СОЗДАНИЕ ИННОВАЦИОННЫХ ПОДШИПНИКОВ ДЛЯ СУДОСТРОЕНИЯ И КОМПЛЕКСОВ НЕФТЕДОБЫЧИ

Статья написана на базе работ, пред­ставленных на Всероссийской конфе­ренции молодых ученых и специали­стов «Будущее машиностроения России, проводимой Союзом машинострои­телей России в МГТУ им. Н. Э. Баумана в 2014 и 2015 годах; работа по созданию подшипников была дважды признана лучшей научной работой по направлению «Специальное машиностроение».

C конца 50-х годов прошлого века АО «ПО «Севмаш» занимается проектирова­нием и изготовлением судовых подшип­ников скольжения для кораблей и судов всех классов и назначения. Это опорные элементы самоустанавливающихся под­шипников скольжения (пара трения «стальбаббит»), упорные самоустанавли­вающихся подшипников скольжения (паратрения «стальбаббит»), углепластиковые опорные элементы подшипников сколь­жения гребных валов.

Коллективом конструкторов изо­бретена индивидуальная система смазки подшипников, найдены решения урав­нения Рейнольдса для частных случаев течения  смазки,  наблюдаемых  в  гидродинамических подшипниках, а именно: вращение несущей радиальную нагрузку шейки вала в отверстии, заполненном жидкостью (опорные подшипники); упирание плоской подушки во враща­ющийся гребень; упирание во вращаю­щийся гребень подушки, претерпевшей термоупругую деформацию (большинство главных упорных подшипников производ­ства АО «ПО «Севмаш»).

На основе полученных решений урав­нения Рейнольдса были разработаны методы расчета подшипников и создан программный модуль для автоматизации расчетов.

Циркуляционная система смазки подшипников

Изначально все подшипники сколь­жения выпускались с применением циркуляционной системы смазки, при которой масло подводилось под давле­нием от напорной магистрали, а отра­ботавшее масло стекало в цистерну. Системы       циркуляционной       смазки, в которые входят масляные насосы, мас­ляные системы с фильтрами и маслоохла­дителями, громоздки, сложны в обслужи­вании и пожароопасны.

В настоящее время подшипники изго­тавливаются с индивидуальной системой смазки, при которой масло подаётся к тру­щимся поверхностям за счёт внутренней циркуляции без применения насоса, мас­ляных цистерн, фильтров, трубопроводов и т. д.

Разработанные автономные подшип­ники до недавнего времени применялись только для окружных скоростей на шейках валов не более 15 м/с. Основной задачей является разработка и изготовление высо­коскоростных подшипников с окружной скоростью на шейке вала до 30 м/с, с авто­номной системой подачи масла в зону трения (для судовых электродвигателей, турбин и турбогенераторов).

Сложности при создании высокоскоростных подшипников

Проблемы, возникающие при работе автономных подшипников жидкостного трения на скоростях до 30 м/с известны:

—большое количество тепла, выде­ляемое в смазочном слое при высоких окружных скоростях и трудности в отводе этого тепла из-за низкого коэффициента теплоотдачи при охлаждении масла;

—большой расход масла для запол­нения смазочного слоя и трудности в обе­спечении подачи масла традиционными средствами (масло-подающие кольца, диски);

—обычные средства подачи смазки при повышении окружных скоростей вспенивают масло в картере, что вызывает протечки через концевые уплотнения.

Научно-технологический опыт в области создания подшипников жид­костного трения и использование изобре­тений по патентам привели к разработке новых способов образования смазочных слоев (вакуумный, насосный смазочные слои). Использование этих способов обе­спечивает увеличение нагрузок при суще­ствующих габаритах упорных и опорных частей; уменьшение жидкостного трения, снижение тепловыделения; направленный и увеличенный теплоотвод; внутреннюю циркуляцию смазки. Кроме того, эти спо­собы обеспечивают компактность, про­стоту конструкции и эксплуатации, повы­шают ресурс, нагрузочную способность и быстроходность, повышают надежность и    ударостойкость,    обеспечивают    бесшумность, не требуют специальных контактных уплотнений между валом и  корпусом подшипника.

Способы создания высокоскоростных автономных подшипников

В смазочном слое автономного подшипника создается насосный эффект: образуется зона разряжения (вакуумная зона) и зона повышенного давления (насосный слой) для подпитки смазочного слоя. Так был решен вопрос обеспечения достаточного расхода масла. Кроме того, решается проблема вспенивания смазки и протечек через уплотнения.

Для отвода тепла используется радиатор охлаждения. В  верхнем вкладыше образуют смазочный слой специальной формы, в котором создается расход и давление масла, прокачиваемого через радиатор без использования внешних насосов. 2/3 части расхода засасываются в маслоохладитель, 1/3  отправляется в  зазор между валом и нижним вкладышем. Охлажденное масло возвращается в  подшипник. Благодаря этому обеспечивается экономный расход смазки.

В подшипниках создана внутренняя циркуляция в  смазочном слое, т. е. масло, попав в  смазочный слой, снова туда возвращается, в основном не попадая в картер подшипника, при этом оно охлаждается непосредственно в самом слое за счет воздушного охлаждения. Смазка пополняется благодаря подсосу из картера в вакуумную часть смазочного слоя. При этом не возникает вспенивания масла.

Конструкции созданных подшипников скольжения

Остановимся подробнее на  опорных подшипниках скольжения. Такие подшипники предназначены для установки на  кораблях и  судах в  качестве опор промежуточных валов.

Основные характеристики подшипников: диаметры шеек вала от  140  до  900  мм; воспринимаемые опорные нагрузки от 15,7 до 538,0 кН; максимальная окружная скорость вращения вала — 6 м/с; смазка подшипника — индивидуальная маслами с  кинематической вязкостью от 43 до 190 сСт при 50 °C; пара трения: стальбаббит.

В корпусе 1 (Рис. 4)  расположены вкладыш 2  и  вал 3. На  торцевых поверхностях вкладыша 2  закреплены два картера 4 с расположенными в них маслоподающими устройствами, состоящими из  маслоподающих колец 5 и маслосъёмников 6. В верхней части вкладыша 2  выполнена полость 7, которая соединена отверстиями 8 с маслоподающими устройствами. В полости картеров 9 залита смазывающая жидкость.

Подшипник работает следующим образом: при вращении вала 3  смазывающая жидкость забирается маслоподающими кольцами 5, снимается с  них маслосъёмниками 6  и  по  отверстиям 8 поступает в полость 7 вкладыша 2. Поступающая из картеров 4 во вкладыш 2 смазывающая жидкость возвращается в картеры 9 по диаметральному зазору между валом 3 и вкладышем 2.

Упорные самоустанавливающиеся подшипники скольжения предназначены для восприятия и передачи на корпус корабля или судна осевого упора гребного винта и радиальной нагрузки от массы вала.

Основные характеристики таких подшипников: диаметры шеек упорного вала от 100 до 600 мм; воспринимаемые упорные нагрузки от  140  до  3200  кН; смазка — индивидуальная маслом с  кинематической вязкостью от 43 до 190 сСт при 50 °C; охлаждение — забортной водой, прокачиваемой через встроенный в  подшипник маслоохладитель; пара трения — стальбаббит. При частоте вращения вала до 30% от  номинальной, допускается работа подшипника без водяного охлаждения.

В корпусе 1 (Рис. 5) с ёмкостью 2 расположены упорный вал 3, упорные подушки 4, балансирная система 5, вкладыши 6. К  корпусу крепятся картеры 7  с  полостями 8 и трубы 9. В картерах расположены устройства для подачи смазывающей жидкости, состоящие из  маслосъёмников 10 и колец 11.

Подшипник работает следующим образом. Смазывающая жидкость из  нижней полости 8  картеров 7  забирается кольцами 9, снимается с них маслосъёмниками 10  и  по  отверстиям в  верхней части корпуса поступает к  вкладышу 6 и в ёмкость 2 корпуса 1 подшипника. При заполнении ёмкости 2 корпуса 1 смазывающей жидкостью до  уровня, обеспечивающего смазку верхних упорных подушек 4, оно начинает через трубы 9  из  нижней части ёмкости 2  корпуса 1  подшипника перетекать в  картеры 7. Высота труб 9  определяет уровень смазывающей жидкости в  ёмкости 2  корпуса подшипника. После охлаждения в  полостях 8  картеров 7  смазывающая жидкость вновь поступает в  ёмкость 2  корпуса 1  подшипника. Уплотнение центральной полости на  валу обеспечивается вкладышами 6. Протечки смазывающей жидкости из ёмкости 2 корпуса 1  поступают в  полости 8  картеров 7  и  вновь возвращаются в  ёмкость 2  корпуса 1 подшипника.

Опорные углепластиковые подшипники используются на  кораблях и  судах в  качестве опор гребных валов. Их основные характеристики диаметры шеек вала от 200 до 820 мм; максимальная окружная скорость вращения вала — 10  м/с; допустимое контактное давление на антифрикционный материал — 0,7 МПа; смазка и  охлаждение — забортной водой (принудительная или самопроточная).

Подшипник (Рис. 6) имеет в  своём составе композицию вкладышей 1 из угле

пластика на  основе пресс-материала ФУТ и  вкладышей протекторов 2  из  фторопласта АНИТА40. Вкладыши подшипника выполнены составными по  окружности из продольных сегментов и набраны внутрь корпуса подшипника 3 «в бочку».

Особенно хочется обратить внимание на  применяемую пару трения. Это композиция вкладышей из  пресс-материала ФУТ и  твердосмазочных вкладышей из материала АНИТА40, ответная часть — бронза. Ранее в качестве материала в таких подшипниках применялся бакаут. Новый набор вкладышей ФУТ — Анита40, за счет лучшей несущей способности, позволил заметно уменьшить габариты подшипников, сократить расходы при изготовлении, снизить себестоимость. Отличительные преимущества углепластиковых подшипников: длительный безотказный период эксплуатации и  низкие эксплуатационные расходы.

В настоящее время автором получен патент RU 2593169  С1  на  изобретение «Упорно-опорный подшипник скольжения с индивидуальной смазкой», а также подана заявка № 2015104475 на изобретение «Подшипник скольжения». Федеральная служба по  интеллектуальной собственности приняла решение о выдаче патента на изобретение «Подшипник скольжения».

Кроме того, впервые разработаны:

— высокооборотный  автономный опорный подшипник со  скоростью вращения 1100 об/мин;

— маломагнитный подшипник из титановых сплавов;

— блок опорноупорных подшипников с парой трения АММТ и титан с диффузионным покрытием окислами Al и Cr, работающий в морской воде.

Импортозамещение — это конкурентоспособность

Преимуществами созданных упорных и опорных подшипников скольжения являются:

— возможность полной автономной работы подшипников (отсутствие систем циркуляционной смазки и  прокачки охлаждающей водой, охлаждение за  счет конвективного теплообмена в  навесных картерах);

— высокая нагрузочная способность;

— длительный безотказный период эксплуатации (практически весь период службы судна);

— низкие эксплуатационные расходы в  связи с  отсутствием циркуляционной системы смазки.

Производимые подшипники закладываются в  проекты ведущих конструкторских бюро России, поставляются на  большинство судостроительных заводов и  верфей страны. Упорные самоустанавливающиеся и  опорные углепластиковые подшипники установлены на  всех вновь проектируемых надводных кораблях Военно-морского флота, а также поставляемых на  экспорт. Выполнение заказов для обеспечено в полном объеме.

Проектирование подшипников скольжения ведётся по  заказам проектантов судов: ОАО СПМБМ «Малахит», ОАО «Невское ПКБ», ОАО «ЦКБ «Айсберг», ФГУП ЦКБ МТ «Рубин», ФГУП «Северное ПКБ», ФГУП ЦМКБ «Алмаз».

Изготовителями или заказчиками судов, на  которые поставляются автономные подшипники скольжения, являются ОАО «Прибалтийский судостроительный завод «Янтарь», ОАО Судостроительный завод «Северная верфь», ОАО «Адмиралтейские верфи», ОАО «Балтийский завод», ОАО «Амурский судостроительный завод» для кораблей проектов 12700, 12701 (тральщик), 11356 (фрегат), 22350 (корвет),20380 (Фрегат), 20385 (фрегат), 18280 (судно связи), 11711 (десантный корабль), 06360, 06361, 06363 (ДПЛ), 0677 («Лада»), 15  В  (фрегат ВМС Индии). Изготовленные в  АО «ПО «Севмаш» подшипники поставляются в 18 стран.

Анализ договоров показывает ежегодный рост объема изготавливаемых судовых подшипников. В 2015 году объем производства составлял 1500  млн. руб., на настоящий превышает 2 млрд. руб.

Проведем сравнительный анализ стоимости опорных подшипников для патрульного корабля проекта 22160. Стоимость подшипника фирмы «Sedervall» без учета НДС и  таможенных сборов составляет 30 000 €, подшипника фирмы «Ренк» — 39 750 €. Стоимость аналогичного подшипника производства ОАО «ПО  «Севмаш» составляет 20 000 € при одинаковых технических характеристиках. Таким образом, принимая во внимание соотношение цены и  качества, подшипники, разработанные и  изготовленные в  АО «ПО  «Севмаш» более чем конкурентоспособны.

Зарубежными изготовителями судовых подшипников являются фирмы «Wartsilla», «Sedervall», «Mitchel» и  др. Подшипники, изготавливаемые ими, по  конструкции схожи с  нашей продукцией. Они выполняются как с  циркуляционной системой смазки, так и  автономными, но  с  обязательным водяным охлаждением масла в картере подшипника. Здесь стоит напомнить, что упорные подшипники скольжения производства АО «ПО  «Севмаш» могут работать без водяного охлаждения при частоте вращения 30% от  номинальной.

Результаты работы использованы АО «ПО  «Севмаш» при выполнении НИОКР «Создание типоразмерного ряда опорноупорных автономных подшипников жидкостного трения для магистральных насосных агрегатов» по  договору с  АК «Транснефть». Были разработаны, изготовлены и  сданы заказчику опытноштатные образцы автономных подшипников жидкостного трения с  воздушным охлаждением для насоса с диаметром вала 115 мм и частотой вращения 3000 об/мин. и  электродвигателя с  диаметром вала 180 мм и частотой вращения 3000 об/мин.

Таким образом был разработан и  создан типоразмерный ряд подшипников с автономной системой смазки, при которой масло заливается в  подшипник и  подаётся к  трущимся поверхностям за  счёт внутренней циркуляции без применения насоса, масляных цистерн, фильтров, трубопроводов и  т. д. Автономность смазки и  незначительный объём работ по  обслуживанию в  процессе эксплуатации обеспечивают высокую экономическую эффективность изделий.

В ходе проделанной работы получена информация, необходимая для создания высокоскоростных автономных подшипников для кораблей и судов, а также машин и  механизмов широкого назначения, для которых в  настоящее время применяются системы циркуляционной смазки.

А. А. Хабаров,

Инженер-конструктор 1 категории

АО «ПО «Севмаш»,

аспирант Северного (Арктического)

Федерального Университета

(г. Северодвинск)