CN1007079B - 液压支承的止推轴承 - Google Patents

Abstract

特别适用于垂直轴机器的止推轴承，有一装于该轴并有朝下支承表面的转动环。基环位于该轴周围并固定装在机器基座上。许多分段轴承轴瓦分布于该轴周围并有朝上的支承表面，以便与转动环支承表面支承接触。靠许多液压元件从基环上支承每个轴瓦，该液压元件可以是带有压力致动活塞的油缸。每个油缸都连接岐管，从而提供给每个油缸以压力下的液压液体。每个轴瓦的液压元件(油缸和活塞)的分配或安排方式，使得可对每个载荷下的轴承轴瓦提供基本平的表面。

Description

本发明介绍的是液压支承止推轴承，具体地说，是用于大型垂直轴电机的液压支承止推轴承。

用于大型垂直轴机器中的止推轴承，通常包括一个安装在机器转动件上的表面朝下的环和若干带朝上表面的轴瓦或轴承瓦块，轴承瓦块将转动环支承在油膜上，油膜一般由轴承瓦块和转动环浸没在油池里提供。

为使轴瓦表面与转动环表面配合，大家都知道是将每个轴瓦安装在靠近轴瓦中心的枢轴上，并且使轴瓦在前缘处稍微向下倾斜，以便使油膜形成微小的楔形轮廓。这样可提高承载能力和降低元件的温度。然而在这种基本形式下，这样的装配是有缺点的。它能使总的轴承载荷在各个单独的轴瓦之间产生不均匀分配的情况。曾经作了一些工作以减轻这个困难。例如采用平衡杆系统来解决。在1951年8月21日由Baudrg发表的美国专利2565116中，就是采用平衡杆的一个实例。

在采用基本的枢轴轴瓦设计中，还存在另一个问题，这个问题是因为每个轴瓦在其下表面的接近中心处被支承着而产生的。尽管在趋近圆周处强度降低了，但在每个轴瓦或轴承表面上的理想油膜压力分布应基本上延伸到轴瓦的圆周，理想压力分布状况是难以达到的。由于轴瓦支承在中心位置和比较普通的油膜压力分布状况，因而轴瓦产生扭曲，所以轴瓦上表面一般会产生向上凸起的形状。由于这种形状偏离了理想的平面状态，所以轴承的油膜压力分布图形和轴承工作特 性下降了。除此以外，在轴瓦内有产生热梯度的倾向，也就是说轴瓦顶部较其底部更热些。这种热梯度将加强形成凸起表面的扭曲变形。轴瓦半径或圆周尺寸越大，则轴瓦表面隆起或变成轻微凸面的倾向越大。

同时人们也知道，可将每个轴瓦支承在安置于每个轴瓦下的若干弹簧上。这些弹簧具有足够大的弹性，使每个轴瓦有可能产生轻微的倾斜，就好像轴瓦实际是在枢轴上一样，因此，总轴承载荷分布在每个轴瓦上。因为轴瓦支承没有集中在靠近轴瓦中心，而是提供了一个分布的支承模型，所以轴瓦可以制做得薄一些，不致在轴瓦上产生不理想的隆起。因将轴瓦制做的较薄，并具有更大的挠性，则由热梯度而造成的隆起或扭曲倾向将减少，并且在转动环中轴瓦适应形状改变的能力将增加。然而，因为现在轴瓦支承的分布严重朝向轴瓦圆周，阻碍合适油膜压力图形的形成，这样造成轴瓦的支承表面呈凹面形状。

另一种众所周知的止推轴承设计方案，是在每个轴瓦下面采用了单个液压元件。BLOCK和他的同事们在1964年9月29日发表的加拿大专利NO695030中，通过实例叙述了一种液压止推轴承支承装置。该液压元件可以是带活塞的油缸形式，也可以是用挠性壁面、例如膜盒构成的腔室形式。液压元件由歧管连接在一起，以保证止推轴承总载荷在全部轴瓦之间均匀地分布。此外，液压元件可以设计成使其具有一定限度的角度挠性，因而这种液压元件就能执行枢轴的功能。这样小量的转动会使轴瓦表面和转动环的平面对中，并且允许产生生成液压油膜所需要的足够大的斜度。但是，有关上述的机械枢轴支承，在防止产生隆起的倾向上存在着问题，那就是用降低油膜压力分布来避免轴瓦表面变成凸面的可能性。

为了补偿倾斜的支承元件不均匀的挠曲，在1982年1月19日公开的Starceric加拿大专利NO1116671中，介绍了一种止推轴承装置。这种装置对于每个轴瓦都包含若干机械支承元件。对于每个轴瓦来说，机械的枢轴支承着相当厚的支承元件或垫板，比支承元件薄的轴瓦利用若干机械支承元件支承在转动的支承元件上。机械支承件延伸到支承元件和轴瓦底部之间。每个支承元件的设计要使其具有预定的压缩刚度，因此补偿了支承元件在载荷作用下产生的挠曲，这样，大体上提供了一个主要为平面的支承表面。

本发明获得了弹簧支承的轴瓦轴承组件和对每个轴瓦有预定支承分布的液压支承轴瓦轴承装置所共有的优点。每个轴瓦都由带有从基环延伸到轴瓦的若干液压元件的固定基环支承着。每个液压元件都有通管，通管把液压元件和液压歧管连接起来。这样，不仅平衡了轴瓦之间的压力，同时也平衡了与单个轴瓦相连的液压元件之间的压力。液压元件从基环向上延伸，以便支承轴瓦。对于每个轴瓦来说，液压元件大多数分布在所要求的预定模型内。改善后的支承分布有可能采用相当薄的轴瓦，因为这些轴瓦的挠性增加了，它们将会减少在轴瓦本身内的和在转动环内的热梯度的影响。同时也减少了表面制造缺陷对油膜压力图形产生的影响。这与现有技术中的弹簧支承轴瓦有联系，防止由于下支承结构中出现扭曲所产生的问题。液压元件可以采用相同的工作直径或采用不同的工作直径。

本发明的一个目的是提供一种改善的液压支承止推轴承。

本发明的另一个目的是提供一种用于大型垂直轴机器的具有改善轴承轴瓦支承装置的止推轴承。

本发明还有一个目的是提供一种对于每个轴承轴瓦都有液压支承 的止推轴承结构，该液压支承有利地分布在下面轴瓦表面上。

因此，这里提供了一种止推轴承垂直轴机器。它包括一个安装在机器垂直轴上的、为与轴一起转动并有朝下轴承表面的转动环;一个位于轴周围的固定基环;若干瓦块的轴承轴瓦，每个轴瓦都有面向转动环轴承表面的朝上支承表面;用于每个轴瓦的若干液压元件，液压元件从基环向上延伸，以支承各个轴瓦;一个连接到压力下液压流体源的歧管，连接装置将每个液压元件连到歧管，以便将压力下的液压流体供给每个液压元件，从而迫使各个轴瓦的支承表面朝向转动环的支承面;以及为了在轴瓦的支承表面和转动环支承表面之间提供油膜的装置，每个轴瓦都配备液压元件，以便在压力模型条件下支承各个轴瓦。为在工作载荷条件下提供给轴瓦一个基本上是平面的支承表面，压力模型大约为理想的油膜压力模型。

参照附图对发明进行说明，附图中

图1是本发明的带有轴承支承的机器轴剖视图

图2是图1右边部分的轴承及支承构件放大视图

图3A表示油膜压力图形，例如在具有止推轴承的立式机器运转期间所形成的油膜压力图形

图3B是为了理解本发明而表示的横向和径向单元的轴承瓦块平面视图

图4A表示具有理想油膜压力图形和一个特殊支承图形的轴瓦

图4B是与载荷和图4A支承图形相关联的轴瓦挠曲曲线实例

图5A是带不同间隔支承的、具有理想油膜压力图形的轴瓦

图5B是与图5A中支承图形相关联的轴瓦挠曲曲线实例

图6也是带较宽分布支承图形的、具有理想油膜压力图形的另一 种轴瓦

参照图1，图1是垂直轴的电机，例如电机的轴承台座和支架。垂直轴10向下延伸到水驱动的涡轮机中，（图中未示出）。轴10的上端是联轴节法兰11，由构架13显示的但在图中未完全表示的电机转子连接到法兰11上。在法兰11的下面安装了转动环12。转动环12背靠着相当大的、起到止推块作用的法兰11。转动环12具有朝下的轴承表面。面对环12的是若干轴承瓦块或轴瓦14，每个轴瓦都有朝上的轴承表面。就像大家所知道的那样，轴瓦14围绕轴10彼此相邻并隔有间隙。若干液压元件15，如在每个油缸中安置了活塞，以使活塞沿轴线方向运动，又如带挠性侧壁的腔室，以使上腔室壁面相对下腔室壁面产生轴向运动。这些液压元件从基环16延伸到相对应的轴瓦14中。一个管状通道17（图2）由每个液压元件延伸到歧管18，而歧管18与基环16隔开并邻近基环。基环16支承在大型的挡环20上，挡环安装在机架21上。机架21安装在基础构件22上。壁面23和24由挡环20向上延伸，构成油箱或盛油的容器。当机器工作时，浸没在油中的转动环12和轴瓦14的表面之间具有用来润滑和冷却轴承表面的液压油膜。

图2是图1右边部分的轴承元件放大图。在图2里，联接法兰11（或止推块）上装有转动环12。轴瓦14支承了带有油膜25的环12，油膜25在转动环12和轴瓦14之间。许多个液压元件15延伸横越至轴瓦14，以支承轴瓦。用活塞26表示的液压元件15分别滑动地安装在各个油缸27中。基环16内的管状通道17连接每个油缸27的底部，管状通道17由带歧管18的管子17A连接。油缸和歧管1.8的连接方式要保证每个油缸内的压力相同。

如果不采用带活塞的油缸作为液压元件，也可以采用膜盒型腔室，腔室跟随室内液压流体体积的变化，在其长度方向上可挠曲。

为使轴瓦14保持在预定水平，也就是保持在上、下极限范围内，从轴瓦14中延伸一个臂杆28，臂杆28操纵用符号表示的微动开关30、31。微动开关连到控制装置32上。控制装置连接在电源-用动力线33表示-和电机/泵组件34之间。将电机/泵组件34的泵接到液压流体源-用管子35表示-，流体通过管子36和单向阀37至歧管18。当轴瓦14达到预定的最低极限时，臂杆28操纵开动控制装置32的开关31。控制装置32供给电机/泵34以动力，泵控制泵送的液压流体通过管子36、单向阀37、歧管18、管子17A、管道17至油缸27。因此将活塞26和轴瓦14提高。当轴瓦14到达其预定的上限时，臂杆28接合开动控制装置32的开关30，以切断连通电机/泵组件34的电机动力。这样，用臂杆28使轴瓦14保持在上、下预定的极限之内。又因为歧管18对所有油缸都能提供相同的液压压力，所以全部轴瓦都能维持在上、下预定的极限之间。

使用与润滑轴承同样的油作为液压流体是很方便的，但不是必须这样做。如果使用相同油的话，那么从任何液压元件中产生的泄漏油将成为油池的一部分，轴承表面就浸没在这个油池里。

现在参照图3A和3B，图3B是轴承瓦块或轴瓦14A的平面视图。为了更清楚地理解本发明，我们可认为横向延伸了一个单元条带40，径向也延伸了一个单元条带41。图3A显示通过单元条带40的轴瓦14A的横截面。应用某些假设条件，有可能计算每个轴瓦的轴承表面上油膜内的最佳压力分布。为了解释的目的，曲线 42表示单元条带40处轴瓦14A上的油膜压力图形，也就是说，它表示单元条带40上理想工作状态的压力图形。

参照图4A，曲线42表示相同的油膜压力图形，和通过单元条带40的相同横截面图。轴瓦14A横截面图下面表示的是由活塞26供给的支承力（图2）。支承力由几个块体43表示，每个块体的宽度表示活塞直径，块体高度表示活塞压力。为了达到平衡，油膜压力图形42下的面积必须等于支承块体43的总面积。在图4A中，有四个支承块体43，它们代表在接近条带单元中心处紧密相接安排的四个油缸。应用给定的所有参数，其中包括单元条带的宽度、厚度、长度和弹性模数，利用公知的方法，计算单元轴瓦条带的挠曲是可能的。作为一个实例，图4B表示在假设条件下轴瓦的挠曲（放大比例）。因为支承力是向中心集中，所以轴瓦在假设的载荷作用下，在边缘处有向下挠曲的趋势，如曲线44所示，换句话说，认为轴瓦条带是向上凸起或“隆起”。

参照图5A，通过轴瓦14A的单元条带40（图3B）的横截面上显示相同曲线42。轴瓦14A下面也有一个支承力，用块体43A表示。在图5A中，支承的力、也就是支承活塞26（图2）分布不同，外部活塞向边缘移动。图5B表示一个例子，用曲线44A表示轴瓦的挠曲（放大比例），这种挠曲是随支承力朝轴瓦边缘分布而产生的。可以看出轴承表面是凹面，由曲线44A表示，这是因为一部分支承安放的过于接近轴瓦14A的边缘所致。

从图4和图5中明显看出，可把图2中的支承元件15（油缸27和活塞26）分布或安排成使轴瓦14上基本为平的表面（图1和图2）。参看图6，曲线42A表示理想油膜压力图形，块体 43B表示由6个液压元件供给的支承力，液压元件是按照曲线42A分布的。对沿轴瓦14A（图3B）延伸的许多横向单元条带40，以及对跨越轴瓦14A延伸的许多径向条带41（图3B）进行计算，可以确定液压元件15的位置或分布。实际上，为了达到确定液压元件15位置的目的，将轴瓦当做一个板而不做为一系列元件或梁来进行处理，并参照板进行必要的计算是很方便的。不论采用什么计算方法，很明显，所希望的油膜压力图形是非常近似于通过许多适当分布的、彼此有一定间隔并具有共同油压的支承液压元件产生的轴瓦下的压力。支承液压元件之间的“凹陷”量可以通过选择合适的轴瓦厚度来控制。一般情况下，较薄的轴瓦需要采用较多的小尺寸的液压支承元件。希望使用薄轴瓦，因为它们对转动环内或轴瓦本身内的热扭曲所造成的油膜压力图形影响较小。

设计支承液压元件时，可以看出，对于设计者来说可以采用其它变型。不采用带有相等直径的活塞油缸的液压元件，而使用不同直径的油缸，以便在单位支承面积上提供不同的支承力。

本发明在每个轴瓦的支承表面上提供了基本上是平面的表面。上述的加拿大专利NO1116671也与这个问题有关。然而上述专利介绍的是机械支承装置，这个装置将瓦块支承板或支承基座安装在中心配置的枢轴装置上，除非支承板特别巨大，否则将有隆起倾向或形成凸起上表面。从支承板延伸到轴承瓦块的机械支承元件，没有任何自动平衡结构，在连带有特殊轴瓦的支承元件之间、或者在所有轴瓦的支承元件之间都没有平衡结构。

因此可以相信，本发明提供了一种用于垂直轴机器的止推轴承的改进支承。很明显，本发明的支承装置也可用于非垂直轴机器中的止推轴承。

Claims (7)

1、垂直轴机器的止推轴承，其特征是：

为了随轴一起转动而安装在机器的垂直轴上，并具有朝向下的支承表面的转动环，

围绕轴安装的固定基环，

许多分段的轴承轴瓦，每个轴瓦都具有面对转动环支承表面的向上的支承表面，

对于每个轴瓦，有许多液压元件，液压元件从基环向上延伸，以便支承各个轴瓦，

连接在压力下的液压流体源的歧管，

将每个液压元件连接到歧管的连接装置，以便把有压力的液压流体供给每个液压元件，用以推动各个轴瓦的支承表面朝向转动环的支承表面。

在轴瓦的支承表面和转动环的支承表面之间提供油膜的装置，

按照近似理想的油膜压力图形分配和布置每个轴瓦的液压元件来支承各个轴瓦，以便在工作载荷条件下提供大体上为平面形的支承表面。

2、按照权利要求1的止推轴承，其特征是：液压元件包括至少在基环内部分形成的油缸和在每个油缸内的活塞，在油缸内，活塞随着油缸内液压流体容积的变化而产生纵向滑行运动，每个活塞都具有连接各个轴瓦的装置，从而支承轴瓦。

3、按照权利要求1的止推轴承，其特征是：液压元件包括挠性膜盒型腔室，腔室跟随室内液压液体容积的变化，在平行于轴线的纵向方向上可弯曲，每个腔室都有用于安装到基环上和用于和各个轴瓦接合的装置。

4、按照权利要求1的止推轴承，其特征是：歧管邻近基环的圆周。

5、按照权利要求1的止推轴承，其特征是：用于在轴瓦支承表面和转动环支承表面之间供给油膜的装置包括从基环向上延伸的具有一定间距的壁面，提供容纳润滑液的容器，以便浸没轴承表面进行润滑。

6、具有安装在固定机架上的定子和转子的电机的止推轴承，为了使转子在定子中转动，转子安装在垂直伸长的轴上，止推轴承的特征是：

为了随轴一起转动，转动环安装到垂直延伸的轴上，并具有朝向下方的支承表面，

静止的基环安置在转动环下的轴周围，并安装在机架上，

许多分段的支承轴瓦围绕轴彼此靠近，每个轴瓦都具有面向转动环支承表面的向上的支承表面，

对于每个轴瓦，有许多液压元件，液压元件安装到基环上，并向上延伸以支承各个轴瓦，

为连接到压力下的液压流体源的歧管，

为了对每个液压元件提供相等压力下的液压流体，管状连接装置将每个液压元件连到歧管，以便将各个轴瓦的支承表面推向转动环的表面，

在轴瓦的支承表面和转动环的支承表面之间提供润滑油膜的装置，

按照近似理想的油膜压力图形分配和布置每个轴瓦的液压元件来支承各个轴瓦，以便在工作载荷条件下提供大体上为平面形的支承表面。

7、按照权利要求6的止推轴承，其特征是：液压元件包括至少部分在基环内形成的油缸和每个油缸内的活塞，以便和油缸壁滑动接合，跟随油缸内液压流体容积的变化，活塞纵向滑行运动，每个活塞具有用来和轴瓦下表面相结合的装置，以支承轴瓦，管状连接装置的一部分在基环内延伸到每个油缸底部。

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