BR112015012476B1 - Montagem de mancal de encosto de carreira dupla e método de maximizar a capacidade de suportar carga de montagem de mancal de encosto de carreira dupla - Google Patents

Montagem de mancal de encosto de carreira dupla e método de maximizar a capacidade de suportar carga de montagem de mancal de encosto de carreira dupla Download PDF

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Abstract

MANCAL DE EMPUXO DE ROLO AFUNILADO DE FILEIRA DUPLA PARA CAPACIDADE DE CARGA APRIMORADA. A presente invenção refere-se a uma montagem de mancal de empuxo de fileira dupla (10) que inclui uma placa inferior (11) que tem pistas cônicas internas e externas (12, 13), uma placa superior (14) com uma pista plana (15), e respectivos conjuntos de rolos internos e externos identicamente formados (16, 17) montados em respectivas gaiolas internas e externas (18, 19). Quando o mancal é completamente montado, os ápices dos rolos internos e externos são direcionados no mesmo ponto (A) em um eixo geométrico (X) do mancal. Várias relações no que se refere ao tamanho e formato dos rolos são determinadas para maximizar a capacidade de suportar carga da montagem do mancal enquanto ocupa o mesmo envelope espacial como aquele de uma montagem de mancal de empuxo de fileira única (BA) que pode suportar apenas uma carga menor.

Description

REFERÊNCIA CRUZADA AOS PEDIDOS RELACIONADOS
[001] O presente pedido reivindica o benefício de Pedido de Patente provisório No U.S. 61/839.451 intitulado "Double Row Tapered Roller Thrust Bearing For Improved Loading Capacity" depositado em 26 de junho de 2013, que é incorporado ao presente documento em sua totalidade a título de referência.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
[002] Esta descrição refere-se a mancais de encosto de carreira dupla; e, mais particularmente, a mancais de encosto de rolo afunilado de carreira dupla que têm uma capacidade de carga aumentada sem que haja um aumento concomitante no tamanho do mancal.
[003] A demanda aumentada para a densidade de potência em sistemas mecânicos geralmente exige um mancal de elemento rolante para suportar cargas aumentadas enquanto ocupa o mesmo, e em alguns exemplos, um espaço menor. Por exemplo, na indústria de petróleo e gás, a carga de encosto sobre uma montagem de acionamento superior aumentou 20%; enquanto, ao mesmo tempo, o tamanho do envelope para o mancal de suporte permaneceu o mesmo. Desse modo, foi possível evitar a elaboração de novos projetos dos sistemas de acionamento. Devido a essas situações e situações similares, os fabricantes de mancais são desafiados a atender essa nova demanda de desenvolver novos mancais que tenham uma capacidade de suportar carga aprimorada, enquanto ainda se encaixam dentro do mesmo espaço, conforme mancais anteriores que têm menos capacidade de suportar carga.
[004] Os mancais de rolo de encosto têm capacidade de suportar cargas axiais maiores que as suas contrapartes de mancal de esferas. Além disso, os mancais de encosto de rolo afunilado são geralmente favorecidos em relação aos mancais de encosto cilíndricos devido aos movimentos rolantes essencialmente puros entre um corpo de rolo (isto é, elemento rolante) e seu contato com a pista. Esse movimento rolante puro resulta a partir do suposto projeto "no ápice", conforme ilustrado na Figura 1. Em um projeto no ápice, o diâmetro de um elemento rolante (rolo) R afunila em direção ao ápice A de uma montagem de mancal de encosto de carreira única BA. Isso resulta em um raio de contato eficaz reduzido conforme a área de contato entre o rolo R e a pista W se move para mais perto do eixo geométrico X do mancal. Isso, por sua vez, tem um impacto negativo sobre a capacidade de suportar carga do mancal. A presente descrição é direcionada a um projeto novo que supera essa deficiência de mancais de rolo afunilado de encosto de carreira única. Foram realizadas tentativas anteriores de aumentar a capacidade de carga de mancal de uma montagem de mancal de encosto de carreira dupla. Vide, por exemplo, a publicação de patente japonesa 2007270968A que emprega tanto rolos de agulha quanto rolos afunilados.
SUMÁRIO
[005] A presente descrição é direcionada para uma montagem de mancal de encosto de carreira dupla que ocupa o mesmo envelope espacial que uma montagem de mancal de encosto de carreira única que pode suportar apenas uma carga menor. A montagem inclui uma placa inferior com corrediças cônicos internos e externos, uma placa superior com uma pista plana, um conjunto de rolos internos formados identicamente e um conjunto de rolos externos formados identicamente. Uma montagem pode incluir, adicionalmente, um porta- rolos interno para separar os rolos que formam um conjunto de rolos internos e um porta-rolos externo para separar os rolos que formam o conjunto de rolos externos. Quando o mancal for completamente montado, os ápices dos respectivos rolos internos e externos serão direcionados no mesmo ponto em um eixo geométrico do mancal.
[006] Várias relações a respeito do tamanho e dos formatos dos rolos são usadas para maximizar a capacidade da montagem do mancal de suportar carga.
[007] A montagem de mancal feita de acordo com a presente descrição tem uma capacidade de suportar carga aumentada quando comparada a uma montagem de mancal de encosto de carreira única, embora a montagem de mancal de encosto de carreira dupla ocupe o mesmo envelope que a montagem de mancal de encosto de carreira única.
[008] O resultado é uma montagem de mancal que não precisa ser feita maior para suportar as cargas maiores às quais é submetida.
[009] Outros objetos e recursos ficarão aparentes, e serão, doravante, destacados em parte.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[0010] A Figura 1 é uma vista em corte de uma técnica anterior de montagem de mancal de encosto de carreira única.
[0011] A Figura 2 é uma vista em perspectiva explodida de uma montagem de mancal de encosto de carreira dupla da presente descrição.
[0012] A Figura 3 é uma vista em corte transversal da montagem de mancal de encosto de carreira dupla.
[0013] A Figura 4 é uma vista em perspectiva de um porta-rolos interno de uma montagem.
[0014] A Figura 5 é uma vista em perspectiva de um porta-rolos externo de uma montagem.
[0015] A Figura 6 é uma vista em corte transversal similar à Figura 3 e ilustra vários parâmetros usados para maximizar a capacidade de suportar carga de uma montagem de mancal de encosto de carreira dupla.
DESCRIÇÃO DETALHADA
[0016] A descrição detalhada a seguir ilustra a invenção por meio de exemplos e não por meio de limitações. Essa descrição permite, claramente, que alguém versado na técnica faça e use a invenção, e descreve várias modalidades, adaptações, variações, alternativas e usos da invenção, incluindo o que se acredita que seja, atualmente, o melhor modo de executar a invenção. Adicionalmente, deve-se entender que a invenção não é limitada, em sua aplicação, aos detalhes de construção e de disposição dos componentes expostos na descrição a seguir ou ilustrados nos desenhos. A invenção é capaz de outras modalidades e de ser praticada ou executada de várias maneiras. Será entendido também que a fraseologia e a terminologia usadas no presente documento são para o propósito de descrição e não deve ser considerado como limitante.
[0017] Com referência às Figuras. 2 e 3, uma modalidade de um mancal de encosto de rolo afunilado de carreira dupla 10. O mancal 10 compreende uma placa inferior 11 que tem uma pista cônica interna e uma pista cônica externo 12 e 13 respectivamente, uma placa superior 14 que tem uma pista plana 15, um conjunto de rolos internos formados identicamente ou elementos rolantes 16 e um conjunto de rolos externos formados identicamente ou elementos rolantes 17. Os conjuntos de rolos internos e externos são dispostos de forma concêntrica na montagem 10. Os rolos internos 16 são separados por um porta-rolos interno anular 18 (vide Figura 4) e são dispostos sobre uma pista interna 12. Os rolos externos 17 são separados por um porta-rolos externo anular 19 (vide Figura 5) e são dispostos sobre uma pista externa 13.
[0018] Os rolos internos e externos 16, 17 são rolos afunilados em que cada rolo tem um corpo afunilado. A extremidade grande de cada rolo é maior em diâmetro que a extremidade pequena dos mesmos, em que a extremidade externa de cada rolo é uma extremidade externa esférica 16s, 17s respectivamente (vide Figura 3). A placa inferior 11 inclui uma nervura interna 20 e uma nervura externa 21. Conforme mostrado na Figura 2, a nervura interna 20 tem uma face cônica 20f sobre a qual a extremidade de rolo esférica de cada rolo interno 16 se assenta. Conforme mostrado na Figura 2 também, uma nervura externa 21 tem uma face de nervura cônica 21f em que a extremidade de rolo esférica de cada rolo externo 17 se assenta. Tanto os rolos internos 16 quanto os rolos externos 17 têm furos centrais (16h e 17h respectivamente, vide Figura 3) para receber pinos cilíndricos 23 e 25, respectivamente, que se estendem a partir dos respectivos porta-rolos internos e externos 18, 19.
[0019] Conforme mostrado na Figura 4, o porta-rolos interno 18 tem um anel de base 22 com uma pluralidade de hastes de pinos 23 que se estendem radialmente para fora a partir de uma face externa 220 do anel de base. Cada haste de pino 23 se encaixa em um rolo interno 16 na extremidade interna pequena do rolo. Conforme mostrado na Figura 5, o porta-rolos externo 19 tem um anel de base 24 com uma pluralidade de hastes de pinos 25 que se estendem radialmente para dentro a partir de uma face interna 24i do anel de base. Cada haste de pino 25 se encaixa em um rolo externo 17 na extremidade grande do rolo.
[0020] Quando o mancal 10 estiver completamente montado, conforme mostrado na Figura 6, os ápices dos rolos internos 16 e dos rolos externos 17 serão direcionados essencialmente no mesmo ponto A sobre o eixo geométrico X do mancal.
[0021] Com referência à metade direita da Figura 6, para maximizar a capacidade de suportar carga do mancal 10, a relação seguinte é recomendada
Figure img0001
[0022] onde Di=EE’ é o diâmetro de rolo na extremidade grande dos rolos internos 16, Do=DD’ é o diâmetro de rolo na extremidade grande dos rolos externos 17, α é o semiângulo interno incluído para os rolos externos e β é o semiângulo interno incluído para os rolos internos (vide Figura 6). Conforme será percebido por aqueles versados na técnica, o diâmetro de rolo para um rolo interno 16 não é menos que para os rolos externos 17. Posteriormente, uma razão de aspecto de rolo pode ser definida como o comprimento eficaz do rolo dividido pelo diâmetro de sua extremidade maior. Consequentemente, as razões de aspectos para os rolos internos e externos são expressas Como
Figure img0002
[0023] onde li e lo são os comprimentos de rolos eficazes para os rolos internos e externos, respectivamente. Para considerações de geometria e de capacidade de carga, a razão de aspecto p0 de rolo para rolos externos 17 é escolhida de acordo com a relação seguinte:
Figure img0003
[0024] A razão de aspecto p0 para o rolo externo é escolhida também em relação à razão de aspecto dos rolos internos p i, o número de rolos Zi para os rolos internos 16, e o número Zo de rolos para os rolos externos 17; de modo que a desigualdade seguinte é alcançada
Figure img0004
onde
Figure img0005
[0025] O número de rolos Zi para os rolos internos é menos que o número Zo para os rolos externos. Para maximizar a capacidade de suportar carga de um mancal de encosto de rolo afunilado de carreira dupla 10, é desejável maximizar a seguinte função F,
Figure img0006
[0026] Para considerações práticas, são recomendadas as relações geométricas seguintes
Figure img0007
[0027] onde α, D o, p, e Zo são variáveis independentes, cujos valores podem ser tomados a partir de um mancal de encosto de rolo afunilado de carreira única correspondente (não mostrado) que tem um envelope espacial similar; β, Di , po, pi, e Zi são valores dependentes cujos valores são determinados de modo que F na equação (4) seja maximizado e as relações expostas nas equações (5) a (7) sejam alcançadas.
[0028] Na prática, a maximização de F pode ser executada repetidamente através da maximização do primeiro termo na equação (4) enquanto, ao mesmo tempo, minimiza o segundo termo nessa equação. O primeiro rende Zi e o ultimo, juntamente com a equação (6) rende β. Os outros parâmetros (Di, po, pi) são, então, obtidos com o uso das equações (5) a (7).
[0029] Aqueles versados na técnica irão entender que mancais de encosto de rolo afunilado de múltiplas carreiras (três ou mais de três carreiras) podem ser construídos usando o mesmo formato de projeto e, a seguir, projetos similares e analisar as técnicas conforme usadas para produzir um mancal de carreira dupla 10.
[0030] Será entendido por aqueles versados na técnica que o mancal 10 pode ser um mancal complementar total em que, por exemplo, nenhum porta-rolos seja exigido. Além disso, os rolos podem ter uma camada de revestimento para minimizar a fricção durante possíveis contatos rolo a rolo.
[0031] Aqueles versados na técnica irão entender que o mancal de encosto de rolo afunilado de múltiplas carreiras 10 pode ser produzido através de vários métodos de fabricação. Um método de fabricação envolve forjamento, tratamento térmico, e, então, torneamento duro. As pistas 12, 13 e 15 e as nervuras 20, 21 serão feitas através de uma operação de torneamento após serem tratadas termicamente para dureza de superfície adequada. Perfis macros, bem como perfis micros, podem ser colocados nas pistas 12, 13 e 15 para reduzir o estresse de contato. A operação de torneamento pode ser executada em uma máquina de torno CNC para maior precisão e coerência. Então, as pistas 12, 13 e 15 podem ser subsequentemente brunidas após a operação de torneamento duro para aprimorar, adicionalmente, os acabamentos de superfície.
[0032] Vários recursos e vantagens da invenção são expostos nas reivindicações a seguir.

Claims (18)

1. Montagem de mancal de encosto de carreira dupla (10) compreendendo: uma placa inferior (11) que tem pistas cônicas internas e externas (12, 13); uma placa superior (14) que tem uma pista plana (15); conjuntos respectivos de rolos internos e externos (16,17) em que o diâmetro maior dos rolos internos não é menos que o diâmetro maior dos rolos externos e em que os ditos rolos internos e externos são rolos afunilados sendo que uma extremidade externa de cada rolo é maior em diâmetro que uma extremidade interna dos mesmos; e, onde o mancal é completamente montado, os ápices dos rolos internos e externos são direcionados no mesmo ponto (A) sobre um eixo geométrico (X) da montagem de mancal; caracterizada pelo fato de que a capacidade da montagem do mancal de suportar carga é maximizada de acordo com a equação
Figure img0008
que define a relação dos diâmetros entre os rolos internos e externos e em que Di=EE’ é o diâmetro de rolo em uma extremidade grande dos ditos rolos internos, Do=DD’ é o diâmetro de rolo em uma extremidade grande dos ditos rolos externos, α é um semiângulo interno incluído para os rolos externos, e β é um semiângulo interno incluído para os rolos internos.
2. Montagem de mancal de encosto de carreira dupla (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que inclui, adicionalmente, um porta-rolos interno (18) na qual os rolos que compreendem o conjunto de rolos internos (16) são montados e um porta-rolos externo (19) na qual os rolos que compreendem o conjunto de rolos externos (17) são montados.
3. Montagem de mancal de encosto de carreira dupla (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que as razões de aspectos para os rolos internos e externos são expressas Como
Figure img0009
onde li e lo são os comprimentos de rolos eficazes para os respectivos rolos internos e externos com a razão de aspecto po para os ditos rolos externos que é escolhida de acordo com a relação seguinte:
Figure img0010
4. Montagem de mancal de encosto de carreira dupla (10), de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que a razão de aspecto po para o rolo externo é escolhida, adicionalmente, em relação à razão de aspecto dos rolos internos pi, o número de rolos Zi compreende o conjunto de rolos internos (16) e o número de rolos Zo compreende o conjunto de rolos externos (17); de modo que, a desigualdade a seguir seja alcançada
Figure img0011
5. Montagem de mancal de encosto de carreira dupla (10), de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que o número de rolos Zi que compreende o conjunto de rolos internos (16) é menor que o número de rolos Zo que compreende o conjunto de rolos externos (17).
6. Montagem de mancal de encosto de carreira dupla (10), de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que a maximização da capacidade de suportar carga do mancal de encosto de rolo afunilado de carreira dupla exige a maximização da seguinte função F,
Figure img0012
7. Montagem de mancal de encosto de carreira dupla (10), de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que inclui, adicionalmente, as seguintes relações geométricas:
Figure img0013
onde α , Do, p, e Zo são variáveis independentes cujos valores são derivados em relação a um mancal de encosto de rolo afunilado de carreira única correspondente que tem um envelope espacial similar.
8. Montagem de mancal de encosto de carreira dupla (10), de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que o valor de F é maximizado através da maximização repetida do primeiro termo na equação para F enquanto, ao mesmo tempo, minimiza o segundo termo na equação; o primeiro termo na equação para F produz um valor para Zi e o último termo na equação, juntamente com a equação na reivindicação 7 para po, produz um valor β e valores para os parâmetros Di, po e pi que são obtidos com o uso das respectivas equações expostas na reivindicação 7 para esses parâmetros.
9. Método de maximizar a capacidade de suportar carga de montagem de mancal de encosto de carreira dupla (10) que ocupa um envelope espacial similar àquele de uma montagem de mancal de encosto de carreira única, a montagem de mancal de encosto de carreira dupla (10) incluindo uma placa inferior (11) que tem pistas cônicas internas e externas (12, 13), uma placa superior (14) que tem uma pista plana (15) e conjuntos respectivos de rolos afunilados internos e externos (16, 17) montados nos respectivos porta-rolos internos e externos (18, 19) da montagem de mancal de encosto de carreira dupla (10) com os ápices dos rolos internos e externos sendo direcionados no mesmo ponto (A) em um eixo geométrico (X) dos mesmos, caracterizado pelo fato de que a maximização da capacidade de suportar carga é determinada de acordo com a equação
Figure img0014
que define a relação dos diâmetros entre os rolos internos e externos e em que Di=EE’ é o diâmetro de rolo em uma extremidade grande dos ditos rolos internos, Do=DD’ é o diâmetro de rolo em uma extremidade grande dos ditos rolos externos, α é um semiângulo interno incluído para os rolos externos, e β é um semiângulo interno incluído para os rolos internos.
10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que as razões de aspectos para os rolos internos e externos são expressas como
Figure img0015
onde li e lo são os comprimentos de rolos eficazes para os respectivos rolos internos e externos com a razão de aspecto po para os ditos rolos externos que é escolhida de acordo com a relação seguinte:
Figure img0016
11. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a razão de aspecto po para o rolo externo é escolhida, adicionalmente, em relação à razão de aspecto dos rolos internos pi, o número de rolos Zi que compreende o conjunto de rolos internos (16), e o número de rolos Zo que compreende o conjunto de rolos externos (17); de modo que a desigualdade seguinte seja alcançada:
Figure img0017
12. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o número de rolos Zi que compreende o conjunto de rolos internos (16) é menor que o número de rolos Zo que compreende o conjunto de rolos externos (17), e a maximização da capacidade de suportar carga do mancal de encosto de rolo afunilado de carreira dupla exige a maximização da seguinte função
Figure img0018
13. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que inclui, adicionalmente, as relações geométricas seguintes:
Figure img0019
onde a , D o, p, e Zo são variáveis independentes cujos valores são derivados em relação ao mancal de encosto de rolo afunilado de carreira única correspondente que tem um envelope espacial similar.
14. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o valor F é maximizado através da maximização repetida do primeiro termo na equação para F enquanto, ao mesmo tempo, minimiza o segundo termo na equação; o primeiro termo na equação para F produz um valor para Zi e o último termo na equação, juntamente com a equação na reivindicação 13 para po, produz um valor para β e valores para outros parâmetros Di, po, e pi que é obtido com o uso das respectivas equações expostas na reivindicação 13 para esses parâmetros.
15. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que os rolos que compreendem os respectivos conjuntos de rolos internos e externos (16, 17) são formados com comprimentos eficazes idênticos.
16. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma das pistas cônicas internas (12), pistas cônicas externas (13), e pistas planas (15) são formadas através do torneamento duro de uma superfície tratada termicamente.
17. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que o torneamento duro é executado em uma máquina de torno CNC.
18. Método, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que inclui, adicionalmente, brunir a pista torneada dura.
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