本非临时专利申请要求享有2008年4月21日提交的、名称为“自校正轴承和密封件组件(SELF ALIGNING BEARING AND SEALASSEMBLY)”的美国临时专利申请序列号61/046,549的优先权,其全部内容在此通过引用结合进来。
发明内容
在各种示例性实施例中,本发明提供了一种自校正轴承和密封件组件,其可操作用于任意旋转设备,其包括但不限于:应用润滑轴承和密封件组件的风冷热交换器、化学药品混合器和搅拌器、机械粉饰设备等。在所有的示例性实施例中,本发明的轴承和密封件组件包括限定了内部腔体的轴承壳体、安装在轴承壳体内并且具有轴承单元的枢转组件、壳体和轴承密封件、设置在壳体内并且可操作地容纳且保持旋转轴的轴套、和将轴承和密封件组件安装在合适位置上的安装零件。
有利的是,不管轴的位置如何,本发明都能保持密封件和轴承的对准,从而允许较大程度的角度或径向错位(高达20度)。进一步地,无需对准或指示工具就可以轻易地安装本发明的轴承壳体。更进一步地,本发明使用适合所有应用的一个设计来有利地避开了专用轴承/轴直径组合的需求。本发明也适于所有的密封件类型,适于任意的轴承类型,并且适于多种润滑液体和系统。本发明包括无需适配器就可以安装到所有基板上的结构。此外,本发明允许轴在操作中轴向伸长,从而允许使用并不需要加键(keyed)的光轴。本发明可以用于各种法兰结构中,并且可以沿水平或垂直方向与轴安装在一起。
通常,将两个或多个轴承安装在公共轴上是很常见的。该轴通常刚性附连到至少其中一个轴承上,并且允许该轴轴向穿过其余轴承而运动,从而允许轴的热膨胀。在这种结构中,由于锈或磨损阻止了轴的自由运动,轴承可以卡住轴。有利的是,本发明提供了对运动界面的恒定润滑和环境保护。
在本发明的示例性实施例中,提供了一种自校正轴承和密封件组件。该自校正轴承和密封件组件包括轴承壳体、具有轴承单元的枢转组件、壳体和轴承密封件、和将所述组件安装到表面上的安装零件。在示例性实施例中,轴承单元为轴承衬套,其具有安装在具有凸弧形外包络表面的轴承套内的外圈环。所述壳体限定有内部腔体,并且具有与轴承套的外包络面大体相同的半径和曲率的凹形内包络面。在示例性实施例中,轴承套容纳轴承单元并将轴承单元维持在合适的位置上。
轴承单元还提供有内圈环。将内圈环安装成与设置在轴承单元内并由轴承单元旋转支撑的枢转组件的轴套可操作地接触。在示例性实施例中,内圈环相对于外圈自由旋转,且外圈环由轴承套刚性支撑。轴的旋转运动,以及由此而导致的内圈环的旋转运动由内和外圈环之间的界面所限定的轴承面承受。为了减少内和外圈环之间的摩擦,可以在内和外圈环中形成的轨道之间设置多个滚珠或辊子(如分别在滚珠和辊子型轴承中的),和/或在内和外圈环之间引入润滑剂。因此,在示例性实施例中,轴承壳体可以设置有至少一个能够将润滑剂注入轴承单元的润滑端口,以及至少一个可操作地使润滑剂从轴承壳体排出的排出端口。
在示例性实施例中,枢转组件还包括限定有孔且可操作地容纳旋转轴的轴套。轴经由锁环和锁定套筒保持架(sleeve retainer)固定到枢转组件上。轴套适合于轴承单元的内径,从而允许轴和套筒与轴承内圈环一起自由旋转。在所有的示例性实施例中,枢转组件可移动地安装在壳体内。此外,套筒和锁定机构确保了轴和轴承之间的同心度,从而延长了轴承及密封件的寿命。
轴承和壳体密封件设置在轴承套和轴套之间,并设置在顶部密封件保持架与轴套之间。顶部密封件保持架是可拆卸的,从而能够接近轴承单元以进行安装及维护。轴承和密封件组件也可以包括密封件和/或环形密封圈。密封件可以设置在顶部密封件保持架和轴套之间,并且可操作地防止灰尘、水等。环形密封圈设置在壳体和顶部密封件保持架之间。
在示例性实施例中,可以提供扣环并将其环绕轴套设置,以便帮助定位轴套和轴承单元。可以经由润滑剂端口将润滑剂注入轴承组件的一侧。润滑剂流入并且穿过轴承单元,到达轴承单元的另一侧,从而确保润滑剂应用到轴承单元的所有元件上。然后通过排出端口将滑润剂从枢转组件排出。
在另一个示例性实施例中,提供了一种自校正轴承和密封件系统,其包括:可操作地安装到表面的第一侧上的径向轴承组件;包括第一组密封件和第一轴承单元的径向枢转组件,其中,第一密封件和第一轴承单元设置在可操作地容纳旋转轴的第一轴套上;可操作地安装到表面的第二侧上的推力轴承组件;包括第二组密封件和第二轴承单元的推力枢转组件,其中,第二组密封件和第二轴承单元设置在可操作地容纳轴的第二轴套上;其中,径向枢转组件设置在径向轴承组件内,从而允许所述表面和轴之间的较大角度的错位;并且,其中推力枢转组件设置在推力轴承组件内,从而允许所述表面和轴之间的较大角度的错位。
第一轴承单元和第二轴承单元中的每一个都包括设置在所述组件上的对应的外圈和内圈,以及设置在所述圈内的滚珠和辊子,其中,各个内圈设置在轴承组件内的轴套上。第一密封件和第二密封件中的每一个都包括设置在轴套上的顶部密封件和密封件适配器,以及设置在轴套和轴承套上的底部密封件,其中,密封件适配器是可拆卸的,以便安装和维护轴承单元。
本发明的附加特征和优势将在随后的详细说明中阐述,并且其中一部分将从该说明中对本领域技术人员来说变得明显,或通过实施这里所描述的发明而被认识到,其包括随后的详细说明、权利要求书,以及附图。
可以理解的是,前面的总体说明以及随后对本发明的当前示例性实施例的具体说明都是为了提供综述或总体框架,以便理解所宣称的本发明的实质及特征。所包括的附图是为了提供对本发明的进一步理解,并且与本说明书相结合并作为说明书的一部分。附图显示了本发明的各个实施例,其与具体说明一起用于解释本发明的原理和操作。
具体实施方式
现在将参考在附图中示出的本发明的示例性实施例来更加完整地描述本发明。然而,本发明可以体现在许多不同的形式中,而不应该被构造成限制于这里所提出的实施例。提供这些示例性实施例是为了使本公开能够全面以及完整,并且能够向本领域技术人员完全表达本发明的范围。在各个附图中,相同的附图标记表示相同的元件。为了实现前述以及其他目标,并且根据本发明这里所展示并且广泛描述的目的,本发明提供了自校正轴承和密封件组件的各个实施例。
在各个示例性实施例中,本发明提供了轴承和密封件组件,其可操作用于任意旋转设备,包括但不限于:应用被润滑轴承组件的风冷热交换器、化学药品混合器和搅拌器、机械粉饰设备等。在所有的示例性实施例中,本发明的轴承和密封件组件包括限定了内部腔体的轴承壳体,和安装在轴承壳体内的枢转组件以及用于将轴承和密封件组件安装在合适的位置上的安装零件。枢转组件包括轴承单元、环绕轴承单元设置并且固定轴承单元的轴承夹持器和轴承密封件、设置在壳体和轴承单元内的可操作地容纳并且保持旋转轴的轴套,和用于将轴承和密封件组件安装在合适的位置上的安装零件。
有利的是,本发明维持轴承与轴的对准和密封件的整体性,而不管轴的位置如何。本发明提供了比常规轴承和密封件组件更大的角度或径向错位/位移度。更具体地,常规组件给轴提供了小于3度的角度位移,而本发明则提供了高达20度的角度或径向错位/位移。进一步地,经由设置在轴承和密封件组件内的枢转组件,旋转轴、轴承单元和轴承及壳体密封件沿公共轴保持对准。更进一步地,无需对准或指示工具就可以轻易地安装本发明的轴承壳体。更进一步地,本发明延长了密封件和轴承的寿命,并且使环境和安全问题最小。更进一步地,本发明使用适合所有应用的一个设计来有利地避开了专用轴承/轴组合的需求。更具体地,所有密封表面作为包括轴套的组件的一部分受到控制,并且因此不依赖于轴对准以及表面光洁度或状况。更进一步地,本发明允许轴在操作中轴向伸长(axial growth),从而允许使用无需加键(keyed)的轴。
本发明的示例性实施例还适用于各种密封件类型、抗摩擦轴承类型,并且适用于多种润滑液及再润滑方法。本发明包括无需适配器就可以安装到各种普通尺寸的基板上的通用结构。本发明可以用于各种法兰结构中,并且可以沿水平或垂直方向与轴一起安装。
在这里所述的示例性实施例中,可以使用任何诸如角接触轴承、深沟球轴承、锥形滚珠轴承和圆柱形滚珠轴承之类的轴承类型,即使安装时具有很大的角度错位。由于轴承单元固定在枢转组件内,轴套与轴承内圈同步旋转,从而可以将它们保持在正确的方向上,而不管轴相对于轴承壳体的方向究竟如何。这是通过允许枢转组件在轴承壳体的轨道座(orbitalsocket)中自由运动而实现的。轴套和轴承及壳体密封件也与枢转组件一起自由环行,从而保持轴承、轴和密封件正确地对准,以便确保密封功能。
示例性实施例也不使用键驱动轴承(key driven bearing),而是使用锁环。锁环将轴牢固地连接到轴套和轴承ID上。这是非常有益的,因为通用轴承壳体将适合给定直径的所有轴,并且无需使用加键的轴。这也是非常有益的,因为能够随时保持与轴的同心度。在已经存在加键的轴的改进的应用中,这种轴承结构能够在不考虑已有的键槽位置时方便地安装。
在本发明的示例性实施例中,提供了自校正轴承和密封件组件,其大体包括限定了腔体并且可操作地安装到表面上以及轴承壳体,轴承壳体具有在其内安装的轴承单元、多个轴承和壳体密封件、轴套和衬托、以及可操作地将旋转轴安装在轴承壳体内的安装机构。密封件和轴承单元安装在又可操作地容纳并且保持旋转轴的枢转组件内。将枢转组件设置在轴承壳体内,从而允许轴有较大程度的角度或径向错位或位移。在示例性实施例中,所允许的角度错位/位移大于3度,并且高达20度。
参考图1,根据本发明的各个示例性实施例说明了对准结构102、角度错位结构104,和非平行表面结构106中的自校正轴承和密封件组件系统100。在本发明的示例性实施例中,自校正轴承和密封件组件100包括径向轴承和密封件组件110、推力轴承和密封件组件112,和分别设置在径向以及推力轴承和密封件组件110与112内的旋转轴114。径向及推力轴承和密封件组件110与112中的每一个都设置有轴承单元(未显示)和绕轴114的枢转组件(未显示)。共同地,将径向轴承组件110和推力轴承组件112构造为安装在轴114的相对端上。此外,径向及推力轴承和密封件组件110与112共同协作,从而在各种条件下调节绕轴114的角度错位,而不影响组件110与112的操作。
更具体地,自校正轴承和密封件组件系统100能够允许高达20度的大于3度的错位。不利的是,现有的自校正轴承和密封件组件的错位被限制在3度以内,以便将密封件和轴承保持在它们的设计容差内。在现有的自校正轴承和现有的自校正轴承和密封件组件中,轴承L10的额定值(rating)(预计使用寿命)是根据保持类似于本发明的对准结构102中示出的对准而预测的。当轴和轴承之间的角度错位增加时轴承L10的额定值急剧降低。此外,在现有的密封件技术中,密封件的整体性和密封件的寿命取决于在密封件和旋转轴之间保持紧密的(close)角度错位和跳动公差(run-outtolerance)。在本发明中,即使旋转轴114与轴承和密封组件110与112之间的错位度增大,也能够将轴承负载支撑在轴向错位结构104以及非平行面结构106中,而不会降低轴承L10的额定值。更进一步地,即使当例如轴向错位结构104和非平行面结构106中的轴承组件的轴114倾斜时,也能保持密封件和轴承的对准和整体性。
现在参考图2-4和5-6,其显示了根据本发明示例性实施例的轴承和密封件组件112。具体地,图2-4显示了推力轴承组件。图2显示了推力轴承和密封件组件112,其包括轴承壳体202、轴承托203、枢转组件208和用于将组件安装到表面上的安装零件210。轴承组件112经由壳体202中的安装零件210可操作地安装到表面上。本领域技术人员可以理解的是,安装零件210可以是将组件112安装到表面上的任何合适的装置。如图所示,安装零件210包括多个螺钉或螺栓和螺钉或螺栓入口。同样,正如所显示的,可以将轴承壳体202描述为法兰安装系统。然而,本领域技术人员应该理解的是,可以采用任何类型的合适的壳体,诸如,例如轴台(plummer block)。
在图3所示的示例性实施例中,轴承单元204设置在枢转组件208内并且为轴承衬套(bearing insert),其大体包括外圈环220和内圈环224。轴承套211(bearing holder)紧靠外圈环220设置并且具有凸弧形的外包络表面222A。参考图2,轴承壳体202和轴承托203限定了内部腔体,其具有与轴承套211的外包络面大体相同半径和曲率的对应的凹形内包络面222B。本身不允许在轴承环220和224之间有角度或轴向位移的轴承单元204构成了外球面轴承(insert bearing)。由于轴承壳体202和轴承托203提供了与轴承套211配合的弯曲表面,因此外球面轴承单元204能够与轴114对准,从而允许图1的壳体110和112之间的例如可能由长轴、热影响、振动等引起的角度和轴向错位。在示例性实施例中,轴承套211设计为容纳轴承单元204且将其保持在对准的位置上。
轴承单元204还设置有内圈环224。将内圈环224安装成与设置在枢转组件208内并且由轴承单元204旋转支撑的轴套212可操作地接触。轴114的旋转运动传递给轴承单元204的内圈环224。在示例性实施例中,内圈环224相对于外圈环220自由旋转,且外圈环220由轴承套211刚性支撑。轴套212和轴114的旋转运动,以及由此而导致的内圈环224的旋转运动由分别由内和外圈环220与224之间的界面所限定的轴承面承受。为了减少内和外圈环220与224之间的摩擦,可以在内和外圈环220与224中形成的轨道之间设置多个滚珠或辊子226(如分别在滚珠和辊子型轴承中的),和/或在内和外圈环220与224之间引入润滑剂。因此,在示例性实施例中,轴承套211可以设置有至少一个能够将润滑剂注入轴承单元204的润滑端口228,以及至少一个可操作地使润滑剂从轴承壳体202排出的排出端口230。润滑剂可以经由端口228注入轴承组件的一侧。润滑剂流入并且穿过轴承单元204,到达轴承单元204的另一侧,从而确保润滑剂应用到轴承单元204的所有元件上。然后通过排出端口230将滑润剂从枢转组件208排出。因此,在轴承托203和轴承壳体202中设置入口231,以便在枢转组件208安装在推力轴承组件112中时能够接近润滑剂入口端口228和滑润剂排出端口230。
如图所示,轴承单元204为具有锁定环的球轴承。本领域技术人员可以理解的是,虽然这里所公开的轴承单元为球轴承,但可以使用任意的抗摩擦轴承单元,包括但不限于角接触轴承、深沟球轴承、锥形滚柱轴承、圆柱形滚柱轴承、球轴承、自校正球轴承、球面滚柱轴承、曲面滚柱轴承、推力轴承、圆柱形滚柱推力轴承、球面滚柱推力轴承、滚针轴承、套筒轴承、滑动轴承、轴颈轴承、双列轴承、双轴承等。
在示例性实施例中,轴套212限定了孔214并且可操作地容纳旋转轴114。轴114经由锁环216和锁定套筒保持架(locking sleeve retainer)218固定到枢转组件208的轴套212上。轴套212适合于轴承单元204的内径,从而允许轴114和套筒212与轴承内圈环224一起自由旋转。在所有的示例性实施例中,枢转组件208可移动地安装在壳体202内。安装过程中,允许枢转组件208在轴承和密封件组件112内自由环行(即,沿弯曲的内表面222),从而确保轴承单元204和密封件206与轴精确对准。当建立了轴定向时,通过拉紧螺栓209将枢转组件208固定在合适的位置上,这使轴承壳体202和轴承托203及轴承套211之间的弯曲的内表面222A与222B闭合,以便找准(capture)轴承套211。有利的是,不需要工具来定位轴承单元204。
轴承和壳体密封件206设置在轴承套211和轴套212之间,并设置在密封件保持架232与轴套212之间。密封件保持架232是可拆卸的,从而能够接近轴承单元204来进行安装及维护。枢转组件208也可以包括环形密封圈236或其他装置的衬垫来密封轴承套211和密封件保持架232之间的界面。环形密封圈236设置在轴承套211和顶部密封件保持架232之间。
在示例性实施例中,可以提供至少一个扣环238B并将其环绕轴套212设置以便定位轴承单元204。此外,可以提供至少一个扣环238A来将轴承单元204保持在轴承套211中。在其他实施例中,给壳体202提供加速计和/或热电偶安装垫240,以便连接这种装置。
参考图4,显示了根据本发明示例性实施例的推力轴承和密封件组件112的截面图,其中枢转组件208被旋转了。正如所示,即使轴和轴套212错位/倾斜时,轴承单元204和密封件206也保持对准以及完整。更具体地,轴套212、轴承单元204以及密封件206沿公共轴保持精确对准。将枢转组件208构造为在推力轴承和密封件组件112内旋转,其中轴承套211设置在轴承壳体202和轴承托203中的内部曲面222B上。包括轴套212、轴承204及密封件206的整个枢转组件208都旋转。此外,当用于推力负载应用时,可以旋转枢转组件208以便将推力负载从任意一个方向轴向施加到轴承单元204上。
本发明无需专用的轴承/轴组合,即,本发明不使用扣环来定位轴114。因此,一种设计就能适合所有应用。本发明将轴承单元204与轴套212及轴114对准,并且为密封件206提供受控的密封表面。所有的密封表面被作为轴套212的一部分来进行控制,它们并不依赖于轴114的对准及光洁度。因此,并不需要精磨轴。
本发明适用于所有的密封件类型,并适用于所有的轴承类型。本发明适用于多种润滑介质或润滑方法,例如油脂、油、油雾等。自校正轴承和密封的单个结构可以安装到所有基板上,而无需适配器。多种安装模板结合在单独加工中。本发明允许轴在应用中轴向伸长,并且允许使用滑膛轴(smooth bore shaft)而不必加键。自校正轴承和密封件组件112可以插入各种法兰结构中,例如用法兰连接的轴台等,并且可以沿水平或垂直方向与轴114安装在一起安装。
轴附件保持轴114和枢转组件208之间的同心对准(例如,通过使用锁定轴保持架而不是定位螺钉或其他连接装置),这样就能够使用光轴并且无需对轴进行加工。此外,可以对自校正轴承和密封件组件进行重新配置,以便在允许沿任一方向的推力负载,且可以翻转(flip over)环行元件。
现在参考图5-6,其显示了根据本发明示例性实施例的径向轴承和密封件组件110。径向轴承和密封件组件110包括轴承壳体202、轴承托203、将组件安装到表面上的安装零件210、以及具有轴承单元204和轴承壳体密封件206的枢转组件207。径向轴承和密封件组件110的结构类似于图2-4所示的推力轴承组件112和枢转组件208。因此,相同的附图标记表示相同的元件和功能。在示例性实施例中,波形垫圈502设置在枢转组件207内并且环绕轴承单元204,从而允许由于轴114的热膨胀和收缩而导致的轴承单元在轴承套211内的轴向运动。有利的是,通过使用波形垫圈502能够防止过大的过载。
现有具体参考图5-6,其显示了根据本发明示例性实施例的径向轴承和密封件组件110的截面图,其中枢转组件207在旋转。正如所示,即使轴和轴套212错位/倾斜时,轴承单元204和密封件206也保持对准以及完整。更具体地,轴套212、轴承单元204以及密封件206沿公共轴保持精确对准。将枢转组件207构造为安装在径向轴承和密封件组件110内,其中轴承套211设置在轴承壳体202和轴承托203中的内部曲面222B上。包括轴套212、轴承204及密封件206的整个枢转组件207都旋转。
参考图7,其显示了根据本发明示例性实施例的图1中的自校正轴承和密封件组件系统100的截面图,该系统包括具有轴向错位结构104的径向轴承和密封件组件110及推力轴承和密封件组件112。图7同时显示了具有延伸穿过各个组件110与112的轴114的径向轴承和密封件组件110及推力轴承和密封件组件112的截面图。
在图7中,轴114显示为在图1的自校正轴承和密封件组件系统100内错位。这里,径向轴承和密封件组件110及推力轴承和密封件组件112显示为具有位于大体水平位置中的组件110与112的安装零件210,并且轴114相对于大体水平的平面倾斜离开垂直位置。每个径向轴承和密封件组件110及推力轴承和密封件组件112都固定到表面(未显示)上,并且每个推力和径向枢转组件207与208都分别构造为保持密封件和轴承的对准,而不管轴114的错位。
参考图8,其显示了根据本发明示例性实施例的图1中的自校正轴承和密封件组件系统100的截面图,该系统包括径向轴承和密封件组件110及推力轴承和密封件组件112,其中,组件110与112的安装零件210连接到非平行表面结构106中的非平行表面800上。
这里,径向轴承和密封件组件110及推力轴承和密封件组件112显示为由于非平行表面800而处于倾斜位置(相对于水平面)中,且轴114处于大体垂直的位置中。每个径向轴承和密封件组件110及推力轴承和密封件组件112都固定到非平行表面上,且每个顶部和底部枢转组件207、208都构造为保持密封件和轴承的对准,而不管非平行表面800引起的轴114的错位。
应该理解的是,前面的描述及本发明的当前示例性实施例都是为了提供综述或总体框架,以便理解本发明所宣称的实质及特征。所包括的附图是为了提供对本发明的进一步理解,并且与说明书相结合并作为该说明书的一部分。附图显示了本发明的各个实施例,其与具体说明一起用于解释本发明的原理和操作。
虽然这里已经参考优选实施例和具体例子说明并描述了本发明,但是对本领域技术人员容易明白的是,其他实施例和例子也可以实现相同的功能和/或取得类似的结果。所有这种等同实施例和例子都在本发明的精神和范围内,并且由下述权利要求覆盖。
在整个说明书和所附的权利要求书中,除非明确表示为相反的意思,词语“包括”及其各种变形都应该理解为表示包括所宣称的元件,但是并不排除任何其他元件。