Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Краткий обзор по исследованию и применению водяной смазки 6
1.1 Подшипники гидродинамического типа 6
1.2 Подшипники гидростатического типа 12
1.3 Выводы по главе 1 ' 17
Глава 2. Применение подшипников на водяной смазке в конструкциях КТЗ 19
2.1 Опыт конструирования и эксплуатации 19
2.1.1. Выбор конструкции подшипников 19
2.1.2. Этапы совершенствования конструкций комбинированных подшипников 21
2.1.3. Изделия КТЗ, в которых применены подшипники на водяной смазке 25
2.1.4. Анализ опыта эксплуатации и причин отказов подшипниковых узлов 32
2.2 Выводы по главе 2 39
Глава 3. Экспериментальные исследования сегментного подшипника . 43
3.1 Конструкции испытательных установок 43
3.2 Методики и состав испытаний 50
3.3 Результаты исследований основных характеристик сегментных подшипников 53
3.3.1. Предельные разрушающие нагрузки 53
3.3.2. Нагрузочные характеристики 53
3.3.3. Расходы воды 55
3.3.4. Мощность трения 62
3.4 Анализ результатов испытаний 67
3.4.1. Сегментный подшипник 0160 мм 67
3.4.2. Покрытия и материалы пар трения 75
3.5 Выводы по главе 3 78
Глава 4. Создание методики расчета и конструирования подшипников 81
4.1 Вывод основных уравнений 82
4.1.1. Уравнение течения смазки в несущем слое 85
4.1.2. Уравнение течения во входном дросселе 91
4.1.3. Уравнение балансов расходов 91
4.1.4. Определение усилий, действующих на сегмент 92
4.1.5. Уравнение равновесия сегмента 92
4.1.6. Вывод зависимости толщины несущего слоя смазки при заданном положении шейки вала 94
4.1.7. Вычисление площади торцевого зазора 98
4.2 Алгоритм расчета 99
4.2.1. Метод расчета 99
4.2.2. Нахождение W (X, Y) 101
4.2.3. Нахождение U (X, Y) 104
4.2.4. Вычисление расходов 107
4.2.5. Вычисление давлений Рж, PN2, Рыз 109
F F 111
4.2.6. Вычисление усилий на колодку гк и вк и моментов .II О II 111
4.2.7. Определение диапазона варьирования углом Ик
4.3 Программа расчета 114
4.3.1. Описание структуры программы 114
4.3.2. Инструкция по заданию исходных данных 115
4.3.3. Примеры расчета и расшифровка результатов 115
4.4 Сопоставление экспериментальных и расчетных данных . 124
4.5 Выводы по главе 4 126
Заключение 129
Библиографический список использованной литературы 133
- Подшипники гидростатического типа
- Результаты исследований основных характеристик сегментных подшипников
- Вывод зависимости толщины несущего слоя смазки при заданном положении шейки вала
- Определение диапазона варьирования углом Ик
Введение к работе
Задаче создания быстроходных подшипников скольжения, смазываемых водой или другими маловязкими и немаслянистыми жидкостями, за последние годы посвящается большое количество исследований. Актуальность этой проблемы определяется в первую очередь тем, что её решение дает возможность использовать для смазки подшипников рабочую жидкость машины; это позволяет улучшить конструкцию многих механизмов.
В частности, для некоторых типов турбомеханизмов, работающих на воде и водяном паре, смазка подшипников водой позволяет упростить конструкцию и уменьшить габариты за счет устранения разделительных уплотнений и автономной системы смазки с баками, теплообменниками и пр. Важным преимуществом является радикальное решение проблемы пожарной безопасности, которая для энергоустановок высоких параметров приобретает большую остроту, в связи с чем уже давно делаются попытки применения синтетических негорючих масел и пр. Однако, установка подшипников вблизи рабочей зоны тур-бомашины делает их более подверженным тепловым деформациям.
На Калужском турбинном заводе подшипники с водяной смазкой начали применяться в конструкциях питательных насосов. Высокая компактность конструкций и простота достигаются за счет того, что подшипники смазываются протечками из насоса. Естественно, что при этом исключается возможность специальной очистки воды, поступающей на смазку подшипников. Между тем, питательная вода при работе омывает большие поверхности (котлов, подогревателей, деаэраторов, труб и др.) и содержит в себе большое количество мелких абразивных частиц, появляющихся при изготовлении и в результате коррозии и эрозии системы. Применительно к этим условиям на Калужском турбинном заводе уже в 1953г были разработаны конструкции подшипников, объединяющие гидродинамический и гидростатический эффекты. Для больших нагрузок за основу взята сегментная конструкция, которая хорошо компенсирует перекосы, повышает виброустойчивость и позволяет выбрать наилучшее соотношение
кривизны трущихся поверхностей. В дальнейшем эти подшипники претерпели значительные конструктивные изменения на основе опыта эксплуатации.
Однако, имеющие место случаи отказов подшипников при эксплуатации выявили необходимость проведения детальных исследований физических процессов в конкретной, наиболее нагруженной конструкции (рис. 10) для выяснения причин отказов и выработки рекомендаций по повышению надежности подшипников.
В настоящей работе ставятся задачи:
Выполнить обзор и анализ применяемых при смазке водой конструкций подшипников.
Выполнить анализ опыта эксплуатации применяемых КТЗ подшипников комбинированного типа.
Провести исследования по определению несущей способности и основных характеристик (расходы воды, потери мощности) сегментных опорных подшипников при расчетных условиях.
Проверить работоспособность сегментных опорных подшипников в условиях пониженного давления смазки и в режимах пусков и остановок.
На основе проведенного анализа и исследований оценить возможности применяемых конструкций подшипников и создать методику расчета их характеристик.
Выполнить сопоставление результатов расчетов и экспериментов.
Подшипники гидростатического типа
В этих подшипниках трущиеся поверхности разделяются слоем смазки не в результате образования клина вязкости при вращении вала, а при помощи давления, создаваемого внешним источником [90]. Простейшая конструкция схематично показана на рис. 1. . Схема гидростатического подшипника. Принцип гидростатики состоит в том, что жидкость подается в камеры подшипника через отверстия с определенным гидравлическим сопротивлением (компенсаторы расхода или дроссели) из коллектора, связанного с насосом.
Вытекание жидкости из камер происходит в зазор через участок кольцевой щели. Очевидно, что давление в камерах при этом будет зависеть от положения вала в подшипнике и со стороны меньшего зазора давление будет больше, чем с противоположной стороны. За счёт разности давлений в противоположных камерах создаётся поддерживающая сила в подшипнике. Совершенно ясно, что величина всплытия вала в таком подшипнике не зависит от вязкости жидкости и определяется, в основном, подводимым давлением.
Гидростатические подшипники известны и применяются сравнительно давно. Вначале они применялись в таких конструкциях, где нужно было обеспечить жидкостное трение при малых относительных скоростях скольжения [69], [139], [143]. Позднее стали широко применяться в различных конструкциях герметичных насосов и при смазке маловязкими, агрессивными жидкостями [15,94].
В настоящее время гидростатические подшипники широко применяются в станкостроении, приборостроении и других отраслях техники. Имеется большое разнообразие их конструкций [7, 50, 51, 133].
Эти подшипники при наличии источника высокого давления позволяют обеспечить достаточно большую толщину несущего слоя смазки. Увеличенная толщина слоя позволяет несколько скомпенсировать перекос вала в подшипниках и существенно снизить интенсивность абразивного износа поверхностей. Наиболее серьёзным недостатком таких подшипников является опасность аварии агрегата даже при кратковременном снижении давления воды.
Гидростатические подшипники можно условно разделить на две большие группы по способу подвода жидкости: 1. Подшипники с постоянным входным сопротивлением. 2. Подшипники с переменным входным сопротивлением.
Подшипники обеих групп могут быть выполнены с любым числом камер, при этом различают два способа организации слива жидкости из камер, показанные на рис. 2а, 26. В первом случае (рис. 2а) возможно перетекание жидкости между камерами. Во втором случае (рис. 26) камеры изолированы, отделены одна от другой дренажными канавками. В работе [29] на примере трёхкамерного подшипника показано, что подшипник с изолированными камерами обладает несколько большей грузоподъёмностью и, естественно, большим
Четырехкамерныи гидростатический подшипник с постоянным входным сопротивлением, расположенным в валу расходом жидкости, чем с неизолированными камерами. В работе [30] указывается, что подшипник с изолированными камерами при нагрузке «на перемычку» между камерами будет обладать меньшей грузоподъёмностью, чем с неизолированными камерами.
1. Подшипники с постоянным входным сопротивлением.
Этот тип подшипника получил наиболее широкое распространение. Входные сопротивления выполняются в виде капилляров и в виде дросселей. Камеры и дроссели могут быть выполнены как на вкладыше, так и на валу. Кроме схемы, показанной на рис. 2, возможны и другие схемы. На рис. За показан гидростатический подшипник герметичного насоса фирмы Allis Chalmers. Дроссели выполнены в валу, роль взвешивающих камер играют плоские лыски на валу. На рис. 36 показан гидростатический подшипник герметичного насоса Ленниихиммаша [94]. Дроссели, так же как и на подшипнике (рис. За) выполнены в валу. Взвешивающие камеры расположены в обойме подшипника. Особенностью этой схемы является тот факт, что на части оборота вала выходные отверстия дросселей оказываются против перемычек между камерами, что должно вызывать колебания вала. Экспериментальные исследования таких подшипников показали, что амплитуда колебаний давления в камерах не превосходила 1% от среднего значения [97].
2. Подшипники с переменным входным сопротивлением. Подшипники этого типа обладают большей грузоподъемностью, чем подшипники с постоянным входным сопротивлением, и значительно большей жёсткостью. В качестве входного сопротивления в них используются специальные клапаны.
На рис. 4а показан подшипник, у которого в качестве входного сопротивления установлен клапан постоянного расхода. В работе [144] впервые рассматривался такой клапан, сконструированный сотрудниками института Франклина Фуллером и Лебош. На рис. 46 показана конструкция подшипника, у которого в качестве входного сопротивления используется золотниковый клапан переменного расхода
Результаты исследований основных характеристик сегментных подшипников
Определение условий отрыва поверхности шейки вала на пусковых режимах от рабочих поверхностей сегментов (всплытие) в зависимости от нагрузки на подшипник и давления подводимой воды. Испытания проводились как при полном комплекте сегментов, так и при снятых трёх верхних сегментах в диапазоне нагрузок W = 2,65...21,60 кН и в диапазоне изменения давления подводимой воды Р0 = 0...2 МПа при отсутствии вращения вала - n = 0.
Для определения влияния качества прилегания рабочих поверхностей использовались сегменты с баббитовым покрытием, поскольку баббит позволяет производить пришабровку поверхностей с проверкой по краске и притирку при помощи абразивных паст.
При бронзофторопластовом покрытии на качество прилегания поверхностей можно повлиять только приработкой при малых скоростях вращения. Испытания проводились в следующей последовательности. При заданной нагрузке на подшипник W производилось ступенчатое повышение давления Р0. По смещению (всплытию) h шейки вала фиксировалось давление Ротр при котором происходил отрыв шейки вала от поверхности сегментов, определялся рост всплытия при дальнейшем увеличении давления.
Кроме того, в зоне давлений ниже отрывного (Р0 Ротр) при помощи динамометра определялись усилия, которые дополнительно необходимо приложить к шейке вала, чтобы произошел её отрыв от поверхности сегментов.
Сопоставление всех измеренных параметров позволяет определить на какую часть площади поверхности рабочих сегментов распространяется давление смазки до отрыва и в момент отрыва трущихся поверхностей.
Определение нагрузочной характеристики подшипника при рабочей скорости вращения n = 3000 об/мин. 1) Определение величины «всплытия» шейки вала, расхода воды и уровня давлений в рабочей зоне в зависимости от величины подводимого давления Ро при работе без трех верхних сегментов и при двух вариантах размеров дросселей в сегментах. 2) Определение величин «всплытия» шейки вала и расхода воды при полном комплекте сегментов и при штатном выполнении дросселей. Расход воды через подшипник Q измеряется объемным методом при помощи мерного бака, установленного на сливной линии 3) Испытания пары трения (втулка ротора с упрочнением «ЦУТ-П» и сегменты с бронзофторопластовым покрытием) при n = 3000 об/мин производились на следующих режимах: - W = 21,6 кН (Руд =1,12 МПа), t0 = 60+5 град в течении т = 50 час, из них половина при Ро = 2 МПа и половина - при снижении Р0 до 1,2 МПа, - W = 8,0 кН (Руд = 0,42 МПа), t0 = 90.5 град в течении т = 50 часов при Р0 = 0,6 МПа. - проверка работоспособности при режимах, имитирующих аварийный выбег с проливкой от ЦАП: W = 8,0 кН, Руд = 0,42 МПа, Р0 = 0,02 МПа, 30 выбегов от п = 3000 об/мин до 0. Время выбега At = 12 ... 16,5 с.
Оценка состояния поверхностей пар трения осуществлялась при ревизиях при визуальном осмотре после каждого этапа испытаний - по состоянию поверхностей. Для роторных втулок осуществлялось профилометрирование (про-филограф "Hommel Tester" Т 1000Е фирмы "Hommel Werke", Германия).
Испытания по определению предельной разрушающей нагрузки проводились с подшипником 0100 мм при различных скоростях вращения. Радиальная нагрузка, создаваемая нагрузочным устройством, прилагалась ступенчато до момента разрушения подшипника, который фиксировался по резкому торможению вала.
Ресурсные испытания покрытий и материалов пар трения при рабочих окружных скоростях и в режимах полужидкостного трения проводились по следующей методике (установка - рис. 33).
При рабочих окружных скоростях (n = 2960 об/мин): -ЗО - кратная наработка при удельной нагрузке Руд = 0,5 МПа по 0,5 мин при давлении смазки Р0 = 0,02 МПа и многократный (30 раз) выбег под нагрузкой. Время выбега « 6 с. - 100 часов наработки под Руд = 0,5 МПа при Р0 = 0,1 МПа, - 50 часов наработки под Руд = 1 МПа при Р0 = 0,5 МПа. При длительных испытаниях продолжительность непрерывной наработки достигала 1000 и более часов.
Контроль поверхностей пар трения осуществлялся при ревизиях визуальным осмотром после каждого этапа испытаний. На роторных втулках для определения шероховатости рабочей поверхности применялось профилометрирова-ние. Выполнялись измерения износа втулок и сегментов.
В режимах небольших окружных скоростей n = 440 об/мин проводились наработки от 5 до 50 часов при тех же нагрузках.
Вывод зависимости толщины несущего слоя смазки при заданном положении шейки вала
Следует помнить, что задаваемая величина "J3K "- это угол между рабочей поверхностью сегмента и установочной окружностью (рис. 62). Для анализа процесса лучше построить графическую зависимость момента " М " от угла ус тановки сегмента по отношению к поверхности шейки вала "/3 " (рис. 64). Из рисунков 62 и 63 видно, что На график (рис. 64) следует нанести также зависимость " Мш " от угла "/? "; Мш рассчитывается по формуле (28).
Из построенного графика станет видно, обеспечивается ли установка сег мента с положительным углом "/? " на всех режимах работы. Если не обеспечивается - должны изменятся конструктивные параметры подшипника. После того как обеспечена установка наиболее нагруженного сегмента с положитель ным углом "/3 ", производится поиск равновесного положения [М +Мс-Мш=0) всех сегментов подшипника.
Программа расчета составлена на языке CLIPPER 5.3 и предназначена для работы на ПЭВМ. Работа осуществляется путем запуска выполняемого файла «segment.exe». Вывод результатов расчета производится в файл «segment.prn», который автоматически создается (обновляется) в той же директории, где находятся файлы «segment.exe» и «segment.dbf». Исходные тексты программы приведены в приложении. Главная функция имеет наименование «SEGMENT» и охватывает все внутренние вложенные в нее структурные элементы. Основные функции оформлены в виде подпрограмм: «RASXOD» - подпрограмма вычисления расхода через входной дроссель; «RASKOL» - подпрограмма вычисления расходов, давлений в канавках; мощности трения, моментов от сил трения и от сил в опорном шарнире, «НХ» - подпрограмма вычисления толщины несущего слоя смазки. Расчет ведется при выбранных геометрических параметрах подшипника (Z, R, A, Ai и др.) для конкретного положения центра вала в подшипнике (е, ср). При этом должны быть заданы параметры смазывающей жидкости (р, Ці) и выбран уровень давления перед подшипником (Рн ). При запуске программы на экран дисплея выводятся исходные данные в две строки: в верхней строке содержатся имена переменных, а в нижней — числовые значения, сохраненные с прошлого обращения к программе. Ввод значений в нижнюю строку осуществляется путем набора с клавиатуры ПЭВМ нового значения с последующим нажатием «Enter», перемещение по строке с помощью клавиш « -» и «— », завершение ввода и команда начать расчет -«Esc».
Перечень имен переменных исходных данных по порядку их расположения на дисплее при запуске программы и основные правила ввода исходных данных сведены в таблицу 12. Числовые значения в таблице 12 и в примерах по п. 4.3.3 приняты для первой (нижней) колодки подшипника 0160 мм. 116 Пример № 1. Определим зависимость суммарного момента сил, действующих на нижний сегмент подшипника 0160 мм со стороны несущего слоя смазки (МР + Мт), от угла "J3 ". В распечатке исходных данных и результатов расчета (см. рис. 66) обозначены: Исходные данные. Строка 1 -длины дросселей № 1, 2, 3 сегмента; строка 2 - радиусы дросселей № 1,2,3 сегмента; строка 3 - угловая скорость, начальное давление (перед дросселями), условная вязкость и плотность смазки; строка 4 - коэффициент трения в шарнире (принят =0); строка 5 - угол положения центра качания сегмента, координаты по оси X начала и конца подобной области; стр. 6-8 - основные геометрические параметры подшипника и вязкость смазки (см. табл. 12); строка 9 - число сегментов (колодок); строка 10 - шаг по оси X: DELTA-— ; строка 11 - значение угла "/V введенное как исходные данные (=0 в данном случае в соответствии с примечанием 4 к табл. 12). Результаты расчета. Строка 12 - 18 — вспомогательные величины, в том числе строка 16 - крайние возможные значения угла "J3K", равные "/?," и "/32"; строка 17- "/3СР" - среднее арифметическое "/?," и "рг"\ строка 18 - значение «ек» (см. рис. 62) для "J3CP". Основные результаты расчета сведены в группы по три строки, в которых печатаются: BETA - угол "fiKn, MOM - суммарный момент сил давления и сил трения на сегменте,
Определение диапазона варьирования углом Ик
Гидродинамостатический сегментный подшипник с водяной смазкой, изобретенный и разработанный на КТЗ, нашел не только широкое применение в изделиях КТЗ, но применяется и в изделиях других организаций. Однако, их попытки разработать методику расчета основных характеристик подшипника до настоящего времени были безуспешными - расчетные характеристики расходились с результатами экспериментов не только количественно, но и качественно. Причины заключались в подходе к расчету, которые были аналогичны тем, что применялись при создании расчетных методик для гидродинамических подшипников, смазываемых маслом (например, торцевые и осевые пояски рассматривались как бесконечно узкие в бесконечно широком подшипнике, а центральная часть - как колодочный подшипник, и т. п.).
Очевидно, что создание надежной инженерной методики расчета должно базироваться на использовании зависимостей, надежно подтвержденных экспериментами, либо созданных на основе обобщения экспериментальных данных, как это часто делается в гидравлике.
После многочисленных расчетов и сопоставления их результатов с экспериментальными данными был принят ряд предпосылок при выводе основных уравнений:
1) Периферийные торцевые пояски рассматриваются как щелевые уплотнения, и их гидравлические сопротивления определяются зависимостями, уточненными по результатам собственных экспериментов.
2) Гидравлические сопротивления поясков, расположенных по направлению окружной скорости, рассматриваются как состоящие из двух слагаемых. Одно определяется сопротивлением течению воды при неподвижных обоих поверхностях, другое - эквивалентно сопротивлению, которое нужно преодолеть, чтобы воде в щели сообщить скорость, равную скорости переноса воды одной движущейся поверхностью.
3) Силы трения, действующие на сегмент со стороны вращающегося вала, определяются при помощи выведенных эмпирических зависимостей для расчета мощности трения.
4) Течение воды в средней зоне сегмента описывается уравнением Рейнольдса, выведенным для ламинарного характера течения жидкости. Для учета другого характера течения вводится понятие условной вязкости. Значения условной вязкости определяются при помощи зависимости, полученной из сопоставления расчетных и экспериментально измеренных нагрузочных характеристик.
На основании указанных зависимостей при составлении уравнений баланса расходов для каждого канала и уравнений равновесия сегментов, были получены необходимые уравнения для решения задачи и разработан алгоритм расчета. Создана методика инженерных расчетов, позволяющая определить сначала угловое положение сегмента из условия равновесия действующих на него сил и моментов (гидростатического и гидродинамического давления, сил трения в смазочном слое и сил трения в опорном шарнире), а затем и все основные характеристики каждого сегмента и всего подшипника в целом - несу 128 щую способность (нагрузочную характеристику), расходы воды, мощность трения.
Для удобства расчетов создана программа для ЭВМ. Результаты проведенных расчетов дали хорошее качественное и количественное совпадение расчетных и полученных в эксперименте значений при работе подшипника в расчетных режимах - см. пункт 4.4. Отклонения между расчетом и экспериментом, выявленные при нерасчетном режиме работы подшипника (схода верхних не-нагруженных сегментов с опорных штуцеров из-за недостаточных сил поджатия и наличия расхода подводимой воды в обход пары трения при определенных размерах дросселей в сегментах), только подтверждают возможность применения разработанной методики для инженерного расчета и анализа конструкции подшипника, так как недостаточность усилий поджатия сегментов в данном случае была определена расчетом.
Таким образом, разработанная методика и программа инженерных расчетов сегментного гидродинамостатического подшипника может быть использована при проектировании и анализе конструкции подшипников, работающих на водяной смазке. С помощью данной методики можно будет расчетным путем выявить возможные конструктивные недостатки и повысить надежность подшипниковых узлов.
