СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ И БЫСТРОХОДНОСТИ АВТОНОМНОГО ОПОРНО-УПОРНОГО ПОДШИПНИКА ЖИДКОСТНОГО ТРЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК F16C17/00 F16C33/10 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к области разработки и производства подшипников, в частности опорно-упорных малогабаритных высокоскоростных автономных (работающих без внешней напорной системы циркуляционной смазки) подшипников жидкостного трения, и может быть использовано в машинах и механизмах, применяемых в транспортных средствах, в энергетической промышленности, машиностроении, металлургической и других видах промышленности, где используют подшипники жидкостного трения.

Реализация предлагаемого способа позволит создать надежный, долговечный и автономный опорно-упорный подшипник жидкостного трения, обладающий высокой несущей способностью и быстроходностью (при окружных скоростях вала до 45 м/с допускается среднее удельное давление до 10 МПа, а при окружных скоростях до 90 м/с, допускается среднее удельное давление до 5 МПа). При реализации предлагаемого способа может быть создан опорно-упорный подшипник, не требующий постоянного контроля и обслуживания.

Способ может быть реализован для повышения качества работы подшипниковых узлов, где ранее применялись подшипники качения в условиях, предельных для них окружных скоростей (17-20 м/с), а также для замены подшипников жидкостного трения, нуждающихся в циркуляционной смазке, для исключения громоздких и пожароопасных комплексов оборудования, предназначенных для этой смазки. Подшипники, созданные по данному способу, могут быть использованы практически во всех условиях, где в настоящее время применяют подшипники жидкостного трения с циркуляционной смазкой.

Хотя способ относится к опорно-упорным подшипникам, но он также может быть реализован в отдельных опорных и упорных подшипниковых узлах.

Широко известен (Дьячков А.К. Расчет подшипников скольжения, работающих в области жидкостного трения. Сб. II, «Трение и износ в машинах», АН СССР, 1946; Петров Н.П. Трение в машинах и влияние на него смазывающей жидкости, «Гидродинамическая теория смазки», АН СССР, 1948; Рейнольдс О. Русский перевод «Гидродинамическая теория смазки и ее применение к опытам Тауэра». Серия «Классики естествознания», ГТТИ, М-Л., 1934).способ образования смазочного слоя в подшипнике скольжения, реализуемый в пространстве стабильной клиновой формы между неподвижной рабочей поверхностью и сопрягаемой рабочей поверхностью вращающегося вала, состоящий в том, что жидкость в качестве смазки затягивают при вращении вала силами вязкостного трения в напорную часть слоя, где образуют повышенное давление жидкости, в сумме равное нагрузке от вала и препятствующее непосредственному соприкосновению указанных поверхностей, и, таким образом, создают гидродинамический смазочный слой.

Этот способ обеспечивает возможность создать практически все подшипники жидкостного трения, применяемые в настоящее время в различных отраслях промышленности (машиностроение, энергетика и др.), однако при высоких окружных скоростях поверхностей валов в опорной и гребней в упорной частях подшипника, превышающих 15 м/с, даже при небольших средних удельных давлениях (до 0,5 МПа), оказалось необходимым применять, в связи с большим количеством выделяемого тепла от гидродинамического трения, циркуляционную систему с охлаждением смазки вне подшипника. Такая система требует существенных материальных затрат для ее изготовления и эксплуатации. Элементы этой системы при их отказе в эксплуатации снижают надежность обеспечения смазкой подшипника, что нередко приводит к авариям. Для повышения надежности работы системы ее усложняют: устанавливают аварийные масляные насосы, систему их автоматического пуска, гравитационные цистерны и др. Кроме того, эта система увеличивает пожароопасность агрегата в целом, например, паротурбинной установки корабля или электронасосного агрегата магистрального нефтепровода.

Известен способ (см. Чернавский С.А. «Подшипники скольжения», ГНТИ Маш. Лит., М., 1963 г., стр.107-117) образования динамического смазочного слоя в быстроходном автономном подшипнике скольжения, реализуемый в пространстве стабильной клиновой формы между неподвижной рабочей поверхностью и сопрягаемой рабочей поверхностью вращающегося вала, состоящий в том, что воздух в качестве смазки затягивают при вращении вала силами вязкостного трения в напорную часть слоя, где образуется повышенное давление воздуха, в сумме равное нагрузке от вала и препятствующее непосредственному соприкосновению указанных поверхностей, и, таким образом, образуют газодинамический смазочный слой.

Выделение тепла от газодинамического трения в таких подшипниках на 2 порядка меньше, чем в подшипниках с гидродинамическим трением. Однако они не нашли широкого применения для создания высокоскоростных подшипников, в связи с очень малой толщиной смазочного слоя. В таких подшипниках смазочный слой образуется из сжимаемой среды с малой вязкостью по тем же принципам, что и в подшипниках жидкостного трения, где среда практически несжимаемая и имеет большую вязкость. Поэтому даже при малых средних удельных давлениях порядка 0,05-0,1 МПа, минимальная толщина газодинамического смазочного слоя будет иметь величину порядка 2-4 мкм. При такой минимальной толщине смазочного слоя и имеющих место шероховатостях, отклонениях формы и перекосах рабочих поверхностей вала и вкладыша возможен металлический контакт этих поверхностей, что при больших окружных скоростях неизбежно приведет к аварии. Кроме того, такой подшипник при пуске требует подачи воздуха под давлением; на рабочих режимах и при пуске он обладает малой виброустойчивостью и практически не воспринимает ударных нагрузок.

Известны способы совершенствования подшипников, в том числе и автономных опорно-упорных подшипников жидкостного трения, а также способы их смазки и охлаждения.

Так (SU, авторское свидетельство №132964) предложено за счет компоновки узлов опорно-упорного подшипника предложено уменьшать его габариты; предложены также (SU, авторское свидетельство 138777 и авторское свидетельство 552440) способы эффективного охлаждения подшипника; способы (SU, авторское свидетельство 450039 и авторское свидетельство 469006) увеличения несущей способности упорных подушек подшипников; способы (SU, авторское свидетельство 491001, авторское свидетельство 536343 и RU патент 2109180) внутренней циркуляции смазки для автономных опорно-упорных подшипников, при которых обеспечивалось попадание в смазочные слои только охлажденной смазки.

На основании указанных изобретений были разработаны, испытаны и поставлены на серийное производство с последующим использованием автономные опорно-упорные и опорные подшипники для валопроводов кораблей и судов всех классов и назначений Советского Союза и РФ. В результате были исключены системы циркуляционной смазки, а для опорных подшипников - и системы водяного охлаждения на всех указанных кораблях и судах. Многолетняя эксплуатация показала высокие эксплуатационные качества и высокий моторесурс таких подшипников. При капитальных ремонтах этих объектов подшипники не ремонтировались и не заменялись. В настоящее время продолжается поставка вышеуказанных подшипников. Однако их применение ограничивается окружными скоростями до 25 м/с.

Известен (RU, патент 2166136) способ повышения качества работы подшипников скольжения, позволяющий снизить количество тепла, выделяемого в напорной части слоя, за счет образования в нем давления по новому способу, отличному от известного способа Рейнольдса, где используют геометрический клин. В указанном новом способе для образования в напорной части слоя гидродинамического давления выполняют на неподвижной поверхности этой части слоя канавки с тонкими перегородками, расположенными параллельно оси вала в опорном подшипнике и радиально в упорном, не выходящие за пределы указанных поверхностей. При этом на слой смазки, прилегающий к валу, не действуют большие силы трения в районе канавки. Давление создается за счет преобразования сил инерции, переносящих увеличенный расход смазки через зазоры между валом и перегородками. Таким образом, создают инерционный смазочный слой, повышающий быстроходность подшипника жидкостного трения. Этот способ может быть использован в целях расширения применения автономных опорно-упорных подшипников в условиях эксплуатации для более высоких окружных скоростей (до 35 м/с). Однако в нем не конкретизированы необходимые способы смазки и охлаждения. Кроме того, имеют место повышенные протечки через участки слоя, расположенные вдоль боковых и выходной границ слоя, что уменьшает его толщину, снижает несущую способность подшипника и увеличивает количество выделяемого тепла на указанных участках.

Известен (RU, патент 2292493) способ отвода тепла от автономного опорно-упорного высокоскоростного подшипника жидкостного трения, в котором отводят тепло от смазочного слоя к движущейся опорной поверхности шейки вала, подводят смазку к входной части смазочного слоя маслоподающими устройствами, в том числе и всасывая ее из картера в вакуумную часть слоя, подводят смазку к упорным частям, расположенным по обе стороны от опорной части, за счет слива ее с опорной части. Способ реализован в подшипнике, содержащем нижний, а также верхний вкладыш или крышку, выполняющую функцию верхнего вкладыша. В этом способе полезно использована вакуумная часть смазочного слоя для подачи смазки в слой и повышена несущая способность и высокооборотность подшипника в результате охлаждения поверхности вала. Однако указанный способ пригоден только для окружных скоростей, не превышающих 45 м/с. Для замены подшипников с циркуляционной смазкой для крупных паровых турбин необходимы автономные подшипники, допускающие окружные скорости до 90 м/с.

В качестве ближайшего аналога разработанного технического решения может быть использован (RU, патент 2002135) способ повышения несущей способности и быстроходности автономного опорно-упорного подшипника жидкостного трения, в котором создают гидродинамический слой смазки движением одной из двух поверхностей тел, образующих слой, и дополнительно воздействуют на него тепловым полем, обеспечивающим в различных зонах слоя и по его толщине разные по величине вязкости и силы вязкостного трения между слоем и поверхностями тел и внутри слоя, которые для различных вариантов способа в напорной части слоя должны соответствовать неравенству

,

где P₁ - силы вязкостного трения; действующие на слой со стороны поверхностей тел и элемента, движущих слой или движимых слоев;

P₂ - силы вязкостного трения, действующие на слой со стороны элемента, только ограничивающего слой, в той его части поверхности, которая не входит в зоны, расположенные вдоль выходной и боковых границ слоя, или только вдоль выходной границы, или только вдоль боковых границ;

P₃ - силы вязкостного трения, действующие на слой со стороны поверхности элемента, в зонах, расположенных вдоль выходной и боковых границ слоя, или только вдоль выходной границы, или только вдоль боковых границ.

В дополнительных пунктах и описании этого способа расширены указанные основные признаки этого способа, что позволило создать автономные опорно-упорные подшипники для буровых долот, работающие при средних удельных нагрузках на опорную часть - 50 МПа, и на упорную часть - 42 МПа, что в 3-4 раза больше (по результатам стендовых испытаний), чем у лучших (до 1990 г.) отечественных подшипников для буровых долот. Кроме того, созданы и поставлены опорные подшипники для прокатного стана, работающие при удельных давлениях 22 МПа (это повышенное давление потребовало дополнительной циркуляции смазки), при окружных скоростях 33 м/с. Ресурс этих подшипников в эксплуатации оказался в 8-10 раз большим, чем у немецких подшипников с циркуляционной смазкой, ранее устанавливаемых на этом стане. Однако для создания способов, расширяющих область применения автономных подшипников, особенно для более высоких окружных скоростей, этот способ имеет следующие ограничения:

- оказывается недостаточным использование только одного указанного неравенства;

- часть неравенства , соответствующая неравенству µ₂>µ₃, где µ₂ и µ₃ - средние вязкости смазки в тех же частях слоя, где образуются силы вязкостного трения Р₂ и Р₃, исключает возможность создания некоторых вариантов способа, повышающих несущую способность и быстроходность подшипника, например, указанная часть неравенства не позволяет создавать упорный подшипник с параллельными рабочими поверхностями подушек и гребня, как это указано в описании способа;

- не предусмотрена возможность использования газовой смазки;

- в этом способе, как и во всех известных способах, полезно не используются вакуумная и свободная части слоя, даже наоборот, в них возникают дополнительные потери на трение и вентиляцию, что вызывает дополнительное выделение тепла, которое необходимо отводить;

- не конкретизированы способы подачи смазки в смазочный слой и способы обеспечения внутренней циркуляции смазки, необходимые для эффективного использования теплового поля;

- для применения способа необходимо для конкретных вариантов способа учитывать вязкостные силы, а не сами вязкости, что усложняет использование способа.

Техническая задача, решаемая посредством предлагаемого изобретения, состоит в разработке нового способа повышения несущей способности и быстроходности автономного опорно-упорного подшипника жидкостного трения.

Технический результат, получаемый при реализации изобретения, состоит в расширении области применения автономных подшипников жидкостного трения до окружных скоростей 90 м/с и в улучшении эксплутационных характеристик агрегатов, где устанавливаются эти подшипники, а также в создании возможности применения новых подшипников не только на вновь изготовляемых агрегатах, но и на эксплуатируемых.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанный способ повышения несущей способности и быстроходности автономного опорно-упорного подшипника жидкостного трения, улучшающий эксплутационные характеристики подшипника.

Разработанный способ повышения несущей способности и быстроходности автономного опорно-упорного подшипника жидкостного трения включает создание гидродинамического слоя смазки движением одной из двух поверхностей тел, образующих слой, и дополнительное воздействие на указанный слой создаваемым охлаждающей средой тепловым потоком, который изменяют, варьируя на его пути теплопроводностью, теплоотдачей от поверхности теплосъема и ее размерами, обеспечивая в различных зонах слоя и по его толщине разные вязкости и силы вязкостного трения между слоем и поверхностями тел и внутри слоя, причем при реализации способа обеспечивают между величинами средней вязкости смазки во всех частях слоя, в их участках и в зонах по толщине слоя соотношения, соответствующие, по меньшей мере, одному неравенству, выбранному из следующей единой системы неравенств:

где µ₁ - средняя вязкость смазки в зоне слоя, прилегающей к поверхности тела, движущего слой,

µ₂ - средняя вязкость смазки в напорной части слоя, за исключением участков, расположенных вдоль выходной и боковых границ этой части слоя, и зоны, прилегающей к поверхности тела, движущего слой,

µ₃ - средняя вязкость смазки в участках напорной части слоя, расположенных вдоль выходной и боковых границ этой части слоя,

µ₄ - средняя вязкость смазки в зоне, прилегающей к неподвижной поверхности в свободной или также вакуумной частях слоя,

µ₅ - средняя вязкость смазки в свободной части или также вакуумной частях слоя, кроме зоны, прилегающей к неподвижной поверхности,

обеспечивают указанные соотношения вязкостей, создавая различные виды вязкостных клиньев, в том числе обеспечивая выполнения неравенства µ₁<µ₂<µ₃ или µ₁<µ₂=µ₃ путем подвода газовой прослойки к подвижной поверхности в напорной части слоя, снижения там прослойкой вязкости и создания двухслойного газогидродинамического смазочного слоя, и/или обеспечивая выполнение неравенства µ₄=µ₅>µ₁ и используя свободную часть слоя или также вакуумную часть слоя, формируют их как проточную часть гидродинамического насоса с образованием в них гидродинамического перепада давления, при этом засасывают внешний воздух в свободную часть слоя, охлаждают им в этой части движущуюся поверхность, и ею, обеспечивая выполнение неравенства µ₁>µ₂=µ₃, охлаждают напорную часть слоя, а воздух удаляют во внешнее пространство, и/или обеспечивая выполнение неравенства µ₄=µ₅>µ₁, засасывают охлажденную вне подшипника жидкую смазку в свободную часть слоя, также охлаждают ею движущуюся поверхность, снабжают напорную часть слоя и удаляют поступившую смазку из свободной части слоя, и/или, обеспечивая выполнение неравенства µ₄>µ₅>µ₁, используют свободную часть слоя и отводят тепло внешним охладителем от неподвижной поверхности, охлаждают свободную часть слоя и движущуюся поверхность, а ею, обеспечивая выполнения неравенства µ₁>µ₂=µ₃, охлаждают напорную часть слоя, и/или, способствуя выполнению неравенств µ₄=µ₅>µ₁ и µ₄>µ₅>µ₁, заполняют смазкой весь объем свободной части слоя, создавая внутреннюю циркуляцию смазки путем образования системы канавок и отверстий в ненагруженной части слоя, возвращают по этой системе смазку, вытекающую из слоя, обратно в слой, тем самым увеличивают тепломассообмен в слое, и/или, обеспечивая выполнение неравенства µ₁>µ₂<µ₃ или µ₁=µ₂<µ₃ или µ₁<µ₂<µ₃ в упорном подшипнике с параллельными рабочими поверхностями, формируют вязкостный клин, создающий гидродинамический смазочный слой с его охлаждением без геометрического клина, и/или, обеспечивая выполнение неравенства µ₁>µ₂<µ₃ или µ₁=µ₂<µ₃, или µ₁<µ₂<µ₃ в напорной части инерционного смазочного слоя, охлаждают внешним источником неподвижную поверхность на участках, расположенных вдоль выходной и боковых границ, и создают инерционный слой с вязкостным клином, и/или, способствуя обеспечению всех указанных выше неравенств, создают между поверхностями, ограничивающими смазочный слой, пространства стабильной клиновой или плоской формы.

В одном из вариантов реализации способа для образования газогидродинамического слоя подают жидкую смазку в свободную часть слоя в количестве, обеспечивающем неполное ее заполнение, затягивают из свободной части слоя газ в напорную часть слоя, таким образом, формируют газодинамическую часть напорной части слоя у подвижной поверхности, а жидкой смазкой, прилегающей к неподвижной рабочей поверхности, заполняют ее неровности и образуют гидродинамическую часть напорной части слоя, причем количество жидкой смазки, обеспечивающее как снижение трения, так и безаварийную работу подшипника, регулируют выбором места расположения и размером отверстия для подсоса жидкой смазки в вакуумную часть слоя.

Еще в одном варианте реализации способа для создания воздушного тепломассообмена в свободной части слоя опорного и упорного подшипников формируют свободную или также вакуумную части слоя как проточную часть гидродинамического насоса из условий оптимальных расходов и давлений, подводят жидкую смазку в слой, всасывая ее из картера в вакуумную часть слоя движущейся поверхностью, и также ею создают циркуляцию и перепад давления в свободной части слоя, засасывают воздух во входной участок свободной части слоя из внешнего пространства через воздушный фильтр или из воздухоохладителя, сжимают воздух в сужающемся участке свободной части слоя и удаляют его из подшипника через улавливающее смазку устройство наружу или в воздухоохладитель, обеспечивая при вращении вала отвод тепла от движущейся поверхности к воздуху в свободной части слоя, а затем - от напорной части смазочного слоя к движущейся поверхности.

Еще в одном варианте реализации способа для создания тепломассообмена жидкой смазкой в свободной части слоя опорного и упорного подшипников формируют свободную или также вакуумную части слоя как проточную часть гидродинамического насоса из условий оптимальных расходов и давлений, заполняют жидкой смазкой свободную часть смазочного слоя, движущейся поверхностью засасывают смазку во входной участок свободной части слоя из маслоохладителя, расположенного во внешнем пространстве, после чего движущейся поверхностью повышают давление в сужающемся участке свободной части слоя и удаляют поступившую смазку из подшипника в маслоохладитель, обеспечивая отвод тепла от движущейся поверхности к смазке в свободной части слоя, а затем при вращении вала движущейся поверхностью подают в напорную часть слоя охлажденную смазку и там отводят тепло от слоя к этой поверхности.

Еще в одном варианте реализации способа для создания теплообмена в свободной части смазочного слоя в опорном и упорном подшипниках заполнят смазкой весь объем этой части слоя, создают в упорных подушках или в верхнем вкладыше, или в крышке, выполняющей функцию верхнего вкладыша, каналы, создают на неподвижной поверхности в свободной части слоя ребра, увеличивая там поверхность теплообмена, по каналам прокачивают охлаждающую среду с отводом тепла от свободной части смазочного слоя к неподвижной поверхности и отводом тепла от движущейся поверхности к свободной части слоя, при этом в напорной части слоя при вращении вала отводят тепло к его поверхности.

Еще в одном варианте реализации способа для обеспечения внутренней циркуляции смазки в опорном и упорном подшипниках засасывают смазку из нижней части корпуса или картера в вакуумную часть смазочного слоя, при этом увеличивают количество смазки, подаваемое в смазочный слой за счет направления смазки, вытекающей из боковых границ слоя, в канавки на неподвижной поверхности у этих границ, и из них направляют смазку в канавку, расположенную перед входом в напорную часть слоя или в канавку перед входом в свободную часть слоя, а при подаче смазки, вытекающей из торцов вкладыша в упорные части, создают в указанных опорных частях малые картеры, из которых смазку возвращают гребнем в опорную часть через отверстия во вкладыше, при этом увеличивают диаметр шейки вала с уменьшением на расстоянии шейки вала диаметра вкладыша, при этом образуют постоянно заполненный объем смазки в нижнем вкладыше, обеспечивающий режимы снабжения смазкой при страгивании и на малых оборотах.

Еще в одном варианте реализации способа для создания в упорном подшипнике гидродинамического слоя с параллельными рабочими поверхностями неподвижную плоскую рабочую поверхность разделяют канавками с формированием отдельных подушек, обеспечивают параллельность между рабочей поверхностью гребня и рабочими поверхностями подушек, образуют между поверхностью вращающегося гребня и поверхностями подушек гидродинамические смазочные слои, в которых с использованием вязкостных клиньев создают гидродинамическое давление, в сумме равное упорной нагрузке, отводят тепло от выходного участка слоя с повышением там вязкости смазки, теплоизолируют входной участок слоя, причем в подшипнике, содержащем опорный вкладыш и упорные части, расположенные на торцах вкладыша, образуют внутри вкладыша у этих торцов полукольцевые полости, одна из поверхностей которых представляет собой тыльную поверхность подушек, участки этой поверхности, расположенные напротив выходных участков смазочных слоев подушек, снабжают ребрами и охлаждают, а остальные участки поверхности теплоизолируют, вышеуказанные полости соединяют каналами, расположенными под выходной частью смазочного слоя опорного подшипника, и через полости и каналы прокачивают охлаждающую среду.

Еще в одном варианте реализации способа для создания инерционного смазочного слоя с вязкостным клином в опорном и упорном подшипниках, под поверхностью участков в напорной части слоя, расположенных вдоль его выходной и боковых границ, прокачивают по дополнительно выполненным каналам охлаждающую среду, причем указанные каналы располагают и под остальной частью неподвижной поверхности в напорной части слоя, создавая вязкостный клин в инерционном смазочном слое с отводом тепла и от поверхности канавок в этом слое.

В некоторых вариантах реализации разработанного способа при образовании стабильной клиновой формы упорного смазочного слоя используют неподвижную упорную рабочую поверхность с твердостью, превышающую твердость подвижной упорной рабочей поверхности, причем указанная твердость подвижной упорной рабочей поверхности обеспечивает прирабатываемость последней.

Также в некоторых вариантах реализации разработанного способа создают в упорном подшипнике в смазочном слое каждой подушки вязкостный клин, ограничивают подачу смазки в напорную часть слоя и засасывают в эту часть воздух с формированием в указанном подшипнике газогидродинамических смазочных слоев с параллельными рабочими поверхностями и уменьшением тепловыделения в этих слоях.

Указанная единая система неравенств создает, за счет соблюдения предписанных этой системой соотношений между вязкостями в различных местах слоя, необходимые и достаточные условия для формирования указанного комплекса вариантов реализации способа и их сочетаний, обеспечивающих создание автономных подшипников практически для всех областей применения подшипников с циркуляционной смазкой. Единство этой системы неравенств обусловлено ее необходимостью и достаточностью. Добавления к этой системе, как будет показано в конце описания, каких-либо других соотношений между вязкостями в различных местах слоя будут нереальными или не новыми, или не имеющими преимуществ по сравнению с предложенными вариантами реализации способа, или будут приводить к отрицательному эффекту, снижающему либо несущую способность, либо быстроходность подшипника.

Разработанный способ, как указано выше, может быть реализован в нескольких вариантах:

- по первому варианту реализации формируют газогидродинамический смазочный слой в опорном и упорном подшипниках, подают жидкую смазку в ограниченном количестве в напорную часть слоя, затягивают в нее газ из свободной части, формируют газодинамическую часть напорной части слоя у подвижной поверхности, а жидкой смазкой, прилегающей к неподвижной рабочей поверхности, заполняют ее неровности и образуют гидродинамическую часть напорной части слоя, и, кроме того, оптимальное количество жидкой смазки, обеспечивающее как снижение трения, так и безаварийную работу подшипника, регулируют выбором места расположения и размером отверстия для подсоса жидкой смазки в вакуумную часть слоя;

- по второму варианту реализации формируют свободную или также вакуумную части слоя как проточную часть гидродинамического насоса из условий оптимальных расходов и давлений, подводят жидкую смазку в слой маслоподающими устройствами, в частности, всасывая ее из картера в вакуумную часть слоя, по возможности удаляют центробежными силами жидкую смазку в конце вакуумной части слоя или в начале свободной части смазочного слоя, затем движущейся поверхностью создают циркуляцию и перепад давления в свободной части слоя, засасывают воздух во входной участок свободной части слоя из внешнего пространства через воздушный фильтр или из воздухоохладителя, после чего, сжимают воздух в сужающемся участке свободной части слоя и удаляют его из подшипника через улавливающее смазку устройство наружу или в воздухоохладитель, обеспечивая при вращении вала отвод тепла от движущейся поверхности к воздуху в свободной части слоя, а затем - от напорной части смазочного слоя к движущейся поверхности;

- по третьему варианту реализации формируют свободную или также вакуумную части слоя как проточную часть гидродинамического насоса из условий оптимальных расходов и давлений, используют один из способов заполнения жидкой смазкой свободной части смазочного слоя, например пятый вариант, движущейся поверхностью засасывают смазку во входной участок свободной части слоя из маслоохладителя, расположенного во внешнем пространстве, после чего движущейся поверхностью повышают давление в сужающемся участке свободной части слоя и удаляют поступившую смазку из подшипника в маслоохладитель, обеспечивают отвод тепла от движущейся поверхности к смазке в свободной части слоя, а затем при вращении вала движущейся поверхностью подают в напорную часть слоя охлажденную смазку и там отводят тепло от слоя к этой поверхности;

- по четвертому варианту реализации используют один из способов заполнения смазкой всего объема этой части слоя, например, пятый вариант, создают в упорных подушках или в верхнем вкладыше или в крышке, выполняющей функцию верхнего вкладыша, камеры, в частности, имеющие форму круглых каналов, создают на неподвижной поверхности в свободной части слоя ребра, увеличивая там поверхность теплообмена, по каналам прокачивают охлаждающую среду, и таким образом отводят тепло от свободной части смазочного слоя к неподвижной поверхности, обеспечивают отвод тепла от движущейся поверхности к свободной части слоя, а затем в напорной части слоя при вращении вала отводят тепло к этой поверхности;

- по пятому варианту реализации засасывают смазку из нижней части корпуса или картера в вакуумную часть смазочного слоя, при этом увеличивают количество смазки, подаваемое в смазочный слой за счет направления смазки, вытекающей из боковых границ слоя, в канавки на неподвижной поверхности у этих границ, и из них направляют смазку в канавку, расположенную перед входом в напорную часть слоя или также в третьем и четвертом вариантах в канавку перед входом в свободную часть слоя, а при подаче смазки, вытекающей из торцов вкладыша в упорные части, там создают малые картеры, из которых смазку возвращают гребнем в опорную часть через отверстия во вкладыше, кроме того, увеличивают диаметр шейки вала и на некотором от нее расстоянии уменьшают диаметр вкладыша, при этом образуют постоянно заполненный объем смазки в нижнем вкладыше, обеспечивающий режимы снабжения смазкой при страгивании и на малых оборотах;

- по шестому варианту реализации неподвижную плоскую рабочую поверхность разделяют канавками и таким образом формируют отдельные подушки, обеспечивают параллельность между рабочей поверхностью гребня и рабочими поверхностями подушек, образуют между поверхностью вращающегося гребня и поверхностями подушек гидродинамические смазочные слои, в которых с помощью вязкостных клиньев создают гидродинамическое давление, в сумме равное упорной нагрузке, благодаря тому, что отводят тепло от выходного участка слоя, повышая там вязкость смазки, и препятствуют теплоизоляцией отводу тепла от входного участка слоя, кроме того, например, в подшипнике, содержащем опорный вкладыш и упорные части, расположенные на торцах вкладыша, образуют внутри вкладыша у этих торцов полукольцевые полости, одна из поверхностей которых является тыльной поверхностью подушек, участки этой поверхности, расположенные напротив выходных участков смазочных слоев подушек, снабжают ребрами и охлаждают, а остальные участки поверхности - теплоизолируют, указанные полости соединяют каналами, расположенными под выходной частью смазочного слоя опорного подшипника, и через полости и каналы прокачивают охлаждающую среду;

- по седьмому варианту реализации под поверхностью участков в напорной части слоя, расположенных вдоль его выходной и боковых границ, выполняют каналы, по которым прокачивают охлаждающую среду, а также эти каналы по возможности располагают и под остальной частью неподвижной поверхности в напорной части слоя, и таким образом создают вязкостный клин в инерционном смазочном слое и по возможности дополнительно отводят тепло от поверхности канавок в этом слое;

- при образовании стабильной клиновой формы упорного смазочного слоя обеспечивают твердость неподвижной упорной рабочей поверхности более высокую, чем подвижной поверхности, а также высокую прирабатываемость последней;

- образуют различные комбинации из семи вариантов предлагаемого способа, например, объединяя первый и шестой варианты способа, создают в упорном подшипнике в смазочном слое каждой подушки вязкостный клин, как в шестом варианте способа, ограничивают подачу смазки в напорную часть слоя и засасывают в эту часть воздух, как в первом варианте способа, и таким образом формируют в указанном подшипнике газогидродинамические смазочные слои с параллельными рабочими поверхностями и уменьшают тепловыделение в этих слоях.

Приведенные варианты реализации разработанного способа не исчерпывают возможные пути реализации разработанного способа.

Приведенные семь вариантов способа иллюстрированы графическим материалом и описанием, на которых приведены:

Фиг.1. Схема способа образования газогидродинамического смазочного слоя (первый вариант реализации способа) в опорном подшипнике.

Фиг.2. Схема способа образования газогидродинамического смазочного слоя (первый вариант реализации способа) в упорном подшипнике. Разрез А-А на фиг.3.

Фиг.3. Схема способа образования газогидродинамического смазочного слоя (первый вариант реализации способа) в упорном подшипнике. Разрез А-А на фиг.2.

Фиг.4. Схема способа воздушного тепломассообмена в свободной части слоя (второй вариант реализации способа) опорного подшипника.

Фиг.5. Схема способа воздушного тепломассообмена в свободной части слоя (второй вариант реализации способа) упорного подшипника. Разрез Б-Б на фиг.6.

Фиг.6. Схема способа воздушного тепломассообмена в свободной части слоя (второй вариант реализации способа) упорного подшипника. Разрез Б-Б на фиг.5.

Фиг.7. Схема способа тепломассообмена жидкой смазкой в свободной части слоя (третий вариант реализации способа) опорного подшипника.

Фиг.8. Схема способа теплообмена в свободной части смазочного слоя (четвертый вариант реализации способа) в опорном подшипнике.

Фиг.9. Схемы способа обеспечения внутренней циркуляции смазки (пятый вариант реализации способа) в опорном и опорно-упорном подшипнике.

Фиг.10. Схемы способа обеспечения внутренней циркуляции смазки (пятый вариант реализации способа) в опорном и опорно-упорном подшипнике. Разрез В-В на фиг.9.

На фиг.11. Схема способа обеспечения внутренней циркуляции смазки (пятый вариант реализации способа) в упорном подшипнике.

На фиг.12. Схема способа обеспечения внутренней циркуляции смазки (пятый вариант реализации способа) в упорном подшипнике. Разрез Г-Г на фиг.11.

Фиг.13. Схема способа образования гидродинамического слоя (шестой вариант реализации способа) в упорном подшипнике с параллельными образующими поверхностями.

Фиг.14. Схема способа образования гидродинамического слоя (шестой вариант реализации способа) в упорном подшипнике с параллельными образующими поверхностями. Разрез Д-Д на фиг.13.

Фиг.15. Схема способа образования гидродинамического слоя (шестой вариант реализации способа) в упорном подшипнике с параллельными образующими поверхностями. Разрез Е-Е на фиг.14.

Фиг.16. Схема способа образования инерционного смазочного слоя с вязкостным клином в опорном подшипнике (седьмой вариант реализации способа).

Фиг.17. Схема способа образования инерционного смазочного слоя с вязкостным клином в опорном подшипнике (седьмой вариант реализации способа). Разрез Ж-Ж на фиг.16.

Фиг.18. Схема способа образования инерционного смазочного слоя с вязкостным клином в упорном подшипнике (седьмой вариант реализации способа).

Фиг.19. Схема способа образования инерционного смазочного слоя с вязкостным клином в упорном подшипнике (седьмой вариант реализации способа). Разрез З-З на фиг.18.

Фиг.20. Иллюстрация шестого варианта в упорном подшипнике.

На фиг.1-3 изображены схемы способа образования газогидродинамического смазочного слоя (первый вариант реализации способа) в опорном и упорном подшипниках.

Физические основы образования газогидродинамического смазочного слоя подтверждены тремя экспериментами. При этом третий эксперимент является одной из главных практических основ, подтверждающих эффективность также второго, третьего и четвертого вариантов реализации способа. Другие экспериментальные доказательства этих и других вариантов приведены в соответствующих разделах описания.

Первый эксперимент состоял в том, что были проведены испытания автономного опорного подшипника на стенде под нагрузкой. В этом подшипнике жидкую смазку подавали маслоподающим диском из картера на маслосъемник, и через маслоподающее отверстие в верхнем вкладыше она попадала в карман и в верхнюю часть пространства между валом и этим вкладышем. Количество подаваемой жидкой смазки регулировали частичным закрытием указанного отверстия. На каждом режиме это количество было различным, нагрузка и число оборотов были постоянными, и при этом фиксировали установившуюся температуру. В результате этих испытаний было установлено:

- на первом режиме в отверстие поступала только жидкая смазка;

- после уменьшения количества подаваемой жидкой смазки до определенного предела в указанное отверстие начал подсасываться воздух вместе со смазкой, при этом температура подшипника уменьшалась;

- при дальнейшем уменьшении подаваемой жидкой смазки температура подшипника продолжала уменьшаться;

- было зафиксировано минимальное значение температуры; она уменьшилась на 10-15° ниже первой установившейся температуры подшипника: далее она начала сначала медленно, а затем при дальнейшем уменьшении количества подаваемой жидкой смазки - резко повышаться;

- на всех режимах среднее удельное давление составляло 11 МПа.

Из указанного эксперимента были сделаны следующие выводы:

- воздушная прослойка в смазочном слое снижает температуру подшипника на 10-15°, что соответствует по расчету уменьшению количества выделяемого тепла в 3-5 раз;

- снижение выделяемого тепла достигается при поступлении в зазор между валом и вкладышем воздуха и жидкой смазки только в определенной пропорции, поэтому указанную пропорцию необходимо соблюдать и учитывать, что она однозначно определяется количеством подаваемой жидкой смазки, так как оставшаяся часть слоя обязательно будет заполнена окружающим воздухом;

- при таком способе снижения выделяемого тепла можно допускать удельное давление до 5-7 МПа.

Второй эксперимент состоял в том, что перед испытаниями автономного опорного подшипника на стенде под нагрузкой в нижней части нижнего вкладыша было выполнено отверстие, через которое смазка из смазочного слоя поступала в металлическую трубку, перекрываемую клапаном, и далее в стеклянную трубку и на слив. При этом испытании, в период уменьшения подаваемой жидкой смазки в маслоподающее отверстие в верхнем вкладыше и подсасывании в это отверстие воздуха, приоткрывали клапан, и через стеклянную трубку проводили наблюдение за проходящей через нее смазкой. Было установлено отсутствие каких-либо пузырьков или других признаков наличия воздуха в этой смазке.

Из второго эксперимента были сделаны следующие выводы:

- жидкая смазка в напорной части смазочного слоя располагается у поверхности нижнего вкладыша, а воздух в слое, прилегающем непосредственно к этой поверхности, - отсутствует; следовательно, воздушный слой должен прилегать к шейке вала; этим объясняется существенное снижение количества выделяемого тепла в подшипнике с газогидродинамическим трением, возникающим в двойном смазочном слое;

- жидкая смазка является средой, выравнивающей шероховатости и другие отклонения поверхности вкладыша, а также конусности, бочкообразности и другие отклонения поверхностей вала; при этом могут быть допустимы малые минимальные толщины газодинамической части смазочного слоя; желательно, чтобы минимальная толщина газового слоя не была меньше размера шероховатости (микронеровностей) рабочей поверхности вала;

- наличие жидкой прослойки в смазочном слое гарантирует вибро- и ударостойкость, а также она, в случаях частичного прерывания газовой прослойки, исключает непосредственный контакт поверхностей вкладыша и вала.

Третий эксперимент состоял в том, что на стенде проводили испытания втулки (вкладышей) подшипника, внутри которой вращался вал. Между втулкой и валом был установлен воздушный зазор, имеющий форму масляного зазора, образующегося в опорном подшипнике при его работе. В нижней части втулки был установлен минимальный воздушный зазор 0,03-0,05 мм. В различных местах втулки были выполнены отверстия, соединяющие воздушное пространство зазора с моновакууметром. Таким образом, при вращении вала регистрировались давление или разрежение в различных местах воздушного слоя между валом и втулкой. В результате испытания было установлено:

- в напорной части смазочного слоя, как это широко известно из гидродинамической теории смазки, возникает давление;

- в следующей по направлению вращения части смазочного слоя, названной вакуумной частью, возникает разрежение, достаточное для подсоса в эту часть слоя смазки из картера;

- в следующей за вакуумной по направлению вращения частью смазочного слоя, названной свободной частью слоя и имеющей расширяющийся и сужающийся участки, были обнаружены: в расширяющемся участке - разрежение, достаточное для засасывания воздуха или жидкой смазки в смазочный слой, а в сужающемся участке - давление, достаточное для возврата воздуха или жидкой смазки во внешнее пространство. Дальнейшие исследования показали стабильность указанных процессов, что позволило разработать следующие варианты реализации предлагаемого способа:

- процесс образования разрежения в вакуумной части смазочного слоя использован практически во всех вариантах рекомендуемого способа, как один из возможных методов подачи смазки в смазочный слой; это обеспечивает значительное преимущество, т.к. в существующих автономных опорных подшипниках смазку в слой подают с использованием маслоподающих колец или дисков, что вызывает при больших окружных скоростях повышенный барботаж, дополнительное тепловыделение, вспенивание смазки и даже ее утечки из подшипника;

- процесс образования разрежения в расширяющемся участке свободной части слоя и давления воздуха в сужающемся участке использован для подсоса воздуха из воздушного пространства в подшипнике и подачи его совместно с жидкой смазкой в напорную часть слоя в первом варианте способа;

- процессы образования разрежения и давления в свободной части смазочного слоя позволяют профилировать эту часть слоя аналогично проточной части гидродинамического насоса, создавая в ней входной и сужающийся участки;

- процесс образования разрежения в расширяющемся или входном участке и давления в сужающемся участке свободной части слоя использован для прокачки из внешнего пространства и обратно воздуха или жидкой смазки через эту часть слоя соответственно во втором или третьем вариантах реализации способа;

- процесс образования разрежения в расширяющемся или во входном участке и давления в сужающемся участке свободной части слоя использован для увеличения циркуляции смазки в этой части слоя в четвертом варианте реализации способа;

- в разработанном способе впервые на основе этих экспериментов эффективно используют свободная и вакуумная части смазочного слоя во всех указанных выше вариантах реализации способа; в существующих подшипниках свободную часть слоя используют только для принятия смазки, подаваемой в подшипник, при этом только часть этой смазки попадает сразу в напорную часть слоя, остальная часть смазки в свободной части слоя бесполезно циркулирует, нагревается, перемешивается со вновь поступающей смазкой и повышает температуру смазки, поступающей в напорную часть слоя, это существенно снижает несущую способность и быстроходность подшипника.

В первом варианте способа используют неравенства µ₁<µ₂<µ₃ или µ₁<µ₂=µ₃. Часть этих неравенств µ₁<µ₂ обеспечивается меньшей вязкостью газа, прилегающего к подвижной поверхности, и большей вязкостью жидкой смазки в напорной части слоя. Уменьшение вязкости у подвижной поверхности уменьшает толщину смазочного слоя при тех же окружных скоростях, что снижает несущую способность подшипника. Однако при больших окружных скоростях толщина смазочного слоя восстанавливается и, следовательно, увеличивается и несущая способность. На режимах с малыми окружными скоростями подсос воздуха в слой будет уменьшаться, и вязкость у подвижной поверхности будет увеличиваться, что восстановит величину несущей способности на этих режимах.

Во всех вариантах реализации способа, в том числе и в первом, на основе различных, в определенных зонах и частях слоя, соотношений вязкостей, обусловленных соответствующими неравенствами, создают различные варианты вязкостного клина. Это понятие аналогично известному понятию геометрического клина, сформированному вследствие непараллельности рабочих поверхностей, ограничивающих слой, в котором при движении одной из рабочих поверхностей образуют гидродинамический смазочный слой, где создается давление смазки, препятствующее непосредственному контакту поверхностей. Оказывается, что, воздействуя на слой тепловым полем или иным способом (например, подсосом воздуха в слой), изменяющим вязкость в различных зонах слоя, можно влиять на процесс изменения давления в слое смазки. В данном случае, при введении в слой смазки газа, имеющего, по сравнению с жидкостью, малую вязкость и концентрирующегося у движущейся поверхности, создается процесс, снижающий рост давления в смазочном слое, по сравнению с процессом в гидродинамическом слое без газа, создаваемым с использованием геометрического клина, а также по сравнению с процессами при других вариантах вязкостного клина. Таким образом, неравенство µ₁<µ₂ создает менее эффективный вязкостный клин. Однако при повышенных окружных скоростях этот недостаток устраняется, благодаря увеличению толщины газодинамического смазочного слоя или усилению воздействия геометрического, или вязкостного клина другого вида, которые одновременно образуют в газогидродинамическом смазочном слое, а на режимах с пониженными окружными скоростями газодинамический слой смазки практически исчезает и подшипник работает с использованием геометрического или вязкостного клина другого вида. При этом остается преимущество пониженного гидродинамического трения, позволяющее создавать автономные опорно-упорные подшипники для больших окружных скоростей, и не требуется применение особых способов интенсификации отвода тепла от подшипника. В других вариантах реализации способа при других соотношениях вязкостей будут образованы и существенно более эффективные вязкостные клинья, однако при этом будут требоваться определенные способы теплоотвода.

Ниже (см. фиг.1) рассмотрена схема способа образования газогидродинамического смазочного слоя (первый вариант реализации способа) в опорном подшипнике.

На этой схеме опорный подшипник состоит из нижнего 1 и верхнего 2 вкладышей, совмещающих в себе функции корпуса и крышки подшипника. На нижний вкладыш опирается вал 3, который вращается в направлении по стрелке 4. Нижний вкладыш имеет картер 5, в котором до уровня 6 залита жидкая смазка 7. Эта смазка через трубку 8 и отверстие 9 засасывается в карман 10, расположенный в вакуумной части 11 смазочного слоя, и далее вращающимся валом отбрасывается на периферию слоя и направляется по стрелке 12 в напорную часть 13 слоя. В верхнюю свободную часть слоя, имеющую угол охвата 34, которая не полностью заполнена жидкой смазкой, постоянно через торцы слоя засасывается воздух 14, являющийся газовой смазкой, и при больших окружных скоростях вместе с жидкой смазкой он затягивается вращающимся валом по стрелке 15 в напорную часть 13 слоя. В этой части слоя при движении жидкой и газовой смазок возникает повышенное гидродинамическое давление, которое уравновешивает вес вала и препятствует непосредственному соприкосновению поверхностей вала и нижнего вкладыша. При этом (ниже приводится теоретическое объяснение фактам, изложенным в одном из указанных выше экспериментов) перемешивание жидкой и газовой смазок исключается благодаря тому, что в случае образования какого-либо пузырька воздуха, окруженного жидкостью, на поверхность пузырька, обращенную к поверхности вкладыша будет действовать давление большее, чем на его поверхность, обращенную к валу, в связи с большей скоростью жидкой смазки со стороны вала по сравнению со скоростью со стороны вкладыша. Таким образом, согласно теореме Жуковского, на пузырек будет действовать подъемная сила, которая прижимает воздух к поверхности вала. Там образуется воздушная прослойка, а жидкая смазка будет оттесняться к неподвижной поверхности нижнего вкладыша и двигаться вдоль нее под действием касательных сил со стороны воздушной прослойки. В результате будет создан двойной газогидродинамический смазочный слой. В газодинамической части этого слоя силы трения будут малы из-за малой вязкости воздуха. Следовательно, кроме уменьшения газодинамического трения, это будет уменьшать и касательные силы между газовой и жидкой прослойками (зонами) смазочного слоя, что и обеспечит при больших окружных скоростях вала малые скорости жидкости, и соответствующее снижение жидкостного трения в подшипнике. Количество жидкой смазки, подаваемой в смазочный слой, должно быть оптимальным, то есть обеспечивать необходимую несущую способность как на больших, так и на малых оборотах, и одновременно - малое тепловыделение и допускаемую температуру смазки на больших оборотах. Надежность работы подшипника во всех известных и вышеуказанных рекомендуемых способах обеспечена допускаемой минимальной толщиной жидкого смазочного слоя. В данном варианте реализации способа надежность обеспечивается минимальной толщиной жидкой прослойки (зоной) в слое. При большом количестве жидкой смазки подаваемой в слой, будет уменьшаться количество засасываемого в слой воздуха и увеличиваться тепловыделение в слое, а при малом количестве этой смазки, будет уменьшаться минимальная толщина смазочного слоя и соответственно уменьшаться несущая способность подшипника. Из этих условий должно определяться оптимальное количество жидкой смазки, подаваемой в слой. Задача усложняется тем, что это количество должно быть разным при различных числах оборота. Установка сложного устройства, регулирующего подачу смазки в смазочный слой, является недопустимой. Но оказалось, что используя эффект образования разрежения в вакуумной части слоя, при котором это разрежение будет различным при разных оборотах, возможно подавать необходимое оптимальное количество смази в смазочный слой при разных окружных скоростях вала. Это оптимальное количество подаваемой смазки определяется выбором места расположения отверстия 9 для подсоса жидкой смазки в вакуумную часть 11 слоя, размером 16 отверстия и протяженностью кармана 10. Такой способ регулирования является надежным и обеспечивается простыми конструктивными мерами.

На фиг.2 (разрез А-А на фиг.3) показана схема способа образования газогидродинамического смазочного слоя (первый вариант способа) в упорном подшипнике. Эта же схема показана и на фиг.3 (разрез Б-Б на фиг.2).

На этих схемах упорный подшипник или упорная часть опорно-упорного подшипника состоит из гребня 17 вала, имеющего антифрикционное покрытие 18 с малой твердостью и толщиной 19, достаточной для обеспечения износа в период необходимого срока эксплуатации. Это покрытие через газогидродинамический смазочный слой, состоящий из гидродинамической прослойки 20 смазочного слоя и газодинамической прослойки 21 смазочного слоя, контактирует при работе с блоком 22, содержащим четыре подушки 23 (их может быть и другое количество), имеющих угол охвата 24, разделенных каналами 25. Поверхность каждой подушки имеет высокую твердость и износостойкость, на ней выполнены волны определенного профиля. Поэтому она образует с плоской поверхностью покрытия 18 пространства стабильной клиновой формы, содержащие вакуумные и свободные части (расширяющиеся по ходу движения смазки пространства клиновой формы), имеющие угол охвата 26, и напорные части (сужающиеся по ходу движения смазки пространства клиновой формы), имеющие угол охвата 27. В каналы 25 из окружающего пространства при вращении вала поверхностью покрытия 18 засасывается воздух. Из этих каналов воздух поступает в напорную часть смазочного слоя. Из картера 30, заполненного смазкой до уровня 31, через трубку 29 эта смазка засасывается в кольцевой канал 28 в блоке 22. Оттуда через отверстия 32 в блоке 22 смазка поступает в вакуумную и свободную части смазочного слоя каждой подушки. Далее она, прилегая к поверхности покрытия 18 (аналогично, как это имеет место в газогидродинамическом слое опорного подшипника), затягивается этой поверхностью в напорную часть газогидродинамическом слоя последующей подушки. Таким образом, создается газогидродинамический слой упорного подшипника или опорно-упорной части подшипника. Практически все условия его образования аналогичны условиям образования газагидродинамического слоя в опорном подшипнике. Как вариант, смазка в упорную часть опорно-упорного подшипника может подаваться не из картера, а из опорной части этого подшипника.

Границы различных частей смазочного слоя в опорном и упорном подшипниках можно определить углами охвата или соответствующей протяженностью этих частей. Для опорного подшипника (см. фиг.1) угол охвата 33 - у вакуумной части слоя, угол охвата 34 - у свободной части слоя, а угол охвата 35 - у напорной части слоя. Обозначения различных частей, участков и зон смазочного слоя, выполняющих различные функции во всех семи вариантах предлагаемого способа в опорном подшипнике, а также их протяженностей (углов охвата), приведены на фиг.20 и в ее описании.

По условиям компоновки, если за опорной частью опорно-упорного подшипника возможно уменьшение диаметра вала и расположение на нем гребня, окружные скорости которого являются допустимыми для образования у его рабочих поверхностей гидродинамического смазочного слоя, то упорная часть опорно-упорного подшипника может иметь обычную конструкцию, которая воспринимает упорную нагрузку гидродинамическим смазочным слоем, а смазку к упорной части подводят из опорной части этого подшипника.

Профилирование волн на поверхности упорных подушек, имеющих высокую твердость, обеспечивающую их малый износ, для создания различных частей смазочного слоя с большой точностью можно выполнять на электроэрозионных станках с программным управлением.

Таким образом, весьма простыми конструктивными мерами возможно создание способа образования в опорном или упорном, или опорно-упорном подшипниках газогидродинамических смазочных слоев. Такие смазочные слои ввиду наличия тонкой воздушной прослойки между вращающейся рабочей поверхностью и жидкостью обеспечивают в 3-5 раз меньше тепловыделения, чем известные гидродинамические смазочные слои. Поэтому на основе способа образования газогидродинамических смазочных слоев могут быть созданы разнообразные устройства автономных (без циркуляционной смазки) подшипников, работающих при высоких окружных скоростях (до 90 м/с) и соответствующих числах оборотов. Благодаря высоким окружным скоростям минимальная толщина гидродинамической части смазочного слоя будет достаточна для восприятия средних удельных давлений до 5 МПа. Такие высокоскоростные подшипники можно будет применять практически для всех средних и крупных паровых и газовых турбин, а также крупных электрических машин, компрессоров и насосов, что даст возможность исключить из этих энергетических агрегатов дорогие, трудоемкие в эксплуатации и пожароопасные системы циркуляционной смазки.

Теплоотвод у подшипников с газогидродинамической смазкой может быть осуществлен без применения каких-либо специальных способов, только теплопередачей в окружающую среду. При повышенных окружных скоростях и нагрузках возможно применение различных вариантов способов воздушного и водяного охлаждения, рассматриваемых ниже.

На фиг.4 изображена схема способа воздушного тепломассообмена в свободной части слоя (второй вариант реализации способа) опорного подшипника.

На этой схеме показан корпус 36 с картером 37, в который до уровня 6 залита смазка 7. В корпусе 36 установлен нижний вкладыш 1, на тыльной поверхности которого выполнен канал 38, соединяющий выход 39 из вакуумной части 11 смазочного слоя с входом 40 в напорную часть этого слоя. Подшипник имеет крышку 41, выполняющую функцию верхнего вкладыша. В этой крышке имеются отверстия 42 для входа и 43 для выхода воздуха. Над входным отверстием установлен фильтр 44, а над выходным - циклон 45 (маслоотделитель).

При вращении вала в направлении 4 смазка засасывается из картера 37 в трубку 8 и далее в вакуумную часть 11 смазочного слоя в нижнем вкладыше. Затем она при вращении вала 3 центробежными силами, передаваемыми смазке поверхностью шейки 46 вала, отбрасывается в карман 47 у разъема корпуса 36 и крышки 41. Из этого кармана смазка поступает в канал 38 и оттуда к входу 40 в напорную часть 13 смазочного слоя. За счет своей вязкости смазка затягивается в эту часть смазочного слоя, где создается гидродинамическое давление, в сумме равное опорной нагрузке. В результате жидкостного трения смазка в слое нагревается. Для охлаждения подшипника используют свободную часть смазочного слоя 48, имеющую угол охвата 34. Эту часть слоя можно формировать как проточную часть гидродинамического насоса, как показано пунктирной линией 117. Через фильтр 44 и отверстие 42 во входной участок 118 свободной части слоя засасывается воздух. Далее воздух при вращении вала поступает в сужающийся участок свободной части смазочного слоя, где он сжимается и под действием образующегося давления через отверстие 43 и циклон 45 отводится в окружающее пространство. Таким образом, осуществляется циркуляция, массообмен и теплообмен воздуха в свободной части смазочного слоя. Из циклона сепарированное в нем масло по трубке 49 возвращается к входу в напорную часть смазочного слоя.

Вместо кармана 47 и канала 38, выполненных для снижения количества смазки, попадающей в воздух и далее в сепаратор, в крышке 41 на неподвижной поверхности, образующей свободную часть слоя, могут быть выполнены винтовые канавки, по которым смазка, отбрасываемая центробежными силами с вала, будет направляться к торцам этой части слоя и далее удаляться из нее в напорную часть слоя.

В этом варианте в свободной части слоя реализуется неравенство (6) µ₄=µ₅>µ₁, что обеспечивает теплообмен в этой части слоя. В напорной части слоя используют соотношение между вязкостями, обусловленное неравенством (3) µ₁>µ₂=µ₃.

Эти неравенства в данном варианте реализуют следующим образом. В свободной части 48 смазочного слоя (см. фиг.4), заданной углом охвата 34, происходит охлаждение поверхности вала воздухом (как показано стрелками теплоотвода на фиг.4), прокачиваемым через эту части слоя. В связи с большими окружными скоростями шейки вала (до 90 м/с) и такого же порядка скоростями воздуха, обтекающего эту шейку, теплоотвод будет интенсивным. Так реализуется неравенство (6).

При вращении вала его поверхность, постоянно охлаждаемая в свободной части слоя, будет охлаждать напорную часть смазочного слоя, как показано стрелками в этой части слоя. Таким образом, реализуют неравенство (3). При этом смазка, прилегающая к поверхности вала, будет иметь среднюю вязкость, большую, чем средняя вязкость смазки, как в напорной части слоя, так и у неподвижной поверхности в этой части. Поэтому силы сцепления поверхности вала со смазкой будут увеличиваться, а препятствующие затягиванию смазки в напорную часть слоя силы сцепления смазки с неподвижной поверхностью будут уменьшаться от гидродинамического трения. В связи с этим, в смазочный слой будет затягиваться большее количество смазки, минимальная толщина смазочного слоя и несущая способность подшипника будут увеличиваться, а тепловыделение от гидродинамического трения, в связи с уменьшением градиента скоростей по толщине слоя при увеличении этой толщины, будет уменьшаться.

В данном варианте реализации способа эффект, обусловленный неравенством (3), создает положительный вязкостный клин, который дополняет геометрический клин. Этот дополнительный клин, при той же толщине смазочного слоя, будет увеличивать в нем давление. А если суммарное давление обусловлено внешней нагрузкой, то толщина смазочного слоя будет увеличиваться, что уменьшит тепловыделение в слое и увеличит несущую способность подшипника.

На фиг.5, 6 изображена схема способа воздушного тепломассообмена в свободной части слоя (второй вариант реализации способа) упорного подшипника.

На этих схемах упорный подшипник или упорная часть опорно-упорного подшипника состоит из вращающегося гребня 17, имеющего антифрикционное покрытие 18 толщиной 19, достаточной для обеспечения износа в период необходимого срока эксплуатации, и неподвижного блока 22. Гидродинамический смазочный слой образуется при вращении гребня между поверхностью покрытия 18 и прилегающей к ней поверхностью блока 22, содержащим две подушки 23 (их может быть и другое количество), имеющих угол охвата 24, разделенных карманами 51, в которых имеются отверстия для входа 54 и выхода 55 воздуха. Поверхность каждой подушки имеет высокую твердость и износостойкость. На этих поверхностях выполнены формирующие смазочный слой профильные участки, которые совместно с поверхностью гребня создают несколько пространств стабильной клиновой формы. Это - вакуумные части 52 слоя (расширяющиеся по ходу движения смазки), имеющие угол охвата 26, напорные части 50 (сужающиеся по ходу движения смазки), имеющие угол охвата 27, а также свободные части 57 слоя, имеющие угол охвата 53. Эту часть слоя можно формировать как проточную часть гидродинамического насоса, как показано пунктирной линией 117. В вакуумных частях слоя выполнены отверстия 32 с карманами 56 для засасывания смазки через них и трубку 29.

В крышке упорного подшипника выполнены отверстия для входа и выхода воздуха (на схеме не показаны), соединенные соответственно с входными 54 и выходными 55 отверстиями в блоке 22. Также как и в опорном подшипнике, работающем по этому варианту способа, над входным отверстием устанавливается фильтр, а над выходным - циклон (на схеме не показаны). В опорно-упорном подшипнике эти устройства могут быть совмещенными для опорной и упорной частей.

Работа упорного подшипника по указанному способу принципиально не отличается от работы опорного подшипника по этому же способу. Смазка циркулирует из вакуумной части в напорную часть слоя, а воздух из воздухоподводящих отверстий поступает во входной участок свободной части слоя и далее в сужающийся участок этой части слоя, в выходные отверстия и во внешнее пространство. Разделение смазки и воздуха внутри слоя упорного подшипника отличается от принятого для опорного подшипника. В упорном подшипнике в свободной части 57 слоя смазка, попавшая в эту часть из напорной части 50 слоя, отбрасывается центробежными силами на периферию, как это указано стрелками 58 и далее попадает в картер 30.

Преимущества данного способа для упорного и опорного подшипников - аналогичны. Однако между ними имеется одно кажущееся отличие. Свободная часть слоя в обычных опорных подшипниках существует, а в обычных упорных подшипниках - отсутствует. Эта часть в упорных подшипниках, где используется рекомендуемый способ, занимает определенное рабочее пространство, которое в обычных подшипниках заполнено упорными подушками. Как следует из приведенного ниже описания эксперимента, такое дополнительное заполнение подушками не оправдано, а создание свободной части слоя - целесообразно.

Проводились испытания упорного подшипника до подплавления антифрикционного покрытия при одной и той же нагрузке с шестью подушками, расположенными с зазором, соответствующим 10° угла охвата, затем с четырьмя и двумя такими же подушками, расположенными между собой на соответственно увеличенных расстояниях. Испытаниями было установлено, что при различном количестве подушек подплавление их рабочей поверхности происходило при практически одинаковой общей нагрузке на все подушки, то есть при двух подушках предельная нагрузка на одну подушку была в три раза большей, чем при шести. Следовательно, несущая способность упорного подшипника существенно зависит не только от величины поверхности напорной части слоя, но и от интенсивности охлаждения поверхности вала и слоя смазки на этой поверхности между подушками. В эксперименте охлаждение между подушками производилось горячим воздухом, циркулирующим внутри подшипника без массообмена с внешним пространством. В предлагаемом способе охлаждение выполняется внешним, сравнительно холодным, воздухом, и поэтому толщина смазочного слоя в его напорной части будет существенно увеличена, что соответственно увеличит несущую способность и снизит гидродинамическое трение, как это было выше обосновано для опорного подшипника.

На фиг.7 изображена схема способа тепломассообмена жидкой смазкой в свободной части слоя (третий вариант реализации способа) опорного подшипника.

Подшипник, в котором используется указанный способ, состоит из корпуса 36, выполняющего также функцию нижнего вкладыша, с картером 37 и крышки 41. В крышке имеются входное 59 и выходное 60 отверстия для входа и выхода смазки, циркулирующей в свободной части 48 слоя (имеющей угол охвата 34), как показано стрелками. Вне подшипника расположен маслоохладитель 61, масляные полости которого соединены трубками с входным 59 и выходным 60 отверстиями в крышке подшипника.

В этом варианте способа свободная часть смазочного слоя должна быть полностью заполнена смазкой. Это достигается использованием пятого варианта реализации способа, описанного ниже, для осуществления которого, кроме указанных там процессов, смазка 7 из картера 37 через трубку 8 подается в вакуумную часть 11 (имеющую угол охвата 33) слоя.

Во входном участке 118 свободной части 48 смазочного слоя при вращении вала 3 создается разрежение, а в сужающемся - давление. Благодаря этому перепаду давлений происходит прокачка смазки через маслоохладитель 61, охлаждаемый водой.

На первый взгляд такой способ по сравнению с циркуляционной смазкой не создает новых процессов внутри подшипника, улучшающих его работу. Только вместо циркуляционного масляного насоса подшипник сам выполняет его функцию, используя насосный эффект в свободной части смазочного слоя.

Во-первых, даже это отличие является существенным преимуществом перед подшипником с обычной системой циркуляционной смазки, так как исключаются циркуляционные масляные насосы (основной и резервный), потребляющие существенную мощность и снижающие надежность системы. В предлагаемом способе не потребуются также масляные фильтры, масляные цистерны и другие элементы протяженной циркуляционной системы. Маслоохладитель для всех подшипников данного агрегата может быть общим.

Во-вторых, предлагаемый способ принципиально отличается от способа с циркуляционной смазкой, поскольку в подшипнике происходят новые процессы, улучшающие его работу. При обычной циркуляционной смазке ее расход через подшипник в основном определяется количеством смазки, прокачиваемым самим подшипником через боковые зазоры напорной части смазочного слоя, в которой создается высокое давление. А нагретая в напорной части слоя смазка, прокачиваемая через его выходную границу в вакуумную и далее в свободную часть смазочного слоя, перемешивается со свежей циркуляционной смазкой и повышает ее температуру. В результате трения и вентиляции в свободной части слоя происходит еще и дополнительный нагрев смазки. По этим причинам температура смазки в свободной части слоя повышается и в напорную часть слоя смазка попадает более нагретая, чем подаваемая циркуляционной системой в подшипник. Экспериментально установлено, что при температуре смазки 40°С, подаваемой в подшипник, в напорную часть слоя входит смазка с температурой 55-60°С. Указанные обстоятельства существенно уменьшают несущую способность и быстроходность подшипников с циркуляционной смазкой. Можно исключить этот недостаток путем организации в свободной части слоя дополнительной циркуляции с удалением значительного количества смазки в сливную магистраль. Таким образом, можно существенно охладить смазку и шейку вала в свободной части слоя. Однако это требует большого увеличения расхода и мощности циркуляционных масляных насосов.

В предлагаемом способе это реализовано без всяких дополнительных затрат на электроснабжение и приобретение крупных циркуляционных насосов. При обычной циркуляционной смазке на трение и вентиляцию смазки в свободной части слоя из-за обратных потоков затрачивается даже большая мощность, чем на прокачку смазки в предлагаемом способе. Как показали расчеты, в новом способе расход смазки через свободную часть смазочного слоя примерно в 5-6 раз больше, чем при обычной циркуляционной смазке, поскольку напор (давление), создаваемый гидродинамическим насосом, образованным в свободной части слоя, примерно такой же, как напор масляного насоса, а расход смазки через свободную часть слоя будет больше, чем при циркуляционной смазке, т.к. проходные сечения в этой части слоя на порядок больше, чем аналогичные сечения в напорной части слоя. Перепад давления, создаваемый в свободной части слоя, расходуется в основном на преодоление гидравлического сопротивления маслоохладителя. В этом варианте реализации способа в свободной части слоя выполняется неравенство (6) µ₄=µ₅>µ₁, что обеспечивается отводом тепла в этой части слоя от вала к смазке, а в напорной части 13 слоя реализуется неравенство (3) µ₁>µ₂=µ₃. Оно обеспечивается отводом тепла от смазки к валу. При всех прочих равных условиях в третьем варианте реализации способа от смазочного слоя будет отводиться больше тепла, чем при циркуляционной смазке. То есть несущая способность подшипника будет увеличена, благодаря созданию охлажденной движущейся поверхностью дополнительного вязкостного клина в напорной части слоя и поступлению в напорную часть слоя более холодной смазки. Таким образом, при применении третьего варианта реализации способа оказывается возможным создание автономного опорно-упорного подшипника с несущей способностью и быстроходностью более высокой, чем у подшипника с циркуляционной смазкой.

Схема способа тепломассообмена жидкой смазкой в свободной части слоя (третий вариант реализации способа) упорного подшипника практически ничем не отличается от рассмотренной выше такой же схемы для опорного подшипника. Устройство упорного подшипника такое же, как изображено на фиг.5, 6 для второго варианта реализации способа, только вместо воздуха в свободной части слоя 57 циркулирует жидкая смазка, с прокачкой ее по тому же принципу через маслоохладитель, как это изображено на фиг.7 для опорного подшипника. Через напорную часть 50 слоя смазка прокачивается так же, как и во втором варианте реализации способа для упорного подшипника, изображенного на фиг.6.

Сравнительные показатели применения третьего варианта реализации способа для упорного подшипника, его особенности и преимущества такие же, как изложенные выше для опорного подшипника, где используется этот вариант.

На фиг.8 изображена схема способа теплообмена в свободной части смазочного слоя (четвертый вариант реализации способа) в опорном подшипнике.

В отличие от предыдущего варианта реализации способа, в этом варианте реализации свободная часть 48 слоя с углом охвата 34 используется для охлаждения смазки за счет ее теплообмена с неподвижной поверхностью 62, образующей эту часть слоя. При высоких средних окружных скоростях смазки (30-45 м/с) у поверхности 62 создается интенсивная теплоотдача от смазки к этой поверхности. Количество передаваемого от смазки тепла может быть увеличено за счет образования на поверхности 62 полукольцевых ребер, имеющих высоту 63.

В этом варианте способа, также как и в третьем варианте, свободная часть смазочного слоя должна быть полностью заполнена смазкой. Это достигается использованием пятого варианта реализации способа, описанного ниже.

В верхнем вкладыше 2 или в крышке, выполняющей его функции, имеются каналы 64, через которые прокачивается охлаждающая среда.

Рассмотренное устройство опорного подшипника, в котором реализуется четвертый вариант реализации способа, является простым и надежным, а сам вариант реализации - эффективным для отвода от смазки значительного количества тепла при больших окружных скоростях шейки вала подшипника.

В этом варианте реализации способа в свободной части слоя выполняется неравенство (7) µ₄>µ₅>µ₁, которое обеспечивается теплообменом в этой части слоя: тепло от вала 3 передается смазке и от нее к неподвижной поверхности; а в напорной части 13 слоя выполняется неравенство (3) µ₁>µ₂=µ₃ - тепло от этой части слоя передается валу. Это дает преимущества, указанные в описании опорного подшипника, где используется второй вариант реализации способа.

Схема способа теплообмена в свободной части смазочного слоя (четвертый вариант реализации способа) в упорном подшипнике практически ничем не отличается от рассмотренной выше такой же схемы для опорного подшипника. Устройство упорного подшипника такое же, как изображено на фиг.5, 6 для второго варианта реализации способа, только в подшипнике будут отсутствовать отверстия и каналы для воздуха.

Сравнительные показатели применения этого способа для упорного подшипника, его особенности и преимущества такие же, как изложенные выше для опорного подшипника.

На фиг.9, 10 изображены схемы способа обеспечения внутренней циркуляции смазки (пятый вариант реализации способа) в опорном и опорно-упорном подшипнике.

Указанный способ применяется как часть вариантов реализации способов, повышающих несущую способность и быстроходность подшипников, для которых необходимо полное заполнение напорной и свободной частей смазочных слоев, а именно для третьего, четвертого, а также для шестого и седьмого вариантов реализации в зависимости от сочетания последних вариантов реализации с предыдущими. При этом повышается циркуляция и теплообмен в свободной части смазочного слоя, что способствует обеспечению неравенств (6) и (7).

Опорно-упорный подшипник (см. фиг.9), в котором использован указанный вариант реализации, состоит из корпуса, имеющего нижнюю часть (картер) 65 (остальной корпус не показан), нижнего 1 и верхнего 2 вкладышей, опорной части, включающей в себя шейку 46 (фиг.10) вала 3, и двух упорных частей, состоящих из гребней 17 вала 3 и прилегающих к ним упорных частей 66 вкладышей. Нижняя часть корпуса (картер) заполнена смазкой до уровня 6. Из вакуумной части смазочного слоя в картер опущена трубка 8 для засасывания смазки в смазочный слой. Во вкладыше по краям выполнены две полукольцевые канавки 67 и продольная канавка 68. Гребни 17 своей нижней частью погружены в смазку, заполняющую малые картеры 69, выполненные в нижнем вкладыше 1. В верхней части этих картеров (в верхнем вкладыше 2) выполнен канал 70, соединяющий эти части с карманом 71 в верхнем вкладыше. Диаметр шейки вала 72 выполнен большим, чем диаметры 74 выступов 73 вкладыша, расположенных на некотором расстоянии от шейки 46. Таким образом, за шейкой 46 вала в ее нижней части между этой шейкой и выступами 73 образуются небольшие полости 75, постоянно заполненные смазкой, обеспечивающей режимы страгивания и малых оборотов.

На фиг.9 стрелками показаны расходы смазки в трех контурах циркуляции:

- G_кан - часть расхода из напорной части 13 смазочного слоя в полукольцевые канавки 67, далее в продольную канавку 68 и обратно в напорную часть 13 смазочного слоя;

- G_уп - расход из полукольцевых канавок 67 в упорную часть;

- G_вак - расход из малых картеров 69 в картер 65 и далее через трубку 8 в вакуумную часть 11 смазочного слоя, и затем в его напорную часть 13;

- (G_уп. - G_вак) - расход через канал 70 и карман 71 в свободную часть 48 смазочного слоя, и затем в его напорную часть 13.

На фиг.10 в поперечном сечении В-В фиг.9 стрелками показаны расходы G_вак, G_кан и (G_уп - G_вак), а также нижний 1 и верхний 2 вкладыши.

Следует отметить, что этот вариант реализации способа целесообразен только для автономных подшипников, у которых тепло гидродинамического трения отводится непосредственно от смазочного слоя в опорном вкладыше или в упорных подушках, как это предусмотрено во всех вариантах реализации предлагаемого способа. Для существующих автономных подшипников, у которых тепло отводится в картере, этот способ дает отрицательный эффект, т.к. он уменьшает в картере циркуляцию смазки.

С использованием представленной выше конструкции опорно-упорного подшипника жидкостного трения предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Засасывают из картера 65 через трубку 8 расход G_вак смазки в вакуумную часть 11 смазочного слоя. Эту смазку силами вязкостного трения направляют шейкой 46 вала в напорную часть 13. Расход G_вак смазки из картера 65 постоянно пополняют за счет слива такого же расхода смазки из малых картеров 69. Таким образом, осуществляют первый контур циркуляции смазки. Поскольку этого количества смазки недостаточно для обеспечения нормальной работы быстроходного подшипника в вариантах, где требуется полное заполнение как напорной, так и свободной частей слоя, то дополнительное количество смазки в этих частях обеспечивают еще вторым и третьим контурами циркуляции, которыми возвращают смазку, вытекающую из торцов слоя, обратно в слой. Таким образом, полностью заполняют все части смазочного слоя. Второй контур циркуляции обеспечивают за счет того, что смазку, вытекающую из напорной части 13 смазочного слоя, направляют в полукольцевые канавки 67 и оттуда часть этой смазки в количестве G_кан через продольную канавку 68 возвращают в напорную часть 13 смазочного слоя. Третий контур циркуляции создают за счет того, что вторую часть смазки, вытекающей из напорной части 13 смазочного слоя, направляют в количестве G_уп из полукольцевых канавок 67 в упорные части подшипника. Далее в третьем контуре участвует только часть этой смазки, которую в количестве (G_уп - G_вак) через канал 70 и карман 71 направляют в свободную часть 48 смазочного слоя и далее в его напорную часть 13, а сливаемая из малых картеров 69 в картер 65 часть смазки в количестве G_вак участвует в образовании первого контура циркуляции. При установившемся режиме количество засасываемой смазки из картера 65 равно сливаемой в этот картер из малых картеров 69. Таким образом, в напорную часть 13 смазочного слоя опорного подшипника направляют количество смазки

G_вак+G_кан+(G_уп-G_вак)=G_кан+G_уп.

Это количество смазки полностью заполняет смазочный слой при практически любом количестве G_вак смазки, засасываемой в вакуумную часть 11 смазочного слоя. Соотношение между расходами смазки G_кан и G_уп зависит от соотношения диаметров расточки вкладыша по обе стороны от полукольцевых канавок 67, и оно устанавливается исходя из требуемого количестве смазки для упорных частей подшипника. При необходимости G_кан может быть равно нулю, и количества смази, направляемые в опорную и упорные части, будут равны. В этом случае полукольцевые и продольная канавки будут отсутствовать.

Сливать смазку G_вак в картер 65 из малых картеров 69 необходимо для массообмена смазки в опорной и упорных частях подшипника, где количество смазки не достаточно для обеспечения требуемого ресурса подшипника. На неустановившихся режимах (пуска и изменения оборотов) для сохранения количества смазки в слое, соответствующего его заполнению, расход смазки, засасываемой через трубку 8 в смазочный слой, должен быть больше, чем количество смазки, сливаемого из малого картера 69 в картер 65. Это условие обеспечивается выбором места и диаметром 16 отверстия 9. На установившемся режиме эти количества равны.

Таким образом, для вариантов способа, где это требуется, весьма простыми конструктивными мерами при подаче из картера в смазочный слой небольшого количества смазки, реализуется способ заполнения смазочного слоя предельным количеством смазки, необходимым для надежной работы подшипника при высоких окружных скоростях и числах оборотов. Кроме того, благодаря образованию в нижней части вкладыша небольших полостей постоянно заполненных смазкой, обеспечивается смазка подшипника при страгивании с места и его работа на малых оборотах для всех вариантов способа.

На фиг.11 и 12 изображена схема способа обеспечения внутренней циркуляции смазки (пятый вариант способа) в упорном подшипнике.

Указанная схема для упорного подшипника (или для упорной части опорно-упорного подшипника) необходима в случае, если в этом подшипнике применены варианты способа, где требуется полное заполнение смазочного слоя жидкой смазкой.

Устройство упорного подшипника подобно устройству, изображенному на фиг.5 и 6, но при этом отсутствуют системы подвода воздуха и жидкой смазки к свободной части слоя 57. С той же целью, что и для опорного подшипника, на поверхности напорной части слоя 50, имеющего угол охвата 27, выполнены окружные канавки 76, и радиальная канавка 77. Для уменьшения боковых утечек из напорной, а также из свободной части слоя, выполнены бурты 78, которые образуют с поверхностью гребня зазор, равный минимальному зазору в смазочном слое. В упорном подшипнике полное заполнение смазочного слоя жидкой смазкой происходит аналогично, как и в этом способе для опорного подшипника. Смазка в определенном количестве, но не достаточном для полного заполнения смазочного слоя, засасывается через трубку 29, через отверстия 32 и канавки 56 в вакуумную часть слоя 52. Смазка, вытекающая в радиальном направлении из напорной части смазочного слоя, попадает в окружные канавки 76 и из них в радиальную канавку 77. Из этой канавки смазка, поступившая из вакуумной части слоя и из радиальных канавок, накапливается в свободной части слоя 57 и заполняют ее полностью. Далее смазка поступает в напорную часть слоя. В этом варианте реализации способа на фиг.11 и 12 не показан способ отвода тепла, поскольку их может быть несколько, как и для опорного подшипника - согласно третьему, четвертому, и другим вариантам реализации, в которых необходим смазочный слой, полностью заполненный жидкой смазкой.

На фиг.13, 14 и 15 изображена схема способа образования гидродинамического слоя (шестой вариант реализации способа) в опорно-упорном подшипнике с параллельными образующими поверхностями в упорной его части.

Этот вариант реализации способа может быть применен и для упорного подшипника, не имеющего опорной части.

Опорно-упорный подшипник содержит нижний вкладыш 1, на который опирается вал 3, имеющий два упорных гребня 17, передающих упорную нагрузку на упорные части подшипника (на одну из них в зависимости от направления напорной нагрузки). Обойма 79 упорной части выполнена заодно с нижним вкладышем и разделена канавкой 25 на две упорные подушки (количество подушек может быть другим, а также они могут располагаться и в верхнем вкладыше). Смазочный слой 80, имеющий угол охвата 81, каждой упорной подушки снабжается смазкой, стекающей с опорного вкладыша 1, как показано стрелкой на фиг.14. Рабочие поверхности каждой подушки параллельны поверхности гребня. Внутри вкладыша у торцов образуют полукольцевые полости 86, одна из поверхностей 87 которых является тыльной поверхностью подушек. Эти полости у упорных частей, расположенных по обеим сторонам вкладыша 1, соединяют каналами 88, расположенными под выходной частью смазочного слоя опорного подшипника, и через полости и каналы прокачивают охлаждающую среду, как показано стрелками на фиг.15.

Между поверхностями подушек и гребня образуют гидродинамические смазочные слои, с помощью того, что со стороны тыльной поверхности отводят тепло только от выходного участка 82 (имеющего угол охвата 83) напорной части смазочного слоя в направлении к неподвижным рабочим поверхностям 85, как показано стрелками 84 на фиг.15, и таким образом повышают вязкость в этой части слоя. Теплоотвод усиливают ребрами 89. Охлаждающую среду подводят и отводят по трубкам 90. Изолируя тыльную поверхность подушек теплоизоляцией 91 у входной части слоя, исключают повышение там вязкости. Таким образом, при параллельных рабочих поверхностях, ограничивающих напорную часть смазочного слоя, формируют там вязкостные клинья и создают гидродинамическое давление, в сумме равное упорной нагрузке.

При этом используется неравенство (6) µ₁=µ₂>µ₃, т.е. обеспечивают большую вязкость на выходе из слоя, чем в остальной его части, где средние величины вязкостей, в том числе и у подвижной поверхности, равны.

Образование гидродинамического смазочного слоя при параллельных поверхностях, образующих слой, значительно упрощает устройство упорного подшипника, по сравнению с его устройством с самоустанавливающимися упорными подушками (подушками Митчела). Кроме того, в устройстве упорного подшипника по предлагаемому варианту реализации способа, возможно осуществлять отвод тепла непосредственно от смазочного слоя. Расчеты и эксперименты показывают, что коэффициенты теплоотдачи от смазочного слоя к поверхности, которая его образует, больше, чем в любых каких-либо теплообменных аппаратах, где охлаждают жидкость, и особенно больше, если охлаждают вязкую жидкую смазку. Это происходит потому, что в тонком смазочном слое, имеющем толщину 92, меньшую, чем у пограничного слоя в любом теплообменном аппарате, создают скорости на порядок больше, чем скорости в указанном теплообменном аппарате. Благодаря этому, во-первых, от небольшой поверхности смазочного слоя отводится большое количество тепла, а во-вторых, в охлаждаемой зоне значительно повышается вязкость, что создает вязкостный клин, по эффективности не уступающий геометрическому клину, который образуют в самоустанавливающихся упорных подушках Митчелла.

Устройства подшипников, где реализуются этот и другие варианты предлагаемого способа, может быть дополнено следующими конструктивными особенностями.

В опорном вкладыше располагают упорные части подшипника и уплотнения, в его нижней части образуют картер, а две половины вкладыша плотно соединяют по всей поверхности горизонтального разъема, при этом плотность обеспечивают также за счет того, что в разъеме на нижнем вкладыше выполняют канавки, по которым отводят возможные протечки в полукольцевые канавки этого вкладыша, расположенные перед уплотнениями.

Кроме того, предложенный способ может быть реализован в подшипнике, содержащем только нижний вкладыш, который располагают в корпусе, а в крышке выполняют антифрикционное покрытие.

В целях самоустановки подшипника под действием опорной и упорной нагрузок во всех вариантах реализации способа, в центральной части на внешней поверхности верхнего и нижнего вкладышей или корпуса и крышки подшипника может быть выполнен кольцевой выступ. Этим выступом подшипник опирается на цилиндрическую поверхность подшипникового узла. В одном из двух подшипников машины, предназначенным для восприятия упора, в плоскости, параллельной оси вала и проходящей через равнодействующую нагрузки, воспринимаемую упорной частью подшипника, на боковых поверхностях кольцевого выступа, могут быть выполнены упоры, сопрягаемые с расточкой в подшипниковом узле.

На фиг.16 и 17 изображена схема варианта реализации способа образования инерционного смазочного слоя с вязкостным клином в опорном подшипнике (седьмой вариант реализации способа).

Предлагаемый способ образования инерционного смазочного слоя с вязкостным клином принципиально отличается от известного способа образования инерционного смазочного слоя наличием вязкостного клина, который существенно увеличивает несущую способность и быстроходность подшипника.

Изображенное на фиг.16, 17 устройство опорного подшипника, где использован предлагаемый способ, содержит нижний вкладыш 93. На его поверхности, где образуют напорную часть 13 смазочного слоя, имеющую угол охвата 35, в той его части, которая не входит в участки, расположенные вдоль выходной и боковой границ, выполнены продольные канавки 94, не входящие в указанные участки. Таким образом, у торцов вкладыша образуют уплотняющие бурты шириной 95, препятствующие вытеканию смазки из продольных канавок. Участок неподвижной поверхности 116 напорной части слоя, расположенный вдоль ее выходной границы, не имеет канавок. Под ним выполнены каналы 96, по которым прокачивается охлаждающая вода. Для ее подачи и удаления, а также охлаждения рабочей поверхности уплотняющих буртов в торцевых частях вкладыша выполнены полости 97. Таким образом, происходит отвод тепла от слоя к участкам поверхности вкладыша, ограничивающих напорную часть смазочного слоя, как это показано стрелками 98. Допускается выполнение каналов 96 и в районе канавок 94.

Известный способ образования инерционного смазочного слоя состоит в том, что обеспечивают толщину смазочного слоя 99 между перегородкой 100 и валом на входе в каждую канавку больше такой же толщины 101 на выходе из канавки. Поэтому давление в каждой последующей канавке будет больше, чем в предыдущей канавке, как это имеет место на всех участках обычного смазочного слоя. В этом способе уменьшается площадь поверхности вкладыша, препятствующая затягиванию смазки в слой поверхностью вращающегося вала, и поэтому количество выделяемого тепла будет существенно меньше. Этот факт доказан теоретически и экспериментально. Смазочный слой назван инерционным потому, что на коротком участке смазочного слоя на вершине перегородки 100 создают такие же условия, как в ламинарном потоке в начальной части входного участка в трубе, где благодаря инерционным силам скорости по толщине потока практически одинаковы. В данном случае такое распределение скоростей примерно в два раза увеличивает расход смазки через слой. Это существенно повышает давление в слое, однако оно будет образовываться только в случае, если смазка не будет иметь свободного выхода из канавок, а также она не будет перетекать в вакуумную часть слоя. Для этой цели в известном способе выполняют уплотняющие бурты, и часть несущего слоя не имеет канавок. Эти части в известном способе образуют уплотнения, препятствующие вытеканию смазки из канавок. Эффективность этих уплотнений, вследствие их ограниченной поверхности и, следовательно, ограниченного гидродинамического сопротивления, в известном способе оказывается недостаточной. Это существенно увеличивает утечки смазки из канавок и снижает толщину смазочного слоя между вершинами перегородок и валом. Следовательно, уменьшается расход смазки через слой и снижается несущая способность и быстроходность подшипника. Поэтому в предлагаемом способе образования инерционного смазочного слоя с вязкостным клином, в зонах, окружающих несущую часть слоя, где создают уплотнения, препятствующие выходу смазки из смазочного слоя, увеличивают эффективность этих уплотнений охлаждением указанных зон и повышением в них вязкости.

В этом способе используют неравенства (1) или (2), где µ₁>µ₂<µ₃ или µ₁=µ₂<µ₃, т.е. вязкость на выходе из слоя и вдоль боковых его границ увеличивают по сравнению с вязкостью в остальной части слоя. Таким образом, создают вязкостный клин в инерционном смазочном слое.

Такое сочетание способов дает качественное преимущество, по сравнению с известным способом, поскольку оно существенно уменьшает утечки смазки из канавок, увеличивает толщину смазочного слоя между вершинами перегородок и валом и увеличивает расход смазки через слой. Это сохраняет преимущество известного способа - малое тепловыделение, и устраняет его главный недостаток - большие утечки смазки из слоя. В результате увеличивают несущую способность и быстроходность подшипника и при этом осуществляют эффективный отвод всего тепла.

На фиг.18, 19 изображена схема способа образования инерционного смазочного слоя с вязкостным клином в упорном подшипнике (седьмой вариант реализации способа).

В этом устройстве, где используется указанный способ, упорный подшипник выполнен в одном узле с опорным, в котором также применен седьмой вариант способа.

Обойма 102 упорного подшипника выполнена заодно с нижним вкладышем 93 опорного подшипника и содержит две упорные подушки, разделенные канавкой 109, куда с опорного подшипника подается смазка. Упорные подушки могут быть выполнены также и в верхнем вкладыше. В обойме со стороны гребня 17 вала 3 выполнены канавки 103, имеющие перегородки 106, ограниченные уплотняющими буртами 104. Выходной участок с углом охвата 83 напорной части слоя не имеет канавок. С тыльной стороны обоймы выполнены полости 105, куда подводится охлаждающая вода, которая охлаждает выходную, а также боковые участки напорной части смазочного слоя упорного подшипника и аналогичные участки опорного подшипника, где выполнены канавки 94. В устройстве, показанном на фиг.18 и 19, охлаждают не только поверхность уплотняющих буртов 104 и неподвижную поверхность выходного участка смазочного слоя, но и всю напорную часть 107, имеющую угол охвата 108, смазочного слоя упорного подшипника, а также с помощью каналов, аналогичным каналам 96 и всю напорную часть 13 смазочного слоя опорного подшипника.

Как будет показано в описанном ниже эксперименте, в подшипниках с обычным смазочным слоем, где должно создаваться гидродинамическое давление, нельзя охлаждать всю неподвижную поверхность, образующую смазочный слой. В этом эксперименте испытывался подшипник с самоустанавливающимися упорными подушками, в одной из которых тыльная сторона рабочей поверхности охлаждалась циркулирующей там водой. В результате испытаний было установлено, что при любой, даже очень малой нагрузке на эту подушку, ее антифрикционный слой плавился. Теоретический анализ этого явления показал, что вследствие чрезвычайно высокого теплообмена в смазочном слое, во входной его части создавалось вязкостное уплотнение, которое препятствовало поступлению смазки в остальную часть слоя, из которой смазка под действие касательных сил со стороны гребня полностью уносилась. Поэтому смазочный слой не создавался и плавление происходило из-за полусухого трения.

В случае инерционного смазочного слоя охлаждение на входе в слой вблизи поверхности гребня происходит только на вершинах перегородок, имеющих очень малую поверхность, поэтому вязкостные уплотнения на входе в смазочный слой в данном случае создаваться не будут. Следовательно, в инерционном смазочном слое целесообразно увеличивать поверхность охлаждения за счет поверхности канавок.

В остальном особенности и положительный эффект седьмого варианта реализации способа в упорном подшипнике аналогичны изложенным выше для опорного.

Как видно из описания устройства, показанного на фиг.18 и 19, где применен способ образования инерционных смазочных слоев с вязкостными клиньями в упорной и опорной частях опорно-упорного подшипника, не создает усложнения конструкции подшипника и отличается высокой эффективностью. В нем при малом выделении тепла возможен интенсивный отвод тепла. Поэтому такое устройство может быть применено для условий высоких окружных скоростей (до 90 м/с) и повышенных удельных давлений (до 5 МПа).

Предлагаемый способ, в котором предусмотрены семь основных вариантов его реализации, может быть дополнен образованием различных комбинаций из этих вариантов, например, применяя первый и шестой варианты реализации способа, создают в упорном подшипнике с параллельными рабочими поверхностями в смазочных слоях каждой подушки вязкостные клинья и, при ограниченной подаче смазки в напорную часть слоя, засасывают в эту часть воздух и образуют в этом подшипнике газогидродинамические смазочные слои.

В этом новом комбинированном способе в упорном подшипнике гидродинамический слой, в котором образуется давление, создается благодаря вязкостному клину. Воздух, засасываемый в слой, снижает силы трения со стороны движущейся поверхности. Это уменьшает количество выделяемого в слое тепла, однако снижает эффект образования гидродинамического слоя. Но при больших окружных скоростях силы трения оказываются достаточными для формирования оптимального газогидродинамичсеского смазочного слоя, в котором будет выделяться минимальное количество тепла и создаваться толщина жидкого слоя, обеспечивающая нормальную работу подшипника при средних удельных давлениях до 5 МПа и окружных скоростях до 90 м/с. На режимах с малыми окружными скоростями количество воздуха, засасываемого в слой, будет уменьшаться, что обеспечит создание гидродинамического смазочного слоя с вязкостным клином, как это предусмотрено в шестом варианте способа.

Могут быть и другие комбинации из этих семи вариантов, например, первого со вторым. В этом новом способе обеспечивается эффективный отвод тепла в свободной части слоя при уменьшении количества тепла, выделяемого в напорной части слоя.

Основным признаком предлагаемого способа и образующих его вариантов является обеспечение пяти соотношений между вязкостями в напорной части слоя и двух соотношений между вязкостями в свободной или также в вакуумной частях слоя

Эти соотношения формулируются, как семь неравенств, которые при всем многообразии вариантов и сочетаний способа обеспечивают единство изобретения. Необходимость их применения доказана в приведенных описаниях вариантов. Достаточность этого комплекса, т.е. нерациональность применения других сочетаний между величинами вязкостей в напорной части слоя и отдельно в свободной или также вакуумной частях слоя, доказывается в таблице 1. Там приведены все возможные независимые сочетания между величинами вязкости и доказательства их нерациональности.

Таблица 1 Обоснование нерациональности других возможных вариантов соотношений между величинами вязкости № Вариант неравенства Обоснование нерациональности применения варианта неравенства 1. µ₁<µ₃<µ₂ Эффект отрицательный. Неравенство µ₃<µ₂ приводит к увеличению торцевых и концевой утечек из слоя 2. µ₁>µ₃<µ₂ -//- 3. µ₁>µ₂>µ₃ -//- 4. µ₁=µ₃<µ₂ -//- 5. µ₁>µ₃>µ₂ Нет преимущества перед сочетанием двух вариантов предлагаемого способа с применением неравенств (1) и (3) 6. µ₁=µ₃>µ₂ Эффект отрицательный по сравнению с вариантом, где применяется неравенство (1) 7. µ₁<µ₄<µ₅ Условие нереальное: неподвижная поверхность свободной части слоя не может охлаждаться смазкой 8. µ₁=µ₅>µ₄ -//- 9. µ₁>µ₄<µ₅ -//- 10. µ₁=µ₄<µ₅ -//- 11. µ₁>µ₅>µ₄ -//- 12. µ₁=µ₅<µ₄ Условие нереальное: слой смазки, прилегающий к валу и нагреваемый в напорной части слоя, не может иметь температуру, как у смазки в охлаждаемой свободной части слоя. 13. µ₁=µ₄>µ₅ Условие не новое. Оно предусматривает сочетание двух способов: отвод тепла от свободной части слоя к образующей его неподвижной поверхности, как это предусмотрено в четвертом варианте предлагаемого способа и отвод тепла к подвижной поверхности, как это изложено в патенте №2292493. 14. µ₁>µ₄=µ₅ Условие не новое. Оно предусматривает отвод тепла к подвижной поверхности, как это изложено в патенте №2292493.

Все семь вариантов способа, описанные выше, обобщены в таблице этих вариантов применительно для опорного подшипника и для шестого варианта упорного подшипника. Остальные варианты способа для упорного подшипника аналогичны соответствующим вариантам для опорного подшипника. На фиг.20 дана иллюстрация к обозначениям, приведенным в указанной таблице.

На фиг.20 обозначено:

1 - нижний вкладыш;

2 - верхний вкладыш;

9 - отверстие для подсоса смазки в вакуумную часть смазочного слоя;

11 - вакуумная часть смазочного слоя;

13 - напорная часть слоя;

33 - угол охвата вакуумной части слоя;

34 - угол охвата свободной части слоя;

35 - угол охвата напорной части слоя;

42 - отверстие для входа воздуха;

43 - отверстие для выхода воздуха;

48 - свободная часть смазочного слоя;

59 - входное отверстие для смазки;

60 - выходное отверстие для смазки;

62 - неподвижная поверхность, образующая свободную часть слоя, сформированная, как у обычного опорного подшипника;

110 - входной участок свободной части слоя, сформированной как проточная часть гидродинамического насоса;

111 - угол охвата входного участка свободной части слоя, сформированной как проточная часть гидродинамического насоса;

112 - сужающийся участок свободной части слоя, сформированной как проточная часть гидродинамического насоса;

113 - угол охвата сужающегося участка свободной части слоя сформированной как проточная часть гидродинамического насоса;

114 - движущаяся поверхность (поверхность вала);

115 - неподвижная рабочая поверхность напорной части слоя;

116 - неподвижная рабочая поверхность участков напорной части слоя, расположенных вдоль выходной границы или также вдоль боковых границ;

117 - профиль свободной части слоя, сформированной как проточная часть гидродинамического насоса;

118 - угол охвата участка напорной части слоя, расположенного вдоль его выходной границы.

Таблица 2 № Наименование способа Процессы в вариантах способа (см. фиг.20 и наименования позиций в тексте) 1. Способ образования газогидродинамического смазочного слоя Затягивают через 9 жидкую смазку в 11, затягивают воздух в 48 и далее - воздух и смазку в 13, создают газогидродинамический слой в 13, обеспечивают неравенства (4) или (5), отводят тепло согласно второму или седьмому вариантам способа. 2. Способ воздушного тепломассообмена в свободной части слоя Затягивают через 42 воздух из внешнего пространства в 110, сжимают воздух в 112 и отводят его через 43 наружу, отводят тепло в 48 к воздуху от 114, обеспечивая неравенство (6), отводят тепло от 13 к 114, обеспечивая неравенство (3). 3. Способ тепломассообмена жидкой смазкой в свободной части слоя Используют пятый вариант способа для заполнения всего объема 48, затягивают через 59 жидкую смазку из маслоохладителя в 110, сжимают смазку в 112 и отводят ее через 60 наружу, отводят тепло от 114 к 48, обеспечивая неравенство (6), отводят тепло от 13 к 114, обеспечивая неравенство (3). 4. Способ теплообмена в свободной части слоя Охлаждают 117 средой в каналах верней половины вкладыша 2, отводят тепло от 48 к 117. Отводят тепло от 114 к 48, обеспечивая неравенство (7), и отводят тепло 13 к 114, обеспечивая неравенство (3). 5. Способа обеспечения внутренней циркуляции смазки Образуют систему канавок и отверстий в опорном вкладыше, возвращают по этой системе смазку, вытекающую из слоя, обратно в слой, заполняют смазкой весь объем свободной части слоя, увеличивают тепломассообмен в слое, способствуют обеспечению неравенств (6) или (7). 6. Способ образования в упорном подшипнике гидродинамического слоя с параллельными рабочими поверхностями Отводят тепло от участков в напорной части слоя, расположенных вдоль выходных и боковых границ этой части слоя и препятствуют теплоизоляцией отводу тепла от остальной напорной части слоя, создают вязкостный клин, обеспечивая неравенства (1) или (2) или (4). 7. Способ образования инерционного смазочного слоя с вязкостным клином В 1 выполняют выступы и этим создают продольные канавки, не выходящие за пределы 13, охлаждают 116, отводят тепло от 13 на участках 116, обеспечивая неравенства (1) или (2) или (4), создают вязкостный клин в инерционном смазочном слое с его охлаждением.

Шесть вариантов способа для упорного подшипника, которые не приведены в таблице, аналогичны соответствующим шести вариантам для опорного подшипника.

Таким образом, предлагаемые варианты реализации способа содержат значительный комплекс новых действий, позволяющих влиять на основные качественные показатели автономных опорно-упорных подшипников. Некоторые из них направлены на обеспечение работы подшипника при высоких окружных скоростях, другие на повышение несущей способности. Значительная часть этих действий реализуется не только непосредственно в пространстве напорного смазочного слоя, как это имеет место в существующих способах, но также в вакуумной и в свободной частях слоя. Эти части слоя ранее полезно не использовались. В предлагаемых вариантах способа эти части слоя эффективно используется для создания важных процессов снабжения подшипника смазкой, образования динамического напора, увеличенной циркуляции и тепломассообмена, повышающих несущую способность и быстроходность автономных подшипников.

Реализация предложенных семи вариантов реализации способа и целесообразных сочетаний этих вариантов позволит для различных условий эксплуатации создать надежные варианты, долговечного и автономного (работающего без циркуляционной смазки) опорно-упорного подшипника жидкостного трения, обладающего высокой несущей способностью и быстроходностью (допускающего при окружных скоростях вала до 45 м/с средние удельные давления до 10 МПа, а при окружных скоростях до 90 м/с - средние удельные давления до 5 МПа). При реализации предлагаемого способа могут быть созданы варианты опорно-упорного подшипника, не требующего постоянного контроля и обслуживания.

Способ может быть реализован для повышения качества работы подшипниковых узлов, где ранее применялись подшипники качения в условиях предельных для них окружных скоростей (17-20 м/с), а также для замены подшипников жидкостного трения, нуждающихся в циркуляционной смазке, не только на вновь изготавливаемых агрегатах, но и на эксплуатируемых, практически во всех условиях, где в настоящее время устанавливаются подшипники жидкостного трения с циркуляционной смазкой. Это исключит применение дорогих, громоздких, пожароопасных и требующих постоянного обслуживания комплексов оборудования, предназначенных для этой смазки.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к области разработки и производства подшипников, в частности опорно-упорных малогабаритных высокоскоростных автономных подшипников жидкостного трения, и может быть использовано в машинах и механизмах, применяемых в транспортных средствах, в энергетической промышленности, машиностроении, металлургической и других видах промышленности. Способ включает создание гидродинамического слоя смазки движением одной из двух поверхностей тел, образующих слой, и дополнительное воздействие на указанный слой создаваемым охлаждающей средой тепловым потоком. Тепловой поток изменяют, обеспечивая в различных зонах слоя и по его толщине разные вязкости и силы вязкостного трения между слоем и поверхностями тел, образующих слой, а также внутри слоя. При этом обеспечивают между величинами средней вязкости смазки во всех частях слоя, в их участках и в зонах, а также по толщине слоя соотношения, соответствующие, по меньшей мере, одному неравенству, выбранному из единой системы неравенств, создавая различные виды вязкостных клиньев. Технический результат: расширение области применения автономных подшипников жидкостного трения до окружных скоростей 90 м/с, улучшение эксплутационных характеристик агрегатов, где устанавливаются эти подшипники, а также создание возможности применения новых подшипников не только на вновь изготовляемых агрегатах, но и на эксплуатируемых. 10 з.п. ф-лы, 2 табл., 20 ил.

1. Способ повышения несущей способности и быстроходности автономного опорно-упорного подшипника жидкостного трения, включающий создание гидродинамического слоя смазки движением одной из двух поверхностей тел, образующих слой, и дополнительное воздействие на указанный слой создаваемым охлаждающей средой тепловым потоком, который изменяют, варьируя на его пути теплопроводностью, теплоотдачей от поверхности теплосъема и ее размерами, обеспечивая в различных зонах слоя и по его толщине разные вязкости и силы вязкостного трения между слоем и поверхностями тел, образующих слой, а также внутри слоя, отличающийся тем, что обеспечивают получение соотношения вязкостей, создавая различные виды вязкостных клиньев, в том числе обеспечивая выполнение неравенства µ₁<µ₂<µ₃ или µ₁<µ₂=µ₃ путем подвода газовой прослойки к подвижной поверхности в напорной части слоя, снижения там прослойкой вязкость у подвижной поверхности и создания двухслойного газогидродинамического смазочного слоя, или обеспечивая выполнение неравенства µ₄=µ₅>µ₁ и используя свободную часть слоя или также вакуумную часть слоя, формируют их как проточную часть гидродинамического насоса с образованием в них перепада давления по длине слоя, при этом засасывают внешний воздух в свободную часть слоя, охлаждая им в этой части движущуюся поверхность, и ею, обеспечивая выполнение неравенства µ₁>µ₂=µ₃, охлаждают напорную часть слоя, а воздух удаляют во внешнее пространство, или, обеспечивая выполнение неравенства µ₄=µ₅>µ₁ и используя свободную часть слоя или также вакуумную часть слоя, формируют их как проточную часть гидродинамического насоса с образованием у них перепада давлений по длине слоя, при этом засасывают охлажденную во внешнем охладителе жидкую смазку в свободную часть слоя, также охлаждают ею движущуюся поверхность и частью поступившей смазки снабжают напорную часть слоя, а часть ее удаляют из свободной части слоя во внешней охладитель, или, обеспечивая выполнение неравенства µ₄>µ₅>µ₁ отводят тепло от неподвижной поверхности в свободной части слоя и охлаждают эту часть слоя и движущуюся поверхность, а ею, обеспечивая выполнение неравенства µ₁>µ₂=µ₃, охлаждают напорную часть слоя, или, способствуя выполнению неравенств µ₄=µ₅>µ₁ или µ₄>µ₅>µ₁, охлаждают смазочный слой и при этом заполняют смазкой весь объем свободной части слоя, создавая внутреннюю циркуляцию смазки путем образования системы канавок и отверстий в ненагруженной части слоя, возвращают по этой системе смазку, вытекающую из слоя, обратно в слой, тем самым увеличивают тепломассообмен в слое, или, обеспечивая выполнение неравенства µ₁>µ₂<µ₃, или µ₁=µ₂<µ₃, или µ₁<µ₂<µ₃ в упорном подшипнике с параллельными рабочими поверхностями, формируют вязкостный клин, создающий гидродинамический смазочный слой с его охлаждением без гидродинамического клина, или, обеспечивая выполнение неравенства µ₁>µ₂<µ₃, или µ₁=µ₂<µ₃, или µ₁<µ₂<µ₃ в напорной части инерционного смазочного слоя, охлаждают внешним источником неподвижную поверхность на участках, расположенных вдоль выходной и боковых границ, и создают инерционный слой с вязкостным клином, причем
µ₁ - средняя вязкость смазки в зоне слоя, прилегающей к поверхности тела, движущего слой;
µ₂ - средняя вязкость смазки в напорной части слоя, за исключением участков, расположенных вдоль выходной и боковых границ этой части слоя, и зоны, прилегающей к поверхности тела, движущего слой;
µ₃ - средняя вязкость смазки в участках напорной части слоя, расположенных вдоль выходной и боковых границ этой части слоя;
µ₄ - средняя вязкость смазки в зоне, прилегающей к неподвижной поверхности в свободной или также вакуумной частях слоя;
µ₅ - средняя вязкость смазки в свободной части или также вакуумной частях слоя, кроме зоны, прилегающей к неподвижной поверхности,

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обеспечивают между величинами средней вязкости смазки во всех частях слоя, в их участках и в зонах, а также по толщине слоя соотношения, соответствующие, по меньшей мере, одному неравенству, выбранному из следующей единой системы неравенств:

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для образования гидрогазодинамического слоя подают жидкую смазку в ограниченном количестве в напорную часть слоя, затягивают в нее газ из свободной части, формируют газодинамическую часть напорной части слоя у подвижной поверхности, жидкой смазкой, прилегающей к неподвижной рабочей поверхности, заполняют ее неровности и образуют гидродинамическую часть напорной части слоя, причем количество жидкой смазки, обеспечивающее как снижение трения, так и безаварийную работу подшипника, регулируют выбором места расположения и размером отверстия для подсоса жидкой смазки в вакуумную часть слоя.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что для создания воздушного тепломассообмена в свободной части слоя опорного и упорного подшипников формируют свободную или также вакуумную части слоя как проточную часть газодинамического насоса из условий оптимальных расходов и давлений, подводят жидкую смазку в слой, всасывая ее из картера в вакуумную часть слоя движущейся поверхностью, и также ею создают циркуляцию и перепад давления в свободной части слоя, засасывают воздух во входной участок свободной части слоя из внешнего пространства через воздушный фильтр или из воздухоохладителя, сжимают воздух в сужающемся участке свободной части слоя и удаляют его из подшипника через улавливающее смазку устройство наружу или в воздухоохладитель, обеспечивая при вращении вала отвод тепла от движущейся поверхности к воздуху в свободной части слоя, а затем - от напорной части смазочного слоя к движущейся поверхности.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что для создания тепломассообмена жидкой смазкой в свободной части слоя опорного и упорного подшипников формируют свободную или также вакуумную части слоя как проточную часть гидродинамического насоса из условий оптимальных расходов и давлений, заполняют жидкой смазкой свободную часть смазочного слоя, движущейся поверхностью засасывают охлажденную смазку во входной участок свободной части слоя из маслоохладителя, расположенного во внешнем пространстве, после чего движущейся поверхностью повышают давление в свободной части слоя, обеспечивая отвод тепла от движущейся поверхности к смазке в этой части слоя, и удаляют часть поступившей смазки из подшипника в маслоохладитель, а часть охлажденной смазки оставляют в слое и при вращении вала движущейся поверхностью подают в напорную часть слоя.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что для создания теплообмена в свободной части смазочного слоя в опорном и упорном подшипниках заполнят смазкой весь объем этой части слоя, создают в упорных подушках или в верхнем вкладыше или в крышке, выполняющей функцию верхнего вкладыша, каналы, создают на неподвижной поверхности в свободной части слоя ребра, увеличивая там поверхность теплообмена, по каналам прокачивают охлаждающую среду с отводом тепла от свободной части смазочного слоя к неподвижной поверхности и отводом тепла от движущейся поверхности к свободной части слоя, а при вращении вала движущейся поверхностью отводят тепло от напорной части слоя.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что для обеспечения внутренней циркуляции смазки в опорном и упорном подшипниках засасывают смазку из нижней части корпуса или картера в вакуумную часть смазочного слоя, при этом увеличивают количество смазки, подаваемое в смазочный слой за счет направления смазки, вытекающей из боковых границ слоя, в канавки на неподвижной поверхности у этих границ, и из них направляют смазку в канавку, расположенную перед входом в напорную часть слоя, или в канавку перед входом в свободную часть слоя, а при подаче смазки, вытекающей из торцов вкладыша в упорные части, создают в указанных опорных частях малые картеры, из которых смазку возвращают гребнем в опорную часть через отверстия во вкладыше, при этом образуют постоянно заполненный объем смазки в нижнем вкладыше, обеспечивающий режимы снабжения смазкой при страгивании и на малых оборотах.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что для создания в упорном подшипнике гидродинамического слоя с параллельными рабочими поверхностями неподвижную плоскую рабочую поверхность разделяют канавками с формированием отдельных подушек, отводят тепло от выходного участка слоя каждой подушки с повышением там вязкости смазки или также теплоизолируют входной участок слоя и этим образуют между поверхностью вращающегося гребня и поверхностями подушек гидродинамические смазочные слои типа вязкостного клина.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что для создания инерционного смазочного слоя с вязкостным клином в опорном и упорном подшипниках под поверхностью участков в напорной части слоя, расположенных вдоль его выходной и боковых границ, прокачивают по дополнительно выполненным каналам охлаждающую среду, причем указанные каналы располагают и под остальной частью неподвижной поверхности в напорной части слоя, создавая вязкостный клин в инерционном смазочном слое с отводом тепла и от поверхности канавок в этом слое.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что образуют стабильную клиновую форму упорного смазочного слоя на неподвижной упорной рабочей поверхности, при этом используют неподвижную упорную рабочую поверхность с твердостью, превышающей твердость подвижной упорной рабочей поверхности, причем указанная твердость подвижной упорной рабочей поверхности обеспечивает прирабатываемость последней.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что создают в упорном подшипнике в смазочном слое каждой подушки вязкостный клин, ограничивают подачу смазки в напорную часть слоя и засасывают в эту часть воздух с формированием в указанном подшипнике газогидродинамических смазочных слоев с параллельными рабочими поверхностями и уменьшением тепловыделения в этих слоях.