РАДИАЛЬНЫЙ ЛЕНТОЧНЫЙ ПОДШИПНИК
FOIL JOURNAL BEARING

Область техники
Настоящее изобретение относится к радиальному ленточному подшипнику.
Предшествующий уровень техники
Подшипник в общем классифицируется на роликовый подшипник (использующий шарик или ролик), самосмазывающийся подшипник (использующий смазочный материал для фрикционного действия), подшипник скольжения (использующий масло), газовый подшипник и магнитный подшипник (использующий силу магнитного поля для бесконтактного действия). Подшипник скольжения подразделяется на гидродинамический подшипник скольжения и гидростатический подшипник скольжения. Гидродинамический подшипник скольжения поддерживает вал, используя давление масла, производимое относительным скольжением. Гидростатический подшипник скольжения поддерживает вал, используя масло под высоким давлением, подаваемое снаружи от подшипника. Газовый подшипник действует аналогично подшипнику скольжения за исключением того, что вместо масла используется газ. В гидростатический газовый подшипник подается сжатый газ из внешнего источника, а в гидродинамическом газовом подшипнике давление производится относительным скольжением.
Гидродинамический газовый подшипник широко используется в применениях быстрого вращения благодаря его низким потерям на трение и отсутствию необходимости в жидком смазочном материале. В частности, он обычно используется в случае сверхскоростных применений, где роликовый подшипник не может использоваться для поддерживания, и в случае, где жидкий смазочный материал не может легко использоваться. Гидродинамический газовый подшипник подразделяется на подшипник, снабженный канавкой, сегментный подшипник и ленточный подшипник. Подшипник, снабженный канавкой, имеет канавку для образования давления, примером которого служит подшипник, снабженный спиральной канавкой. В случае гидродинамического сегментного подшипника с подачей жидкости его условия работы весьма ограничены, и, таким образом, риск поломки за пределами условий работы невыгодно повышается. Например, поскольку его устойчивость быстро снижается, когда условия работы выше или ниже критериев разработки, этот подшипник является очень чувствительным к ударам, перекосу вала и тепловой деформации. Напротив, ленточный подшипник, называемый податливым гидродинамическим подшипником с подачей жидкости, обеспечивает очень высокие эксплуатационные качества, и этот тип подшипника за последние 20 лет быстро развивался. Кроме того, его достаточная долговечность и стабильность были подтверждены в устройстве кондиционирования воздуха для самолетов. В частности, он использовался в машине быстрого вращения, такой как высокоскоростной криогенный турбокомпрессор со скоростью вращения 100000 оборотов в минуту. Этот подшипник может использоваться с незначительным смешиванием жидкости, и его гибкость и возможность получения более низкой цены являются его преимуществом. Ленточный подшипник для самолетов использовался главным образом с 1970 года в машине воздушного охлаждения (МВО), которая является центральным компонентом для управления температурой и давлением внутри кабины в системе контроля влияния окружающей среды (СКВОС). Это можно рассматривать как наиболее подходящий пример использования. В этом применении ленточный подшипник не загрязняет внутреннюю часть кабины, потому что он не имеет системы масляной смазки. Также он обеспечивает возможность стабильной работы в течение длительного периода без планового обслуживания по сравнению с шариковым подшипником. При выходе из строя он преимущественно не приводит к поломке других турбореактивных компонентов. Ленточный подшипник, используемый в Боинге 747, проработал свыше 100000 часов без ремонта.
Раскрытие сущности изобретения
Техническая задача
Ленточный подшипник в общем подразделяется на два типа, то есть листовой тип и гофрированный тип. Как показано на фиг.1, в ленточном подшипнике листового типа множество вкладышей из ленты в форме лопастей расположены в направлении вращения с частично перекрывающимися смежными вкладышами из ленты, в которых должен поддерживаться вал. Как показано на фиг.2, ленточный подшипник гофрированного типа полностью образован единственным вкладышем из ленты, который поддерживается пружиной, расположенной вокруг него. Ленточный подшипник листового типа подходит для случая, где поддерживаемая нагрузка более низкая, а внешнее воздействие является небольшим и его начальный момент вращения преимущественно большой. Напротив, гофрированный подшипник производит вначале маленькую нагрузку и имеет хорошую долговечность и устойчивость. Однако поскольку он имеет сложные конструкцию и условие производства и, в частности, его стабильность не может быть легко гарантирована, во всем мире только две или три компании поддерживают эту технологию. Корпус подшипника снабжен вкладышем из гофрированной ленты, приваренным к его внутренней стороне, и вкладыш из гофрированной ленты служит в качестве пружины. Внутри него верхний вкладыш из ленты приварен к корпусу подшипника, и верхний вкладыш из ленты практически контактирует с валом. Когда вал вращается при втягивании воздуха, верхний вкладыш из ленты и вкладыш из гофрированной ленты деформируются так, что обеспечивается пространство для образования жидкой пленки. В ленточном подшипнике геометрическая конструкция для образования жидкой пленки обеспечивается упругой деформацией верхнего вкладыша из ленты. Когда частота вращения увеличивается, вкладыш из гофрированной ленты вытесняется наружу и вал отклоняется от своего центра, таким образом образуя пространство, имеющее форму сходящегося клина. Между тем, используя свойство деформирования верхнего вкладыша из ленты, можно разработать оптимальную конструкцию, способную производить соответствующее динамическое давление без необходимости в сложном процессе механической обработки. Кроме того, поскольку граница образуется в диаметральном направлении, благоприятно, что она может реагировать надлежащим образом на увеличение диаметра вала, обусловленное высокоскоростным вращением. Эти характеристики полагаются на толщину верхнего вкладыша из ленты и гофрированную конструкцию, поддерживающую верхний вкладыш из ленты. В частности, конструкция вкладыша из гофрированной ленты должна определять, могут ли обеспечиваться устойчивость и демпфирование, требуемые для трансмиссионной передачи, или нет. Поэтому конструкция, толщина, высота, шаг, количество вкладышей из гофрированной ленты или подобные параметры являются критическими факторами для определения эксплуатационных показателей ленточного подшипника гофрированного типа.
Кроме того, подшипник для военных целей нуждается в способности выдерживать более высокую скорость вращения и жесткие условия эксплуатации и удары. Практически эти требования относительно высокой скорости, высокой выходной мощности и высокой эффективности двигателя постоянного тока без щеток не могут быть выполнены с помощью обычных подшипников с нефтяным смазочным материалом. Кроме того, он должен выдерживать в достаточной мере смещение от заданного положения, нагрев и вибрацию. Для получения максимальной поддерживающей способности вкладыш из гофрированной ленты может быть разделен по осевому и вращательному направлению.
Патентами, раскрывающими известные конструкции, являются патенты США №№ 4,300,806, 5,915,841, 5,988,885, 4,465,384, 5,498,083, 5,584,582, 6,024,491, 6,190,048 В1, 4,624,583, 3,893,733, 3,809,443, 4,178,046, 4,654,939, 4,005,914, 5,911,511, 5,534,723, 5,427,455 и 5,866,518.
Основной принцип был запатентован в 1970-ых годах. Была выполнена модификация вкладыша из гофрированной ленты и верхнего вкладыша из ленты, чтобы улучшить их эксплуатационные показатели. Патент США №5,866,518 раскрывает сухую смазку из мягкого металла, которую можно применять в высокотемпературных применениях и которая имеет хорошее свойство адгезионности.
Техническое решение
Настоящее изобретение относится к ленточному подшипнику гофрированного типа, который имеет улучшенные эксплуатационные показатели наряду с улучшенной производительностью. Здесь термин “эксплуатационные показатели” обозначает несущую способность и стабильность. Даже при том, что он имеет хорошую несущую способность, его нельзя легко использовать без соответствующей стабильности. Также, даже если он обеспечивает стабильность, его нельзя использовать на практике без адекватной поддерживающей способности.
Фиг.1 и 2 изображают типичный подшипник, который обычно используется. Известно, что подшипник гофрированного типа имеет несущую способность, более чем в два раза превышающую несущую способность подшипника листового типа, но является трудным в обеспечении стабильности, поэтому нелегко разработать подшипник с более высокими эксплуатационными показателями.
Кроме того, изобретение относится к ленточному подшипнику гофрированного типа, который обеспечивает хорошую поддерживающую способность и стабильность, таким образом обеспечивая практичный ленточный подшипник гофрированного типа. Также в сборке подшипника производительность невыгодно снижена по причине точности. Он имеет конструктивную трудность, в которой при повышенной температуре (ниже 400°C) его требуется соответственно охлаждать, и, таким образом, эффективность всей системы снижается из-за ее охлаждения. При сверхвысокой температуре (ниже 800°C) должен использоваться смазочный материал из мягкого металла. Поэтому должен быть разработан материал, имеющий хорошую адгезионную способность для применения его для вала. Характеристика смазочного материала ограничена, и это приводит к более высокой стоимости покрытия.
Поэтому целью настоящего изобретения является улучшение несущей способности радиального ленточного подшипника при обеспечении высокой производительности, обеспечение широкого диапазона устойчивости подшипника для использования с более высокой стабильностью при высокой скорости и высокой температуре.
Дополнительной целью настоящего изобретения является значительное повышение его цены и эксплуатационных показателей, используя материал покрытия, имеющий низкую адгезионную способность.
Описание чертежей
Дополнительные цели и преимущества настоящего изобретения можно более полно понять из последующего подробного описания, приведенного со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее:
фиг.1 иллюстрирует традиционный радиальный ленточный подшипник листового типа;
фиг.2 иллюстрирует традиционный радиальный ленточный подшипник гофрированного типа;
фиг.3 иллюстрирует радиальный ленточный подшипник согласно одному варианту осуществления изобретения;
фиг.4 представляет частично увеличенное изображение радиального ленточного подшипника, показанного на фиг.3.
Лучший вариант осуществления изобретения
Ниже будут подробно описаны предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Подшипник с вкладышем из гофрированной ленты согласно одному варианту осуществления изобретения представляет собой общий тип подшипника, как показано на фиг.2. Подшипник с вкладышем из гофрированной ленты по изобретению содержит верхний вкладыш 1 из ленты, шпонку 2, внутренний вкладыш 3 из гофрированной ленты, внешний вкладыш 4 из гофрированной ленты, противоударный лист 5, корпус 6 и шпоночную канавку 7.
Между валом и верхним вкладышем 1 из ленты существует тонкий промежуток. Окружающий воздух или газ служит как смазочное масло. Верхний вкладыш 1 из ленты имеет форму, отличную от окружности, из-за давления, оказываемого воздушным потоком, производимым от скорости вращения вала, таким образом дополнительно увеличивая его поддерживающее усилие. Поэтому устойчивость вкладышей 3 и 4 из гофрированной ленты и толщина верхнего вкладыша 1 из ленты имеют значение при определении их поддерживающего усилия. Поведение вкладыша из гофрированной ленты, который поддерживает верхний вкладыш 1 из ленты, определяет поддерживающую способность и стабильность. Кроме того, эксплуатационные показатели зависят от характеристик вкладышей 3 и 4 из гофрированной ленты, которые поддерживают верхний вкладыш 1 из ленты. Поэтому настоящее изобретение предназначено для улучшения эксплуатационных показателей и экономической эффективности посредством изменения конструкции вкладышей 3 и 4 из гофрированной ленты и верхнего вкладыша 1 из ленты.
Толщину верхнего вкладыша из ленты выполняют соответствующим образом большей, чем в традиционном случае (0,1t в случае подшипника, имеющего диаметр 60 мм), так что могут быть выполнены токарная обработка и шлифование внутреннего диаметра. Поэтому производительность и точность могут быть улучшены и форма подшипника может поддерживаться на более низкой скорости вращения так, чтобы фрикционная нагрузка могла быть ослаблена, чтобы таким образом снизить его износ. Также может быть уменьшена высокотемпературная деформация, чтобы таким образом снизить степень требуемого охлаждения. То есть толщину верхнего вкладыша 1 из ленты делают превышающей величину
0,33
t≥0,1·D
(t - толщина (мм), D - диаметр вала (мм)), чтобы, следовательно, эксплуатационные показатели и производительность увеличились. Кроме того, может быть выполнена шлифовка внутреннего диаметра верхнего вкладыша из ленты. Поэтому в том случае, где используется сухая смазка из мягкого металла, смазочный материал напыляют на внутренний диаметр верхнего вкладыша из ленты, используя процесс плазменной плавки-напыления или подобный процесс и затем шлифование, таким образом избегая трудности, заключающейся в необходимости разрабатывать сухую смазку, имеющую сильную адгезионную способность, и напылять ее на наружный диаметр вала, который затем шлифуется. Таким образом, для достижения высоких эксплуатационных показателей, производя более толстый верхний вкладыш 2 из ленты, вместе с ним следует использовать вкладыш из гофрированной ленты, имеющий хорошую характеристику в широком диапазоне нагрузки.
Вкладыши 3, 4 из гофрированной ленты, подлежащие использованию вместе с более толстым верхним вкладышем 1 из ленты, могут равномерно передавать нагрузку верхнему вкладышу 1 из ленты даже в случае, где количество гофров низкое (а их шаг большой). Поэтому высокий внутренний вкладыш из гофрированной ленты и низкий внутренний вкладыш из гофрированной ленты поочередно расположены таким образом, что внешний вкладыш 4 из гофрированной ленты помещен только под высоким внутренним вкладышем 3 из гофрированной ленты. Следовательно, он может иметь трехступенчатый колебательный эффект устойчивости, хотя используется конструкция с двумя слоями. Когда вкладыш из гофрированной ленты сжимается, устойчивость не изменяется линейно. То есть его конструкция такова, что устойчивость может увеличиваться в виде уравнения второго или третьего порядка, таким образом обеспечивая стабильность в широком диапазоне частот вращения.
Внутренний вкладыш 3 из гофрированной ленты образован из более высоких и более низких гофров, выполненных поочередно. Таким образом, когда верхний вкладыш из ленты прижимается, устойчивость увеличивается двухступенчатым способом. Когда верхний вкладыш 1 из ленты прижимается дополнительно, внешний вкладыш 4 из гофрированной ленты также прижимается таким образом, что устойчивость может увеличиваться трехступенчатым способом. Высота внешнего вкладыша 4 из гофрированной ленты подобна более низкой высоте внутреннего вкладыша 3 из гофрированной ленты, и таким образом, толщина может быть увеличена для увеличения его устойчивости.
Промышленная применимость
Как описано выше, устойчивость вкладышей 3 и 4 из гофрированной ленты изменяется трехступенчатым способом таким образом, что может поддерживаться высокая и низкая нагрузка. Благодаря эффекту демпфирования, вызываемому устойчивостью и трехступенчатой нелинейностью устойчивости, может быть гарантирована стабильность, таким образом обеспечивая возможность функционирования близко к критической скорости. Внешний вкладыш 4 расположен с большим шагом внутреннего вкладыша 3, так что точность сборки может быть снижена и количество процессов для монтажа с внутренним диаметром корпуса 6 может быть сокращено, таким образом повышая производительность. Поскольку верхний вкладыш из ленты имеет большую толщину, его можно использовать вплоть до критической температуры, таким образом улучшая его эффективность. Это происходит потому, что устойчивость самого толстого вкладыша из ленты устраняет высокотемпературную деформацию, и, таким образом, охлаждение не требуется или требуется в меньшей степени. В результате настоящее изобретение преодолевает недостатки в предшествующем уровне техники, которые состоят в том, что обычный ленточный подшипник является дорогостоящим, его нельзя производить в большом количестве и он не может легко применяться в высокотемпературном применении. Таким образом, согласно изобретению ленточный подшипник может широко использоваться в промышленных или гражданских машинах.
Другое преимущество, обусловленное более толстым верхним вкладышем из ленты, заключается в том, что сам верхний вкладыш из ленты может сохранять свою форму, и таким образом, верхний вкладыш из ленты и вкладыш из гофрированной ленты не требуется приваривать непосредственно к корпусу, тем самым обеспечивая упрощенную конструкцию. Внутренний вкладыш 3 из гофрированной ленты и внешний вкладыш 4 из гофрированной ленты просто приваривают точечной сваркой к противоударному листу 5, который затем требуется только смонтировать с корпусом 6 наряду с верхним вкладышем 1 из ленты. Приваривают шпонку 2 и прикрепляют к верхнему вкладышу 1 из ленты. Корпус 6 имеет шпоночную канавку 7 для предотвращения вращение шпонки. Следовательно, трудность, связанная с традиционным устройством, где все компоненты должны быть приварены к внутреннему диаметру корпуса 6, преодолена, тем самым повышая производительность.
Преимуществом более толстого верхнего вкладыша из ленты является то, что действует маленький пусковой крутящий момент. Поскольку форма подшипника поддерживается от запуска, благодаря низкому трению нагрузка при запуске низкая, посредством чего продлевается срок службы подшипника.
Хотя настоящее изобретение было описано в отношении конкретных иллюстративных вариантов осуществления, оно не должно быть ограничено этими вариантами осуществления, а только прилагаемой формулой изобретения. Следует учесть, что специалисты в данной области техники могут изменять или модифицировать варианты осуществления, не выходя при этом за рамки объема и сущности настоящего изобретения.