Патент на изобретение №2398975

(54) РАДИАЛЬНЫЙ ПОДШИПНИКОВЫЙ УЗЕЛ СКОЛЬЖЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к радиальным подшипниковым узлам скольжения с керамическими парами трения машин и механизмов вращательного действия, предназначенных для работы в абразивосодержащих агрессивных средах в широком диапазоне температур и давлений, в частности в погружных центробежных электронасосных агрегатах для добычи нефти и т.п. Радиальный подшипниковый узел содержит корпус (1) подшипника, опорный вкладыш (2), упруго установленный внутри корпуса (1) с зазором относительно него, в котором расположено по меньшей мере два эластичных уплотнительных кольца (6), отстоящих друг от друга в осевом направлении, и втулку (4), концентрично установленную внутри вкладыша (3) на несущем валу (5) с возможностью вращения вместе с ним. Узел дополнительно содержит вращающийся вкладыш (6), упруго установленный на втулке (4) между втулкой (4) и вкладышем (3) с зазором относительно втулки (4), в котором расположено по меньшей мере два кольцевых эластичных уплотнительных кольца (7). Вкладыш (3) расположен в непосредственном контакте с вкладышем (2) с образованием с ним пары трения скольжения. Вкладыши (2, 3) изготовлены из твердосплавных керамических материалов и имеют одинаковую осевую длину. Фиксация осевого положения вкладыша (2) осуществляется кольцевым радиальным выступом (10) на одном конце корпуса (1) и стопорным кольцом (8), установленным на другом конце корпуса (1), а фиксация осевого положения вкладыша (3) – радиальным выступом (11) на одном конце втулки (4) и стопорным кольцом (9), установленным на другом конце втулки (4). Технический результат: повышение надежности, срока службы, технологичности конструкции радиального подшипникового узла скольжения. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к радиальным подшипниковым узлам скольжения с керамическими парами трения машин и механизмов вращательного действия, предназначенных для работы в абразивосодержащих агрессивных средах в широком диапазоне температур и давлений, в частности в погружных центробежных электронасосных агрегатах для добычи нефти и т.п.

Известен радиальный подшипниковый узел скольжения для скважинных машин вращательного действия, таких как погружные центробежные насосы и электродвигатели, содержащий корпус подшипника, опорный цилиндрический вкладыш, неподвижно упруго установленный внутри корпуса подшипника с зазором относительно него, в котором расположено по меньшей мере два кольцевых упругих уплотнительных элемента, отстоящих друг от друга в осевом направлении и выполненных каждый в виде уплотнительного кольца из термостойкого эластичного материала, и втулку, концентрично установленную внутри опорного цилиндрического вкладыша на несущем валу с возможностью вращения вместе с валом. Втулка расположена в непосредственном контакте с опорным цилиндрическим вкладышем с образованием с ним пары трения скольжения, причем втулка выполнена короче опорного цилиндрического вкладыша. В этом известном подшипниковом узле обеспечивается повышение стойкости к вызываемым угловыми смещениями вала перекосам подшипника путем жидкостного демпфирования вибраций и механических ударов посредством изменения размера и формы камеры жидкости, заключенной между двумя соседними кольцевыми уплотнительными элементами, что достигается за счет наличия в подшипниковом узле канала связи этой камеры жидкости с объемом жидкости, находящимся вне подшипникового узла, через поперечное сквозное отверстие, выполненное в опорном цилиндрическом вкладыше или в корпусе подшипника (патент США 5209577, МПК F16C 27/00, опубл. 11.05.1993).

Недостатком известного подшипникового узла является недостаточно надежная защита составляющих элементов пары трения от краевого эффекта, вызванного перекосом пары трения, обусловленным совместным воздействием вибраций, механических ударных нагрузок и радиального прогиба вала. При этом может также иметь место снижение эффективности демпфирования вибраций и механических ударных нагрузок при закупоривании боковой поверхностью втулки поперечного сквозного отверстия опорного вкладыша при соприкосновении втулки и опорного вкладыша, которое периодически возникает из-за поперечных смещений вала.

Известен радиальный подшипниковый узел скольжения с жидкостной системой демпфирования вибраций, содержащий держатель вкладыша, неподвижно упруго закрепляемый к внутренней стенке статора погружного электродвигателя с помощью двух упругих противовращательных пружинных кольцевых уплотнительных элементов, опорный вкладыш, неподвижно упруго установленный внутри держателя вкладыша с зазором относительно него, герметизированным установленными на противоположных концах вкладыша эластичными уплотнительными кольцами, в котором расположено два упругих противовращательных пружинных кольцевых уплотнительных элемента, и втулку, концентрично установленную внутри опорного вкладыша на несущем валу с возможностью вращения вместе с валом, причем втулка расположена в непосредственном контакте с опорным вкладышем с образованием с ним пары трения скольжения. Гидравлическое демпфирование вибраций вала осуществляется с помощью двух узких сквозных дозировочных поперечных каналов, выполненных в опорном вкладыше, сообщающих камеру с жидкостной пленкой, заключенную между эластичными уплотнительными кольцами в зазоре между держателем опорного вкладыша и опорным вкладышем, с жидкостной пленкой, заключенной в зазоре между втулкой и опорным вкладышем, при этом эффективное пополнение объема жидкости в жидкостных пленках обеспечивается с помощью четырех широких сквозных поперечных каналов, выполненных во втулке, сообщающих жидкостную пленку, находящуюся между трущимися поверхностями, с проточным осевым каналом несущего вала через выполненные в валу боковые отверстия. В зависимости от направления углового смещения вала при его вибрациях происходит перекачивание жидкости через дозировочные каналы, действующие как дозировочные клапаны, то из жидкостной пленки, отделяющей втулку от опорного вкладыша, в жидкостную пленку, отделяющую опорный вкладыш от держателя опорного вкладыша, то в обратном направлении (патент США 6566774, МПК Н02К 5/16, опубл. 20.05.2003).

Недостатком известного подшипникового узла является сложность конструкции подшипникового узла. Кроме того, при вращении вала может происходить перекрытие дозировочных поперечных каналов опорного вкладыша, служащих для прохождения смазочной жидкости, при возникновении контакта опорного вкладыша с втулкой, что снижает эффективность демпфирования вибраций и, тем самым, снижает надежность подшипникового узла.

Известен радиальный подшипниковый узел скольжения, содержащий корпус подшипника, опорный вкладыш, неподвижно упруго установленный внутри корпуса подшипника, втулку, закрепленную на поверхности несущего вала, вращающийся вкладыш, неподвижно упруго установленный на втулке в непосредственном контакте с опорным вкладышем с образованием с ним пары трения скольжения, и два цилиндрических несъемно установленных удлиненных упругих элемента из эластичного материала, один из которых расположен между корпусом подшипника и опорным вкладышем, а другой, завулканизированный или наклеенный на втулке, – между втулкой и вращающимся вкладышем. Корпус подшипника и опорный вкладыш, а также втулка и вращающийся вкладыш механически скреплены друг с другом пазовым соединением (патент Российской Федерации 2007634, МПК F16C 27/02, 33/20, опубл. 15.02.1994).

Недостатком известного подшипникового узла является недостаточная величина деформации упругих элементов в радиальном направлении, вызываемой поперечным смещением вала, из-за распределения прикладываемого к ним со стороны вращающегося вала радиального усилия на большую площадь боковой поверхности упругих элементов, что проявляется в низкой чувствительности упругих элементов к величинам вибрационных и ударных механических нагрузок и механической нагрузки, обусловленной радиальным прогибом вала, существующих, например, в скважинных погружных центробежных электронасосах для добычи нефти. Этим также снижаются возможности самоустановки поверхностей трения в такие положения при угловых смещениях вала, в которых момент трения в паре трения минимален. Кроме того, самоустановке поверхностей трения в положение, соответствующее минимальному моменту трения, препятствует пазовое соединение корпуса с опорным вкладышем и втулки с вращающимся вкладышем, поскольку такой способ соединения полностью исключает возможность проворачивания опорного вкладыша относительно корпуса и вращающегося вкладыша относительно втулки. Таким образом, известная конструкция подшипникового узла не позволяет устранить краевой эффект, проявляющийся при угловых смещения вала во время его вращения, что снижает надежность и срок службы подшипникового узла.

Наиболее близким аналогом заявляемого технического решения является радиальный подшипниковый узел скольжения, содержащий корпус подшипника, опорный вкладыш, неподвижно упруго установленный внутри корпуса подшипника с зазором относительно него, в котором расположено два отстоящих друг от друга в осевом направлении эластичных кольцевых уплотнительных элемента, и втулку, концентрично установленную внутри опорного вкладыша на несущем валу с возможностью вращения вместе с валом, причем втулка расположена в непосредственном контакте с опорным вкладышем с образованием с ним пары трения скольжения и опорный вкладыш зафиксирован к корпусу подшипника от смещения в осевом направлении стопорным кольцом (Международный транслятор “Установки погружных центробежных насосов для добычи нефти”. 1998. – С.191-192).

Преимуществом известного подшипникового узла является простота конструкции. Однако втулка подвержена радиальному износу из-за радиального перекоса пары трения, вызываемого совместным влиянием вибраций вала, механических ударных нагрузок и радиального прогиба вала, постоянно существующего при работе вращающейся машины большой длины. В результате происходит перегрев пары трения, охлаждающей жидкости и затем выход подшипника из строя.

В основу изобретения поставлена задача повышения надежности и срока службы радиального подшипникового узла скольжения путем снижения вероятности возникновения краевого эффекта за счет введения в пару трения нового элемента и предлагаемых согласно изобретению особенностей его взаимосвязи с опорным вкладышем и втулкой и расположения относительно них.

Поставленная задача решается тем, что радиальный подшипник, содержащий корпус подшипника, опорный вкладыш, неподвижно упруго установленный внутри корпуса подшипника с зазором относительно него, в котором расположено, по меньшей мере, два упругих кольцевых уплотнительных элемента, отстоящих друг от друга в осевом направлении, и втулку, концентрично установленную внутри опорного вкладыша на несущем валу с возможностью вращения вместе с валом, согласно изобретению дополнительно содержит вращающийся вкладыш, неподвижно упруго установленный на втулке между втулкой и опорным вкладышем с зазором относительно втулки, в котором расположено по меньшей мере два упругих кольцевых уплотнительных элемента, отстоящих друг от друга в осевом направлении, причем вращающийся вкладыш расположен в непосредственном контакте с опорным вкладышем с образованием с ним пары трения скольжения.

Кроме того, согласно изобретению корпус подшипника и втулка на одном из двух их концов выполнены с кольцевым радиальным выступом, а на другом их конце установлено стопорное кольцо. Стопорные кольца и кольцевые радиальные выступы корпуса подшипника и втулки расположены на противоположных концах подшипникового узла. При этом опорный вкладыш и вращающийся вкладыш выполнены равными по длине в осевом направлении и каждый из них установлен между радиальным кольцевым выступом и стопорным кольцом.

Опорный вкладыш и вращающийся вкладыш изготовлены из твердосплавных керамических материалов.

Введение вращающегося вкладыша между втулкой и опорным вкладышем так, что он расположен в непосредственном контакте с опорным вкладышем с образованием с ним пары трения скольжения и упруго соединен с втулкой с помощью по меньшей мере двух упругих кольцевых уплотнительных элементов, отстоящих друг от друга в осевом направлении и расположенных в зазоре между втулкой и вращающимся вкладышем, снижает вероятность возникновения краевого эффекта при вращении вала путем обеспечения адаптации к угловым смещениям вала вращающегося компонента пары трения скольжения благодаря деформации упругих кольцевых уплотнительных элементов в зазоре между втулкой и вращающимся вкладышем. Адаптация к угловым смещениям вала невращающегося компонента пары трения обеспечивается, как и в наиболее близком аналоге заявляемого технического решения, за счет деформации отстоящих друг от друга упругих кольцевых уплотнительных элементов, обеспечивающих упругое соединение опорного вкладыша с корпусом подшипника. Кроме того, обеспечивается возможность проскальзывания втулки, установленной на валу, относительно вращающегося вкладыша при угловых смещениях вращающегося вала, что снижает перегрев подшипника. Таким образом, обеспечивается повышение надежности подшипникового узла и его срока службы.

Фиксация осевого положения вращающегося и опорного вкладышей в подшипниковом узле с помощью кольцевого радиального выступа, выполненного на одном из их двух концов, и стопорного кольца, установленного на другом, противоположном их конце, обеспечивает, при выполнении вкладышей равными по длине в осевом направлении, повышение технологичности конструкции радиального подшипникового узла, а также повышение надежности подшипникового узла путем уменьшения трения скольжения за счет обеспечения возможности проворота опорного вкладыша относительно корпуса и вращающегося вкладыша относительно втулки.

Выполнение опорного и вращающегося вкладышей из твердосплавных керамических материалов обеспечивает достаточно длительный срок службы радиальных подшипников скольжения, работающих в скважинных электроцентробежных насосах, перекачивающих газожидкостные смеси с высоким содержанием механических примесей высокой твердости.

Сущность изобретения поясняется конкретным примером его осуществления и чертежом, на котором схематически представлен общий вид радиального подшипникового узла, предлагаемого согласно изобретению, в продольном разрезе вдоль оси симметрии несущего вала.

Радиальный подшипниковый узел скольжения, изображенный на чертеже, содержит корпус 1 подшипника, опорный вкладыш 2, вращающийся вкладыш 3, втулку 4, установленную на несущем валу 5, четыре упругих кольцевых уплотнительных элемента, выполненных в виде эластичных уплотнительных колец 6, 7, и два стопорных кольца 8, 9.

Опорный вкладыш 2 установлен внутри корпуса 1 подшипника неподвижно с помощью двух упруго деформированных эластичных уплотнительных колец 6, отстоящих друг от друга в осевом направлении, обеспечивающих упругое соединение опорного вкладыша 2 с корпусом 1. Эластичные кольца 6 установлены в упруго деформированном состоянии между корпусом 1 и опорным вкладышем 2 в кольцевых канавках, образованных на внутренней поверхности корпуса 1, так, что эти эластичные кольца выступают из кольцевых канавок относительно внутренней поверхности корпуса 1 в направлении радиально внутрь, обеспечивая образование радиального зазора ₁ между внутренней поверхностью корпуса 1 и внешней боковой поверхностью опорного вкладыша 2. При этом эластичные кольца 6 прижаты их радиально внешней стороной к корпусу 1, а их радиально внутренней стороной – к опорному вкладышу 2. Величина и форма радиального зазора ₁ зависят от степени упругой деформации каждого из двух эластичных колец 6. Втулка 4 установлена на несущем валу 5 с возможностью вращения в месте с этим валом, при этом она расположена внутри опорного вкладыша 2 концентрично относительно него.

Вращающийся вкладыш 3 расположен между опорным вкладышем 2 и втулкой 4. Вращающийся вкладыш 3 неподвижно установлен на втулке 4 с помощью двух упруго деформированных эластичных уплотнительных колец 7, отстоящих друг от друга в осевом направлении, обеспечивающих упругое соединение вращающегося вкладыша 3 с втулкой 4. Эластичные кольца 7 установлены в упруго деформированном состоянии между втулкой 4 и вращающимся вкладышем 3 в кольцевых канавках, образованных на внешней боковой поверхности втулки 4, так, что эти эластичные кольца выступают относительно внешней боковой поверхности втулки 4 в направлении радиально наружу, обеспечивая образование радиального зазора ₂ между внешней боковой поверхностью втулки 4 и внутренней боковой поверхностью вращающегося вкладыша 3. При этом эластичные кольца 7 прижаты их радиально внутренней стороной к втулке 4, а их радиально внешней стороной – к вращающемуся вкладышу 3. Величина и форма радиального зазора ₂ зависят от степени упругой деформации каждого из двух эластичных колец 7. Внешняя боковая поверхность вращающегося вкладыша 3 плотно прижата к внутренней боковой поверхности опорного вкладыша 2. Таким образом, вращающийся вкладыш 3 и опорный вкладыш 2 образуют пару трения скольжения.

Корпус 1 подшипника выполнен на одном его конце с кольцевым радиальным выступом 10, обращенным радиально внутрь. На другом конце корпуса 1, на его внутренней боковой поверхности установлено стопорное кольцо 8. Опорный вкладыш 2 установлен между кольцевым радиальным выступом 10 и стопорным кольцом 8 так, что он контактирует с ними противоположными торцами, что обеспечивает фиксацию осевого положения опорного вкладыша 2. Втулка 4 выполнена на одном из ее двух концов с обращенным радиально наружу кольцевым радиальным выступом 11, а на другом ее конце установлено стопорное кольцо 9. Выступы 10, 11 расположены на противоположных концах подшипникового узла. Вращающийся вкладыш 3 установлен между кольцевым радиальным выступом 11 и стопорным кольцом 9 так, что он контактирует с ними противоположными торцами, что обеспечивает фиксацию осевого положения вращающегося вкладыша 3. Опорный вкладыш 2 и вращающийся вкладыш 3 выполнены равными по длине в осевом направлении. Оба вкладыша изготовлены из твердосплавных керамических материалов.

Радиальный подшипниковый узел скольжения работает следующим образом.

При вращении несущего вала 5 совместно с ним вращаются втулка 4, эластичные кольца 7 и вкладыш 3. Вкладыш 3 вращается внутри опорного вкладыша 2, образуя с ним пару трения скольжения. Благодаря упругому соединению вкладыша 2 с корпусом 1 и вкладыша 3 с втулкой 4 при отсутствии жестких механических связей между ними обеспечивается возможность проворота вкладыша 2 относительно корпуса 1 и вкладыша 3 относительно втулки 4, обеспечивающего самоустановку поверхностей трения вкладышей 2, 3 и занятие ими оптимального положения, в котором момент трения в подшипнике скольжения минимален, что снижает нагрев подшипника. Способ фиксации осевого положения вкладышей 2, 3 посредством кольцевых радиальных выступов 10, 11 и стопорных колец 8, 9 не препятствует самоустановке вкладышей 2, 3 в положение, являющееся оптимальным с точки зрения обеспечения минимального трения трущихся поверхностей, и при этом такая фиксация осевого положения обеспечивает повышение технологичности кострукции.

Упругое соединение вкладыша 3 с втулкой 4 с помощью эластичных колец 7 и вкладыша 2 с корпусом 1 с помощью эластичных колец 6 обеспечивает, за счет упругой деформации эластичных колец 6, 7, компенсацию угловых смещений вращающегося вала 5 и его статического радиального прогиба, вызывающих срабатывание на краях трущихся элементов пары трения, то есть краевой эффект. Под влиянием упругих механических деформаций эластичных колец 6, 7, вызываемых радиальными усилиями, прикладываемыми к ним со стороны вала 5, происходит изменение величины и формы радиальных зазоров ₁ и ₂ таким образом, что происходит самоустановка вкладышей 2, 3 в положение оптимальной адаптации друг к другу трущихся поверхностей этих вкладышей, при котором сила трения и степень износа трущихся поверхностей минимальны, что значительно снижает проявление краевого эффекта.

Таким образом, изобретение обеспечивает повышение надежности и срока службы радиального подшипника скольжения.

Формула изобретения

1. Радиальный подшипниковый узел скольжения, содержащий корпус подшипника, опорный вкладыш, неподвижно упруго установленный внутри корпуса подшипника с зазором относительно него, в котором расположено по меньшей мере два упругих кольцевых уплотнительных элемента, отстоящих друг от друга в осевом направлении, и втулку, концентрично установленную внутри опорного вкладыша на несущем валу с возможностью вращения вместе с валом, отличающийся тем, что он дополнительно содержит вращающийся вкладыш, неподвижно упруго установленный на втулке между втулкой и опорным вкладышем с зазором относительно втулки, в котором расположено по меньшей мере два кольцевых уплотнительных элемента, причем вращающийся вкладыш расположен в непосредственном контакте с опорным вкладышем с образованием с ним пары трения скольжения.

2. Радиальный подшипниковый узел скольжения по п.1, отличающийся тем, что корпус подшипника и втулка на одном из двух их концов выполнены с кольцевым радиальным выступом, а на другом их конце установлено стопорное кольцо, стопорные кольца и кольцевые радиальные выступы корпуса подшипника и втулки расположены на противоположных концах подшипникового узла, причем опорный вкладыш и вращающийся вкладыш выполнены равными по длине в осевом направлении и каждый из них установлен между радиальным кольцевым выступом и стопорным кольцом.

3. Радиальный подшипниковый узел скольжения по п.1 или 2, отличающийся тем, что опорный вкладыш и вращающийся вкладыш изготовлены из твердосплавных керамических материалов.

РИСУНКИ