ЭЛАСТИЧНЫЙ ПОДШИПНИК И СПОСОБ ЕГО ТЕКУЩЕГО РЕМОНТА И ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ
ELASTIC BEARING, AND METHOD FOR ITS ROUTINE REPAIR AND MAINTENANCE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к эластичному подшипнику (скольжения), используемому в опорах крупногабаритных, тяжелых и вращающихся элементов. Изобретение может использоваться, например, в опоре башни на борту судна, подъемного крана, моста и т.п., где внешние воздействия оказывают на подшипники большие динамические нагрузки.
Уровень техники
Под подшипником обычно понимают устройство, предназначенное для установки одного элемента в определенное положение по отношению к другому с обеспечением возможности их относительного движения. Элементы имеют соответствующие соприкасающиеся друг с другом опорные поверхности. Как правило, опорные поверхности должны быть покрыты смазкой для снижения их износа, облегчения относительного движения элементов, уменьшения коррозии и т.д. Подшипники и опорные поверхности выбирают исходя из требований к движению элементов и по функциональности, а также требований, предъявляемых к их надежности и долговечности, и в зависимости от эксплуатационных условий, таких как температура, присутствие загрязнений, угроза коррозии, вибрации, циклические нагрузки и т.д.
Особо интересны подшипники скольжения, в которых опорные поверхности элементов обычно разделены тонкой пленкой смазки. В качестве смазки могут использоваться различные типы масел и/или жиров. К термину «подшипник скольжения» относится множество подшипников, в которых относительное движение элементов подшипника предполагает скольжение одной опорной поверхности по другой.
Для изготовления подшипников скольжения, в особенности их опорных поверхностей, используют различные материалы, в том числе металлы, такие как различные литейные железные сплавы, стальные, алюминиевые и медные сплавы и многие другие металлы, различные конструкционные пластмассы, включая и термопластичные и термореактивные пластмассы, различные стекла и керамические материалы, дерево и многие другие материалы.
Подшипники в основном применяются для поглощения нагрузок и/или в опоре одного или нескольких элементов. Элемент может быть вращающимся, как, например, вращающийся вал, или статичным, как, например, мост или что-либо подобное. Подшипник также может быть сконструирован с расчетом на поглощение и осевых, и радиальных нагрузок. Тип подшипника следует выбирать в зависимости от его назначения.
Например, если в какой-либо конструкции присутствуют большие нагрузки, и при этом ее части должны двигаться относительно друг друга, а внешние воздействия вызывают в конструкции с ее подшипниками переменные нагрузки, тогда могут быть применены подшипники скольжения. Подшипник скольжения содержит опорную поверхность, которая может быть изготовлена из металла, сплава или синтетического материала. Такой подшипник должен быть сконструирован так, чтобы выдерживать самые высокие нагрузки, несмотря на то, что такие нагрузки кратковременны.
В результате, однако, подшипник работает не оптимально, так как, с одной стороны, он должен быть способен выдерживать пиковые нагрузки (которые время от времени возникают на коротких временных промежутках), а все остальное время он должен нести обычные нагрузки. При использовании в конструкции подшипника слишком «жесткого» материала он не будет работать при малых нагрузках, в то же время, при использовании слишком «мягкого» материала подшипник может не выдержать кратковременных высоких нагрузок. Компромиссным вариантом поэтому является выбор материала «средней жесткости», работающего во всех случаях, но подверженного, следовательно, большему износу.
Известно использование устройств различных типов для опоры башен, например на судах плавучих систем добычи, хранения и выгрузки (FPSO), причем такими устройствами могут быть подшипники скольжения или качения или колесная подвеска. Все эти технические решения громоздки, дороги и сложны и решают задачу лишь частично. Судно такого типа может подвергнуться значительным воздействиям ветра, течений и волн, что может повлечь за собой динамическую деформацию корпуса судна и, в связи с этим, подшипников и опорных поверхностей.
Раскрытие изобретения
Целью предлагаемого изобретения, в связи со сказанным выше, является создание подшипника, способного воспринимать как обычные, так и большие переменные нагрузки, и меньше подверженного износу опорных поверхностей. Дополнительной целью изобретения является создание подшипника простого и недорогого в производстве, а также простого в техническом обслуживании и текущем ремонте. Кроме того, желательно предложить подшипник, частично или полностью лишенный недостатков существующих подшипников.
Эти задачи решаются в предлагаемом согласно прилагаемой формуле изобретения подшипнике; дополнительные детали изобретения раскрываются в нижеследующем описании.
Предлагаемый согласно изобретению подшипник предназначен, в частности, для использования в опоре башни на борту судна, но он также может применяться для поддержки других крупногабаритных, тяжелых и вращающихся элементов, где эластичный подшипник скольжения должен поглощать различные нагрузки, действующие на него при вращении. В опоре башни несколько подшипников, согласно изобретению, могут располагаться по кругу, для ее поддержки при вращении.
Предлагаемый согласно изобретению подшипник представляет собой эластичный подшипник скольжения. Он содержит корпус и подвижную по отношению к корпусу опорную поверхность, связанную с вкладышем подшипника. Согласно изобретению, вкладыш содержит два или более упругих элемента, имеющих различные модули упругости и установленных один за другим, если смотреть вдоль центральной оси корпуса подшипника, а также средства последовательного поглощения нагрузок, действующих на подшипник. Центральной осью корпуса подшипника является ось, проходящая от опорной поверхности внутрь корпуса и ориентированная по существу перпендикулярно опорной поверхности. Ввиду такой конструкции вкладыша и средств последовательного поглощения нагрузок самый мягкий упругий элемент поглощает самые малые нагрузки, а наиболее жесткий упругий элемент поглощает самые высокие нагрузки.
Между упругими элементами, установленными в корпусе подшипника, может быть размещена, если смотреть вдоль центральной оси, по меньшей мере, одна проставка. Подшипник содержит средства, ограничивающие перемещение проставки относительно корпуса, за счет чего обеспечивается последовательное поглощение нагрузок. В области вокруг одной или нескольких проставок внутренняя часть корпуса подшипника может иметь сквозные отверстия, внутренние вырезы или другие подобные элементы; перемещение проставки относительно корпуса при этом может происходить внутри отверстия или выреза, в то время как, по меньшей мере, один край отверстия или выреза физически ограничивает такое перемещение проставки (или проставок). Тем самым, может быть остановлено дальнейшее сжатие подшипника или упругих элементов вкладыша. Отверстия, вырезы и/или проставка могут быть выполнены с объемами, формами и/или краями, позволяющими проставке поворачиваться на некоторый угол относительно центральной оси корпуса. При воздействии на подшипник больших нагрузок самый мягкий упругий элемент начинает сжиматься, в соответствии с приложенной к нему нагрузкой, но когда его сжатие достигает некого максимально допустимого значения, дальнейшее сжатие становится невозможным из-за того, что ограничительное тело, вследствие той же самой нагрузки, входит в контакт с проставкой. Тем самым, сжатие упругого элемента останавливается благодаря взаимодействию проставки и ограничительного тела. При действии на подшипник нагрузки, большей той, что сжимает самый мягкий упругий элемент до максимально допустимого значения, ограничительное тело и проставка, функционируя совместно, передают нагрузку на более жесткий упругий элемент и предотвращают дальнейшее нагружение более мягкого упругого элемента. В такой конструкции может использоваться два или более слоев упругих элементов, и за счет этого обеспечивается последовательное поглощение нагрузок, такое, что наиболее жесткий упругий элемент принимает на себя самые большие нагрузки без излишнего нагружения более мягких упругих элементов. В одном варианте осуществления изобретения ограничительное тело может быть выполнено в виде стакана, свободно установленного между опорной поверхностью и проставкой или между двумя проставками. В другом варианте ограничительное тело может быть частью элемента, формирующего опорную поверхность; или, в еще одном варианте, оно может быть частью проставки. Ограничительное тело может быть сформировано и сочетанием указанных способов. Кроме того, ограничительное тело может быть выполнено в виде сплошной кольцевой втулки, стержней и любой другой жесткой конструкции, останавливающей дальнейшее сжатие упругого элемента.
Предлагаемый согласно изобретению подшипник также может содержать передающий усилие элемент, установленный между опорной поверхностью подшипника и упругими элементами, или являющийся частью опорной поверхности. В таком варианте осуществления изобретения опорная поверхность является поверхностью передающего усилие элемента. Передающий усилие элемент может содержать модуль или сборку из нескольких отдельных элементов и быть сконструированным таким образом, чтобы компенсировать различные возможные угловые отклонения подшипника. Например, передающий усилие элемент может содержать два подвижных относительно друг друга элемента и, между ними соединительную поверхность в виде части сферы. Кроме того, передающий усилие элемент может быть сконструирован таким образом, чтобы обеспечивать возможность смазки опорной поверхности с помощью установленных в нем смазочных устройств или возможность разгрузки опорной поверхности от подшипника.
Упругие элементы могут быть выполнены предпочтительно из эластомеров, пружин, сжимаемых жидкостей или их комбинаций. Упругие элементы могут располагаться предпочтительно слоями, поперечными центральной оси корпуса, разделяющимися, по меньшей мере, одной проставкой в виде круглой, квадратной или прямоугольной пластины, которая, к тому же, может быть сплошной, полой, кольцеобразной, решетчатой и т.д. Кроме того, пластина может иметь края в виде части сферы для обеспечения возможности наклона пластины. Эти сферические участки краев пластины могут взаимодействовать с вырезами или отверстиями в корпусе, обеспечивая тем самым возможность наклона проставки. Каждой проставке может соответствовать свой вырез в корпусе, и различные вырезы могут быть как различной, так и одинаковой формы.
Предлагаемый согласно изобретению подшипник может использоваться как осевой, или радиальный, или радиально-осевой подшипник. Относительное движение элементов, обеспечиваемое подшипником согласно изобретению, может быть облегчено с помощью смазочных устройств, причем эти устройства могут также использоваться для гидростатической разгрузки подшипника. Смазка также позволяет уменьшить износ опорных поверхностей.
Другое преимущество предлагаемого согласно изобретению подшипника заключается в простоте и легкости проведения текущего ремонта и технического обслуживания. Подшипник прикрепляется своей верхней частью с помощью соответствующих крепежных устройств к поддерживаемому им элементу (под верхней частью здесь подразумевается часть корпуса подшипника, обращенная в сторону, противоположную опорной поверхности); при ремонте или техническом обслуживании крепежные устройства можно будет легко снять, после чего может быть снят корпус подшипника. Таким образом, будет обеспечен доступ к вкладышу подшипника, и, например, можно будет заменить изношенный упругий элемент. В другом варианте, можно будет заменить один или несколько упругих элементов, потерявших жесткость, и продолжить использовать остальные элементы подшипника.
Таким образом, согласно настоящему изобретению, предлагается подшипник, который поглощает действующие на него переменные нагрузки лучшим образом, чем уже известные технические решения, и к тому же за счет конструкции обладает большим эксплуатационным ресурсом, значительно большей гибкостью в отношении проведения технического обслуживания, текущего ремонта и повторного использования в дальнейшем.
Другие преимущества, особенности и признаки предлагаемого изобретения станут ясны из приведенного ниже подробного описания, приложенных графических материалов и формулы изобретения.
Краткое описание графических материалов
На фиг.1 схематически изображен подшипник в разрезе в соответствии с первым вариантом осуществления предлагаемого изобретения.
На фиг.2 схематически изображен подшипник в разрезе в соответствии со вторым вариантом осуществления предлагаемого изобретения.
На фиг.3 схематически изображен подшипник в разрезе в соответствии с третьим вариантом осуществления предлагаемого изобретения.
На фиг.4 представлены частичные виды сбоку и в перспективе подшипника, установленного в опоре башни на борту судна.
Осуществление изобретения
На фиг.1 показан первый вариант осуществления изобретения, в котором эластичный подшипник 1 содержит корпус 2 с аксиальной центральной осью 11, при этом внутри корпуса 2 установлен вкладыш подшипника. Вкладыш содержит средства или элементы 4, 5, 6, 7 для последовательного поглощения нагрузок, воздействующих на подшипник 1 со стороны опорной поверхности 12. Корпус 2 закрывает вкладыш со всех сторон, за исключением той, с которой находится опорная поверхность 12. Корпус 2 может быть замкнутым и тем самым полностью защищать вкладыш от воздействия окружающей среды, или быть более открытым, тем самым формируя вокруг вкладыша опорную конструкцию, но не закрывая его полностью. Корпус 2 крепится к первому элементу, башне 17 (см. также фиг.4), а опорная поверхность 12 прилегает ко второму элементу, судну 16 (ссылка также на фиг.4), подвижность которого относительно первого элемента следует обеспечить, в данном случае чтобы судно и башня могли поворачиваться по отношению друг к другу. Возможна и обратная конфигурация, в которой корпус 2 закреплен на втором элементе, судне 16, а опорная поверхность 12 прилегает к первому элементу, башне 17. Также возможна и конфигурация, сочетающая в себе черты первых двух. В приведенном на фиг.1 примере вкладыш содержит два упругих элемента 4, расположенных слоями, поперечными центральной оси 11 корпуса 2. Эти упругие элементы 4 могут быть изготовлены из любого подходящего материала, но предпочтительно использовать для этого эластомеры, пружины, сжимаемые жидкости и т.п., а также их комбинации.
На фиг.1 передающий усилие элемент 7, установленный между опорной поверхностью 12 и упругими элементами 4, со стороны, противоположной опорной поверхности 12, имеет поверхность в виде части сферы, прилегающую к ответной ей по форме поверхности ограничительного тела 6. Форма этих поверхностей дает возможность опорной поверхности 12, являющейся частью передающего усилие элемента 7, наклоняться или совершать угловое отклонение по отношению к центральной оси 11 подшипника, не заставляя при этом упругие элементы 4 совершать угловое отклонение соответственным образом. Передающий усилие элемент 7 оборудован также подводящим каналом 13 для смазки или гидростатической разгрузки опорной поверхности 12.
Из фиг.1 можно увидеть, что ограничительное тело 6 имеет форму стакана 61 с донной частью 62, образующего в ограничительном теле 6 внутреннюю полость 63, в которой установлен один из упругих элементов 4. В донной части 62 ограничительного тела 6 находится смазочное или разгрузочное устройство 10, содержащее на наружной стороне ограничительного тела 6 подводящее отверстие 64, ведущее в подводящий канал 65. Это устройство сообщается с подводящим каналом 13, выполненным в передающем усилие элементе 7, тем самым обеспечивается возможность смазки опорной поверхности 12 или также возможность гидростатической разгрузки подшипника 1.
Расположенные в два слоя упругие элементы 4 разделены проставкой 5, предназначенной вместе с ограничительным телом 6 для ограничения сжатия наиболее мягкого элемента 4, как это будет подробно описано далее.
На внутренней поверхности корпуса 2 в области расположения проставки 5 выполнен вырез 21. Вместо выреза в корпусе 2 могут быть выполнены сквозные отверстия или прорези. Назначение данной конструкции состоит в остановке дальнейшего сжатия вкладыша в случае действия на подшипник его расчетной максимальной нагрузки. При воздействии на подшипник 1 больших нагрузок наиболее мягкий упругий элемент 4 (на фиг.1 это ближайший к опорной поверхности 12 упругий элемент 4) начинает сжиматься первым. Его сжатие возможно до установления контакта ограничительного тела 6 с проставкой 5, при этом наиболее жесткий упругий элемент 4, на фиг.1 прилегающий к верхней стороне проставки 5, под действием прилагаемой нагрузки не сжимается. После того как наиболее мягкий упругий элемент 4 оказывается сжат настолько, что ограничительное тело 6 и проставка 5 входят в контакт, дальнейшего сжатия наиболее мягкого упругого элемента не происходит. Если подшипник не подвергается действию еще больших нагрузок, то задействованным оказывается только наиболее мягкий упругий элемент 4, и в таком режиме подшипник 1 будет эксплуатироваться большую часть срока своей службы.
Однако при дополнительном нагружении подшипника 1, т.е. при действии нагрузок, превышающих упомянутые выше, наиболее жесткий упругий элемент 4 начнет сжиматься. Это происходит за счет нагрузок, передаваемых передающим усилие элементом 7 через ограничительное тело 6 на проставку 5; причем все эти три элемента, за счет того, что наиболее мягкий упругий элемент уже был максимально возможно сжат, теперь движутся вместе как единое целое, передавая, таким образом, силу давления на наиболее жесткий упругий элемент 4. Однако это сжатие будет остановлено как раз после прохождения проставкой 5 максимального имеющегося расстояния, то есть когда проставка упрется в край 22 вырезов 21 внутри корпуса 2 подшипника.
Кроме того, боковые края проставки 5 могут быть выполнены в виде части сферы, обеспечивающей возможность некоторого наклона проставки 5 относительно корпуса 2.
Упругие характеристики упругого элемента 4 (модуль упругости) определяют в зависимости от предполагаемых нагрузок на конструкцию и некоторых других условий, способных повлиять на эти характеристики, таким образом, что упругая характеристика наиболее мягкого упругого элемента 4 позволяет поглощать стандартные нагрузки, действующие большую часть времени (обычно 85-95% времени). Наиболее жесткий упругий элемент выбирают в зависимости от предельных нагрузок на подшипник (возникающих, например, во время шторма). В результате, наиболее жесткий упругий элемент 4 задействуется только в течение коротких промежутков времени и не часто.
Устройства 10 и 65, установленные в ограничительном теле 6, предназначены для смазки и/или гидростатической разгрузки подшипника. В качестве смазки может применяться любой подходящий материал: от жидкостей, например, таких как вода, масло, мыло, жир, до воздуха и твердых материалов, таких как графит, молибден, тефлон (PTFE) и т.д. На опорной поверхности 12 передающего усилие элемента 7 предусмотрена канавка 71, связанная с подводящим каналом 13, посредством которой облегчается распределение смазки по площади контакта опорной поверхности 12.
Передающий усилие элемент 7 и ограничительное тело 6 также можно соединить с помощью упругих устройств, поглощающих наклон (не проиллюстрировано).
Как показано на фиг.1, в подшипнике 1 предусмотрены сквозные отверстия 15 для крепления подшипника 1 к одному из элементов, к башне 17 или, соответственно, судну 16, при помощи болтов и т.п.
На фиг.2 показан второй вариант осуществления подшипника 1 в соответствии с предлагаемым изобретением. Подшипник 1 все также содержит корпус 2, в котором установлен вкладыш подшипника. Подобно тому, как это было в первом варианте осуществления изобретения, два упругих элемента 4 расположены слоями, поперечными центральной оси 11 корпуса 2.
В данном варианте также, по меньшей мере, одна проставка 5 установлена между упругими элементами 4, для того чтобы совместно с передающим усилие элементом 7 и ограничительным элементом, являющимся в данном варианте частью проставки 5, ограничивать движение наиболее мягкого упругого элемента 4. В соответствии с изложенным, проставка 5 содержит стенки 52, проходящие параллельно оси подшипника 1 в сторону опорной поверхности 12, где эти стенки 52 работают совместно со стенками 72 (ссылка также на фиг.3) передающего усилие элемента 7, проходящими параллельно оси в сторону проставки 5, что позволяет обойтись без ограничительного тела 6. Также следует отметить, что на стороне, обращенной от опорной поверхности, передающий усилие элемент 7 в данном варианте осуществления изобретения имеет, для прилегания к упругому элементу 4, плоскую поверхность 73 (см. также фиг.3), образующую вместе со стенками 72 полость для надежного размещения упругого элемента 4. Кроме того, обращенная радиально вовне поверхность передающего усилие элемента, так же, как и внешние стенки 74 (см. также фиг.3) элемента, выполнены в виде части сферы. Такая частично сферическая конструкция внешних стенок 74 допускает поглощение наклона опорой поверхности 12 относительно центральной оси 11 наиболее мягким упругим элементом 4.
На рисунке также показано, что втулка 9, установленная между корпусом 2 и проставкой 5 и передающим усилие элементом 7, будет поглощать радиальные нагрузки, действующие на подшипник 1, при этом внутренняя сторона промежуточной втулки 9 ответна стенкам формы части сферы передающего усилие элемента 7.
Еще один вариант осуществления подшипника согласно изобретению показан на фиг.3. В этом варианте промежуточная свободно поворачивающаяся втулка 9 отсутствует. Вместо этого, передающий усилие элемент 7 имеет достаточно большой диаметр для опоры на внутреннюю стенку 23 корпуса 2. В этом случае также боковые поверхности передающего усилие элемента 7 выполнены в виде части сферы 74 для поглощения углового отклонения или наклона элемента 7 упругим элементом 4, установленным внутри. Кроме того, передающий усилие элемент 7 имеет стенки 72, проходящие по оси подшипника 1.
Как и во втором варианте осуществления подшипника 1, в данном варианте боковые стороны проставки 5 снабжены частично сферическими поверхностями и стенками 52, проходящими вдоль оси подшипника 1 в сторону передающего усилие элемента 7.
Следует отметить, что стенки 52 и 72, упирающиеся друг в друга во время сжатия, например, наиболее мягкого упругого элемента 4, и образованные в данном варианте осуществления изобретения проставкой 5 и передающим усилие элементом 7, а также образующие ограничительное тело 6, могут быть как частями соответствующего элемента, вставки или детали, так и отдельными элементами, устанавливаемыми между указанными элементами.
На фиг.4 показан предлагаемый согласно изобретению подшипник 1, предназначенный для использования на борту судна 16 (показаны только некоторые части), и башня 17 (показана частично), устанавливаемая на борту судна с обеспечением возможности ее поворота относительно судна. В корпусе 18 судна для установки башни 17 предусмотрено отверстие 19, при этом подшипники скольжения 1 расположены в контактных поверхностях между судном 16 и башней 17. Для ограничения свободы движения башни в корпусе судна предусмотрен кольцевой ход с вертикальными стенками, взаимодействующими с соответствующими вертикальными стенками башни. Из фиг.4 видно, что некоторое количество радиальных подшипников 1 установлено на вертикальных стенках корпуса судна, некоторое количество подшипников 1 установлено на внутренних вертикальных стенках башни для поглощения осевых нагрузок. На этой иллюстрации подшипники установлены по кругу таким образом, что все вместе они образуют кольцо, но возможны и другие способы их установки.
Таким образом, предлагаемое изобретение раскрывается на примере нескольких вариантов осуществления, при этом предполагается, что могут быть и другие варианты его осуществления и использования. Специалисту в данной области техники будет понятно, что можно разработать ряд вариантов и модификаций предложенных устройств в пределах объема изобретения, определенного в прилагаемой формуле изобретения. Так, например, подшипник может быть сформирован с тремя или более слоями упругих элементов, расположенных послойно вдоль его центральной оси.