CN85101277A - 轴承润滑装置 - Google Patents

Abstract

一种轴承润滑装置，在油环润滑的轴颈轴承及类似的设备中使用。该润滑装置中有一基本为圆形的环状构件，安装在轴承设备的转轴周围，其内表面上开有环形槽。在此环槽内伸入一悬臂板状构件，以在该环状构件转动时把润滑油从其上分离下来。通过上述装置，提高了油环的输油率，增进了轴承的承载性能，并使整个装置获得了高转速时的稳定性。

Description

油环是一种应用得很广的输油装置，用来把机油或其它润滑剂输送到轴颈轴承、转轴、以及类似的运动部件上。在应用时，油环一般是松套在转轴上，当轴旋转时，油环通过与轴接触而随之转动。当转动的油环通过油池时，由于摩擦牵引的作用，油环轮缘和环上的凹槽把润滑油从油池中带给转轴。带起来的润滑油由于受到运转中产生的重力、摩擦力及离心力的作用，而散布到转轴或其它部件上。在低速运转情况下，通过重力和摩擦力的作用，一般说来可以供给足够的润滑油;但是在高速运转条件下，例如当线速度高达3000～4000英尺/分钟，因油环运动太快，重力不能再有效地散布机油，油环和环上的油也具有过大的离心力，使机油不是留在环上就是被甩到转动区之外。结果，润滑油不能到达需要润滑的部位，导致转轴、轴承、油环或其它相关部件磨损较快，甚至可能较早报废。

油环的转动依赖于在旋转的轴与环之间产生的推力。随着转速升高，形成一层流体薄膜，驱动力则由这层润滑油膜传递给油环。这种情形在许多方面与浮动环轴承有相似之处，并且由于没有直接驱动机构，而发生滑动。以前为了获得较高的摩擦系数，以得到可靠的动力驱动，所作出的种种努力都集中在修改油环内圆周几何形状上。阻碍油环转动的因素有：浸没在油池中的油环下部所受到的阻滞力，把润滑油从池中送到轴颈顶部所需的提升力，以及作用在油环上的摩擦阻力，这些摩擦阻力来自紧贴油环的静止表面，例如轴承油环狭缝的侧壁等。影响润滑油输油率的其它因素还包括油环的结构及轴承所用润滑油的粘度。此外，由于传统形式的油环在运行和停机时始终支撑在转轴的上表面，这种接触本身就使磨损加剧。因为当机器停转后，大部分润滑油都回流到油池，再起动时几乎没有润滑保护。结果，在润滑油膜重新建立起来之前，极易发生轴、油环、轴承及其它有关部件的早期磨损。随之而来的是维修和更换另件的费用，以及工时的损失。

针对上述问题，本发明提出一种轴承润滑装置。这种装置是由一个油环和悬臂刮油板组成，其中刮油板的作用是把润滑油从油环的轮缘或槽内刮下。引导润滑油，并使之散布到轴、轴承及油环本身的所需部位上。通过这种装置，来提高油环的带油能力，并进而提高止推轴承和轴颈轴承的性能和承载能力。这是本发明的主要目的之一。

本发明的另一个目的是，利用悬臂刮油板的有效制动特性，来降低油环的转速，以提高输油率;同时，利用油环的形状和刮油板楔状构形，以获得更好的润滑油散布。该悬臂刮油板的制动性能来自它与油环从油池中带起的油流方向正好是相反的。

本发明另一目的是，使油环获得弹性支撑，并防止在以前的各种油环结构中普遍存在的过度摆动现象出现，由此减少油环、轴及轴承的起动磨损，增加这些部件的使用寿命。这是通过提供一种能够在运转前和运转中减少油环与轴之间接触的装置来实现的。本发明的另一个目的，是提供一种油环和悬臂刮油板组件，这种组件可适用于大多数目前已采用传统的油环的装置，并且制造和使用都很经济。

本发明实现了上述及其它所有目的。本发明为一种轴承润滑装置，适于在油环注油的轴颈轴承和具有转轴、轴承表面以及贮油池的类似设备中应用。该润滑装置具有一圆环形部件，用来把润滑油从油池中带起并使之散布到轴及轴承面上。该环形部件随轴一起旋转，并与一个可将润滑油从油环上分离的装置配合动作，从而可获得比传统的油环能得到的更大的输油率。对于双向轴颈轴承，可以在该分离装置的相对方向安装第二个润滑油收集装置，用来把润滑油引流到轴上、轴承面上，以及引入到部分装置中具有的轴承的轴向供油槽里。

参照下文及附图所作的描述，本发明的所有目的与优点将更加清楚。

图一是轴台式轴颈轴承装置的局部剖视侧视图。该装置中围绕轴与轴承组件安置了体现本发明的轴承润滑装置;

图二是体现本发明的轴承润滑装置的局部透视图，图中可见到在轴台式轴承中的安装情形，该轴承装置只剖去了一部分，以显示油环和悬臂刮油板相对于轴的安装位置;

图三为体现本发明的油环和悬臂刮油板的放大透视图，取自图二中圈3处，图示的局部剖视部分显示出油环的断面形状;

图四是局部的示意图，表示悬臂刮油板相对于单向转动的轴所取的各个不同位置;

图五是本发明另一实施例的局部示意图，显示出安装在轴承一侧的悬臂刮油板和与之相对安装的独立的集油板，以及这两个部件相对于可双向转动的轴所取的各个不同位置;

图六为曲线图，表示轴速与输油率之间的关系，两条曲线分别表示单用油环时，以及油环与悬臂刮油板配用时的情况;

图七为曲线图，反映轴速与三种油环各自的输油率之间的关系，每种油环均与悬臂刮油板配用，但各自具有不同的环槽深度;

图八为另一曲线图，反映轴速、油环转速和单用油环时其输油率之间的关系，这些关系部分地构成本发明的基础;

图九为曲线图，反映本发明的装置使用三种粘度不同的润滑油时，轴速与输油率之间的关系;

图十为曲线图，表示在双向转动的轴和轴颈轴承中使用图五所示的油环、悬臂刮油板及集油板时，轴速与输油率之间的关系。

现在让我们更仔细地参阅附图，具体到图一，标号10用来表示本发明的轴承润滑装置。图中所示该装置安置在轴颈轴承12中，当然其应用场合并不仅限于这类轴承。凡是为了润滑的目的而使用传统的油环的场合，以及在多种不同的装置中，均可采用本发明的组件。在与图示类型的轴承配用时，油环19通常是松套在转轴14上，并以下文所介绍的方式随同该轴转动。油环穿过轴瓦上的狭缝16，经过油池18，并且在转动时将润滑油向上输送以使之散布到轴与轴承表面上。

图一表示的是作为本发明实施例一部分的油环19的局部剖视图。油环外表面的结构，是油环能否获得较高输油率和稳定运转状态的限制因素之一。对于本发明来说，已发现图三中所示的侧缘20的倒角大小，结合垂直的侧壁22的宽度，对于输油率的影响最大。当侧缘20的倒角角度接近零度时，油环在狭缝16中所受到的侧面摩擦阻力可能接近最大值。侧壁摩擦阻力过大，引起油环运转不稳定，且由于油环转速不够高，致使输油率减小。若侧缘20倒角角度增大，侧壁22的宽度随之减小，输油率则相应地增加，润滑油因旋转惯性力以飞溅或喷雾的形式从油环甩出。通过实验发现，侧缘20倒角的最佳角度在30度左右，且与油环直径或其内圈环槽24的深度无关。

当轴颈速度较低时，油环跟随轴颈转动，两者的圆周线速度大致相等。随着轴14的转速增高，出现一个过渡点，即动力润滑油膜开始建立，环与轴径之间出现显著的滑动，油环转速明显下降。把在此过渡点的油环转速记作其相对于轴颈速度的第一级速度，在图八中以N₁表示。在此过渡点的关系式为：当U_r＝N₁，则 (dUr)/(dUS) ＝0，其中N₁等于油环的第一级速度，U_r为油环19内圈的表面线速度，U_r为轴颈表面的线速度。

油环第一级速度是环的重量、形状、接触面积、轴颈速度、润滑油粘度以及环境温度的多元函数。当轴颈速度继续增加时，在油环与轴颈之间建立起来的动力润滑油膜趋于稳定，油环速度也超过其第一级速度并继续上升。当轴颈对油环的摩擦推力与润滑油对油环的阻滞力之间达到平衡时，油环的实际转动速度为其第二级速度，记作N₂。这一平衡速度点也标在图八中，该点的关系式为： (dU_r)/(dU_S) ＝0，其中U_r＝N₂。油环的第二级速度也是多个参数的函数，这些参数包括轴颈速度、润滑油粘度、油环浸没深度以及油环形状。例如，垂直壁22的宽度越大，第二级速度N₂就越小。

超过第二级速度后，随着油环速度的增加，输油率迅速上升。同时，随着轴颈速度继续增大，油环完全靠一层较厚油膜的流体动力来驱动。因为油池里的润滑油被大量带走，且快速转动使油环在油池中的动态浸没深度减小，所以阻滞力减弱。试验过程中，当转速高于第二级速度N₂时，各种各样的油环都在一特别的轴速下出现过大的振动。振动的形式可直接观察到，有横向振动、锥状振动，和由振荡引起的抖振。振幅随轴速增加而增大。这一特别的油环速度称为第三级速度，在图八中标以N₃。油环第三级速度N₃被认为是该油环刚体的第一级临界速度。

当轴颈转速超过该第三级速度进入不稳定区时，油环的不稳定运动引起润滑油从油环和轴颈上甩离。这种甩离和雾化作用的后果足以使输油率迅速下降，如图八所示。在第三级速度N₃以上，不管轴速有多高，油环的转速不是保持不变就是下降。有几个因素与第三级速度有关，包括环的形状，环孔的结构，这一结构决定着油环的动态刚性，还包括环的重量或质量以及直径，例如，较大的油环其第三级速度较小。使用标号为SAE10、20和30Wt。（美国汽车工程协会标准10、20和30重量单位）的润滑油，研究了润滑油粘度变化对油环速度和输油率的影响，结论是：粘度影响油环的第一级和第二级速度，而第三级速度则与粘度无关。

油环19可用多种材料制作，包括黄铜、铜锌合金（CU    60%，Zn40%）、青铜（SAE-660）。对用这些材料制成的油环作了测试，所用润滑油标号为SAE10，温度为100°F，油环浸没深度为其直径的15%。结果表明，青铜油环比其它材料的油环输油率高出约10%。耐磨性试验则表明黄铜油环的耐磨性略优于其它材料，但差别很小。该试验的条件为三万次起动一停止循环，和以1800转/分的转速连续运行7200小时，所用润滑油为SAE    10。

由图二可见，油环19套在轴14上。该轴可在适用任何类型的轴承或轴瓦40中转动，图示的实施例中箭头所示为其转动方向。一个把润滑油从油环上分离下来的装置，或称悬臂刮油板42（C.O.L.），由适当的紧固件如螺栓46固定在轴瓦上。刮油板42的形状为渐宽的楔形，安装在单转向轴承内。轴14的旋转方向对着刮油板42的自由端48。该自由端48插在油环19的内槽24中。刮油板可用任何适用的材料，例如薄钢板制成。对油环与轴颈的各种组合形式通过试验进行了优化设计，性能最佳的刮油板参数为：厚度约为0.5毫米，圆弧约为70°。在这片弓形的薄钢板上，加以相当于油环重量的10%的预载荷，当转轴处于静止时，其位置大致在图四中的50A处，因此可允许油环19的轮缘与轴14相接触。当轴与油环转动时，油环内圈的槽24及其两侧的窄槽52和54把润滑油从油池18中向上带起。刮油板42把润滑油从槽24中刮下，然后这些刮下来的润滑油积流到轴和轴承表面上。在悬臂刮油板42上所加的预载荷使该板具有弹簧的特性，这一特性减小了油环与轴之间的接触，因而可减小这些部件的起动磨损，并且有助于油环在高转速时的稳定运转。

如图二与图四所示，轴颈和油环的转动方向通常是从刮油板的自由端指向固定端。由于刮油板固定端较宽，该板的刚性从其前缘向固定端逐渐增加。在油环运转过程中，刮油板固定端宽阔的结构还起着收集被刮下来的润滑油并将之导入轴承的轴向散油槽（图中未画出）的作用。刮油板的前缘即自由端48，连同它在油环内槽24中的位置，对油环起了导轨作用，由此可防止油环在狭缝16中过度的侧壁摩擦。另外，由于在刮油板与油环之间所产生的流体动压力的作用，刮油板的自由端为油环提供了附加的缓冲与稳定作用。随着轴颈速度增加，油环也以更快的速度转动，并带起更多的润滑油，刮油板被推挤向外，达到在图四中标以50B的位置左右。这一向外的运动产生出扩张的楔形空间。该楔形空间以其所产生的润滑油动压力，对油环产生制动作用，使油环在高速运转提高输油率的同时，得以保持稳定性。因此毋需为适应不同的轴颈转速与尺寸的特殊要求，去在油环上加工一系列不同的槽。随着轴颈转速的进一步增加，这种扩张作用更加显著，油环大致达到在图四中标以50C的位置。这正是所期望的效果。因为在轴颈转速较高时，悬臂刮油板向外的显著扩张有更好的稳定作用，并能使油环转速相对减慢。总之，由于这种因扩张而产生的楔形空间，使油环在伴有振动的较高转速情况下，具有内在的稳定性。

图七所表示的是，改变油环内槽24的深度，对轴速和输油率之间关系的影响。三种油环试件形式相同，仅各自的内槽深度不同，分别为槽深D＝1.05毫米，D＝1.52毫米，D＝3.20毫米。根据此试验数据，最佳内槽深度约为D＝1.52毫米，其对应的输油率约为环槽较浅或较深的油环的输油率的二倍。以5＃油环作为环槽深度D≈1.52毫米的油环的代号，并测试了它与悬臂刮油板42配用和不与之配用时的性能。测试结果见图六。在油环未与刮油板配用的测试过程中，当轴颈转速约为1800转/分，油环转速约为180转/分时，开始出现不稳定状态，而当轴颈转速超过2500转/分，则无法正常运行。其输油率最高仅能达到约1200毫升/分。同样的甩油环与刮油板42配用，则其轴颈转速可达到并超过3200转/分，而在1800转/分所对应的输油率为2100毫升/分。此外从图七中可见，当转速为1800转/分时，其输油率还可达到3200毫升/分。图六与图七所介绍的两个试验所用的润滑油标号均为SAE20Wt。在图七所示的试验中，入口处润滑油温度为48.8℃，而图六的试验中，入口处润滑油温度则为37.8℃。由此可以断定，图七中所见的较高输油率是由较高的润滑油温度所致。图九介绍了润滑油粘度变化的影响，所用润滑油的标号为SAE    10，20和30Wt。（美国汽车工程协会标准10，20和30重量单位）。如图所示，较重的润滑油所对应的输油率明显地高。这是一个重要的有利因素，对于大型轴承的应用尤为重要，因为在应用大型轴承的场合都普遍采用重润滑油和高转速。

对于能双向转动的轴颈轴承，在其轴瓦40上安装一附加的集油装置，例如集油板60。该集油板60相对于悬臂刮油板42成反向安置。并用适当的紧固件如螺栓62固定，如图五所示。集油板把被输送的润滑油导入轴承上的轴向油槽（图中未画出），润滑油在这些油槽中流散，最终流回到油池里，然后又被油环带起而再次进行循环。双向轴颈轴承中输油率与轴速间的关系见图十，图中显示了沿着悬臂刮油板42的顺向和逆向两种转动方向的结果。从图十可知，该输油率与前述单向转动轴的结果相比虽然略有下降，但仍较单独使用传统油环的输油率高。因此，在双向轴承中装置集油板60是有利的，有可能取消对外部润滑系统的需求。即使由于轴承尺寸或其它因素的需要而必须设置外部润滑系统的情况下，加装集油板仍然是可取的，因为它能使输油率在起动时就迅速上升，从而减小轴承、轴和油环本身的起动磨损。

上面仅对轴承润滑装置的一种实施例及其变型作了详细描述和图示。同时，还有其它多种变换与改型方案，也都可以从本发明的基本构思中得到。

Claims (9)

1、一种轴承润滑装置，适于在油环注油的轴颈轴承和类似的具有转轴及轴承表面的机构中应用，该装置包括围绕转轴安置且基本为圆形的环状构件，该构件可随轴转动，起润滑油通道的作用，该装置还包括从该环状构件上分离润滑油并使之散布到轴和轴承表面上的装置，上述装置从环状构件上分离润滑油，它有一悬臂板状构件，该构件的轮廓基本为楔形，有一较窄的自由端，和一个固定在轴承部件上的较宽固定端。

2、如权利要求1所述的轴承润滑装置，其中的环状构件有一个基本光滑的外表面，其左右侧缘表面各自以约30度的倒角从该外表面，其左右侧缘表面各自以约30度的倒角从该外表面延伸一定宽度，然后分别与基本垂直于该外表面的两个径向延伸的侧面相接。

3、如权利要求1所述的轴承润滑装置，其中的悬臂板状构件有一较窄的自由端和一较宽的固定端，该固定端固定在轴承部件上。

4、轴承润滑装置，适于在油环润滑的轴颈轴承设备中使用，该轴承设备有一可双向转动的轴、安放该转轴的轴瓦、和一贮油地，此润滑装置有一个基本上呈圆形的环状构件，该构件与转轴同向转动，其内表面上开有环槽，借助此槽把润滑油从贮油池输送到转轴及轴瓦上，另有一装置，伸入到上述开有环槽的内表面，以此把润滑油从环槽中分离出来，并使之散布到邻近轴瓦的转轴上。

5、如权利要求4所述的轴承润滑装置，其中的悬臂板状构件为可摇动的，其纵向呈弓形，其固定端较宽，其自由端较窄。

6、轴承润滑装置，适于在油环注油的轴颈轴承或类似设备中应用，这类设备具有转动轴和轴承面，该润滑装置有一个用来输送润滑油的构件，其形状基本为圆环，偏心地装在上述转轴上并可绕其转动，该环状构件有一基本光滑的外表面，其左右侧缘从该外表面以预定的倒角向下延伸确定的距离，然后与基本垂直于该外表面的侧面相接，该环状构件的内表面至少开有一道槽。

7、如权利要求6所述的轴承润滑装置，在上述环状构件的内表面上开有多道槽，各槽沿环的周向延伸。

8、如权利要求7所述的轴承润滑装置，其中的槽包括一道中间槽和至少一道外槽，中间槽比外槽宽。

9、如权利要求6所述的轴承润滑装置，其中环形构件外表面左右侧缘的倒角角度约为30度。

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