RU2419000C1

RU2419000C1 - Rotor support

Info

Publication number: RU2419000C1
Application number: RU2009147698/11A
Authority: RU
Inventors: Елена Константиновна Белослудцева (RU); Елена Константиновна Белослудцева; Станислав Анатолиевич Воробьев (RU); Станислав Анатолиевич Воробьев; Вадим Валерьевич Козлов (RU); Вадим Валерьевич Козлов; Александр Юрьевич Куркин (RU); Александр Юрьевич Куркин; Вячеслав Серафимович Скворцов (RU); Вячеслав Серафимович Скворцов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Новоуральский научно-конструкторский центр"
Priority date: 2009-12-21
Filing date: 2009-12-21
Publication date: 2011-05-20

Abstract

FIELD: machine building. ^ SUBSTANCE: support consists of half-couple rotating and coupled with machine case directly or via damping unit. Contacting surfaces of the half-couple are spherical or of close to spherical shape. The rotating half-couple connected to the rotor, is made out of metal. Another half-couple is made completely out of ceramic material on base of aluminium and zirconium oxides, silicon carbide and nitride with dimension of particles up to 30 mcm. ^ EFFECT: durable wear resistant and strong support of higher bearing capacity. ^ 6 cl, 1 tbl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в конструкциях сепараторов, центрифуг и других подобных устройств, содержащих быстровращающийся ротор, и касается конструкции опорного узла и, в частности, его подшипника скольжения, работающего постоянно или временно, например на разгоне и торможении, в условиях граничной смазки.The invention relates to mechanical engineering and can be used in the construction of separators, centrifuges and other similar devices containing a rapidly rotating rotor, and for the design of the support unit and, in particular, its sliding bearing, which works continuously or temporarily, for example, on acceleration and braking, in conditions of boundary lubrication.

Известны различные конструкции опор ротора и элементов радиально-упорного подшипника скольжения, содержащие связанную с ротором вращающуюся и связанную с корпусом машины непосредственно или через демпфирующий узел полупары, контактирующие поверхности которых имеют сферическую или близкую к ней форму [1], [2], [3].There are various designs of rotor bearings and elements of an angular contact bearing containing a rotor connected to the rotor and connected to the machine body directly or through a damping unit of a pair, the contact surfaces of which have a spherical or close to it shape [1], [2], [3 ].

В настоящее время большинство трущихся деталей изготавливаются из металлов и их сплавов, однако при трении без смазки или с ограниченной смазкой существуют ограничения на контактные давления и скорости скольжения, связанные с возможностью возникновения высоких локальных давлений и температур, приводящих к "схватыванию" и быстрому износу сопрягаемых поверхностей [1], [2].Currently, most rubbing parts are made of metals and their alloys, however, when friction without lubrication or with limited lubrication, there are restrictions on contact pressures and sliding speeds associated with the possibility of high local pressures and temperatures, leading to "setting" and quick wear of the mating surfaces [1], [2].

Существуют способы исключения контакта поверхностей и их износа путем принудительной подачи в зону трения жидкой или газовой смазки, так называемые гидростатические или газостатические подшипники, однако для многих типов машин, например машин небольших размеров или работающих под вакуумом, такие способы неприменимы.There are ways to prevent contact of surfaces and their wear by forcing liquid or gas lubricants into the friction zone, the so-called hydrostatic or gas-static bearings, however, for many types of machines, for example, small-sized machines or those working under vacuum, such methods are not applicable.

Другим способом исключения контакта поверхностей и их износа на номинальных режимах является нагнетание масла в зону контакта элементами вращающихся полупары и/или других частей ротора, так называемые гидродинамические подшипники [1], [2], [3]. Для этого вращающаяся поверхность профилируется для нагнетания масла в зону контакта. Недостатком такой конструкции является наличие сухого или граничного трения на малых скоростях и при повышенных нагрузках возникающих, например, в резонансных зонах работы машин. Кроме того, создание гидродинамического режима смазки труднореализуемо для небольших ~1 мм² контактирующих поверхностей.Another way to exclude contact of surfaces and their wear at nominal conditions is to inject oil into the contact zone by elements of rotating semi-pairs and / or other parts of the rotor, the so-called hydrodynamic bearings [1], [2], [3]. To do this, the rotating surface is profiled to pump oil into the contact zone. The disadvantage of this design is the presence of dry or boundary friction at low speeds and at high loads arising, for example, in the resonant zones of the machines. In addition, the creation of a hydrodynamic lubrication regime is difficult to implement for small ~ 1 mm ² contact surfaces.

Улучшить антифрикционные свойства и износостойкость рассматриваемых опор можно путем применения разнородных по природе материалов пары трения, например, как это предлагается в [3], использовать стальную вращающуюся полупару в сочетании с полупарой из лейкосапфира или рубина. Несмотря на то что прочностные свойства кристаллов существенно превосходят свойства металлов, эффект от их применения менее значительный. Для кристаллов свойственна анизотропия свойств и наличие дефектов кристаллической структуры, поэтому для элементов пар трения, изготовленных из них, даже при незначительных нагрузках свойственно появление достаточно крупных дефектов, приводящих к быстрому износу подшипника, особенно при наличии циклических и ударных нагрузок.It is possible to improve the antifriction properties and wear resistance of the bearings under consideration by using materials of a friction pair that are heterogeneous in nature, for example, as suggested in [3], use a steel rotating half pair in combination with a pair of leucosapphire or ruby. Despite the fact that the strength properties of crystals significantly exceed the properties of metals, the effect of their use is less significant. Crystals are characterized by anisotropy of properties and the presence of defects in the crystal structure; therefore, for elements of friction pairs made of them, even with insignificant loads, the appearance of sufficiently large defects is characteristic, leading to rapid wear of the bearing, especially in the presence of cyclic and shock loads.

Известна конструкция радиально-упорного подшипника качения [4], взятая за прототип, в которой в качестве материалов пар трения используются керамические материалы на основе нитрида и карбида кремния с упрочняющей добавкой MgAl₂O₄. Основными недостатками данного подшипника являются сложность конструкции, состоящей из множества элементов, которые ограничивают применимость в небольших машинах, и повышенное трение, требующее при высоких частотах вращения больших затрат мощности и вызывающее повышенные температуры.A known design of an angular contact rolling bearing [4], taken as a prototype in which ceramic materials based on nitride and silicon carbide with a reinforcing additive MgAl ₂ O ₄ are used as materials of friction pairs. The main disadvantages of this bearing are the complexity of the design, consisting of many elements that limit applicability in small machines, and increased friction, which requires high power costs at high speeds and causes elevated temperatures.

Кроме того, известна конструкция подшипника скольжения [5], в элементах которой используются керамические материалы, в частности оксиды алюминия и циркония. Этой конструкции свойственны те же недостатки, что и [4].In addition, the known design of the plain bearing [5], in the elements of which ceramic materials are used, in particular aluminum and zirconium oxides. This design has the same drawbacks as [4].

Устранить эти недостатки возможно применением в конструкциях опор типа [1], [2], [3] керамических материалов, свойства большинства из которых изотропны и для которых отсутствует эффект схватывания при контакте с металлом.It is possible to eliminate these drawbacks by using ceramic materials, such as [1], [2], [3], in the construction of supports, the properties of most of which are isotropic and for which there is no setting effect upon contact with metal.

Техническая задача, решаемая настоящим изобретением, состоит в повышении долговечности опоры быстровращающегося ротора с увеличенной осевой и радиальной нагрузками при сохранении простоты конструкции.The technical problem solved by the present invention is to increase the durability of the support of a rapidly rotating rotor with increased axial and radial loads while maintaining the simplicity of the design.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в повышении несущей способности опоры и связанной с этим ее долговечности.The technical result achieved by the implementation of the invention is to increase the bearing capacity of the support and its associated durability.

Технический результат достигается тем, что в опоре типа приведенной на чертеже, одна часть трущейся сферической поверхности 1 подшипника выполнена из металла, другая часть 2 выполнена из керамического материала на основе оксидов алюминия, циркония, карбида и нитрида кремния.The technical result is achieved in that in a support of the type shown in the drawing, one part of the rubbing spherical surface 1 of the bearing is made of metal, the other part 2 is made of ceramic material based on aluminum oxides, zirconium, carbide and silicon nitride.

Кроме того, долговечность и антифрикционные свойства опор зависят от состояния трущейся керамической поверхности, определяемого наличием пор и размерами появляющихся при работе дефектов. Эти свойства зависят от размеров частиц керамики и, как правило, не должны превышать 30 мкм. Использование керамики с большими размерами ускоряет абразивное и усталостное изнашивание опор.In addition, the durability and antifriction properties of the supports depend on the state of the rubbing ceramic surface, determined by the presence of pores and the dimensions of the defects that appear during operation. These properties depend on the particle size of the ceramic and, as a rule, should not exceed 30 microns. The use of large ceramics accelerates the abrasive and fatigue wear of supports.

Дополнительно керамика содержит игольчатые (нитевидные) формы веществ, упрочняющие матрицу, в частности, керамика на основе оксида алюминия, содержащая 2…40% игольчатых кристаллов карбида кремния.Additionally, the ceramics contain needle (filiform) forms of substances that strengthen the matrix, in particular, alumina-based ceramics containing 2 ... 40% needle crystals of silicon carbide.

В таблице 1 приведены результаты испытаний группы машин с разгонами роторов до линейных скоростей вращения наружной поверхности полупары ~20 м/с в масле, опоры с металлическими полупарами испытания не выдерживают.Table 1 shows the test results of a group of machines with acceleration of rotors to linear speeds of rotation of the outer surface of the half pair ~ 20 m / s in oil, supports with metal half pairs do not pass the test.

Таблица 1Table 1 Материал полупарыmaterial polupary Лейкосапфирleucosapphire Оксид цирконияZirconium oxide Нитрид кремнияSilicon nitride Оксид алюминия с игольчатыми кристаллами карбида кремнияSilicon Carbide Needle Alumina % появления дефектов за один цикл испытаний% Of defects per test cycle 4343 50fifty 1010 00

Видно, что наилучшие результаты достигаются при применении керамики на основе оксида алюминия, содержащего игольчатые кристаллы карбида кремния, однако при умеренных нагрузках применимы и имеют преимущества другие виды керамик.It is seen that the best results are achieved when using ceramics based on alumina containing needle crystals of silicon carbide, however, at moderate loads other types of ceramics are applicable and have advantages.

Дополнительно при наличии конструктивных возможностей в полупарах могут выполняться отверстия 3 и профилирование 4 поверхностей для облегчения доступа масла к трущимся поверхностям.Additionally, if there are structural possibilities in the semi-pairs, holes 3 and profiling of 4 surfaces can be made to facilitate the access of oil to the rubbing surfaces.

Наибольшие преимущества данная опора имеет при использовании в устройствах, работающих в вакууме, на режимах с граничной смазкой.This support has the greatest advantages when used in devices operating in a vacuum, in modes with boundary lubrication.

Следует понимать, что в описании приведена схема предпочтительного воплощения изобретения и могут быть сделаны изменения и модификации, например ввод в состав керамики незначительных количеств веществ, улучшающих технологию изготовления, которые не являются отступлением от изобретения в его общих чертах.It should be understood that the description shows a diagram of a preferred embodiment of the invention and changes and modifications can be made, for example, the introduction of small amounts of substances that improve manufacturing technology into the ceramic composition, which are not a departure from the invention in its general terms.

Источники информацииInformation sources

1. Патент US №3883193, F16C 35/00. Опубл. 13.05.1975.1. US patent No. 3883193, F16C 35/00. Publ. 05.13.1975.

2. Патент US №3902770, F16C 17/16, F16C 17/04. Опубл. 02.09.1975.2. US patent No. 3902770, F16C 17/16, F16C 17/04. Publ. 02.09.1975.

3. Патент РФ №2360154, F16C 17/08, F16C 27/08, F16F 15/023. Опубл. 27.06.2009.3. RF patent No. 2360154, F16C 17/08, F16C 27/08, F16F 15/023. Publ. 27.06.2009.

4. Патент US №5575571, F16C 33/56. Опубл. 19.11.1996.4. US patent No. 5575571, F16C 33/56. Publ. 19.11.1996.

5. Патент US №5102239, F16C 33/04, F16C 19/55. Опубл. 07.04.1992.5. US patent No. 5102239, F16C 33/04, F16C 19/55. Publ. 07.04.1992.

Claims

1. The support of the rotor, including rotating associated with the rotor and connected to the machine body directly or through a damping assembly of semi-pairs, the contact surfaces of which are spherical or close to it, characterized in that one of the semi-pairs is made of ceramic material based on aluminum and zirconium oxides , carbide and silicon nitride.

2. The rotor support according to claim 1, characterized in that the particle sizes of the ceramic material of the half-pair do not exceed 30 microns.

3. The support according to claim 1, characterized in that the ceramics of the material of the half-pair contains needle (filiform) forms of substances that strengthen the matrix.

4. The support according to claim 3, characterized in that the ceramic of the half-pair material is alumina containing 2 ... 40% needle crystals of silicon carbide.

5. Support according to any one of claims 1 to 4, characterized in that openings are made in the semi-pair for access of oil to rubbing surfaces.

6. Support according to any one of claims 1 to 4, characterized in that grooves are made on the surface of the half-pair for supplying oil to rubbing surfaces.