ДВУНАПРАВЛЕННЫЙ УПОРНЫЙ ПОДШИПНИК СО СМЕЩЕННОЙ ОСЬЮ НАКЛОНА СЕГМЕНТОВ
BIDIRECTIONAL THRUST BEARING WITH SHIFTED AXIS OF SEGMENTS INCLINATION

Область техники
Изобретение относится к подшипникам, в частности к конструкциям двунаправленных упорных подшипников с самоустанавливающимися сегментами.
Уровень техники
Широко известные в технике опоры вращения обеспечивают сопряжение вращающейся конструкции с контактной поверхностью. Обычно используют вкладыш или вкладыши (сегменты) какого-либо типа для оптимизации взаимодействия между опорой и вращающейся конструкцией и для передачи осевых усилий.
Несущая способность подшипника в значительной степени зависит от поверхности контакта сегментов в подшипнике. Было установлено, что для улучшения передачи осевых усилий указанную поверхность контакта можно дополнительно оптимизировать за счет наклона сегментов подшипника, что позволяет уменьшить силы трения. Повышение несущей способности достигается уменьшением трения в результате регулируемого аквапланирования. Указанная конструкция упорного подшипника с наклонными сегментами известна. Как правило, подшипники указанной конструкции с наклонными сегментами содержат группу зафиксированных сегментов, которые наклонены для заданного направления вращения, например вращения вперед. Преимущество этих конструкций состоит в том, что может быть обеспечено гидропланирование.
Также известно, что при смещении оси наклона опорных сегментов можно дополнительно оптимизировать работу подшипника. Например, смещение оси поворота опорного сегмента приводит к повышению несущей способности подшипника, что подтверждается графиком, представленным на фиг.9. В результате исследований установлено, что при смещении осей поворотных сегментов в направлении вращения можно дополнительно повысить несущую способность упорного подшипника, например, на 50 - 100%. Таким образом, смещение оси наклона сегментов упорного подшипника является весьма желательным.
Серьезным недостатком конструкции упорного подшипника с наклоненными или расположенными под углом сегментами является то, что при высокооптимизированном вращении в направлении вперед вращение в обратном направлении является чрезвычайно неэффективным, поскольку наклоненные сегменты оптимизированы только в направлении вращения вперед. Однако при различных условиях эксплуатации подшипников часто требуется изменение направления вращения, так что существует необходимость в разработке двунаправленного упорного подшипника с оптимальным гидропланированием наклоненных упорных сегментов.
Предпринимались многочисленные попытки создания двунаправленного упорного подшипника с наклоненными сегментами. Сегменты в таких подшипниках могут качаться назад и вперед относительно их продольной оси, которая пересекает центральную ось вращения устройства. Известные наклоненные сегменты установлены на какой-либо опоре, выполненной на нижней стороне самого сегмента или на каком-либо несущем элементе, на который опирается сегмент. При изменении направления вращения на обратное сегменты автоматически наклоняются в противоположном направлении, обеспечивая желательное гидропланирование и повышенную несущую способность. Таким образом, требуется обеспечить наклон 50/50 переднего края сегментов в обоих направлениях вращения, чтобы достигалась одинаковая несущая способность, как в прямом, так и в обратном направлениях.
Однако следует отметить, что в описанной выше двунаправленной конструкции с фиксированными осями сегментов не может быть выполнено требуемое смещение осей наклона сегментов. Это связано с тем, что смещение осей наклона может быть оптимизировано только в одном направлении, например в направлении вращения вперед, когда оси наклона сегментов зафиксированы. Таким образом, когда направление вращения изменено на обратное, то же самое фиксированное смещение осей окажет весьма неблагоприятное влияние на несущую способность подшипника. В связи с этим в конструкции двунаправленного упорного подшипника с наклоненными сегментами, как правило, не может применяться оптимальное смещение оси наклона сегментов, и сегменты должны располагаться на опоре с одинаковым наклоном 50/50, как при направлении вращения вперед, так и при направлении вращения назад. При такой конструкции подшипника приходится жертвовать оптимизацией несущей способности за счет смещения наклона сегментов, чтобы обеспечить двунаправленность подшипника и поддерживать относительно высокую несущую способность при вращении в обоих направлениях. Таким образом, невозможно обеспечить, чтобы конструкция упорного подшипника была одновременно двунаправленной и обладала оптимальной несущей способностью за счет смещения осей наклона сегментов как в прямом, так и в обратном направлениях вращения.
Исходя из вышеизложенного имеется потребность в создании конструкции упорного подшипника с оптимизированной несущей поверхностью, имеющего повышенную несущую способность.
Также существует потребность в подшипнике, конструкция которого позволяет использовать его как при вращении в направлениях как вперед, так и назад, благодаря чему нет необходимости создавать на складе запас разных подшипников, используемых для разных направлений вращения.
Имеется потребность в подшипнике, конструкция которого позволяет изменять направление вращения данного устройства на обратное с поддержанием оптимальной несущей способности без необходимости использования другого подшипника.
Имеется потребность в двунаправленном подшипнике.
Имеется потребность в подшипнике, в котором при изменении направления вращения смещается ось наклона сегментов.
Кроме того, имеется потребность в подшипнике, в котором поддерживается смещение оси наклона сегментов независимо от направления вращения подшипника.
Раскрытие изобретения
Согласно настоящему изобретению сохраняются преимущества известных двунаправленных подшипников, но при этом обеспечиваются новые преимущества, которыми не обладают существующие в настоящее время двунаправленные подшипники, и устраняются многие их недостатки.
Основной задачей изобретения является создание нового двунаправленного упорного подшипника со смещаемой осью наклона сегментов. В подшипнике имеется несущий элемент, который имеет первую сторону, вторую сторону и наружную окружную стенку. Предпочтительно несущий элемент является кольцеобразным и имеет центральную ось. На первой стороне кольцеобразного несущего элемента расположено множество продольных выступов, продольная ось каждого из которых выступа проходит через центральную ось кольцеобразного несущего элемента.
Опорные сегменты имеют переднюю сторону и заднюю сторону и расположены, например, по окружности несущего элемента таким образом, что соответствующие задние стороны опорных сегментов находятся в скользящем контакте с продольными выступами на несущем элементе. Опорные сегменты выполнены с возможностью перемещения относительно несущего элемента вокруг его центральной оси между первым угловым положением и вторым угловым положением. Оси наклона опорных сегментов смещены в первом направлении, когда сегменты находятся в первом угловом положении, и смещены во втором направлении, когда сегменты находятся во втором угловом положении. Например, оси наклона опорных сегментов смещены в отношении приблизительно 60%-40%, при этом ведущая сторона опорного сегмента составляет 60% как в первом, так и во втором угловых положениях. Опорные сегменты перемещаются от одного выступа к смежному выступу, переходя из первого углового положения во второе и, соответственно, из второго углового положения в первое.
Предпочтительно имеется сепаратор, позволяющий расположить опорные сегменты по окружности и поддерживать их определенное положение относительно расположенных под ними соответствующих выступов. В боковой стенке сепаратора может быть выполнена прорезь, в которой располагается выходящий наружу от боковой стенки несущего элемента штифт, способный скользить в этой прорези, определяя первое и второе угловые положения опорных сегментов.
Опорные сегменты автоматически перемещаются в первое угловое положение, когда несущий элемент вращается в направлении против часовой стрелки, и во второе угловое положение, когда несущий элемент вращается в направлении по часовой стрелке. В результате, передние стороны опорных сегментов образуют оптимизированную несущую поверхность.
Таким образом, задача настоящего изобретения состоит в создании подшипника, который имеет оптимизированную несущую поверхность.
Другая задача настоящего изобретения состоит в создании подшипника с повышенной несущей способностью.
Задача настоящего изобретения состоит также в создании подшипника, конструкция которого позволяет использовать его при вращении как в прямом, так и в обратном направлениях, благодаря чему нет необходимости создавать на складе запас разных подшипников, используемых для разных направлений вращения.
Другая задача настоящего изобретения состоит в создании подшипника, конструкция которого позволяет изменять направление вращения данного устройства на обратное с поддержанием оптимальной несущей способности подшипника без необходимости использования другого подшипника.
Следующая задача настоящего изобретения состоит в создании двунаправленного подшипника.
Другая задача настоящего изобретения состоит в создании подшипника, в котором при изменении направления вращения ось наклона сегментов смещается.
Еще одна задача настоящего изобретения состоит в создании подшипника, в котором поддерживается смещение оси наклона сегментов независимо от направления вращения подшипника.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения, а также дополнительные задачи и соответствующие преимущества станут более понятны из дальнейшего подробного описания со ссылкой на чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показан двунаправленный упорный подшипник со смещаемой осью наклона сегментов согласно настоящему изобретению, вид спереди в перспективе;
на фиг.2 - то же, вид сзади в перспективе;
на фиг.3 - упорный подшипник, показанный на фиг.1, в разобранном виде, вид спереди в перспективе;
на фиг.4 - опорные сегменты подшипника, показанного на фиг.1, вид сзади в перспективе;
на фиг.5 - упорный подшипник, показанный на фиг.1, в котором сепаратор находится в положении вращения против часовой стрелки, а два опорных сегмента удалены с иллюстративной целью, вид спереди в перспективе;
на фиг.6 - упорный подшипник, показанный на фиг.1, в котором сепаратор находится в положении вращения по часовой стрелке, а два опорных сегмента удалены с иллюстративной целью, вид спереди в перспективе;
на фиг.7 - сечение по линии 7-7 на фиг.5;
на фиг.8 - сечение по линии 8-8 на фиг.6;
на фиг.9 - сравнительный график несущей способности подшипника с опорными сегментами, имеющими центральную ось поворота, и подшипника с опорными сегментами, имеющими смещенную ось поворота.
Осуществление изобретения
Как показано на фиг.1 и 2, двунаправленный упорный подшипник 10 со смещаемой осью наклона сегментов включает в себя группу сегментов 12, которые свободно поддерживаются внешним сепаратором 14, когда он находится в зацеплении с несущим элементом 16. Сегменты 12 расположены в посадочных местах 14а сепаратора 14. При необходимости в зависимости от применения подшипника 10 на сегменты 12 может быть нанесен дополнительный слой или покрытие 12е. Сегменты имеют трапециевидную форму, как показано на чертежах, однако они могут иметь любую форму в соответствии с требованиями, предъявляемыми к подшипнику 10.
Как будет описано далее, сепаратор 14 и несущий элемент 16 предпочтительно соединены друг с другом с возможностью вращения определенным образом для того, чтобы ограничить степень перемещения сегментов 12 по несущему элементу 16. В предпочтительном варианте осуществления изобретения, представленном на фиг.1 и 2, к несущему элементу 16 присоединен штифт 18, проходящий через прорезь 14с в боковой стенке 14b сепаратора 14. С противоположной стороны подшипника 10 имеются другая прорезь 14с и другой штифт 18, которые не видны на фиг.1 и 2. Штифты и прорези показаны на фиг.3. Сегменты 12 расположены в сепараторе 14 в соответствующих посадочных местах 14а, и вращательное движение сепаратора 14 приводит сегменты 12 в движение. Сегменты 12 выступают над сепаратором на расстояние, которое зависит от применения и требований, предъявляемых к подшипнику 10, так, чтобы сегменты 12 могли эффективно обеспечивать необходимое снижение трения и выполнять функцию опоры.
Ограничение перемещения сепаратора 14 относительно несущего элемента 16 приводит к регулированию перемещения сегментов 12. Следует понимать, что конфигурация штифта 18 и прорези 14с, показанная на фиг.1 и 2, является только одной из многих возможных конфигураций, чтобы регулировать вращательное перемещение сегментов 12 относительно несущего элемента 16. Как будет описано ниже, перемещение сегментов 12 относительно несущего элемента 16 имеет большое значение, поскольку направление наклона сегментов 12 зависит от их положения относительно несущего элемента 16.
На фиг.2 показана задняя сторона упорного подшипника 10. Следует понимать, что указанный подшипник 10 может быть закреплен посредством задней поверхности 16а несущего элемента 16 на поверхности любого устройства, для которого требуется такая опора вращения. Например, несущий элемент 16 может быть закреплен болтами, или закреплен иначе на опоре долота или другой детали оборудования (не показано). Подшипник 10 может быть установлен в корпусе редуктора и, например, заполнен маслом или другой смазкой (не показано). Взаимодействие смазки с наклонными сегментами 12 обеспечивает требуемое гидропланирование для повышения несущей способности подшипника 10 в сборе.
На фиг.3 и 4 показаны дополнительные детали подшипника в сборе согласно настоящему изобретению. Предпочтительно несущий элемент 16 по своей конфигурации является кольцеобразным и предпочтительно имеет центральное отверстие 16с, но в зависимости от условий монтажа может и не иметь этого отверстия 16с. На передней поверхности 16b несущего элемента 16 выполнена группа продольных прямых выступов 20. Эти выступы 20 расположены по окружности несущего элемента 16, и каждый выступ направлен вдоль оси, которая проходит через центральную ось вращения несущего элемента 16. Выступы могут быть круглой и прямоугольной формы в зависимости от применения и требуемых характеристик наклона сегментов. Выступы 20 могут иметь любую высоту, подходящую для обеспечения требуемого наклона сегментов. Например, выступы 20 могут иметь высоту в несколько тысячных дюйма и длину, составляющую примерно от 90% радиальной длины сегмента до очень небольшой величины, когда выступы по существу являются точечными. По существу выступ 20 может иметь любой размер или любую конфигурацию в соответствии с требованиями, предъявляемыми к подшипнику, а именно соответственно требуемому наклону сегментов 12. Они могут быть установлены на несущий элемент 16 или могут быть выполнены за одно целое с ним путем механической обработки. Конструкция согласно настоящему изобретению значительно отличается от известных конструкций, в которых опора, образующая ось поворота, выполнена непосредственно на задней стороне сегмента путем механической обработки, образуя фиксированную ось для наклона. Количество выступов 20 может быть любым в зависимости от конкретного применения подшипника. На чертежах показан подшипник, несущий элемент которого имеет шесть выступов 20.
По окружности несущего элемента 16 расположена группа опорных сегментов 12. Предпочтительно количество опорных сегментов 12 равно количеству выступов 20, так что в заданном месте для осуществления наклона каждого сегмента 12 имеется соответствующий выступ 20. Как будет показано и описано ниже, определенному сегменту 12 соответствует один выступ 20, обеспечивающий наклон сегмента в заданном направлении. Когда направление вращения изменяется на обратное, используется другой выступ 20 для наклона указанного сегмента 12 в обратном направлении. Нижние стороны опорных сегментов 12 хорошо видны на фиг.4. Как можно видеть, сегменты 12 имеют контактную поверхность 12а, которая, взаимодействуя с выступами 20, обеспечивает возможность смещения оси наклона в соответствии с настоящим изобретением. Сегменты 12 также имеют наклонные боковые поверхности 12b, способствующие перемещению сегментов 12 от одного выступа 20 к другому, когда вращение подшипника 10 изменяется на обратное, и требуется поддержание оптимального смещения оси поворота, образованной выступами 20, независимо от направления вращения подшипника 10.
Как показано на фиг.3, сепаратор 14 имеет группу посадочных мест 14а, которые выполнены таким образом, чтобы в них свободно располагались опорные сегменты 12. Предпочтительно количество посадочных мест 14а в сепараторе равно количеству сегментов 12 и выступов 20. Опорные сегменты 20 вставляют в сепаратор 14 снизу таким образом, чтобы внутренние грани посадочных мест 14а прилегали к боковым стенкам 12 с опорных сегментов 12, благодаря чему сегменты 12 удерживаются в своем посадочном месте, как правило, выровненными. Каждый из сегментов 12 содержит пару стопорных выступов 12d, которые обеспечивают удержание сегментов между сепаратором 14 и передней поверхностью 16b несущего элемента 16. Для указанной цели могут использоваться и другие конструкции. Стопорные выступы 12d позволяют сегментам 12 свободно наклоняться в сепараторе 14, когда контактная поверхность 12а сегментов 12 находится в контакте с соответствующими выступами 20, которые размещены на передней поверхности 16b несущего элемента 16.
Сепаратор 14 также имеет направленную вниз боковую стенку 14b, которая охватывает наружную окружную стенку 16d несущего элемента 16. Предпочтительно боковая стенка 14b сепаратора 14 имеет одну, две или более проходящих по окружности прорезей 14с, в которых располагаются соответствующие штифты 18, соединенные с окружной торцевой стенкой 16d несущего элемента 16. На чертежах показан пример конструкции с двумя противоположно расположенными штифтами 18 и прорезями 14с. Штифты 18 могут быть выполнены, например, в виде болтов, ввинченных в соответствующие резьбовые отверстия 16е на наружной окружной стенке 16d несущего элемента 16. Предпочтительно штифты 18 и прорези 14с расположены с обеих сторон подшипника 10, чтобы фиксирующая конструкция была сбалансирована. Это является одним из примеров крепления сепаратора 14 с возможностью поворота на несущем элементе 16. Фиксирующая конструкция может быть изменена, например, полностью: прорези могут быть выполнены в несущем элементе 16, а штифты, расположенные в этих прорезях, закреплены на сепараторе 14. Таким образом, как показано на фиг.3, штифты 18 и прорези 14с используются для закрепления сепаратора 14с установленными в нем сегментами 12 на несущем элементе 16.
На фиг.5-8 показан принцип работы двунаправленного упорного подшипника 10 со смещаемой осью наклона сегментов при прямом и обратном вращении. На фиг.5 и 7 показан подшипник согласно настоящему изобретению, который вращается в первом направлении, названном направлением «вперед» только. Следует отметить, что термин «вперед» обозначает направление вращения подшипника 10 в устройстве, в котором он применяется. На фиг.6 и 8 показан подшипник согласно настоящему изобретению, который вращается во втором направлении, которое для удобства изложения названо направлением «назад». Кроме того, для облегчения понимания на фиг.5 и 6 два сегмента 12 показаны пунктирными линиями, чтобы было видно взаимодействие выступов 20 с сегментами 12.
На фиг.5 показан несущий элемент 16, вращающийся в направлении против часовой стрелки, являющемся направлением вращения «вперед» устройства (не показано), в котором он установлен. Вращение несущего элемента 16 заставляет штифты 18, соединенные с торцевой стенкой 16d несущего элемента 16, перемещаться в соответствующих прорезях 14с, выполненных в боковых стенках 14b сепаратора 14. Перемещение останавливается, когда штифт 18 достигает конца прорези 14с. На фиг.5 показано расположение только одного штифта 18 и прорези 14с, но следует понимать, что с противоположной стороны подшипника 10 подобным образом выполнена другая пара прорезь 14с - штифт 18. В результате сепаратор 14 и сегменты 12, расположенные в посадочных местах 14а, вращаются совместно в направлении по часовой стрелке до тех пор, пока штифт 18 не достигнет конца соответствующей прорези 14с. На фиг.5 показан конечный этап перемещения штифтов 18 в прорезях 14с. При дальнейшем вращении несущего элемента 16 против часовой стрелки сепаратор 14 и сегменты 12 также вращаются против часовой стрелки. Это приводит к тому, что сегменты 12-А - 12-F устанавливаются на соответствующих выступах 20-А - 20-F, которые выполняют функцию соответствующей оси поворота при наклоне сегмента.
Как показано на фиг.5, за счет определенного положения штифтов 18 в прорезях 14с сегменты 12-А - 12-F устанавливаются на выступах 20-А - 20-F соответственно, благодаря чему обеспечивается изменение наклона. Как показано на фиг.7, когда несущий элемент 16 вращается против часовой стрелки в направлении А вперед, выступы 20 располагаются под правой стороной сегментов 12, за счет чего левая сторона сегментов 12 наклоняется вниз. В этом случае, предпочтительно, наклон сегмента вперед осуществляется в соотношении 60% на 40%, причем ведущая грань или сторона составляет 60%, а задняя грань или сторона составляет 40%. Таким образом, когда несущий элемент 16 вращается в направлении А, ведущая сторона, составляющая 60%, наклоняется вниз, в результате чего оптимально повышается несущая способность подшипника.
Направление вращения подшипника 10 согласно настоящему изобретению может изменяться на противоположное, при этом обеспечивается изменение наклона сегментов 12 для оптимизации работы подшипника. Это показано на фиг.6 и 8. Как показано на фиг.6, направление вращения «вперед» несущего элемента 16 против часовой стрелки изменяется на направление вращения «назад» по часовой стрелке. При вращении несущего элемента 16 штифты 18 перемещаются в противоположный конец соответствующих прорезей 14с, как показано на фиг.6. Перемещение останавливается, когда штифт 18 достигает другого конца прорези 14с (внизу прорези 14с, показанной на фиг.6). Дальнейшее вращение несущего элемента 16 заставляет сегменты 12-А - 12-F и сепаратор 14 также перемещаться по часовой стрелке. Перемещение сегментов 12-А -12-F по выступам 20-А - 20-F на несущем элементе 16 происходит соответственно перемещению штифтов 18 в соответствующих прорезях 14с. Конкретнее, регулируемый частичный поворот сегментов 12 на выступах 20 заставляет выступы перемещаться к соседнему сегменту 12 направо. Например, как показано на фиг.6, выступ 20-А перемещается и располагается под сегментом 12-В. Другие выступы 20 перемещаются аналогичным образом.
Как показано на фиг.6 и 8, несущий элемент 16 вращается назад в направлении В, причем величина угла поворота сегментов меньше угловой величины, получаемой при делении 360° на количество сегментов 12 (и выступов 20). Например, согласно представленному на чертежах варианту осуществления изобретения шесть сегментов 12 и шесть соответствующих выступов 20 расположены на угловом расстоянии друг от друга приблизительно 60. Однако величина требуемого угла поворота, который регулируется штифтами 18, перемещаемыми в прорезях 14с, составляет меньше 60°, поскольку желательно, чтобы изменение наклона происходило в обоих направлениях. В связи с этим каждый выступ 20 располагается, соответственно, под правой стороной сегмента 12, как показано на фиг.5 и 7, а при изменении направления вращения подшипника на обратное выступ 20 перемещается и располагается под левой стороной соседнего сегмента, как показано на фиг.6 и 8. Указанная величина угла поворота составляет, предпочтительно, 360/количество сегментов минус удвоенный оптимальный угол смещения, который был бы равен 50° в этом определенном случае при наклоне в соотношении 60 на 40, но может быть изменен в соответствии с конкретным применением. Например, как показано на фиг.5, сегменты 12-А - 12-F располагаются на соответствующих выступах 20-А - 20-F для обеспечения требуемого наклона вниз в левую сторону в соотношении 60/40, как показано на фиг.7. При повороте по часовой стрелке несущего элемента 16 под сегментами 12 выступы от одного сегмента 12 сдвигаются к соседнему сегменту 12. Конкретнее, как показано на фиг.6, выступ 20-А сдвигается и располагается под сегментом 12-В; выступ 20-В сдвигается и располагается под сегментом 12-С; выступ 20-С сдвигается и располагается под сегментом 12-D; выступ 20-D сдвигается и располагается под сегментом 12-Е; выступ 20-Е сдвигается и располагается под сегментом 12-F и выступ 20-F сдвигается и располагается под сегментом 12-А. Когда подшипник вращается в обратном направлении, происходит сдвиг выступа к левой стороне сегмента, как показано на фиг.6, чтобы обеспечивался наклон в соотношении 60/40 или любом соотношении, которое является оптимальным для наклона сегмента вниз в правую сторону, при этом грань или сторона сегмента, которая была ведомой, теперь становится ведущей, как показано на фиг.8. Смещение происходит автоматически в зависимости от направления вращения несущего элемента 16.
Размер и конфигурация подшипника 10 могут быть выбраны в соответствии с требованиями, предъявляемыми к оборудованию, в котором он устанавливается.
В соответствии с изложенным в конструкции двунаправленного упорного подшипника 10 согласно настоящему изобретению предусмотрено изменение наклона сегментов, как при вращении вперед, так и при вращении назад несущего элемента 16. Регулируемое «скольжение» опорных сегментов 12 относительно выступов 20, расположенных на несущем элементе 16, достигается, например, перемещением штифтов 18 в прорезях 14с, в результате чего оси наклона сегментов, которые образуют находящиеся под сегментами 12 выступы 20, автоматически сдвигаются в оптимальное положение, обеспечивая оптимальный наклон сегментов. Благодаря этому автоматически достигается повышение несущей способности подшипника, как при направлении вращения вперед, так и при направлении вращения назад.
Специалистам в данной области техники понятно, что в приведенных вариантах осуществления изобретения могут быть выполнены различные изменения и модификации, не выходящие за рамки сущности настоящего изобретения. Подразумевается, что все модификации и изменения не выходят за объем формулы изобретения.