Palier lisse à coussinets inclinables
La présente invention a pour objet un palier lisse à coussinets inclinables, supportant un arbre rotatif.
Les paliers lisses à coussinets inclinables sont bien connus. Ils constituent une extension des paliers de butée à coussinets incli- nables de Kingsbury, etc. L'un des avantages principaux d'un palier lisse à coussinets inclinables est sa résistance à un phénomène connu sous le nom de tourbillon ou fouettement de l'huile.
On connaît les effets de ce phénomène, mais si on n'a pas pu encore expliquer complètement ses causes particulières, on estime qu'il est produit par l'action de la pellicule d'huile sur l arbre tournant dans le palier. Quelles que soient les causes particulières du fouettement dans un palier lisse, il en résulte qu'il est impossible de faire fonctionner une machine à certaines vitesses ou certaines charges avec des paliers lisses du type manchon. Dans certains modèles de paliers lisses, la stabilité de l arbre est accrue et le risque qu'il se produise un fouettement est supprimé ou réduit. Les paliers lisses du type casse-noix, à coussinets inclinables, à décalage elliptique, etc. sont parmi les paliers lisses les plus stables dans lesquels le fouettement est supprimé.
Bien que dans un certain nombre de ces modèles de paliers le fouettement de l'huile soit supprimé ou considérablement réduit, leur utilisation se traduit par des pertes de puissance élevées et par une aération de l'huile de lubrification du palier.
Les paliers lisses à coussinets inclinables classiques assurent une grande stabilité, mais aux dépens d'une perte de puissance relativement élevée dans le palier.
Les paliers lisses à coussinets inclinables connus sont lubrifiés au moyen d'un bain dont l'huile est prise par le tourillon rotatif afin de réaliser la pellicule d'huile hydrodynamique en forme de coin bien connue entre la surface du tourillon et la face du palier. Dans un palier lisse à coussinets inclinables connu, la pression hydrodynamique produite par un coussinet chargé applique à son tour des charges hydrostatiques sur le coussinet opposé afin de supprimer le tourbillon de l'huile. Les inconvénients de ces modèles sont leur prix relativement élevé, leur encombrement et le risque de fuite se traduisant par des avaries possibles.
Le support hydrostatique des coussinets remplit une double fonction. D'abord, c'est un pivot qui permet aux coussinets de s'incliner lorsque le tourillon tourne et de former la pellicule hydrodynamique en forme de coin et deuxièmement, il permet aux coussinets de se déplacer pour s'adapter aux flexions ou aux défauts d'alignement du tourillon. Dans n'importe quel palier lisse à tourillon inclinable, la pointe de la pression hydrodynamique est atteinte en un point qui se trouve approximativement à 58% de la distance circonférentielle comptée à partir du bord avant de chaque coussinet. Dans un tel palier connu qui est conçu pour une rotation dans les deux sens, le point de pivotement doit être disposé au centre (à 50% du bord avant). Sa capacité de support des charges ne peut de ce fait être optimale.
Le palier lisse selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend une bague de support logeant plusieurs coussinets dont chacun comporte une surface intérieure courbe en contact avec l'arbre et une surface extérieure courbe en contact avec la bague de support, au moins un alésage d'alimentation en huile dans chaque coussinet, alimentant sa surface intérieure en huile de lubrification, au moins un conduit de chaque coussinet assurant une communication entre sa surface intérieure et sa surface extérieure, un évidement dans la surface extérieure étant relié au conduit et destiné à la réception et à l'accumulation de l'huile provenant d'une pellicule en forme de coin qui se forme entre la surface intérieure du coussinet et la face de l'arbre lorsque ce dernier est en rotation,
de manière que le coussinet soit supporté dans la bague de support sur un tampon d'huile hydrostatique produit par l'effet hydrodynamique de l'arbre tournant.
Un avantage d'un tel palier lisse est que la capacité de support de charge des coussinets peut être maximale pour l'un et l'autre sens de rotation du fait des caractéristiques propres du support par un fluide hydrostatique. Un autre avantage réside dans le double amortissement des vibrations de la double pellicule d'huile c'est-à-dire que les vibrations de l'arbre tendent à être amorties par la pellicule hydrodynamique en forme de coin située entre le coussinet et le tourillon et par le support par huile hydrostatique entre le coussinet et le carter du palier.
L'expérience a montré que l'huile comprimée peut être conduite de la pellicule en forme de coin, soit à une seule cavité de support disposée derrière le coussinet inclinable, soit à plusieurs cavités de support suivant les caractéristiques souhaitées pour le palier. Dans un autre modèle expérimental, on a utilisé la pelli cule d'huile hydrodynamique pour former un support hydrostatique d'un coussinet inclinable monté sur billes, de manière à réduire considérablement les forces de friction s'exerçant sur le coussinet, et de manière à lui permettre de mieux s'adapter à des variations de vitesse de l'arbre, de la charge, de la viscosité du lubrifiant et aux défauts d'alignement. Un autre facteur avantageux de l'utilisation du présent palier lisse est son prix relativement faible.
Deux formes de réalisation du palier objet de l'invention seront décrites, à titre d'exemple, en se référant au dessin annexé, dans lequel:
la fig. 1 est une vue d'extrémité, en partie en coupe, du palier,
la fig. 2 est une coupe du palier suivant la ligne 2-2 de la fig. 1;
la fig. 3 est une vue en plan de l'un des coussinets inclinables; et
la fig. 4 est une vue partielle, en coupe partielle, de la seconde forme de réalisation.
Sur le dessin, un arbre rotatif 10 est supporté par le palier.
Une bague de support 12 qui porte les tampons inclinables, est montée à l'intérieur du carter d'une machine non représentée.
La bague de support 12 peut être une bague en acier massive, ou, comme représenté sur la fig. 1, une bague divisée dont les éléments sont maintenus à l'aide de boulons 14 et alignés par des goujons 15. Un canal usiné 16 destiné à maintenir les coussinets 20 peut être réalisé sur la bague de support 12, ou bien il peut être constitué par la surface circonférentielle intérieure de la bague 12 et par deux dispositifs de retenue 13 de l'huile disposés à chaque extrémité, afin de maintenir axialement les coussinets 20. Trois gorges pour l'huile sont usinées sur la surface circonférentielle extérieure de la bague 12. La gorge centrale 17 fournit l'huile à faible pression à la surface de portée des coussinets. Les deux autres gorges 19 sont destinées à la purge ou l'évacuation de l'huile.
Plusieurs butées 22 maintenues en place dans la bague de support par des bagues de retenue 24 amènent l'huile de lubrification qui remplit la gorge 17 à la surface de séparation entre l'arbre 10 et les coussinets 20. Un conduit 26 amène l'huile de la gorge 17 à un canal d'intersection d'où elle s'écoule par des ouvertures 36 dans des conduits internes 34 et dans des gorges 32. Deux gorges 32 alignées sur l'axe de l'arbre 10 sont reliées aux conduits 34, de manière que l'huile s'étale sur toute la surface de portée 30 du coussinet lorsque l'arbre tourne. Les gorges 32 sont disposées symétriquement sur la surface 30 du coussinet au voisinage des bords de sa surface.
De cette manière, toute la surface du coussinet est garnie uniformément d'huile de lubrification que l'arbre tourne dans le sens des aiguilles d'une montre ou en sens inverse des aiguilles d'une montre.
Les coussinets inclinables 20 comportent des surfaces courbes 30 et 31. Le diamètre de la face interne 30 est sensiblement égal au diamètre de l'arbre 10, tandis que celui de la surface extérieure courbe 31 est sensiblement égal au diamètre de la surface circonférentielle interne 16 de la bague de support 12. II existe cependant un jeu suffisant entre la surface interne 30 et l'arbre 10 ainsi qu'entre la surface extérieure 31 et la surface du canal 16 pour permettre au coussinet 10 de s'incliner sous l'influence de la pellicule en forme de coin qui se forme du fait de la rotation de l'arbre 10. Des évidements peu profonds 42 de la surface extérieure 31 de chaque coussinet 20 sont en communication avec sa surface interne 30 par des ouvertures d'entrée 38 de celle-ci et des ouvertures internes 40 situées entre les ouvertures 38 et les évidements 42.
La fig. 4 représente un autre support du type à billes pour un coussinet inclinable. L'huile de lubrification de la gorge 17 est envoyée par un conduit 56 dans un tampon de butée 52. Le tampon de butée est maintenu en place par une bague de retenue 54 sur la bague de support 12. Le conduit 56 va à l'intersection avec un canal 58 qui est aligné sur un canal 62 du coussinet 50 et est en communication avec celui-ci. Le coussinet 50 qui est supporté par des billes comporte des évidements sphériques montés chacun sur une bille de grand diamètre 44 s'ajustant chacune dans un évidement sphérique de la bague de support 12.
Le canal 58 qui est en communication avec le canal 62 est rendu étanche afin de réduire les pertes d'huile par une bague torique 60 qui s'appuie contre la surface de la butée 52 et autour de l'orifice de sortie du canal 58. li est possible d'utiliser dans ce palier des goujons 18 qui sont alignés axialement en plus des boulons (non représentés) qui maintiennent et qui alignent radialement les éléments de la bague divisée 12. Des canaux internes 46 du coussinet 50 se terminent par des orifices 48 débouchant sur la surface intérieure du coussinet 50. Les canaux 46 communiquent avec les évidements sphériques dans lesquels sont logés chacune des billes 44.
La fig. 1 permet de comprendre le fonctionnement du palier décrit. Le canal 17 enfermé dans le carter de la machine est rempli d'huile comprimée qui est amenée par les tampons de butée 22 dans les gorges 32 du coussinet inclinable. Lorsque l'arbre 10 commence à tourner, l'huile est prise de ces gorges et réalise la pellicule d'huile en forme de coin connue entre la surface de l'arbre et les surfaces des coussinets inclinables. Du fait de l'existence d'un certain jeu entre l'arbre et les surfaces de portée des coussinets ainsi qu'entre les surfaces extérieures de ceux-ci et le canal 16 de la bague de support, les coussinets tendent à s'incliner sous l'action de la pellicule en forme de coin.
Lorsque la pellicule se forme, l'arbre exerce une pression sur l'huile qui la constitue. Cette huile qui est très comprimée est amenée par les orifices 38 et les conduits 40 dans les évidements 42 des coussinets inclinables. Les évidements se remplissent d'huile comprimée et forment une zone de pression hydrostatique entre le coussinet 20 et la surface 16 de la bague de support.
Le coussinet inclinable flotte de cette manière entre l arbre 10 et la bague de support 12 sur deux pellicules d'huile à haute pression. Du fait qu'il existe un gradient de pression dans le coin d'huile, la pression étant maximale en un point situé à 58% ci du bord avant du coussinet dans le plan de rotation du coussinet 20, l'évidement qui est le plus rapproché de son bord arrière subit la plus grande pression et il se produit un équilibre par écoulement de l'huile de la surface extérieure 31 du coussinet. La pression de l'huile s'exerçant sous le coussinet est semblable à celle qui s'exerce sur un coussinet à huile hydrostatique pure, c'est-à-dire que le coussinet flotte librement entre deux pellicules d'huile et que les pertes par friction sont minimales dans le palier.
Le coussinet monté sur bille de la fig. 4 fonctionne de la même manière que celui de la fig. 1. La pellicule d'huile en forme de coin produite est transmise par les orifices 48 et les conduits internes 46 à l'évidement sphérique dans lequel est logée la bille 44. L'effet hydrostatique produit soulève le coussinet et l'écarte complètement de la bille, de sorte qu'il n'u a aucun contact métal-contre-métal entre eux.
Dans les deux modes de réalisation représentés, des canaux 21 sont également réalisés dans la bague de support afin d éva- cuer l'huile qui est balayée et qui s'échappe des surfaces des coussinets, afin d'amener cette huile en excès aux gorges de purge 19. Les canaux 21 sont reliés aux gorges 19 et au dispositif de retenue 13 qui collecte le lubrifiant qui s'est échappé afin de l'envoyer aux gorges de purge.
Le sens de rotation de l'arbre n'a aucun effet sur le fonctionnement du support hydrostatique des deux modes de réalisation décrits. Les orifices situés sur la surface intérieure du coussinet sont symétriques par rapport à ces bords et l'huile comprimée provenant du coin est refoulée soit dans les évidements 42, soit dans les évidements sphériques des billes 44 que l'arbre porté par le palier tourne dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.
La purge de l'huile de lubrification est effectuée par les dispositifs de retenue 13, les canaux 21 et les gorges 19 combinées ainsi que par les têtes 23 des butées 22. Les butées sont montées dans la bague de support, de manière à flotter, c'est-à-dire à pouvoir se déplacer d'un faible mouvement radial. Par suite, lorsque l'arbre est en rotation, les têtes 23 des butées viennent légèrement en contact avec lui. La forme des têtes 23 est celle d'un losange (fig. 2) qui vient légèrement en contact avec l'arbre rotatif et qui balaie de celui-ci l'huile en excès pour l'envoyer dans les dispositifs de retenue 13 d'où elle est amenée dans les canaux 21 dans les gorges de purge 19.
Les butées 22 alimentent les coussinets 20 en huile de lubrification. Du fait qu'elles sont disposées circonférentiellement à proximité des coussinets dans la bague de support, elles empêchent également les coussinets de se déplacer circonférentiellement. De plus, du fait qu'elles sont introduites radialement entre les coussinets, elles remplissent également un rôle de clef de voûte et maintiennent les coussinets prisonniers en les empêchant de se déplacer radialement.
Dans un palier expérimental, les pertes parasites dues au tourbillonnement ou à la turbulence de l'huile ont été réduites jusqu à la moitié de celles d'un palier noyé connu. De ce fait, le présent palier est beaucoup plus efficace par suite de la lubrification directe des coussinets individuels et de son système de purge efficace.
Plain bearing with tilting bearings
The present invention relates to a plain bearing with tilting bearings, supporting a rotary shaft.
Tiltable plain bearings are well known. They are an extension of Kingsbury's Tilt Pad Thrust Bearings etc. One of the main advantages of a tilting plain bearing is its resistance to a phenomenon known as oil swirling or whipping.
We know the effects of this phenomenon, but if we have not yet been able to fully explain its specific causes, we believe that it is produced by the action of the film of oil on the rotating shaft in the bearing. Whatever the particular causes of whipping in a sleeve bearing, it follows that it is impossible to operate a machine at certain speeds or loads with sleeve type sleeve bearings. In some plain bearing designs, the stability of the shaft is increased and the risk of whipping occurring is eliminated or reduced. Plain bearings of the nutcracker type, tilting bearings, elliptical offset, etc. are among the most stable plain bearings in which whipping is suppressed.
Although in a number of these bearing designs oil whipping is eliminated or considerably reduced, their use results in high power losses and aeration of the lubricating oil from the bearing.
Conventional tilting plain bearings provide high stability, but at the expense of relatively high power loss in the bearing.
Known tiltable plain bearings are lubricated by means of a bath, the oil of which is taken up by the rotary journal to provide the well-known wedge-shaped hydrodynamic oil film between the journal surface and the bearing face. . In a known tilting bush plain bearing, the hydrodynamic pressure produced by a loaded bush in turn applies hydrostatic loads to the opposite bush in order to suppress the vortex of the oil. The disadvantages of these models are their relatively high price, their size and the risk of leakage resulting in possible damage.
The hydrostatic bearing support performs a dual function. First, it is a pivot that allows the pads to tilt as the trunnion rotates and form the wedge-shaped hydrodynamic film and second, it allows the pads to move to accommodate bends or faults. alignment of the journal. In any tilt journal plain bearing, the peak hydrodynamic pressure is reached at a point which is approximately 58% of the circumferential distance counted from the leading edge of each bushing. In such a known bearing which is designed for rotation in both directions, the pivot point should be centrally located (50% from the leading edge). Its load bearing capacity cannot therefore be optimal.
The plain bearing according to the invention is characterized in that it comprises a support ring housing several bearings each of which has a curved inner surface in contact with the shaft and a curved outer surface in contact with the support ring, at least an oil supply bore in each bearing, supplying its inner surface with lubricating oil, at least one conduit of each bearing providing communication between its inner surface and its outer surface, a recess in the outer surface being connected to the conduit and intended for the reception and accumulation of oil from a wedge-shaped film which forms between the inner surface of the bearing and the face of the shaft when the latter is rotating,
so that the bushing is supported in the support ring on a hydrostatic oil pad produced by the hydrodynamic effect of the rotating shaft.
An advantage of such a plain bearing is that the load bearing capacity of the bearings can be maximum for either direction of rotation due to the specific characteristics of the support by a hydrostatic fluid. Another advantage is the double vibration damping of the double oil film i.e. shaft vibrations tend to be damped by the wedge shaped hydrodynamic film between the bearing and the journal. and by the hydrostatic oil support between the bush and the bearing housing.
Experience has shown that the compressed oil can be conducted from the wedge-shaped film, either to a single support cavity disposed behind the tilt pad, or to several support cavities depending on the characteristics desired for the bearing. In another experimental model, the hydrodynamic oil film was used to form a hydrostatic support for a tilting ball-mounted bearing, so as to greatly reduce the frictional forces on the bearing, and so as to allow it to better adapt to variations in shaft speed, load, lubricant viscosity and misalignment. Another advantageous factor in the use of the present sliding bearing is its relatively low cost.
Two embodiments of the bearing which is the subject of the invention will be described, by way of example, with reference to the appended drawing, in which:
fig. 1 is an end view, partly in section, of the bearing,
fig. 2 is a section through the bearing along line 2-2 of FIG. 1;
fig. 3 is a plan view of one of the tilt pads; and
fig. 4 is a partial view, in partial section, of the second embodiment.
In the drawing, a rotary shaft 10 is supported by the bearing.
A support ring 12 which carries the tiltable buffers is mounted inside the housing of a machine not shown.
The support ring 12 can be a solid steel ring, or, as shown in FIG. 1, a divided ring whose elements are held by means of bolts 14 and aligned by studs 15. A machined channel 16 intended to hold the bearings 20 may be made on the support ring 12, or it may be formed by the inner circumferential surface of the ring 12 and by two oil retainers 13 arranged at each end, in order to axially hold the bearings 20. Three grooves for the oil are machined on the outer circumferential surface of the ring 12 The central groove 17 supplies low pressure oil to the bearing surface of the bearings. The other two grooves 19 are intended for purging or draining the oil.
Several stops 22 held in place in the support ring by retaining rings 24 bring the lubricating oil which fills the groove 17 to the separation surface between the shaft 10 and the bearings 20. A duct 26 brings the oil. from the groove 17 to an intersection channel from which it flows through openings 36 in internal conduits 34 and in grooves 32. Two grooves 32 aligned with the axis of the shaft 10 are connected to the conduits 34 , so that the oil spreads over the entire bearing surface 30 of the bearing as the shaft rotates. The grooves 32 are symmetrically disposed on the surface 30 of the pad in the vicinity of the edges of its surface.
In this way, the entire surface of the bearing is evenly lined with lubricating oil as the shaft rotates clockwise or counterclockwise.
The tilt bearings 20 have curved surfaces 30 and 31. The diameter of the inner face 30 is substantially equal to the diameter of the shaft 10, while that of the curved outer surface 31 is substantially equal to the diameter of the inner circumferential surface 16. of the support ring 12. There is, however, sufficient clearance between the inner surface 30 and the shaft 10 as well as between the outer surface 31 and the surface of the channel 16 to allow the bearing 10 to tilt under the influence. of the wedge-shaped film which forms as a result of the rotation of the shaft 10. Shallow recesses 42 of the outer surface 31 of each bushing 20 are in communication with its inner surface 30 through inlet openings 38 thereof and internal openings 40 located between the openings 38 and the recesses 42.
Fig. 4 shows another ball-type support for a tilting pad. Lubricating oil from throat 17 is sent through conduit 56 into a stopper pad 52. The stopper pad is held in place by a retaining ring 54 on the backing ring 12. The conduit 56 goes to the bottom. intersection with a channel 58 which is aligned with a channel 62 of the pad 50 and is in communication therewith. The pad 50 which is supported by balls has spherical recesses each mounted on a large diameter ball 44 each fitting into a spherical recess of the support ring 12.
The channel 58 which is in communication with the channel 62 is sealed in order to reduce oil losses by an O-ring 60 which bears against the surface of the stop 52 and around the outlet orifice of the channel 58. It is possible to use in this bearing studs 18 which are axially aligned in addition to the bolts (not shown) which hold and which radially align the elements of the divided ring 12. Internal channels 46 of the bearing 50 terminate in holes 48 opening onto the inner surface of the pad 50. The channels 46 communicate with the spherical recesses in which each of the balls 44 are housed.
Fig. 1 makes it possible to understand the operation of the described bearing. The channel 17 enclosed in the machine housing is filled with compressed oil which is supplied by the stop pads 22 into the grooves 32 of the tilt bearing. As the shaft 10 begins to rotate, the oil is taken from these grooves and forms the known wedge-shaped film of oil between the surface of the shaft and the surfaces of the tilt bearings. Due to the existence of a certain clearance between the shaft and the bearing surfaces of the bearings as well as between the outer surfaces of the latter and the channel 16 of the support ring, the bearings tend to tilt. under the action of the wedge-shaped film.
When the film forms, the shaft exerts pressure on the oil that constitutes it. This oil which is very compressed is brought through the orifices 38 and the conduits 40 into the recesses 42 of the tilting bearings. The recesses fill with compressed oil and form a zone of hydrostatic pressure between the bushing 20 and the surface 16 of the support ring.
The tilt bearing in this way floats between the shaft 10 and the support ring 12 on two films of high pressure oil. Because there is a pressure gradient in the oil wedge, the pressure being maximum at a point 58% ci of the leading edge of the bearing in the plane of rotation of the bearing 20, the recess which is most closer to its rear edge undergoes the greatest pressure and there is an equilibrium by flow of oil from the outer surface 31 of the bearing. The oil pressure exerted under the bushing is similar to that exerted on a pure hydrostatic oil bushing, that is, the bushing floats freely between two films of oil and the losses friction are minimal in the bearing.
The bearing mounted on a ball of FIG. 4 operates in the same way as that of FIG. 1. The wedge-shaped film of oil produced is transmitted through the orifices 48 and the internal conduits 46 to the spherical recess in which the ball 44 is housed. The hydrostatic effect produced lifts the bearing and completely away from it. the ball, so that there is no metal-to-metal contact between them.
In the two embodiments shown, channels 21 are also made in the support ring in order to evacuate the oil which is swept away and which escapes from the surfaces of the bearings, in order to bring this excess oil to the grooves. drain 19. The channels 21 are connected to the grooves 19 and to the retainer 13 which collects the lubricant which has escaped in order to send it to the drain grooves.
The direction of rotation of the shaft has no effect on the operation of the hydrostatic support of the two embodiments described. The orifices located on the inner surface of the bearing are symmetrical with respect to these edges and the compressed oil coming from the wedge is forced either into the recesses 42 or into the spherical recesses of the balls 44 which the shaft carried by the bearing turns in. clockwise or counterclockwise.
The lubricating oil is purged by the retainers 13, the channels 21 and the grooves 19 combined as well as by the heads 23 of the stops 22. The stops are mounted in the support ring, so as to float, that is, to be able to move with a small radial movement. As a result, when the shaft is rotating, the heads 23 of the stops lightly come into contact with it. The shape of the heads 23 is that of a rhombus (fig. 2) which comes into slight contact with the rotating shaft and which sweeps therefrom the excess oil to send it into the retainers 13 of the shaft. where it is brought into the channels 21 in the purge grooves 19.
The stops 22 supply the bearings 20 with lubricating oil. Because they are disposed circumferentially near the pads in the support ring, they also prevent the pads from moving circumferentially. In addition, due to the fact that they are introduced radially between the pads, they also fulfill the role of keystone and hold the pads in place by preventing them from moving radially.
In an experimental bearing, the parasitic losses due to swirling or turbulence of the oil were reduced to half that of a known flooded bearing. As a result, the present bearing is much more efficient as a result of the direct lubrication of the individual bearings and its efficient purging system.