Преимущества применения мехатронных подшипников для повышения ресурса насосов

В современных условиях к роторным агрегатам предъявляют все более жесткие требования. Ресурс и надежность, энергоэффективность – основные необходимые показатели, требующие постоянного совершенствования. Для достижения этих целей необходимо вносить конструктивные и технологические изменения в конструкцию агрегатов. Одним из возможных узлов являются подшипниковые опоры.
С ежедневно возрастающим влиянием управляющих и информационных электронных систем и активное их внедрение во все сферы, в том числе и техническую науку. Таким образом, зададимся вопросами – возможно ли создание «умного подшипникового узла»? И может ли это привезти к повышению основных качеств насосов и другого оборудования? В данной статье попробуем дать ответы на эти вопросы.
Для восприятия радиальных и осевых нагрузок действующих на ротор в насосах необходим такой элемент, как подшипник, который является одним из важнейших деталей устройства насоса.
Все подшипники в насосах подразделяются на две группы:
1) радиальные – которые принимают радиальные усилия (перпендикулярно валу ротора); 2) упорные (или опорные подшипники) – которые принимают осевые усилия (вдоль оси вала ротора).
Во время работы на насос действуют различные силы, для компенсации которых производитель решает, какие подшипники должны стоять на роторах в каждом конкретном случае.[1]
Рисунок 1 – Схема насоса с мокрым ротором
1 – клеммная коробка с частотной регулировкой 2 – гильза3 – электродвигатель 4 – подшипник 5 – рабочее колесо6 – фиксатор 7 – корпус[2]
Разберемся в терминологии – ротор:
1) тело, которое при вращении удерживается своими несущими поверхностями в опорах;
2) автоматически управляемая машина (транспортное устройство, прибор), в которой заготовки двигаются вместе с обрабатывающими их орудиями по дугам окружности;
3) вращающаяся часть в двигателе;
4) вращающаяся часть электрической машины.
Разобрав – что из себя представляет ротор. Рассмотрим возможность создания мехатронных опор роторов с активным управлением на базе подшипников с различными видами трения. Весьма перспективным представляется создание комбинированных подшипниковых узлов с интеллектуальными возможностями. Самым перспективным пожалуй будет:
Активный магнитный подшипник (АМП) - это управляемое мехатронное устройство, в котором стабилизация положения ротора осуществляется силами магнитного притяжения, действующими на ротор со стороны электромагнитов (рис. 2), ток в которых регулируется системой автоматического управления по сигналам датчиков перемещений ротора. Активные магнитные подшипники имеют безграничную предельную быстроходность, высокий уровень демпфирования и КПД . Сейчас наступает время для внедрения АМП, необходимо продолжить процесс создания международного стандарта, в этом должен помочь созданный специальный комитет ISO TC108/SC2/WG7.
Рисунок 2 – Радиальный и осевой активный магнитный подшипники
Активный магнитный подшипник- это сложная электромеханическая система (рис. 3), состоящая из двух частей: непосредственно самой опоры и электронной системы управления. В состав опоры входят закрепленные на статоре электромагниты, датчики положения и ротор, удерживаемый в магнитном поле, механический контакт между ротором и статором отсутствует.
Процесс работы этой опоры кроется в следующем: отклонение ротора от положения равновесия фиксируется датчиками положения (возможно использование индуктивных датчиков), сигнал с датчиков поступает в электронную систему управления, где происходит его обработка регулятором, а затем усилитель, питаемый от внешнего источника энергии, преобразует сигнал в ток, подаваемый на обмотку электромагнита, что вызывает изменение магнитной силы на необходимую величину. АМП подшипники обладают рядом преимуществ и достоинств.
Рисунок 3 –Принципиальная схема работы АМП
Таблица 1 – Преимущества АМП
№ Список преимуществ
1 Отсутствие механического контакта
2 Наличие электронной системы управления
3 Отсутствие изнашивания  
4 Возможность контроля над положением ротора 
5 Отсутствие смазки
6 Высокие скорости вращения
7 Регулируемость жесткости и демпфирования подвеса
8 Низкое энергопотребление
9 Возможность использования сигналов датчиков для контроля параметров рабочего процесса  
10 Возможность работы в экстремальных условиях
Разнообразие АМП очень высоко – часть из них показано на рисунке 4:
Рисунок 4 –Разнообразие схем конструкций с АМП
Важно, в отличие от опор качения, АМП не могут быть четко классифицированы – для каждой новой конструкции долженпроизводиться отдельный расчет и изготавливать специальный подшипник.
Поэтому вывести четкую формулу не возможно. Разберем основные критерии расчета:
1. Прочность (в науке) – сопротивление свойств материала к разрушению под действием внутренних напряжений и нагрузок, возникающих от внешних воздействий (сил).
При расчёте на прочность рассматривают как расчёт по допускаемым напряжениям, так и расчёт по допускаемому числу циклов нагружения. Главные уравнения расчёта по допускаемым напряжениям:
где σ и τ — наибольшие расчётные нормальное и касательное напряжения, соответственно; [σ] и [τ] – допускаемые нормальное и касательное напряжения, безопасные для прочности детали.
2. Жёсткость – способность тела или конструкции сопротивляться образованию деформации.
В случаях малых одномерных деформаций (в пределах зоны упругости, где справедлив закон Гука) жёсткость можно определить как произведение модуля упругости Е (при растяжении, сжатии и изгибе) или G (при сдвиге и кручении) на соответствующую геометрическую характеристику сечения элемента, например, площадь поперечного сечения или осевой момент инерции. Понятие жёсткости широко используется при решении задач сопротивления материалов.
3. Износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определённых условиях трения, оцениваемое величиной, обратной скорости изнашивания или интенсивности изнашивания. Износостойкость зависит от состава и структуры обрабатываемого материала, исходной твёрдости, шероховатости и технологии обработки детали, состояния ответной детали.
4. Виброустойчивость – способность изделия выполнять свои функции и сохранять свои параметры в пределах значений, предъявляемых к этому изделию, в условиях воздействия вибрации в заданных режимах. Виброустойчивость является одним из видов стойкости изделий к воздействию механических внешних воздействующих факторов.
5. Теплостойкость – способность веществ сохранять жесткость при повышении температуры. Потеря жёсткости вызывается плавлением кристаллических структур, или переходом аморфных тел в высокоэластичное состояние.[3]
Для столь сложного расчета и проектирования однозначно могут повлиять много факторов и других сил, к определению и расчету которых возможно придется вернуться после первых или очередных испытаний.
Выводы:
С технической стороны вопроса – создание таких подшипников просто необходимо. За столь долговечными и превосходящими по всем важнейшим качествам и параметрами стоит будущее не только насосов, но и другой техники и оборудования.
Но есть главный фактор, который не дает это сделать в данный момент – это экономика. Становится очевидным, что современное производство не готово в данный момент к их производству с минимальными затратами. Каждый такой подшипник требует собственное проектирование и цикл испытаний, новое оборудование и инструмент.
Готов ли платить клиент за насос с повышенным ресурсом, энергосбережением и другими превосходящими аналоги параметрами, если в не далеком будущем возможно изобретение более новой и совершенной самой конструкции насоса?
Список используемых источников:
Статья «Подшипник насоса» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.nektonnasos.ru/articles/podshipnik_nasosa/podshipnik_nasosa.php, вход свободный
Статья «Размышляя о насосах» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://2018.wwtec.ru/index.php?id=237, вход свободный
Совершенствование проектирования и эксплуатации морских судов и сооружений: сборник докладов межвузовской науч.-техн. конф., Севастополь, 18-20 марта 2015 г. / М-во образования и науки РФ; Севастопольский государственный университет; науч. ред. В.М. Кушнир – Севастополь: Севастопольский государственный университет, 2015. – 192 с