PL220498B1

PL220498B1 - Aerostatic radial-longitudinal bearing, hole

Info

Publication number: PL220498B1
Application number: PL398005A
Authority: PL
Inventors: Franciszek Oryński; Sławomir Kawczyński
Original assignee: Politechnika Łódzka
Priority date: 2012-02-06
Filing date: 2012-02-06
Publication date: 2015-11-30
Also published as: PL398005A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest konstrukcja wewnętrzna gazostatycznego łożyska poprzeczno-wzdłużnego otworowego.The subject of the invention is the internal structure of a gasostatic bore-thrust bearing.

Łożyska gazostatyczne są szeroko stosowanymi układami łożyskowania szybkobieżnych zespołów napędowych. Bywają stosowane w niemal każdej dziedzinie techniki. Ich cechą charakterystyczną jest prosta budowa i możliwość otrzymania wyższych prędkości obrotowych w stosunku do łożysk tocznych, a zwłaszcza olejowych.Gasostatic bearings are widely used bearing systems for high-speed drive units. They are used in almost every field of technology. Their characteristic feature is a simple structure and the possibility of obtaining higher rotational speeds in relation to rolling bearings, especially oil ones.

W łożyskach tych czynnik nośny (gaz) z zewnętrznego źródła zasilania wpływa, przez otwór doprowadzający (dławik), do komory, zaś z komory wypływa do szczeliny. Przepływając przez szczelinę pokonuje opory tarcia wiskotycznego stopniowo i jego ciśnienie maleje aż do ciśnienia otoczenia na wypływie z łożyska. Ciśnienie powstałe w szczelinie wytwarza siłę nośną równoważącą obciążenie zewnętrzne i likwiduje bezpośredni styk obu powierzchni, gwarantując pracę w warunkach tarcia płynnego.In these bearings, the carrier medium (gas) from the external power source flows through the inlet opening (choke) into the chamber, and from the chamber it flows into the gap. Flowing through the gap, it overcomes the viscous friction resistance gradually and its pressure drops down to the ambient pressure at the outflow of the bearing. The pressure generated in the gap creates a lifting force that balances the external load and eliminates the direct contact of both surfaces, ensuring operation in the conditions of liquid friction.

W celu doprowadzenia czynnika nośnego do łożyska, w panwi są wykonywane kanały prowadzące, najczęściej kanały otworkowe, komorowe i z rowkami rozprowadzającymi. Celem uniknięcia powstawania drgań samowzbudnych wymiary tych komór muszą być niewielkie (mniejsze niż w łożyskach hydraulicznych), a także mniejsza jest wielkość szczeliny. Większość znanych łożysk tego typu charakteryzuje się niewielkimi gabarytami. W związku z tym dużym problemem jest spełnienie wymagań technicznych niezbędnych do wytworzenia tych łożysk. Do wykonywania skomplikowanych układów komór wewnątrz panwi trzeba stosować nieraz specjalnie do tego celu wykonywane narzędzia.In order to bring the carrier medium to the bearing, guide channels are made in the bush, most often aperture channels, chamber channels and channels with distribution grooves. In order to avoid the formation of self-excited vibrations, the dimensions of these chambers must be small (smaller than in hydraulic bearings), and the size of the gap is also smaller. Most of the known bearings of this type are characterized by small dimensions. Therefore, a big problem is to meet the technical requirements necessary to manufacture these bearings. In order to make complicated arrangements of chambers inside the pan, it is sometimes necessary to use tools specially made for this purpose.

Z opisu ochronnego wzoru użytkowego nr 62605 jest znany zespół łożyskowy do mocowania wału maszyny wirnikowej, zawierający aktywne łożysko wzdłużne magnetyczne, które stanowi tuleja złączona nierozłącznie z tarczą umieszczoną między dwoma elektromagnesami, charakteryzujące się skomplikowaną konstrukcją.From the description of the utility model No. 62605 there is known a bearing unit for fixing the shaft of a rotating machine, comprising an active magnetic thrust bearing, which is a sleeve inseparably connected to a disc between two electromagnets, characterized by a complicated structure.

Z opisu zgłoszenia patentowego P 269957 jest znane łożysko powietrzne wyposażone w panewkę osadzoną w korpusie, na której zewnętrznej powierzchni jest podtoczenie z wylotami kanałów doprowadzających do łożyska powietrze oraz wloty kanałów do prowadzających powietrze na nośne powierzchnie łożyska, powierzchnię walcową wrzeciona i czoło tarczy złączonej z wrzecionem. Naprzeciw drugiego czoła tarczy, w korpusie łożyska jest osadzona płytka z wylotami kanałów doprowadzających powietrze na czoło tarczy.From the description of patent application P 269 957 there is known an air bearing equipped with a bush embedded in the body, on the outer surface of which there is a groove with the outlets of the channels supplying air to the bearing and the inlets of the channels leading the air to the bearing bearing surfaces, the cylindrical surface of the spindle and the face of the disc connected to the spindle . Opposite the other face of the disc, a plate is mounted in the bearing body with the outlets of the channels supplying air to the face of the disc.

Z opisu patentowego 89640 jest znane łożysko powietrzne wałka przenoszącego siły poprzeczne i wzdłużne do jego osi geometrycznej. Łożysko jest wyposażone w panewkę, na której zewnętrznej powierzchni są podtoczenia z wylotami kanałów doprowadzających do łożyska powietrze oraz wloty kanałów doprowadzających powietrze na powierzchnie nośne.Patent description 89640 discloses an air bearing for a shaft transmitting transverse and longitudinal forces to its geometric axis. The bearing is equipped with a bush on the outer surface of which there are grooves with the outlets of the channels supplying air to the bearing and the inlets of the channels supplying air to the bearing surfaces.

Z opisu patentowego 93562 jest znany wrzeciennik ściernicy szlifierki z łożyskami powietrznymi, w których na zewnętrznych powierzchniach panewek są wykonane podtoczenia tworzące, wraz z podtoczeniami części wewnętrznej korpusu wrzeciennika, komory, z których kanałami wykonanymi w panewkach powietrze jest doprowadzane na cylindryczną powierzchnię łożyskowanego wrzeciona. W korpusie wrzeciennika są natomiast kanały do doprowadzania powietrza do tych komór. W panewkach łożysk są także kanały do odprowadzania z wrzeciennika sprężonego powietrza spływającego z łożysk.From patent specification 93562 there is known a headstock of a grinding wheel of a grinding machine with air bearings, in which on the outer surfaces of the bushings there are grooves forming, together with the grooves of the internal part of the headstock body, chambers from which air is supplied to the cylindrical surface of the spindle bearing through the channels made in the bushings. In the headstock body there are channels for air supply to these chambers. There are also channels in the bearing shells for the discharge of compressed air flowing from the bearings from the headstock.

Wszystkie te rozwiązania cechuje skomplikowany układ kanałów doprowadzających powietrze zasilające łożyska.All these solutions are characterized by a complicated system of channels supplying air supplying the bearings.

Z opisu patentowego 112483 jest znany wrzeciennik ściernicy szlifierki wyposażony w łożyska aerostatyczne przenoszące zarówno siły poprzeczne jak i wzdłużne, w których jest ułożyskowane wrzeciono o dwóch stożkowych czopach łożyskowych o przeciwnych zwrotach zbieżności. Panewki łożysk są zawieszone na membranach w tulejach wciśniętych w korpus wrzeciennika. Powierzchnie wewnętrzne tych tulei i powierzchnie zewnętrzne panewek tworzą komory zasilające łożyska aerostatyczne. Rozwiązanie to cechuje wysoki koszt wytworzenia skomplikowanego układu membranowo-stożkowego łożysk. Ponadto wielką niedogodnością zastosowanych membran jest celowe wprowadzenie dużej podatności do układu łożyskowego, a tym samym znaczne obniżenie dokładności ruchu podpartego wrzeciona.From patent specification 112483 there is known a headstock of a grinding wheel equipped with aerostatic bearings transmitting both transverse and longitudinal forces, in which a spindle with two conical bearing journals with opposite directions of alignment is mounted. The bearing shells are suspended on membranes in sleeves pressed into the headstock body. The inner surfaces of these bushings and the outer surfaces of the bushings form the supply chambers of the aerostatic bearings. This solution is characterized by a high cost of producing a complex diaphragm-conical arrangement of bearings. Moreover, a great disadvantage of the membranes used is the deliberate introduction of a high flexibility into the bearing arrangement, and thus a significant reduction in the accuracy of the movement of the supported spindle.

Konstrukcja wewnętrzna gazostatycznego łożyska poprzeczno-wzdłużnego otworowego, którą stanowi wał, którego końce są wyposażone w kołnierze, między którymi jest umieszczona cylindryczna panewka otaczająca wał, według wynalazku charakteryzuje się tym, że wał na zewnętrznej powierzchni jego środkowej części posiada obwodowe podtoczenie, zaś kołnierze wału mają postaćThe internal structure of the borehole gasostatic radial-thrust bearing, which is constituted by a shaft, the ends of which are provided with flanges, between which a cylindrical bushing surrounding the shaft is placed, according to the invention is characterized in that the shaft has a circumferential undercut on the outer surface of its central part, and the shaft flanges have the form

PL 220 498 B1 usytuowanych pionowo, osadzonych sztywno na wale tarcz o jednakowych średnicach zewnętrznych, równych średnicy zewnętrznej panewki. W czołach panewki są pierścieniowe wybrania o osi symetrii pokrywającej się z osią symetrii panewki. Między czołami panewki i kołnierzami wału są szczeliny czołowe, których grubość między częścią czoła panewki z wybraniem i kołnierzem jest większa od ich grubości między częścią czoła panewki bez wybrania i kołnierzem. Wał jest umieszczony w panewce tak, iż między jego powierzchnią zewnętrzną i powierzchnią wewnętrzną panewki jest szczelina, której grubość między końcami wału i panewką jest mniejsza od jej grubości między środkową częścią wału z wybraniem i panewką. W panewce, w połowie jej długości, jest co najmniej jeden wieniec przelotowych, promieniowych otworów rozmieszczonych równomiernie na obwodzie panewki, korzystnie dwa wieńce jednakowo odległe od pionowej osi symetrii konstrukcji.The discs with the same outer diameters equal to the outer diameter of the bushing are located vertically, rigidly mounted on the shaft. In the fronts of the acetabulum there are annular recesses with the axis of symmetry coinciding with the axis of symmetry of the acetabulum. There are face gaps between the faces of the shell and the shaft flanges, the thickness of which between the face part of the shell with a recess and the flange is greater than their thickness between the face part of the shell without the recess and the flange. The shaft is placed in the bushing so that there is a gap between its outer surface and the inner surface of the bushing, the thickness of which between the shaft ends and the bushing is less than its thickness between the central part of the shaft with a recess and the bushing. In the bush, halfway along its length, there is at least one ring of through radial holes distributed evenly around the circumference of the bushing, preferably two rings equidistant from the vertical axis of symmetry of the structure.

Konstrukcję wewnętrzną według wynalazku cechuje prostota i łatwa technologii jej wykonania. Konstrukcja według wynalazku jest przeznaczona do łożysk przeznaczonych do wirników maszyn i urządzeń, a szczególnie do szybkoobrotowych wrzecion obrabiarek.The internal structure according to the invention is characterized by simplicity and easy production technology. The structure according to the invention is intended for bearings intended for rotors of machines and devices, in particular for high-speed machine tools spindles.

Przedmiot wynalazku uwidoczniono w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia konstrukcję wewnętrzną łożyska w przekroju wzdłużnym, zaś fig. 2 konstrukcję wewnętrzną łożyska w przekroju wzdłużnym, wraz z charakterystykami rozkładów ciśnień działających na wał konstrukcji.The subject of the invention is shown in the embodiment in the drawing, in which Fig. 1 shows the internal structure of the bearing in longitudinal section, and Fig. 2 shows the internal structure of the bearing in longitudinal section, together with the characteristics of pressure distribution acting on the shaft of the structure.

Konstrukcja wewnętrzna łożyska jest wyposażona w wał 4, który na zewnętrznej powierzchni jego środkowej części posiada obwodowe podtoczenie. Końce wału 4 są wyposażone w kołnierze 8, 9 w postaci usytuowanych pionowo, osadzonych sztywno na wale 4, tarcz o jednakowych średnicach zewnętrznych, równych średnicy zewnętrznej panewki 1. Między kołnierzami 8, 9 wału jest umieszczona cylindryczna panewka 1 otaczająca wał 4. W czołach panewki 1 są pierścieniowe wybrania o osi symetrii pokrywającej się z osią symetrii panewki 1. Między czołami panewki 1 i kołnierzami 8, 9 wału 4 są szczeliny czołowe. Grubość części 10, 12 szczelin czołowych między częścią czoła panewki 1 z wybraniem i kołnierzem 8, 9 jest większa od grubości części 11, 13 szczelin czołowych między częścią czoła panewki 1 bez wybrania i kołnierzami 8, 9. Wał 4 konstrukcji jest umieszczony w panewce 1 tak, iż między jego powierzchnią zewnętrzną oraz powierzchnią wewnętrzną panewki 1 jest szczelina. Grubość części 6, 7 tej szczeliny między końcami wału 4 i panewką 1 jest mniejsza od grubości części 5 tej szczeliny między środkową częścią wału 4 z wybraniem i panewką 1. W panewce 1, w połowie jej długości, są dwa wieńce 2, 3 przelotowych, promieniowych otworów rozmieszczonych równomiernie na obwodzie panewki 1, jednakowo odległe od pionowej osi symetrii konstrukcji.The internal structure of the bearing is equipped with a shaft 4 which has a circumferential groove on the outer surface of its central part. The ends of the shaft 4 are equipped with flanges 8, 9 in the form of vertically positioned, rigidly mounted on the shaft 4 discs with the same external diameters, equal to the external diameter of the bushing 1. A cylindrical bushing 1 surrounding the shaft 4 is placed between the flanges 8, 9 of the shaft. the shells 1 are annular recesses with the axis of symmetry coinciding with the axis of symmetry of the shell 1. There are end slots between the faces of the shell 1 and the flanges 8, 9 of the shaft 4. The thickness of the parts 10, 12 of the face slots between the face part of the shell 1 with a recess and the flange 8, 9 is greater than the thickness of the parts 11, 13 of the face gaps between the face part of the shell 1 without the recess and the flanges 8, 9. The shaft 4 of the structure is placed in the shell 1 so that there is a gap between its outer surface and the inner surface of the shell 1. The thickness of the part 6, 7 of the gap between the ends of the shaft 4 and the bushing 1 is smaller than the thickness of the part 5 of the gap between the central part of the shaft 4 with a recess and the bushing 1. In the bush 1, halfway along its length, there are two through rings 2, 3, radial openings evenly distributed around the circumference of the shell 1, equidistant from the vertical axis of symmetry of the structure.

Gaz lub powietrze jest doprowadzane z zewnątrz pod jednakowym ciśnieniem do wszystkich otworów rozmieszczonych wzdłuż wieńców 2, 3. Gaz, przepływając przez te otwory ulega częściowemu zdławieniu do wartości ciśnienia pz, a następnie przy braku obciążenia opływa wokoło wał 4 z tym samym ciśnieniem pz pomiędzy wieńcami 2, 3 otworów. Począwszy od otworów wieńców 2, 3 gaz płynie na zewnątrz w dwóch kierunkach, najpierw wzdłuż części 5 szczeliny o większej grubości, a potem wzdłuż części 6, 7 szczeliny o mniejszej grubości. Następnie gaz z łożyska przepływa promieniowo do otoczenia przez szczeliny czołowe, przez część 10 o większej grubości, a następnie przez część 11 o mniejszej grubości jednej szczeliny czołowej lub przez część 12 o większej grubości, a następnie przez część 13 o mniejszej grubości drugiej szczeliny. Ciśnienie gazu, w wyniku jego przepływu przez szczeliny czołowe, ulega zmniejszeniu. Obniżenie ciśnienia jest tym większe im mniejsza jest grubość szczelin. Bez obciążenia walu 4 rozkłady ciśnień działających na wał 4 oraz oporowe kołnierze 8, 9 są jednakowe względem osi symetrii konstrukcji. Ciśnienie gazu przemieszczającego się w obu kierunkach wzdłuż osi wzdłużnej konstrukcji (łożysko poprzeczne) obniża się według dwóch charakterystyk z wartości pz do wartości pw na jej brzegu. Ciśnienie gazu przemieszczającego się promieniowo w konstrukcji (łożysko wzdłużne-oporowe) obniża się również według dwóch charakterystyk z wartości pw do wartości pn na jej wyjściu. Dzięki zastosowaniu dwóch wieńców 2, 3 otworów oraz kołnierzy 8, 9 sztywno osadzonych na wale 4 zabezpieczono konstrukcję przed pochylaniem się jej osi wzdłużnej.Gas or air is supplied from the outside under the same pressure to all holes arranged along the rings 2, 3. The gas flowing through these holes is partially choked to the pressure pz, and then flows around the shaft 4 with the same pressure pz between the rings in the absence of load. 2, 3 holes. Starting from the openings of the rims 2, 3, the gas flows outward in two directions, first along the thicker fracture portion 5 and then along the thicker fracture portion 6, 7. The gas from the bearing then flows radially to the surroundings through the face slots, through the thicker portion 10, then through the thicker portion 11 of one face gap, or through the thicker portion 12, and then through the thicker portion 13 of the other slit. As a result of the gas flowing through the face slots, the pressure of the gas is reduced. The reduction in pressure becomes greater as the thickness of the fractures becomes smaller. Without the load on the shaft 4, the pressure distributions acting on the shaft 4 and the support flanges 8, 9 are the same with respect to the axis of symmetry of the structure. The pressure of the gas moving in both directions along the longitudinal axis of the structure (journal bearing) decreases according to two characteristics from the pz value to the pw value on its edge. The pressure of the radially moving gas in the structure (thrust-thrust bearing) also decreases according to two characteristics from the pw value to the pn value at its outlet. Thanks to the use of two rims 2, 3 holes and flanges 8, 9 rigidly mounted on the shaft 4, the structure is secured against tilting its longitudinal axis.

Po przyłożeniu siły poprzecznej do wału 4 w jego środku następuje jego poprzeczne przemieszczenie. Wskutek tego część szczeliny między wałem 4 i panewką 1 przeciwstawiająca się obciążeniu ulega zmniejszeniu, a część szczeliny po drugiej stronie wału 4 powiększa się zgodnie z działającym obciążeniem. Zmniejszenie szczeliny jest przyczyną wzrostu ciśnień i odwrotnie w powiększonej szczelinie zmniejsza się ciśnienie przepływającego gazu. Wytworzona różnica ciśnień po obu stronach wału 4 równoważy przyłożoną siłę poprzeczną. W ten sposób zostaje wytworzona poprzeczna siła nośna konstrukcji.When a transverse force is applied to the shaft 4 in its center, its transverse displacement takes place. As a result, the load-bearing portion of the gap between the shaft 4 and the bushing 1 is reduced and the portion of the gap on the other side of the shaft 4 becomes larger in line with the applied load. The reduction of the gap causes the pressure increase, and conversely the enlarged gap decreases the pressure of the flowing gas. The pressure difference created on both sides of the shaft 4 balances the applied shear force. In this way, the lateral load-bearing force of the structure is generated.

PL 220 498 B1PL 220 498 B1

Po przyłożeniu siły wzdłużnej do wału 4 działanie konstrukcji jest analogiczne jak w przypadku siły poprzecznej, z tym że zmianie ulega grubość szczelin czołowych konstrukcji. Natomiast wytworzona różnica ciśnień po obu stronach panewki 1 równo przyłożoną siłę wzdłużną.When a longitudinal force is applied to the shaft 4, the operation of the structure is analogous to that of the transverse force, except that the thickness of the front slots of the structure changes. On the other hand, the pressure difference generated on both sides of the bushing and an evenly applied longitudinal force.

Claims

The internal structure of the borehole gasostatic radial-thrust bearing, which is constituted by a shaft, the ends of which are equipped with flanges, between which a cylindrical bushing surrounding the shaft is placed, characterized in that the structure shaft (4) has a circumferential groove on the outer surface of its central part and is placed in the bushing (1) so that between its outer surface and the inner surface of the bushing (1) there is a gap, the thickness of which between the ends of the shaft (4) and the bushing (1) is smaller than its thickness between the middle part of the shaft (4) with the recess and the bushing (1), the flanges (8, 9) of the shaft (4) have the form of vertically positioned, rigidly mounted on the shaft (4) discs with the same outer diameters, equal to the outer diameter of the bushing (1), and also in the faces of the bushing (1) ) there are annular recesses with the axis of symmetry coinciding with the axis of symmetry of the shell (1) and between the faces of the shell (1) and the flanges (8, 9) of the shaft (4) there are front slots, the thickness of which between y the part of the face of the shell (1) with a recess and a flange (8, 9) is greater than their thickness between the part of the face of the shell (1) without the recess and the flange (8, 9), additionally in the shell (1), halfway along its length, there is at least one ring of through radial openings evenly distributed around the circumference of the bushing (1), preferably two rings equidistant from the vertical axis of symmetry of the structure.