (поверхностное разрушение, трещины, износ и т.д.) поверхностей, которые препятствуют свободному качению шарика.
Раскрытие изобретения
Суть технической проблемы заключается в следующем.
В современной промышленности в качестве опор оборудования зачастую используют подшипники качения. В процессе эксплуатации подшипник качения подвергается комплексному воздействию ряда факторов, которые приводят к преждевременному разрушению деталей подшипника и их износу. Как известно, адгезионный износ является одним из самых распространенных и неизбежных видов износа (Марченко Е.А. «О природе разрушения металлов при трении», Москва, Наука, 1979). Износ возникает тогда, когда в подшипник проникают инородные частицы или имеет место недостаточное смазывание в подшипниках качения, при этом износ может быть также следствием вибраций не вращающегося подшипника (Каталог SKF АВ.2002 г., Санкт-Петербург, «Повреждения подшипников качения и их причины»).
Адгезионный износ в сейсмозащитной платформе вызван тем, что металлические поверхности шарика и опор работают под большим контактным давлением в стационарно-колебательном режиме на очень маленькой площадке зоны контактирования, при этом за счет давления образуется деформация и разрушение контактных пятен, покрытых окислами, а металлические контактные пятна, которые освободились от окисных пленок деструктируют за счет процесса периодического схватывания. Диаметр контактной площадки в узлах качения, в которой происходит качение шарика и, соответственно, адгезионный износ при промышленной вибрации, не превышает 10 мм, т.к. амплитуда перемещения при промышленной частоте не превышает 10 мм. При этом, при данной амплитуде происходит до одного миллиарда колебаний в год. Фактическая площадь опорных поверхностей узла качения значительно больше ввиду того, что требуется предусмотреть защиту оборудования от ударов и сейсмических воздействий со значительно большей амплитудой перемещения. Однако, поскольку такие воздействия происходят крайне редко, адгезионный износ не происходит за пределами зоны перемещений диаметром до 10 мм, которая определяется максимальной амплитудой перемещений при промышленной вибрации.
Задачей настоящего изобретения является устранение адгезионного износа в узлах качения и, как следствие, повышение надежности сейсмозащитной платформы за счет сохранения работоспособности узлов компенсации горизонтального перемещения при интенсивной вибрации и значительной массе защищаемого оборудования.
Технический результат предложенного решения заключается в увеличении срока эксплуатации сейсмозащитных платформ, работающих в условиях интенсивной промышленной вибрации. Продление срока эксплуатации сейсмозащитных платформ актуально для ответственных объектов, имеющих зоны ограниченного обслуживания и длительный срок эксплуатации (например, АЭС), а также объектов имеющих встроенные мощные источники вибрации (насосные станции, вентиляторы, кондиционеры и т.д.).
Технический результат достигается тем, что сейсмозащитная платформа, содержит подвижную горизонтальную платформу (6) для крепления защищаемого оборудования (5) и основание (10), которые подвижно соединены между собой посредством устройств компенсации вертикальных перемещений (7), устройств компенсации горизонтальных перемещений (8) и устройств защиты от опрокидывания (9), при этом устройства горизонтальных перемещений содержат шариковые опорные узлы, в которых имеются подвижно связанные через шарик верхняя и нижняя опорные части, причем поверхности опорных частей в зоне контакта с шариком имеют форму вогнутой сферы, переходящей в коническую поверхность с углом наклона, тангенс которого меньше коэффициента трения скольжения между опорной поверхностью и шариком, при этом материалы шарика и поверхностей опорных частей в зоне контакта с шариком являются разнородными.
Шарик выполнен из стали.
Поверхности опорных частей в зоне контакта с шариком выполнены в виде твердого неметаллического покрытия на твердой опоре из металла, которое препятствует адгезионному износу металла опоры под давлением.
Поверхности опорных частей в зоне контакта с шариком выполнены в виде керамических вкладышей на твердой опоре из металла, которые препятствуют адгезионному износу металла опоры под давлением.
Решение поставленной задачи должно быть комплексным, т.к. для компенсации горизонтальных перемещений необходимо обеспечить жесткий контакт опор и шарика, но при этом форма опорной поверхности должна иметь нижнюю точку, куда возвращается шарик после горизонтального перемещения за счет силы тяжести, но тангенциальная компонента силы притяжения должна быть меньше силы трения скольжения шарика с учетом силы трения качения, чтобы обеспечивалось 2 условия:
Условие №1:
тр.с
тр.к
К - К + tgα, где
тр.с
К - коэффициент трения скольжения опоры и шарика;
тр.к
тр.к
К - К - коэффициент трения качения опоры и шарика;
tgα - тангенс угла наклона касательной к поверхности опоры в зоне контакта с шариком.
тр.с
тр.к
Например для случая, когда шарик из стали ШХ15, а опоры из циркониевой керамики, то К=0,3; К=0,01, тогда tgα≤0,29, т.е. α≤16°.
Условие №2:
- адгезионный износ не должен увеличивать коэффициент трения качения шарика по опоре, т.к. это может привести к нарушению условия №1, поэтому адгезионный износ должен быть устранен за счет использования разнородных контактирующих материалов. Коэффициент трения качения существенно зависит от шероховатости контактирующих поверхностей, которые изначально имеют шероховатость Ra=2,5 - 0,25, но при адгезионном износе шероховатость резко увеличивается за счет периодического «схватывания» и разрушения контактных пятен.
Поставленная задача также решается за счет внедрения твердых неметаллических материалов в зону контакта опор узла горизонтальной компенсации. Именно внедрение неметаллических материалов в зону контакта снижает склонность к изнашиванию, так как уменьшаются силы молекулярного сцепления на поверхности раздела двух деталей (металлических и неметаллических) за счет сильного различия между природой и структурой материалов.
Дополнительно поставленная задача решается использованием специальной формы опор, которая, для увеличения жесткости контакта имеет в зоне компенсации перемещений от промышленной вибрации сферическую поверхность, а в зоне компенсации больших перемещений от сейсмики и ударов имеет коническую форму.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 -  устройство компенсации горизонтальных перемещений (узел качения);
Фиг. 2 - устройство компенсации горизонтальных перемещений с дополнительными керамическими вкладышами;
Фиг. 3 - устройство компенсации горизонтальных перемещений с неметаллическим твердым покрытием;
Фиг. 4 - сейсмозащитная платформа, общий вид.
Осуществление изобретения
Сейсмозащитная платформа содержит неподвижное основание (10), подвижную горизонтальную платформу (6) для крепления защищаемого оборудования (5), устройства компенсации вертикальных перемещений (7) и устройства компенсации горизонтальных перемещений (8), устройство защиты от опрокидывания (9).
Устройства компенсации вертикальных перемещений (7) выполнены в виде опорных пружин сжатия, расположенных и закрепленных на устройствах компенсации от горизонтальных перемещений (8).
Устройство защиты от опрокидывания (9) представляет собой винты, закрепленные на подвижной платформе (6) и на неподвижной платформе (10), которые соединены прочными эластичными канатами с припуском 100 мм. Канаты не мешают рабочим перемещениям при компенсации вибрации с амплитудой относительного перемещения до 100 мм, но предотвращают опрокидывание от внешнего случайного воздействия со стороны персонала, если относительное перемещение будет более 100 мм.
Соединение между платформой (6) и устройствами горизонтальных перемещений
(8) осуществляется через устройства компенсации вертикальных перемещений (7), выполненные в виде опорных пружин сжатия, расположенных и закрепленных на устройствах компенсации от горизонтальных перемещений (8).
Соединение между неподвижным основанием (10) и устройствами горизонтальных перемещений (8) осуществляется через опоры качения, выполненные в виде шариков (2), при этом шарики катается между подвижной опорной поверхностью, выполненной в виде керамического вкладыша (3) и неподвижными опорными поверхностями, выполненными в виде сферической неподвижной поверхности, жестко закрепленными на неподвижном основании (10). Количество шариков обычно - 4 шт, но не обязательно.
Устройства компенсации горизонтальных перемещений представляют собой узлы качения - шариковые опорные узлы, конструкция которых более детально раскрыта на фиг. 1-3.
Шариковые опорные узлы представляют собой опорные части (верхняя и нижняя), которые взаимодействуют друг с другом через шарик так, что их смещение происходит только в горизонтальном направлении. Опорные части в свою очередь имеют опорные поверхности (1).
2
2
По существу, узел качения образован двумя опорными поверхностями (1), которые находятся в контакте с шариком (2) и имеют форму сегмента сферы (обозначенный позицией D на чертеже 1), переходящего в конус. Конус имеет угол α наклона, тангенс которого меньше коэффициента трения скольжения между опорной поверхностью и шариком, при этом максимальный диаметр сегмента сферической поверхности должен быть больше чем величина амплитуды максимального перемещения при промышленной вибрации. Для защиты оборудования, подверженного вибрации с амплитудой ускорения до 10 м/с, диаметр сегмента принимают 10 мм, для случаев работы оборудования при промышленной вибрации более 10 м/с диаметр сегмента выбирают из соотношения:
D≥А, где
D - диаметр сегмента сферической поверхности в мм;
2
А - амплитуда виброускорения, заданная по группе механического исполнения для синусоидальной вибрации в м/с.
2
Например, для группы механического исполнения М5 по ГОСТ17516.1: - амплитуда виброускорения для синусоидальной вибрации указана 20 м/с, поэтому диаметр сегмента сферической поверхности должен быть ≥ 20 мм.
Угол «α» определяет пространственное расположение образующей конической поверхности.
Для компенсации горизонтальных перемещений необходимо обеспечить жесткий контакт опор и шарика. Форма опорной поверхности должна иметь нижнюю точку, куда возвращается шарик после горизонтального перемещения за счет силы тяжести, но тангенциальная компонента силы притяжения должна быть меньше силы трения скольжения шарика с учетом силы трения качения, чтобы обеспечивалось 2 условия:
Условие №1:
тр.с
тр.к
К - К + tgα, где
тр.с
К - коэффициент трения скольжения опоры и шарика;
тр.к
тр.к
К - К - коэффициент трения качения опоры и шарика;
tgα - тангенс угла наклона касательной к поверхности опоры в зоне контакта с шариком.
Условие №2:
- адгезионный износ не должен увеличивать коэффициент трения качения шарика по опоре, т.к. это может привести к нарушению условия №1.
На фиг. 2 показана дополнительная установка вкладышей (3) из высокопрочной керамики, например, на основе диоксида циркония (см. ООО «Вирал», каталог 2017 г. Подшипники из современной керамики и твердых сплавов) или карбида вольфрама (см. Журнал технической физики, 2018, том 88, вып. 3 А.С.Савиных и др., Влияние содержания кобальта на прочностные свойства керамики на основе карбида вольфрама.) для платформ с незначительными горизонтальными перемещениями узла качения.
Керамика на основе диоксида циркония более технологична, т.к. формирование опорных поверхностей опор качения осуществляется широко распространенным методом
- прессование в формах при температуре более 1300°C.
Для платформ со значительными горизонтальными перемещениями узла качения, где керамический вкладыш устанавливать нецелесообразно из-за хрупкости керамики, задача решается путем нанесения на опорные поверхности твердого неметаллического покрытия (4), например, нанопокрытия на основе кубического нитрида бора (по ГОСТ 54473) или нитрида титана (см. Труды ВИАМ, Д.А. Александров, ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ НИТРИДОВ ТИТАНА), как показано на фиг. 3.
Нанесения на опорные поверхности твердого неметаллического покрытия (4) наиболее технологично выполнять методом напыления нитридов бора или нитридов титана в вакууме.
Внедрение твердых неметаллических материалов в узлы качения показано на фиг. 2 и фиг. 3.
Платформа установлена между полом и защищаемым оборудованием, поэтому, когда пол начинает вибрировать, то вместе с полом начинает вибрировать неподвижное основание (10). Вибрация пола имеет вертикальную компоненту и горизонтальную компоненту. Задача сейсмозащитной платформы - экранировать вибрацию пола с помощью устройств компенсации горизонтальных перемещений (8) и устройств вертикальных перемещений (7). Защищаемое оборудование имеет массу и соответствующую инерцию, поэтому горизонтальные перемещения компенсируются за счет возвратно-поступательного горизонтального качения шарика по опорной поверхности неподвижной платформы (10), а вертикальное перемещение компенсируется за счет сжатия-растяжения опорных пружин устройстве компенсации вертикальных перемещений. Таким образом защищаемое оборудование за счет собственной инерции остается неподвижным, т.е. экранируется от вибрации в вертикальном и горизонтальном направлении. В устройствах вертикальной компенсации (7) установлены стандартные пружины сжатия. А в устройствах горизонтальной компенсации (8) расположены шарик (2) и опорные поверхности.
Именно за счет наличия в платформе опорных поверхностей сферически- конической формы (1), а также за счет керамических вкладышей (3) и/или неметаллического твердого покрытия (4), обеспечивается длительный режим эксплуатации в условиях интенсивной промышленной вибрации и при этом защищают оборудование от ударов и сейсмических воздействий со значительной амплитудой перемещения.