Рычажное выравнивающее устройство упорного подшипника

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к устройствам для равномерного распределения нагрузки между упорными колодками в упорных подшипниках.
Известна рычажная выравнивающая система Кингсбери в осевых подшипниках, содержащая нижние рычаги, линейно опирающиеся на неподвижную обойму, верхние рычаги, касающиеся нижних рычагов и упорные колодки, опирающиеся на верхние рычаги (Воскресенский В.А. Расчет и проектирование опор скольжения, 1980 г., стр. 153-155; Казанский В.Н. Подшипники и системы смазывания паровых турбин - 3-е изд., 2004 г. стр. 113-115). Если какая-либо колодка почему-то оказывается выше плоскости рабочих поверхностей остальных колодок, входящих в комплект, то она будет вынуждена принять на себя увеличенную нагрузку и отойти вместе с рычагом от упорного диска. При этом промежуточные рычаги повернутся вокруг осей качания и приблизят к упорному диску смежные, менее нагруженные колодки. Такое перемещение будет осуществляться до тех пор, пока осевая нагрузка не будет распределена равномерно по всем колодкам. Однако в подшипнике Кингсбери имеется неравномерность распределения нагрузки, резко возрастающая при неправильном конструировании и изготовлении деталей подшипника. Главной причиной, ухудшающей работу звеньев выравнивающего устройства, является сила трения, возникающая на отдельных участках рычажной системы и препятствующая перемещению рычагов.
Для устранения недостатков исходной рычажной выравнивающей системы Кингсбери упорного подшипника разработано техническое решение (выбрано в качестве прототипа), изложенное в патенте № RU 2305212 C1 (опубликовано 27.08.2007, бюл. №24, патентообладатель Марцинковский B.C.), содержащее упорную колодку, нижние рычаги, верхние рычаги, неподвижную обойму, отличающееся тем, что между верхними и нижними рычагами размещены ролики, опоры нижних рычагов расположены в плоскости контакта между верхними и нижними рычагами, нижние рычаги опираются на неподвижную обойму через сферические опоры, верхние рычаги опираются на неподвижную обойму через ролики и нижние рычаги, а упорная колодка через сферические опоры опирается на верхние рычаги.
Недостатком конструкции, принятой за прототип (так же как и исходной), является то, что при срабатывании распределения выравнивающего устройства от воздействия неравномерной нагрузки на упорные колодки подшипника, происходит смещение центральной точки плоскости контакта колодок с упорным гребнем вала, то есть увеличение среднего значения толщины системы вдоль оси вала за счет того, что смещен центр поворота рычагов относительно плоскости размещения роликов.
Для наглядности приведен расчет кинематической цепи механизма, соответствующего прототипу, включающего 6 нижних опор, 6 нижних рычагов, 12 роликов, 6 верхних рычагов, 6 упорных колодок, механизм замкнут в кольцо. Чертеж фрагмента механизма показан на Фиг. 1. Прижатие колодки 1к на расстояние «h» провоцирует перераспределение в одной плоскости остальных колодок. Наибольший перепад «а» между противоположными колодками 1к и 4к. Колодки распределены равномерно по кольцу, поэтому смещение колодок 2к и 3к определяется через cos 60°. Колодки 5к и 6к и их звенья не показаны, так как их смещения симметричны колодкам 2к и 3к. «R» - смещение центра качания рычагов относительно плоскости, проходящей через центры роликов (одинаковое для всех рычагов). «b» - горизонтальная проекция расстояния между центрами качания рычагов и центрами роликов (одинаковое для всех рычагов). «c1…c5» - расстояния между центрами качания рычагов и центрами соответствующих роликов со стороны колодки «1». «β1…β5» - углы наклона рычагов. Зависимость указанных переменных можно задать формулами:
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
.
Условием наклона плоскости колодок без смещения ее центральной точки является: h=a/2. Для расчета приняты значения: b=50; R=10; h=3.
В формулах для «c1…c5» и «β1…β5» переменные «а» заменены на «2⋅h»
При подстановке значений получается следующее:
c1=50,48762;
β1=3,454414°;
c2=50,29762;
β2=5,231686°;
c3=50,15031;
β3=7,064728°;
c4=50,27246;
β4=5,505643°;
c5=50,43821;
β5=3,877245°;
a=6,411649
h<а/2, следовательно, в результате наклона плоскости колодок при распределении механизмом усилий на колодки центральная точка, лежащая на этой плоскости, смещается в сторону от распределительного механизма.
Таким образом, возникают дополнительные силы трения в системе, и уменьшается осевой зазор в конструкции подшипника. При этом, недостаток может быть несущественным при малых перекосах и значимым при их увеличении, что отразится на эффективности применяемой конструкции.
Задачей заявленного технического решения является создать рычажное выравнивающее устройство упорного подшипника, с максимальными компенсирующими свойствами, без вышеуказанного недостатка, путем оптимизирования условий кинематических связей элементов механизма.
Поставленная задача решается за счет того, что в рычажном выравнивающем устройстве упорного подшипника, содержащем упорные колодки, нижние и верхние рычаги, ролики, неподвижную обойму, в котором нижние рычаги опираются на неподвижную обойму через опоры, верхние рычаги опираются через ролики на нижние рычаги, упорные колодки через упоры опираются на верхние рычаги, центры качания всех рычагов расположены в плоскости центров роликов, установленных между верхними и нижними рычагами, и совпадают с центрами сфер опорных поверхностей рычагов. Нижние и верхние рычаги имеют внутренние опорные сферические поверхности. Упорные колодки передают усилия на верхние рычаги через упоры, так же имеющие внешние сферические поверхности. Диаметры сопрягаемых сфер совпадают, таким образом, что образуют сферическую кинематическую пару. Центры всех сфер в механизме, находящемся в нейтральном состоянии (без перекоса), расположены в одной плоскости с центральными осями роликов.
Полезная модель поясняется следующими фигурами:
Фиг. 2 - схема рычажного выравнивающего устройства упорного подшипника;
Фиг. 3 - кинематическая схема цепи механизма.
Рычажное выравнивающее устройство упорного подшипника содержит упорные колодки 1, нижние 2 и верхние 3 рычаги, ролики 6, неподвижную обойму 7. Нижние рычаги 2 опираются на неподвижную обойму 7 через опоры 4. Верхние рычаги 3 опираются через ролики 6 на нижние рычаги 2. Упорные колодки 1 через упоры 5 опираются на верхние рычаги 3. Цепь механизма замкнута в кольцо. Опоры 4 с нижними 2 рычагами и упоры 5 с верхними 3 рычагами образуют сферические кинематические пары. Центры качания верхних 3 и нижних 2 рычагов перенесены в плоскость, в которой находятся центры роликов 6, это позволяет добиться равномерного перераспределения нагрузок по упорным колодкам 1 без смещения центральной точки плоскости контакта колодок 1 с упорным гребнем вала.
Заявленная полезная модель может быть осуществлена следующим образом.
Кинематическая схема цепи механизма (Фиг. 3) включает 6 нижних опор, 6 нижних рычагов, 12 роликов, 6 верхних рычагов, 6 упорных колодок, механизм замкнут в кольцо. Прижатие колодки 1к на расстояние «h» провоцирует перераспределение в одной плоскости остальных колодок. Наибольший перепад «а» между противоположными колодками 1к и 4к. Колодки распределены равномерно по кольцу, поэтому смещение колодок 2к и 3к определяется через cos 60°. Колодки 5к и 6к и их звенья не показаны, так как их смещения симметричны колодкам 2к и 3к. Центры поворота рычагов расположены в одной плоскости с центральными осями роликов (R=0).
При проверке кинематики рычагов при h=а/2 расчетные формулы сводятся к следующему виду:
;
;
;
;
;
.
Выполняется условие h=a/2, следовательно, смещение центральной точки плоскости колодок отсутствует.
Положительный эффект от использования заявленного технического решения состоит в том, что оно позволяет получить выравнивающее устройство с неподвижным центром плоскости контакта упорных колодок с упорным гребнем вала при срабатывании перераспределения рычагов, таким образом, избежав возникновения дополнительных сил трения в системе, уменьшения осевого зазора в конструкции подшипника, как следствие, достигается эффективное равномерное распределение осевого усилия по всем упорным колодкам подшипника.