PL247956B1 - Łożysko ślizgowe, środkowe o zmniejszonych oporach rozruchowych - Google Patents

Abstract

Ślizgowe łożysko o zmniejszonych oporach rozruchowych charakteryzuje się tym, że posiada co najmniej jedno wspomagające łożysko toczne (7) oparte na podporach (11), ustalonych w kadłubie (5), których położenie poprzeczne ustalane jest przez korki (12), cierne sprzęgło stożkowe złożone z tulei (8) oraz przesuwanych wzdłużnie tulei stożkowych (13) i (14), sprzęgniętych śrubami rzymskimi (16). Do śrub rzymskich (16) przyłączone są wychylne obciążniki (20) oparte na sprężynach o napięciu regulowanym wkręcanymi korkami.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest ślizgowe łożysko środkowe o zmniejszonych oporach rozruchowych, przeznaczone do łożyskowania wałów maszynowych, które muszą mieć wyjście na obie strony łożyska przy wymaganiach możliwie małych oporów podczas rozruchu. Wymagania te są szczególnie trudne do spełnienia w przypadkach łożyskowania wałów o dużej lub bardzo dużej prędkości obrotowej. Nie można wówczas zastosować łożysk tocznych z uwagi na ich ograniczenia dotyczące maksymalnych prędkości obrotowych. Natomiast znane konstrukcje łożysk ślizgowych cechują się zwiększonymi oporami rozruchowymi oraz przyspieszonym niszczeniem, gdy prędkość obrotowa nie umożliwia uzyskania filmu smarnego o dostatecznej nośności. Ma to też często miejsce w czasie rozruchu i podczas wybiegu łożyska po wyłączeniu napędu, zwłaszcza gdy łożyska muszą przenosić stale znaczne obciążenia eksploatacyjne.

Znane rozwiązania we wspomnianych sytuacjach bazują na dołączaniu do łożyska ślizgowego o smarowaniu płynnym przy pełnej prędkości obrotowej dodatkowego łożyska hydrostatycznego zasilanego z osobnego źródła wysokiego ciśnienia oleju. Łożyska hydrostatyczne są wyłączone po zakończonym rozruchu lub pracują w sposób ciągły. Jest to rozwiązanie bardzo rozbudowane, ma obniżoną niezawodność eksploatacyjną oraz silnie pogorszoną efektywność energetyczną. Innym rozwiązaniem jest stosowanie środka smarnego o zwiększonej lepkości dla ułatwienia rozruchu. Sposób ten jest mało efektywny, gdyż w czasie pracy przy pełnej prędkości obrotowej zwiększona lepkość środka smarnego zwiększa opory jego przepływu w łożysku, co objawia się nadmiernym grzaniem wymagającym dodatkowych układów chłodzenia. Znane rozwiązania łożysk ślizgowych są przedstawione w bardzo licznych podręcznikach dotyczących Podstaw Konstrukcji Maszyn oraz w innych publikacjach książkowych, np.: Dietrich M.: PKM t.2, WNT Warszawa 1991, Lawrowski Z,: Łożyska ślizgowe, Wydawnictwo Pol. Wrocławskiej, Olszewski M.: Łożyska smarowane wodą. Eksploatacja Systemów Tribologicznych, t.2: Tarcie, zużycie smarowanie wybranych węzłów tribologicznych, Pol. Świętokrzyska 2013, Sikora J.; Studia nad metodyką badania wytrzymałości zmęczeniowej łożysk ślizgowych poprzecznych. Monografia, Zeszyty Naukowe Pol. Gdańskiej, nr. 534, 1996, Prace te nie przedstawiają skutecznego sposobu rozwiązania opisanego problemu.

Łożysko ślizgowe A o zmniejszonych oporach rozruchu według wynalazku w przykładzie wykonania ilustruje rysunek, na którym fig. 1 to całościowy przekrój wzdłużny łożyska pokazujący jego elementy składowe. Fig. 2 to przekrój poprzeczny w pł. A-A, a fig. 3 to widok w kierunku „K” na automatyczny układ przełączania obciążenia po zdjęciu zewnętrznej pokrywy łożyska.

Istotą wynalazku jest ślizgowe łożysko o zmniejszonych oporach rozruchowych charakteryzujące się tym, że posiada co najmniej jedno wspomagające łożysko toczne oparte na podporach, ustalonych w kadłubie, których położenie poprzeczne ustalane jest przez korki, cierne sprzęgło stożkowe złożone z tulei oraz przesuwanych wzdłużnie tulei stożkowych, sprzęgniętych śrubami rzymskimi. Do śrub rzymskich przyłączone są wychylne obciążniki oparte na sprężynach o napięciu regulowanym wkręcanymi korkami. Kadłub łożyska posiada wzdłużne użebrowanie. Łożysko posiada przeźroczysty wzierniki przeźroczystą osłonę i korzystnie trzy podpory.

W wynalazku zastosowano dla ochrony podstawowego łożyska ślizgowego wspomagającego układu łożysk tocznych przejmujący na siebie pełne obciążenie na okres rozruchu i wybiegu, przy czym przełączanie obciążenia realizowane jest przez specjalny układ sprzęgieł ciernych aktywowany układem śrub rzymskich z obciążnikami bezwładnościowymi ze sprężynami powolnymi. Układ ma możliwość regulacji i kontroli prędkości obrotowej przełączania obciążenia. Konstrukcja łożyska pozwala na wydatne zmniejszenie oporów rozruchu oraz zabezpiecza łożysko ślizgowe przez pracą przy niedostatecznej nośności filmu smarnego poprzez obciążenie łożyska na czas rozruchu i podczas wybiegu przez samoczynnie działający układ wspomagający, oparty na wykorzystaniu łożysk tocznych o małych oporach rozruchowych. Zastosowanie wspomagania rozruchu i wybiegu dodatkowym układem łożysk tocznych, które po uzyskaniu przez łożysko ślizgowe prędkości obrotowej gwarantującej wystąpienie w nim smarowania hydrodynamicznego zostają samoczynnie i całkowicie wyłączone z ruchu. Ponownie wchodzą one do pracy podczas wybiegu łożyska ślizgowego i pracują aż do zatrzymania. Gdy po rozruchu łożysko osiągnie założoną prędkość obrotową, siły odśrodkowe działające na uchylne obciążniki 20 powodują obrót śrub rzymskich 16, przez co rozłączone zostaje sprzęgło cierne złożone z przesuwnych tulei 13 i 14 oraz tulei dwustożkowej 8, na której posadowione są wspomagające łożyska toczne 7. Podczas wybiegu układ pracuje odwrotnie. Łożysko cechuje się szczególnie dużą trwałością eksploat acyjną, wydatnie zmniejszonymi oporami rozruchowymi oraz wysoką efektywnością energetyczną łożyskowania. Może być smarowane różnymi cieczami smarnymi o zdecydowanie zmniejszonej lepkości, co daje dodatkowe korzyści.

Wynalazek przedstawiono w przykładzie realizacji.

Na łożyskowany wał 1 nasadzona przez wtłaczanie lub skurczowo jest tuleja robocza 2 spełniająca funkcję czopa łożyska ślizgowego, który współpracuje z panwią 3 poprzez panewkę łożyskową 4. Panew 3 osadzona jest wahliwie krawędziowe na środniku 5a kadłuba łożyska 5. Wzdłużnie panew 3 ustalona jest pierścieniem Segera 6. Wspomagający rozruch i wybieg łożyska ślizgowego zapewnia w przykładzie układ dwóch łożysk tocznych 7 osadzony na tulei dwustożkowej 8, której wewnętrzna powierzchnia stanowi część składową suchego sprzęgła ciernego. Łożyska toczne 7 umieszczone są z wciskiem w tulei 9 i zabezpieczone pierścieniami Segera 10. Tuleja 9 wraz z układem łożysk tocznych opiera się na kilku podporach 11 równomiernie rozłożonych po obwodzie. W przykładzie wykonania zastosowano 3 podpory rozmieszczone co 120° (fig. 2). Podpory 11 ustalane są w kadłubie 5 wkręconymi korkami 12. Z tuleją 8 sprzęgła stożkowego w stanie spoczynku sprzęgnięte ciernie są dwie tuleje stożkowe 13 i 14 przesuwne wzdłużnie na wpustach 15. Tuleje stożkowe 13 i 14 połączone są ze sobą śrubami rzymskimi 16. Prawe końcówki śrub 16 mają gwinty lewostronne, co powoduje, że obrót śrubami 16 skutkuje rozsuwaniem się lub zbliżaniem do siebie synchronicznie tulei stożkowych 13 i 14. Dzięki czemu może być realizowane zasprzęglanie lub rozłączanie się sprzęgieł stożkowych. Śruby rzymskie 16 są wzdłużnie ustalane za pomocą nakrętki i przeciwnakrętki 17 opierającymi się o tarczę 18. Tarcza 18 osadzona jest sztywno na wale 1 przykładowo przy użyciu połączenia rozporowego 19.

Na końcach śrub rzymskich 16 mocowane są ząbkowym połączeniem śrubowo-stożkowym uchylne obciążniki 20. Obciążniki 20 oparte są na sprężynach naciskowych 21, a napięcie sprężyn 21 regulowane jest wkręcanymi korkami 22. Krańcowe wychylenie obciążników uchylnych regulowane jest wkrętami 23 (fig. 3). W razie potrzeby obciążniki uchylne mogą być wyposażone w dodatkowe przykręcane elementy masowe 24. Sprężyny 21 są środkowane przez kołki 25. Strefa łożyska ślizgowego jest zamknięta pokrywą 26 i uszczelniaczami obrotowymi 27 i 28. Przeźroczysty wziernik 29 umożliwia wzrokową kontrolę prawidłowości działania łożysk tocznych i układu przełączającego obciążenia. Wlew środka smarnego odbywa się poprzez korek 30 zintegrowany z odpowietrznikiem. Kadłub 5 łożyska posiada wzdłużne użebrowanie 31 wspomagające układ chłodzenia łożyska ślizgowego. Służą też one usztywnieniu kadłuba 5 i jego wytrzymałościowemu wzmocnieniu. Osłona 32 wykonana z przeźroczystego metaplexu umożliwia obserwację pracy układu przełączającego obciążenie łożyska po oświetleniu jej lampą stroboskopową.

Przed pierwszym uruchomieniem łożyska według wynalazku należy wykonać staranną regulację położenia osi wału względem osi panewki łożyskowej. W tym celu na postoju, gdy napięcie sprężyn 21 wywołuje sprzężenie cierne tulei 13 i 14 z dwustożkową tuleją 8, należy tak pokręcić korkami 12, aby oś wału 1 zajęła możliwie dokładnie pozycję współśrodkową z osią panewki łożyskowej 4. Wówczas panewka 4 łożyska ślizgowego A będzie całkowicie odciążona, a obciążenie przejmie układ wspomagających łożysk tocznych. Oznaką prawidłowości regulacji jest obracanie się wału 1 wokół osi z niewielkim oporem jedynie toczenia łożysk tocznych. Operację regulowania wykonuje się jedynie raz i korzystnie jest ją przeprowadzić przed zalaniem łożyska ślizgowego środkiem smarnym. Po wykonanej regulacji należy łożysko ślizgowe napełnić odpowiednim środkiem smarnym do poziomu panewki łożyskowej 4 z zapasem zapewniającym jej ciągle smarowanie zanurzeniowe.

Praca łożyska ślizgowego wyposażonego w opisany układ odciążający rozruch i wybieg przebiega w następujący sposób. Przy rozruchu łożyska pełne jego obciążenie przenoszone jest jedynie przez wspomagający układ łożysk tocznych, zaś strona łożyska ślizgowego jest całkowicie odciążona. Gdy prędkość obrotowa wału osiągnie dostateczną wielkość gwarantującą wystąpienie smarowania hydrodynamicznego w łożysku ślizgowym, następuje rozsprzęglanie przesuwnych tulei stożkowych 13 i 14 z tuleją 8 wskutek działania siły odśrodkowej na uchylne obciążniki 20. Wskutek wychylania się obciążników następuje pokręcanie śrubami rzymskimi 16 w kierunku pokazanym strzałką na fig. 3. Powoduje to rozsunięcie synchroniczne tulei 13 i 14 wzajemnie od siebie. Wówczas obciążenie łożyska płynnie jest przekazywane na łożysko ślizgowe, a rozsprzęglony zespół wspomagających łożysk tocznych całkowicie się zatrzymuje. Dalsza praca łożyska przebiega wyłącznie z udziałem łożyska ślizgowego. Przez krótki czas przełączania obciążenia pracują razem oba rodzaje łożysk z płynnie zmieniającą się proporcją rozdziału obciążenia, aż do całkowitego odłączenia łożysk tocznych.

Taki przebieg rozruchu powoduje, że odbywa się on płynnie z wydatnie zmniejszonymi oporami rozruchowymi oraz wyeliminowana jest możliwość pracy łożyska ślizgowego przy niedostatecznej nośności filmu smarnego. Zabezpiecza to łożysko ślizgowe przed wystąpieniem nadmiernego zużycia w warunkach tarcia półsuchego lub mieszanego, które często prowadzi do wystąpienia objawów zacierania. Znacznie zmniejszone opory ruchu skutkują skróceniem czasu rozruchu i pozwalają na rezygnację ze stosowanego nadmiaru mocy silników napędowych ze względu na rozruch. Dzięki temu używane do napędu silniki mogą mieć mniejszą moc, a więc są lżejsze i tańsze. Ma to dodatkowo szczególne znaczenie przy powszechnie stosowanych napędach silnikami elektrycznymi typu indukcyjnego, gdyż nie występuje wtedy niepożądane pogorszenie współczynnika mocy sieci zasilającej cosφ.

Gdy układ według wynalazku wchodzi w fazę wybiegu po wyłączeniu napędu, automatyczny zespół przełączania obciążenia łożyska działa w kierunku przeciwnym. Gdy prędkość obrotowa spadnie poniżej określonej wartości, maleją siły odśrodkowe działające na obciążniki wychylne, następuje obrót śrub rzymskich w kierunku zasprzęglenia sprzęgła ciernego. Obciążenie stopniowo przejmowane jest przez wspomagające łożyska toczne, a sukcesywnie odciążane jest łożysko ślizgowe. Końcowa faza wybiegu, aż do zatrzymania, następuje wyłącznie pod działaniem łożysk tocznych. Łożysko ślizgowe zabezpieczone jest w ten sposób przed bardzo niepożądaną pracą w warunkach braku nośności filmu smarnego. Przy wybiegu ma to szczególne znaczenie, gdyż podwyższona temperatura łożyska ustalona w nominalnych warunkach pracy, powoduje znaczne zmniejszenie lepkości środka smarnego, który już przy niewielkim spadku prędkości poślizgu w łożysku ślizgowym traci zdolność skutecznego smarowania płynnego. Łożysko zatrzymane po wybiegu jest w pełni gotowe do podjęcia rozruchu, nawet niezwłocznego. Wielkość prędkości obrotowej, przy której następują opisane przełączania obciążenia, ustalona jest przez dobór napięcia wstępnego sprężyny 25 regulowanego przez pokręcenie korkami 23. W przypadku potrzeby bardziej zasadniczej zmiany prędkości przełączania obciążenia, należy odpowiednio zmienić sprężyny 25 na inne o wymaganej charakterystyce. Dodatkowe możliwości zmian można uzyskać przez dobór masy dodatkowych obciążników masowych 24. Moment czasowy, w którym następuje przełączanie obciążenia może być kontrolowany wzrokowo przez wziernik 29. Dodatkowo chwila przełączania daje dogodny sygnał akustyczny w postaci wyraźnej zmiany natężenia i rodzaju hałasu. Praca samego łożyska ślizgowego odbywa się przy zdecydowanie niższej hałaśliwości.

Łożysko ślizgowe A z tocznym wspomaganiem rozruchu i wybiegu cechuje się zdecydowanie zwiększoną trwałością eksploatacyjną. Wynika to stąd, że łożysko ślizgowe pracuje pod obciążeniem tylko i wyłącznie wtedy, gdy zapewnione są pełne warunki smarowania płynnego, a więc praktycznie bezzużyciowo, natomiast łożyska toczne pracują jedynie krótkimi interwałami czasu podczas rozruchu i wybiegu, a przez pozostały czas pozostają w spoczynku. Charakter pracy łożysk tocznych powoduje, że mogą one pracować nawet bez smarowania, co dodatkowo zmniejsza opory ruchu. Pełne odciążenie łożyska ślizgowego od obciążenia w czasie rozruchu i wybiegu umożliwia zastosowanie do smarowania środka smarnego o zdecydowanie niższej lepkości, gdyż nie musi on spełniać funkcji smarowych przy rozruchu i wybiegu. Mniejsza lepkość środka smarnego to zmniejszone straty w wyniku ruchu środka w łożysku, a więc obniżona temperatura pracy ustalonej. Dzięki temu całkowicie wystarczające jest naturalne oddawanie ciepła generowanego w łożysku przez konwekcję i promieniowanie powierzchni zewnętrznych kadłuba. Chłodzenie wspomagają żebra 31. Stwarza to możliwości zastosowania do smarowania środków innych niż typowe oleje. Możliwe staje się użycie emulsji wodno-olejowej lub czystej wody, co daje dodatkowe korzyści. Dzięki zastosowaniu tulei 2 nasadzonej na łożyskowany wał zwiększa się nośność łożyska, gdyż rośnie powierzchnia nośna i wzrasta prędkość poślizgu po panewce łożyskowej. Dodatkowo sprzyja to zastosowaniu alternatywnych środków smarnych o zdecydowanie niższej lepkości.

Opisane wielorakie zalety łożysk według wynalazku, w tym głównie zmniejszone opory rozruchowe, bardzo duża trwałość eksploatacyjna oraz wysoka efektywność energetyczna umożliwiają uzyskanie wielu efektów technicznych i ekonomicznych. Zwiększają też poziom bezpieczeństwa użytkowania łożyskowali różnych maszyn.

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Ślizgowe łożysko o zmniejszonych oporach rozruchowych, znamienne tym, że posiada co najmniej jedno wspomagające łożysko toczne (7) oparte na podporach (11), ustalonych w kadłubie (5), których położenie poprzeczne ustalane jest przez korki (12), cierne sprzęgło

   PL 247956 Β1 stożkowe złożone z tulei (8) oraz przesuwanych wzdłużnie tulei stożkowych (13) i (14), sprzęgniętych śrubami rzymskimi (16).
2. 2. Ślizgowe łożysko według zastrzeżenia 1, znamienne tym, że do śrub rzymskich (16) przyłączone są wychylne obciążniki (20) oparte na sprężynach (25) o napięciu regulowanym wkręcanymi korkami (22).
3. 3. Ślizgowe łożysko według zastrzeżenia 1, znamienne tym, że kadłub (5) łożyska posiada wzdłużne użebrowanie (31).
4. 4. Ślizgowe łożysko według zastrzeżeń 1, znamienne tym, że posiada przeźroczysty wziernik (29) i przeźroczystą osłonę (32).
5. 5. Ślizgowe łożysko według zastrzeżeń 1, znamienne tym, że posiada korzystnie trzy podpory (11).