CN100416005C - 轴承组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及轴承组件，包括：上轴承座、下轴承座和二者之间的承载滑动件，所述承载滑动件可相对于上轴承座和下轴承座滑动，在使用时承载滑动件的上表面与上轴承座的承载面之间、以及承载滑动件的下表面与下轴承座的承载面之间的摩擦使上轴承座与下轴承座之间的水平相对运动减弱；承载滑动件位于其中心或在其中心附近的两个隔板，每个隔板外围分别连接到或靠近上轴承座和下轴承座中的一个的外围，两个隔板与承载滑动件以及上轴承座和下轴承座协同作用，迫使承载滑动件返回到或保持在中心位置。这种轴承组件的轴承座滑动表面所需尺寸可减小两倍，材料成本节约大约一半，可提供更大位移和载荷分布，可防止灰尘或杂物进入，并获得恒定摩擦系数。

Description

轴承组件
技术领域
本发明涉及轴承组件。更具体地，本发明涉及具有弹性自动定心的轴承组件。在一个优选实施例中，本发明的轴承组件可以用于地震隔离，但也可以用于其它应用，以减小结构与支撑第一结构的另一结构或地面之间的相对运动。
背景技术
在地震隔离领域，使用滑动轴承是公知的。一种公知的滑动轴承类型是具有上、下轴承座和轴承座之间承载滑动件的轴承组件，其中滑动件可以相对两个轴承座滑动。这种轴承组件的例子参见US4,320,549、US5,597,239、US6,021,992和US6,126,136。
在另一种滑动轴承中，滑动件固定在上、下轴承座的一个或另一个上。在这种实施例中，滑动件可以是从轴承座上突出的柱，并固定在轴承座上。通常，上座相对于滑动件可以运动。这种滑动轴承的例子参见US4,644,714、US5,867,951、US6,289,640；US6,021,992中附图4到6所示的每个实施例；US6,126,136中附图4和5中所示的每个实施例。
一些上述的滑动轴承具有弯曲的轴承座表面以及滑动件上的相应弯曲表面，这提供一种形式的被动自动定心滑动件和轴承座。上述滑动轴承没有一种类型具有弹性自动定心。
出于此说明书的目的，“自动定心”是指推动滑动件和上、下轴承座保持在或返回到基本对称对准纵轴，该纵轴穿过上、下轴承座和滑动件，垂直水平面。
弹性自动定心的一个优点是，它提供一种控制轴承弹性抗剪刚度的装置，用于保证隔离结构的固有周期超过设计轴承组件减弱的地震事件或其它水平力的周期，从而增强地震隔离的有效性。
另一个优点是，特别是在滑动件相对于上、下轴承座可以运动时，与没有弹性自动定心的轴承组件相比，轴承组件的横截面积减小。图2、3、7和9的滑动件在上、下轴承座之间的中点，处于静止位。
发明内容
本发明的一个目的是为获得这些迫切需要的装置提供一些方式，或者至少为公众提供有用的选择。
因此，本发明在广义上可以涉及一种轴承组件，包括：
上轴承座、下轴承座以及二者之间的承载滑动件，所述滑动件可以选择性地固定在所述上和下轴承座的一个或另一个上，在使用时所述滑动件与所述上或下轴承座之间的摩擦、或者所述滑动件与所述上和下轴承座之间的摩擦使所述上轴承座与所述下轴承座之间的水平相对运动减弱，
当所述滑动件固定在所述上或下轴承座的一个或另一个上时，所述组件还包括环绕所述上和下轴承座外围的弹性套筒，所述弹性套筒与所述上或下轴承座协同作用，迫使未固定所述滑动件的所述轴承座返回到或保持在相对于所述滑动件和固定所述滑动件的轴承座的中心位置。
在另一个实施例中，本发明可以在广义上涉及一种轴承组件，包括：
上轴承座、下轴承座和二者之间的承载滑动件，所述承载滑动件具有与上轴承座的承载面滑动接触的上表面、以及与下轴承座的承载面滑动接触的下表面，使得所述承载滑动件可相对于所述上轴承座和下轴承座滑动，在使用时所述承载滑动件的所述上表面与所述上轴承座的所述承载面之间、以及所述承载滑动件的所述下表面与所述下轴承座的所述承载面之间的摩擦使所述上轴承座与所述下轴承座之间的水平相对运动减弱；
所述组件还包括两个隔板，所述承载滑动件位于所述两个隔板中心或在所述两个隔板中心附近，每个隔板外围分别连接到或靠近所述上轴承座和下轴承座中的一个的外围，所述两个隔板与所述承载滑动件以及所述上轴承座和下轴承座协同作用，迫使所述承载滑动件返回到或保持在中心位置。
在一个实施例中，所述滑动件未固定在所述上或下轴承座的任一个上。
在另一个实施例中，其中所述滑动件未固定在所述上或下轴承座的任一个上，所述自动定心装置包括两个所述隔板。
在另一个实施例中，所述弹性自动定心装置包括在所述上和下轴承座外围上的套筒以及一个或者两个所述隔板。
优选地，所述隔板或所述两个隔板包括硫化橡胶。
本发明还涉及一种轴承组件，包括：
上轴承座、下轴承座和二者之间的承载滑动件，所述承载滑动件具有与上轴承座的承载面滑动接触的上表面、以及与下轴承座的承载面滑动接触的下表面，使得所述承载滑动件可相对于所述上轴承座和下轴承座中的每个滑动，在使用时所述承载滑动件的所述上表面与所述上轴承座的所述承载面之间、以及所述承载滑动件的所述下表面与所述下轴承座的所述承载面之间的摩擦使所述上轴承座与所述下轴承座之间的水平相对运动减弱；
所述组件还包括弹性自动定心装置，所述弹性自动定心装置包括在所述上和下轴承座外围上的套筒，并且所述套筒与所述上和下轴承座协同作用，迫使所述上和下轴承座返回到或保持在相对所述承载滑动件的中心位置；所述弹性自动定心装置还包括刚性件，所述刚性件从所述承载滑动件向外围朝外延伸，以与所述套筒协同作用，使所述承载滑动件在所述上和下轴承座之间处于中心位置。
在一个可选择的方式中，所述刚性件固定在所述弹性套筒上并与所述滑动件邻接。
在一个实施例中，所述刚性件是圆盘。
在另一个实施例中，所述刚性件是轮毂和多个轮辐。
另外，所述滑动件的形状基本是圆柱形，所述上和下轴承座的承载面基本是平的。
优选地，所述滑动件的横截面具有规则几何形状。
另外，所述上或下轴承座的承载面中的一个或另一个是弯曲的，并且所述滑动件的相应承载面是弯曲的，以便与所述轴承座配合。
优选地，所述隔板由硫化橡胶制成。
优选地，所述套筒由硫化橡胶或其它适合的弹性材料制成。
本发明也可以广义上涉及一种用于地震地隔离结构的方法，其中包括将上述限定的轴承组件安装在所述结构与基础之间。
在另一个方式中，所述基础是另一结构。
本发明广义上也可以涉及本发明申请的说明书中提到的或指出的、单个的或整体的零件、部件和特征，以及任何两个或多个所述零件、部件或特征的任一组合或所有组合，以及这里提到的特定整体所指，这些在本发明涉及的技术中具有公知的等同体，这些公知的等同体被认为结合在本发明中，如同其单独给出一样。
附图说明
参考以下附图可以更加彻底地理解本发明。在附图中：
图1是本发明一个实施例的剖视图，其中滑动件固定在下轴承座上，弹性自动定心是由隔板和套筒共同形成的；
图1a表示图1的实施例在发生地震时的位移；
图1b表示图1所示实施例的一个变化，其中仅有一个隔板提供弹性自动定心；
图1c表示图1所示实施例的一个变化，其中仅有一个套筒提供弹性自动定心；
图2和2a是本发明另一个实施例的剖视图，其中滑动件相对于上、下轴承座可以运动，并且有两个隔板和一个外围套筒形成弹性自动定心装置；
图3是本发明另一个实施例的剖视图，其中弹性自动定心装置是由外围套筒和滑动件形成的，滑动件的刚性外围突起延伸到橡胶套筒并超出上、下轴承座的外围；
图4是图3所示实施例的另一种方式的剖视图，其中滑动件的刚性突起不超出上、下轴承座外围；
图4a表示图4所示实施例使用时的情况，其中下轴承座相对于上轴承座水平运动；
图5是图3和4中每个圆V内的细节；
图6是本发明一个实施例的剖视图，它与图1所示实施例类似，但其上轴承座的承载面是弯曲的；
图7是本发明一个实施例的剖视图，它与图2所示实施例类似，但其上、下轴承座的承载面是弯曲的；
图8是本发明轴承另一个实施例的俯视图；
图9是沿图8中剖面线VIII-VIII的侧剖视图。
具体实施方式
根据本发明第一实施例的轴承组件示于图1。此实施例具有下轴承座12，优选地由不锈钢制成，滑动件14从其上面伸出。在滑动件14的上承载面上具有一层聚四氟乙烯(PTFE)或其它适合的滑动材料15。
上轴承座10也由不锈钢制成，其表面基本是平的，并靠在滑动件14的PTFE层15上。
轴承座10和12在截面上可以是任何规则的几何形状。在一个优选实施例中，它们的截面是圆形的。
环绕着上轴承座10和下轴承座12外围的是套筒18，优选地由硫化橡胶制成。
隔板16也是由硫化橡胶制成的。在图示的实施例中，隔板16具有比滑动件14直径略小的中心孔，从而可以在滑动件14上滑动并保持在其位置。隔板16的外围通过套筒18装配在轴承座10外表面上的凹部17中。但是，它可以通过本领域一般技术人员公知的金属环或其它装置夹持在位。
在图1和1a所示实施例中，弹性自动定心力是由套筒18和隔板16联合提供的。但是，自动定心可以由套筒或隔板单独实现。在图1b所示实施例中，自动定心装置是隔板16。在图1c中它是套筒18。这也是图2、6和7所示实施例的代表性变化。
套筒18可以包括嵌在套筒的橡胶中的刚性材料环形增强环。这可以在大位移过程中通过更加均等地扩散位移而稳定套筒。
第二实施例的结构
本发明第二实施例的结构如图2所示。在图2所示实施例中，上、下轴承座10和12具有类似于图1中轴承座的结构。不同之处在于，下轴承座12具有连续平承载面。在轴承座之间是滑动件20。在一个优选实施例中，此滑动件20是由PTFE制成的圆柱体。它可以相对于上轴承座10和下轴承座12水平运动。
在此实施例中有一对橡胶隔板16和22，每个具有中心孔，滑动件20通过中心孔按滑配合方式装配。隔板16和22的外围通过橡胶套筒18保持在轴承座10和12外围的凹部中，如同图1所示的实施例。
第三实施例的结构
第三实施例表示在图3中。在此实施例中，滑动件是具有中心辐板26的环24，优选地由不锈钢制成。如图5中的细节所示，在环24内的辐板26上面和下面形成的凹部31中具有层叠结构。它包括固定在环24内部辐板26上的橡胶层28。优选地由不锈钢制成并在其下面具有凹部的第二层30固定在橡胶层28上。下面的轴承座接触表面是圆盘形的PTFE插件32。在辐板26上面具有相同的层叠结构。因此，图3所示实施例的滑动件与上轴承座10和下轴承座12表面接触的承载面每个都由PTFE制成。
圆盘34从图3组件中的滑动件向外突出。圆盘34的外边缘向外超出上轴承座10和下轴承座12外围。橡胶套筒18在圆盘34外边缘上以及上轴承座10和下轴承座12的外边缘周围延伸。
第四实施例的结构
图4所示实施例基本与图3相同，但圆盘34的外围基本垂直对准上轴承座10和下轴承座12的外围。这与图3所示的实施例中外围超出轴承座10和12外围的圆盘34形成对比。
圆盘34作为套筒18与滑动件之间的刚性连接。本发明设计了其它机械等同体。除了实心圆盘34，也可以使用打孔的圆盘。也可以使用从环24向外延伸的轮辐。等价的设计还可以是，圆盘34可以装在套筒18的内表面上，而不装在滑动件上。在这样的实施例中，可以使用具有内、外环形垫环的打孔圆盘或轮辐达到相同目的。
第五实施例的结构
图6所示实施例基本与图1相同。它包括下轴承座36，从下轴承座36上突出滑动件40，滑动件40顶端具有PTFE承载面39。在图6的组件中，上轴承座38的承载面是球形，而不是平的。滑动件40的承载面39具有凸出的球形曲线，与上轴承座38的承载面的凹进球形曲线对应。
隔板16和套筒18具有与图1所示实施例相同的材料和结构。
第六实施例的结构
图7所示实施例类似于图2所示实施例。但是，如同图6的实施例，上轴承座38的承载面是球形的，下轴承座44的承载面也是如此。滑动件42具有半球承载端面43，其形状对应于上、下轴承座38和44的内表面。
图7所示的隔板16和22以及套筒18与参考图2描述的相应隔板和套筒具有相同材料和结构。
第七实施例的结构
在图8和9所示的实施例中，轴承具有上板60和下板62，上板60上可以放置结构，下板62可以放置在基础或其它结构上。板60和62的内面61和63覆盖不锈钢。
滑动件64包括一对相反的半环70，类似于图3到5所示的环。如同先前的结构，在每个半环的凹部中逐渐向外插有三层。最里层72是橡胶，下一层74是钢，外面76是PTFE。
这种轴承的自动定心是由上隔板66和下隔板68提供的，二者按照与图2的隔板16和22相同的方式装在滑动件64上。
上隔板66的外边缘82装在垫环80上。如图11所示，有一组四个螺栓78，将隔板边缘82固定在垫环80以及将垫环80固定在上板60。同样地，一组四个螺栓78将隔板边缘84固定在垫环86以及将垫环86固定在下板62。
穿过板60和62的孔的螺栓(未图示)可以拧入螺母88和89，以便将结构固定在其它板60以及将下板62固定在基础或另外结构上。
第一实施例的运行
图1实施例的运行表示在图1a中。例如地震的外力将下轴承座12移动到图示位置。上轴承座10和下轴承座12之间的水平相对运动通过滑动件14上表面15与轴承座10内表面之间的摩擦而被减弱。
可以看出，套筒18在轴承组件的右侧和左侧都被拉伸。套筒18的弹性将迫使上轴承座10返回到图1所示的静止位置。同样地，隔板16的左手部分被拉伸，而右手部分被松驰。在上、下轴承座之间的相对运动被滑动件14与上轴承座10之间的摩擦减弱时，套筒18和隔板16都将迫使滑动件14和上轴承座10回到图1所示的定心位置。
尽管图1所示实施例同时具有隔板16和套筒18，但本发明范围内的其它实施例可以包括仅有隔板16的组件，以及仅有弹性套筒18的另一组件。
第二实施例的运行
在图2a所示的实施例中，同时来自弹性套筒18和一对隔板16和22的弹性自动定心力将滑动件20和轴承座10和12推到定心位置。在图2a中，隔板22左侧松驰，右侧拉伸。隔板16按与图1a所示相同方式拉伸和松驰。
第三和第四实施例的运行
参看图4a，地震力将下轴承座12移动到右侧。滑动件24的承载面与轴承座10和12的承载面之间的摩擦力将使轴承座之间的相对运动减弱。弹性套筒18将上、下轴承座和圆盘34同时推到定心位置。
第五和第六实施例的运行
在图6和7所示实施例中，轴承座的弯曲表面为隔板16和22以及套筒18产生的弹性自动定心增加额外的被动定心力。
第七实施例的运行
图8和9所示实施例的运行按图2和2a所示第二实施例的方式进行。
优点
地震滑动轴承的弹性自动定心产生的一个优点是，提供一种控制隔离结构周期的装置，从而隔离结构的周期超过地震周期。在地震隔离时，这更好地称为周期偏移。概念的更加完整说明参见“Introduction toSeismic Isolation”，Skinner等人，John Wiley&Sons，(1953)，第4到7页。
另一个优点是，使轴承组件占据的横截面面积达到最小。图2、4和7所示的轴承组件的优点是，它们是双重作用，即，上、下轴承座10和12相对滑动件沿相反方向运动，从而减小轴承座滑动表面的所需尺寸两倍。
运行轴承组件所需的总水平力F(水平)是由下面作用力的和给出的：克服摩擦的力F(μ)，橡胶隔板变形的力F(m)，橡胶套筒变形所需的力F(w)。橡胶变形的力本质上主要是弹性的。
因此，
F(水平)＝F(μ)+F(m)+F(w)
式中，F(μ)＝μ.F(垂直)
F(m)≈[α.E(橡胶).t(m)]x
F(w)≈[α.E(橡胶)+β.G(橡胶)].[A(w)/h(w)]x
其中，μ＝两个滑动面之间的摩擦系数
F(垂直)＝(总质量).g
t(m)＝隔板厚度(见图1)
x＝上轴承座相对于下轴承座的水平位移，
当轴承座处于中心时x＝0
α＝隔板的一个几何术语
β＝套筒的一个几何术语
E(橡胶)＝橡胶隔板的杨氏模量
G(橡胶)＝橡胶套筒的剪切模量
A(w)＝套筒的横截面积
h(w)＝套筒的高度(见图1)
轴承组件的一个用途是作为地震隔离的支撑。地震隔离是一项技术，是将结构的固有振荡周期增大到超过地震主周期的数值以及最佳减弱数值。这两个因素的最佳值使传递到结构的加速度减小至少两倍。
本发明的轴承组件是一种紧凑的自动定心结构，其设计使地震隔离效果达到最大。

Claims (19)

1. 一种轴承组件，包括：
上轴承座、下轴承座和二者之间的承载滑动件，所述承载滑动件具有与上轴承座的承载面滑动接触的上表面、以及与下轴承座的承载面滑动接触的下表面，使得所述承载滑动件可相对于所述上轴承座和下轴承座滑动，在使用时所述承载滑动件的所述上表面与所述上轴承座的所述承载面之间、以及所述承载滑动件的所述下表面与所述下轴承座的所述承载面之间的摩擦使所述上轴承座与所述下轴承座之间的水平相对运动减弱；
所述组件还包括两个隔板，所述承载滑动件位于所述两个隔板中心或在所述两个隔板中心附近，每个隔板外围分别连接到或靠近所述上轴承座和下轴承座中的一个的外围，所述两个隔板与所述承载滑动件以及所述上轴承座和下轴承座协同作用，迫使所述承载滑动件返回到或保持在中心位置。
2. 如权利要求1所述的轴承组件，其特征在于，所述轴承组件包括在所述上轴承座和下轴承座外围上的套筒，所述套筒可与所述上轴承座和下轴承座一起操作，迫使所述上轴承座和下轴承座相对于所述承载滑动件返回到或保持在中心位置。
3. 如权利要求1或2所述的轴承组件，其特征在于，所述两个隔板由硫化橡胶制成。
4. 如权利要求1或2所述的轴承组件，其特征在于，每个隔板的厚度从其中心向着其外围减小。
5. 如权利要求1或2所述的轴承组件，其特征在于，所述承载滑动件具有宽度和在所述上轴承座的承载面与下轴承座的承载面之间延伸的深度，所述宽度大于所述深度，所述上轴承座的承载面和下轴承座的承载面是平的，并且所述承载滑动件的所述上表面和所述下表面是平的。
6. 如权利要求1或2所述的轴承组件，其特征在于，所述承载滑动件包括具有弹性材料层和刚性材料层的多层结构。
7. 如权利要求1或2所述的轴承组件，其特征在于，所述上或下轴承座的承载面中的一个或两个是弯曲的，并且所述滑动件的相应承载面是弯曲的，以便与所述轴承座配合。
8. 如权利要求2所述的轴承组件，其特征在于，所述套筒由弹性材料制成。
9. 一种轴承组件，包括：
上轴承座、下轴承座和二者之间的承载滑动件，所述承载滑动件具有与上轴承座的承载面滑动接触的上表面、以及与下轴承座的承载面滑动接触的下表面，使得所述承载滑动件可相对于所述上轴承座和下轴承座中的每个滑动，在使用时所述承载滑动件的所述上表面与所述上轴承座的所述承载面之间、以及所述承载滑动件的所述下表面与所述下轴承座的所述承载面之间的摩擦使所述上轴承座与所述下轴承座之间的水平相对运动减弱；
所述组件还包括弹性自动定心装置，所述弹性自动定心装置包括在所述上和下轴承座外围上的套筒，并且所述套筒与所述上和下轴承座协同作用，迫使所述上和下轴承座返回到或保持在相对所述承载滑动件的中心位置；所述弹性自动定心装置还包括刚性件，所述刚性件从所述承载滑动件向外围朝外延伸，以与所述套筒协同作用，使所述承载滑动件在所述上和下轴承座之间处于中心位置。
10. 如权利要求9所述的轴承组件，其特征在于，所述刚性件固定在所述套筒上并与所述滑动件邻接。
11. 如权利要求9或10所述的轴承组件，其特征在于，所述刚性件是圆盘。
12. 如权利要求9或10所述的轴承组件，其特征在于，所述刚性件是轮毂和多个轮辐。
13. 如权利要求9或10所述的轴承组件，其特征在于，与所述刚性件不同，所述滑动件是圆柱形形状，所述上和下轴承座的承载面是平的。
14. 如权利要求9或10所述的轴承组件，其特征在于，所述滑动件的横截面具有规则几何形状。
15. 如权利要求9或10所述的轴承组件，其特征在于，所述上或下轴承座的承载面中的一个或两个是弯曲的，并且所述滑动件的相应承载面是弯曲的，以便与所述轴承座配合。
16. 如权利要求9或10所述的轴承组件，其特征在于，所述套筒由弹性材料制成。
17. 如权利要求16所述的轴承组件，其特征在于，所述弹性材料是硫化橡胶。
18. 如权利要求9或10所述的轴承组件，其特征在于，所述承载滑动件具有宽度和在所述上轴承座的承载面与下轴承座的承载面之间延伸的深度，所述宽度大于所述深度，所述上轴承座的承载面和下轴承座的承载面是平的，并且所述承载滑动件的所述上表面和所述下表面是平的。
19. 如权利要求9或10所述的轴承组件，其特征在于，所述承载滑动件包括具有弹性材料层和刚性材料层的多层结构。
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