ГАЗОДИНАМИЧЕСКАЯ ОПОРА И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК F16C32/06 

Изобретение относится к скоростным опорам гироскопических приборов управления, ориентации и стабилизации подвижных объектов, в частности летательных аппаратов и морских судов. Может быть эффективно использованы также в устройствах, где требуется высокая скорость и точность вращения, а также длительность работы, исчисляемая десятками и сотнями тысяч часов, например, в прецизионных электромеханических устройствах информационно-вычислительных систем и систем связи.

Известны радиально-упорные газодинамические опоры (ГДО) с полусферическими рабочими поверхностями [1]. Для обеспечения требуемых эксплуатационных свойств детали ГДО изготавливают из износостойких материалов или обычных конструкционных материалов, исходя из технологических, конструкционных и других требований. На рабочие поверхности наносят износостойкие покрытия с низкими коэффициентами трения скольжения, что очень важно при запуске ротора на рабочую скорость и торможении при “выбеге” ротора после отключения электропитания с обмоток статора. Для создания газодинамического режима (“всплытия”) при запуске и обеспечения необходимой несущей способности и жесткости на рабочей скорости на одной или обоих рабочих поверхностях каждого подшипника наносят газодинамические канавки. Недостаток ГДО с полусферическими рабочими поверхностями - относительно низкая несущая способность и жесткость опоры при заданных габаритных размерах, а также высокая трудоемкость изготовления. Эти недостатки ограничивают применение ГДО с полусферическими рабочими поверхностями в малогабаритных приборах.

Известны скоростные малогабаритные ГДО [2 - прототип], у которых две пары плоских поверхностей подпятников и втулки обеспечивают осевую жесткость и осевую несущую способность благодаря наличию неглубоких (несколько микрометров) газодинамических канавок (например, в форме спирали Архимеда) в зазоре между двумя параллельными рабочими плоскостями, составляющем 1-3 мкм. Радиальную несущую способность в этих ГДО обеспечивают две рабочие поверхности, одна из которых образована цилиндрическим отверстием охватывающей детали (втулки), другая - наружной поверхностью цилиндрического валика (оси). Для обеспечения необходимой твердости и износостойкости втулка выполнена из керамики Аl₂О₃, получаемой путем спекания в печи. Валик так же как и подпятники выполнен из металлических сплавов (например, хромо-никелевая сталь), на рабочие поверхности этих деталей нанесено износостойкое покрытие (например, нитрид титана). Таким образом, пары трения осевой и радиальной опоры - нитрид титана + керамика. Между цилиндрическим отверстием керамической втулки и наружным диаметром валика имеется радиальный зазор 2-4 мкм. Конструкция ГДО исключает необходимость нанесения износостойкого покрытия на внутреннюю цилиндрическую поверхность радиального подшипника, поскольку, по мнению авторов указанного изобретения, обеспечение достаточно качественного и надежного покрытия с требуемыми трибологическими свойствами в цилиндрическом отверстии малого диаметра является сложной технологической задачей.

При изготовлении этой опоры для фиксации деталей ГДО производят полимеризацию клея при температуре, отличающейся от рабочей, что связано с отличием коэффициентов температурного расширения (т.к.л.р.) керамики для втулки и применяемых сплавов для валика и подпятников.

Основной недостаток описанной опоры заключается в пониженной износостойкости рабочих поверхностей материала втулки, получаемого методом спекания, что приводит к износу рабочих поверхностей, продукты которого остаются в зазорах, а следовательно, ограничивает длительность безотказной работы и количество запусков устройства, в котором применена эта опора. Кроме того, пара трения “нитрид титана + керамика” обладает повышенным и нестабильным коэффициентом сухого трения, что требует обеспечения высокого пускового крутящего момента привода и снижает надежность запуска. Существенный недостаток заключается и в том, что как осевой, так и радиальный зазор в опоре изменяются при эксплуатации в широком диапазоне температур в связи с различием температурного коэффициента линейного расширения (т.к.л.р.) материалов втулки (керамика Аl₂O₃ т.к.л.р.=(5-6)10^-6 1/°С) и валика (сталь т.к.л.р. (11-13)10^-6 1/°С), в результате изменяется жесткость и несущая способность ГДО в рабочем режиме. Это, в свою очередь, приводит к нестабильности положения центра масс вращающейся части устройства (ротора гиромотора), в том числе при эксплуатации на подвижном основании, в частности при вибрации. Недостатком способа изготовления опоры по патенту (2), основанному на различиях т.к.л.р. материалов деталей опоры, заключается в том, его применение сужает диапазон рабочей температуры.

Заявляемое изобретение решает задачу обеспечения длительной безотказной работы прибора (в частности, гиромотора) с сохранением стабильности положения центра масс вращающейся части при эксплуатации на подвижном основании, при вибрации и колебаниях окружающей температуры за счет

- снижения износа рабочих поверхностей опоры при запусках и остановках, тем самым исключается вероятность преждевременного заклинивания,

- обеспечения стабильности осевого и радиального зазора в опоре при изменениях окружающей температуры, тем самым снижается вероятность появления случайной осевой и радиальной разбалансировки из-за смещения центра масс ротора,

- уменьшения момента сопротивления вращению опоры в режиме запуска, тем самым снижаются требования к величине движущего момента привода, обеспечивающего разгон ротора.

С этой целью в конструкции устройства - газодинамической опоры с плоским осевым и цилиндрическим радиальным подшипником - предусматривается использование износостойких покрытий, нанесенных методом конденсации ионной бомбардировкой нитрида титана и алмазоподобного углерода на все рабочие поверхности опоры, а материал всех деталей ГДО один и тот же, например бериллий. Задача получения требуемых свойств рабочих характеристик внутренней цилиндрической рабочей поверхности решается путем нанесения износостойкого покрытия таким способом, при котором ось внутреннего цилиндрического отверстия детали в течение всего технологического процесса нанесения покрытия находится под острым углом к направлению траектории движения ионов осаждаемого материала(нитрида титана)

Предлагаемая конструкция опоры поясняется фиг.1, способ изготовления - схемой нанесения нитрида титана на плоские поверхности осевых опор и внутреннюю цилиндрическую поверхность радиального подшипника фиг.2, на фиг.3 приведено пояснение конструкции подпятника с газодинамическими канавками.

Устройство представляет собой высокоскоростную газодинамическую опору для ротора гиромотора. Опора состоит из двух одинаковых осевых и одного радиального подшипника (см. фиг.1). Осевой подшипник образован рабочей поверхностью 1 подпятника 2, жестко закрепленного на конце валика 3 с помощью клея 4, и торцевой рабочей поверхностью 5 втулки 6. На обоих рабочих поверхностях 1 и 5 осевого подшипника нанесено износостойкое покрытие нитрид титана толщиной 10-20 мкм по подслою титана толщиной 0,3-0,5 мкм. Для создания оптимальной трибологической пары трения на рабочую поверхность 1 дополнительно нанесено алмазоподобное покрытие толщиной 0,3-0,6 мкм. Оба покрытия наносятся методом конденсации ионной бомбардировкой. Бомбардировка осуществляется в направлении, перпендикулярном рабочим поверхностям осевого подшипника (см. фиг.2). После нанесения покрытия нитрид титана производят механическую обработку (притирку) поверхности для получения требуемых размеров, чистоты и геометрии поверхности, а также подготовки поверхности для последующего нанесения алмазоподобного покрытия (для деталей, где это покрытие предусмотрено). Для создания требуемой осевой несущей способности на одной (или обоих) рабочих поверхностях каждого подшипника нанесены газодинамические спиральные канавки 7 (см. фиг.3) глубиной 2-3 мкм. Рабочий осевой зазор 8 в подшипнике составляет 1-2 мкм.

Радиальный подшипник образован наружной цилиндрической поверхностью 9 центральной части валика 3 и внутренними цилиндрическими поверхностями 10 и 11 втулок 12 и 6 (см. фиг.3). На рабочую поверхность 9 валика 3 нанесено износостойкое покрытие нитрид титана толщиной 10-20 мкм с последующей доработкой (доводкой) для обеспечения требуемого размера (диаметра) и чистоты поверхности, затем по подслою титана толщиной 0,05-0,1 мкм наносится алмазоподобное покрытие. Покрытия наносят на валик при его вращении, бомбардировка ионами нитрида титана и углерода производится в направлении, перпендикулярном рабочей поверхности. Шевронные канавки 13 обеспечивают устойчивость работы радиального подшипника. Нанесение покрытия нитрид титана на внутреннюю цилиндрическую поверхность производят методом конденсации ионной бомбардировкой. В отличие от известных способов, деталь и источники ионов располагают так, что напыляемая внутренняя цилиндрическая поверхность детали находится под острым углом к оси источника ионов. Деталь, подключенную к отрицательной клемме источника постоянного тока, вращают относительно оси цилиндра, затем, не прекращая вращение, включают источник положительно заряженных ионов нитрида титана, при этом траектория движения ионов в процессе напыления нитрида титана на рабочую цилиндрическую поверхность втулки составляет острый угол α (см. фиг.2) с осью внутренней поверхности, определяемый из отношения диаметра отверстия D к длине рабочей цилиндрической поверхности L

Требуемый угол α обеспечивается поворотом источника ионов вакуумной установки для нанесения покрытия.

В процессе напыления нитрида титана на внутреннюю цилиндрическую поверхность втулка 6 вращается вокруг оси I-I (фиг.2) с постоянной скоростью.

Газодинамическая опора работает следующим образом. При вращении ротора в осевом и радиальном подшипнике возникает момент сухого трения, который пропорционален коэффициенту трения скольжения пар "нитрид титана - алмазоподобный углерод". По мере возрастания угловой скорости вращения окружающий ротор воздух или другой вязкий газ захватывается периферийной частью газодинамических канавок 7 осевого подшипника и перемещается к зоне уплотнения 15 в центральной части, тем самым "расклинивая" вращающуюся и неподвижную части рабочих поверхностей. В момент всплытия вместо режима сухого трения возникает газодинамический режим работы осевых подшипников. Аналогично в радиальном подшипнике по мере возрастания угловой скорости вращения режим сухого трения заменяется на газодинамический режим работы в момент всплытия. Здесь вязкий газ затягивается в суживающийся зазор 14 радиальной опоры благодаря эксцентриситету положения валика 3 в радиальном зазоре.

Литература

1. Никитин Е.А., Шестов С.А., Матвеев В.А. Гироскопические системы, том 3. - М.: Высшая школа, 1988 г.

2. Патент США №5743655, авг. 1997 г., М. кл. F 16 C/06, F 16 C 43/02 - прототип.

Изобретение относится к скоростным опорам гироскопических приборов. Сущность изобретения: предложена газодинамическая опора, в которой внутренняя цилиндрическая рабочая поверхность втулки радиального подшипника имеет износостойкое покрытие нитрида титана по подслою титана, наружная рабочая поверхность валика радиального подшипника дополнительно к покрытию нитрида титана имеет износостойкое покрытие алмазоподобного углерода по подслою титана, а осевые подшипники имеют на одной из рабочих поверхностей износостойкое покрытие нитрида титана по титану, на другой дополнительно к покрытию нитрида титана нанесено покрытие алмазоподобного углерода по подслою титана. Покрытие на внутреннюю цилиндрическую рабочую поверхность нитрида титана по подслою титана наносят ионной бомбардировкой под острым углом к рабочей поверхности, при этом втулку вращают с постоянной скоростью относительно оси отверстия подшипника. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Газодинамическая опора, содержащая два осевых плоских подшипника со спиральными канавками на рабочей поверхности и радиальный подшипник, состоящий из валика с наружной рабочей цилиндрической поверхностью с покрытием нитрида титана и втулки с внутренней рабочей цилиндрической поверхностью, отличающаяся тем, что внутренняя рабочая цилиндрическая поверхность втулки радиального подшипника имеет износостойкое покрытие нитрида титана по подслою титана, а наружная рабочая поверхность валика радиального подшипника дополнительно к покрытию нитрида титана имеет износостойкое покрытие алмазоподобного углерода по подслою титана.2. Газодинамическая опора по п.1, отличающаяся тем, что осевые подшипники имеют на одной из рабочих поверхностей износостойкое покрытие нитрида титана по подслою титана, на другой имеют покрытие нитрида титана, затем износостойкое покрытие алмазоподобного углерода по подслою титана.3. Способ изготовления газодинамической опоры, включающий нанесение износостойких покрытий на рабочие поверхности, отличающийся тем, что покрытие на внутреннюю цилиндрическую рабочую поверхность нитрида титана по подслою титана наносят ионной бомбардировкой под острым углом α к рабочей поверхности, верхний предел угла определяют выражением:

где D - диаметр отверстия радиального подшипника;

L - длина образующей цилиндрического отверстия радиального подшипника,

при этом втулку в процессе нанесения нитрида титана вращают с постоянной скоростью относительно оси отверстия подшипника.