втулка радиальной опоры скольжения

Формула изобретения

1. Втулка радиальной опоры скольжения вала, содержащая корпус из порошкового материала на металлической основе с центральным отверстием, выполненным с возможностью размещения в нем вала, а также рабочую часть втулки, состоящую из отделенных друг от друга элементов трения, соединенных с корпусом и образующих соответствующие части поверхности трения втулки, при этом элементы трения выполнены из материала, имеющего прочность и/или износостойкость и/или теплостойкость выше, чем у материала корпуса, отличающаяся тем, что рабочая часть втулки состоит из по меньшей мере двух элементов трения, выполненных из спеченного порошкового материала, а корпус состоит из пористой матрицы, образованной спеченным порошковым материалом, поры которой, по крайней мере, частично заполнены пропиточным материалом на основе металла, имеющего теплопроводность большую, чем у материала матрицы, при этом элементы трения соединены с корпусом посредством упомянутого пропиточного материала.

2. Втулка по п.1, отличающаяся тем, что рабочая часть втулки состоит из кольцеобразных элементов трения, расположенных соосно с центральным отверстием корпуса.

3. Втулка по п.2, отличающаяся тем, что рабочая часть втулки состоит из двух элементов трения приближенно одинаковой ширины, закрепленных на концевых частях корпуса симметрично относительно поперечной оси симметрии втулки.

4. Втулка по п.2, отличающаяся тем, что корпус выполнен с возможностью его закрепления на валу без возможности вращения посредством шпоночного соединения, при этом рабочая часть втулки расположена на внешней поверхности корпуса втулки.

5. Втулка по п.4, отличающаяся тем, что элементы трения закреплены на цилиндрических участках, образованных на внешней поверхности корпуса.

6. Втулка по п.5, отличающаяся тем, что цилиндрические участки выполнены с равномерно распределенными по окружности впадинами, а посадочные поверхности элементов трения выполнены с соответствующими выступами.

7. Втулка по п.5, отличающаяся тем, что цилиндрические участки выполнены с равномерно распределенными по окружности выступами, а посадочные поверхности элементов трения выполнены с соответствующими впадинами.

8. Втулка по п.6 или 7, отличающаяся тем, что выступы и впадины имеют прямоугольную в сечении форму.

9. Втулка по п.2, отличающаяся тем, что корпус втулки выполнен с возможностью его закрепления в соответствующем отверстии основного корпуса радиальной опоры без возможности вращения посредством шпоночного соединения, при этом рабочая часть втулки расположена в центральном отверстии корпуса втулки.

10. Втулка по п.9, отличающаяся тем, что элементы трения закреплены в цилиндрических выточках, выполненных в центральном отверстии корпуса втулки.

11. Втулка по п.10, отличающаяся тем, что посадочные поверхности элементов трения выполнены с равномерно распределенными по окружности впадинами, а цилиндрические выточки выполнены с соответствующими выступами.

12. Втулка по п.10, отличающаяся тем, что посадочные поверхности элементов трения выполнены с равномерно распределенными по окружности выступами, а цилиндрические выточки выполнены с соответствующими впадинами.

13. Втулка по п.11 или 12, отличающаяся тем, что выступы и впадины имеют прямоугольную в сечении форму.

14. Втулка по п.1, отличающаяся тем, что на рабочей поверхности элементов трения выполнены равномерно распределенные по окружности сквозные продольные канавки.

15. Втулка по п.14, отличающаяся тем, что продольные канавки каждого элемента трения расположены с угловым сдвигом относительно продольных канавок соседних с ним элементов трения.

16. Втулка по п.15, отличающаяся тем, что в средней части корпуса между элементами трения образован буртик, диаметр наружной поверхности которого не превышает диаметра элементов трения, измеренного по дну продольных канавок.

17. Втулка по п.1, отличающаяся тем, что элементы трения представляют собой твердосплавные металлокерамические изделия на основе карбидов или карбонитридов вольфрама _;или титана, или молибдена или их композиций.

18. Втулка по п.1, отличающаяся тем, что объем пор пористой матрицы корпуса втулки находится в пределах от 12 до 18%.

19. Втулка по п.1, отличающаяся тем, что пропиточный материал введен в поры матрицы методом инфильтрации.

20. Втулка по п.1, отличающаяся тем, что пропиточный материал представляет собой медь или ее сплав.

21. Втулка по п.20, отличающаяся тем, что содержание меди находится в пределах от 15 до 20% и превышает объем пор матрицы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к конструкциям составных спеченных изделий, и может быть использовано, в частности, при изготовлении радиальных опор модуль-секций погружных центробежных насосов для добычи нефти в коррозионно-износостойком исполнении.

Известна втулка радиальной опоры скольжения вала бурового забойного двигателя (см. патент RU 2151850 С1, 27.06.2000, Е21В 4/00), содержащая корпус с центральным отверстием, выполненный с возможностью его закрепления на валу посредством шпоночного соединения, и рабочую часть втулки в виде полого цилиндра, закрепленную на внешней поверхности корпуса соосно центральному отверстию, которая образует поверхность трения втулки. Рабочая часть втулки скреплена с корпусом посредством промежуточного упругого элемента.

Основным недостатком аналога является недостаточно надежная фиксации рабочей часть втулки на корпусе. Кроме того, наличие промежуточного упругого элемента существенно ухудшает условия охлаждения рабочей части втулки.

Известна втулка радиальной опоры скольжения вала модуль-секции погружного многоступенчатого центробежного насоса, описанная в патенте RU 19308 U1, 20.08.2001, F04D 13/08, которая содержит корпус с центральным отверстием, выполненный с возможностью его закрепления на валу посредством шпоночного соединения, рабочую часть втулки, выполненную в виде полого цилиндра из износостойкого материала, имеющего прочность, износостойкость и теплостойкость выше, чем у материала корпуса. Рабочая часть втулки закреплена на внешней поверхности корпуса с помощью шпоночного соединения и двух стопорных колец и образует поверхность трения втулки.

Основными недостатками описанного аналога являются, во-первых, недостаточная надежность втулки и радиальной опоры вала в целом, особенно в тяжелых условиях эксплуатации, характерных для нефтедобывающей насосной техники. Так, полное или частичное заклинивание радиальной опоры вследствие полимеризации нефти на трущихся поверхностях, происходящей под действием высокой температуры, приведет к разрушению одного из шпоночных соединений и провороту вала внутри корпуса втулки или корпуса втулки относительно рабочей части втулки. Наиболее опасно срезание шпонки, размещенной между корпусом и рабочей частью втулки, так как это приводит к разрушению стопорных колец, смещению, заклиниванию и раскрашиванию рабочей части втулки и, соответственно, разрушению рабочих органов насоса ее осколками. При этом срезание именно этой шпонки наиболее вероятно, так как износостойкая рабочая часть втулки отличается повышенной твердостью поверхности и высоким сопротивлением срезу.

Кроме того, раскрашивание твердосплавной рабочей части втулки может происходить вследствие местных перегревов, возникающих при из-за недостаточно эффективного отвода тепла от трущихся поверхностей, особенно при малых подачах насоса.

Вторым существенным недостатком аналога является низкая технологичность конструкции втулки, особенно, рабочей части втулки, изготавливаемой из твердых сплавов методами порошковой металлургии. Так как эта деталь представляет собой тонкостенный кольцеобразный элемент, осевой размер которого превышает радиальный, то в процессе прессования заготовки разница в пористости ее концевых участков (при одностороннем прессовании) может достигать 20%, что при спекании приведет к короблению детали и, соответственно, уменьшению выхода годных деталей, повышению вибрации при работе насоса и т.п.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения (прототипом) является втулка радиальной опоры скольжения вал (см. патент US 6836041 В2, 28/12/2004, Н02К 5/16), содержащая корпус с центральным отверстием, выполненным с возможностью размещения в нем вала, и рабочую часть втулки, которая состоит из двух отделенных друг от друга кольцеобразных элементов трения, размещенных в цилиндрических выточках центрального отверстия корпуса и образующих соответствующие части поверхности трения втулки. Элементы трения представляют собой твердосплавные металлокерамические изделия и выполнены из порошкового материала на основе нитрида кремния, оксида алюминия и циркония, имеющего прочность, износостойкость и теплостойкость выше, чем у материала корпуса. Корпус выполнен из спеченного пористого порошкового материала представляющего собой смесь железного и медного порошков. В средней части корпуса, между элементами трения образован дополнительный элемент трения с цилиндрическим отверстием для размещения вала. Дополнительный элемент трения представляет собой часть пористого порошкового корпуса и предназначен для организации самосмазывания втулки в процессе работы.

Основными недостатком прототипа является отсутствие средств, обеспечивающих надежную фиксацию элементов трения в корпусе, при этом необходимость организации самосмазывания втулки требует сохранения пористой структуры корпуса по всему объему, что ограничивает выбор материалов и способов изготовления корпуса, а также вариантов крепления элементов трения в корпусе.

Таким образом, задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в создании втулки радиальной опоры скольжения вала, главным образом, модуль-секции погружного многоступенчатого центробежного насоса для добычи нефти коррозионно-износостойкого исполнения, пригодной для использования в тяжелых условиях эксплуатации, в том числе в малодебитных насосах.

Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в повышении надежности и долговечности втулки и радиальной опоры в целом, в частности, путем снижения вероятности разрушения элементов трения в процессе работы за счет организации эффективного отвода тепла от элементов трения и обеспечения надежного соединения элементов трения втулки с несущим элементом, а также в повышении технологичности конструкции втулки, в частности, путем минимизации размеров элементов трения и объединения операции спекания корпуса втулки с операцией соединения элементов трения втулки с несущим элементом.

Втулка радиальной опоры скольжения, в частности, для вала модуль-секции погружного многоступенчатого центробежного насоса содержит корпус из порошкового материала на металлической основе с центральным отверстием, выполненным с возможностью размещения в нем вала, а также рабочую часть втулки, состоящую из отделенных друг от друга элементов трения, соединенных с корпусом и образующих соответствующие части поверхности трения втулки. Элементы трения выполнены из материала, имеющего прочность и/или износостойкость и/или теплостойкость выше, чем у материала корпуса. При этом в отличие от прототипа рабочая часть втулки состоит из, по меньшей мере, двух элементов трения, выполненных из спеченного порошкового материала. Корпус состоит из пористой матрицы, образованной спеченным порошковым материалом, поры которой, по крайней мере, частично заполнены пропиточным материалом, на основе металла, имеющего теплопроводность большую, чем у материала матрицы, при этом элементы трения соединены с корпусом посредством упомянутого пропиточного материала.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, рабочая часть втулки может состоять из кольцеобразных элементов трения, расположенных соосно с центральным отверстием корпуса.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, рабочая часть втулки может состоять из двух элементов трения приближенно одинаковой ширины, закрепленных на концевых частях корпуса симметрично относительно поперечной оси симметрии втулки.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, корпус может быть выполнен с возможностью его закрепления на валу без возможности вращения посредством шпоночного соединения, при этом рабочая часть втулки расположена на внешней поверхности корпуса втулки.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, элементы трения могут быть закреплены на цилиндрических участках, образованных на внешней поверхности корпуса.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, цилиндрические участки могут быть выполнены с равномерно распределенными по окружности впадинами, при этом посадочные поверхности элементов трения должны быть выполнены с соответствующими выступами.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, цилиндрические участки могут быть выполнены с равномерно распределенными по окружности выступами, при этом посадочные поверхности элементов трения должны быть выполнены с соответствующими впадинами.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, выступы и впадины могут иметь прямоугольную в сечении форму.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, корпус втулки может быть выполнен с возможностью его закрепления в соответствующем отверстии основного корпуса радиальной опоры без возможности вращения посредством шпоночного соединения, при этом рабочая часть втулки расположена в центральном отверстии корпуса втулки.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, элементы трения могут быть закреплены в цилиндрических выточках, выполненных в центральном отверстии корпуса втулки.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, посадочные поверхности элементов трения могут быть выполнены с равномерно распределенными по окружности впадинами, при этом цилиндрические выточки должны быть выполнены с соответствующими выступами.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, посадочные поверхности элементов трения могут быть выполнены с равномерно распределенными по окружности выступами, при этом цилиндрические выточки должны быть выполнены с соответствующими впадинами.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, выступы и впадины могут иметь прямоугольную в сечении форму.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, на рабочей поверхности элементов трения могут быть выполнены равномерно распределенные по окружности сквозные продольные канавки.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, продольные канавки каждого элемента трения могут быть расположены с угловым сдвигом относительно продольных канавок соседних с ним элементов трения.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, в средней части корпуса между элементами трения может быть образован буртик, диаметр наружной поверхности которого не должен превышать диаметра элементов трения, измеренного по дну продольных канавок.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, элементы трения представляют собой твердосплавные металлокерамические изделия на основе карбидов или карбонитридов вольфрама или титана или молибдена или их композиций.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, объем пор пористой матрицы корпуса втулки может находиться в пределах от 12 до 18%.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, пропиточный материал может быть введен в поры корпуса втулки методом инфильтрации.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, пропиточный материал может представлять собой медь или ее сплав.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, содержание меди может находиться в пределах от 15 до 20% и при этом должно превышать объем пор матрицы.

Выполнение рабочей части втулки из нескольких отделенных друг от друга элементов трения позволяет существенно упростить ее изготовление методами порошковой металлургии, так как рабочая часть втулки практически любой сложности может быть сформирована элементами простой формы и небольшого габарита (в частности, рабочая часть втулки, представляющая собой тонкостенный полый цилиндр, может быть выполнена в виде двух и более кольцеобразных элементов трения сравнительно небольшой ширины). Порошковые заготовки для таких элементов могут быть изготовлены прессованием на стандартном оборудовании с высоким качеством (равномерной пористостью по всему объему заготовки).

Соединение элементов трения с пористым порошковым корпусом посредством пропиточного материала, инфильтрующегося через поры в процессе спекания корпуса, обеспечивает надежное и технологичное соединение частей втулки, так как в этом случае происходит объединение операций спекания и закрепления элементов трения на корпусе. При этом в отличие от известных способов присоединения твердосплавных элементов к корпусному (несущему) элементу изделия (см. в частности патент RU 2010679 С1, 15.04.1994 или RU 2093309 С1, 20/10/1997) в заявленном изобретение пропитываемым является корпусной, а не твердосплавный элемент, что упрощает изготовление твердосплавных элементов и расширяет выбор материалов и способов их изготовления.

Выполнение корпуса втулки из порошкового материала, сопротивление срезу у которого существенно меньше, чем у твердосплавных элементов трения, позволяет минимизировать риск срезания шпонки, посредством которой корпус втулки закреплен на валу или в основном корпусе радиальной опоры вала, так как при заклинивании трущихся поверхностей произойдет сминание стенок шпоночного паза корпуса.

Возможность осуществления изобретения, охарактеризованного приведенной выше совокупностью признаков, подтверждается описанием радиальной опоры скольжения вала с износостойкими втулками, выполненными в соответствии с настоящим изобретением. Описание сопровождается графическими материалами, на которых изображено следующее.

На Фиг.1 изображена радиальная опора вала с втулкой вала, выполненной в соответствии с заявленным изобретением (увеличено).

На Фиг.2 и 3 изображена втулка вала по Фиг.1.

На Фиг.4 и 5 изображена втулка основного корпуса радиальной опоры вала по Фиг.1.

На Фиг.6 изображена радиальная опора вала с втулкой вала и втулкой основного корпуса, выполненными в соответствии с заявленным изобретением (увеличено).

Радиальная опора 1 предназначена для использования в составе насосной модуль-секции погружного многоступенчатого центробежного насоса, однако опора аналогичной конструкции может быть использована и в других устройствах с трубчатым корпусом, а втулка может быть использована в радиальных опорах других конструкций. Радиальная опора 1 состоит из основного корпуса 2 с отверстиями 3 для прохода перекачиваемой жидкости, первой износостойкой втулки 4, закрепленной в центральном отверстии корпуса 2, и второй износостойкой втулки 5, закрепленной на валу модуль-секции (не показан) посредством шпоночного соединения 6 и стопорных колес (не показаны), препятствующих осевому смещению втулки.

Износостойкая втулка 5 состоит из корпуса 7 с центральным отверстием 8 для размещения вала модуль-секции и закрепления на нем корпуса посредством шпоночного соединения 6. На внешней поверхности корпуса 7 размещена рабочая часть втулки, которая образует ее поверхность трения.

Рабочая часть втулки 5 состоит из двух кольцеобразных элементов трения 9а и 9b одинаковой ширины, расположенных соосно с центральным отверстием 8 корпуса и образующих соответствующие части поверхности трения втулки. Элементы трения закреплены на цилиндрических участках 10, образованных на концевых частях корпуса симметрично относительно поперечной оси симметрии втулки 5.

Корпус 7 выполнен из порошкового материала на основе технического железа и содержит пористую матрицу (пористость от 12 до 18%), образованную спеченным порошковым материалом, поры которой заполнены пропиточным материалом на основе меди марки ПМС-1 с легирующими добавками. Общее содержание меди в составе корпуса втулки находится в пределах от 15 до 20%, что обеспечивает высокую теплопроводность корпуса втулки и, соответственно, эффективный теплоотвод от элементов трения 9а и 9b.

Элементы трения 9а и 9b представляют собой твердосплавные металлокерамические изделия и выполнены из порошкового материала на основе карбидов или карбонитридов вольфрама или титана или молибдена или их композиций, имеющего прочность, износостойкость и теплостойкость выше, чем у материала корпуса, например из твердого сплава типа ВК (ВК6 или ВК15).

Элементы трения соединены с корпусом посредством упомянутого пропиточного материала в процессе инфильтрации последнего, происходящем при спекании корпуса втулки в сборе с элементами трения в печи с восстановительной защитной атмосферой при температуре около 1200°С в течение примерно 5 часов. В результате за счет поверхностного взаимодействия материала элемента трения и пропиточного материала между корпусом втулки и элементами трения создается надежное соединение, прочность на разрыв которого не уступает прочности основного порошкового материала корпуса.

Кроме того, цилиндрические участки 10 внешней поверхности корпуса выполнены с равномерно распределенными по окружности впадинами 11, а посадочные поверхности элементов трения выполнены с соответствующими выступами 12, причем выступы и впадины имеют прямоугольную форму. Таким образом между корпусом и элементом трения образуется своеобразное шлицевое соединение, обеспечивающее дополнительное защиту от проворота элемента трения относительно корпуса втулки.

На рабочей поверхности элементов трения выполнены равномерно распределенные по окружности сквозные продольные канавки 13, а в средней части корпуса между элементами трения образован буртик 14, диаметр наружной поверхности которого не превышает диаметра элементов трения, измеренного по дну продольных канавок. При этом продольные канавки элемента трения 9b расположены с угловым сдвигом относительно продольных канавок элемента трения 9а, образуя таким образом аналог винтовой поверхности, что в процессе работы опоры обеспечивает самоочищения поверхности трения путем вымывания частиц мехпримесей и элементов солеотложений, и кроме того обеспечивает улучшение условий циркуляции смазки и охлаждения поверхности трения.

Износостойкая втулка 4 основного корпуса 2 может быть выполнена аналогично износостойкой втулке 5 (см. Фиг.6). При этом корпус 15 втулки 4, изготовленный аналогично корпусу втулки 5, закреплен в отверстии основного корпуса 2 посредством шпоночного соединения, а твердосплавные элементы трения 16а и 16b закреплены в цилиндрических выточках, выполненных в центральном отверстии корпуса 15. На посадочных поверхностях элементов трения и цилиндрических выточках также выполнены выступы и впадины прямоугольной формы, а на рабочей поверхности элементов трения равномерно распределенные по окружности сквозные продольные канавки.

Кроме того, втулка 4 может быть выполнена цельной из твердого сплава, аналогичного используемому при изготовлении элементов трения, и запрессована в центральное отверстие основного корпуса 2 (см. Фиг.1), выполненного из спеченного и пропитанного медью металлического порошка. При этом наружная поверхность втулки 4 и центральное отверстие основного корпуса 2 выполнены с взаимно соответствующей конусностью, это исключает подрезание посадочной поверхности корпуса 2 при запрессовке в него твердой втулки и, соответственно, уменьшение контактной поверхности между соединяемыми деталями, что существенно повышает надежность соединения и уменьшает вероятность проворота. Для дополнительной защиты от проворота на внешней поверхности втулки могут быть выполнены треугольные в сечении выступы 17, которые при запрессовке врезаются в тело корпуса 2 и в дальнейшем препятствуют его провороту.