УПЛОТНЕНИЕ ДЛЯ ЦАПФЫ ПОДШИПНИКА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ВАГОНА
SEAL FOR RAIL CAR BEARING TRUNNION

Предпосылки к созданию изобретения
Настоящее изобретение в общем имеет отношение к герметизированным подшипникам шейки вала (цапфы), а более конкретно к усовершенствованному уплотнению узла подшипника.
Известны узлы роликовых подшипников, которые содержат два ряда конических роликовых подшипников, предварительно собранных в автономную, предварительно смазанную упаковку, предназначенную для установки на цапфы у концов осей или валов. Такие узлы подшипников используют как узлы подшипников железнодорожного вагона, установленные на цапфы у концов осей вагона. В подшипниках этого типа обычно используют два ряда конических роликовых подшипников, плотно установленных по одному на каждый конец общего наружного кольца подшипника, причем их соответствующие подшипниковые конусы имеют внутренний диаметр, размер которого позволяет обеспечивать посадку с натягом на шейку вала, а также имеют цилиндрическую втулку или распорную деталь, установленную между конусами и обеспечивающую точный промежуток между ними и надлежащий боковой зазор на цапфе. Уплотнения, установленные на (в) каждом конце наружного кольца подшипника, создают плотный контакт износостойких колец подшипника с внешними концами или задней стороной соответствующих подшипниковых конусов на каждом конце узла. Такие уплотнения описаны в патенте США №5975533.
В типичной конструкции железнодорожного вагона шейку вала подвергают механической обработке с образованием галтели на внутреннем конце и точно устанавливают опорное кольцо, имеющее дополняющую поверхность к контуру галтели, причем опорная поверхность служит для входа в зацепление с внутренним концом внутреннего износостойкого кольца и точно устанавливает узел подшипника на цапфе. Концевой колпак, установленный на конце оси при помощи болтов, ввинчиваемых по резьбе в отверстия на конце оси, входит в зацепление с наружным износостойким кольцом и зажимает весь узел на конце оси. Износостойкие кольца типично имеют внутренний диаметр, размер которого позволяет обеспечивать посадку с натягом на цапфе, по меньшей мере на части ее длины, так что весь узел плотно насажен на конец шейки вала.
Сущность изобретения
Узел подшипника в соответствии с настоящим изобретением представляет собой роликовый подшипник, который содержит внутреннее кольцо или конус, плотно надетый вокруг участка цапфы оси или вала. Внутреннее кольцо содержит обращенную наружу дорожку качения. Наружное кольцо подшипника имеет обращенную внутрь дорожку качения. Роликовые элементы расположены между внутренней и внешней дорожками качения и контактируют с ними.
Опорное кольцо имеет поверхность, которая является дополняющей к контурной поверхности галтели, образованной на валу, и входит в зацепление с ней. Галтель образует переход от цапфы к заплечику вала. Контурные поверхности взаимодействуют для того, чтобы исключить осевое движение опорного кольца вдоль вала.
Узел подшипника содержит уплотнительный узел, который создает барьер для смазочного материала, чтобы удерживать его внутри уплотнительного узла, и создает барьер для входа в узел подшипника загрязняющих веществ. Уплотнительный узел содержит статор, соединенный с собственно уплотнительной секцией, и ротор, соединенный с износостойким кольцом. Взаимозависимости между уплотнительной секцией, статором и ротором позволяют удерживать смазочный материал внутри уплотнительного узла и не допускают вход в узел подшипника загрязняющих веществ.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показан разрез шейки вала, на которой установлен узел конического роликового подшипника в соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения.
На фиг.2 показан с увеличением частичный разрез уплотнительного узла конического роликового подшипника в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг.3 показан с увеличением частичный разрез уплотнительного узла конического роликового подшипника в соответствии со вторым вариантом настоящего изобретения.
Подробное описание предпочтительных вариантов изобретения
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.1, на которой показан узел подшипника, обозначенный в целом позицией 10, установленный на цапфе 12, на свободном консольном конце вала или оси 14, а типично на оси железнодорожного вагона. Цапфа 12 подвергнута механической обработке с очень малыми допусками и заканчивается на ее внутреннем конце контурной галтелью 22, переходящей в цилиндрический заплечик 18 оси 14. На свободном конце оси участок цапфы 12 заканчивается слегка коническим или клиновидным направляющим участком 24, размеры которого позволяют облегчить установку узла подшипника на цапфу. Множество резьбовых отверстий 26 образованы в конце оси 14 для приема резьбовых винтов с головкой или болтов 28, предназначенных для установки удерживающего колпака 30 подшипника на конце вала, чтобы зажимать подшипник в заданном положении, как это описано далее более подробно.
Узел 10 подшипника предварительно собирают ранее его установки и зажимают на цапфе 12 при помощи колпака 30 и болтов 28. Узел подшипника содержит единое наружное кольцо 32 подшипника, имеющее пару дорожек 34, 36 качения, образованных рядом друг с другом, которые взаимодействуют с парой соответствующих конусов 38, 40 подшипника для поддержки между ними двух рядов соответствующих конусных роликов 42, 44. Центральная распорная втулка 46 расположена между конусами 38, 40, чтобы поддерживать конусы в точном положении с промежутком друг от друга, позволяющим обеспечивать надлежащий боковой зазор подшипника.
Кольцо 32 подшипника содержит цилиндрические расточенные отверстия 17, 19 на своих противоположных концах снаружи от дорожек 34, 36 качения и пару уплотнительных секций 52, 58, которые запрессованы соответственно в цилиндрические расточенные отверстия 17, 19 в кольце 32. Каждая уплотнительная секция 52, 58 содержит упругие уплотняющие элементы, которые трутся о поверхности 37, 61 и образуют уплотнение с поверхностями 37, 61 пары уплотнительных износостойких колец 60, 62, имеющих обращенный внутрь конец, который входит в зацепление с обращенными наружу концами соответствующих подшипниковых конусов 38, 40. Уплотнительная секция 58 является аналогичной уплотнительной секции 52 и поэтому подробно описана не будет. Другой конец износостойкого кольца 60 введен в цилиндрическое расточенное отверстие 64 в аксиально обращенном наружу конце опорного кольца 66, которое, в свою очередь, имеет расточенное отверстие 68 на его другом конце, размер которого позволяет его надевать с плотной посадкой и неплотной посадкой на цилиндрический заплечик 18 вала 14. Расточенное отверстие 64 и внешний диаметр износостойкого кольца 60 также имеют такие размеры, которые обеспечивают посадку с натягом, так что износостойкое кольцо 60 будет запрессовано в опорное кольцо 66, которое подвергнуто точной механической обработке, чтобы получить контурную внутреннюю поверхность 70, дополняющую к контуру галтели 22 и входящую в зацепление с контуром галтели 22, когда подшипник установлен на валу. Обращенный наружу конец износостойкого кольца 62 упирается в расточенное отверстие 31 в удерживающем колпаке 30.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.2, на которой с увеличением показан участок уплотнительного узла узла 10 подшипника. Уплотнительная секция 52 в целом представляет собой кольцевую деталь, имеющую концевую секцию 48 большего диаметра, запрессованную или плотно вставленную в дополняющее расточенное отверстие 17 в наружном кольце 32 подшипника. Уплотнительная секция 52 содержит основную цилиндрическую секцию 53, которая идет параллельно концевой секции 48, причем основная цилиндрическая секция 53 имеет меньший диаметр, чем концевая секция 48.
Внутренняя кольцевая секция 54 является перпендикулярной к основной цилиндрической секции 53 и идет внутрь в направлении износостойкого кольца 60. Дистальный конец 55 уплотнительной секции 52 идет от внутренней кольцевой секции 54 под острым углом к ней. Упругий уплотняющий элемент 57 плотно надет на дистальный конец 55. Упругий уплотняющий элемент 57 изготовлен из резиновой или эластомерной смеси, такой как нитриловая резиновая смесь. Упругий уплотняющий элемент 57 имеет основную секцию, которая имеет отверстие для ввода дистального конца 55 уплотнительной секции 52. Упругий уплотняющий элемент 57 также имеет базовое круговое контактное ребро 59, которое смещено в боковом направлении от двух базовых ребер 69. Таким образом имеется пространство между концевым контактным ребром 59 и базовыми контактными ребрами 69.
Статор 47 является в целом цилиндрической деталью, имеющей внешнюю секцию 49 большего диаметра. Внешняя поверхность внешней секции 49 соединена при помощи сварки, склеивания, выдавливания, посадки с натягом или другой подходящей технологии с внутренней поверхностью основной цилиндрической секции 53 уплотнительного узла 52. Статор 47 также содержит первую промежуточную секцию 51, которая идет от внешней секции 49 параллельно секции 54 уплотнительной секции 52, вторую промежуточную секцию 88, которая идет под острым углом от первой промежуточной секции 51, и внутреннюю секцию 90, которая идет от второй промежуточной секции 88. Следует иметь в виду, что в предпочтительном варианте, показанном на фиг.2, первая промежуточная секция 51 статора 47 расположена рядом с внутренней цилиндрической секцией 54 уплотнительной секции 52. Вторая промежуточная секция 88 также расположена рядом с имеющей дополняющую форму секцией упругого уплотняющего элемента 57. Статор 47 также содержит третью промежуточную секцию 89. Третья промежуточная секция 89 представляет собой уступ от второй промежуточной секции 88 к внутренней секции 90 и позволяет упростить сборку. Внутренняя секция 90 статора 47 идет параллельно внешней поверхности 37 износостойкого кольца 60. Внутренняя секция 90 заканчивается концевой секцией 92.
Ротор 81 представляет собой в целом цилиндрическую деталь, имеющую внешнюю секцию 82 большего диаметра. Промежуточная секция 83 идет от внешней секции 82 и является в целом перпендикулярной к ней. Промежуточная секция 83 содержит в целом плоскую внешнюю поверхность 93, которая плотно прилегает к дополняющей плоской поверхности 94 конуса 38 подшипника. Внутренняя секция 84 ротора 81 идет от промежуточной секции 83 и является в целом перпендикулярной к ней. Внутренняя секция 84 ротора 81 имеет внешнюю поверхность 95, которая плотно прилегает к внешней поверхности 37 износостойкого кольца 60.
Внешняя поверхность 95 ротора 81 соединена при помощи сварки, склеивания или посадки с натягом с внешней поверхностью 37 износостойкого кольца 60. Буртик или ребро 97 или другое средство крепления могут быть предусмотрены у внутренней секции 84 ротора 81 для крепления к внешней поверхности 37 износостойкого кольца 60. Выемка 98 на внешней поверхности 37 износостойкого кольца 60 служит для установки буртика или ребра 97 на внешней поверхности 37. Комбинация и конфигурация уплотнительной секции 52, статора 47 и ротора 81 содействуют удержанию смазочного материала внутри уплотнительного узла. Когда внутренняя секция 84 и внешняя секция 82 ротора 81 вращаются вокруг внутренней секции 90 статора 47, создается извилистый тракт, что затрудняет выход смазочного материала из уплотнительного узла. Преимущественно, внутренняя секция 90 статора 47 выступает в канал, образованный внешней секцией 82 и внутренней секцией 84 ротора, минимум на половину его длины, однако такой выступ может составлять от 25% до 75% длины канала или больше. Наличие упругого уплотняющего элемента 57 дополнительно ограничивает выход смазочного материала из уплотнительного узла. Предпочтительный промежуток между секцией 84 ротора 81 и секцией 90 статора 47 составляет номинально 0.03 дюйма (0,08 см), а между секцией 90 статора 47 и внешней секцией 82 ротора 81 также составляет номинально 0.03 дюйма. Однако следует иметь в виду, что собственно уплотнительная секция 52 обычно изготовлена из соответствующей стали, так же как ротор 81 и статор 47. Однако за рамки настоящего изобретения не выходит возможность изготовления одного компонента или нескольких компонентов, выбранных из группы, в которую входят уплотнительная секция 52, ротор 81 и статор 47, из специально разработанного пластика (полимера) или термопласта, такого как сложный полиэфир или композиционный материал.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.3, на которой с увеличением показан второй вариант участка уплотнительной секции узла 110 подшипника. Уплотнительная секция 152 в целом представляет собой кольцевую деталь, имеющую концевую секцию 148 большего диаметра, запрессованную или плотно вставленную в дополняющее расточенное отверстие 117 в наружном кольце 132 подшипника. Уплотнительная секция 152 содержит основную цилиндрическую секцию 153, которая идет параллельно концевой секции 148, причем основная цилиндрическая секция 153 имеет меньший диаметр, чем концевая секция 148.
Внутренняя кольцевая секция 154 является перпендикулярной к основной цилиндрической секции 153 и идет внутрь в направлении износостойкого кольца 160. Угловая секция 155 уплотнительной секции 152 идет от внутренней кольцевой секции 154 под острым углом к ней. Упругий уплотняющий элемент 157 плотно надет на выступ 158 угловой секции 155. Упругий уплотняющий элемент 157 изготовлен из резиновой или эластомерной смеси, такой как нитриловая резиновая смесь. Упругий уплотняющий элемент 157 имеет основную секцию, которая имеет отверстие для ввода выступа 158 уплотнительной секции 152. Упругий уплотняющий элемент 157 также имеет базовое круговое контактное ребро 159, которое смещено в боковом направлении от двух базовых ребер 169. Таким образом имеется пространство между концевым контактным ребром 159 и базовыми контактными ребрами 169.
Статорная секция 147 является в целом цилиндрической деталью, имеющей внешнюю неровную поверхность 149. Статорная секция 147 идет от угловой секции 155 уплотнительной секции 152 и образована в одной операции или в одном технологическом процессе с ней.
Ротор 181 представляет собой в целом цилиндрическую деталь, имеющую внешнюю секцию 182 большего диаметра. Промежуточная секция 183 идет от внешней секции 182 и является в целом перпендикулярной к ней. Промежуточная секция 183 содержит в целом плоскую внешнюю поверхность 193, которая плотно прилегает к дополняющей плоской поверхности 194 конуса 138 подшипника. Внутренняя секция 184 ротора 181 идет от промежуточной секции 183 и является в целом перпендикулярной к ней. Внутренняя секция 184 ротора 181 имеет внешнюю поверхность 195, которая плотно прилегает к внешней поверхности 137 износостойкого кольца 160.
Внешняя поверхность 195 ротора 181 соединена при помощи сварки, склеивания или посадки с натягом с внешней поверхностью 137 износостойкого кольца 160. Буртик или ребро 197 или другое средство крепления могут быть расположены на углу между промежуточной секцией 183 ротора 181 и внешней поверхностью 195 внутренней секции 184 ротора 181 для крепления к внешней поверхности 137 износостойкого кольца 160. Выемка 198 на внешней поверхности 137 износостойкого кольца 160 служит для установки буртика или ребра 197 в контакте с внешней поверхностью 137.
Комбинация и конфигурация уплотнительной секции 152, содержащей статорную секцию 147, и ротора 181 содействуют удержанию смазочного материала внутри уплотнительного узла. Когда внутренняя секция 184 и внешняя секция 182 ротора 181 вращаются относительно внешней секции 149 статора 147, создается извилистый тракт, затрудняющий выход смазочного материала из уплотнительного узла. Преимущественно, внешняя секция 149 статора 47 выступает в канал, образованный внешней секцией 182 и внутренней секцией 184 ротора, ориентировочно на половину длины канала, однако такой выступ может составлять от 25 до 75% длины канала или больше. Наличие упругого уплотняющего элемента 157 дополнительно ограничивает выход смазочного материала из уплотнительного узла. Предпочтительный промежуток между секцией 184 ротора 181 и внешней секцией 149 статора 147 составляет номинально 0.030 дюйма (0,08 см), а между внешней секцией 149 статора 147 и внешней секцией 182 ротора 181 также составляет номинально 0.030 дюйма. Следует иметь в виду, что собственно уплотнительная секция 152 обычно изготовлена из соответствующей стали, так же как и ротор 181. Однако за рамки настоящего изобретения не выходит возможность изготовления одного компонента или двух компонентов, выбранных из группы, в которую входят уплотнительная секция 152 и ротор 81, из специально разработанного пластика (полимера) или термопласта, такого как сложный полиэфир или композиционный материал.
Следует иметь в виду, что уплотнительная секция 152 и статор 147 могут быть выполнены в виде единого компонента.