МАШИНА С УДЕРЖИВАЮЩИМ ПОДШИПНИКОМ С АНТИФРИКЦИОННЫМ СЛОЕМ ИЗ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА
MACHINE WITH RETAINING BEARING WITH ANTIFRICTION LAYER FROM LIQUID METAL

Настоящее изобретение относится к машине,
- причем машина имеет основной корпус, поворотный элемент и по меньшей мере одно подшипниковое устройство,
- причем подшипниковое устройство имеет рабочий подшипник и сопоставленный рабочему подшипнику удерживающий подшипник,
- причем удерживающий подшипник имеет кольцо подшипника основного корпуса и кольцо подшипника поворотного элемента, расположенное с возможностью поворота относительно кольца подшипника основного корпуса,
- причем в нормальном режиме машины поворотный элемент установлен долговременно бесконтактным образом с возможностью поворота относительно основного корпуса над рабочим подшипником, так что кольцо подшипника поворотного элемента относительно кольца подшипника основного корпуса не выполняет поворотного движения,
- причем в особом режиме машины, в котором поворотный элемент не установлен бесконтактным образом с возможностью поворота относительно основного корпуса над рабочим подшипником, поворотный элемент приводит во вращение кольцо подшипника поворотного элемента относительно кольца подшипника основного корпуса, так что поворотный элемент устанавливается над удерживающим подшипником по меньшей мере кратковременно контактным образом с возможностью поворота.
Подобные машины - особенно в форме электрических машин - являются общеизвестными. Рабочие подшипники могут, например, выполняться как магнитные опоры.
При некоторых применениях вращающихся машин удерживающие подшипники необходимы как плоскость возврата рабочих подшипников. Удерживающие подшипники должны, с одной стороны, выдерживать нагрузку удара (столкновения) при падении поворотного элемента в удерживающий подшипник, а с другой стороны, гарантировать надежный выбег (движение по инерции) поворотного элемента. Для этого должны иметься определенные соотношения трения. Слишком высокие значения трения между трущимися компонентами быстро приводят к сильному нагреву за очень короткое время, что вновь имеет следствием низкий срок службы удерживающего подшипника. Поэтому в большинстве случаев невозможен выбег без торможения поворотного элемента в удерживающих подшипниках. Вместо этого, для надежной работы установок с бесконтактными рабочими подшипниками, должны предусматриваться устройства торможения, которые, в соответствующих условиях, очень быстро затормаживают поворотный элемент.
Для удерживающих подшипников известны различные формы выполнений. Так, например, известно выполнение удерживающих подшипников как подшипников качения. При этом одно из подшипниковых колец подшипника качения - как правило, внешнее кольцо - связано с подшипниковым щитом. Внутренний диаметр внутреннего кольца подшипника в этом случае несколько больше, чем внешний диаметр поворотного элемента, поскольку он проводится через внутреннее кольцо. При выходе из строя рабочего подшипника поворотный элемент падает во внутреннее кольцо. Спустя очень короткое время внутреннее кольцо и корпус подшипника качения ускоряются. Поворотный элемент может двигаться по инерции. Однако удерживающий подшипник, выполненный как подшипник качения, не пригоден для высоких весов поворотного элемента. Поэтому при высоких весах применяются подшипники скольжения, работающие без смазки. При подшипниках скольжения, работающих без смазки, на внутреннем кольце подшипника и/или внешнем кольце подшипника имеются один или несколько слоев бронзы. Однако слои бронзы относительно быстро срабатываются, так что лишь после нескольких процессов выбега требуется замена удерживающих подшипников.
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы машину вышеописанного типа - особенно ее удерживающие подшипники - выполнить таким образом, чтобы удерживающие подшипники имели высокий срок службы. Особенно возникающее при выбеге поворотного элемента тепло трения должно в максимально возможной степени предотвращаться или иным образом делаться безвредным.
Эта задача решается посредством машины с признаками пункта 1 формулы изобретения. Возможные варианты выполнения являются предметом зависимых пунктов 2-9.
Согласно пункту 1 предусмотрено, что машина вышеназванного типа выполняется таким образом, что между кольцом подшипника основного корпуса и кольцом подшипника поворотного элемента расположен выполненный как жидкий металл антифрикционный слой. За счет такого выполнения может, с одной стороны, значительно снижаться сопротивление трения. С другой стороны, обеспечивается хорошая термическая связь кольца подшипника поворотного элемента с кольцом подшипника основного корпуса и, наоборот, так что возникающее все же тепло трения может быстро отводиться.
Как правило, кольцо подшипника основного корпуса выполнено как внешнее кольцо подшипника, а кольцо подшипника поворотного элемента - как внутреннее кольцо подшипника. Однако в отдельных случаях возможно также обратное выполнение.
Как правило, кольцо подшипника основного корпуса относительно основного корпуса размещено без возможности проворачивания, кольцо подшипника поворотного элемента в нормальном режиме работы находится на расстоянии от поворотного элемента. Однако в отдельных случаях, наоборот, кольцо подшипника поворотного элемента может располагаться относительно поворотного элемента без возможности проворачивания, а кольцо подшипника основного корпуса в нормальном режиме работы может находиться на расстоянии от основного корпуса.
В предпочтительном варианте выполнения предложенного изобретения между размещенным без проворачивания кольцом подшипника (как правило, выполненным как внешнее кольцо кольцом подшипника основного корпуса) и элементом, относительно которого соответствующее кольцо подшипника размещено без проворачивания (как правило, основным корпусом), размещено пружинное устройство, посредством которого может демпфироваться столкновение, возникающее при переходе из нормального режима работы в особый режим работы. При этом столкновение обусловлено при обычном выполнении падением поворотного элемента в кольцо подшипника поворотного элемента, выполненное как внутреннее кольцо подшипника.
В качестве альтернативы или дополнительно к наличию пружинного устройства, возможно, что расположенное не без проворачивания кольцо подшипника (как правило, кольцо подшипника поворотного элемента, выполненное как внутреннее кольцо подшипника) имеет упругий промежуточный слой, посредством которого демпфируется столкновение, возникающее при переходе из нормального режима работы в особый режим работы.
Предпочтительным образом удерживающий подшипник имеет щелевое уплотнение, посредством которого жидкий металл может удерживаться. За счет этого относительно простого выполнения обеспечивается особенно длительный срок службы удерживающего подшипника.
Как правило, уже за счет выполнения фрикционного слоя в виде жидкого металла значительно снижается трение, так что в особом режиме работы возникает только незначительное нагревание удерживающего подшипника. В отдельных случаях может, однако, быть целесообразным, в основном корпусе и/или кольце подшипника основного корпуса и/или в поворотном элементе и/или в кольце подшипника поворотного элемента разместить по меньшей мере один блок из металла, плавящегося при низкой температуре. Блок в этом случае термически связан с жидким металлом таким образом, что он плавится в особом режиме работы.
Другие преимущества и особенности вытекают из последующего описания примера выполнения во взаимосвязи с чертежами, на которых представлено следующее:
фиг.1 - схематичное представление машины,
фиг.2 - схематичное представление подшипникового устройства в нормальном режиме работы,
фиг.3 - подшипниковое устройство по фиг.2 в особом режиме работы и
фиг.4 - удерживающий подшипник.
На фиг.1 показана машина, выполненная как электрическая машина. Она содержит статор 1, который размещен в основном корпусе 2 машины. Кроме того, она содержит ротор 3, который является составной частью поворотного элемента 4 машины. Поворотный элемент 4 имеет, кроме того, роторный вал 5, который расположен в подшипниковых устройствах 6. При этом, согласно фиг.1, имеется несколько подшипниковых устройств 6. На фиг.1 показаны два подшипниковых устройства 6. Подшипниковые устройства 6, как правило, выполнены одинаково. Хотя имеется более двух подшипниковых устройств 6, это не является обязательно требуемым.
Вышеописанное выполнение машины в качестве электрической машины является чисто примерным. В качестве альтернативы, машина могла бы быть выполнена, например, как компрессор или как передаточный механизм.
Далее в связи с фиг.2 и 3 более подробно поясняется строение одного из подшипниковых устройств 6.
Согласно фиг.2 и 3, представленное подшипниковое устройство 6 имеет рабочий подшипник 7 и удерживающий подшипник 8. Удерживающий подшипник 8 сопоставлен здесь с рабочим подшипником 7. Удерживающий подшипник 8 имеет кольцо 9 подшипника основного корпуса и кольцо 10 подшипника поворотного элемента. Кольцо 10 подшипника поворотного элемента размещено относительно кольца 9 подшипника основного корпуса с возможностью поворота.
В нормальном режиме машины - см. фиг.2 - поворотный элемент 4 (точнее роторный вал 5) установлен долговременно бесконтактным образом с возможностью поворота относительно основного корпуса 2 над рабочим подшипником 7. Поэтому кольцо 10 подшипника поворотного элемента относительно кольца 9 подшипника основного корпуса не выполняет никакого поворотного движения. В особом режиме машины - см. фиг.3 - поворотный элемент 4 (точнее роторный вал 5) не установлен бесконтактным образом с возможностью поворота относительно основного корпуса 2 над рабочим подшипником 7. Вместо этого поворотный элемент 4 приводит во вращение кольцо 10 подшипника поворотного элемента относительно кольца 9 подшипника основного корпуса. Для этого, в том числе, требуется подходящее согласование значений трения, которые возникают на контактных поверхностях от роторного вала 5 к кольцу 10 подшипника поворотного элемента, от кольца 10 подшипника поворотного элемента к кольцу 9 подшипника основного корпуса и т.д. Это согласование известно специалистам и, как таковое, не относится к сущности предложенного изобретения.
В особом режиме работы поворотный элемент 4 установлен с возможностью поворота над удерживающим подшипником 8 контактным образом. В отдельных случаях может быть возможным то, что особый режим работы может поддерживаться в течение продолжительного времени. Как правило, однако, является достаточным, если особый режим возможен лишь кратковременно. Поскольку особый режим, как правило, требуется только, если либо рабочий подшипник 7 (например, из-за отказа энергопитания электромагнитов рабочих подшипников 7) выходит из строя и/или поворотный элемент 4 разгоняется или двигается по инерции до остановки.
На фиг.2 и 3 представлено обычное выполнение удерживающего подшипника 8. При обычном выполнении кольцо 9 подшипника основного корпуса выполнено как внешнее кольцо подшипника. Кольцо 10 подшипника поворотного элемента тем самым выполнено соответственно как внутреннее кольцо подшипника. Кроме того, при обычном выполнении удерживающего подшипника 8 кольцо 9 подшипника основного корпуса размещено без проворачивания относительно основного корпуса 2. Кольцо 10 подшипника поворотного элемента в этом варианте выполнения в нормальном режиме работы (см. фиг.2) находится на расстоянии от поворотного элемента 4 (или роторного вала 5). В отдельных случаях может, однако, быть целесообразным кольцо 9 подшипника основного корпуса выполнить как внутреннее кольцо подшипника и, тем самым, соответственно кольцо 10 подшипника поворотного элемента выполнить как внешнее кольцо подшипника. Альтернативно или дополнительно в отдельных случаях может быть целесообразным кольцо 10 подшипника поворотного элемента расположить относительно поворотного элемента 4 без проворачивания (в частности, закрепить на роторном валу 5), так что кольцо 9 подшипника основного корпуса в нормальном режиме работы находится на расстоянии от основного корпуса 2.
На фиг.4 показано, исходя из вышеописанного типового выполнения удерживающего подшипника 8, соответствующее изобретению выполнение удерживающего подшипника 8. Согласно фиг.4, между кольцом 9 подшипника основного корпуса и кольцом 10 подшипника поворотного элемента размещен фрикционный слой 11. Фрикционный слой 11 выполнен при этом как жидкий металл, например, под торговым наименованием Galinstan, доступный от фирмы Geratherm Medical AG 98716 Geschenda (BRD). Речь идет о галлий-индий-цинковом соединении.
Вышеописанное выполнение удерживающего подшипника, то есть наличие выполненного как жидкий металл фрикционного слоя 11, может во многих случаях быть уже достаточным, чтобы обусловить длительный срок службы удерживающего подшипника 8. Возможные выполнения удерживающего подшипника 8, которые описываются более подробно далее со ссылкой на фиг.4, являются предпочтительными, но не обязательно требуемыми.
Согласно фиг.4, между расположенным без проворачивания кольцом подшипника (здесь: кольцом 9 подшипника основного корпуса, выполненным как внешнее кольцо подшипника) и элементом, относительно которого соответствующее кольцо подшипника размещено без проворачивания (здесь: основным корпусом 2), размещено пружинное устройство 12. Пружинное устройство 12 может быть выполнено, например, как упругий слой. В качестве альтернативы, пружинное устройство 12 может включать в себя, например, пружину. Посредством пружинного устройства 12 может демпфироваться столкновение, которое возникает при переходе из нормального режима работы в особый режим (в типовом случае при падении поворотного элемента 4 в удерживающий подшипник 8).
В качестве альтернативы или дополнительно к наличию пружинного устройства 12, размещенное не без проворачивания кольцо подшипника (как правило, кольцо 10 подшипника поворотного элемента, выполненное как внутреннее кольцо подшипника) может иметь упругий промежуточный слой 13. Упругий промежуточный слой 13 может быть выполнен, например, как эластомер. Он служит той же самой функции, что и пружинное устройство 12.
Согласно фиг.4, удерживающий подшипник 8 имеет, кроме того, щелевое уплотнение 14. Посредством щелевого уплотнения 14 жидкий металл 11 удерживается, так что ничто не может выступать из промежуточного пространства между кольцом 9 подшипника основного корпуса и кольцом 10 подшипника поворотного элемента. Структура и способ действия щелевого уплотнения 14 общеизвестны специалистам, так что более подробные описания здесь не требуются.
На основе наличия выполненного как жидкий металл фрикционного слоя 11 силы трения заметно снижаются. Поэтому обычно не существует опасности перегрева удерживающего подшипника 8 в особом режиме работы. Однако в отдельных случаях может быть целесообразным, согласно фиг.4, предусмотреть один или более блоков 15 из металла, плавящегося при низкой температуре, и блок 15 или блоки 15 таким образом связать с жидким металлом 11, что блок 15 в особом режиме плавится или блоки 15 в особом режиме плавятся. Подобные металлы известны и, как таковые, не являются предметом настоящего изобретения.
Расположение блока 15 или блоков 15 может осуществляться по потребности. В частности, возможно расположение в основном корпусе 2, в кольце 9 подшипника основного корпуса, в поворотном элементе 4 (или роторном валу 5) и в кольце 10 подшипника поворотного элемента. Также возможны различные комбинации указанного.
Предложенное изобретение имеет множество преимуществ. В частности, за счет применения выполненного как жидкий металл фрикционного слоя 11, создается свободный от износа, надежный и удобный для технического обслуживания удерживающий подшипник 8, который пригоден практически для всех классов весов поворотного элемента 4. За счет применения пружинного устройства 12 и/или упругого промежуточного слоя 13 можно избежать ударной нагрузки при переходе из нормального режима работы в особый режим, благодаря чему нагрузка удерживающего подшипника 8 еще более снижается. Из-за чрезвычайно низкого значения трения даже при работе с высокими числами оборотов и высокими весами поворотного элемента 4 едва ли возникает тепло трения. Срок службы удерживающего подшипника 8 повышается значительно.
Приведенное выше описание служит исключительно объяснению предложенного изобретения. Объем защиты предложенного изобретения должен определяться исключительно приложенными пунктами формулы изобретения.