СФЕРИЧЕСКИЙ ГИДРОСТАТИЧЕСКИЙ ПОДШИПНИК
SPHERICAL HYDROSTATIC BEARING

Настоящая заявка испрашивает приоритет заявки США на полезную модель № 14/944720, поданной 18 ноября 2015 г., и предварительной заявки США № 62/128648, поданной 5 марта 2015 г., обе из которых включены в настоящий документ посредством ссылки во всей их полноте.
Варианты осуществления настоящего изобретения в целом относятся к гидростатическим подшипникам в соответствии с ограничительной частью пункта 1 формулы изобретения и предназначены для того, чтобы вращательным образом поддерживать шейки прокатных валков в прокатном стане, и в частности относятся к сферическими гидростатическими подшипниками, подходящим прежде всего, хотя и не исключительно, для вращательной поддержки конических шеек опорных валков в станах, производящих плоские продукты.
Прокатные станы, производящие плоские продукты, создают чрезвычайно большие усилия, которые сильно нагружают структурные компоненты клетей стана. Эти сильно нагруженные компоненты подвергаются большим отклонениям, которые должны быть компенсированы. Как схематически показано на фиг.1, особое значение имеет отклонение опорных валков 10, которые обеспечивают поддержку для рабочих валков 12. Шейки опорных валков как правило поддерживаются гидростатическими подшипниками 14 такого типа, который раскрыт, например, в патентах США № 6123461 (Wojtkowski) и № 6468194 (Wojtkowski et al.), описания которых включены в настоящий документ посредством ссылки во всей их полноте. Эти подшипники содержатся в корпусах 16, обычно называемых «опорными подушками».
Для того, чтобы компенсировать отклонение валка, опорные подушки 16 должны быть в состоянии наклоняться таким образом, чтобы гидростатические подшипники 14 могли оставаться выровненными с концами валка.
Текущая практика конструирования заключается в том, чтобы позволить опорным подушкам наклоняться посредством использования пластин коромысла 18 для опорных подушек нижних опорных валков, а также искривленных опорных поверхностей 20 для опорных подушек верхних опорных валков. Однако пластины коромысла и искривленные опорные поверхности являются подверженными износу, приводящему к отказу, что создает проблемы, которые влияют как на подшипники 14, так и на способность прокатного стана прокатывать высокоточные продукты.
В одной ранней попытке решения этой проблемы, как раскрыто в патенте США № 2312648 (Jones), было предложено заменить обычные гидростатические подшипники сферическими гидростатическими подшипниками. На фиг.2 видно, что сферические гидростатические подшипники 22 способны компенсировать отклонения валка внутри пределов своих соответствующих опорных подушек 24, устраняя таким образом необходимость в наклоне опорной подушки посредством использования связанных пластин коромысла и искривленных опорных поверхностей. Устранение этих компонентов упрощает конструктивное решение прокатного стана, увеличивает его жесткость и уменьшает общую высоту набора валков.
Несмотря на потенциальные преимущества использования сферических гидростатических подшипников в сильно напряженных прокатных станах, а также несмотря на ее дебют более чем семьдесят лет назад с выдачей патента Джонсу, похоже, что эта технология никогда не использовалась в сильно нагруженных приложениях прокатного стана. Этой задержке способствовал ряд недостатков, включая, если назвать лишь некоторые, прерывистую внутреннюю поверхность подшипника, обеспечиваемую множеством разделенных компонентов наружной втулки подшипника, которые располагаются напротив внутренних поверхностей опорной подушки, что делает затруднительными их сборку и поддержание выравнивания в пределах требуемых допусков при воздействии вращательных сил. Другие недостатки включают в себя несоответствующую смазку на границе наружная втулка/внутренняя втулка, а также чрезмерную длину подшипника.
В широком смысле варианты осуществления настоящего изобретения направлены на то, чтобы предложить новый улучшенный сферический подшипник, который в значительной степени устраняет отмеченные выше недостатки, особенно в рамках пункта 1 формулы изобретения и дополнительных предпочтительных вариантов осуществления, относящихся к дополнительным зависимым пунктам формулы изобретения.
Один примерный вариант осуществления гидростатического подшипника в соответствии с настоящим изобретением для вращательной поддержки валка прокатного стана содержит внутреннюю втулку, имеющую внутреннее отверстие и внешнюю сферическую поверхность. Внутреннее отверстие имеет размеры и выполнено с возможностью вставки в него в осевом направлении шейки валка.
Наружная втулка имеет внутреннюю сферическую поверхность, имеющую размеры и выполненную с возможностью установки с охватом и вращательного поддерживания внешней сферической поверхности внутренней втулки. Наружная втулка разделена на множество взаимосвязанных сегментов, и опорная подушка содержит и радиально поддерживает взаимосвязанные сегменты наружной втулки.
Внутренняя втулка и взаимосвязанные сегменты наружной втулки могут представлять собой интегральный узел, используемый в качестве блока в опорной подушке.
Наружная втулка может быть разделена на два сегмента.
Внутренняя сферическая поверхность наружной втулки предпочтительно является, по существу, непрерывной.
Сегменты наружной втулки могут быть взаимосвязаны стянутыми крепежными деталями.
Некоторое средство может быть обеспечено для подачи жидкой смазки к границе между внешней и внутренней поверхностями сферического подшипника.
Средство для подачи жидкой смазки может содержать сеть каналов в опорной подушке и в наружной втулке, сообщающуюся с расточенными первыми площадками эллиптической формы на внутренней сферической поверхности подшипника в положении за пределами зоны нагрузки подшипника.
Средство для подачи жидкой смазки может дополнительно содержать вторую сеть каналов в опорной подушке и в наружной втулке, сообщающуюся с расточенными вторыми площадками эллиптической формы на внутренней сферической поверхности подшипника в положении внутри зоны нагрузки подшипника.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 представляет собой схематическую иллюстрацию клети прокатного стана, оборудованной обычными гидростатическими подшипниками и опорными подушками;
фиг.2 представляет собой схематическую иллюстрацию клети прокатного стана, оборудованной сферическими гидростатическими подшипниками в соответствии с примерными вариантами осуществления настоящего изобретения;
фиг.3 представляет собой вид сбоку сферического гидростатического подшипника в соответствии с одним примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;
фиг.4 представляет собой вид с торца сферического гидростатического подшипника, изображенного на фиг.3;
фиг.5 представляет собой продольное вертикальное сечение вдоль линии 5-5, изображенной на фиг.4;
фиг.6 представляет собой горизонтальное поперечное сечение вдоль линии 6-6, изображенной на фиг.3;
фиг.7 представляет собой вертикальное поперечное сечение вдоль линии 7-7, изображенной на фиг.3;
фиг.8 представляет собой разобранный вид в перспективе множества сегментов, составляющих наружную втулку, показанную на фиг.5-7;
фиг.9 показывает разобранные сегменты наружной втулки перед их узлом вокруг сферической внутренней втулки;
фиг.10 показывает сегменты наружной втулки, собранные вокруг сферической внутренней втулки, которые взаимосвязаны и взаимодействуют со сферической внутренней втулкой для образования интегрального узла, используемого в качестве блока в опорной подушке;
фиг.11 представляет собой частичный внутренний вид сопряженных сегментов наружной втулки; и
фиг.12 представляет собой схематическую иллюстрацию эпюры давлений в зоне нагрузки подшипника.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг.3-7 сферический подшипник в соответствии с одним примерным вариантом осуществления настоящего изобретения в целом обозначается ссылочной цифрой 26. Подшипник 26 содержит внутреннюю втулку 28, имеющую внутреннее отверстие 30 и внешнюю сферическую поверхность 32. Внутреннее отверстие 30 является коническим и конфигурируется и имеет размеры и выполнено с возможностью вставки в него в осевом направлении коническую шейки 34 валка 36.
Наружная втулка 38 имеет внутреннюю сферическую поверхность 40 имеющую такую конфигурацию и размеры, чтобы она могла охватывать и вращательно поддерживать внешнюю сферическую поверхность 32 внутренней втулки 28.
На фиг.8 видно, что наружная втулка 38 разделена на множество сегментов, причем предпочтительными являются два полусегмента 38a, 38b.
На фиг.9 видно, что два полусегмента 38a, 38b наружной втулки конфигурируются и располагаются так, чтобы они объединялись вокруг внутренней втулки 28 в направлении схематических стрелок и были взаимосвязаны, как показано на фиг.10, стянутыми болтами 42. Хотя на чертеже показаны болты 42, любые другие похожие стянутые крепежные детали могут быть использованы для того, чтобы стянуть сегменты наружной втулки вокруг внутренней втулки.
Как показано на фиг.10, взаимосвязанные таким образом сегменты 38a, 38b наружной втулки и внутренняя втулка 28 представляют собой интегральный узел 44, используемый в качестве блока в опорной подушке 46.
Внутренняя сферическая поверхность 40 наружной втулки 38 является, по существу, непрерывной, что означает, что она является непрерывной за исключением каналов, площадок и канавок, служащих для подачи жидкой смазки к границе между сферическими поверхностями 32, 40, а также швов в местах примыкающих краев сегментов наружной втулки.
Как показано на фиг.6, внутренняя втулка может быть вращательно закреплена на шейке 34 прокатного валка ключами 48, а наружная втулка 38 может быть вращательно закреплена внутри опорной подушки 46 штифтом 50 или другой похожей соединительной деталью. Толщина внутренней втулки 28 является такой, что ключи 48 могут продолжаться в зону нагрузки Z подшипника, не оказывая негативного влияния на точность прокатки. Это выгодно сокращает общую длину L подшипника.
Как показано на фиг.6, сеть каналов 56, 58 в опорной подушке 46 и наружной втулке 38 может служить в качестве средства для подачи под низким давлением жидкого смазочного материала через расточенные площадки 59 эллиптической формы к границе между внешней и внутренней сферическими поверхностями 32, 40 подшипника. Площадки 59 располагаются за пределами зоны нагрузки подшипника.
На фиг.11 видно, что расточенные площадки 59 эллиптической формы имеют высоты «H» и ширины «W», и делятся пополам швом между двумя половинами 38a, 38b наружной втулки. Для того, чтобы максимизировать эффективную подачу смазочного материала, ширины W площадок должны составлять от 70 до 90% длины «X» наружной втулки, предпочтительно 80%, а высоты H площадок должны составлять от 20% до 30% ширин W площадок, предпочтительно 25%.
Считается, что площадки с размерами, выходящими за пределы этих диапазонов, будут иметь уменьшенную эффективность смазки.
Как показано на фиг.5 и фиг.8, дополнительные каналы 52, 54 могут быть предусмотрены для подачи смазочного материала под высоким давлением через расточенные площадки 55 эллиптической формы к границе между внешней и внутренней поверхностями 32, 40 подшипника в зоне нагрузки Z подшипника.
1
0
1
0
На фиг.12 видно, что когда подшипник подвергается нагрузке, эпюра давлений гидродинамически поддерживаемой пленки смазочного материала в зоне нагрузки Z подшипника максимизируется в центре наружной втулки, и постепенно уменьшается в противоположных направлениях от центра к внутреннему и внешнему концам. Из-за более низких давлений на внутреннем и внешнем концах, на внутренней и внешней концевых частях Z, Z зоны нагрузки наружная втулка может располагаться на расстоянии от опорной подушки и не обязана радиально поддерживаться опорной подушкой 46. В результате, как показано на фиг.5, концевые зазоры между наружной втулкой и опорной подушкой позволяют выгодно расположить достаточно большие внутренний и внешний маслосборники S, S для приема смазочного материала, стекающего с противоположных концов границы наружная втулка подшипника/внутренняя втулка. Это дополнительно способствует уменьшению длины подшипника.
Подшипник 26 может удерживаться на шейке 34 прокатного валка стопорным кольцом 60 и муфтой 62, наворачиваемой на конец шейки прокатного валка. Крышка 64 обычно закрывает наружный конец подшипника. Уплотнительный узел 66 на внутреннем конце подшипника может служить для удержания смазочного материала в подшипнике, предотвращая при этом проникновение внешних загрязняющих веществ, например, охлаждающей воды, прокатной окалины и т.д.