18_Hlopenko.doc Экспериментальные исследования винтоканавочного подпятника Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 4 108 Хлопенко Н.Я., Кириченко А.С. Национальный университет кораблестроения имени адм. Макарова, г. Николаев, Украина ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВИНТОКАНАВОЧНОГО ПОДПЯТНИКА Введение В патенте [1] предложен гидростатический подпятник с винтовой многозаходной нарезкой на конусной поверхности пяты. Его принцип работы основан на гидростатическом подъеме пяты за счет на- гнетания нарезкой под давлением масла в центральную круговую камеру. Вследствие этого существенно возрастает несущая способность подпятника [2, 3, 4 и др.]. Целью настоящей работы является экспериментальные исследования несущей способности вин- токанавочного подпятника, защищенного патентом [1]. Для изучения поведения подпятника была создана экспериментальная установка. Опыты прово- дились в условиях ламинарного движения смазки в несущих зазорах винтоканавочного подпятника. Исследования показали, что подпятник [1] с винтовой нарезкой на конусной поверхности пяты обладает сравнительно высокой несущей способностью, которая с точностью ошибки измерений согла- суется с расчетной по формулам работы [2]. Описание экспериментальной установки Общий вид экспериментальной установки представлен на рис. 1. Она состоит из эксперимен- тальной головки, закрепленной в патронах передней 3 и задней 10 бабок токарно-винторезного станка ТВ-4, автоматизированного измерительного комплекса [5], состоящего из звукового генератора 15, пер- сонального компьютера 2, платы сопряжения 14 с компьютером, контрольно-измерительных приборов и датчиков температуры окружающей среды, температуры и давления масла в центральной круговой ка- мере подпятника, частоты вращения и осевого перемещения вала. Токарно-винторезный станок предна- значен для привода во вращательное движение пяты и создания на нее необходимого усилия за счет пе- ремещения задней бабки (см. поз. 10) при помощи рукоятки 9. Рис. 1 – Общий вид экспериментальной установки: 1 – осциллограф; 2 – персональный компьютер; 3 – передняя бабка; 4 – прибор ОВЕН; 5 – индуктивный датчик; 6 – трехкулачковый самоцентрирующий патрон; 7 – манометр; 8 – кран; 9 – рукоятка задней бабки; 10 – задняя бабка; 11 – емкость; 12 – индикатор часового типа 1МИГ; 13 – трансформаторный датчик; 14 – плата сопряжения с персональным компьютером; 15 – звуковой генератор Экспериментальная головка, продольный разрез которой представлен на рис. 2, состоит из вин- токанавочного подпятника, упруго-упорного узла и рессоры, обеспечивающей передачу вращательного движения пяте и ее свободное перемещение вдоль оси вращения при нагружении подпятника перемеще- нием задней бабки токарно-винторезного станка. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Экспериментальные исследования винтоканавочного подпятника Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 4 109 Рис. 2 – Продольный разрез экспериментальной головки: 1 – втулка; 2 – стаканы, 3 – шарикоподшипник; 4 – ровчик; 5 – крышка; 6 – корпус; 7 – сверление для подачи масла; 8 –пята; 9 – подпятник; 10 – конусный хвостовик подпятника; 11 – крепежный болт; 12 – сверление для удаления воздушных пробок; 13 – центральная круговая камера; 14 – кольца уплотнительные; 15 – сальник; 16 – диск; 17 – рессора; 18 – пружина Винтоканавочный подпятник состоит из корпуса 6, конусной пяты 8 с хвостовиком, крышки 5 и подпятника 9, уплотнительных колец 14 и 15 и крепежных болтов 11. На конусной поверхности пяты выполнена пятизаходная винтовая нарезка прямоугольной формы и ровчик для подвода масла через сверление 7, выполненное в корпусе 6. В подпятнике 9 предусмотрены центральная круговая камера 13 и конусный хвостовик 10. Хвостовик 10 крепится в патроне задней бабки токарно-винторезного станка. Отвод масла осуществляется через боковой радиальный зазор, образующийся при всплытии пяты. Уда- ления воздушных пробок из центральной круговой камеры производится через сверление 12, выполнен- неное в подпятнике 9 и его хвостовике 10, при открытом кране (рис. 1, поз. 8). В качестве смазки для подпятника использовалось масло МС-20. Упруго-упорный узел включает в себя втулку 1 с квадратным отверстием, стаканов 2, двух ради- ально-упорных шарикоподшипников 3 и пружины 18. Втулка 1 закреплена в трехкулачковом патроне (рис. 1, поз. 6) токарно-винторезного станка. Рессора 17 (рис. 2) выполнена в виде стержня с квадратным и цилиндрическим с резьбой конца- ми. Квадратным концом она установлена по скользящей посадке в квадратное отверстие втулки 1, а ци- линдрическим с резьбой концом жестко соединена с хвостовиком пяты 8. Измерение температур масла на входе и выходе из винтовой канавки производится хромель- копелевыми термопарами с использованием прибора ОВЕН (рис. 1, поз. 4). Температура окружающей среды определяется по показаниям термометра (ГОСТ 215-73-ТЛ-2). Давление масла в центральной круговой камере подпятника измеряется манометром серии МО с ценой деления 0,02 МПа (рис. 1, поз. 7). Для измерения частоты вращения пяты используется индуктив- ный датчик (рис. 1, поз. 5), а для измерения осевого ее перемещения – трансформаторный датчик (рис. 1, поз. 13). Индуктивный датчик частоты вращения (рис. 1, поз. 5) закреплен к корпусу передней бабки (поз. 3) токарно-винторезного станка с помощью державки. Он реагирует на изменение воздушно- го зазора при прохождении каждого из трех равноудаленных по окружности болтов трехкулачкового па- трона непосредственно напротив датчика. Трансформаторный датчик (рис. 1, поз. 13) установлен в дер- жавке, прикрепленной к корпусу подпятника. Его чувствительная часть находится вблизи рабочей плос- кости стального диска (рис. 2, поз. 16), насаженного на хвостовик пяты по напряженной посадке. Рабочая плоскость диска обработана по десятому классу чистоты. Выходное напряжение трансформаторного датчика измеряется при помощи автоматизированного измерительного комплекса [5] с точностью 0,5 % от измеряемой величины. Контроль температуры масла осуществляется термометром (ГОСТ 215-73-ТЛ-2), частоты вра- щения пяты – тахометром ИО-30, ее осевого перемещения – индикатором часового типа 1МИГ (ГОСТ 9696-89) (рис. 1, поз. 12), частоты вращения и осевого перемещения пяты – осциллографом (см. рис. 1, поз. 1). PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Экспериментальные исследования винтоканавочного подпятника Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 4 110 Методика проведения опытов 1. Проводятся опыты по тарировке трансформаторного датчика осевого перемещения пяты [6]. 2. Определяется коэффициент жесткости пружины упруго-упорного узла известным способом. 3. Ставятся опыты по определению несущей способности винтоканавочного подпятника на уста- новившемся режиме работы при закрытом кране. 4. Во время опытов по определению несущей способности винтоканавочного подпятника изме- ряются: - частота вращения пяты; - деформация прδ пружины упруго-упорного узла; - температура масла на входе в подпятник 0Θ ; - температура 1Θ и давление масла в центральной круговой камере подпятника; - осевое перемещение пяты h и состояния, соответствующего нулевому радиальному зазору; - температура окружающей среды. По полученным данным строят кривые нагрузки прcT δ= и перегрева масла 01 ΘΘ −=∆Θ от h , которые позволяют определить несущую способность подпятника. Анализ результатов опытных данных Экспериментальные исследования проводились на установившихся режимах работы винтокана- вочного подпятника [1, 2] со следующими исходными данными: длина конусной пяты L = 30 мм; ради- ус большего основания конуса пяты R = 22,68 мм; угол конусности λ = 7º; угол подъема винтовой на- резки на пяте ϕ = 10º; глубина канавки кh = 0,3 мм; ширина канавки a = 1,2 мм; ширина выступа b = 3 мм; радиус меньшего основания конуса пяты 1r = 19 мм; радиус кругового отверстия в камере подпятника 2r = 3 мм; коэффициент динамической вязкости масла 0μ = 0,1315 Па∙с при температуре масла на входе 0θ = 50 ºС; произведение плотности на удельную теплоемкость масла cρ = 0,176·10 7 Дж/(м3·ºС); темпе- ратурный коэффициент вязкости α = 0,0428 1/ºС; коэффициент местного гидравлического сопротивле- ния k = 1; число заходов винтовой нарезки нz = 5; атмосферное давление атмp = 0,101 МПа. Смазкой служило масло МС-20. На рис. 3 представлена тарировочная зависимость (сплошная линия) и предельные отклонения погрешностей измерений (штриховые линии) выходного напряжения выхU трансформаторного датчика от толщины воздушного зазора h , соответствующей величине всплытия пяты. При тарировке величина h измерялась индикатором 1МИГ (рис. 1, поз. 12) с погрешностью 1 мкм, а электрический сигнал – ав- томатизированным измерительным комплексом с точностью до 0,5 %. Рис. 3 – Тарировочная линия (сплошная линия) и предельное отклонение погрешности измерений (штриховые линии) выходного напряжения Uвых трансформаторного датчика от толщины воздушного зазора h PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Экспериментальные исследования винтоканавочного подпятника Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 4 111 На рис. 4 приведены осциллограммы а, б и в электрических сигналов трансформаторного датчи- ка перемещения пяты и соответствующие им осциллограммы г, д и е электрических сигналов индуктив- ного датчика частоты вращения. Эти осциллограммы зарегистрированы автоматизированным измери- тельным комплексом [5, 6]. Их запись производилась в файл на жестком диске в режиме реального времени. По осциллограммам видно, что вращение пяты протекает с частотой вращения около 1000 об/мин (рис. 4, г - е). Поэтому осциллограммы, представленные на рис. 4, а - в, позволяют выявить влияние статической нагрузки при данной частоте вращения на величину h всплытия пяты из положе- ния, соответствующего нулевому радиальному зазору между конусными рабочими поверхностями пяты и корпуса. а б в г д е Рис. 4 – Осциллограммы электрических сигналов трансформаторного датчика осевого перемещения а - в и индуктивного датчика частоты вращения пяты г - е: а – δпр = 49 мм; б – 48 мм; в – 47 мм а б Рис. 5 – Зависимости статической нагрузки T (а) и перегрева ΔΘ (б) в камере подпятника от высоты всплытия пяты h PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Экспериментальные исследования винтоканавочного подпятника Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 4 112 Рис. 5 иллюстрирует влияние величины всплытия пяты h на экспериментальные (обозначены крестиками) и теоретические значения (сплошные линии) статической нагрузки T и перегрева ΔΘ в камере винтоканавочного подпятника. Теоретическая линия получена по методике, предложенной в ра- боте [1], а экспериментальные значения определены по формуле прcT δ= в процессе опытов при коэф- фициенте жесткости пружины c = 34 ± 0,1 кН. Незначительное расхождение между опытными и теоре- тическими данными находяться в пределах погрешностей измерений, не превышающих для нагрузки не более 2,4 %, а для температуры – не более одного градуса по Цельсию. По рис. 5, а видно, что несущая способность – наибольшая статическая нагрузка на подпятник приблизительно равна 1,66 кН при минимально допустимой величине всплытия вала 5 мкм. При значе- ниях, меньших 5 мкм, происходит, как показали экспериментальные исследования, заедание и заклинка поверхностей трения. Выводы 1. Эффект всплытия пяты на масляной пленке во многом определяется осевой нагрузкой на под- пятник. 2. Экспериментальные исследования подтверждают адекватность разработанного метода расчета и конструирования винтоканавочных подпятников. 3. Выполненные расчеты и экспериментальные исследования несущей способности винтокана- вочного подпятника показывают, что данную опору и ее модификацию, защищенную патентом на полез- ную модель [7], можно использовать в винтовых насосах системы смазки судовых двигателей, а также в узлах жидкостного трения винтовых насосов общепромышленного назначения. Литература 1. Пат. Україна № 52820, МПК F16C25/02. Упорний гідростатичний підшипник ковзання / Г.Ф. Романовський, М.Я. Хлопенко, Б.А. Рогожін; Заявл. 10.10.2000; Опубл. 15.01.2003, Бюл. № 1. 2. Хлопенко Н.Я., Кириченко А.С. Статические характеристики винтоканавочного подпятника // Судовые энергетические установки: научно-технический сборник. Вып. 26. – Одесса: ОНМА, 2010. – С. 20-29. 3. Хлопенко Н.Я., Кириченко А.С. Проверка адекватности метода расчета трибосопряжений с винтовой нарезкой на вращающейся поверхности // Сучасні проблеми триботехніки: Матеріали ІІІ міжнародної науково-технічної конференції. – Миколаїв: НУК, 2009. – С. 70-71. 4. Хлопенко Н.Я., Кириченко А.С. Анализ исследований статических характеристик винтокана- вочного подпятника // Суднова енергетика: стан та проблеми: Матеріали V міжнародної науково- технічної конференції. – Миколаїв: НУК, 2011. – С. 92-93. 5. Хлопенко Н.Я., Гаврилов С.А. Автоматизированный измерительный комплекс для мониторин- га рабочих процессов в упорных подшипниках скольжения судовых турбомашин // Проблеми трибології (Problems of Tribology). – 2007. – №1 (43). – С. 18-22. 6. Романовский Г.Ф., Хлопенко Н.Я. Динамика упорных подшипников скольжения судовых тур- бомашин: Монография. – Николаев: НУК, 2007. – 140 с. 7. Пат. на корисну модель № 61718 Україна, МПК F16C17/00. Гідростатичний підшипник ков- зання тригвинтового насоса / М.Я. Хлопенко, О.С. Кириченко – № U201100467; Заявл. 17.01.2011; Опубл. 25.07.2011, Бюл. № 14. Надійшла 14.11.2011 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com