МНОГОРЯДНЫЙ ПОДШИПНИК
MULTI-ROW BEARING

Настоящее изобретение относится к механизмам с подшипниками, работающими с осевыми и крутящими нагрузками различной силы, конструкция которого позволяет уменьшить сопротивление крутящего момента вала вращения, передающего внешнюю нагрузку.
Уровень техники
Известен шаровой шарнир, предназначенный для передачи вращения с возможностью наклона на заданный угол /заявка на патент KR20080075346, E03C1/0465, опубл.18.08.2008/. Шаровая опора размещена внутри корпуса и опирается на маленькие шарики, уложенные в один ряд по окружности сферической поверхности нижней части корпуса. Верхняя и нижняя часть корпуса соединены между собой стягивающими болтами. Недостатком этого изобретения является то, что маленькие шарики уложены только в один ряд и подвергаются нагрузкам, приводящим к износу, после которого придется ремонтировать или заменять полностью весь узел.
Известна шаровая опора, способная выдерживать предварительную нагрузку /патент KR101943527, F16C11/06, опубл. 31.01.2019/. Шаровой шарнир опирается на небольшое количество маленьких шариков, закрепленных в кольце для обеспечения удержания вертикальной нагрузки, а по бокам в один ряд расположены шарики большего диаметра по окружности корпуса для вращения вокруг оси шарового шарнира. Недостатком такой шаровой опоры является то, что при интенсивной нагрузке происходит износ корпуса и шариков, после чего придется ремонтировать или менять весь узел деталей. В указанном техническом решении не предложена система смазки узла, что приводит к износу деталей и сокращению срока службы шаровой опоры.
Известен подшипник для ветряной турбины с вертикальной осью / патент CN103958910, F16C33/585, опубл.30.07.2014/. Изобретение основано на подшипнике, способном уменьшать сопротивление крутящего момента за счет того, что диаметр шариков и кривизна канавки качения настроены таким образом, чтобы удовлетворять заданному пусковому крутящему моменту и номинальной нагрузке. Недостатком этого изобретения является то, что вся масса ветряной мельницы держится на одном нижнем подшипнике, а верхний подшипник только удерживает вал в вертикальном положении и облегчает пусковой момент за счет кривизны ходовой канавки подшипника. При износе нижнего подшипника придется разбирать всю конструкцию ветряной турбины. Указанный подшипник является прототипом.
Таким образом, техническая проблема, решаемая настоящим изобретением, заключается в снижении сопротивления крутящего момента вала вращения, передающего внешнюю нагрузку; обеспечение возможности выдерживать усиленные переменные нагрузки, продлении срока службы изделия.
Технический результат, достигаемый настоящим изобретением, является уменьшение сопротивления крутящего момента вала вращения, способность выдерживать усиленные нагрузки и длительный срок службы изделия за счет уменьшения трения всех деталей конструкции и предотвращения появления ржавчины, сокращение временных и ресурсных затрат на ремонт изделия.
Для решения заявленной технической проблемы и достижения технического результата предлагается многорядный подшипник, включающий корпус, вал вращения, подшипники качения.
Отличительной особенностью многорядного подшипника является то, что корпус содержит шаровую опору, выполненную в виде чередующихся слоев тел вращения и шаров, при этом тела вращения и шары имеют разные диаметры, а пространство в корпусе между валом вращения, подшипниками, телами вращения и шарами заполнено маслом полностью или частично.
Корпус имеет одно несквозное (глухое) отверстие.
Вал вращения имеет полусферу на конце.
На вал вращения установлен по крайней мере один подшипник качения.
Вал вращения установлен в корпусе с возможностью вращения и качения в пространстве корпуса.
Вал вращения, концом заканчивающимся полусферой, установлен на тела вращения.
Тела вращения и шары имеют сферическую форму.
Множество тел вращения скомпонованы в слой с возможностью вращения в пространстве корпуса в плоскости, перпендикулярной оси вала вращения.
Один шар представляет собой слой с возможностью вращения в пространстве корпуса в плоскости, перпендикулярной оси вала вращения.
Заявленное изобретение иллюстрируется следующими фигурами:
Фиг. 1 и 2 - конструкция многорядного подшипника;
Фиг. 3 - виды корпусов многорядного подшипника.
Фиг. 4 - вид обычного ветряного генератора (А) и вид генератора с опорным многорядным подшипником (В);
Фиг. 5 и 6 - конструкция петли дверей или ворот, корпус которой выполнен в виде многорядного подшипника;
Фиг. 7 - конструкция вертикального ветрогенератора с многорядным подшипником;
Фиг. 8 - конструкция обычного ветрогенератора;
Фиг. 9 - конструкция вертикального ветрогенератора с многорядным подшипником;
Фиг. 10 - вид многорядного подшипника при производстве распашных ворот.
На фигуре 1 и 2 изображена конструкция заявленного многорядного подшипника, который включает корпус (1), вал вращения (2) с полусферой, подшипники качения (3), тела вращения (4), шары (5), масло (6) и сальник (7).
Корпус может быть различной геометрической формы - квадрата, трубы, многоугольника, овала и т.п., как показано на фиг. 3.
Корпус имеет несквозное (глухое) отверстие, которое формируется стандартными технологическими операциями такими как сверлением, токарным растачиванием, пайкой, литьем, электроэрозионной обработкой, порошковой металлургией, сваркой и т.п.
Вал вращения (2), заканчивающийся полусферой, опирается с предварительной нагрузкой на шаровую опору, несущую вертикальную и горизонтальную нагрузку осевого вращения. Шаровая опора состоит из нескольких параллельно расположенных слоев тел вращения (4), имеющих одинаковый диаметр, и шаров (5), имеющих больший диаметр, чем тела вращения (4). Ряд тел вращения (4) одинакового диаметра расположен на дне корпуса (1), которое представляет собой несквозное отверстие, причем расстояние между телами вращения (4) должно быть минимальным, позволяющим осуществлять вращение под нагрузкой. Сверху в центре на первый горизонтальный слой тел вращения установлен шар (5), имеющий больший диаметр. Размер шара (5) подбирается с таким расчетом, чтобы он находился на первом ряду тел вращения (4) и не касался дна корпуса заявленного подшипника. На шар (5) размещается следующий ряд тел вращения (4), имеющих размеры первого слоя тел вращения (4), а на него опять располагается шар (5), на него опять укладывается слой тел вращения (4). Размеры шаров (5) подбираются таким образом, что между ними должно оставаться пространство, не позволяющее касаться этим шарам друг друга. Количество таких слоев зависит от предполагаемой нагрузки и времени работы, не требующего сервисного обслуживания. Полусфера вала вращения (2) опирается на верхний слой тел вращения (4), не касаясь шара (5), что обеспечивает передачу нагрузки и осевого вращения на все слои тел вращения (4) и шаров (5). На фиг.2 показано распределение сил от осевой и крутящей нагрузки по валу вращения, телам вращения, шарам и корпусу. Расположение полусферы вала вращения в верхнем слое по центру обеспечивает осевую самоцентровку вала вращения (2). Причем при минимальной нагрузке происходит вращение верхних слоев тел (4) вращения и шаров (5), а при увеличении нагрузки и скорости вращения в движение приходят и поочередно нижние слои тел вращения (4) и шаров (5). Для уменьшения силы трения весь свободный объем корпуса с несквозным отверстием заполняется антифрикционным машинным маслом. Для вертикальной центровки вала вращения (2) в верхней его части на расстоянии от тел вращения (4) на валу вращения (2) установлены подшипники качения (3), удерживающие вал (2) в стенках корпуса с несквозным отверстием корпуса (1).
Большое количество слоев чередующихся тел вращения и шаров обеспечивает распределение вертикальной нагрузки и уменьшает сопротивление крутящему моменту благодаря поочередному сверху-вниз направленному включению в работу нижних слоев тел вращения и шаров.
При износе трущихся поверхностей верхних рядов шариков и их заклинивании нижние ряды принимают на себя всю нагрузку и продолжают обеспечивать кручение вала. Это важно при эксплуатации данной конструкции в местах с проблемами по замене трущихся элементов конструкции, например, в море, горах, пустынях и т.п. Таким образом, можно заложить в конструкцию необходимое количество рядов шаров с увеличением сроков регулярного обслуживания и ремонта.
Масляная ванна, в которой находятся все рабочие детали конструкции многорядного, позволяет уменьшить трение и увеличить долговечность всех деталей конструкции. Масло, в котором находится внутренняя часть конструкции, препятствует также появлению ржавчины, что при антикоррозийной защите наружной поверхности изделия позволит долговременно работать в агрессивных средах, например над поверхностью моря. При этом достаточно будет периодической обработки внешней поверхности при уверенности надежной защиты внутренних скрытых областей изделия от коррозии масляной ванной.
При износе рабочих поверхностей вала он будет оставаться пригодным для работы из-за того, что между соприкасающимися с ним шарами остается достаточно большой запас пространства до касания его с большим шаром. И даже при его заклинивании в верхней обойме шаров начнут вращаться нижние ряды шаров. При этом при вертикальном положении многорядного подшипника заполнение маслом будет полным, в горизонтальных - частичное.
Таким образом благодаря такой конструкции, при которой при износе одних деталей в работу вступают другие детали, как бы находящиеся в запасе и заменяющие автоматически изношенные без участия человека. В дополнение к этому применение масляной ванны увеличивает срок эксплуатации без ремонта трущихся деталей.
Применение конструкции предлагаемого многорядного подшипника возможно в различных механизмах и конструкциях, которые представлены ниже.
Пример №1
На фигуре 4 изображен обычный ветряной генератор (А) подшипник которого несет нагрузку осевую и крутящую одновременно. При набегании сильного ветра возникают значительные осевые нагрузки, высокий уровень вибраций и резкие изменения режимов вращения создают сильную нагрузку на единственный опорный подшипник, способствуя быстрому выходу его из строя.
У ветряного генератора (В) стоит предлагаемый многорядный подшипник. При применении предлагаемых подшипников получится разделить нагрузки - крутящие нагрузки возьмет на себя подшипник качения, а осевые нагрузки от напора ветра возьмет на себя предлагаемый многорядный подшипник с масляной ванной.
Результатом применения предлагаемой конструкции достигаются технические результаты - уменьшение сопротивления крутящего момента вала вращения, способность выдерживать усиленные нагрузки, длительный срок службы изделия за счет уменьшения трения всех деталей конструкции и предотвращения появления ржавчины, -сокращение временных и ресурсных затрат на ремонт изделия.
Пример №2
При изготовлении дверей или ворот с большим размером и весом используют обычные петли. При открывании-закрывании приходится прилагать значительные усилия и периодически их смазывать. Применение многорядного подшипника позволит устранить указанные проблемы.
На рисунке 5 и 6 изображена конструкция такой петли, которая включает нижний корпус петли (1), выполненного в виде многорядного подшипника, с отверстием диаметром 28,1 мм; вал вращения (2) диаметром 12 мм (2); подшипники качения (3) с внутренним диаметром 12 мм и внешним 28 мм; тела вращения (4) диаметром 20мм; шары диаметром (5) 9.33 мм; масло (6); отверстие для заливки масла (8); верхний корпус петли (9), который выполнен в виде многорядного подшипника, с валом вращения (2) диаметром 12 мм, заканчивающимся полусферой диаметром 20 мм; крепление верхнего корпуса петли (10); нижняя петля (11). Применение многорядного подшипника, корпус которого имеет 1 несквозное отверстие, позволяет уменьшить сопротивление крутящего момента, продлить срок службы петель, постоянная смазка в масляной ванне предотвращает появление ржавчины.
Пример №3
На фигуре 7 изображен вертикальный ветрогенератор, конструкция которого включает прямоугольный корпус (1) длиной 1200 мм с несквозным(глухим) отверстием диаметром 319мм, вал вращения (2), заканчивающийся полусферой, длиной 2500 мм диаметром 119                     мм; подшипники (3) вертикальной центровки вала внутренний диаметром 120 мм внешним диаметром 320 мм; тела вращения (4) диаметром 200 мм; шары (5) диаметром 100 мм; масло (6); лопасти пропеллера (26) с креплением к валу вращения; круг диаметром (27) 2000 мм передающий вращение от лопастей к колесам генераторов; колеса генераторов (28) диметром 200 мм; генераторы (29); крепления генераторов (30). Применение многорядного подшипника позволило уменьшить сопротивления крутящего момента вала вращения и продлить срок службы изделия всех деталей конструкции.
Пример №4
На фигуре 8 для сравнения представлена конструкция обычного ветрогенератора, на которой обозначены ферма (16), удерживающая ветряную установку, шкив привода генератора (17), верхняя перекладина (18), генератор (19), подшипник лопастей (20), лопасти (21), верхний подшипник (22) вала вращения, нижние подшипники (23) вала вращения, вал вращения (24), опорный шар вала вращения (25).
На фигуре 9 представлена конструкция ветрогенератора с многорядным подшипником (9), на которой обозначены квадратный корпус с несквозным отверстием (1), вал вращения (2), подшипник качения (3), тела вращения (4), шары (5), масло (6), ферма(16), удерживающая ветряную установку, шкив привода генератора (17), верхняя перекладина (18), генератор (19), подшипник лопастей (20), лопасти (21), верхний подшипник вала вращения (22).
Ферма (16) высотой 5 метров удерживает вертикально вал (2) с лопастями (21). Вал вращения (2) имеет длину 4 метра, лопасти (21) длиной 3 метра. При замене в конструкции ветрогенератора обычного подшипника на многорядный подшипник изменяется сопротивление напору ветра на лопасти (21). При скорости ветра 4 метра в секунду ветрогенератор с многорядным подшипником начинает вращение, тогда как обычный ветрогенератор начинает вращение при скорости ветра 7 метров в секунду.
Пример №5
На фигурах 10 показан многорядный подшипник при производстве распашных ворот.
В обычных распашных воротах используются неподвижные столбы, к которым с помощью петель крепятся сами ворота (14). Столбы обычно бетонируются в земле и крепятся дополнительно к кирпичному забору. Угол раскрытия составляет 180 градусов, по 90 градусов в каждую сторону, при этом при силовом увеличении угла раскрытия ворот возникает проблема-петли выворачивает и они гнутся, приходится их менять.
В предлагаемой конструкции используется два многорядных подшипника, к валам которых крепятся опорные столбы. При этом получается, что опорные столбы сами становятся крутящимся элементом конструкции, принимая на себя функцию обычных воротных петель. Каждая половина ворот вращается вокруг своей оси на многорядном подшипнике. Угол раскрытия увеличивается до 340 градусов, по 170 градусов в каждую сторону, эффекта выворачивания петлей не происходит.
Для установки ворот предлагаемой конструкции в грунте (13) на заданном расстоянии копаются две ямы глубиной 1000 мм, в них бетонируются (12) железные трубы (15) длинной 1100 мм, диаметром 300 мм с приваренным к днищу квадратом со 500 стороной миллиметров. После застывания бетона в трубу опускается корпус многорядного подшипника длинной 1200 мм и диаметром внешним 280 мм. К валу муфтой с болтами прикрепляется опорный столб высотой 2 метра, к нему потом прикручивается или приваривается полотно ворот.
Проведенные испытания показали, что заявленная конструкция многорядного подшипника позволяет выдерживать усиленные нагрузки, уменьшение сопротивления крутящего момента вала вращения и продление срока службы изделия, за счет уменьшения трения всех деталей конструкции и предотвращения появления ржавчины.