УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ПОДШИПНИКОВ ВАРИАТОРА СИНХРОЦИКЛОТРОНА

Полезная модель относится к ускорительной технике и радиотехнике и предназначена для защиты подшипников вала вариатора синхроциклотрона от электрокоррозии из-за протекания по ним высокочастотных токов.
Одним из основных элементов синхроциклотрона (СЦ) является его вариатор частоты, функциональное назначение которого - изменение резонансной частоты дуантной системы СЦ в соответствии с релятивистским возрастанием массы ускоряемых протонов.
Конструктивно вариатор представляет собой пластинчатый конденсатор, состоящий из неподвижных и подвижных пластин, приводимых во вращение электродвигателем. Назначение и конструктивная схема вариатора СЦ аналогична пластинчатому конденсатору радиоприемника 30-50-х годов. При угловом перемещении подвижных пластин вариатора относительно его неподвижных пластин происходит изменение собственной частоты резонансного контура дуанта.
-6
-7
Отметим, что масса вариаторов для синхроциклотронов ~ 500÷2000 кг, скорость вращения вала вариатора обеспечивает 50÷300 циклов изменения емкости вариатора от min до max в секунду. Напряжение на пластинах вариатора 10-30 кВ при частоте 10÷30 мГц. Вся конструкция вариатора работает в вакууме (~10÷10 Hg) ускорительной камеры СЦ.
Подвижные пластины вариатора, расположенные на его вращающемся валу, должны находиться под «нулевым» потенциалом земли. Поэтому единственным путем для кондуктивного заземления вала остаются подшипники вала, через контактные пары которых (шарик - обойма) протекают высокочастотные токи, что приводит их к электрокоррозии и выходу из строя. Поэтому для защиты подшипников вариатора используются различные устройства и, как правило, используется аппаратура контроля за вибрацией и состоянием подшипников (И.Ф. Малышев, В.И. Перегуд, Ю.В. Спирченко, Р.В. Чвартацкий. «Вопросы механики при создании вариатора частоты сильноточного фазотрона ОИЯИ». Труды IV Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. Наука, М. 1975, т. 1, с. 238-241) [1], (В.И. Перегуд, Ю.В. Спирченко, Р.В. Чвартацкий. «Разработка опоры ротора». Труды V Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. Наука, М. 1975, т. 1, с. 166.) [2], (В.А. Богач, А.Т. Василенко, Л.М. Онищенко. «О критериях вибродиагностики вариатора частоты фазотрона». Препринт ОИЯИ, 9-89-199, Дубна, 1989) [3].
В качестве аналога укажем на устройство защиты подшипников вариатора синхроциклотрона 600 МэВ, ОИЯИ, Дубна (К.А. Бойчер, А.В. Богомолов, А.Т. Василенко и др. «Новый вариатор синхроциклотрона лаборатории ядерных проблем ОИЯИ с увеличенным рабочим ходом». Труды IV Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, Наука, М. 1975, т. 1, с. 234-237.) [4]. В аналоге для снижения величины «заземляющего» тока через подшипники вариатора используется дополнительная электроемкость, электрически включенная параллельно подшипнику. Эта электроемкость конструктивно образована лопатками многолепесткового вариатора (в аналоге лопаток 10 штук), не участвующими в перестройке частоты дуанта и остающимися свободными. Эти лопатки входят в емкостное зацепление с «земляными» пакетами вариатора (синонимы: статорные пакеты, коллекторный конденсатор) и представляют собой конденсатор, электрически подсоединяемый параллельно подшипникам.
Недостатками устройства-аналога является существенное усложнение конструкции вариатора СЦ и неэффективная защита подшипников из-за протекания по ним оставшейся части заземляющего тока.
В качестве прототипа выбрано устройство защиты подшипников, использованное на синхроциклотроне 1000 МэВ ПИЯФ НИЦ КИ, Гатчина (Н.К. Абросимов, Г.Ф. Михеев. «Радиотехнические системы синхроциклотрона Петербургского института ядерной физики». Гатчина, 2012, с. 226-229, Рис. 6.1, 6.2, 6.3.) [5].
Устройство-прототип защиты подшипников вариатора СЦ состоит из конденсатора (электроемкости), подсоединенного параллельно каждому из подшипников вала вариатора.
Работа устройства защиты заключается в шунтировании подшипников электроемкостью конденсатора, чтобы большая часть заземляющего высокочастотного тока протекала через конденсатор, а не через подшипник, и тем самым защищало его от электрокоррозии.
Рассмотрим подробно конструктивные особенности и недостатки устройства-прототипа. Вал вариатора вращается на двух подшипниках. С внутренней стороны каждого из подшипников расположен защищающий его конденсатор. Этот конденсатор представляет собой конструкцию из набора цилиндрических пластин разных диаметров, вставленных друг в друга с зазором. Половина из этого набора пластин образует один из полюсов конденсатора и наглухо насажена на вал, и вращается вместе с ним, другая половина пластин образует противополярный полюс конденсатора и закреплена на неподвижной опоре. Зазор между поверхностями цилиндрических пластин образует электроемкость постоянной величины, а сам конденсатор оказывается электрически подсоединенным параллельно подшипнику.
Устройство-прототип работает следующим образом. Конденсатор шунтирует подшипник и тем самым уменьшает величину высокочастотного тока, протекающего через контактные пары подшипника, защищая его от электрокоррозии.
Недостатком устройства-прототипа является отсутствие возможности оперативной регулировки зазоров между цилиндрическими поверхностями конденсатора, как во время его эксплуатации, так и после ремонта.
Действительно, чем меньше зазор между цилиндрами, тем больше электроемкость конденсатора и тем эффективнее защита подшипника. С другой стороны, минимально возможная величина зазора связана с величиной пробивного напряжения, которое ограничивает величину ускоряющего напряжения дуанта. Для оптимальной защиты подшипника необходимо при разных напряжениях на дуанте иметь оперативную регулировку зазора между пластинами конденсатора.
Регулировку зазора необходимо также иметь и в случае ремонтного восстановления зазора отработавшего свой ресурс подшипника. Из-за электрокоррозии после ремонтной проточки и полировки поверхностей цилиндрических пластин конденсатора увеличивается величина зазора между ними, поэтому для восстановления его прежней величины требуется регулировка зазора между пластинами конденсатора.
Техническим эффектом новой полезной модели является обеспечение оперативной регулировки величины зазоров между разнополярными пластинами конденсаторов в устройстве защиты подшипников вариатора синхроциклотрона.
Технический результат достигается тем, что в устройстве защиты подшипников вариатора синхроциклотрона, состоящем из конденсаторов, расположенных перед каждым из подшипников, выполненных в виде двух разнополярных наборов цилиндрических пластин разных диаметров, вставленных друг в друга с зазором, где половина из этого набора пластин наглухо насажена на вал и вращается вместе с ним, а другая половина пластин закреплена на неподвижной опоре, новым является то, что стенки обоих наборов пластин сужаются от основания к вершине так, что в поперечном сечении имеют форму равнобоких трапеций и образуют систему конических цилиндров, входящих в зазоры друг друга, причем, вращающийся набор конических цилиндров выполнен подвижным вдоль оси вала вариатора за счет его винтовой посадки на вал, для чего на валу и в отверстии его основания сделана винтовая нарезка, а для сцепления его с валом использована контргайка.
Предлагаемая полезная модель приведена на Фиг. 1, где а - схематичное изображение устройства защиты одного из подшипников вариатора, б - одна из пар конусных цилиндров конденсатора:
1. Вал вариатора.
2. Подшипник вала вариатора.
3. Неподвижная станина (земля).
4. Конденсатор защиты подшипника.
4а. Вращающая часть конденсатора 4.
4б. Неподвижная часть конденсатора 4.
5а. Основание конических цилиндров вращающейся части конденсатора 4.
5б. Основание конических цилиндров неподвижной части
конденсатора 4.
6а. Набор вращающихся концентрических конических цилиндров.
6б. Ответный набор неподвижных концентрических конических цилиндров.
7. Винтовая резьба на валу 1.
8. Контргайка.
На Фиг. 1 введены буквенные обозначения:
ОХ - ось симметрии устройства;
∅ - диаметр одного из конических цилиндров.
Δ - емкостной зазор между поверхностями соседних конических цилиндров;
ϕ - угол между коническими поверхностями пластин конденсатора.
Предлагаемая полезная модель состоит из вращающегося вала вариатора 1, один из концов которого изображен на Фиг. 1а. Торец опирается на шарико-подшипник 2, обойма которого заземлена через станину 3. С внутренней стороны подшипника 2 расположен защищающий его конденсатор 4. Конденсатор 4 состоит из двух разнополярных частей 4а и 4б, причем часть 4а закреплена на валу 1 и вращается вместе с ним, а часть 4б закреплена неподвижно на станине 3. Каждая из разнополярных частей конденсатора 4а и 4б состоит из круглых оснований 5 а и 5б с расположенными на них наборами конических цилиндров разного диаметра 6а и 6б (диаметр одного из конических цилиндров ∅ показан на Фиг. 1). Толщина стенок каждого из конических цилиндров 6а и 6б сужается от основания цилиндра к его вершине так, что поперечное сечение стенки является равнобокой трапецией. Диаметры цилиндров 6а и 6б и их расположение на основаниях 5а и 5б выбрано таким, что стенки каждого из цилиндров 6а входят в зазоры между двумя стенками цилиндров 6б. Основание 5б закреплено на станине 3 неподвижно. Основание 5а сцеплено с валом 1 винтовой посадкой. Для этого на валу 1 и в отверстии основания 5а имеется винтовая нарезка 7. Контргайка 8 сцепляет часть 4а конденсатора 4 с валом 1, обеспечивая ей единое вращение. Зазор между коническими цилиндрами 6а и 6б является емкостным зазором конденсатора 4.
Полезная модель работает следующим образом. Согласно принципу работы вариатора вал вариатора должен находиться под «нулевым» потенциалом земли. В отсутствии защитного конденсатора 4 высокочастотный ток заземления шел бы с вала 1 через подшипник 2 к земле 3, приводя его к электрокоррозии. Конденсатор 4, находящийся перед подшипником 2 и включенный параллельно подшипнику 2, электрически шунтирует его, и поэтому большая часть высокочастотного тока идет не через подшипник 2, а через емкостной зазор А конденсатора 4 к земле 3, разгружая и защищая подшипник 2 от электрокоррозии. Емкостной зазор А конденсатора 4 между коническими цилиндрами 6а и 6б можно оперативно регулировать. Для этого контргайка 8 откручивается влево, и вся часть 4а конденсатора 4 перемещается путем скручивания влево или накручивания вправо, перемещаясь, как гайка по валу 1, и тем самым изменяя величину емкостного зазора Δ между частями 4а и 4б конденсатора 4. Отрегулированная величина зазора А между частями 4а и 46 конденсатора 4 фиксируется контргайкой 8. Можно показать, что при перемещении вращающейся части 4а конденсатора 4 на величину δX образуется емкостной зазор  между «пластинами» конденсатора, где ϕ угол между коническими поверхностями цилиндров, Фиг. 1. Например, при ϕ≈ 6° перемещение части конденсатора 4а на δX = 1 см приводит к увеличению зазора Δ на 0.5 мм.
Предлагаемая полезная модель выгодно отличается от прототипа наличием возможности оперативно изменять зазор между пластинами конденсатора защиты и тем самым выбирать оптимальный режим для защиты подшипников вариатора.
Изготовленная опытная конструкция предлагаемой модели имеет по шесть конических цилиндров на каждом из полюсов конденсатора защиты, зазор между которыми можно регулировать в диапазоне от 0.1 до 5 мм.
Источники информации
[1] И.Ф. Малышев, В.И. Перегуд, Ю.В. Спирченко, Р.В. Чвартацкий
«Вопросы механики при создании вариатора частоты сильноточного фазотрона ОИЯИ». Труды IV Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. Наука, М. 1975, т. 1,с. 238-241.
[2] В.И. Перегуд, Ю.В. Спирченко, Р.В. Чвартацкий.
«Разработка опоры ротора». Труды V Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. Наука, М. 1975, т.1, с. 166.
[3] В.А. Богач, А.Т. Василенко, Л.М. Онищенко.
«О критериях вибродиагностики вариатора частоты фазотрона». Препринт ОИЯИ, 9-89-199, Дубна, 1989.
[4] Аналог
К.А. Бойчер, А.В. Богомолов, А.Т. Василенко и др.
«Новый вариатор синхроциклотрона лаборатории ядерных проблем ОИЯИ с увеличенным рабочим ходом». Труды IV Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. Наука, М. 1975, т. 1, с. 234-237.
[5] Прототип.
Н.К. Абросимов, Г.Ф. Михеев.
«Радиотехнические системы синхроциклотрона Петербургского института ядерной физики». Гатчина, 2012, с. 226-229, Рис. 6.1, 6.2, 6.3.