ПОДШИПНИК СКОЛЬЖЕНИЯ
PLAIN BEARING

Предлагаемое изобретение относится к подшипниковым опорам скольжения, у которых в паре трения по меньшей мере одна из рабочих поверхностей выполнена из силицированного графита (или других антифрикционных материалов с близкими характеристиками). Преимущественно изобретение может быть использовано в соответствующих конструктивных узлах лопастных насосов, предназначенных для перекачивания горячих жидкостей под высоким давлением, например, на атомных электростанциях: в главных циркуляционных насосных агрегатах водоохлаждаемых реакторных установок, в питательных и аварийно-питательных насосах (например, для подачи воды из конденсатора турбины в парогенератор), а также в насосах систем безопасности и т.п.
Силицированный графит (как антифрикционный подшипниковый материал) характеризуется температуростойкостью (по меньшей мере, до 300°С) и допускает применение воды в качестве смазочно-охлаждающей жидкости. Но вследствие повышенной хрупкости антифрикционные элементы из силицированного графита необходимо связывать с несущими элементами из металла. А для обеспечения работоспособности подшипниковой опоры при изменении распределения температур по ее элементам необходимо учитывать более низкий коэффициент линейного расширения силицированного графита по сравнению со сталью и другими сплавами.
2
Известен подшипниковый узел скольжения [А.с. СССР №584120, МПК F16C 17/02. - Опубл. 15.12.1977, бюл. №46], в котором втулка подшипника (статорная втулка), предназначенная для установки в корпусе, выполнена в виде обоймы, в продольных пазах которой с цилиндрическими посадочными поверхностями посредством упорных колец закреплены стержневые вкладыши, имеющие соответствующие посадочные поверхности. При этом поверхность каждого вкладыша статорной втулки на его дальней от цапфы (втулки цапфы, втулки вала, роторной втулки) стороне по крайней мере на участке, примыкающем к одному из торцов вкладыша, предназначена для взаимодействия с упорным (поджимным) кольцом и выполнена цилиндрической с радиусом, равным внутреннему радиусу указанного кольца.
Этому подшипниковому узлу свойственны следующие недостатки. В результате дискретного (по окружности) характера рабочей поверхности статорной втулки при вращении вала происходит колебательное смещение центра вала от центра подшипника. В случае дискретного характера рабочей поверхности роторной втулки площадь взаимодействия статорной и роторной втулок колеблется, что увеличивает пульсации нагрузок на стержневые вкладыши. Рост температуры статорной втулки ослабляет посадку стержневых вкладышей в частично открытых цилиндрических пазах обойм, а также центрирующее воздействие поджимных колец на эти вкладыши, что создает условия для проворачивания некоторых из стержневых вкладышей в пазах и соответствующего искажения формы рабочей поверхности статорной втулки. Возникающие вибрации на статические напряжения накладывают дополнительные напряжения, приводящие к усталостным разрушениям.
Из описания нижнего радиального подшипника в насосах реакторной установки с РБМК-1000 [см. Митенков Ф.М. и др. Главные циркуляционные насосы АЭС. - 2-е изд. - М.: Энергоатомиздат, 1989, С.72, С.73 (рис.3.19), С.74, а также Будов В.М. Насосы АЭС. - М.: Энергоатомиздат, - 1986, С.320, С.321 (Рис.7.29)] известен гидростатический подшипник, в корпусе которого дополнительно установлен подшипник скольжения, включающий втулку из силицированного графита, выполненную из шести отдельных сегментов, поджимаемых в осевом и радиальном направлениях двумя коническими кольцами, расположенными с обоих торцов втулки, за счет усилия, создаваемого одним упругим элементом (упругой мембраной). Этот подшипник предназначен для работы в аварийном и пусковом режимах, причем обеспечение постоянного радиального зазора при изменении рабочей температуры является техническим результатом.
Этому подшипнику скольжения свойственны следующие недостатки. Усилия, создаваемого одним упругим элементом, взаимодействующего лишь с одним коническим кольцом, может оказаться недостаточно для преодоления силы трения между корпусом подшипника и втулкой и обеспечения центрирующего действия другого конического кольца, расположенного с противоположного торца втулки. Возможная несоосность упругого элемента и прилегающего к нему конического (поджимного) кольца влечет неравномерное (по окружности) осевое нагружение последнего и, как следствие, перекос поджимного кольца и сегментов втулки.
Задача, решаемая изобретением, состоит в повышении надежности лопастных (например, центробежных) насосов, работающих в широком диапазоне температуры перекачиваемой среды, в частности в обеспечении работоспособности путем снижения уровня вибраций насоса, а также повышения нагрузочной способности подшипниковых опор скольжения в случае выполнения рабочей поверхности статорной втулки из силицированного графита.
При осуществлении предлагаемого изобретения могут быть получены следующие технические результаты:
во-первых, предотвращение неравномерности центрирующего воздействия поджимных колец на антифрикционные сегменты, а также неравномерности осевого нагружения поджимных колец по окружности;
во-вторых, уменьшение дискретности (увеличение сплошности) рабочей поверхности статорной втулки и увеличение площади указанной поверхности (в частности, при горизонтальном расположении вала увеличение площади сплошной рабочей поверхности статорной втулки в нагруженной зоне подшипника до максимально возможной величины).
Как решение поставленной задачи, позволяющее достигнуть эффекта с указанными характеристиками, предлагается подшипник скольжения, у которого антифрикционные сегменты статорной втулки, предназначенной для установки в корпусе, закреплены с обоих торцов посредством поджимных колец, снабженных коническими частями. Предлагаемая опора отличается от прототипа тем, что:
антифрикционные сегменты выполнены в виде секторов цилиндрической втулки, разделенной в продольном направлении,
по крайней мере в один из промежутков между антифрикционными элементами введен упругий компенсатор, выполненный с возможностью поддержания сплошности рабочей поверхности на остальной части окружности статорной втулки,
поджимные конические кольца выполнены с возможностью упругой деформации в направлении продольной оси подшипника.
В частном случае упругий компенсатор может быть выполнен в виде плоской пружины, поверхность которой снабжена выступами, предназначенными для взаимодействия со смежными антифрикционными сегментами и распределенными так, что линии действия реакций указанных сегментов различны. При этом в свободном состоянии толщина пружины с выступами должна превышать сумму зазоров между антифрикционными сегментами, возможных в рабочем диапазоне температур элементов подшипниковой опоры.
Упругий компенсатор в виде плоской пружины может быть дополнительно зафиксирован от радиального перемещения посредством помещения его оконечностей в пазах ограничительных элементов, препятствующих исчезновению созданной при сборке подшипника упругой деформации поджимных колец (в направлении продольной оси подшипника). В качестве таких элементов могут быть применены, например, пружинные упорные кольца, помещенные в кольцевые канавки на внутренней поверхности корпуса подшипника.
Предотвращение неравномерности центрирующего воздействия поджимных колец на антифрикционные сегменты и неравномерности осевого нагружения поджимных колец по окружности обеспечено за счет возможности упругой деформации каждого из этих колец в направлении продольной оси подшипника.
Уменьшение количества разрывов рабочей поверхности статорной втулки и, следовательно, уменьшение дискретности (увеличение сплошности) и увеличение площади указанной поверхности (соответственно, увеличение нагрузочной способности опоры) обеспечено за счет выполнения антифрикционных сегментов в виде секторов цилиндрической втулки, разделенной в продольном направлении, и за счет введения упругих компенсаторов. В случае горизонтального расположения вала увеличение площади сплошной рабочей поверхности статорной втулки в нагруженной зоне подшипника до максимально возможной величины обеспечено за счет возможности расположения упругого компенсатора в ненагруженной зоне подшипника.
Предлагаемый подшипник скольжения (в частном выполнении с одним упругим компенсатором в виде плоской пружины) поясняется чертежами:
Фиг.1 - подшипник скольжения (продольный разрез);
Фиг.2 - подшипник скольжения (продольный разрез, элемент А);
Фиг.3 - подшипник скольжения (продольный разрез Е-Е);
Фиг.4 - подшипник скольжения (продольный разрез Б-Б);
Фиг.5 - упругий компенсатор в рабочем состоянии;
Фиг.6 - упругий компенсатор в свободном состоянии.
В состав подшипниковой опоры вала 1 входят закрепленная на последнем роторная втулка, образующая цапфу и включающая, например, обойму 2 со стержневыми антифрикционными элементами 3, и радиальный подшипник скольжения.
Подшипник скольжения включает корпус 4, установленный в раме 5, и разрезную статорную втулку, которую составляют антифрикционные сегменты 6, а также поджимные кольца 7 и 8. Отдельные антифрикционные сегменты 6 выполнены путем разделения цилиндрической втулки, например, из силицированного графита в продольном направлении по меньшей мере на два сектора (в данном случае на три одинаковых). Число секторов выбирают, вообще говоря, таким, чтобы остаток от его арифметического деления на число дискретных (в данном случае стержневых) антифрикционных элементов роторной втулки отличался от нуля.
В один из тангенциальных промежутков между антифрикционными сегментами 6 введен упругий компенсатор 9, выполненный в виде плоской пружины. Поверхность последней снабжена выступами 10, предназначенными для взаимодействия со смежными антифрикционными сегментами 6 и распределенными так, что различны линии действия реакций указанных сегментов на выступы. При этом толщина пружины с выступами (в свободном состоянии) выполнена большей суммы промежутков (по дуге внутренней поверхности корпуса 4) между антифрикционными сегментами 6, возможных в рабочем диапазоне температур элементов подшипниковой опоры.
Поджимные кольца 7 и 8 снабжены коническими частями 11 и 12, каждая из которых выполнена сужающейся в направлении от кольца. Сопрягаемая с внешней поверхностью конической части поджимного кольца посадочная поверхность каждого из антифрикционных сегментов 6 выполнена на обоих концах ближней к цапфе стороне сегмента 6. Пружинные упорные кольца 13 и 14, помещенные в кольцевые канавки на внутренней поверхности корпуса 4 вблизи его торцов, служат ограничительными элементами, препятствующими исчезновению созданной при сборке подшипника упругой деформации поджимных колец 7 и 8 (в направлении продольной оси подшипника).
В процессе сборки подшипника антифрикционные сегменты 6 вместе с упругим компенсатором 9 запрессовывают в корпус 4, образуя рабочую поверхность статорной втулки требуемой правильной формы. При этом сплошность рабочей поверхности нарушает единственный зазор, в котором расположен деформированный упругий компенсатор 9. Но при горизонтальном расположении вала 1 этот зазор всегда может быть оставлен в ненагруженной зоне подшипника, что увеличивает площадь сплошной рабочей поверхности статорной втулки в нагруженной зоне до максимально возможной величины. Введя в соприкосновение с посадочными поверхностями каждого из антифрикционных сегментов 6 конические части 11 и 12 поджимных колец 7 и 8, упруго деформируют последние (в направлении продольной оси подшипника) и фиксируют полученное деформированное состояние, поместив пружинные упорные кольца 13 и 14 в кольцевые канавки, выполненные на внутренней поверхности корпуса 4.
Если при увеличении температур элементов подшипниковой опоры скольжения корпус 4 и поджимные кольца 7 и 8 будут расширяться более сильно, чем антифрикционные сегменты 6, то взаимодействие элементов подшипника будет происходить следующим образом.
Упругодеформированные поджимные кольца 7 и 8 воздействуют с двух сторон на антифрикционные сегменты 6, создавая равномерные по окружности каждого кольца усилия, одинаково прижимающие внешнюю поверхность конических частей 11 и 12 к сопрягаемым с ними посадочным поверхностям каждого из указанных сегментов. Деформированный упругий компенсатор 9 создает тангенциальное усилие, прижимающее все антифрикционные сегменты 6 боковыми сторонами друг к другу, а внешней поверхностью к корпусу 4. Под действием указанных усилий антифрикционные сегменты 6 сохранят взаимодействие с корпусом 4 и требуемую правильную форму образуемой ими рабочей поверхности, а также первоначальную сплошность последней, причем по всей ширине статорной втулки.