CN109983240B - 带有用于对准的器件的径向轴承装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于支承轴来相对于外毂旋转的轴承装置包括：环形外座圈，其能安装在毂的内部孔内，外座圈包括面向内的径向槽，面向内的径向槽尺寸设定为接收圆形轴承元件；以及环形内座圈，其能安装到轴的向外弯曲的外部表面上。内座圈包括面向外的径向槽，面向外的径向槽尺寸设定为接收轴承元件，内座圈和外座圈的相应的径向槽共同形成环形滚道，以在轴承装置组装时保持轴承元件。内座圈进一步包括沿着内座圈的最内侧直径的轴向凸表面，凸表面成形为在安装到轴时上直接地接合轴的外部表面，使得内座圈在适应轴的径向偏转时维持与轴接触。

Description

带有用于对准的器件的径向轴承装置
优先权声明
本申请要求于2016年11月22日提交的美国专利申请号15/359130的优先权，该申请的全部内容由此通过引用并入。
技术领域
本说明书总体上涉及经受和适应(accommodate)由角轴偏转(angular shaftdeflection)引起的高的径向负载和扭转负载的轴承装置。
背景技术
径向球轴承包括相对的内座圈(race)和外座圈，相对的内座圈和外座圈形成用于包含精密滚球(rolling ball)的补体(compliment)的内部滚道(raceway)。球维系(maintain)了座圈之间的间隔并减小了它们之间的旋转摩擦力。典型地，内座圈附接到组件的旋转部件(例如，圆柱形轴)上，并且外座圈附接到静止部件(例如，包含轴的壳体或毂)上。安装在这些部件之间的轴承装置准许它们之间以低摩擦力相对旋转。球轴承是极其通用的装置，因为它们能够构造成承受径向负载和轴向负载二者。然而，由于球和座圈之间的较小的接触面积，球轴承倾向于具有比其它类型的轴承更低的负载容量，并且也能够由于座圈的显著未对准(misalignment)而容易地损坏。当球由诸如陶瓷的脆性材料构成时，球轴承的这些限制进一步暴露。尽管陶瓷轴承球更易发生破碎(fracture)，但陶瓷轴承球在高温实施方式(implementation)中优于它们的金属对应物，因为它们是尺寸更稳定的(即，它们不像金属球那样退火或软化)。考虑到基础设计特性中的这些冲突，在为牵涉显著的角轴偏转的高温、低摩擦力旋转应用提供轴承解决方案中存在固有的困难。
发明内容
在第一方面中，一种用于支承轴来相对于外毂旋转的轴承装置包括：环形外座圈，其能安装在毂的内部孔内，外座圈包括面向内的径向槽，面向内的径向槽尺寸设定(sized)为接收圆形轴承元件；以及环形内座圈，其能安装到轴的向外弯曲的外部表面上。内座圈包括面向外的径向槽，面向外的径向槽尺寸设定为接收轴承元件，内座圈和外座圈的相应的径向槽共同形成环形滚道，以在轴承装置组装时保持(retain)轴承元件。内座圈还包括沿着内座圈的最内直径的轴向凸(convex)表面，该凸表面成形为当安装到轴上时直接地接合轴的外部表面，使得内座圈在适应由外力引起的轴的径向偏转的同时维持(remain)与轴接触。
在一些示例中，凸表面关于内座圈的轴向中点对称地弯曲。
在一些示例中，凸表面限定了在大约0.5°与5°之间的弯曲度。
在一些示例中，外座圈和内座圈中的每一个包括凸起的(raised)径向肩部，凸起的径向肩部邻近相应的径向槽，内座圈的肩部的高度大于外座圈的肩部的高度。在一些示例中，内座圈肩部高度相对于外座圈肩部高度的比为在大约1与1.5之间。
在一些示例中，内座圈包括凸起的径向肩部，凸起的径向肩部邻近面向外的径向槽，该径向肩部包括沿着槽的边缘的圆角唇部(filleted lip)。在一些示例中，圆角唇部限定了至少大约70°的弯曲度。
在第二方面中，一种流体阀包括：阀体，其将阀元件容纳在入口端口与出口端口之间的内部腔室中，该阀元件构造成调节通过阀体的流体的流量；轴，其在一端处操作地耦合到阀元件上，该轴位于阀体的毂部分的内部孔中；以及轴承装置，其径向地安装在轴与毂的内部孔之间，并且构造成支承轴来相对于阀体旋转。轴承装置包括环形外座圈、环形内座圈和保持在由座圈的相对的径向槽形成的滚道中的轴承元件。内座圈包括沿着内座圈的最内侧直径的轴向凸表面，凸表面直接地接合轴的向外弯曲的外部表面，使得内座圈在适应由流体压力引起的轴的径向偏转的同时维持与轴接触。
在一些示例中，轴承装置安装为相对于轴和外座圈带有间隙，使内座圈能够响应于轴的径向偏转而相对于外座圈倾斜。在一些示例中，内座圈和外座圈之间的相对倾斜度为在大约0.5°与2.0°之间。
在一些示例中，凸表面关于内座圈的轴向中点对称地弯曲。
在一些示例中，凸表面限定了在大约0.5°与5.0°之间的弯曲度。
在一些示例中，外座圈和内座圈中的每一个包括凸起的径向肩部，凸起的径向肩部界定(bracketed)了相应的径向槽，内座圈的肩部的高度大于外座圈的肩部的高度。在一些示例中，内座圈肩部高度相对于外座圈肩部高度的比为在大约1.0与1.5之间。
在一些示例中，内座圈包括凸起的径向肩部，凸起的径向肩部界定了面向外的径向槽，该径向肩部包括沿着槽的边缘的圆角。在一些示例中，圆角唇部限定了至少大约70°的弯曲度。
在第三方面中，一种用于支承着轴来相对于外毂旋转的轴承装置包括：环形外座圈，其能安装在毂的内部孔内，外座圈包括面向内的径向槽，面向内的径向槽尺寸设定为接收圆形轴承元件；以及环形内座圈，其能安装到轴的向外弯曲的外部表面上。内座圈包括面向外的径向槽，面向外的径向槽尺寸设定为接收轴承元件。内座圈和外座圈的相应的径向槽共同形成环形滚道，以在轴承装置组装时保持轴承元件。内座圈和外座圈的径向槽由相应的凸起的径向肩部来形成边界(bordered)。内座圈的肩部的高度大于外座圈的肩部的高度。内座圈的径向肩部包括沿着径向槽的边缘的圆角。内座圈进一步包括沿着内座圈的最内侧直径的轴向凸表面。凸表面关于内座圈的轴向中点对称地弯曲，并且成形为当安装到轴上时直接地接合轴的外部表面，使得内座圈在适应由外力引起的轴的径向偏转的同时维持与轴接触。
在一些示例中，内座圈的凸表面限定了在大约0.5°与5.0°之间的弯曲度。
在一些示例中，内座圈肩部高度相对于外座圈肩部高度的比为在大约1.0与1.5之间。
在一些示例中，圆角唇部限定了至少大约70°的弯曲度。
在本说明书中描述的主题物的一个或多个实施方式的细节在附图和以下描述中阐述。根据描述、附图和权利要求，主题物的其它特征、方面和优点将变得显而易见。
附图说明
图1是结合了根据本公开的一个或多个实施例的示例性轴承装置的流体阀的横截面侧视图。
图2A是图1的示例性轴承装置中的一个的单独的透视图。
图2B是沿着线2B-2B所取得的图2A的示例性轴承装置的横截面侧视图。
图3是图1的一部分的放大视图，图示了装配在流体阀中的示例性轴承装置。
特征中的许多是夸大的，以更好地示出特征、过程步骤和结果。在各个图中，相似的参考标号和标记指示相似的元件。
具体实施方式
本公开针对轴承装置，该轴承装置包括用于承受和适应由角轴偏转引起的高的径向负载和扭转负载的结构特征。特别地，本公开的一个或多个实施例源于以下认识：通过某些相互关联的设计元件的组合效应，能够克服目前生产此类轴承装置中的困难。在一些示例中，此类元件包括：(1)冠形(crowned)内座圈，其以与长形旋转轴的弯曲外部表面接合的轴向凸表面为特征；(2)沿着内座圈的径向滚道槽的增大的肩部高度；以及(3)沿着圆角唇部的增大的半径，该圆角唇部沿着槽延伸。如下面详细讨论，组合的这些特征代表了技术领域中的区别范式转移(distinct paradigm shift)，其使球轴承能够在先前认为不能实行的应用中使用。实际上，经历了由于轴偏转导致的未对准的常规深槽球轴承展示了球在座圈肩部之上旋转的倾向，这引起球和/或座圈由于高的接触应力和剪力而破裂(crack)。然而，本公开的实施例提供了特征，这些特征促使球和座圈之间的接触椭圆维持为包含在滚道内，并且在球确实在内座圈的肩部附近上骑(ride up)的情况下减小它们之间的接触应力。
首先参考图1中示出的示例性实施例，流体阀10包括容纳了阀元件14的阀体12。阀体12包括入口端口16、出口端口18和定位在两个端口之间的球根状内部腔室20。阀体12的这些特征沿着横向轴线“L”与彼此对准。入口端口16和出口端口18各自包括用于连接到流体系统的相应上游管区段和下游管区段的带凸缘的(flanged)管耦接头(未示出)。当流体阀10装配在两个管区段之间的接头(junction)处时，流体通过入口端口16进入阀体12，流过内部腔室20，并通过出口端口18离开。
阀元件14可相对于阀体12移动，并且具体地设计成借助于更改通过阀的流径的尺寸——即，“阀区域(valve area)”——来调节穿过内部腔室20的流体的流量。更改阀区域涉及使阀元件14绕竖直轴线“V”旋转就位。例如，使阀元件14在顺时针方向上旋转可以使阀区域收缩并减小流体的质量流率，而逆时针旋转可以打开阀区域以增加流体质量流率(或反之亦然)。在该示例中，阀元件14以混合蝶形和分段球部件22、加强盘24、入口流管道26和阀座28为特征。该设计特别好地适合于流体计量应用，提供了流体密封关闭能力、高流量容量、高压力差能力以及在升高的压力和温度范围中操作的能力。然而，在不脱离本公开的范围的情况下，也可以使用各种其它类型的阀元件。
在该示例中，阀元件14安装在容纳于阀体12的主要杆(stem)32中的长形驱动轴30的远端上。阀元件14操作地耦合到驱动轴30上(例如，经由配对花键、机械紧固件或其它附接技术)，使得驱动轴的旋转达到与阀元件14的旋转基本上相同的效果。驱动轴30可手动地、液压地、气动地或电气地致动来操作阀元件14。容纳在阀体12的次要杆36中的空转(idle)支承轴34承受阀元件14的重量，并将阀元件14在内部腔室20内悬挂就位。耦合到阀体12上的基板37使支承轴34相对于阀元件14定位。驱动轴30和支承轴34通过径向轴承装置100a、100b来安装在相应的阀体杆32、36中。如本文中所讨论的，轴承装置100a、100b具体地构造成同时地经受和适应由轴30、34的角偏转所引起的高的径向负载和扭转负载。
在从入口端口16通向出口端口18的流体流的方向上对着阀元件14起作用(actagainst)的高的流体压力“FP”引起了角轴偏转。该流体压力在基本上垂直于同轴的驱动轴30和支承轴34的方向上推动阀元件14。在某些工业应用(例如，燃气轮机燃料计量实施方式)中，流体压力的量级可超过数万磅(例如，22000lbf或更多)。这些极其高的力能压倒(overwhelm)轴30、34及它们相关联的安装硬件的结构完整性，引起轴扭曲或成角度地“偏离”竖直轴线“V”。轴30、34的严重角偏转可引起径向轴承100a、100b的未对准，这导致固定(secured)在轴承的内座圈与外座圈之间的球将上骑并且在滚道槽的肩部之上的风险，引起不可修复的损坏(例如，结构失效，诸如破裂)。下面讨论的特定特征被组合并适当地平衡，以减轻该风险。
接下来参考图2A、2B和3，径向轴承装置100(其对应于图1的轴承装置100a、100b中的任一或二者)以无保持架的(cageless)、缝填充的(slot-fill)、单行的径向接触轴承的形式来提供。因此，轴承装置100包括外座圈102、内座圈104和径向地夹在座圈之间的轴承球106的恭维(compliment)。这些部件在本文中参考轴向方向“A”(其与图1的竖直轴线“V”对齐)、径向方向“R”、旋转的角方向“
Figure 404919DEST_PATH_IMAGE001
”和扭转扭曲的角方向“T”来描述。角方向“
Figure 322059DEST_PATH_IMAGE002
”是驱动轴30旋转来操作阀元件14的方向。角方向“T”是驱动轴30在其响应于压倒性外力而偏转时旋转的方向。在本公开中，术语“内”参考朝向轴承装置100的轴向中心线的径向方向来使用。术语“外”参考远离轴向中心线的径向方向来使用。
如所示出，外座圈102包括环形体108，环形体108具有内面110和外面(outerface)112。如图3中所示出，当装配在流体阀10中时，外面112固定地附接到阀体杆(例如，杆32或36)的弯曲的内部孔表面上。内面110限定了槽114，槽114形成为径向凹陷，该径向凹陷具有由相对的径向凸起的肩部116来界定的圆形凹表面。槽114的表面适当地成形，并且尺寸设定为以相对小的接触面积来接收轴承球106，使得球被允许以非常小的摩擦力来在槽内旋转。类似于外座圈102，内座圈104包括环形体118，环形体118带有内面120和外面122。内座圈104与外座圈102相对地定向，因此外面122限定了由径向凸起的肩部126来界定的球接收槽124。如所示出，外座圈102和内座圈104的相对的槽114、124协作来形成在使用期间将轴承球106保持在座圈之间的环形滚道。如图3中所示出，当装配在流体阀10中时，内面120与轴(例如，轴30或34)的弯曲的外表面接合。
内座圈104以致使(render)轴承装置100对角轴偏转有弹性的多种特征来适当地构造。一个此类特征是冠形(crowned)内面120。在该示例中，内面120具有与轴30的外部表面接合的轴向凸表面(见图3)。当在本公开中使用时，术语“轴向凸”意味着表面是非平面的并且在轴向端点之间向内朝向轴弯曲。如图3中所示出，内面120的轴向凸表面适当地成形，以在适应角轴偏转的同时维系与轴30的接触。在该示例中，内座圈104键接到轴30上，以将内座圈固接到轴上而不滑动。内座圈104和轴30之间的该耦合将内面120的最远延伸部分(即，“冠(crown)”)128放置成与轴30的外表面直接接触。冠128的任一侧上的周边表面部分130a、130b允许轴30在角方向“T”上移动，而不引起由内座圈104的对应移动。轴30和内座圈104之间的这种“角游隙(angular play)”提供了显著的优点，因为其有效地将轴承装置100与轴30的有限的扭转扭曲隔离开，并且因此抑制了导致各种失效模式的座圈的未对准。虽然通过使轴30的外表面呈冠形(crowning)能够获得类似量的角游隙，但是在轴承装置上提供该特征是特别有利的，因为它确保了外座圈102和内座圈104之间的接触角维持为指向通过轴承球106的中心。
在图示的示例中，内面120的凸表面是对称地弯曲的，将冠128放置在内座圈104的轴向中点处。该对称弯曲轮廓在轴方向的两个方向上提供了相等的角游隙。然而，本公开也设想了其它构造。例如，可以使用非对称轮廓，其中预期的是轴偏转仅在单个方向上发生。在一些示例中，凸表面限定了在大约0.5°的5.0°之间(例如，在大约1.0°与4.0°之间，或在大约2.0°与3.0°之间)的弯曲度。该弯曲度限定了在轴30与内座圈104之间的角游隙的量。角游隙的量随着弯曲度的增加而增加。然而，对弯曲度而言存在上限，因为在某点处，变窄的冠变成应力集中点，该应力集中点可引起内座圈的结构失效。
因为由冠形内面120提供的角游隙的量是有限的，故内座圈104还包括各种补偿特征，以进一步减轻随着轴偏转导致的结构失效的风险。也就是说，当角游隙已由严重的轴偏转耗尽时，补偿特征的效果是要减小当扭转扭曲力施加在轴承装置上时失效的可能性。内座圈104的一个此类补偿特征是轴向和径向间隙，其允许内座圈104响应于轴偏转而相对于外座圈102在方向“T”上旋转或“倾斜”。在一些示例中，内座圈和外座圈之间的相对倾斜度为在大约0.5°与2.0°之间(例如，在大约1.0°与1.5°之间，或大约1.3°)。与轴向和径向间隙合作工作的另一补偿特征是径向肩部126的增大。径向肩部126的增大通过将肩部边缘放置成更接近轴承球106的中心来减小结构失效(例如，球破碎)的可能性。也就是说，增大的肩部高度致使轴承球在严重的扭转扭曲期间更多地抵抗向上在肩部上的滚动(即，在方向“T”上的移动)。
类似于冠形内面120上的弯曲度，肩部高度(在图2B中指示为“HS”)能够增加的程度也受其它结构设计和制造约束的限制。考虑到增大的径向肩部的事故副作用(incidentside effects)，在一些示例中，该特征可以仅在内座圈104上实施。因此，内座圈104的肩部高度能够大于外座圈102的肩部高度。在一些示例中，内座圈肩部高度相对于外座圈肩部高度的比为在大约1.0与1.5之间(例如，在大约1.2与1.4之间，或大约1.3)。
内座圈104的又一补偿特征以圆形或圆角唇部132的形式提供，圆形或圆角唇部132沿着其球接收槽124的边缘延伸。在轴承球106沿着径向肩部126上骑的情况下，边缘132的圆角特征有效地减小了在轴承球106和内座圈104上的接触应力。在一些示例中，圆角唇部限定了至少大约70.0°的弯曲度。
贯穿本公开所讨论的各种内座圈特征具体地设计，以减轻在使用期间可能经受显著轴偏转的低摩擦力深槽角球轴承中的结构失效的风险。虽然这些特征可以在某些应用中独立地实施，但是在组合地部署它们时看起来存在协同效应。如以上所讨论，座圈的冠形内面在轴和内座圈之间引入了角游隙，并且轴向/径向间隙、增大的肩部高度和圆角唇部在轴偏转严重到足以压倒角游隙时提供了接触应力的补偿缓解。事实上，在测试期间，特定构造取得了惊人地优异结果。测试最初在900℉下以11000lbf的径向负载来执行。初始测试之后是在500℉下以22000lbf的径向负载进行的附加测试。每个测试执行2000个完整的开式循环和闭式循环(open and close cycle)。用于测试的轴承构造的设计参数在下表中提供。
<u>内座圈设计特征</u> <u>值</u>
弯曲度-内面 2.2°
间隙度 0.0035英寸
肩部高度比 1.165
弯曲度-圆角唇部 70.7°
已经描述了本发明的多个实施例。然而，将理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以做出各种修改。

Claims (14)

1.一种用于支承轴来相对于外毂旋转的轴承装置，所述轴承装置包括：
环形外座圈，其能安装在所述毂的内部孔内，所述外座圈包括面向内的径向槽，所述面向内的径向槽尺寸设定为接收圆形轴承元件；以及
环形内座圈，其能安装到所述轴的向外弯曲的外部表面上，所述内座圈包括：
面向外的径向槽，所述面向外的径向槽尺寸设定为接收轴承元件，所述内座圈和所述外座圈的相应的径向槽共同形成环形滚道，以在所述轴承装置组装时保持所述轴承元件；以及
沿着所述内座圈的最内侧直径的轴向凸表面，所述凸表面包括连续表面，所述连续表面具有在冠形表面部分的任一侧上的两个周边表面部分，所述凸表面成形为在安装到所述轴上时使所述内座圈的所述冠形表面部分直接地接合所述轴的所述外部表面，使得所述内座圈在适应由外力引起的所述轴的径向偏转的同时维持与所述轴接触，
其中所述外座圈和所述内座圈中的每一个包括邻近相应的径向槽的凸起的径向肩部，所述内座圈的肩部的高度大于所述外座圈的肩部的高度，并且其中内座圈肩部高度相对于外座圈肩部高度的比为在1与1.5之间。
2.根据权利要求1所述的轴承装置，其中所述凸表面关于所述内座圈的轴向中点对称地弯曲。
3.根据权利要求1所述的轴承装置，其中所述凸表面限定了在0.5°与5°之间的弯曲度。
4.根据权利要求1所述的轴承装置，其中所述内座圈的所述凸起的径向肩部包括圆角唇部，所述圆角唇部沿着所述内座圈的所述面向外的径向槽的边缘。
5.根据权利要求4所述的轴承装置，其中所述圆角唇部限定了至少70°的弯曲度。
6.一种流体阀，包括：
阀体，其将阀元件容纳在入口端口与出口端口之间的内部腔室中，所述阀元件构造成调节通过所述阀体的流体的流量；
轴，其在一端处操作地耦合到所述阀元件上，所述轴位于所述阀体的毂部分的内部孔中；以及
轴承装置，其径向地安装在所述轴与所述毂的所述内部孔之间，并且构造成支承所述轴来相对于所述阀体旋转，所述轴承装置包括环形外座圈、环形内座圈和保持在由座圈的相对的径向槽形成的滚道中的轴承元件，所述内座圈包括：
沿着所述内座圈的最内侧直径的轴向凸表面，所述凸表面包括连续表面，所述连续表面具有在冠形表面部分的任一侧上的两个周边表面部分，所述凸表面的所述冠形表面部分直接地接合所述轴的向外弯曲的外部表面，使得所述内座圈在适应由流体压力引起的所述轴的径向偏转的同时维持与所述轴接触，
其中所述外座圈和所述内座圈中的每一个包括凸起的径向肩部，所述凸起的径向肩部界定了相应的径向槽，所述内座圈的肩部在径向方向上的高度大于所述外座圈的肩部在所述径向方向上的高度，并且其中内座圈肩部高度相对于外座圈肩部高度的比为在1.0与1.5之间。
7.根据权利要求6所述的流体阀，其中所述轴承装置安装为带有相对于所述轴和所述外座圈的间隙，使所述内座圈能够响应于所述轴的径向偏转而相对于所述外座圈倾斜。
8.根据权利要求7所述的流体阀，其中所述内座圈和所述外座圈之间的相对倾斜度为在0.5°与2.0°之间。
9.根据权利要求6所述的流体阀，其中所述凸表面关于所述内座圈的轴向中点对称地弯曲。
10.根据权利要求6所述的流体阀，其中所述凸表面限定了在0.5°与5.0°之间的弯曲度。
11.根据权利要求6所述的流体阀，其中所述内座圈的所述径向肩部包括圆角唇部，所述圆角唇部沿着所述槽的边缘，并且其中所述圆角唇部限定了至少70°的弯曲度。
12.一种用于支承轴来相对于外毂旋转的轴承装置，所述轴承装置包括：
环形外座圈，其能安装在所述毂的内部孔内，所述外座圈包括面向内的径向槽，所述面向内的径向槽尺寸设定为接收圆形轴承元件；以及
环形内座圈，其能安装到所述轴的向外弯曲的外部表面上，所述内座圈包括：
面向外的径向槽，其尺寸设定为接收轴承元件，所述内座圈和所述外座圈的相应的径向槽共同形成环形滚道，以在所述轴承装置组装时保持所述轴承元件，所述内座圈和所述外座圈的径向槽由相应的凸起的径向肩部形成边界，所述内座圈的肩部在径向方向上的高度大于所述外座圈的肩部在所述径向方向上的高度，并且所述内座圈的径向肩部包括沿着所述径向槽的边缘的圆角；以及
沿着所述内座圈的最内侧直径的轴向凸表面，所述凸表面包括连续表面，所述连续表面具有在冠形表面部分的任一侧上的两个周边表面部分，所述凸表面关于所述内座圈的轴向中点对称地弯曲，并且成形为当安装到所述轴上时使所述内座圈的所述冠形表面部分直接地接合所述轴的所述外部表面，使得所述内座圈在适应由外力引起的所述轴的径向偏转的同时维持与所述轴接触，
其中内座圈肩部高度相对于外座圈肩部高度的比为在1.0与1.5之间。
13.根据权利要求12所述的轴承装置，其中所述内座圈的所述凸表面限定了在0.5°与5.0°之间的弯曲度。
14.根据权利要求12所述的轴承装置，其中所述圆角限定了至少70°的弯曲度。
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