CN102022432A - 轴承装置、用于保持至少一个衬垫的保持机构和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及轴承装置、用于保持至少一个衬垫的保持机构和方法，具体而言，涉及用于将至少一个衬垫保持在轴承装置内的方法、保持机构和轴承装置。该轴承装置包括：具有至少一保持头部的环；设置在该环内且具有构造成接纳该至少一保持头部的底部凹进部分的至少一个衬垫，该至少一个衬垫构造成在该至少一保持头部上枢转；以及保持机构，其构造成将该至少一个衬垫保持在环内的预定容积内。该保持机构构造成除保持头部与该至少一个衬垫之间的力以外还在该至少一个衬垫上施加保持力，其中该保持力大致沿该环远离环的中心的径向作用。

Description

轴承装置、用于保持至少一个衬垫的保持机构和方法

技术领域

本文公开的主题的实施例一般地涉及方法和系统，且更特别地涉及用于将衬垫保持在轴承装置内的机构和技术。

背景技术

涡轮机械正在发展并且此领域中的最新技术利用高速轴承。在轴承设计的许多领域中，转子-轴承系统的设计直接影响机器的性能。传统设计已提供了带滚动元件的轴承，滚动元件即可围绕保持头部枢转同时支承转子的衬垫或闸瓦。但是，在高速度和/或高压力下，超过了滚动元件的负荷能力和硬度极限，且因此机械的性能和平均寿命下降。例如，在高于传统涡轮机械的典型速度的圆周速度下，放置在旋转轴的端部以适应轴承速度极限的旋转轴可引起超临界(即在临界速度之上运行)转子设计。超临界转子设计又可导致可能遭受破坏性和无法防止的次同步旋转以及大的径向偏差的不稳定转子。

尽管涡轮机械的常规应用采用传统的圆周速度，但似乎可以以更高速度运转的机器除其它优点外还将改善功率消耗并且还改善衬垫中的热量分配。但是，这些高于正常的速度可能引发接下来讨论的其它问题。

为了减少转子与轴承之间的摩擦，可引入油来隔开机器的这两个构件。在本领域中，此系统称为轴颈轴承。轴和轴承通常均为简单抛光过的圆柱体，润滑剂填充轴端与轴承闸瓦之间的间隙。与润滑剂仅在轴和闸瓦的表面之间“减小摩擦”，使一者靠在另一者上更容易地滑动不同，润滑剂足够厚以致一旦旋转，表面根本不会形成接触。如果使用油，则通常在压力下将其供给到轴承中的孔内，如对加载的轴承那样。

图1中示出了此类示例，其为美国专利No.4,568,204的图2的图示，通过引用将其全文结合于本文中。图1显示了封闭如箭头14所示旋转的轴12的轴颈轴承10。轴颈轴承10包括通过环18保持就位的五个衬垫16。每个衬垫16均包括插入衬垫16的凹进区域22的衬垫支承件20。衬垫支承件20与被固定在环18上的插入物24相连。每个衬垫支承件20和凹进区域22均具有配合的球形表面以允许衬垫16沿任何方向自由枢转，从而在其旋转时与轴12的表面相符。另外，轴颈轴承10具有规则地形成在环18内以便在衬垫16与轴12之间供油的供油装置26。

但是，当轴12以80m/s的速度相对于衬垫16旋转时，缺油是在传统涡轮机械中发现的问题之一。当轴圆周速度增加时该问题恶化。缺油是对于旋转轴和/或衬垫缺乏足够的油使得轴与衬垫之间的油膜被中断，这可引起轴与衬垫之间的高摩擦，导致高温和随后的损坏。

传统涡轮机械中可能出现的另一个问题是气穴现象。气穴现象是其中液体的压力下降到其蒸汽压力之下的区域中形成流动的液体(例如油)的蒸汽泡沫。随着转子以高速旋转，油的压力可能下降到其蒸汽压力之下，导致气穴现象和冲击波的形成。由于气穴现象形成的冲击波足够强而极大地损坏运动机件，气穴现象通常是一种不希望有的现象。

当新应用的轴圆周速度需要超过170m/s的速度时，必须克服和解决以上概述的问题以便这些应用适当起作用。虽然已关于轴颈轴承讨论了以上问题，但在其中轴相对于衬垫高速旋转的其它轴承中也发现了这些问题。

因此，将希望提供在考虑以下公开的主题之后普通技术人员理解的避免前述问题和缺点及其它的设备、系统和方法。

发明内容

根据一个示例性实施例，有一种轴承装置，该轴承装置包括：具有至少一保持头部的环；设置在该环内且具有构造成接纳该至少一保持头部的底部凹进部分的至少一个衬垫，该至少一个衬垫构造成在该至少一保持头部上枢转；以及保持机构，其构造成将该至少一个衬垫保持在环内的预定容积内。

根据另一示例性实施例，有一种保持机构，其用于将至少一个衬垫保持在轴承装置内的预定容积内。该保持机构构造成接触该至少一个衬垫和轴承装置，并且除了该至少一个衬垫与保持头部之间的力以外，还在该至少一个衬垫上施加保持力，将该至少一个衬垫保持在轴承装置的环中。该保持力大致沿远离环的中心的轴承装置的环的径向方向而作用。

根据再另一示例性实施例，有一种方法，该方法用于将至少一个衬垫保持在轴承装置的环内的预定容积内。该方法包括以下步骤：将该至少一个衬垫设置在环的保持头部上，使得该至少一个衬垫的底部凹进部分构造成接纳该保持头部，该至少一个衬垫构造成在该保持头部上枢转的步骤；用保持机构保持该至少一个衬垫，该保持机构构造成将该至少一个衬垫保持在环内的预定容积内的步骤；以及使该定位机构构造成当轴承装置在使用时除保持头部与该至少一个衬垫之间的力以外还在该至少一个衬垫上施加保持力的步骤，该保持力大致沿远离环的中心的该环的径向方向而起作用。

附图说明

结合在说明书中并构成说明书一部分的附图示出一个或更多个实施例，并连同描述一起解释这些实施例。在附图中：

图1是常规轴颈轴承的示意图；

图2是根据示例性实施例的轴颈轴承的示意图；

图3是根据示例性实施例的图2的轴颈轴承的横向视图；

图4是穿过根据示例性实施例的轴颈轴承的衬垫的截面图；

图5是根据示例性实施例的图4的衬垫的透视图；

图6是由根据示例性实施例的由轴颈轴承支承的转子的示意图；

图7是根据示例性实施例的衬垫和弹簧的透视图；

图8和图9是根据示例性实施例的弹簧的示意图；

图10和图11是附连到根据示例性实施例的衬垫上的套环的不同视图；

图12和图13是根据示例性实施例的衬垫的保持机构的不同视图；以及

图14是示出用于保持根据示例性实施例的衬垫的方法的步骤的流程图。

具体实施方式

以下对示例性实施例的说明参照附图。不同附图中相同的参考标号表示相同或相似的元件。以下详细描述并不限制本发明。相反，本发明的范围由所附权利要求来限定。为了简单起见，以下实施例关于轴颈轴承的术语和结构进行讨论。但是，接下来讨论的实施例并不限于这些结构和系统，而是可适用于包括旋转并由衬垫支承的轴或转子的其它轴承和系统。

说明书全文中对“一个实施例”或“实施例”的提及是指结合实施例所述的特定特征、结构或特点包括在所公开的主题的至少一个实施例中。因此，短语“一个实施例中”或“实施例中”在说明书全文中各个位置的出现不一定是指同一实施例。此外，特定特征、结构或特点可以任何适当的方式结合在一个或更多个实施例中。

根据图2中所示的示例性实施例，轴颈轴承30包括构造成保持多个衬垫34的环32，各衬垫具有工作面34a。衬垫34由挡板36保持以防止它们在轴(未示出)沿方向A以高速(例如介于100与170m/s之间)旋转时沿旋转方向A滑动。用于防止轴向错位的相应保持板38将衬垫34保持在环32附近。保持板38在图2中显示为由螺钉40固定在环32上。在其它应用中，保持板38可通过其它方式固定在环32上，如本领域普通技术人员将承认的那样。环32、挡板36和保持板38限定衬垫34可在其中围绕保持头部枢转的预定容积。

图3和图4显示了每个衬垫34均具有保持头部44设于其中的凹进部分42。保持头部44通过螺钉46固定在环32上。凹进部分42以允许衬垫34相对于保持头部44枢转的方式成形。图4中也示出了这些元件，图4为沿图3的线A-A的截面。图4中示出衬垫34设置在支承元件48上。保持头部44或附连到支承元件48上(如图3所示)或形成为支承元件48的一部分(如图4中所示)。衬垫34的凹进部分42构造成接纳保持头部44。利用螺钉40将两个保持板38附连到支承元件48上。支承元件48可为环32的一部分或附连到环32上。图4还显示了形成在衬垫34的两侧上的两个凹槽50。凹槽50构造成接纳保持板38的突出体52。

图5更详细地显示了形成在衬垫34与保持板38之间的连接。凹槽50形成为具有大于突出区域52的高度“h”的宽度“w”。在一个应用中，宽度w比高度h大至少10％。这样，衬垫34在突出区域52接合凹槽50时仍能够围绕保持头部44枢转。

如在背景技术部分中已经讨论的，缺油和轴承不稳定性是影响传统轴承的公知问题。传统轴承中缺油和在高转子速度下的轴承不稳定性的一个原因是施加在衬垫34上的错位力的大小。接下来关于图6说明该错位力。图6显示了沿方向A以一定速度n(每秒转数)旋转的转子60。转子60由衬垫34支承。当转子60以高速旋转时出现至少两个力。第一个力为衬垫34与油(其由旋转的轴置于运转中)之间的摩擦所引起的摩擦力，而第二个力为衬垫周围的油在轴旋转的同时产生的侧压力导致的压力。这两个力的合力在图6中示出为力66。力66可被分解为与保持头部44相切的第一力分量62和垂直于枢转滚珠44的第二力分量64。该第二力分量64是起作用而从保持头部44移开衬垫34的错位力。

根据图7中所示的示例性实施例，弹簧70可设置在保持板38的至少其中一个突出区域52上。在一个应用中，弹簧70可固定在衬垫34上。但是，在另一个应用中，弹簧70可固定在保持板38上。弹簧70可构造成平衡错位力64，即，由弹簧70从转子60朝环32在衬垫34上施加的力在大小上可与错位力64基本上相等而方向与错位力64相反。在一个示例性实施例中，弹簧70所施加的力可大于错位力64，例如，介于错位力64的100％与200％之间。

弹簧70可设置在每个凹槽50中，该凹槽50设置在保持板38的每个突出区域52上。弹簧70可具有图8中所示的形式。弹簧70可包括具有与圆弧相似的形状的本体72以及帮助将弹簧70附连/固定在相应的保持板38上的两个端部区域74。弹簧70还允许衬垫34围绕保持头部44倾斜。在一个应用中，弹簧70可具有如图8中所示与弹簧的中部交叉的X轴线以及与X轴线相交的Y轴线，以及本体72与端部区域74之间的界面。在一个示例性实施例中，本体72的弦长介于30与45度之间。图9显示了弹簧70的俯视图。在一个应用中，弹簧由呈柔性且起到弹簧作用的材料制成，因而具有弹簧常数k。例如，弹簧70可由C7D或其它用于弹簧的钢合金(即SiNiCr5)制成，并且在洛氏硬度计(Rockwell scale)上可具有40到50HRC的硬度(洛氏测试与通过预置载荷进行穿透相比通过测量压头在大负荷下的穿透深度来确定硬度)。

在示例性实施例中，弹簧70具有附连到保持板38的突出区域52上的端部区域74(参见图8)，如图7中所示。但是，弹簧70的本体72的中心部分构造成接触衬垫34但不接触突出区域52，如图7中所示。

根据图10中所示的另一示例性实施例，套环80可围绕保持头部44的颈部82附连到衬垫34上，以便当转子60以高速旋转时提供抵消错位力64的保持力84。应该注意的是，根据此实施例，颈部82的半径小于保持头部44的头部部分86的半径，从而防止套环80从保持头部44脱出。可通过各种技术将套环80首先安装在颈部82周围，例如，加热套环80以配合在头部86上或使套环80由在布置在颈部82周围之后连接(焊接)在一起的两个半体形成。图11中示出了套环80的俯视图。套环80可由钢或其它坚固材料形成。可将套环80拧入衬垫34中、焊接到衬垫34上或以本领域的技术人员公知的其它方式附连。

根据图12中所示的另一示例性实施例，衬垫34可由紧固元件90保持在环32内的预定容积内，该紧固元件90穿过在保持头部44中制造的孔92和在衬垫34的中心区域内制造的孔94而插入。紧固件90可为如本领域的技术人员将会认可的传统的螺钉、螺栓、螺纹元件等。孔94具有至少朝向孔94的端部的螺纹96以便与紧固件90的相应螺纹接合。为了允许衬垫34相对于保持头部44倾斜，保持头部44中的孔92被加大尺寸，即，孔92的半径大于紧固件90的半径。图13显示了紧固件90在插入孔92内时的视图(沿图12的线B-B)。因此，转子60的旋转产生的错位力64被衬垫34与紧固件90之间出现的保持力84平行。

应该注意的是，图7、图11和图13中所示的示例性实施例的特征的任何组合可用于同一轴承系统中。

根据图14中所示的示例性实施例，有一种用于将至少一个衬垫保持在轴承装置的环内的预定容积内的方法。该方法包括：步骤1400，将该至少一个衬垫设置在环的保持头部上，使得该至少一个衬垫的底部凹进部分构造成接纳保持头部，该至少一个衬垫构造成在该保持头部上枢转；步骤1402，用保持机构保持该至少一个衬垫，该保持机构构造成将该至少一个衬垫保持在环内的预定容积内；以及步骤1404，将该定位机构构造成当使用轴承装置时，除保持头部与该至少一个衬垫之间的力外，还在该至少一个衬垫上施加保持力，其中该保持力远离环的中心大致沿该环的径向方向起作用。

所公开的示例性实施例提供一种轴承装置、一种保持结构和一种用于将至少一个衬垫保持在轴承装置的环内的预定容积内的方法。应当理解的是，此描述并非旨在限制本发明。相反，示例性实施例旨在涵盖包括在如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的替换方案、改型和等同物。此外，在示例性实施例的详细描述中，阐明了多个特定细节以便提供对主张权利的发明的综合理解。但是，本领域的技术人员应该理解的是，可在不具备这些特定细节的情况下实施各种实施例。

虽然以特定组合在实施例中描述了本文的示例性实施例的特征和元件，但可在不使用实施例的其它特征和元件的情况下单独使用或与本文披露的其它特征和元件进行或不进行结合而使用每个特征或元件。

此书面描述使用了包括最佳模式在内的实例来公开本发明，并且还使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制造和利用任何装置或系统并且执行任何所结合的方法。本发明可取得专利权的范围通过权利要求来限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果此类其它实例没有不同于权利要求的文字语言所描述的结构元件，或者它们包括在权利要求的文字语言的范围内的等同结构元件，则认为此类其它实例包含在权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种轴承装置，包括：

具有至少一保持头部的环；

至少一个衬垫，其设置在所述环内并具有构造成接纳所述至少一保持头部的底部凹进部分，所述至少一个衬垫构造成在所述至少一保持头部上枢转；以及

保持机构，其构造成将所述至少一个衬垫保持在所述环内的预定容积内，并且除所述至少一保持头部与所述至少一个衬垫之间的力以外，还在所述至少一个衬垫上施加保持力，其中所述保持力远离所述环的中心大致沿所述环的径向方向起作用。

2.根据权利要求1所述的轴承装置，其特征在于，所述至少一个衬垫包括形成在所述至少一个衬垫两侧上并沿所述环的周长延伸的侧凹槽，并且

所述保持机构包括：

保持板，其具有构造成配合在所述至少一个衬垫的所述侧凹槽中的突出体。

3.根据权利要求2所述的轴承装置，其特征在于，所述突出体沿所述保持板的一侧延伸并具有小于所述至少一个衬垫的所述侧凹槽的宽度，使得所述至少一个衬垫能够在所述至少一保持头部上枢转，并且

所述保持机构还包括：

弹簧，其设置在所述保持板上并构造成在所述至少一个衬垫的所述侧凹槽的两侧上施加偏压力。

4.根据权利要求1所述的轴承装置，其特征在于，所述保持机构包括：

套环，其形成在所述保持头部的颈部周围并构造成附连到所述至少一个衬垫上，使得通过所述套环与所述保持头部之间的保持力减小作用在所述至少一个衬垫上的错位力。

5.根据权利要求1所述的轴承装置，其特征在于，所述保持机构包括：

紧固件，其用以穿过所述保持头部的加大尺寸的孔设置并附连到所述至少一个衬垫的所述底部凹进部分的区域上，其中所述紧固件构造成在所述加大尺寸的孔内移动，使得当所述紧固件被拧入所述至少一个衬垫中时，所述至少一个衬垫围绕所述保持头部枢转。

6.一种用于将至少一个衬垫保持在轴承装置内的预定容积内的保持机构，所述保持机构构造成接触所述至少一个衬垫和所述轴承装置，并且除所述至少一个衬垫与将所述至少一个衬垫保持在所述轴承装置的环中的保持头部之间的力以外，还在所述至少一个衬垫上施加保持力，其中所述保持力远离所述环的中心大致沿所述轴承装置的所述环的径向方向起作用。

7.根据权利要求6所述的保持机构，其特征在于，所述保持机构还包括：

保持板，其具有构造成配合在所述至少一个衬垫的侧凹槽中的突出体，其中所述突出体沿所述保持板的一侧延伸并具有小于所述至少一个衬垫的侧凹槽的宽度，使得所述至少一个衬垫能够在附连到所述环上的保持头部上枢转，以及

弹簧，其设置在所述保持板上并构造成在所述至少一个衬垫的所述侧凹槽的两侧上施加偏压力。

8.根据权利要求6所述的保持机构，其特征在于，所述保持机构还包括：

套环，其形成在所述保持头部的颈部周围并构造成附连到所述至少一个衬垫上，使得通过所述套环与所述保持头部之间的保持力减小作用在所述至少一个衬垫上的错位力。

9.根据权利要求6所述的保持机构，其特征在于，所述保持机构还包括：

紧固件，其用以穿过所述保持头部的加大尺寸的孔设置并附连到所述至少一个衬垫的底部区域上，其中

所述紧固件构造成在所述加大尺寸的孔内移动，使得当所述紧固件被拧入所述至少一个衬垫中时，所述至少一个衬垫围绕所述保持头部枢转。

10.一种用于将至少一个衬垫保持在轴承装置的环内的预定体积内的方法，所述方法包括：

将所述至少一个衬垫设置在所述环的保持头部上，使得所述至少一个衬垫的底部凹进部分构造成接纳所述保持头部，所述至少一个衬垫构造成在所述保持头部上枢转；

用保持机构保持所述至少一个衬垫，所述保持机构构造成将所述至少一个衬垫保持在所述环内的所述预定容积内；以及

使所述定位机构构造成当所述轴承装置使用时除所述保持头部与所述至少一个衬垫之间的力以外，还在所述至少一个衬垫上施加保持力，其中所述保持力远离所述环的中心大致沿所述环的径向方向起作用。

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