CN1256370A - 止推轴承 - Google Patents

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Abstract

用于装有轴肩的轴上的止推轴承,包括:底座圈,设在底座圈上的一系列止推轴承轴瓦;每块轴瓦都有一进油侧边缘,和一出油侧边缘;轴瓦有一工作面;轴瓦上有轴瓦枢轴,允许轴瓦在任何方向上旋转,在轴瓦的工作面上有油分配槽。给油油路通向油分配槽,工作面上有凹槽向后延伸,在轴瓦的进油侧边缘上形成动力油膜压力,确保低载时轴瓦适当倾斜。

Description

止推轴承
本发明涉及止推轴承，具体地说涉及具有前沿油分配槽的止推轴承。
在Kingsbury’s的LEG止推轴承之前，传统的止推轴承通过把油给入底座圈中的通向轴瓦的油道中，用油浸润底座圈内部和轴瓦来进行润滑的。但是，这种润滑系统消耗大量的油，且造成极大的动力损失。
本文参考Kinsbury的美国专利No.4,501,505，其中公开了Kingsbury的LEG止推轴承，它克服了传统止推轴承的上述缺点，其作法是通过把润滑油供至需要的地方，即轴瓦的工作面上，而不是用油浸润底座圈的内部和轴瓦，使得所需润滑油的量减少，且摩擦动力损失也减少，允许在低的油膜温度下工作，并增大了轴承的负载能力。
多年来Kingsbury的LEG止推轴承在许多高速涡轮机中用得很好。但是，工业界已趋向于设计更高速的机器，这些机器在实际使用前常常在低载条件下进行测试。在一定的高速/低载条件下(比如在止推轴承的平均直径处速度高于257英尺/秒，推力载荷低于100磅/平方英寸单元负载)，我们注意到要达到设计流量，LEG需要较高的给油压力，而当最终施以较高推力载荷时，给油压力降至正常水平。如果机器的润滑系统没有较高的给油压力，则在高速/低载条件下轴承得到的润滑油流量就小于设计流量，这会使油膜温度较高。
本发明的目的是提供一种止推轴承，具有Kingsbury LEG止推轴承的优点，且既能在低载又能在高载下有效工作。
上述目的及其他目的是这样实现的，即提供一种止推轴承，该轴承有一底座圈，在该底座圈上设有一系列止推轴承轴瓦，每块轴瓦在邻近其进油边如工作面中制有一油分配槽，在每块轴瓦的工作面中制有凹槽，该凹槽开始于油分配槽的出油边，由此向后延伸，在每块轴瓦的进油边止建立动压油膜压力，以确保低载下每块轴瓦适当倾斜。在本发明的一个实施例中，每块轴瓦的工作面中制出的凹槽是一凹坑区，其深度恒定不变。在本发明的另一实施例中，每块轴瓦的工作面中制出的凹槽形成一处在轴瓦工作面中的斜面，其中，在凹槽的进油边处凹槽的最深，至凹槽的出油边处减小到其深度为零。
下面结合附图说明本发明的实施例。附图中：
图1示意地表示了工作中适当倾斜的一块轴瓦；
图2是按照本发明构造的一对止推轴承放在装于一根轴上的旋转轴肩的每一侧上时的立面图；
图3是朝着图2所示止推轴承之一的轴瓦的表面看去的视图；
图4是朝着图3所示止推轴承之一的一块轴瓦的表面看去的视图；
图5是图4的5-5剖视图；
图6是图5中圆圈6所示部分的放大图；
图7是本发明的另一实施例中所用轴瓦的表面视图；
图8是图7的8-8剖视图；
图9是图8中圆圈9所示部分的放大图；
图10是本发明又一个实施例中所用的轴瓦的表面的视图；
图11是图10的11-11剖视图；
图12是图11中圆圈12所示部分的放大图；
图13是表示Kingbury的美国专利No.4,501,505中所述的标准的10.5英寸Kingsbury LEG止推轴承负载下给油压力与按照本发明构造的10.5英寸Kingsbury LEG止推轴承负载下给油压力相比较的曲线图；
图14是表示标准的10.5英寸Kingsbury LEG止推轴承与本发明的10.5英寸Kingsbury LEG止推轴承在负载下的华氏温度曲线图。
上述LEG是宾夕法尼亚(Pennsylvania)州费城(Philadelphia)的Kingsbury，Inc.的商标。
现参照附图，图中示出用于轴13的止推轴承11。轴13上装有轴肩15，可随轴13一起转动。止推轴承11包括底座圈17和一系列绕底座圈17而设的轴瓦19。
每块轴瓦19都有一进油侧边缘21，它通过内径侧边缘25和外径侧边缘27与出油侧边缘23相连。箭头29表示轴肩15的旋转方向。
每块轴瓦19都包括工作面31。该工作面31有外径侧边缘33和一内径侧边缘，在图示实施例中，该内径侧边缘即为内径侧边缘25。
在每块轴瓦19上背离轴瓦19的工作面31安装有轴瓦枢轴35，该枢轴35有一球形表面，以允许轴瓦19在任何方向上自由绕枢轴旋转而与轴肩15的侧表面相符合。
在轴瓦19上的工作面31中邻近进油侧边缘21处制出油分配槽37，该槽37径向延伸，大致处于轴瓦19的内径侧边缘25和外径侧边缘27之间的全长范围内。油分配槽37有一内端39和一外端41，这两端由进油侧边缘43和出油侧边缘45连在一起。
选择地采用，但优选如此，设给油槽47，该给油槽47从油分配槽37的内端39径向延伸至轴瓦19的内径侧边缘25，用于给位于给油槽47下游的轴瓦19的内径侧边缘区域供油，若不如此，由于轴肩15旋转所致离心惯性效果，该下游的内径侧区域会缺油。
优选将油分配槽37的出油侧边缘45倒角形成倒角边，以使油更容易地从油分配槽37流走，在轴13和轴肩15的旋转过程中，油涂敷在工作面31上。
设有定位装置如定位销79来协助把轴瓦19保持在底座圈17上，该定位销79从轴瓦19径向延伸入底座圈17中的环形槽81中。也可采用螺钉将轴瓦19保持在底座圈17上。
优选在止推轴承11中的轴瓦19和底座圈17之间安装一系列上调整板83和下调整板85，它们在环形槽87中绕底座圈17交替放置。下调整板85用轴向的下调整板定位销89定位，而上调整板83用径向的上调整板定位螺钉91定位。
轴瓦枢轴35压在上调整板83上，交替放置的调整板83，85的作用是在多块轴瓦19中平均分配负载。
在每块轴瓦19的工作面31中制出凹槽93，以在每块轴瓦19的进油侧边缘21上形成动力油膜压力，确保在低载下工作时轴瓦19适当倾斜，也即，使轴瓦19在其进油侧边缘21处和轴肩15之间的间隙大于轴瓦19在其出油侧边缘23处和轴肩15间的间隙。
凹槽93有内端95和外端97，它们由进油侧边缘99和出油侧边缘101连在一起。凹槽93的进油侧边缘99起始于油分配槽37的出油侧边缘45。
图4-6所示为本发明的第一个实施例，其中，凹槽93在轴瓦19的工作面31中形成一斜面103。在本发明的这一实施例中，凹槽93的深度在凹槽93的进油侧边缘99处最深，至凹槽93的出油侧边缘101处减至深度为零。优选凹槽93的深度在凹槽93的进油侧边缘99处为0.0020英寸至0.0200英寸。凹槽93的宽度，即从凹槽93的进油侧边缘99至凹槽93的出油侧边缘101的距离，在轴瓦19的平均直径处测量，且该宽度决定了凹槽93的出油侧边缘101的位置。轴瓦19的平均直径定义为(0.d.+i.d)/2，其中0.d.是止推轴承的外径，该值为测量两块相对放置的轴瓦19的工作面31的外径侧边缘33之间距离所得，i.d是止推轴承的内径，该值为测量两块相对放置的轴瓦19的工作面31的内径侧边缘25之间距离所得。优选凹槽93的宽度用角度量时为轴瓦作用角α的10％到25％，轴瓦作用角α指的是由(a)在轴瓦19的平均直径处从凹槽93的出油侧边缘101至轴承的中心103延伸的线102和(b)在轴瓦19的平均直径处从工作面31的出油侧边缘至轴承的中心103延伸的线104相交而形成的内角。在本发明的图示实施例中，该工作面31的出油侧边缘即为轴瓦19的出油侧边缘23(见图3)。在本发明的该实施例中，出油侧边缘101与轴瓦19的进油侧边缘21平行。凹槽93的长度，即从凹槽93的内端95至凹槽93的外端97的距离，是轴瓦19的工作面31的长度的75％至100％(工作面31的长度指的是轴瓦19的工作面31的内径侧边缘和工作面31的外径侧边缘33之间的距离，在图示实施例中，工作面31的内径侧边缘即为轴瓦19的内径侧边缘25)，轴瓦19的工作面31的长度定义为(0.d.-i.d)/.2，其中0.d.是止推轴承的外径，该值为测量两块相对放置的轴瓦19的工作面31的外径侧边缘33之间距离所得，i.d是止推轴承的内径，该值为测量两块相对放置的轴瓦19的工作面31的内径侧边缘25之间距离所得。
图7-9所示为本发明的第二个实施例，图10-12所示为本发明的第三个实施例。在本发明的第二个和第三个实施例中，凹槽93是一凹坑区。即，凹槽93在轴瓦19的工作面31中形成一过渡坪105，沉至绕凹槽93的工作面31的水平面之下。该凹坑区的深度优选为0.0020英寸至0.0200英寸，且其深度为一常数。该凹坑区的宽度，亦即从凹槽93的进油侧边缘99至凹槽93的出油侧边缘101之间的距离，在轴瓦19的平均直径处测量所得。优选凹槽93的宽度用角度量度时为轴瓦作用角的10％至内径侧边缘25％。在本发明的这些实施例中，凹槽93的出油侧边缘101或者平行于进油侧边缘21(如图7-9所示，在本发明的第二个实施例中)，或者沿着轴承中心的半径方向(如图10-12所示，在本发明的第三个实施例中)，再或者其方向介于以上两种之间。上述凹坑区的长度，亦即从凹槽93的凹槽93至凹槽93的外端97的距离，是轴瓦19的工作面31长度的75％至90％(工作面31的长度指的是轴瓦19的工作面31的内径侧边缘和工作面31的外径侧边缘33之间的距离，在图示实施例中，工作面31的内径侧边缘即为轴瓦19的内径侧边缘25)，轴瓦19的工作面31的长度定义为(0.d-i.d)/2，其中0.d.是止推轴承的外径，该值为测量两块相对放置的轴瓦19的工作面31的外径侧边缘33之间距离所得，i.d是止推轴承的内径，该值为测量两块相对放置的轴瓦19的工作面31的内径侧边缘25之间距离所得。
正常工作时，油膜中的压力分布使得作用在轴瓦的进油侧部分上的力矩大于轴瓦表面上因粘滞阻力而产生的力矩。该较大的油膜压力矩使轴瓦倾斜，结果使得进油侧边缘的间隙(即进油侧边缘21处轴瓦19和轴肩15之间的距离)大于出油侧边缘的间隙(即出油侧边缘23处轴瓦19和轴肩15之间的距离)，而这一结果是正常工作所要求的。图1示意地表示出了工作中轴瓦19的适当倾斜。
对于传统的LEG止推轴承，也即没有凹槽93的LEG止推轴承，当它在高速和低推力负载下工作时，粘滞阻力矩与压力分布力矩相比变得更大，轴瓦19的倾斜减小，结果轴瓦19在几乎不倾斜或与旋转着的轴肩15平行的情况下工作。这种小小的倾斜减少了侧漏，使大量的油进入了油膜区。这种条件下，油只能由高的给油压力压入油膜中。本发明的止推轴承11不会遇到这种条件下的损害，这是因为轴瓦19的工作面31中制有的凹槽93使动力油膜压力形成于每块轴瓦19的进油侧边缘21上，这种动力油膜压力使轴瓦19适当倾斜，也即，当在低推力负载下工作时，使轴瓦19在其进油侧边缘21处和轴肩15之间的间隙大于轴瓦19在其出油侧边缘23处和轴肩15之间的间隙。凹槽93在轴瓦19的进油侧边缘21上形成动力油膜压力，该压力产生与粘滞力矩相反的力矩。进油侧间隙越小(该间隙指轴瓦19在其进油侧边缘21处与轴肩15间的距离)，凹槽93的效果越大。此外，凹槽93的尺寸可依不同应用场合而设计得不同。
一旦施加高负载，油膜压力是主要的力矩形成因素，轴承就如其正常工作时一样工作。
在图13中，线107a表示标准的10.5英寸LEG止推轴承在12.0KRPM时，其给油压力随负载的变化情况，线109a表示按本发明构造的10.5英寸LEG止推轴承在12.0KRPM时给油压力随负载的变化情况。类似地，在图13中，线107b表示标准的10.5英寸LEG止推轴承在10.0KRPM时给油压力随负载的变化情况，而线109b表示本发明的10.5英寸LEG止推轴承在10.0KRPM时，给油压力随负载的变化情况。图13中，线107c表示标准的10.5英寸LEG止推轴承在8.0KRPM时给油压力随负载的变化曲线，线109c表示按照本发明构造的10.5英寸LEG止推轴承在8.0KRPM时给油压力随负载的变化曲线。
术语“KRPM”是“每分钟千转(Kilo rotations per minute)的缩写。因此，12.0KRPM等于每分钟12,000转，10.0KRPM等于每分钟10,000转，而8.0KRPM等于每分钟8,000转。
在标准LEG止推轴承中，当负载在10psi(磅/英寸2)和100psi之间时，12.0KRPM时的给油压力在约30.0psig(表压(磅/英寸2))和约52.0psig之间。然而，当负载在10.0psi和100.0psi之间时，12.0KRPM时本发明的LEG止推轴承的给油压力范围为约8.0psig至约16.0psig。
在标准LEG止推轴承中，当负载为约10psi～50psi时，10.0KRPM下给油压力范围为约22.0psig和约28.0psig之间。但时，当负载为约10.0psi～50.0psi时，10.0KRPM下按本发明构造的LEG止推轴承的给油压力范围为约4.0psig到约6.0psig。
在标准止推轴承中，负载为约10psi，8.0KRPM时给油压力约为轴13.0psig。但是，负载为约10.0psi，8.0KRPM时，按本发明构造的LEG止推轴承的给油压力约为3.0psig。
总之，图13的数据表示了按本发明构造的LEG止推轴承在所需给油压力上的明显的下降。
在图14中，线111a，111b，111c分别表示标准LEG止推轴承中在12.0KRPM，10.0KRPM和8.0KRPM时油膜温度随负载的变化情况，而线113a，113b，113c分别表示按照本发明构造的LEG止推轴承在12.0KRPM，10.0KRPM和8.0KRPM时油膜温度随负载的变化情况。低载范围内(小于25psi)按本发明构造的LEG止推轴承表现出显著的油膜温度下降。
在所有工作条件下，本发明的止推轴承提供了适当的轴瓦倾斜，使在其进油侧边缘21处轴瓦19和轴肩15之间的间隙大于在其出油侧边缘23处轴瓦19和轴肩15之间的间隙。对于本发明的止推轴承，在所有工作条件下，在止推轴承的设计速度范围中发生正常的倾斜，使轴承既在低载(由凹槽93产生的动力油膜压力提供适当倾斜)又在高载(高载下因油膜压力而出现的适当倾斜)工作。

Claims (21)

1.装有轴肩的轴上使用的一种止推轴承，包括：
一底座圈，
一系列设于底座圈上的止推轴承轴瓦，
每块轴瓦上有进油侧边缘，通过内径侧边缘和外径侧边缘与出油侧边缘相连，
每块止推轴承轴瓦上有一工作面，
每块轴瓦上的轴瓦枢轴允许轴瓦按任何方向绕枢轴旋转，
在每块轴瓦的工作面中制出油分配槽，邻近每块轴瓦的进油侧边缘，且该油分配槽径向延伸，大致处于每块轴瓦的内径侧边缘和外径侧边缘之间的全长上，
每个油分配槽都有一个内端和一个外端，它们由一进油侧边缘和一出油侧边缘相连，
给油装置通向每个油分配槽，把油供给每个油分配槽，以及
在每块轴瓦的工作面中制出凹槽，该凹槽起始于油分配槽的出油侧边缘，从此向后延伸，在每块轴瓦的进油侧边缘上形成动力油膜压力，确保每块轴瓦在低载下适当倾斜。
2.如权利要求1所述的止推轴承，其特征在于，所述凹槽是一凹坑区。
3.如权利要求2所述的止推轴承，其特征在于，所述凹坑区的深度恒定不变，为0.0020英寸至0.0200英寸。
4.如权利要求2所述的止推轴承，其特征在于，所述轴承具有一轴瓦作用角，而所述凹坑区的宽度用度度量为所述轴瓦作用角的10％至25％。
5.如权利要求2所述的止推轴承，其特征在于，所述凹槽有一出油侧边缘，该边缘平行于所述油分配槽的出油侧边缘。
6.如权利要求2所述的止推轴承，其特征在于，所述轴承有一中心，而且所述凹槽具有一出油侧边缘，该边缘沿着一条从所述轴承中心延伸出来的一条半径方向的线延伸。
7.如权利要求2所述的止推轴承，其特征在于，所述工作面有一长度，且所述凹槽的长度为所述工作面的长度的75％至100％。
8.如权利要求1所述的止推轴承，其特征在于，所述凹槽形成一斜面，该斜面从所述油分配槽的出油侧边缘上的一低点向后延伸。
9.如权利要求3所述的止推轴承，其特征在于，所述凹槽的低点为0.0020英寸至0.0200英寸。
10.如权利要求3所述的止推轴承，其特征在于，所述轴承具有一轴瓦作用角，且所述凹槽的宽度用度度量为所述轴瓦作用角的10％至25％。
11.如权利要求3所述的止推轴承，其特征在于，所述凹槽具有一出油侧边缘，该边缘平行于油分配槽的出油侧边缘。
12.如权利要求3所述的止推轴承，其特征在于，所述工作面具有一长度，而所述凹槽的长度为该工作面长度的75％～100％。
13.如权利要求1所述的止推轴承，其特征在于，它还包括协助把轴瓦保持在底座圈上的定位装置。
14.如权利要求1所述的止推轴承，其特征在于，它还包括一系列用于平衡在所述系列轴瓦上的载荷的上调整板和下调整板。
15.如权利要求1所述的止推轴承，其特征在于，所述油分配槽的出油侧边缘是一倒角边，使油更容易地从油分配槽流走，让油涂敷在轴瓦的工作面上。
16.如权利要求1所述的止推轴承，其特征在于，它还包括一个给油槽，该给油槽从每块轴瓦的油分配槽的内端径向延伸至每块轴瓦的内径侧边缘，以把将供给每块轴瓦的位于给油槽下游的内径侧区域，该下游的内径侧区域会因旋转轴肩的离心惯性效果而缺油。
17.如权利要求2所述的止推轴承，其特征在于，它还包括：
协助将轴瓦保持在底座圈上的定位装置；
一系列用以平衡系列轴瓦上的载荷的上调整板和下调整板；以及
一个给油槽，它从每块轴瓦的油分配槽的内端径向延伸至每块轴瓦的内径侧边缘，用以把油提供给每块轴瓦的位于给油槽下游的内径侧区域，该内径侧区域会由于旋转着的轴肩的离心惯性效果而缺油，油分配槽的出油侧边缘是一倒角边，以更容易地让油从油分配槽流走，用油涂覆轴瓦的工作面；
油分配槽的出油侧边缘是一倒角边，让油更容易地从油分配槽流走，用油涂敷轴瓦的工作面；
所述凹坑区的深度恒定不变，为0.0020英寸到0.0200英寸；
轴承有一轴瓦作用角；
所述凹坑区的宽度用度度量为所述轴瓦作用角的10％至25％；
所述工作面有一长度，且
所述凹槽的长度为所述工作面长度的75％～100％。
18.如权利要求16所述的止推轴承，其特征在于，所述凹槽有一出油侧边缘，该边缘平行于油分配槽的出油侧边缘。
19.如权利要求16所述的止推轴承，其特征在于，所述轴承有一中心，且所述凹槽有一出油侧边缘，该边缘沿着从轴承中心延伸出来的一条半径方向的线而延伸。
20.如权利要求3所述的止推轴承，其特征在于，它还包括：
协助将轴瓦保持在底座圈上的定位装置；
一系列用以平衡系列轴瓦上的载荷的上调整板和下调整板；以及
一个给油槽，它从每块轴瓦的油分配槽的内端径向延伸至每块轴瓦的内径侧边缘，用以把油提供给每块轴瓦的位于给油槽下游的内径侧区域，该内径侧区域会由于旋转着的轴肩的离心惯性效果而缺油，油分配槽的出油侧边缘是一倒角边，以更容易地让油从油分配槽流走，用油涂覆轴瓦的工作面；
油分配槽的出油侧边缘是一倒角边，让油更容易地从油分配槽流走，用油涂敷轴瓦的工作面；
所述凹槽的低点为0.0020英寸到0.0200英寸；
所述轴承有一轴瓦作用角；
所述凹槽的宽度用度度量为所述轴瓦作用角的10％～25％；
所述工作面有一长度，且
所述凹槽的长度为所述工作面长度的75％～100％。
21.如权利要求19所述的止推轴承，其特征在于，所述凹槽具有一出油侧边缘，它平行于油分配槽的出油侧边缘。
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