CN103180625A

CN103180625A - 柔性轴承

Info

Publication number: CN103180625A
Application number: CN2011800489648A
Authority: CN
Inventors: 金钟秀
Original assignee: Waukesha Bearings Corp
Current assignee: Waukesha Bearings Corp
Priority date: 2010-09-28
Filing date: 2011-09-28
Publication date: 2013-06-26
Also published as: EP2622236A4; WO2012050917A3; EP2622236B1; JP2013539847A; EP2622236A2; JP6100688B2; WO2012050917A2

Abstract

柔性轴承的第一实施例包括主体和轴承表面。主体和轴承表面可以通过一个或多个轴承表面弹簧互相接合，使得轴承表面相对于主体是柔性的。柔性轴承的第二实施例包括主体和至少一个轴瓦。主体和轴瓦可以通过一个或多个轴瓦径向和/或轴瓦轴向弹簧互相接合，使得轴瓦相对于主体是柔性的。传感器辐板可与柔性轴承作成一个整体。在一个实施例中，传感器辐板包括至少一个传感器。该传感器可为应变仪并与轴承表面弹簧固定。

Description

柔性轴承

相关申请的相互参考

本专利申请对2010年12日7日提出的美国专利申请12/962430号要求优先权，和是其部分继续申请，后者又对2007年4月13日提出的美国专利申请11/787146号，现为美国专利7845855要求优先权，并是其继续申请。本专利申请还对2007年11日29日提出的美国专利申请11/998279号要求优先权，并是它的部分继续申请。本专利申请还对2010年6月4日提出的美国专利申请12/793983号要求优先权，和是其部分继续申请。后者又对2009年6月8日提出的临时性美国专利申请61/217989号要求优先权。本专利申请还对2011年1月13日提出的美国专利申请13/005997号要求优先权和是其部分继续申请。所有这些专利申请这里全部引入供参考。申请人还对2010年9月28日提出的临时性美国专利申请61/387274号要求优先权。这里也将它全部引入供参考。

技术领域

本发明涉及轴承，更具体地说，涉及柔性轴承(compliant bearing)和供其使用的传感器辐板(sensor web)。

背景技术

回转轴承在技术上是众所周知的，可为回转结构和接触表面之间提供界面。为了优化轴承和回转结构之间的互相连接和传递轴向和/或径向力，通常可使用某种形式的轴瓦或多个轴瓦。力的传递可通过在轴承内，在相应的方向提供柔性来达到。

载荷能力在很大程度上取决于轴承中的轴瓦界面。通过使轴瓦倾斜或形成柔性接触以减小摩擦量，可以优化界面，更好地传递轴向推力。通过控制的液压规划，利用减小的摩擦可以达到增加载荷能力。一般，柔性结构包括一组固定的轴瓦，它们全部可在给定的回转方向，例如向前回转方向上倾斜。这样的优点是可达到液压规划。

在先前技术中，众所周知的是，气体润滑剂的非常低的粘性可使气体推力轴承在非常薄的薄膜厚度下运转，支承在回转机器上产生的推力载荷。然而，一个己知的缺点是，回转轴的轴套和/或轴承表面的任何不对准或几何公差(例如扭曲)都会对轴承的推力载荷能力有负面影响。这就激起了连续不断的欲望以增加轴承的载荷能力。另外，在工作过程中轴的轴套和/或轴承表面的任何热变形或偏转是影响轴承的推力载荷能力的另一个因素。

一般，在所有液压动力气体推力轴承中，螺旋槽推力轴承的载荷能力最好。然而，在某些工作条件(速度和推力载荷综合)下可以产生负阻尼是这种螺旋槽推力轴承的主要缺点。螺旋槽气体推力轴承的这种性质是限制轴承载荷能力的另一个因素。

需要载荷能力增大的柔性轴承。

需要有轴向柔性的推力轴承。

需要有轴向阻尼的柔性轴承。

需要比先前技术的柔性轴承更稳定的柔性轴承。

需要有某种形式的轴向柔性的推力轴承，以便当回转的转轮表面需要时，可通过允许柔性轴承表面变形和/或倾斜，帮助保持薄膜的合适厚度。

需要提供推力轴承的轴向柔性，以增加轴承的总的载荷能力。

需要监视任何柔性轴承，—径向的，轴向的或其他的性能和/或工作条件。

附图说明

为了容易理解本发明的优点，将参照附图所示的优选实施例简要地说明本发明。应当理解，附图只说明本发明的典型实施例，因此不能认为是限制其范围。将利用附图说明本发明的特点和详细情况。

图1为柔性轴承和轴与轴套的第一实施例的分解透视图，图中，该柔性轴承作成槽式推力轴承，

图1A为图1所示的柔性轴承的实施例的侧视图，

图1B为图1所示的柔性轴承的实施例的横截面图，

图1C为图1所示的柔性轴承的实施例的横截面图，图中将阻尼材料加入空隙区域中，

图2为柔性轴承的第二实施例的透视图，图中，该柔性轴承作成轴瓦推力轴承，

图3为柔性轴承的第二实施例的轴向图，

图3A为柔性轴承的第二实施例的侧视图，

图3B为柔性轴承的第二实施例的横截面图，

图4为与先前技术的轴承的载荷能力比较的柔性轴承的增加的载荷能力的图，

图5为带有用于该轴承的传感器辐板的柔性轴承的第三实施例的透视图，图中，该柔性轴承作成多柔性轴承，

图5A为可在柔性轴承的第三实施例中使用的轴瓦的一个实施例的详细的透视图，

图5B为可在图5A所示的轴瓦的实施例中使用的支柱的一个实施例的横截面图，

图6为包括传感器辐板的一个实施例的柔性轴承的一个实施例的详图。

零件一览表

零件说明	零件号
		轴	4
轴套	6

槽式推力轴承	10
		轴瓦式推力轴承	12
主体	14
		多柔性轴承	16

		轴承表面	20
槽花纹	22
		第一轴承表面弹簧	24
第二轴承表面弹簧	26
		空隙区域	28
阻尼材料	29


		轴瓦	30
轴瓦界面	32
		轴瓦径向弹簧	34
轴瓦轴向弹簧	36
		空隙区域	38
轴瓦	30'
		轴瓦界面	32'
支柱	34'
		支柱座	34a'

		传感器辐板	40
第一传感器	42
		第二传感器	42a
第三传感器	42b
		第四传感器	42c

具体实施方式

在详细说明本发明的各个实施例前，应当理解，本发明的应用不限于下面说明中所述和图中所示的零件的详细结构和配置。本发明可有其他实施例和可用各种方法实现。还应理解，这里针对装置或零件取向(例如术语“前”“后”“上”“下”“顶部”“底部”等)所用的语句和术语只用于简化本发明的说明，不表示该装置或零件必需有的具体取向。另外，术语例如“第一”“第二”和“第三”只在这里使用和在所附权利要求书中用于说明，不表示相对的重要性。

现参见附图，在所有几个图中，相同的标号表示相同或相应的零件。图1为作为槽式推力轴承的柔性轴承的第一实施例的分解图。槽式推力轴承10的轴承表面20与轴套6隔开，一般，该轴套6固定在回转轴4上，如图1所示。在工作中，该轴套6一般非常靠近轴承表面20，只用薄的润滑剂层隔开。该润滑剂可以为气体，流体，或其他适合的润滑剂。该槽式推力轴承10的所示实施例包括主体14，该主体在工作过程中一般固定安装在支承(没有示出)上。

图1-1B所示的槽式推力轴承10的实施例包括在轴承表面20上形成的槽花纹22。图示的实施例表示槽花纹22为螺旋槽花纹22。在不偏离所述的柔性轴承的精神和范围的条件下，槽式推力轴承的其他实施例可有其他的槽花纹22。

在图1A和图1B中，从侧面的有利位置表示槽式推力轴承10的所示实施例，它们是该轴承的横截面图。槽式推力轴承10可带有至少一个轴承表面弹簧24，26，可使主体14与轴承表面20接合。所示的实施例包括与轴4的回转轴线垂直的第一轴承表面弹簧24和与轴4的回转轴线平行的第二轴承表面弹簧26。该第一和第二轴承表面弹簧24，26可以互相整体地形成，和/或与主体14和/或轴承表面作成整体。

一般，所述的槽式推力轴承10通过轴承表面弹簧24，26提供轴向柔性。轴承表面的这个柔性可使槽式推力轴承10在多种条件下维持适当的薄膜厚度，而先前技术轴承在这些条件下不能维持适当的薄膜厚度。该槽式推力轴承10根据从轴套6，槽式推力轴承10和/或润滑剂来的扰动，通过允许轴承表面20变形和/或倾斜完成这点。

所示的槽式推力轴承10的所述实施例使用4个第一轴承表面弹簧24和4个第二轴承表面弹簧26，其中，每一个第一轴承表面弹簧24一般与每一个第二轴承表面弹簧26垂直。然而，该柔性轴承的其他实施例可以使用其他数目不同结构和/或取向的第一和第二轴承表面弹簧24，26(和相应的零件)，没有限制。

如图1A和1B清楚地所示，槽式推力轴承10的所示实施例包括多个空隙区域28，可允许轴承表面20和第一与第二轴承表面弹簧24，26相对于主体14作预先确定量的运动。所示实施例包括在第一轴承表面弹簧24的底面和主体14之间的第一空隙区域28，第一空隙区域28的任一端的横截面一般为园形。在第一轴承表面弹簧24的顶面和主体14之间可形成第二空隙区域28。第二空隙区域28可与第二轴承表面弹簧26和主体14之间的第三空隙区域28互相连接，使得主体14的一部分悬臂于第一轴承表面弹簧24的一部分之上。最后，如图1A清楚地所示，第四空隙区域28可在轴承表面20和主体14之间形成，与槽花纹22相对。

具有螺旋槽花纹22的槽式推力轴承10的所示实施例是所有液压动力气体柔性轴承中载荷能力最好的。然而，这种柔性轴承的一个缺点是在一些工作条件(速度的柔性载荷的综合)下可能产生负阻尼。由第一和第二轴承表面弹簧24，26产生的轴向柔性，与在一些空隙区域28中的阻尼材料29配合，通过形成正的合成阻尼，可减轻和在一些情况下消除由负阻尼产生的不稳定性。与先前技术的螺旋槽轴承比较，这可使载荷能力增加。

图4表示比较先前技术的非柔性螺旋槽轴承和这里所述的槽式推力轴承10之间的载荷能力(磅)的图。从图4可看出，先前技木的轴承的载荷能力小于30磅，而比较的带有综合的阻尼能力的柔性轴承的轴向推力载荷超过100磅。另外，通过测试确定，较低的柔性能力可由轴套6与轴承表面20(或轴瓦界面32)的不对准，或轴套6在负阻尼的临界薄膜厚度下工作造成。这里所述的柔性轴承旨在解决涉及静态和/或动态不对准/扰动/扭曲的这些问题。

图2—3B表示作成轴瓦式推力轴承12的柔性轴承的第二实施例。如为柔性轴承的第二实施例的每一个轴瓦30的轴瓦界面32的轴向图的图3所示，所示实施例包括围绕轴瓦式推力轴承12的主体14隔开相等距离的四个轴瓦30。

柔性轴承的第二实施例中的轴瓦30一般为梯形，其底部和顶部边缘为弧形而不是直线。然而，轴瓦30可为任何形状和/或结构，因此这里所述的柔性轴承的范围不受此限制。另外，柔性轴承的第二实施例使用四个轴瓦30，结果，使用四个轴瓦径向弹簧34和四个轴瓦轴向弹簧36。但柔性轴承的其他实施例可使用其他数目的轴瓦30(和所带零件)，没有限制。

如图3A和3B清楚地所示，作为槽式推力轴承10的推理，轴瓦式推力轴承12的所示实施例包括多个空隙区域38，允许轴瓦30和轴瓦径向和轴向弹簧34，36相对于主体14作预先确定量的运动。所示实施例包括在轴瓦径向弹簧34的底面和主体14之间的第一空隙区域38，其中，第一空隙区域38的任一端的横截面一般为园形。在轴瓦径向弹簧34的顶面和主体14之间可形成第二空隙区域38。第二空隙区域38可与轴瓦轴向弹簧36和主体14之间的第三空隙区域38互相连接，使得主体14的一部分悬臂于轴瓦径向弹簧34的一部分之上。最后，如图3A所示，在轴瓦30和主体14之间，与轴瓦界面相对形成第四空隙区域38。

柔性的最优量随应用不同而变化，因此，不会限制所述柔性轴承的范围。另外，在不偏离所述柔性轴承的精神和范围的条件下，轴承表面弹簧24，26，轴瓦径向弹簧34，轴瓦轴向弹簧，空隙区域28，38，和/或阻尼材料29，39的结构和/或取向可与所述实施例所示不同。对于给定的应用，为了达到柔性的最优量可能需要这种另一种的结构和/或取向。

通过使用EDM(放电机器)，在非常短的轴向长度内可得的具体的柔性轴承的希望的特点。一般，弹簧24，26，34，36作成成对的，这种结构与通过柔性轴承的主体14的金属丝EDM切割过程是最兼容的。在这种切割过程中，由于柔性轴承围绕其轴向表面对称，两个弹簧24，26，34，36可同时切割。例如，如图2所示，总共4对弹簧34，36可通过两个金属丝EDM切割工序形成。还可指出，所述的柔性轴承可以使用另外的材料例如，聚合物，塑料，其他合成材料和/或其组合制造，一些材料可用注模法或热成形。

这里所述的槽式推力轴承10和轴瓦推力轴承12的柔性特点，作为柔性轴承的所述实施例(其柔性分别由第一和第二轴承表面弹簧24，26和轴瓦径向和轴向弹簧34，36提供)，可在任何柔性轴承(例如，螺旋槽推力轴承，通常或挠曲枢轴倾斜轴瓦轴承，径向柔性轴承等)上实现。另外，这里所述的柔性轴承可以使用不是片簧(例如在所示实施例中所示的弹簧)的其他形式的弹簧24，26，34，36，以达到所希望的轴向和/或径向柔性。

在柔性轴承的任何实施例中，包括但不限于所述的槽式推力轴承10和轴瓦推力轴承12的所述实施例，柔性轴承可作成带有整体阻尼能力。例如，如图1C所示，阻尼材料29(例如，橡胶，硅酮，聚合物材料等)可放入各个空隙区域28中。另外，虽然没有示出，径向柔性轴承和/或其他轴向柔性轴承(例如，轴瓦推力轴承12)可以作成带有整体阻尼能力。

在柔性轴承的任何实施例中(包括但不限于径向柔性轴承和这里所示的槽式和轴瓦推力轴承10，12的所述实施例)，传感器辐板40可与柔性件接合。虽然，槽式推力轴承10和轴瓦推力轴承12的所述实施例的柔性件表示成各个弹簧24，26，34，36，图5-5B表示作为多柔性轴承16的柔性轴承的另一实施例，其中，柔性件作成支柱34'。

图5表示可在柔性轴承的第三实施例中使用的多个轴瓦30'的透视图。轴瓦30'包括与轴瓦界面32'相对的支柱34'，该支柱34'可与轴瓦32'作成一个整体。支柱34'的终端在与轴瓦界面32'相对的支柱座34a'上。该支柱座34a'可与主体配合，以相对的特定相互关系，在允许的运动的预先确定的量内，使轴瓦30'固定。

如图5A和5B详细地所示，传感器42，42a，42b，42c可固定在支柱34'上，使得可以检测和接着监视和/或记录支柱34'所受的各种力(结果是轴瓦30'所受的各种力)。传感器42，42a，42b，42c可以作成应变仪或更具体地，电气应变仪。然而，可以使用任何适合的传感器42，42a，42b，42c，最优的传感器42，42a，42b，42c随应用不同而变化。

传感器辐板40的另一实施例表示在图6中，它可用于槽式推力轴承10的所示实施例中。四个传感器42，42a，42b，42c固定在第二轴承表面弹簧26上，其中，第一和第二传感器42，42a检测垂直方向(从图6所示的有利位置看)的偏移，第三和第四传感器42b，42c用于检测水平方向(从图6的有利位置看)的偏移。这种传感器辐板40还可用在任何其他弹簧24，34，36上，或柔性轴承的其他柔性件上。在这个结构中，第一和第二传感器42，42a及第三和第四传感器42b，42c的读数可分别通过电气装置平均或操作。在其他实施例中，传感器辐板40可以作成不同，以检测不是偏移的量，例如斜率或其他变量和/或参数。

在任何给定的传感器辐板40中，各个传感器42可从在特定区间(例如时间间隔)上形成的数据点，产生数据流。可以记录这个数据流，和/或实时显示给使用者，使用者再调节使用该传感器辐板40的柔性轴承的结构，和/或调节使用该柔性轴承的系统的操作参数。因此，传感器辐板40可有利于柔性轴承的故障分析和/或预测柔性轴承的其他各种操作参数的故障。与轴向柔性轴承(例如槽式推力轴承10或轴瓦推力轴承12)一起使用的这种传感器辐板40可以检测在轴4在任何方向的回转过程中作用在轴承上的推力载荷，和/或在不回转过程中的起动推力载荷。另外，用于测量机槭变形的传感器辐板40在确定各种形式的回转设备，包括但不限于涡轮机的推力中特别有用。

主体14，轴承表面20，弹簧24，26，34，36，轴瓦30，30'，支柱34'，支柱座34a'，和传感器辐板40的最优尺寸和/或结构随柔性轴承的实施例不同而变化，因此不会限制其范围。柔性轴承的各个零件可用任何对使用柔性轴承的应用适合的材料制成。这些材料包括但不限于金属及金属合金，聚合物材料和/或其综合。

虽然，所述的实施例涉及具有四个或八个或十个轴瓦30，30'，四个第一和第二轴承表面弹簧24，26，和四个轴瓦径向和轴向弹簧34，36，但柔性轴承可带有其他取向和/或具有不同形状和/或取向的不同数量的各种零件。因此，柔性轴承的范围不受主体14，轴承表面20，弹簧24，26，34，36，空隙区域28，38，轴瓦30，30'，支柱34'和/或支柱座34a'的形状和/或尺寸，或其相对数量和/或位置的限制。

已经说明了优选实施例，本领域技术人员无疑知道柔性轴承的其他特点，优点和/或效率，并对所述实施例和方法作许多改进和改变。在不偏离所述柔性轴承的精神和范围的条件下进行所有的改进和改变。应当指出，柔性轴承不限于所述的具体实施例，可以应用于提供轴承柔性，测量柔性轴承的参数和/或方法的所有类似装置。技术经验丰富的人知道，所述实施例的改进和改变不偏离柔性轴承的精神和范围。

Claims

1.一种柔性轴承，它包括:

a.主体，

b.轴承表面，和

c.第一轴承表面弹簧，它将所述轴承表面固定到所述主体上，使得所述轴承表面在与其轴线平行的方向上相对于所述主体为柔性的。

2.如权利要求1的柔性轴承，其中，所述第一轴承表面弹簧的取向基本上与所述轴承表面的轴线垂直。

3.如权利要求2的柔性轴承，其中，所述柔性轴承还包括位于所述主体和所述第一轴承表面弹簧之间的第一空隙区域。

4.如权利要求3的柔性轴承，其中，所述柔性轴承还包括位于所述轴承表面和所述主体之间的第二空隙区域。

5.如权利要求4的柔性轴承，其中，所述柔性轴承还包括与所述轴承表面和所述第一轴承表面弹簧接合的第二轴承表面弹簧。

6.如权利要求5的柔性轴承，其中，所述柔性轴承还包括位于所述第二轴承表面弹簧和所述主体之间的第三空隙区域。

7.如权利要求6的柔性轴承，其中，所述第二轴承表面弹簧的取向基本上与所述第一轴承表面弹簧垂直。

8.如权利要求7的柔性轴承，其中，所述第一和第二轴承表面弹簧互相作成一个整体。

9.如权利要求8的柔性轴承，其中，所述轴承表面还包括在其上形成的槽花纹。

10.如权利要求3的柔性轴承，其中，所述柔性轴承还包括放置在所述第一空隙区域中的阻尼材料。

11.如权利要求6的柔性轴承，其中，所述柔性轴承还包括放置在所述第一，第二和第三空隙区域中的阻尼材料。

12.如权利要求9的柔性轴承，其中，所述槽花纹为螺旋槽花纹。

13.如权利要求12的柔性轴承，其中，所述柔性轴承还包括与所述柔性轴承作成一体的传感器辐板。

14.如权利要求13的柔性轴承，其中，所述传感器辐板进一步作成为与所述第一轴承表面弹簧接合的第一传感器。

15.如权利要求14的柔性轴承，其中，所述传感器辐板进一步作成为包括与所述第二轴承表面弹簧接合的第二传感器。

16.一种柔性轴承，它包括:

a.主体，

b.轴瓦，和

c.第一轴瓦轴向弹簧，它将所述轴瓦固定到所述主体上，使得所述轴瓦在与所述柔性轴承的轴线平行的方向上相对于所述主体为柔性的。

17.如权利要求16的柔性轴承，其中，所述柔性轴承还包括:

a.第二轴瓦，和

b.第二轴瓦轴向弹簧，它将所述第二轴瓦固定到所述主体上，使得所述第二轴瓦在与所述柔性轴承的轴线平行的方向上相对于所述主体为柔性的。

18.如权利要求17的柔性轴承，其中，所述柔性轴承还包括:

a.位于所述主体和所述第一轴瓦轴向弹簧之间的第一空隙区域，和

b.位于所述主体和所述第二轴瓦轴向弹簧之间的第二空隙区域。

19.如权利要求18的柔性轴承，其中，所述柔性轴承还包括:分别位于所述第一和第二轴瓦和所述主体之间的第三和第四空隙区域。

20.如权利要求19的柔性轴承，其中，所述柔性轴承还包括与所述第一轴瓦轴向弹簧和所述第一轴瓦接合的第一轴瓦径向弹簧。

21.如权利要求20的柔性轴承，其中，所述柔性轴承还包括:位于所述第一轴瓦径向弹簧和所述主体之间的第五空隙区域。

22.如权利要求21的柔性轴承，其中，所述第一轴瓦轴向弹簧和所述第一轴瓦径向弹簧互相作成一体。

23.如权利要求22的柔性轴承，其中，所述柔性轴承还包括放置在所述第一空隙区域中的阻尼材料。

24.如权利要求23的柔性轴承，其中，所述柔性轴承还包括放置在所述第二，第三，第四和第五空隙区域中的阻尼材料。

25.如权利要求20的柔性轴承，其中，所述柔性轴承还包括与所述柔性轴承作成一体的传感器辐板。

26.如权利要求25的柔性轴承，其中，所述传感器辐板进一步作成为与所述第一轴瓦轴向弹簧接合的第一传感器。

27.如权利要求26的柔性轴承，其中，所述传感器辐板进一步作成为包括与所述第一轴瓦径向弹簧接合的第二传感器。

28.一种传感器辐板，它包括:

a.放置在柔性轴承的第一弹簧上的第一传感器，其中，所述第一传感器用于测量作用在所述第一弹簧上的力，所述力在第一方向上，和

b.放置在所述柔性轴承的第二弹簧上的第二传感器，其中，所述第二传感器用于测量作用在所述第二弹簧上的力，所述作用在所述第二弹簧上的力在第二方向上。

29.一种监视柔性轴承的方法，所述方法包括下列步骤:

a.将第一传感器放置在所述柔性轴承的第一弹簧上，其中，所述第一传感器的取向在第一方向，

b.将第二传感器放置在所述柔性轴承的第二弹簧上，其中，所述第二传感器的取向在第二方向，

c.监视从所述第一传感器和所述第二传感器发出的数据流，

d.分析所述数据流，和

e.根据所述数据流的分析，调节所述柔性轴承的结构。