Подшипниковый узел опор гребных валов судовых валопроводов
BEARING UNIT FOR PROPELLER SHAFT SUPPORTS OF SHIP SHAFTING

Изобретение относится к машиностроению и предназначено для повышения надежности опор гребных валов судовых валопроводов.
Известен подшипник скольжения для применения при изготовлении опор гребных валов судовых валопроводов, включающий силовые слоистые и твердосмазочные элементы, обработанные по внутреннему диаметру в один размер, причем силовые слоистые элементы выполнены в форме цельной цилиндрической втулки, имеющей на части внутренней поверхности продольные пазы, в которых размещены и неподвижно закреплены с помощью заливочной композиции твердосмазочные элементы трапецеидальной формы, при этом втулка выполнена из слоистого материала, включающего армирующую ткань из углеродного волокна со средним размером кристаллитов по базисной плоскости 3,0-6,0 нм и толщиной пакета базисных плоскостей 1,0-4,0 нм и полимерное термореактивное связующее, например, эпоксидную и фенолформальдегидную смолу, а твердосмазочные элементы выполнены из наполненного сополимера политетрафторэтилена (см. патент РФ №2269683, МПК F16C 17/03, 2006 г.).
В качестве ближайшего аналога принят подшипниковый узел опор гребных валов судовых валопроводов, содержащий корпус в виде обечайки, через полость которой соосно и с возможностью вращения пропущен гребной вал, причем в кольцевом зазоре между обечайкой и гребным валом организован гидродинамический подшипник скольжения, состоящий из силовых слоистых и твердосмазочных сегментов, которые обработаны по внутреннему диаметру в один размер и закреплены на внутренней поверхности корпуса, при этом указанные сегменты ориентированы в продольном направлении и расположены с чередованием в поперечной плоскости корпуса симметрично относительно его центральной продольной оси (см. патент РФ №2598121, МПК F16C 17/03, 2016 г.).
Недостатки известных технических решений - высокие удельные давления на вкладыш, износ подшипника и вала.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является разработка подшипникового узла, обеспечивающего высокую несущую способность опор гребных валов судовых валопроводов в рабочем режиме, значительное снижение удельных давлений на сегменты гидродинамического подшипника скольжения и потерь на трение, а также улучшение виброакустических характеристик.
Технический результат предлагаемого технического решения выражается в обеспечении высокой несущей способности опор гребных валов судовых валопроводов, низких удельных давлениях на сегменты гидродинамического подшипника скольжения в рабочем режиме при уменьшении в нем потерь на трение.
Поставленная задача решается тем, что подшипниковый узел опор гребных валов судовых валопроводов, содержащий корпус в виде обечайки, через полость которой соосно и с возможностью вращения пропущен гребной вал, причем в кольцевом зазоре между обечайкой и гребным валом организован гидродинамический подшипник скольжения, состоящий из силовых слоистых и твердосмазочных сегментов, которые обработаны по внутреннему диаметру в один размер и закреплены на внутренней поверхности корпуса, при этом указанные сегменты ориентированы в продольном направлении и расположены с чередованием в поперечной плоскости корпуса симметрично относительно его центральной продольной оси, отличается тем, что корпус подшипникового узла выполнен из немагнитного материала и в его верхней части у одного из торцов в кольцевом зазоре между обечайкой и гребным валом дополнительно организован пассивный магнитный подшипник, состоящий из полюсов из материала с высокой магнитной проницаемостью и постоянных магнитов, намагниченных в тангенциальном встречном направлениях, которые ориентированы в продольном направлении и расположены с чередованием в поперечной плоскости корпуса симметрично относительно его центральной продольной оси, причем полюса пассивного магнитного подшипника жестко закреплены на внутренней поверхности корпуса с обеспечением контакта их боковых поверхностей с боковыми поверхностями смежных постоянных магнитов, кроме того, гребной вал выполнен из материала с высокой магнитной проницаемостью и дополнительно снабжен антикоррозионным покрытием из немагнитного материала, при этом обращенные к гребному валу внешние поверхности, образованные сегментами гидродинамического подшипника скольжения, а также полюсами и магнитами пассивного магнитного подшипника, выполнены с образованием соответствующих и сообщенных друг с другом рабочих кольцевых зазоров с поверхностью антикоррозионного покрытия гребного вала.
Кроме того, пассивный магнитный подшипник расположен со стороны гребного винта.
Кроме того, между гребным валом и его антикоррозионным покрытием размещена дополнительная облицовка, выполненная из стали с высокой магнитной проницаемостью.
Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения и существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом существенные признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признаки «корпус подшипникового узла выполнен из немагнитного материала и в его верхней части у одного из торцов в кольцевом зазоре между обечайкой и гребным валом дополнительно организован пассивный магнитный подшипник» создают замыкание магнитного потока и направление его основной части в зону рабочего кольцевого зазора между внешней поверхностью пассивного магнитного подшипника и поверхностью антикоррозионного покрытия гребного вала, что обеспечивает высокую несущую способность пассивного магнитного подшипника.
Признаки «[пассивный магнитный подшипник] состоит из полюсов из материала с высокой магнитной проницаемостью и постоянных магнитов, намагниченных в тангенциальном встречном направлениях, которые ориентированы в продольном направлении и расположены с чередованием в поперечной плоскости корпуса симметрично относительно его центральной продольной оси» позволяют сформировать эффективную магнитную систему пассивного магнитного подшипника.
Признак «полюса пассивного магнитного подшипника жестко закреплены на внутренней поверхности корпуса» обеспечивает восприятие значительных статических нагрузок от веса гребного винта и гребного вала полюсами пассивного магнитного подшипника и корпусом подшипникового узла.
Признаки «[полюса пассивного магнитного подшипника] закреплены с обеспечением контакта их боковых поверхностей с боковыми поверхностями смежных постоянных магнитов» обеспечивают формирование магнитной системы с тангенциальным направлением намагниченности пассивного магнитного подшипника.
Признак «гребной вал выполнен из материала с высокой магнитной проницаемостью» позволяет создать силу притяжения между полюсами пассивного магнитного подшипника и гребным валом и сформировать рабочий кольцевой зазор между обращенными друг к другу поверхностью антикоррозионного покрытия гребного вала и внешней поверхностью, образованной полюсами и магнитами пассивного магнитного подшипника.
Признак «[гребной вал] дополнительно снабжен антикоррозионным покрытием из немагнитного материала» обеспечивает антикоррозионную защиту гребного вала, позволяет сформировать рабочий кольцевой зазор между обращенными друг к другу поверхностью антикоррозионного покрытия гребного вала и внешней поверхностью, образованной сегментами гидродинамического подшипника скольжения, а также обеспечивает гладкую цилиндрическую поверхность гидродинамического подшипника скольжения.
Признаки «обращенные к гребному валу внешние поверхности, образованные сегментами гидродинамического подшипника скольжения, а также полюсами и магнитами пассивного магнитного подшипника, выполнены с образованием соответствующих и сообщенных друг с другом рабочих кольцевых зазоров с поверхностью антикоррозионного покрытия гребного вала» позволяют дополнительно к гидродинамическим силам использовать силы притяжения пассивного магнитного подшипника путем концентрации магнитного потока и направления основной его части в рабочий кольцевой зазор между обращенными друг к другу поверхностью антикоррозионного покрытия гребного вала и внешней поверхностью, образованной полюсами и магнитами пассивного магнитного подшипника, в результате чего возникают значительные силы притяжения, которые равны статической нагрузке, приходящейся на пассивный магнитный подшипник и, тем самым, позволяют компенсировать силу тяжести гребного винта и гребного вала.
Признак первого зависимого пункта формулы уменьшает расстояние между центром тяжести гребного винта и приложенной нагрузкой, то есть уменьшает консоль гребного винта на гребном валу.
Признак второго зависимого пункта формулы обеспечивает значительную силу притяжения пассивного магнитного подшипника.
На фиг. 1 показан продольный разрез подшипникового узла, на фиг. 2, фиг. 3 - поперечные разрезы по гидродинамическому подшипнику скольжения и пассивному магнитному подшипнику соответственно, на фиг. 4 изображена зависимость относительного эксцентриситета цапфы (гребного вала диаметром 520 мм) в гидродинамическом подшипнике скольжения от нагрузки на указанную цапфу при величине диаметрального рабочего кольцевого зазора между цапфой и сегментами указанного подшипника 0,102 мм, на фиг. 5 представлена зависимость мощности трения в гидродинамическом подшипнике скольжения от нагрузки на указанный подшипник, а на фиг. 6 изображена карта магнитного поля пассивного магнитного подшипника длиной 520 мм для гребного вала диаметром 520 мм.
На чертежах показаны корпус 1 подшипникового узла, гребной вал 2 судового валопровода, антикоррозионное покрытие 3 гребного вала 2, полюса 4 и постоянные магниты 5 пассивного магнитного подшипника, твердосмазочные 6 и силовые слоистые 7 сегменты гидродинамического подшипника скольжения, рабочие кольцевые зазоры 8 и 9, и левое 10 и правое 11 торцевые кольца.
Подшипниковый узел опор гребных валов судовых валопроводов включает корпус 1, выполненный в виде обечайки из немагнитного материала, например нержавеющей стали, через полость которой соосно и с возможностью вращения пропущен гребной вал 2.
Гребной вал 2 выполнен из материала с высокой магнитной проницаемостью, например магнитномягкой стали, и дополнительно снабжен антикоррозионным покрытием 3 из немагнитного материала, например бронзы.
В случае если гребной вал 2 выполнен из материала с низкой магнитной проницаемостью, между ним и антикоррозионным покрытием 3 можно разместить дополнительную облицовку (на чертежах не показана), выполненную из стали с высокой магнитной проницаемостью.
В кольцевом зазоре (на чертежах не обозначен) между корпусом 1 и гребным валом 2 организован гидродинамический подшипник скольжения, который состоит из твердосмазочных сегментов 6 - пластин, выполненных, например, из материала АНИТА-40, и силовых слоистых сегментов 7 - плит, выполненных из материала, например, ФУТ, которые обработаны по внутреннему диаметру в один размер.
Силовые слоистые 7 и твердосмазочные 6 сегменты закреплены на внутренней поверхности корпуса 1, ориентированы в продольном направлении и расположены с чередованием в поперечной плоскости корпуса 1 симметрично относительно его центральной продольной оси (на чертежах не обозначена).
В верхней части корпуса 1, у одного из торцов в кольцевом зазоре между обечайкой и гребным валом 2 дополнительно организован пассивный магнитный подшипник, состоящий из полюсов 4, выполненных из материала с высокой магнитной проницаемостью, например сплава 48 КНФ, и постоянных магнитов 5, выполненных из магнитожесткого материала, например, неодим-железо-бор, намагниченных в тангенциальном встречном направлениях намагниченности. Кроме того, пассивный магнитный подшипник расположен в кормовой оконечности судна со стороны гребного винта.
Полюса 4 пассивного магнитного подшипника жестко закреплены на внутренней поверхности корпуса 1 с обеспечением контакта их боковых поверхностей с боковыми поверхностями смежных постоянных магнитов 5, причем полюса 4 и постоянные магниты 5 ориентированы в продольном направлении, расположены с чередованием в поперечной плоскости корпуса 1 симметрично относительно его центральной продольной оси.
Внешняя поверхность, образованная полюсами 4 и магнитами 5 пассивного магнитного подшипника и обращенная к гребному валу 2, выполнена с образованием рабочего кольцевого зазора 8 с поверхностью антикоррозионного покрытия 3 гребного вала 2.
Внешняя поверхность, образованная сегментами 6 и 7 гидродинамического подшипника скольжения и обращенная к гребному валу 2, выполнена с образованием рабочего кольцевого зазора 9 с поверхностью антикоррозионного покрытия 3 гребного вала 2.
При этом рабочие кольцевые зазоры 8 и 9 сообщены друг с другом.
Изготавливают и собирают подшипниковый узел опор гребных валов судовых валопроводов следующим образом.
Изготавливают корпус 1 подшипникового узла в виде обечайки и гребной вал 2 с антикоррозионным покрытием 3.
Изготавливают полюса 4 пассивного магнитного подшипника, размещают их внутри корпуса 1 равномерно по окружности и симметрично относительно его центральной продольной оси и скрепляют их с ним, например сваркой.
В корпусе 1 с ориентацией в продольном направлении и чередованием в его поперечной плоскости и симметрично относительно его центральной продольной оси располагают силовые слоистые 7 и твердосмазочные 6 сегменты гидродинамического подшипника скольжения, которые закрепляют на внутренней поверхности корпуса 1.
Между полюсами 4 пассивного магнитного подшипника вклеивают постоянные магниты 5. Собранные комплекты подшипников фиксируют по торцам правым 11 и левым 10 торцевыми кольцами.
Собранный подшипниковый узел опор гребных валов судовых валопроводов устанавливают в кормовую оконечность судна и закрепляют.Устанавливают гребной вал и гребной винт.
Подшипниковый узел опор гребных валов судовых валопроводов работает следующим образом.
Постоянные магниты 5 и полюса 4 пассивного магнитного подшипника рассчитываются и устанавливаются с таким расчетом, чтобы сила притяжения, направленная по вертикальной оси вверх от ее действия, была приблизительно равна сумме сил тяжести гребного винта и гребного вала, а сумма горизонтальных составляющих этой силы равнялась нулю.
В качестве смазки гидродинамического подшипника скольжения гребного вала 2 используется вода.
При вращении гребного вала 2 в рабочем кольцевом зазоре 9 образуется смазочный клин между втулкой, образованной твердосмазочными 6 и силовыми слоистыми 7 сегментами гидродинамического подшипника скольжения, и антикоррозионным покрытием 3 гребного вала 2.
В результате вращения гребной вал 2 всплывает на смазочном слое.
Вертикальные составляющие сил притяжения действуют в рабочем кольцевом зазоре 8 между гребным валом 2 и полюсами 4, воспринимают статическую нагрузку на пассивный магнитный подшипник от веса гребного винта и гребного вала 2, уменьшают относительный эксцентриситет гребного вала 2 в гидродинамическом подшипнике скольжения и, тем самым, существенно уменьшают удельное давление на твердосмазочные 6 и силовые слоистые 7 сегменты, уменьшают их износ, существенно уменьшают потери на трение в подшипниковом узле, улучшают виброакустические характеристики.
На фиг. 5 видно, что с ростом нагрузки (эксцентриситета цапфы (гребного вала)) на гидродинамический подшипник скольжения мощность трения увеличивается в два раза.
Учитывая то, что в разработанном подшипниковом узле относительный эксцентриситет будет близок к нулю (за счет магнитных сил пассивного магнитного подшипника), то и трение в таком подшипниковом узле будет в два раза меньше, а при минимальном эксцентриситете удельные нагрузки на сегменты гидродинамического подшипника скольжения будут минимальны, как и их износ.
Фиг. 5. Зависимость мощности трения в подшипнике от нагрузки на цапфу.
На фиг. 6 представлена карта магнитного поля пассивного магнитного подшипника. Расчеты показывают, что при длине пассивного магнитного подшипника равной 520 мм вертикальная составляющая магнитной силы этого подшипника составляет 175,99 кН, что компенсирует нагрузку от веса гребного винта.