Создание высокоскоростного и высоконагруженного автономного подшипника жидкостного трения с охлаждением и циркуляцией смазки в слое Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.822:629.5.03

Создание высокоскоростного и высоконагруженного автономного подшипника жидкостного трения с охлаждением и циркуляцией смазки в слое

© А. А. Хабаров

Открытое акционерное общество «Производственное объединение «Северное машиностроительное предприятие», Архангельская область, г. Северодвинск, 164500, Россия

Рассмотрена возможность применения подшипников с автономной смазкой вместо подшипников жидкостного трения с циркуляционной смазкой. Проанализирован способ создания внутренней циркуляции смазки в смазочном слое высокоскоростных автономных подшипников. Представлены результаты гидродинамического и теплового расчетов таких подшипников. Обоснована необходимость и предложен способ создания насосного эффекта в смазочном слое автономного опорного подшипника.

Ключевые слова: высокоскоростной подшипник, автономный подшипник, жидкостное трение, внутренняя циркуляция смазки, автономная смазка.

Основным элементом, определяющим живучесть судна, являются подшипники скольжения валопроводов. Изначально все подшипники скольжения имели циркуляционную систему смазки, в которой масло подводилось под давлением от напорной магистрали. Системы циркуляционной смазки с масляными насосами, системы с фильтрами и маслоохладителями громоздки, сложны в обслуживании и пожароопасны [1, 2]. Эти недостатки были устранены в подшипниках скольжения с автономной системой смазки, в которых масло заливается в подшипник и подается к трущимся поверхностям за счет внутренней циркуляции без применения насоса, масляных цистерн, трубопроводов. Автономность смазки, отсутствие вспомогательных систем и контактных уплотнений, незначительный объем работ по обслуживанию подшипников в процессе эксплуатации обеспечивает высокую экономичность. Особая надежность подшипников определяется стабильностью гидродинамической смазки, что исключает износ трущихся частей.

Целью работы является создание подшипника с охлаждением и циркуляцией смазки внутри слоя, с окружной скоростью на шейке вала до 30 м/с. До настоящего времени в мировой практике автономные подшипники с водяным или воздушным охлаждением применялись только до окружных скоростей на шейках валов не более 15 м/с.

В подшипнике скольжения с автономной системой смазки смазочный слой образуется в пространстве стабильной клиновой формы между неподвижной рабочей поверхностью и сопрягаемой рабочей поверхностью вращающегося вала [3]. Жидкость в качестве смазки

А.А. Хабаров

затягивается при вращении вала силами вязкостного трения в напорную часть слоя, где образуется повышенное давление жидкости, в сумме равное нагрузке от вала, которое препятствует непосредственному соприкосновению указанных поверхностей. Таким образом, создает гидродинамический смазочный слой.

Разработанные конструкции новых подшипников имеют циркуляцию смазки внутри вкладыша. Принцип действия заключается в том, что основная масса смазки не сливается в картер, а циркулирует в смазочном слое: после прохождения через зону нагружения масло через боковые канавки снова возвращается в нагруженную часть смазочного слоя.

В ходе создания подшипников разработана методика, позволяющая рассчитывать минимальную толщину смазочного слоя, угол, определяющий положение минимальной толщины смазочного слоя, давление в произвольной точке, момент сопротивления вращению, мощность теплообразования подшипников с дугой охвата 180° и центральной вертикальной нагрузкой на вкладыш.

Определим исходные значения: опорная нагрузка подшипника 117 кН, рабочая ширина вкладыша подшипника 365 мм, частота вращения вала 297 об/мин, диаметр шейки вала 399,943 мм, диаметр вкладыша 400,52 мм, плотность масла при 15 °С — 905 кг/м3, коэффициент объемного расширения масла 6,32-10-4 град-1, динамическая вязкость масла при температуре 20 °С — 271 МПа-с, при температуре 80 °С — 12 МПа-с.

Установлено, что для средней температуры в смазочном слое 80 °С минимальная толщина смазочного слоя равна 30 мкм; разница средних температур масла на входе и выходе из масляного клина составляет 3,3 °C; мощность теплообразования равна 1,62 кВт; объем масла, поступающего в клин, 408 мл/с; объем масла, выходящего из клина через сечение минимальной толщины слоя, 125 мл/с; объем масла, выходящего из клина циркуляционной канавки, равен 283 мл/с. Данные подтверждают образование в подшипнике эффективной внутренней циркуляции смазки, при которой смазка, попав в смазочный слой, снова туда возвращается, охлаждаясь непосредственно в самом слое.

Один из методов создания автономного подшипника — использовать часть смазочного слоя в функции циркуляционного масляного насоса. Смазочный слой автономного опорного подшипника на протяжении 360° длины имеет различное функциональное назначение: напорный (несущий) слой, слой с внутренней циркуляцией, вакуумный слой и свободный (насосный) слой. Благодаря перепаду давлений в подшипнике-насосе происходит прокачка смазки через маслоохладитель, охлаждаемый воздухом.

Подшипник выполняет функцию циркуляционного насоса, используя насосный эффект в свободной части смазочного слоя. При

Создание высокоскоростного и высоконагруженного автономного.

обычной циркуляционной смазке нагретая в напорной части слоя смазка, прокачиваемая через выходную границу в вакуумную и далее в свободную часть смазочного слоя, перемешивается со свежей циркуляционной смазкой и повышает ее температуру. В подшипнике-насосе нагретая в напорной части слоя смазка подается в маслоохладитель, благодаря чему температура напорной части не повышается.

Подшипники с автономной системой смазки были испытаны на стенде, в результате чего установлено, что они удовлетворяют всем предъявляемым требованиям. Образец испытываемого подшипника имеет диаметр вала 115 мм, несет радиальную нагрузку 5 кН (500 кг) и осевую 3 кН (300 кг) при частоте вращения вала 3 000 об/мин. Параметры подшипника соответствуют подшипнику насоса магистрального агрегата НМ 10000-210 нефтеперекачивающей станции.

Таким образом, создан высокоскоростной и высоконагруженный автономный подшипник жидкостного трения с охлаждением и циркуляцией смазки в слое, который имеет существенное преимущество по сравнению с существующими подшипниками, подтверждаемое расчетами и результатами испытаний.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Альпин А.Я., Воронцов Е.Ю., Кокотков Н.И., Хабаров А.А. Внутренняя циркуляция в смазочном слое — самый простой и эффективный способ маслоснабжения автономных подшипников жидкостного трения. Судостроение, 2014, № 2, с. 46-48.

[2] Хабаров А.А., Альпин А.Я., Кокотков Н.И. О возможности исключения громоздких и пожароопасных судовых систем циркуляционной смазки подшипников жидкостного трения. Судостроение, 2012, № 5, с. 34-35.

[3] Хабаров А.А., Кокотков Н.И., Альпин А.Я. О необходимости и способе создания насосного эффекта в смазочном слое автономного опорного подшипника-насоса. Судостроение, 2014, № 6, с. 32-34.

Статья поступила 12.10.2015

Ссылку на эту статью просим оформлять следующим образом:

Хабаров А.А. Создание высокоскоростного и высоконагруженного автономного подшипника жидкостного трения с охлаждением и циркуляцией смазки в слое. Инженерный журнал: наука и инновации, 2015, вып. 11.

URL: http://engjournal.ru/catalog/mesc/msds/1446.html

Статья подготовлена по материалам доклада, представленного на Восьмой всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России», Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 23-26 сентября 2015 г.

Хабаров Антон Анатольевич — инженер-конструктор 2-й категории Проектно-конструкторского бюро «Севмаш» АО «ПО «Севмаш», аспирант Института судостроения и морской арктической техники Северного арктического федерального университета по направлению «Судовые энергетические установки и их элементы: главные и вспомогательные». Область научной деятельности: изучение теории смазки и исследование процессов в подшипниках скольжения. Работа посвящена созданию высокоскоростных автономных подшипников скольжения. e-mail: anton_sevsk@mail.ru

A. A. Xa6apoe

Creating a high-speed and high-loaded autonomous liquid-friction bearing with cooling and lubrication circulation in the layer

© A.A. Khabarov JSC "PO 'Sevmash'", Severodvinsk, 164500, Russia

The article considers a possibility of usage of bearings with autonomous lubrication instead of liquid-friction bearings with a circulating lubrication. It analyses a method of creating internal circulation of lubrication in the lubricating layer of autonomous highspeed bearings. The results of the hydrodynamic and thermal calculations of bearings are given. We substantiate the necessity and provide a method for creating a pumping effect in the lubricating layer of autonomous thrust bearing.

Keywords: high-speed bearings, autonomous bearing, liquid friction, internal circulation of lubrication, autonomous lubrication.

REFERENCES

[1] Alpin A.Ya., Vorontsov E.Yu., Kokotkov N.I., Khabarov A.A. Sudostroenie — Shipbuilding, 2014, no. 2, pp. 46-48.

[2] Khabarov A.A., Alpin A.Ya., Kokotkov N.I. Sudostroenie — Shipbuilding, 2012, no. 5, pp. 34-35.

[3] Khabarov A.A., Kokotkov N.I., Alpin A.Ya. Sudostroenie — Shipbuilding, 2014, no. 6, pp. 32-34.

Khabarov A.A., an design engineer of the 2nd category at JSC "PO 'Sevmash'", postgraduate student of NARFU. Research activity includes study of lubrication theory, investigation of the processes in plain bearing. e-mail: anton_sevsk@mail.ru