CN102272467B - 改进的轴颈轴承设计 - Google Patents

Abstract

本公开涉及轴承，诸如改进了的轴颈轴承。用于轴颈轴承的轴衬可包括：限定了内侧轴承表面的圆柱形内侧；纵向轴线和内部直径(ID)；沿纵向轴线高度为H的内侧轴承表面的沟槽区域；和位于内侧轴承表面的沟槽区域内的一组沟槽，其中N为该组沟槽中的沟槽的数目。可将每个沟槽都设置为从轴衬的纵向轴线偏离螺旋角度(θ)。该螺旋角度可大致等于由下列公式提供的角度：tangent(θ)＝(πx ID)/(N x H)。

Description

改进的轴颈轴承设计

相关申请的交叉引用

本申请要求在2009年1月12日提交的，名为“轴颈轴承设计”的美国临时申请的权益，将其全文合并于此。

技术领域

本公开总体地涉及用于旋转装备的轴承。额外地，本公开涉及用于轴颈轴承的改进的设计。

背景技术

通常在旋转装备中使用轴承，以允许两个零件之间的相对运动。示例性地，可将球轴承或滚珠轴承用来允许轴在固定的壳体内的旋转。轴颈轴承是用于旋转轴的简单轴承。在轴颈轴承中，“轴颈”指的是轴的一部分，而“轴衬”是围绕在轴颈周围的中空圆柱体。将轴衬设置在壳体或其他可称为“轴颈箱”的壳体内。

通常地，轴颈和轴衬两者都为平滑抛光的圆柱体。可将轴颈和轴衬之间的空隙称作轴承的“间隙”。在轴颈轴承中，将润滑剂添加在轴颈和轴衬之间的间隙内。润滑剂通常地具有足够的粘性，以在旋转轴颈和静态轴衬之间提供缓冲。

图1示出了包括旋转设备1的现有技术系统的示例。旋转设备1可包括任何种类的旋转装备(诸如，电机、泵等)。旋转设备1包括具有端面帽12和轴颈箱14的静态壳体10.旋转设备1也包括具有旋转元件22和轴颈箱24的旋转轴20.旋转元件22可包括旋转设备1的任何构件(诸如，转子、推进器等)。

图2A-2D示出了现有技术轴颈轴承24的多个角度。图2A示出了具有轴衬内侧表面28的轴衬26的纵向横截面。轴衬26是配置为用来收纳轴颈27的中空圆柱体。图2B示出了具有轴颈内侧表面29的轴颈29。如图2C所示，轴颈27保持在壳体26内，以形成轴承24。

图2D示出了沿图2C示出的线2D-2D的轴承24的横截面，其中箭头30示出了旋转轴20和轴颈27的旋转方向。轴衬26和轴颈27之间的空隙是间隙34。将润滑剂引入间隙34内。轴颈27在轴衬26内的旋转造成了由润滑剂32构成的“楔形物”(Wedge)。轴颈27依靠在由润滑剂32构成的“楔形物”上，而不和轴衬26发生接触。

在一些应用中，将润滑剂穿过旋转设备1的内侧和任意轴承24循环，以同时移除热量以及提供润滑。在通常的屏蔽电机应用中，足够冷却轴承24的润滑剂32的量小于足够冷却电机和/或其构件的润滑件32的量。在这些应用中，润滑剂32的一些部分绕开轴承24，以避免在穿过间隙34之后形成的压力降-流经许多轴颈轴承的间隙34时存在高的阻力。紧密间隙轴颈轴承的设计显著地受限于润滑剂的压力降和最小允许流动速率之间的平衡。此外，随着旋转设备1的旋转速率的增加，流经间隙34的阻力也随之增加。一些轴颈轴承包括位于轴承表面内的一个或多个沟槽-以减少流经间隙的阻力。

发明内容

根据一些实施例，本公开涉及轴颈轴承。示例性地，本公开提供了用于轴颈轴承的轴衬。轴衬可包括限定了内侧轴承表面的圆柱形内侧、纵向轴线和内侧直径(ID)、沿纵向轴线高度为H的内侧轴承表面的沟槽区域和位于内侧轴承表面的沟槽区域内的一组沟槽，其中N是该组沟槽中的沟槽的数目。可将每一个沟槽设置为从轴衬的纵向轴线偏离螺旋角度(θ)。螺旋角度可大致和由下列公式给出的角度相等：

tangent(θ)＝(πx ID)/(N x H)。

作为另一个示例，本公开提供了用于轴颈轴承的轴衬。轴衬可包括限定了内侧轴承表面的圆柱形内侧、延伸经过圆柱形内侧的中心的纵向轴线、沿纵向轴线高度为H的内侧轴承表面的沟槽区域和位于内侧轴承表面的沟槽区域内的一组螺旋沟槽。此外，任何沿内侧轴承表面的沟槽区域以平行于纵轴的方向延伸的直线可和螺旋沟槽组中的一个且仅一个沟槽相交。

作为另一个示例，本公开提供用于旋转装备的轴承。轴承可包括具有限定了内侧轴承表面的圆柱形内侧的轴衬、该轴衬具有纵向轴线和内侧直径(ID)、安装在旋转轴上，且被配置为在轴衬内旋转的轴颈，所述轴颈包括限定了外侧轴承表面的圆柱形外侧、沿轴衬的纵向轴线高度为H的轴衬的内侧轴承表面的沟槽区域，以及位于轴衬的内侧轴承表面的沟槽区域内的一组沟槽，其中N为该组沟槽中的沟槽的数目。可将每一个沟槽都设置为和轴衬的纵轴成螺旋角度(θ)。此外，螺旋角度可大致相当于由下列公式给出的角度：

tangent(θ)＝(πx ID)/(N x H)。

作为另一个示例，本公开提供了用于旋转设备的轴承。轴承可包括具有限定了内侧轴承表面的圆柱形内侧的轴衬，所述轴衬具有穿过圆柱形内侧的中心延伸的纵向轴线，安装在旋转轴上且被配置为在轴衬内旋转的轴颈，所述轴颈具有限定了外侧轴承表面的圆柱形外侧、沿纵向轴线高度为H的内侧轴承表面的沟槽区域，以及位于内侧轴承表面的沟槽区域内的一组螺旋沟槽。沿内侧轴承表面以平行于纵轴的方向延伸的任意直线可和所述一组螺旋沟槽中的一个且仅一个沟槽相交。

附图说明

可通过下文中结合下列附图的描述获得对本发明的实施例及其优点的更完整的认识，其中相似的附图标记标示相似的特征，且其中：

图1示出了包括旋转装备和轴颈轴承的现有技术系统的示例；

图2A-2D示出了示例性现有技术轴颈轴承的多个方面；

图3示出了结合了本公开的教导的示例性轴承；

图4示出了图3中沿线4-4的轴承的横截面；

图5示出了图3中沿线5-5的轴承的横截面；

图6示出了结合了本公开的教导的示例性轴衬的选定方面；和

图7和8示出了结合了本公开的教导的示例性轴衬的选定方面。

具体实施方式

参照图3-8可最好地理解本公开的实施例及其优势，其中类似的附图标记用于标示类似和相应的零件。尽管本公开聚焦于本发明在用于带有屏蔽泵(canned motor pump)的轴颈轴承的轴衬上的应用，本发明也可应用在其他旋转装备上。举例来说，可将本公开的教导用来改善用于轴颈轴承的轴颈。作为另一个示例，可将体现了本公开的各方面的轴颈轴承用在垂直、水平、和/或其他取向的应用上。

图3示出了结合了本公开的教导的示例性轴颈轴承40。轴颈轴承40可包括轴颈42和轴衬44。轴颈42的外部直径和轴衬44的内部直径之间的差值可以限定间隙41(如图4所示)。可将轴颈42安装在旋转轴50上，和/或和旋转轴50成为一体。旋转轴50和轴颈42作为一个单元，沿箭头52示出的方向旋转。轴衬44可具有纵向轴线45(在图5中示出)，其大致对准旋转轴50。轴衬44可具有一定的长度，在图3中示出为L₁。

图4示出了沿图3中线4-4的轴颈轴承40的横截面。如图4所示，轴衬44可环绕轴颈42。可将轴颈42和轴衬44之间的空间定义为间隙41。轴颈轴承40可包括位于一个轴承表面内的一组沟槽48。示例性地，如图4所示，轴颈轴承40可包括位于轴衬44的内侧轴承表面46内的一组沟槽48。作为另一个示例，轴颈轴承40可包括位于轴颈42的外侧轴承表面43内的一组沟槽48。如果将沟槽添加至轴颈轴承的轴承表面43、46的其中之一内，可降低对穿过间隙41的流体流动的阻力。降低的对穿过间隙41的流体流动的阻力可增加穿过41的流体的体积流动速率，这随后将提供增加了的冷却和/或轴承寿命，而不需要增加流体压力。

图5示出了图3中沿线5-5的轴衬44的横截面。如图5所示，轴衬44可包括圆柱形内侧，其限定了内侧轴承表面46。圆柱形内侧可限定纵向轴线45。内侧轴承表面46可包括衬垫轴衬44的圆柱形内侧的软质材料。用来衬垫轴衬44的圆柱形内侧的一种示例材料通常称为“巴氏合金(babbit)”。巴氏合金可包括锡基和/或铅基合金。由巴氏合金和/或其它合适的材料制成的衬里可保护旋转轴50或轴颈42在轴颈42和轴衬44接触时不受损伤(例如，擦伤或凿削)。此外，巴氏合金衬里可允许润滑剂53中包含的任何污染物嵌入在衬里中，而不损伤轴颈42。

轴衬44可包括在内侧轴承表面46内的一个或多个沟槽48。可将包括沟槽48的轴衬44的部分描述为沟槽区域。在一些实施例中，沟槽区域是沿纵向轴线45延伸以包括沟槽48的区域。示例性地，在图5示出的实施例中，沟槽区域是由垂直于纵向轴线45延伸的虚线49划界的内侧轴承表面46的区域。如图5所示，沟槽区域可具有长度L₂。在其他实施例中，沟槽区域的长度(L₂)可大致等于L₁。

作为示例，图4和5示出了内侧轴承表面46内带有四(4)个沟槽48的沟槽区域。可将该沟槽区域描述为具有多个沟槽48，将N定义为其数目。离散的沟槽将包括位于沟槽区域内的任何单个连续沟槽48。

轴衬44可包括沟槽区域内的单个沟槽48或一组N个沟槽48。如结合图4描述的一样，向轴颈轴承40的轴承表面43、46添加一个或多个沟槽48可降低流经间隙41的流体流动的阻力。然而，向轴颈轴承40的轴承表面43、46添加一个或多个沟槽48也将降低轴颈轴承40的载荷负担能力。沟槽48的具体设计和几何形状将影响流经间隙41的流体流动的阻力以及轴颈轴承40的载荷负担能力两者。

轴颈轴承的载荷负担能力和轴承表面的有效流体力学表面面积相关。通常，沟槽表面相较平滑表面提供较少的总流体动力学表面面积。轴颈轴承的轴承表面43、46的一组沟槽48的设计的一个具有挑战性的方面是增加流经间隙41的流体流动速率，而不显著降低轴颈轴承40的载荷负担能力。

图6示出了用于轴颈轴承40的轴承表面43、46的沟槽48的示例设计。图6仅出于示例性目的，将轴承表面43、46展开为平面。可将图6中示出的沟槽48的设计如图5所示地应用在轴衬44的轴承表面46和/或轴颈42的轴承表面43上。如图6所示，虚线49将轴承表面43、46的沟槽区域划界。如上文中讨论图5时一样，轴承表面43、46的沟槽区域可具有长度L₂。

图6中示出的设计包括相对于纵向轴线45成角度θ延伸的4个沟槽48(N＝4)。尽管图6中示出的示例包括4个沟槽，本领域普通技术人员可将本公开的教导结合任意数量的沟槽进行实施。可由下列公式限定沟槽的角度θ：

tangent(θ)＝(πx D)/(N x H)。(Eq.1)

其中θ为沟槽48和纵向轴线45之间的螺旋角度，D为圆柱形轴承表面的直径，N为沟槽数目，而H是轴承表面的沟槽区域的长度。由于(πx D)是圆柱形轴承表面的周长，则(πx D)/N为被每个沟槽48覆盖的圆周的长度。本领域普通技术人员能够在由公式1限定的值附近变动θ。示例性地，增加θ可在轴承表面的沟槽区域的任一端提供沟槽48的重叠。作为另一个示例，降低θ可在轴承表面的沟槽区域的任一端提供沟槽48的端部之间的间隙。示例性地，螺旋角度可在0.5倍至1.5倍θ之间选择。作为另一个示例，螺旋角度可在0.9倍至1.1倍θ之间选择。

在轴承40中，沟槽区域可在一个轴承表面或两个轴承表面内(即，轴衬44的内侧轴承表面46和/或轴颈42的外侧轴承表面43)。在确定沟槽48的螺旋角度θ时，可使用轴颈和轴衬的平均直径(诸如，轴颈外侧直径加上轴承内侧直径，除以二)。在许多轴颈轴承中，轴颈和轴衬之间的间隙和轴颈和/或轴衬的直径相比相对较小。在结合了本公开的教导的示例性轴承中，沟槽48的设计可包括使用下列公式设定螺旋角度θ。

tangent(θ)＝(πx(D1+D2))/(2x N x H)(Eq.2)

其中θ为沟槽48和纵向轴线45之间的螺旋角度，D1为轴衬内侧轴承表面的直径，D2为轴颈外侧轴承表面的直径，N为沟槽数目，而H是轴承表面的沟槽区域的长度。在这些实施例中，(D1+D2)/2提供了两个直径的平均值。由于(πx(D1+D2))/2是平均直径的圆周周长，(πx(D1+D2))/2xN则为被每个沟槽48覆盖的圆周的长度。本领域普通技术人员能够在由等式2限定的值周围变动θ。示例性地，增加θ可在轴承表面的沟槽区域的任一端提供沟槽48的重叠。作为另一个示例，降低θ可在轴承表面的沟槽区域的任一端提供沟槽48的端部之间的间隙。示例性地，螺旋角度可在0.5倍至1.5倍θ之间选择。作为另一个示例，螺旋角度可在0.9倍至1.1倍θ之间选择。

作为另一个示例，可使用其转数来描述每个沟槽48。每个沟槽48的转数是沟槽48覆盖的圆周部分。示例性地，可将沿轴承表面43、46进行了一圈旋转的单个沟槽48描述为进行了一转。图6中示出的一组四个沟槽48中每个沟槽都覆盖轴承表面43、46的圆周的四分之一，可将其描述为进行了四分之一转，或0.25转。在结合了本公开的教导的轴颈轴承40的实施例中，每个沟槽48都可具有大致等于沟槽数目分之一的转数。

沟槽转数＝1/N    (Eq.3)

结合了本公开的教导的轴颈轴承的一些优势可包括降低了的、穿过间隙41的流体(诸如，润滑剂)流动的阻力。降低了的阻力可允许对不变的压力而言增加了的体积流动。增加了的穿过间隙41的体积流动可改善轴颈轴承40的温度控制和/或轴颈轴承40的有效寿命周期。增加了的轴承寿命可随后改善包括轴颈轴承40的旋转装备的可靠性。在包括一组沟槽48的轴颈轴承40的实施例中，降低了穿过间隙41的流动路径长度的沟槽设计还可降低轴承表面面积的损失。选择具有和由公式3限定的转数大致相等的转数的沟槽也可提供增加的轴承寿命。示例性地，一个轴承设计可包括转数为由公式3限定的转数的50％至150％的沟槽。作为另一个示例，一个轴承设计可包括转数为由公式3限定的转数的90％至110％的沟槽。

对沟槽组内的沟槽48的数目的选择，N，可取决于多个变量和/或考量。示例性地，包括轴承40的设备的运行可提供可接受的跨轴承40的压力降的范围、轴颈42的期望旋转速度、和/或轴承40内使用的流体的粘度。在一些情形下，本领域普通技术人员可选择N，以提供螺旋角度θ，所述角度和由轴承的几何形状以及运行提供的流动角度类似。示例性地，一个设计可包括1至10个沟槽。作为另一个示例，设计可包括1至5个沟槽。

除了改变N、沟槽组中的沟槽48的数目之外，本领域普通技术人员可选择改变一个或多个沟槽48的转数或螺旋角度。一个可降低流动路径长度的设计包括平行于纵向轴线45(即，θ＝0)的轴向沟槽。轴向沟槽和平滑滑动轴承表面相比提供了增加了的穿过轴颈轴承40的流动，但其在轴承表面面积上，以及由此引起的载荷承载能力上，遭受了相对较大的降低。此外，轴向沟槽不是径向对称的，这使得包括轴向沟槽的轴颈轴承的载荷承载能力高度依赖于沟槽表面的取向。

相反地，螺旋角度大致等于根据公式1的θ的沟槽48的组可降低穿过间隙41的流体流动的阻力，而不显著降低轴颈轴承40的载荷负担能力。根据本公开的教导的沟槽48的组(诸如，根据图6、图7或图8)可提供径向对称的轴承-任意平行于纵向轴线45的径向线精确地和一个沟槽48相交。

使用计算流体力学(CFD)对和图6中示出的轴承类似的示例性轴颈轴承40a进行建模展示了其和其他轴颈轴承设计相比，在穿过间隙41的流体流动的阻力上令人吃惊和出乎意料的降低的量。示例性轴颈轴承40a包括位于轴衬44a的轴承表面46a内的四个沟槽48a。沟槽48a包括4个半径为3mm的半圆形沟槽。每个沟槽48a都具有大约为52.6°的螺旋角度。轴衬44a的内侧直径为80.188mm。沟槽区域的长度L₂为82.5mm。示例性轴颈轴承40a包括0.1525mm间隙41a。将示例性轴颈轴承44a和类似的没有沟槽48的轴颈轴承进行了比较。

使用相等的条件(诸如，同样的长度、轴颈直径、轴衬直径、间隙、跨轴承的压力降、轴颈旋转速度、流体特性等)对轴颈轴承的四个设计进行建模。没有沟槽的平滑轴颈轴承(轴承A)允许338磅/小时流体穿过轴承。具有两个螺旋角度为大约9度(9°)的螺旋沟槽的轴颈轴承(轴承B)允许1554磅/小时流体穿过轴承。具有三个等距隔开的轴向沟槽的轴颈轴承(轴承C)允许1647磅/小时流体穿过轴承。轴颈轴承40a(诸如，具有根据公式1确定的螺旋角度θ的四个沟槽)允许2689磅/小时流体穿过轴承-在所有其他测试的设计之上具有显著的改善。

使用CFD对同样四个设计的载荷负担能力建模显示了示例性轴颈轴承40a相对于其他沟槽设计增加了的载荷负担能力。在和轴承A(平滑轴承表面)相比时，轴承B的载荷负担能力下降了约34％而轴承C的载荷负担能力取决于径向载荷的取向下降了40％至51％。轴颈轴承40a(诸如，具有由公式1确定的螺旋角度θ的四个沟槽)示出了和轴承A相比下降了29.8％的载荷负担能力。

轴颈轴承40a(诸如，具有根据公式1确定的螺旋角度θ的四个沟槽)展示了降低最多的、穿过其间隙的流体流动的阻力以及降低最少的载荷负担能力。这一改进了的表现可受沟槽48组的设计的影响。结合了本公开的教导的轴颈轴承40可提供径向对称，而轴承流体动力学薄膜或楔形物沿轴承表面的轴向长度只有一个中断。

图7和8示出了根据本公开的教导的轴颈轴承40的轴承表面上沟槽48的示例性配置。可将每一个沟槽48定位，以使得平行于纵向轴线45延伸的虚线54和一个且仅一个沟槽48相交。如图7和8所示，虚线54a-54h各自和一个且仅一个沟槽48相交。在保持和根据公式1的θ大致相等的螺旋角度的同时，沟槽的数目以及每个沟槽48的长度可发生变化。

尽管结合轴颈轴承对此处公开的附图和实施例进行了描述，应被理解的是可进行各种改变、替换或改动，而不背离由所附的权利要求书示出的本公开的精神和范围。示例性地，本领域普通技术人员可选择在由公式1限定的值附近改变沟槽的螺旋角度θ。作为另一个示例，本领域普通技术人员可选择在由公式2限定的值附近改变一个或多个沟槽的转数。

Claims (8)

1.一种用于轴颈轴承的轴衬，所述轴衬包括：

圆柱形内侧，其限定了内侧轴承表面；

纵向轴线和内部直径(ID)；

所述内侧轴承表面的沟槽区域，其沿所述纵向轴线的高度为H；和

沟槽组，其位于所述内侧轴承表面的所述沟槽区域内，其中N为所述沟槽组中的沟槽的数目；

其中任何沿所述内侧轴承表面的所述沟槽区域以平行于所述纵向轴线的方向延伸的直线和所述沟槽组中的一个且仅一个沟槽相交。

2.如权利要求1所述的轴衬，其中所述沟槽组包括一至十个沟槽。

3.如权利要求1所述的轴衬，其中所述沟槽组包括一至五个沟槽。

4.一种用于轴颈轴承的轴衬，所述轴衬包括：

圆柱形内侧，其限定了内侧轴承表面；

纵向轴线，其穿过所述圆柱形内侧的中心延伸；

所述内侧轴承表面的沟槽区域，其沿所述纵向轴线的高度为H；和

螺旋沟槽组，其位于所述内侧轴承表面的所述沟槽区域内；

其中任何沿所述内侧轴承表面的所述沟槽区域以平行于所述纵向轴线的方向延伸的直线和所述螺旋沟槽组中的一个且仅一个沟槽相交。

5.一种用于轴颈轴承的轴衬，所述轴衬包括：

圆柱形内侧，其限定了内侧轴承表面，所述圆柱形内侧具有圆周；

纵向轴线，其穿过所述圆柱形内侧的中心延伸；

螺旋沟槽组，其位于所述内侧轴承表面内，所述螺旋沟槽的数目限定为数值N；

所述螺旋沟槽组中的每一个沟槽绕所述圆周的一部分延伸；且

在所述内侧轴承表面内的所述螺旋沟槽组中的每一个沟槽具有一转数，该沟槽的转数被定义为相应沟槽行进过的圆周的分数，

其中任何沿所述内侧轴承表面的所述沟槽区域以平行于所述纵向轴线的方向延伸的直线和所述螺旋沟槽组中的一个且仅一个沟槽相交。

6.如权利要求5所述的轴衬，其中所述螺旋沟槽组内的螺旋沟槽的数目在1至10之间。

7.如权利要求5所述的轴衬，其中所述螺旋沟槽组内的螺旋沟槽的数目在1至5之间。

8.一种用于旋转装备的轴承，所述轴承包括：

轴衬，其具有限定了内侧轴承表面的圆柱形内侧；

轴颈，安装于旋转轴上，且被配置为在所述轴衬内旋转，所述轴颈具有限定了外侧轴承表面的圆柱形外侧；

纵向轴线，其穿过所述轴衬的所述圆柱形内侧的中心延伸；

所述轴承表面中一个的沟槽区域，其沿所述纵向轴线的高度为H；和

螺旋沟槽组，其位于所述轴承表面的所述沟槽区内；

其中任何沿所述沟槽区域以平行于所述纵向轴线的方向延伸的直线和所述螺旋沟槽组中的一个且仅一个沟槽相交。