Узел из двух концентрических частей и расположенного между ними подшипника
ASSEMBLY OF TWO CONCENTRIC PARTS AND BEARING BETWEEN SAID PARTS

Изобретение относится к узлу из двух концентрических частей и подшипника, расположенного между указанными частями для обеспечения возможности их относительного поворота вокруг вертикальной оси поворота, причем подшипник содержит внутреннее кольцо, наружное кольцо, осевые ролики для передачи осевых нагрузок, параллельных вертикальной оси поворота, между внутренним и наружным кольцами подшипника, и радиальные ролики для передачи радиальных нагрузок в направлении к вертикальной оси поворота или от нее между внутренним и наружным кольцами подшипника, при этом первое из указанных колец подшипника прикреплено к первой из указанных концентрических частей с обеспечением максимального ограничения его радиального искажения, а вторая из указанных концентрических частей присоединена ко второму из указанных колец подшипника в месте взаимодействия.
Следует отметить, что в данном контексте выражение «радиальное искажение» означает поворот или деформацию поперечного сечения кольца подшипника (при этом поперечным сечением кольца подшипника является поперечное сечение, расположенное в вертикальной плоскости, проходящей через вертикальную ось поворота). Такое радиальное искажение в подшипнике может быть особенно неблагоприятным, когда оно возникает только в одном из колец подшипника или возникает в различной степени в обоих кольцах подшипника.
В идеальных условиях состояние с точки зрения нагрузки должно быть таково, что осевые нагрузки между кольцами подшипника проходят через осевые ролики без создания момента вокруг них, а радиальные нагрузки между кольцами подшипника проходят через радиальные ролики без создания момента вокруг них. Таким образом, в подобных идеальных условиях едва ли возникнут какие-либо радиальные искажения между кольцами подшипника. Однако условия в известных узлах, относящихся к вышерассмотренному типу, не настолько идеальны. Вследствие того, что вторая концентрическая часть присоединена ко второму кольцу подшипника в месте взаимодействия, как осевые нагрузки, так и радиальные нагрузки передаются на второе кольцо непосредственно в указанном местоположении через него. Обычно в уровне техники место взаимодействия задано на границе раздела между второй концентрической частью и вторым кольцом подшипника и смещено как в радиальном направлении (по направлению к оси поворота или от нее), так и в осевом направлении (в направлении, параллельном оси поворота) по отношению соответственно к осевым роликам и радиальным роликам (что означает, что равнодействующая осевых нагрузок, переданных к месту взаимодействия, проходит не через осевые ролики, а больше во внутреннем или наружном направлении, и что равнодействующая радиальных нагрузок, переданных к месту взаимодействия, проходит не через радиальные ролики, а на более высоком или более низком уровне). Таким образом, равнодействующие осевых и радиальных нагрузок, переданных к месту взаимодействия, могут вызвать моменты (вокруг осевых и радиальных роликов), приводящие к возникновению механических напряжений и (радиальных) искажений (особенно второго кольца подшипника). Такие радиальные нагрузки могут быть вызваны, например, горизонтальными ускорениями, действующими на вторую концентрическую часть (которая может иметь значительный вес). Искажения могут привести к относительному повороту двух взаимодействующих колец, который может быть компенсирован зазорами подшипника только в ограниченной степени и который, соответственно, приведет к неравномерной нагрузке роликов, что может вызвать разрушение и/или ускоренный износ подшипника.
Целью данного изобретения является создание усовершенствованного узла вышерассмотренного типа.
Так, в соответствии с данным изобретением указанный узел отличается тем, что вторая концентрическая часть содержит несущий элемент, который в месте взаимодействия присоединен ко второму кольцу подшипника так, что вертикальная нагрузка, оказываемая на второе кольцо указанным несущим элементом, проходит через осевые ролики без создания момента вокруг них, при этом вторая концентрическая часть дополнительно содержит элемент передачи нагрузок, предназначенный для переноса возникающих в ней осевых нагрузок на указанный несущий элемент, и опосредованно или непосредственно взаимодействует со вторым кольцом подшипника в по меньшей мере одном местоположении взаимодействия таким образом, что на указанное по меньшей мере одно местоположение действуют только радиальные нагрузки и по существу не действуют осевые нагрузки, при этом указанное по меньше мере одно местоположение взаимодействия расположено относительно места взаимодействия так, что если смотреть в направлении вертикальной оси поворота, то равнодействующая радиальных нагрузок, действующих на второе кольцо подшипника в указанном по меньше мере одном местоположении взаимодействия и в месте взаимодействия, проходит через радиальные ролики без создания момента вокруг них.
Таким образом, может быть гарантировано, что осевые нагрузки и радиальные нагрузки не приведут к радиальным искажениям второго кольца подшипника. Во-первых, элемент передачи нагрузок переносит осевые нагрузки (главным образом, нагрузки, которые действуют в осевом направлении на вторую концентрическую часть и, среди прочего, могут быть внешними нагрузками или весовыми нагрузками, а также нагрузками, возникающими вследствие изгибающих моментов во второй концентрической части) настолько, насколько это возможно, к несущему элементу, который присоединен ко второму кольцу подшипника так, что он может переносить указанные нагрузки на это кольцо на одной линии с осевыми роликами без создания, таким образом, момента. Во-вторых, радиальные нагрузки, переданные к указанному по меньше мере одному месту взаимодействия и местоположению взаимодействия, уравновешены так, что равнодействующая этих радиальных нагрузок проходит через радиальные ролики, соответственно, также без создания момента.
Расположение местоположения (местоположений) взаимодействия (или, более конкретно, соотношение между расстояниями, измеренными в направлении вертикальной оси поворота между, с одной стороны, местом взаимодействия и радиальными роликами и, с другой стороны, местоположением (местоположениями) взаимодействия и радиальными роликами), определяется соотношением между радиальными нагрузками, действующими в месте взаимодействия и в указанном по меньше мере одном местоположении взаимодействия. Например, если, помимо радиальной нагрузки в месте взаимодействия, имеется только радиальная нагрузка в одном местоположении взаимодействия и обе радиальные нагрузки в равной степени велики, эти расстояния должны быть одинаковы.
Дополнительное преимущество узла согласно данному изобретению заключается в том, что относительное радиальное искажение (поворот и/или деформация) колец подшипника независимо минимизировано для вертикальных (осевых) нагрузок и для горизонтальных (радиальных) нагрузок. Это означает, что одна составляющая нагрузки (вертикальная или горизонтальная) не влияет на другую составляющую, и, следовательно, могут быть выдержаны распределения нагрузки с любым соотношением между горизонтальными и вертикальными нагрузками. Кроме того, второе кольцо подшипника поддерживается весьма гибким образом, что обеспечивает возможность компенсации подшипниковым узлом (производственных) смещений, деформации любых концентрических частей и любых других искажений первого кольца подшипника без создания больших механических напряжений. Наконец, изобретение обеспечивает возможность уменьшения количества конструкционных материалов (особенно стали), необходимых для поддержания подшипника.
В одном варианте выполнения имеется скоба, которая в указанном месте взаимодействия жестко соединена со вторым кольцом подшипника и которая проходит к указанному по меньше мере одному местоположению взаимодействия, при этом вторая концентрическая часть опосредованно взаимодействует со вторым кольцом подшипника через указанную скобу в указанном по меньше мере одном местоположении взаимодействия. В таком варианте выполнения вторая концентрическая часть, таким образом, не взаимодействует непосредственно со вторым кольцом подшипника.
В таком варианте выполнения узла несущий элемент второй концентрической части может быть присоединен ко второму кольцу подшипника в месте взаимодействия с помощью выступа, причем скоба имеет вертикальную лапу, которая проходит по направлению к указанному местоположению взаимодействия и соединена с указанным выступом. Такая конструкция скобы очень проста, но, тем не менее, очень эффективна с точки зрения достижения требуемого результата. Выступ обычно присоединен ко второму кольцу подшипника болтами или другими аналогичными средствами и обеспечивает большую площадь для возможной передачи нагрузок между второй концентрической частью и вторым кольцом подшипника. Жесткое соединение скобы со вторым кольцом может быть непосредственным или опосредованным (например, через выступ).
В соответствии с еще одним вариантом выполнения вертикальная лапа скобы не взаимодействует непосредственно со вторым кольцом подшипника и выполнена в виде жесткого элемента. В результате ограниченные деформации скобы, вызванные, главным образом, радиальными нагрузками, не приводят к возникновению нежелательных нагрузок, действующих на второе кольцо.
Однако вертикальная лапа скобы также может взаимодействовать со вторым кольцом подшипника через промежуточный элемент. Это может обеспечивать преимущество, поскольку в этом случае радиальные нагрузки непосредственно передаются ко второму кольцу подшипника. Например, указанный промежуточный элемент может быть изготовлен из смолы, например Chockfast.
Скоба может содержать набор отдельных скобочных элементов, разнесенных в окружном направлении вокруг вертикальной оси поворота (расстояние между последовательными скобочными элементами может быть различным и даже быть настолько малым, что последовательные скобочные элементы, хотя и образуют отдельные части, соприкасаются друг с другом). Как вариант, скоба представляет собой одну скобу, полностью проходящую вокруг вертикальной оси поворота.
В альтернативном варианте выполнения узла вторая концентрическая часть непосредственно взаимодействует со вторым кольцом подшипника в указанном по меньше мере одном местоположении взаимодействия. Соответственно, в таком варианте выполнения отсутствует скоба (или можно сказать, что в качестве скобы действует второе кольцо подшипника).
В таком варианте выполнения вторая концентрическая часть в указанном по меньше мере одном местоположении взаимодействия может быть присоединена болтами ко второму кольцу подшипника (например присоединена болтами к нижней стороне второго кольца).
Также в этих альтернативных вариантах выполнения несущий элемент второй концентрической части может быть присоединен ко второму кольцу подшипника в месте взаимодействия с помощью выступа.
В одном варианте выполнения узла второе кольцо подшипника является внутренним кольцом подшипника.
Однако следует отметить, что ситуация, в которой второе кольцо подшипника является наружным кольцом подшипника, эквивалентна такой ситуации.
В предпочтительном варианте выполнения узла место взаимодействия находится выше радиальных роликов, а местоположение взаимодействия находится ниже радиальных роликов. Это означает, что вторая концентрическая часть взаимодействует с верхней частью второго кольца подшипника в месте взаимодействия и что скоба проходит в направлении вниз от указанной верхней части второго кольца. Однако ситуация, в которой место взаимодействия находится ниже радиальных роликов, а скоба проходит вверх, также возможна и полностью эквивалентна рассмотренной.
В практическом варианте выполнения узла согласно данному изобретению первая концентрическая часть представляет собой судно, к которому прикреплено первое кольцо подшипника, образующее наружное кольцо подшипника, и которое имеет буровое окно, при этом вторая концентрическая часть представляет собой турель, расположенную в указанном окне и опосредованно (через скобу и выступ) или непосредственно присоединенную ко второму кольцу подшипника, образующему внутреннее кольцо подшипника.
Вес турели (и любых компонентов, прикрепленных к ней) является одной из основных составляющих осевой (вертикальной) нагрузки, действующей на кольца подшипника. Помимо этой осевой нагрузки, также присутствуют радиальные нагрузки, например, вызванные усилиями от якорных креплений, действующими на нижний конец турели через якорные оттяжки, или вызванные усилиями горизонтального ускорения, действующими на тяжелую турель.
В таком варианте выполнения турель может содержать наружный корпус, который проходит в вертикальном направлении, образует несущий элемент и взаимодействует с внутренним кольцом подшипника через выступ в месте взаимодействия, при этом турель дополнительно содержит горизонтальную пластину, проходящую в радиальной плоскости, взаимодействующую со скобой в указанном по меньше мере одном местоположении взаимодействия и способную оказывать на это местоположение радиальные нагрузки, но не оказывать осевых нагрузок.
Турель может быть выполнена с по меньше мере одной пластиной, переборкой или аналогичным компонентом, проходящим в осевом и радиальном направлениях и образующим элемент передачи нагрузок, предназначенный для переноса осевых нагрузок на вертикально проходящий корпус, причем указанная пластина, переборка или аналогичный компонент не взаимодействует опосредованно (например, через выступ или скобу) или непосредственно со вторым кольцом подшипника и с наружной частью горизонтальной пластины. В результате все осевые нагрузки или большая их часть (например, вес турели и наружные осевые усилия, действующие на турель) в турели переносятся на корпус без их переноса на горизонтальную пластин, скобу или выступ.
Более конкретно, турель может содержать набор пластин, переборок или аналогичных компонентов, разнесенных в окружном направлении вокруг вертикальной оси поворота.
Одним возможным вариантом для достижения того, чтобы горизонтальная пластина не была способна оказывать осевые нагрузки в указанном местоположении, является выполнение горизонтальной пластины слабой в осевом направлении узла (так что она может изгибаться в направлении вверх или вниз). Но корпус тоже может быть выполнен слабым с точки зрения противодействия радиальным искажениям (и, соответственно, может изгибаться во внутреннем или наружном направлении), в результате чего за любыми смещениями или поворотами, вызванными наружным кольцом подшипника, могут легко последовать смещения или повороты внутреннего кольца подшипника. Возможно даже создание горизонтальной пластиной некоторых радиальных перемещений, несмотря на то что первоначально она сконструирована для оказания радиальных нагрузок.
Ниже приведено описание изобретения со ссылкой на чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает схематический разрез, показывающий одну половину известного узла,
фиг. 2 изображает аналогичный вид, показывающий первый вариант выполнения согласно данному изобретению,
фиг. 3 изображает второй вариант выполнения,
фиг. 4 изображает третий вариант выполнения,
фиг. 5 изображает четвертый вариант выполнения,
фиг. 6 изображает пятый вариант выполнения.
Прежде чем подробно описывать чертежи, следует отметить, что общим в вариантах выполнения, соответствующих фиг. 2-4, является то, что второе кольцо подшипника опосредованно взаимодействует с концентрической частью через скобу, на фиг. 5 и 6 общим является то, что второе кольцо подшипника непосредственно взаимодействует с концентрической частью без использования скобы.
На фиг. 1 изображена одна половина известного узла. Этот узел содержит две концентрические части 1 и 2 (которые в данном случае представляют собой судно 1 и турель 2, расположенную в буровом окне 3 судна 1) и подшипник, расположенный между указанными частями 1, 2 для обеспечения возможности их относительного поворота вокруг вертикальной оси 4 поворота (эта ось 4 на данном чертеже также по существу задает ось симметрии узла, и его правая часть, которая не показана на чертеже, является зеркальным отражением изображенной левой части).
Подшипник содержит внутреннее кольцо 5, наружное кольцо 6, осевые ролики 7 (например шарики или цилиндры) для передачи между кольцами 5 и кольцом 6 осевых нагрузок (обозначенных стрелкой А), параллельных оси 4, и радиальные ролики 8 для передачи между внутренним и наружным кольцами подшипника радиальных нагрузок (обозначенных стрелкой R) в направлении к оси 4 или от нее.
Наружное кольцо 6 прикреплено к концентрической части 1 (например к палубе судна) с обеспечением максимального ограничения его радиальных искажений (что означает, что кольцо 6 во всем диапазоне предполагаемых рабочих нагрузок не будет деформировано или будет деформировано с малой вероятностью и будет по существу сохранять свои положение и форму).
Другая концентрическая часть 2 (или турель) содержит наружный корпус 9, который (например, вследствие наличия осево проходящих пластин или переборок 10 или других элементов передачи нагрузок) переносит по существу все осевые (вертикальные) нагрузки (стрелка А) на внутреннее кольцо 5 через выступ 11, задающий место взаимодействия. Этот выступ 11 может быть частью турели 2 (и, например, может быть неотъемлемой частью горизонтальной пластины 12) и может быть прикреплен болтами к кольцу 5. В целом, (равнодействующая) вертикальная нагрузка (стрелка А), оказываемая на кольцо 5 частью 2, не проходит через осевые ролики 7. В результате эта осевая (вертикальная) нагрузка А может создавать момент, приводящий к искажению кольца 5.
Кроме того, радиальные нагрузки (стрелка R) также действуют на выступ или место 11 взаимодействия через пластину 12 (или эквивалентную конструкцию), и, поскольку такие радиальные нагрузки действуют на расстоянии d выше радиальных роликов 8, это также создает на кольце 5 момент, который может привести к его радиальному искажению.
На фиг. 2 изображен узел согласно первому варианту выполнения данного изобретения. Этот вариант выполнения также относится к турели 2, расположенной в буровом окне 3 судна 1. Данный узел частично аналогичен известному узлу, показанному на фиг. 1, и одинаковые элементы обозначены одинаковыми номерами позиций. Так, узел содержит внутреннее кольцо 5 подшипника, наружное кольцо 6 подшипника, осевые ролики 7, радиальные ролики 8, первую концентрическую часть (судно) 1 и вторую концентрическую часть (турель) 2.
Турель 2, как и в предыдущем случае, содержит наружный корпус 9 (также иногда называемый в данной области техники «кожухом»), который через выступ 11 (задающий место взаимодействия) оказывает осевую нагрузку А на внутренний подшипник. Как показано ниже, осевая нагрузка А в данном случае проходит на одной линии с осевыми роликами 7 (через них).
2
1
Узел содержит скобу 13 (чаще всего выполненной в виде жесткого элемента), имеющей вертикальную лапу 13', присоединенную к выступу 11. Лапа 13' проходит к местоположению 14 взаимодействия, которое по отношению к выступу или месту 11 расположено на противоположной стороне роликов 8, если смотреть в направлении оси 4 (что в данном случае означает, что местоположение 14 находится ниже роликов 8 (расстояние d), а место 11 находится выше роликов 8 (расстояние d).
2
1
Турель 2, как и в предыдущем случае, содержит горизонтальную пластину 12, которая, однако, теперь взаимодействует со скобой 13 в местоположении 14 таким образом, что в указанном местоположении по существу отсутствуют осевые нагрузки, а равнодействующая R радиальных (горизонтальных) нагрузок R и R, действующих на второе кольцо 5 соответственно в местоположении 14 и в месте 11, проходит через ролики 8.
2
Следует отметить, что выражение «действующие на второе кольцо 5» для радиальной нагрузки Ri означает нагрузку, оказываемую непосредственно через выступ 11, а для радиальной нагрузки R означает нагрузку, оказываемую опосредованно через скобу 13 и выступ 11.
1
2
1
2
Соотношение между расстояниями d и d зависит от соотношения между осевыми нагрузками R и R. Например, когда обе нагрузки одинаковы, расстояния также будут одинаковы для достижения прохождения равнодействующей радиальной нагрузки R через ролики 8. Разные нагрузки обуславливают разные расстояния.
Для обеспечения отсутствия вертикальной (осевой) нагрузки, действующей в месте 14, но так, что при этом (равнодействующая) нагрузка А находится на одной линии с осевыми роликами 7, горизонтальная пластина 12 выполнена слабой и может легко отклоняться в вертикальном (осевом) направлении. Более того, радиальные пластины или переборки 10, как и скоба 13 и выступ 11, не взаимодействуют с пластинами 12 (или их наружной частью), и, следовательно, к ним не передаются вертикальные нагрузки.
Кроме того, корпус 9 может быть выполнен слабым в радиальном направлении, так что кольцо 5 может повторять создаваемые радиальные искажения кольца 6 без повреждения осевых и радиальных роликов 7, 8. В некоторых вариантах выполнения пластина 12 также может быть в очень ограниченной степени ослаблена в радиальном направлении.
2
Кроме того, на фиг. 2 ясно видно, что вертикальная лапа 13' скобы 13 не взаимодействует с кольцом 5. Для передачи радиальной нагрузки R скоба выполнена в виде жесткого элемента.
На фиг. 4 изображен альтернативный вариант выполнения, в котором между скобой 13 и кольцом 5 проходит промежуточный элемент 15. Таким образом, радиальные усилия (частично) могут передаваться непосредственно от пластины 12 к кольцу 5. Промежуточный элемент может быть изготовлен из смолы, такой как Chockfast. Как вариант, лапа 13' скобы 13 также может непосредственно взаимодействовать с кольцом 5.
На фиг. 3 изображен один пример из многих возможных альтернативных вариантов выполнения узла, например, для использования в варианте выполнения, в котором концентрическая часть 2 является частью подъемного крана. В то время как в вариантах выполнения, изображенных на фиг. 2 и 4, скоба 13 присоединена к кольцу 5 (а кольцо 6 жестко прикреплено к такой конструкции, как судно 1, так что оно по существу не подвергается искажениям при его нагрузке), на фиг. 3 скоба 19 присоединена к наружному кольцу 17 подшипника (а внутреннее кольцо 18 подшипника жестко прикреплено к неподвижной части 1, такой как нижний остов для крана или судно).
Скоба 13 (или 19) может содержать набор отдельных скобочных элементов, разнесенных в окружном направлении вокруг оси 4 (в этом случаев, например, на фиг. 3 скобочные части 19, изображенные справа и слева, являются отдельными частями, не соединенными друг с другом), но скоба также может представлять собой одну скобу, полностью проходящую вокруг вертикальной оси поворота. Аналогичным образом, горизонтальная пластина 12 может быть разделена на набор смежных пластинчатых элементов или даже стержней, проходящих в радиальном направлении. Наконец, радиальные пластины 10 могут быть заменены другими конструкциями (например конструкцией из усиливающих стержней), в равной степени подходящих для передачи усилий в направлении к наружному корпусу 9.
На фиг. 5 изображен вариант выполнения, в котором пластина 12 (и, следовательно, вторая концентрическая часть 2) непосредственно взаимодействует с кольцом 5 (задавая при этом местоположение взаимодействия). В данном варианте выполнения скоба отсутствует (хотя также можно сказать, что в качестве скобы действует кольцо 5). Пластина 12 может быть прикреплена к кольцу 5 различными способами, например с использованием болтов.
Вариант выполнения, изображенный на фиг. 6, во многом похож на вариант, изображенный на фиг. 5, но в данном случае пластина 12 имеет уступ 20, который также может рассматриваться как скоба (часть скобы), отвечающая совместно с кольцом 5 за создание горизонтальных (вертикальных) нагрузок в заданном местоположении (на заданном уровне). Вследствие наличия указанного уступа имеется возможность размещения пластины 12 на более высоком уровне по сравнению с ситуацией, соответствующей фиг. 5 (что может быть необходимо для надлежащего уравновешивания радиальных нагрузок) с сохранением при этом возможности прикрепления пластины 12 к нижней стороне кольца 5 (что может быть предпочтительно по конструктивным соображениям).
2
Изобретение не ограничено вышеописанными вариантами выполнения, которые могут быть значительно изменены в рамках объема изобретения, определенного прилагаемой формулой изобретения. Например, возможны варианты выполнения, в которых конструкция перевернута по сравнению с вышеописанными вариантами. Кроме того, хотя все варианты выполнения, изображенные и описанные выше, относятся к ситуации, в которой горизонтальная нагрузка действует в двух местах (в месте взаимодействия и в местоположении взаимодействия), также возможно создание горизонтальных нагрузок более чем в двух местах (в частности, путем обеспечения более одного места взаимодействия таким образом, что, как видно, например, на фиг. 2, радиальное усилие R разделено на два или более радиальных усилий, действующих на различных уровнях). То же самое применимо к осевой нагрузке, которая может быть приложена более чем в одном месте взаимодействия, например дополнительно к нижней стороне второго кольца подшипника.