PL329527A1

PL329527A1 - Assembly of a segmented bearing with grooves

Info

Publication number: PL329527A1
Application number: PL97329527A
Authority: PL
Inventors: Roy Lee Orndorff Jr
Original assignee: Duramax
Priority date: 1996-04-18
Filing date: 1997-04-18
Publication date: 1999-03-29
Also published as: NZ332152A; CN1216509A; US20010017952A1; US6921206B2; TR199802073T2; US7490992B2; EP0894067B1; US20080063327A1; AU3114397A; NO984673L; EP0894067A1; CN1086987C; DE69714716D1; CA2252233C; JP2002504208A; DE69714716T2; AU733160B2; CA2252233A1; BR9708727A; US20030198412A1

Description

SGS-714/ZW

329527

PCT/US97/06441

Zespół łożyska segmentowego z rowkami Tło wynalazku

Niniejszy wynalazek dotyczy zespołu łożyska, a w szczególności nowego i nowatorskiego zespołu łożyska do stosowania jako podpory smarowanego wodą wału śruby, tak jak w dużych jednostkach pływających. Zespoły łożyskowe z elementami łożyskowymi z elastomeru nadają się w szczególności do tego celu z uwagi na ich doskonałą zdolność opierania się oddziaływaniu cieczy powodujących korozję oraz ścieranie pod wpływem cząstek ciał obcych znajdujących się w zawiesinie w wodzie morskiej, w której pracuje wał wraz z zespołem łożyska. Tego rodzaju zespoły łożyskowe wraz ze swymi elementami z elastomeru były i są nadal wykonywane, z zewnętrzną nie korodującą podporą lub osłoną, mające szereg rozmieszczonych równomiernie na obwodzie segmentów z elastomeru wewnątrz tej osłony.

Streszczenie wynalazku

Niniejszy wynalazek jest ukierunkowany na nowatorski zespół łożyskowy, wykorzystujący zewnętrzną osłonę i szereg rozmieszczonych na obwodzie elementów łożyskowych stykających się z wałem, przy czym elementy łożyskowe mają poprzeczne rowki lub wykonany na nich wzór hydrodynamiczny, dla zmniej - 2 szenia dzięki temu momentu tarcia w łożysku, poprawiając tym samym osiągi łożyska.

Krótki opis rysunków

Fig. 1 przedstawia zespół łożyska według wynalazku, w przekroju poprzecznym; fig. 2 przedstawia segment łożyskowy według wynalazku, w rzucie aksonometrycznym jednowymiarowym; fig. 3a - 3b przedstawiają alternatywne postacie z materiału łożyskowego do zastosowania w zespole łożyska według wynalazku, również w rzucie aksonometrycznym jednowymiarowym; fig. 4 przedstawia drugą postać zespołu łożyska według niniejszego wynalazku w przekroju poprzecznym.

Szczegółowy opis wynalazku

Nawiązując obecnie do fig. 1, na której zespół łożyska 210 według niniejszego wynalazku obejmuje obudowę 215. mającą trzy segmenty 240. rozmieszczone wokół wewnętrznej, promieniowej części tej obudowy. Każdy segment 240 utrzymuje na miejscu para elementów 260 z elastomeru. Sztywna płyta lub pręt 264 jest umieszczona na wierzchu każdego elementu 260 z elastomeru. Wkręt lub śruba 266 przechodzi przez trzpień przelotowy (nie pokazany) w każdym pręcie 264 i poprzez element 260 z elastomeru, a następnie jest wkręcona w gwintowany otwór 267 w obudowie 215. Dokręcanie wkrętu 266 powoduje dociąganie sztywnej płyty 264 w kierunku do obudowy 215. tym samym ściskając i odkształcając każdy element 260 z elastomeru, tak aby spowodować jego rozszerzanie się na boki i wywarcie nacisku na każdy segment 240. utrzymując go na miejscu.

Każdy segment 240 ma rowkowaną powierzchnię łożyskową 241. zasadniczo płaską tylną stronę 282 i jest podtrzymywany przez jedną lub większą liczbę podkładek lub wkładek, 284. 286. Korzystnie, tylna strona 282 każdego segmentu 240 styka 3 się z górną podkładką 284 z twardego materiału (takiego jak metal, materiał kompozytowy lub inne twarde tworzywo sztuczne) , która opiera się na dolnej wkładce 286 z materiału sprężystego lub ściśliwego (takiego jak miękkie tworzywo sztuczne, guma lub inny elastomer). Segmenty łożyskowe o płaskiej powierzchni tylnej są bardziej ekonomiczne w produkcji w porównaniu z segmentami o zaokrąglonej powierzchni tylnej. Dolny segment 240 podpiera wał napędowy 223. a dwa górne segmenty 240 współpracują stycznie z tym wałem napędowym 223. współdziałając z dolnym segmentem 240. tak aby zapobiec wyginaniu się wału 223 na zewnątrz.

Obudowa 215 jest korzystnie wykonana jako konstrukcja metalowa jak np. z mosiądzu lub jako osłona z tworzywa sztucznego albo z kompozytu niemetalicznego. Obudowę 215 najkorzystniej wykonuje się z epoksydu wzmocnionego włóknem szklanym, o zawartości szkła rzędu 70% wag.

Segmenty 240 są korzystnie wykonane z kompozytu elasto-meryczno/tworzywowego, takiego jak opisany we wspólnie posiadanym patencie Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 3993371, bądź z jednorodnego śliskiego stopu polimeru (SPA) , takiego jak u-jawniony w patentach Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 4725151 i 4735982, przy czym wszystkie te patenty podano tu w celu porównawczym. SPA jest kompozycją termoplastu i termoutwardzalnej mieszanki gumowej, wraz z niewielkim dodatkiem smaru. SPA jest kompozycją niejednorodną, w której termoplast występuje w postaci fazy ciągłej, zaś materiał termoutwardzalny jest w niej rozproszony w postaci fazy nieciągłej. Innymi słowy, tworzy się termoplastyczna matryca, w której rozproszony jest składnik termoutwardzalny i smar, w przeciwieństwie do zwykłej mieszaniny.

Składnik termoplastyczny może być dowolnym polimerem, 4 który ma odpowiednią wytrzymałość mechaniczną, niski współczynnik tarcia i dobrą odporność na ścieranie. Szczególną grupę tego rodzaju polimerów stanowią różnorodne polietyleny o ultrawysokiej masie cząsteczkowej (UHMWPE), które znane są w technice jak również i z literatury. Polietyleny o ultrawysokie j masie cząsteczkowej są na ogół klasyfikowane jako te, których wagowo średnia masa cząsteczkowa jest większa niż 2,5 miliona, np. od około 3,0 milionów do około 7,0 milionów przy oznaczaniu metodą lepkości roztworu. Pożądany zakres wynosi od około 4 milionów do około 6,5 miliona, z korzystnym zakresem od około 5 milionów do około 6 milionów. Takie polietyleny są dostępne w handlu z Hoechst Celanese Corporation pod nazwą GUR 413.

Polietylen o ultrawysokiej masie cząsteczkowej, jak również inne polimery ogólnie nadające się do zastosowania w niniejszym wynalazku, mają typowo niskie właściwości cierne, takie jak współczynnik graniczny tarcia statycznego przy 0 obr/min równy 0,25 lub mniej, dogodnie 0,20 lub mniej, a korzystnie 0,15 lub mniej. Pożądany materiał termoplastyczny według wynalazku ma również odporność na obciążenia dynamiczne mierzoną w próbie udarności z karbem Izoda (ASTM D256) równą 20 lub większą, a korzystnie równą 30 lub większą. Natomiast próbki bez karbu nie ulegają zniszczeniu. Materiał termoplastyczny według niniejszego wynalazku ma również dobrą odporność na ścieranie, mierzoną w próbie ścierania w zawiesinie piasku. Próba ścierania zawiesiną piasku jest próbą Hoechst Celanese Corporation, w której zwykle badana próbka (1" x 3" x 1/4") obraca się z prędkością 1200 obr/min przez 24 godziny w zawiesinie zawierającej 2 części piasku i 3 części wody.

Stosuje się efektywną ilość polietylenu o ultrawysokiej 5 masie cząsteczkowej, tak że tworzy on ciągłą fazę w SPA. Zwykle ilość składnika termoplastycznego jest wystarczająca aby pokryć termoutwardzalny składnik gumowy, który zwykle występuje w postaci cząstek, a korzystniej w ilości przekraczającej ilość wymaganą do pokrycia cząstek gumy. W przeliczeniu na całkowitą masę SPA, często stosowana ilość materiału termoplastycznego wynosi od około 25% wag. do około 90% wag. , dogodnie od około 40% wag. do około 75% wag., a korzystnie od około 55% wag. do około 65% wag.

Składnik termoutwardzalny jest utwardzoną mieszanką gumową, która zwykle ma niski współczynnik tarcia, jak również dobrą odporność na działanie oleju i wody. Przez „niski współczynnik tarcia" rozumie się, że w łożyskach gumowych o żądanym zakresie grubości, smarowanych wodą, uzyskuje się smarowanie hydrodynamiczne przy normalnych prędkościach roboczych czopa (wału). Cienkie łożyska gumowe generują tarcie hydrodynamiczne przy niższych prędkościach wału niż jakikolwiek inny znany materiał łożyskowy dzięki zjawisku plasto-elastohydrodynamicznemu. Smarowanie hydrodynamiczne jest zjawiskiem powstawania warstewki cieczy pomiędzy łożyskiem a obracającym się wałem. Przez określenie „odporny na działanie oleju i wody" rozumie się, że substancje te nie działają na elastomer (nie rozpuszczają ani też nie zmiękczają go) , a przyrost objętości spowodowany moczeniem w wodzie jest poniżej 5%, a korzystnie zwykle poniżej 3%.

Zwykle możliwe jest zastosowanie dowolnej mieszanki gumowej mającej takie właściwości w zakresie tarcia i wodood-porności. Szczególną grupą tego rodzaju mieszanek są różnorodne mieszanki kauczuku nitrylowego, znane w technice oraz z literatury. Przykładowo, można zastosować różnorodne mieszanki kauczuku nitrylowego Hycar, produkowane przez BFGoodrich 6

Company. Zwykle preferuje się różnorodne twardsze mieszanki kauczuku nitrylowego. Szczególnym przypadkiem takiej gumy jest mieszanka H-201 (twardość 85 ± 5 Shore'a A), produkowana przez BFGoodrich Company. Innym przykładem jest bardziej miękka mieszanka kauczuku nitrylowego, taka jak mieszanka H-203, również produkowana przez BFGoodrich Company, która ma twardość Shore'a A równą około 65±5. Inne kauczuki obejmują kauczuk butylowy, EPDM, czyli kauczuk wytwarzany z monomerów etylenu-propylenu-dienu oraz fluoroelastomery na bazie kopolimerów fluorku winylidenu i heksafluoropropylenu, o którym sądzi się że ma następującą powtarzalną strukturę -CF -CH -CF -CF(CF)-. Kopolimery takie są sprzedawane pod nazwą handlową „Viton" przez DuPont. Choć te inne mieszanki gumowe mogą być stosowane, to stosowanie kauczuków nitrylowych jest wysoce preferowane.

Ważnym aspektem niniejszego wynalazku jest to, że mieszanki gumowe mogą być wstępnie mieszane na sucho ze składnikiem termoplastycznym przed utworzeniem stopu.

Odpowiednio, mieszanka gumowa jest utwardzana i w celu zmieszania obydwu składników zostaje zmielona do odpowiedniej ziarnistości. Można zastosować znane sposoby mielenia, takie jak mielenie mechaniczne lub kriogeniczne. Wielkość cząstek utwardzonej gumy jest na ogół ważna. Wielkość cząstek mierzy się zwykle jako wielkość cząstek mniejszych od tych, które mogą przejść przez sito Tylera o określonym numerze. Utwardzone mieszanki gumowe mają zwykle cząstki o wielkości mniejszej niż nr 35, korzystnie mniejsze niż nr 65, a korzystnie mniejsze niż nr 100. Ilość utwardzonego kauczuku w SPA wynosi zwykle od około 10% do około 70% wag., pożądanie od około 12% do około 40% wag., a korzystnie od około 15% do około 30% wag. w przeliczeniu na całkowitą masę SPA. 7 Środek smarujący dodaje się zwykle w postaci stałej, a więc nie jest on cieczą. W celu zapewnienia jego dobrego rozproszenia, środek smarujący ma zwykle postać proszku. Przez określenie proszek rozumie się, że większość, a co najmniej 70%, 80% lub 90%, a korzystniej co najmniej 95% cząstek proszku jest mniejszych niż nr 100 sita Tylera, tzn. 150 μιη. Korzystnie, większość proszku, zwykle 80%, 90% lub nawet 95% jest mniejsza niż nr 200, tzn. 75 μπι. Korzystnie, większość proszku grafitowego, tzn. 70%, 80% lub 90% jest mniejsza niż nr 325, tzn. 44 μιη. Można stosować dowolny środek smarujący znany w technice jak również w literaturze, który nadaje właściwości smarne SPA. Przez właściwości smarne rozumie się, że współczynnik tarcia powierzchni uformowanego SPA zostaje zmniejszony np. o co najmniej 10%, a bardziej pożądanie o co najmniej 20% lub 30% z chwilą gdy zaczyna się ścieranie. Środek smarny nie powinien także wykazywać działania ściernego. Grafit stanowi korzystny środek smarny. Przykładem konkretnego grafitu jest grafit gatunku 117-A, wytwarzany przez Asbury Graphite Mills, Inc. Innym konkretnym środkiem smarującym jest dwusiarczek molibdenu. Mimo iż nie jest na ogół preferowany, dwusiarczek molibdenu jest pożądany w zastosowaniach suchych, tam gdzie wilgoć jest niedostępna, nawet w postaci pary wodnej. Oleje silikonowe mogą także być używane w ilości od około 2% do około 10% wag., a pożądanie od około 3% do o-koło 6% wag., w przeliczeniu na całkowitą masę SPA. Przykłady konkretnych olejów silikonowych obejmują 200 Fluid, wytwarzany przez Dow Corning.

Ilość środka smarującego wynosi zwykle od 0,5 lub 3% wag. do około 25% wag., pożądanie od około 1,0% do około 20% wag., a korzystnie od około 2% do około 10% wag. w przeliczeniu na całkowitą masę SPA. 8 W tym celu stwierdzono, że pewne czynniki materiałowe są ważne w odniesieniu do segmentów 240. Po pierwsze, korzystne są materiały hydrofobowe. Po drugie, twardość elastomeru powinna wynosić około 70 Shore'a A. Po trzecie, stosunek średnicy czopa wału do górnej szerokości segmentu powinien wynosić około 4 do 7. Po czwarte, grubość elastomeru winna być równa 0,125 cala do około 0,312 cala. Po piąte, chropowatość powierzchni segmentu powinna być poniżej 10 mikrocali. Po szóste, twardszy stop polimeru jako materiał powierzchni styku łożyska, taki jak materiał SPA opisany wyżej, zapewnia korzystne właściwości z punktu widzenia zużycia i tarcia.

Elementy 260 z elastomeru korzystnie składają się z mieszanki kauczuku naturalnego lub nitrylowego i mają korzystnie szerokość 0,75 do 1,5 cala przed ściśnięciem. Sztywne płyty 264 są korzystnie wykonane z metalu, takiego jak stal nierdzewna bądź z twardego tworzywa sztucznego, takiego jak e-poksyd wzmocniony włóknem szklanym. Ściskane elementy 260 z elastomeru rozszerzają się, zaciskając boki segmentów 240. E-lementy te odkształcają się także wokół końców segmentów w celu zapewnienia funkcji blokowania osiowego.

Dolne wkładki 286 zapewniają zdolność osiowania. Górna podkładka 284 jest wykorzystywana do regulacji luzu roboczego pomiędzy otworem łożyska a wałem 223 w celu wyeliminowania ścierania powierzchni segmentu o kluczowym znaczeniu i w celu uproszczenia renowacji łożyska i procesu wymiany. Każdy segment w łożysku typu segmentowego działa jako indywidualna i niezależna powierzchnia łożyskowa. Zdolność uginania łożyska 210 powoduje, że tworzy się łożysko o luzie zerowym lub inaczej bezluzowe (ZCB). Łożyska typu ZCB są bardziej stabilne ponieważ, między innymi, nieobciążony segment może być naciskany przez obracający się wał 223 w miarę jak rośnie nacisk 9 wskutek unoszenia wywołanego oddziaływaniem hydrodynamicznym na segmenty przenoszące obciążenie. Oprócz tego, ścieranie segmentu w zanieczyszczonej wodzie w łożysku ZCB zmniejszy się znacznie, ponieważ proces odrzucania cząstek przez strumień płynący w przeciwnym kierunku jest najbardziej efektywny wtedy, gdy wał (czop łożyskowy) styka się ze wszystkimi segmentami łożyskowymi (nie występuje wolna przestrzeń bez obciążenia) . W łożysku ZCB występuje luz zerowy pomiędzy wszystkimi segmentami a wałem. W znanym łożysku segmentowym zaprojektowanym z luzem początkowym, segmenty boczne lub górne są nieobciążone, a wał nie styka się z nimi. Efektywność odrzucania cząstek przez strumień płynący w przeciwnym kierunku ulega zmniejszeniu wskutek występowania luzu, powodując tym samym zużywanie segmentów bocznych lub górnych. Cząstki stałe przechodzą przez przestrzeń powstałą w wyniku luzu zamiast zostać odrzucone i wypływać dzięki temu przez rowki wodne.

Trzy segmenty są korzystnie rozmieszczone pod kątem 120° względem siebie (kąt A), przy czym dwa górne segmenty są usytuowane w przybliżeniu pod kątem 30° (kąt B) ponad poziomą linią 280. zaś dolny segment usytuowany jest w przybliżeniu pod kątem 90° poniżej poziomej linii 280.

Nawiążemy teraz do fig. 2, na której przedstawiono segment łożyskowy 240 do łożyska 210. pokazanego na fig. 1. Segmenty łożyskowe 240 mają szereg poprzecznych rowków 290 wykonanych rozmieszczonych na całej długości segmentu, tworząc tym samym szereg powierzchni styku lub grzbietów 241. wystających w kierunku osi. Rowki mogą być albo uformowane albo wykonane w materiale przez obróbkę skrawaniem, przy czym obróbka stanowi korzystne rozwiązanie. Konkretne wymiary dla segmentów będą różne w zależności od zastosowań. Dla segmentu 10 o grubości rzędu 0,75 cala, rowki 290 mają korzystnie głębokość rzędu 0,25 cala i szerokość rzędu 0,33 cala, zaś odstęp pomiędzy rowkami jest rzędu 1 cala. Wytworzenie rowków na drodze obróbki skrawaniem w segmentach łożyskowych zwiększa ciśnienie styku pomiędzy rowkami. Wymiary segmentów i wymiary rowków muszą być dobrane w taki sposób, aby przyłożone obciążenie było dostatecznie duże dla uzyskania małego tarcia i zużycia, lecz współczynnik spęczania dla segmentów musi być również na tyle mały, aby segmenty mogły dopasować się i u-tworzyć kieszeń smarową.

Nawiążemy teraz do fig. 3a - 3b, na których przedstawiono alternatywne postacie segmentów łożyskowych 240. Materiał łożyskowy formuje się w postaci dużych, elastycznych bloków. Materiał jest formowany i kształtowany przy użyciu płyty lub szorstkiej tkaniny z wieloma wypukłościami powierzchni lub punktami styku 414. 424. gdzie każda z tych wypukłości może stać się samodzielną powierzchnią łożyska hydrodynamicznego, gdy będzie smarowana cieczą. Materiał formuje się i kształtuje przy użyciu szorstkiej tkaniny (fig. 3a) lub płyty z wieloma wypukłościami. Uformowane segmenty łożyskowe wykonane są z kompozytu elastomeryczno/tworzywowego, takiej jak opisany we wspólnym patencie Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 3993371 lub korzystniej z jednorodnego śliskiego stopu polimeru (SPA), takiego jak ujawniony w patentach Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 4725151 i 4735982, przy czym wszystkie te patenty podano tu w celu porównawczym. Grubość warstwy materiału łożyskowego SPA jest korzystnie rzędu 0,125 cala. W procesie u-twardzania bloku warstwę tą przykleja się następnie do podłoża w postaci arkusza z kauczuku nitrylowego. Gumowe podłoże czyni blok bardziej elastycznym, a po schropowaceniu łatwo jest związać je z metalową lub kompozytową obudową łożyska, 11 stosując żywice epoksydowe utwardzane w temperaturze pokojowej lub klej bezciśnieniowy. Gumowe podłoże daje się szybko i łatwo piaskować lub szlifować maszynowo w celu nadania właściwej grubości całkowitej bloku dla konkretnej wielkości łożyska. Warstwa kleju dodaje w przybliżeniu 0,001 cala do całkowitej grubości ścianki łożyska. W efekcie nie zachodzi konieczność szlifowania lub obróbki powierzchni łożyska. Szlifowanie powierzchni łożyska zwiększa tarcie i zużycie. Pełna grubość segmentu wynosi korzystnie 0,625 cala do 1,1 cala.

Należy zauważyć, że segmenty łożyskowe na fig. 3a - 3b mogą być wykonane w całości ze wspomnianego wyżej materiału SPA. Oznacza to, że segmenty 240 mogą nie mieć dolnej warstwy 410 a przez to mogą składać się tylko z pojedynczej warstwy, wykonanej z materiału dla warstwy 412.

Nawiązując teraz do fig. 3a, możliwe jest wytwarzanie alternatywnego materiału segmentu 240 poprzez wykonanie w formie dolnej warstwy 410 elastomeru z określonym wzorem. Korzystnym elastomerem jest elastomer o numerze katalogowym H-201, dostępny w firmie B.F.Goodrich Company. Następnie na elastomer nakłada się górną warstwę 412 śliskiego stopu polimeru (SPA) . Termoplast i termoutwardzalna mieszanka gumy wraz z niewielkim dodatkiem środka smarującego tworzy SPA. SPA jest kompozycją niejednorodną, w której termoplast istnieje w postaci fazy ciągłej, zaś składnik termoutwardzalny istnieje w postaci fazy nieciągłej. Innymi słowy, tworzy się matryca termoplastyczna, w której rozproszony jest składnik termoutwardzalny i smar, w przeciwieństwie do zwykłej mieszaniny.

Składnik termoplastyczny może być dowolnym polimerem, który ma odpowiednią wytrzymałość mechaniczną, niski współczynnik tarcia i dobrą odporność na ścieranie. Szczególną grupę tego rodzaju polimerów stanowią różnorodne polietyleny 12 o ultrawysokiej masie cząsteczkowej (UHMWPE), które znane są w technice jak również i z literatury. Polietyleny o ultrawysokie j masie cząsteczkowej są na ogół klasyfikowane jako te, których wagowo średnia masa cząsteczkowa jest większa niż 2,5 miliona, np. od około 3,0 milionów do około 7,0 milionów przy oznaczaniu metodą lepkości roztworu. Pożądany zakres wynosi od około 4 milionów do około 6,5 miliona, z korzystnym zakresem od około 5 milionów do około 6 milionów. Takie polietyleny są dostępne w handlu z Hoechst Celanese Corporation pod nazwą GUR 413.

Polietylen o ultrawysokiej masie cząsteczkowej, jak również inne polimery ogólnie nadające się do zastosowania w niniejszym wynalazku, mają typowo niskie właściwości cierne, takie jak współczynnik graniczny tarcia statycznego przy szybkości wału 0 obr/min równy 0,25 lub mniej, dogodnie 0,20 lub mniej, a korzystnie 0,15 lub mniej. Pożądany materiał termoplastyczny według wynalazku ma również odporność na obciążenia dynamiczne mierzoną w próbie udarności z karbem Izo-da (ASTM D256) równą 20 lub większą, a korzystnie równą 30 lub większą. Natomiast próbki bez karbu nie ulegają zniszczeniu. Materiał termoplastyczny według niniejszego wynalazku ma również dobrą odporność na ścieranie, mierzoną w próbie ścierania w zawiesinie piasku. Próba ścierania zawiesiną piasku jest próbą Hoechst Celanese Corporation, w której zwykle badana próbka (1" x 3" x 1/4") obraca się z prędkością 1200 obr/min przez 24 godziny w zawiesinie zawierającej 2 części piasku i 3 części wody.

Stosuje się efektywną ilość polietylenu o ultrawysokiej masie cząsteczkowej, tak że tworzy on ciągłą fazę w SPA. Zwykle ilość składnika termoplastycznego jest wystarczająca aby pokryć termoutwardzalny składnik gumowy, który zwykle wystę- 13 puje w postaci cząstek, a korzystniej w ilości przekraczającej ilość wymaganą do pokrycia cząstek gumy. W przeliczeniu na całkowitą masę SPA, często stosowana ilość materiału termoplastycznego wynosi od około 25% wag. do około 90% wag. , dogodnie od około 40% wag. do około 75% wag., a korzystnie od około 55% wag. do około 65% wag.

Zwykle możliwe jest zastosowanie dowolnej mieszanki gumowej mającej takie właściwości w zakresie tarcia i wodood-porności. Szczególną grupą tego rodzaju mieszanek są różnorodne mieszanki kauczuku nitrylowego, znane w technice oraz z literatury. Przykładowo, można zastosować różnorodne mieszanki kauczuku nitrylowego Hycar, produkowane przez BFGoodrich Company. Zwykle preferuje się różnorodne twardsze mieszanki kauczuku nitrylowego. Szczególnym przypadkiem takiej gumy jest mieszanka H-201 (twardość 85 ± 5 Shore'a A), produkowana 14 przez BFGoodrich Company. Innym przykładem jest bardziej miękka mieszanka kauczuku nitrylowego, taka jak mieszanka H-203, również produkowana przez BFGoodrich Company, która ma twardość Shore'a A równą około 65±5. Inne kauczuki obejmują kauczuk butylowy, EPDM, czyli kauczuk wytwarzany z monomerów etylenu-propylenu-dienu oraz fluoroelastomery na bazie kopolimerów fluorku winylidenu i heksafluoropropylenu, o którym sądzi się że ma następującą powtarzalną strukturę -CF -CH -CF -CF(CF)-. Kopolimery takie są sprzedawane pod nazwą handlową „Viton" przez DuPont. Choó te inne mieszanki gumowe mogą być stosowane, to stosowanie kauczuków nitrylowych jest wysoce preferowane.

Ważnym aspektem niniejszego wynalazku jest to, że utwardzone mieszanki gumowe mogą być wstępnie mieszane na sucho ze składnikiem termoplastycznym przed utworzeniem stopu.

Odpowiednio, mieszanka gumowa jest utwardzona i w celu zmieszania obydwu składników zostaje zmielona do odpowiedniej ziarnistości. Można zastosować znane sposoby mielenia, takie jak mielenie mechaniczne lub kriogeniczne. Wielkość cząstek utwardzonej gumy jest na ogół ważna. Wielkość cząstek mierzy się zwykle jako wielkość cząstek mniejszych od tych, które mogą przejść przez sito Tylera o określonym numerze. Utwardzone mieszanki gumowe mają zwykle cząstki o wielkości mniejszej niż nr 35, korzystnie mniejsze niż nr 65, a korzystnie mniejsze niż nr 100. Ilość utwardzonego kauczuku w SPA wynosi zwykle od około 10% do około 70% wag., pożądanie od około 12% do około 40% wag. , a korzystnie od około 15% do około 30% wag. w przeliczeniu na całkowitą masę SPA. Środek smarujący dodaje się zwykle w postaci stałej, a więc nie jest on cieczą. W celu zapewnienia jego dobrego rozproszenia, środek smarujący ma zwykle postać proszku. Przez 15 określenie proszek rozumie się, że większość, a co najmniej 70%, 80% lub 90%, a korzystniej co najmniej 95% cząstek proszku jest mniejszych niż nr 100 sita Tylera, tzn. 150 μτη. Korzystnie, większość proszku, zwykle 80%, 90% lub nawet 95% jest mniejsza niż nr 200, tzn. 75 μτη. Korzystnie, większość proszku grafitowego, tzn. 70%, 80% lub 90% jest mniejsza niż nr 325, tzn. 44 μιη. Można stosować dowolny środek smarujący znany w technice jak również w literaturze, który nadaje właściwości smarne SPA. Przez właściwości smarne rozumie się, że współczynnik tarcia powierzchni uformowanego SPA zostaje zmniejszony np. o co najmniej 10%, a bardziej pożądanie o co najmniej 20% lub 30% z chwilą gdy zaczyna się ścieranie. Środek smarny nie powinien także wykazywać działania ściernego. Grafit stanowi korzystny środek smarny. Przykładem konkretnego grafitu jest grafit gatunku 117-A, wytwarzany przez Asbury Graphite Mills, Inc. Innym konkretnym środkiem smarującym jest dwusiarczek molibdenu. Mimo iż nie jest na ogół preferowany, dwusiarczek molibdenu jest pożądany w zastosowaniach suchych, tam gdzie wilgoć jest niedostępna, nawet w postaci pary wodnej. Oleje silikonowe mogą także być używane w ilości od około 2% do około 10% wag., a pożądanie od około 3% do o-koło 6% wag., w przeliczeniu na całkowitą masę SPA. Przykłady konkretnych olejów silikonowych obejmują 200 Fluid, wytwarzany przez Dow Corning.

Ilość środka smarującego wynosi zwykle od 0,5 lub 3% wag. do około 25% wag., pożądanie od około 1,0% do około 20% wag., a korzystnie od około 2% do około 10% wag. w przeliczeniu na całkowitą masę SPA.

Następnie wzór zostaje przeniesiony na górną warstwę powierzchni łożyskowej materiału łożyska 22. Korzystnym sposobem przeniesienia tego wzoru jest umieszczenie arkusza polie- 16 strowego pomiędzy arkuszem ciężkiej, luźniej dzianiny lub tkaniny o luźnym splocie, która dociska arkusz poliestru i tkaninę do powierzchnii materiału SPA łożyska 22, zanim nastąpi stopienie i uformowanie. Tkanina jest korzystnie tkaniną nr 8708 według katalogu, dostępną w firmie Georgia Duck. Rozdzielający arkusz poliestrowy jest korzystnie arkuszem z Mylaru o grubości 0,003 cala. Arkusz poliestrowy wygładza wynikową warstwę SPA i zaokrągla krawędzie, tak że wypukłości, powierzchnie lub punkty styku 414 mogą stać się pojedynczymi powierzchniami łożyska hydrodynamicznego, gdy będą smarowane cieczą. Należy zauważyć, że przed wciśnięciem poliestru i tkaniny w materiał, tkanina winna być natryśnięta środkiem u-łatwiającym wyjęcie wyrobu z formy, takim jak nr katalogowy RTC 9110, produkowany przez Chem-Trend, w znany sposób, tak aby zapewnić możliwość usunięcia tkaniny po utwardzaniu. Po umieszczeniu tkaniny i poliestru na wierzchu nieutwardzonego segmentu łożyskowego, należy je sprasować, np. poprzez zamknięcie formy. Następnie materiał utwardza się przez około 4,5 godz. pod ciśnieniem około 1000 do 1500 funtów/cal2 w temperaturze około 350°F. Po tym procesie utwardzania pozwala się formie ostygnąć do temperatury otoczenia, utrzymując ciśnienie. Po utwardzaniu forma powinna stygnąć przez około 1 godziny. Stwierdzono, że chłodzenie mieszanki pod ciśnieniem pomaga zapobiegać zwichrowaniu wyrobu końcowego. Można także zastosować wodę do chłodzenia zewnętrznej powierzchni formy, tak aby skrócić czas chłodzenia formy do 1 godziny, zapobiegając zwichrowaniu wyrobu końcowego.

Nawiązując teraz do fig. 3b, możliwe jest wytwarzanie alternatywnego materiału łożyskowego według procesu technologicznego dla kompozycji pokazanej na fig. 3a, uzyskując w je- 17 go wyniku kompozycje mającą dolną warstwę 420 z elastomeru i górną warstwę 422 z SPA, mającą wypukłości, powierzchnie lub punkty styku 424 o kształcie rombowym. Wypukłości 422 wystają w kierunku osiowym do wewnątrz, a każda z nich może stać się indywidualną powierzchnią łożyska hydrodynamicznego, gdy będzie smarowana cieczą. Złożony z wypukłości o kształcie rombowym wzór w górnej warstwie 422 wykonuje się jednak używając formy gumowej, mającej wykonany odpowiedni odcisk lub wzór. Arkusz poliestru, takiego jak Mylar, można umieścić pomiędzy formą gumową a SPA przed utwardzaniem. Arkusz poliestru ma korzystnie grubość rzędu 0,003 cala. Arkusz poliestru wygładza powstałą warstwę SPA i zaokrągla naroża wypukłości.

Należy zauważyć, że wzory o innych kształtach i wymiarach, nie ujawnione specjalnie w niniejszym opisie, mogą być wykonane w górnej warstwie materiału, tak aby łożysko było hydrodynamiczne.

Nawiążemy teraz do fig. 4, na której przedstawiono zespół łożyska 310 według alternatywnej postaci niniejszego wynalazku, który to zespół łożyska jest ogólnie podobny do zespołu łożyska pokazanego wcześniej na poprzednich figurach, a w efekcie zastosowano oznaczenia liczbowe odpowiadające omówionym wyżej z wyjątkiem tego, że oznaczenia rozpoczynają się od 300.

Obudowa 315 ma trzy segmenty łożyskowe lub powierzchnie 340 rozmieszczone wokół jej promieniowej części wewnętrznej. Segmenty 340 są utworzone jako integralna część wewnętrznej obudowy lub wykładziny 390. która korzystnie jest wykonana z opisanej wyżej kompozycji SPA elastomeryczno/tworzywowej. Obudowa 315 jest korzystnie wykonana z materiałów również o-pisanych wyżej. Wykładzina 390 jest korzystnie wykonywana w sposób opisany w patencie Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 18 4 735982 wspomnianym wyżej i zamontowana w obudowie 315. gdy jeszcze jest gorąca, po wykonaniu sposobem formowania prze-tłocznego. Wykładzinę 390 mocuje się do obudowy stosując korzystnie promotor adhezji i środek sieciujący, taki jak Van-5 chem HM-50, dostępny w firmie R.T. Vanderbilt Co. Główną zaletą tego kleju w porównaniu z innymi jest jego wytrzymałość. Można jednak używać innych środków przytwierdzających w celu pewnego zamocowania wykładziny do obudowy. W dotychczas stosowanych segmentowych łożyskach z ela-10 stomeru wymagany stosunek długości do średnicy (L/D) był rzędu czterech do jednego, z uwagi na zużycie i trwałość. Łożysko 310 pozwala na o wiele niższe wartości L/D, ewentualnie rzędu dwa do jednego a nawet jeden do jednego, obniżając tym samym koszty wytwarzania. Również wykładzina 390 jest względ-15 nie łatwa do wykonania i eliminuje konieczność obróbki wykańczającej otworu obudowy 315. Powierzchnia łożyskowa 341 każdej powierzchni 340 ma bądź rowki bądź wzór wykonany na niej, zgodnie z segmentami pokazanymi i opisanymi wyżej na fig. 2 oraz 3a-3c. 20 Stanie się oczywiste, iż mimo szczegółowego opisu okre ślonej postaci oraz pewnej modyfikacji wynalazku, wynalazek nie jest ograniczony do szczególnie zilustrowanych i opisanych konstrukcji, ponieważ możliwe jest wprowadzenie odmian bez odrywania się od zasad wynalazku.

Zgłaszający: DURAMAX, INC.

Pełnomocnik:! . » λ ΜίΜλλλν^ mgr int Małgorzata Grabowska \ Rzecznik patentowy 1

Claims

SGS-714/ZW PCT/US97/06441 Zastrzeżenia patentowe 1. Zespół łożyska do podtrzymywania wału, obejmujący: zewnętrzną osłonę, mającą otwór wewnętrzny z osią cen- 5 tralną oraz wewnętrzną powierzchnię, wyznaczoną przez ten o-twór wewnętrzny oraz co najmniej jeden element łożyskowy umieszczony na tej wewnętrznej powierzchni, stykający się z wałem i podtrzymujący go, który to element łożyskowy ma nieciągłą powierzchnię z 10 elementami stykowymi współpracującymi stycznie z wałem oraz odstępami pomiędzy tymi elementami stykowymi, które to odstępy tworzą z wałem kieszenie wychwytujące smar,|przy czym element łożyskowy jest wykonany ze stopu polimeru termoplastycznego i kauczukowego, który to stop zawiera polimer termoplastyczny 15 odporny na obciążenia dynamiczne, o niskim tarciu i dobrej odporności na zużycie, oraz termoutwardzalną mieszankę gumową nadającą elastyczność temu elementowi łożyskowemu, aby umożliwić utrzymywanie przez ten element łożyskowy styku z wałem.
2. Zespół łożyska według zastrz. 1, w którym stop poli-20 meru termoplastycznego i kauczukowego stanowi śliski stop polimeru stanowiący niejednorodną mieszankę termoplastu jako fazę ciągłą, termoutwardzalną mieszankę gumową rozproszoną w 2 termoplaście jako fazę nieciągłą, oraz smar rozproszony w termoplaście.
3. Zespół łożyska według zastrz. 2, w którym termopla- stem jest polimer termoplastyczny.
4. Zespół łożyska według zastrz. 3, w którym polimerem termoplastycznym jest polietylen o ultrawysokiej masie cząsteczkowej .
5. Zespół łożyska według zastrz. 2, w którym termoutwardzalną mieszankę gumową stanowi uprzednio utwardzona mieszanka gumowa o małym współczynniku tarcia, odporna na działanie oleju i wody.
6. Zespół łożyska według zastrz. 2, w którym smar jest wybrany z grupy obejmującej grafit, dwusiarczek molibdenu i olej silikonowy.
7. Zespół łożyska według zastrz. 1, w którym element łożyskowy z nieciągłą powierzchnią obejmuje szereg obszarów rozciągających się poprzecznie względem centralnej osi, przy czym obszary te znajdują się w odstępach względem sąsiadujących obszarów i tworzą rowki poprzeczne względem centralnej osi pomiędzy tymi obszarami.
8. Zespół łożyska według zastrz. 7, w którym element łożyskowy ma określoną grubość, a odstęp pomiędzy rowkami jest większy niż ta grubość.
9. Zespół łożyska według zastrz. 8, w którym odstęp jest o około 1/3 większy od tej grubości.
10. Zespół łożyska według zastrz. 1, w którym element, łożyskowy stanowi co najmniej jeden segment łożyskowy.
11. Zespół łożyska według zastrz. 10, w którym powierzchnia wewnętrzna ma kształt cylindryczny, a segment znajduje się na promieniowej wewnętrznej części tej wewnętrznej powierzchni, przy czym element ten jest utrzymywany w 3 miejscu przez człony elastomeryczne obejmujące przeciwległe boki elementu łożyskowego, oraz środki utrzymujące łączące te elementy elastomeryczne z osłoną zewnętrzną.
12. Zespół łożyska według zastrz. 11, w którym środki u-trzymujące ściskają i odkształcają elementy elastomeryczne, aby ścisnąć element łożyskowy uchwycony przez te elementy e-lastomeryczne i utrzymać ten element w miejscu.
13. Zespół łożyska według zastrz. 10, w którym segment zawiera śliski stop polimeru.
14. Zespół łożyska według zastrz. 1, w którym nieciągłe powierzchnie obejmują szereg ścianek na elemencie łożyskowym, wystających do środka w kierunku wału w tym zespole łożyska, przy czym ścianki te tworzą elementy stykowe, które to elementy stykowe zawierają szereg wypukłości dla styku z wałem, przy czym wypukłości te działają jako powierzchnie łożyska hydrodynamicznego w warunkach smarowania wału cieczą.
15. Zespół łożyska według zastrz. 14, w którym element łożyskowy zawiera spodnią warstwę wykonaną z elastomeru, oraz wierzchnią warstwę zawierającą wymienione ścianki i wykonaną ze śliskiego stopu polimeru.
16. Zespół łożyska według zastrz. 14, w którym element łożyskowy zawiera spodnią warstwę wykonaną ze śliskiego stopu polimeru, oraz wierzchnią warstwę zawierającą wymienione ścianki i wykonaną ze śliskiego stopu polimeru.
17. Zespół łożyska według zastrz. 1, w którym nieciągłe powierzchnie obejmują szereg wypukłości na elemencie łożyskowym, wystających do środka w kierunku wału w tym zespole łożyska, przy czym wypukłości te tworzą elementy stykowe, które to elementy stykowe zawierają szereg wypukłości, przy czym wypukłości te działają jako powierzchnie łożyska hydrodynamicznego w warunkach smarowania wału cieczą. 4
18. Zespół łożyska według zastrz. 17, w którym wypukło ści mają kształt rombowy.
19. Zespół łożyska według zastrz. 17, w którym element łożyskowy zawiera spodnią warstwę wykonaną z elastomeru, oraz wierzchnią warstwę zawierającą wymienione wypukłości i wykonaną ze śliskiego stopu polimeru.
20. Zespół łożyska według zastrz. 17, w którym element łożyskowy zawiera spodnią warstwę wykonaną ze śliskiego stopu polimeru, oraz wierzchnią warstwę zawierającą wymienione wypukłości i wykonaną ze śliskiego stopu polimeru.
21. Zespół łożyska według zastrz. 1, w którym element łożyskowy stanowią co najmniej dwa segmenty łożyskowe.
22. Zespół łożyska według zastrz. 21, w którym segmenty są ułożone równokątnie na powierzchni wewnętrznej wokół głównej osi.
23. Zespół łożyska według zastrz. 22, w którym segmenty są ułożone tak, aby uzyskać łożysko o zerowym luzie.
24. Zespół łożyska według zastrz. 21, w którym występują trzy segmenty rozmieszczone w przybliżeniu pod kątem 120° względem siebie, przy czym dwa górne segmenty są usytuowane w przybliżeniu pod kątem 30° ponad poziomą linią, zaś dolny segment usytuowany jest w przybliżeniu pod kątem 90° poniżej poziomej linii.
25. Zespół łożyska według zastrz. 21, w którym segmenty są zintegrowane z osłoną zewnętrzną.
26. Zespół łożyska według zastrz. 21, w którym osłona zewnętrzna i segmenty są wykonane ze śliskiego stopu polimeru.
27. Sposób wytwarzania elementu łożyskowego ze śliskiego stopu polimeru, który to element łożyskowy ma powierzchnię łożyskową z szeregiem wypukłości współpracujących z wałem obraca- 5 jącym się względem elementu łożyskowego, zgodnie z którym to sposobem umieszcza się arkusz poliestrowy na materiale łożyskowym wykonanym ze śliskiego stopu polimeru, przed stopieniem i formowaniem tego śliskiego stopu polimeru; wciska się arkusz poliestrowy w powierzchnię łożyskową śliskiego stopu polimeru za pomocą tkaniny o wzorze powodującym powstanie wypukłości; sprasowuje się śliski stop polimeru z arkuszem poliestrowym i tkaniną wciśniętą w powierzchnię łożyskową w warunkach utwardzania na ciepło pod ciśnieniem; oraz chłodzi się śliski stop polimeru.
28. Sposób wytwarzania elementu łożyskowego według za-strz. 27, w którym arkusz poliestrowy jest z Mylaru.
29. Sposób wytwarzania elementu łożyskowego według za-strz. 28, w którym grubość arkusza Mylaru wynosi 0,003 cala.
30. Sposób wytwarzania elementu łożyskowego według za-strz. 27, w którym etap utwardzania obejmuje aktywowanie formy na śliskim stopie polimeru z umieszczonym na niej arkuszem poliestrowym i tkaniną, dla wciśnięcia arkusza poliestrowego i tkaniny w powierzchnię łożyskową i uformowania śliskiego stopu polimeru.
31. Sposób wytwarzania elementu łożyskowego według za-strz. 30, w którym tkaninę spryskuje się środkiem ułatwiającym wyjęcie wyrobu z formy, przed zamknięciem formy do utwardzania .
32. Sposób wytwarzania elementu łożyskowego według za-strz. 30, w którym etap formowania obejmuje zamknięcie formy pod ciśnieniem 1000-1500 funtów/cal2 w temperaturze około 350 °F. 6
33. Sposób wytwarzania elementu łożyskowego według za-strz. 32, w którym etap zamknięcia formy pod ciśnieniem 1000-1500 funtów/cal2 w temperaturze około 350°F trwa około 0,5 godziny.
34. Sposób wytwarzania elementu łożyskowego według za-strz. 32, w którym etap utwardzania obejmuje ponadto chłodzenie formy do temperatury otoczenia.
35. Sposób wytwarzania elementu łożyskowego według za-strz. 27, w którym element łożyskowy stanowi segment łożyskowy.
36. Sposób wytwarzania elementu łożyskowego ze śliskiego stopu polimeru, który to element łożyskowy ma powierzchnię łożyskową złożoną z szeregu wypukłości o kształcie rombowym, skierowanych do wewnątrz, tworzących powierzchnie łożyska hydrodynamicznego w warunkach smarowania cieczą, zgodnie z którym to sposobem umieszcza się śliski stop polimeru przed uformowaniem w formie gumowej z wzorem zapewniającym uformowanie wypukłości; oraz ogrzewa się formę do odpowiedniej temperatury dla uformowania wypukłości.
37. Sposób wytwarzania elementu łożyskowego według za-strz. 35, w którym dodatkowo umieszcza się arkusz poliestrowy pomiędzy powierzchnią łożyskową i formą przed formowaniem.
38. Sposób wytwarzania elementu łożyskowego według za-strz. 36, w którym arkusz poliestrowy jest z Mylaru.
39. Sposób wytwarzania elementu łożyskowego według za-strz. 37, w którym grubość arkusza Mylaru wynosi 0,003 cala.
40. Sposób wytwarzania elementu łożyskowego według za-strz. 37, w którym element łożyskowy stanowi segment łożyskowy. 7
41. Sposób wytwarzania elementu łożyskowego dla zespołu łożyska, który to element łożyskowy zawiera warstwę spodnią z elastomeru i warstwę wierzchnią zawierającą wypukłości współpracujące z wałem w zespole łożyska, zgodnie z którym to sposobem nakłada się płytę lub tkaninę ukształtowaną tak, aby wytworzenia wypukłości na elemencie łożyskowym w celu uzyskania powierzchni łożyska hydrodynamicznego w warunkach smarowania cieczą, na element elastomeryczny/tworzywowy; sprasowuje się element elastomeryczny/tworzywowy z płytą lub tkaniną z wytworzeniem wypukłości; oraz przykleja się element łożyskowy do podkładowego arkusza gumowego; przy czym element elastomeryczny/tworzywowy z wypukłościami stanowi warstwę wierzchnią, a podkładowy arkusz gumowy stanowi warstwę spodnią.
42. Sposób wytwarzania elementu łożyskowego dla zespołu łożyska, według zastrz. 41, w którym element elastomerycz ny/tworzywowy stanowi śliski stop polimeru.
43. Sposób wytwarzania elementu łożyskowego dla zespołu łożyska, według zastrz. 42, w którym płytę lub tkaninę stanowi arkusz poliestrowy i dzianina lub tkanina o luźnym splocie, przy czym arkusz poliestrowy jest umieszczony na śliskim stopie polimeru, pomiędzy tym elementem i dzianiną lub tkaniną.
44. Sposób wytwarzania zespołu łożyska zawierającego e-lement łożyskowy ze spodnią warstwą z elastomeru i wierzchnią warstwą mającą wypukłości współpracujące z wałem w zespole łożyska, oraz obudowę łożyska, zgodnie z którym to sposobem nakłada się płytę lub tkaninę ukształtowane tak, aby u-zyskać wypukłości na elemencie łożyskowym, dla uzyskania po- 8 wierzchni łożyska hydrodynamicznego w warunkach smarowania cieczą, na element elastomeryczny/tworzywowy; sprasowuje się element elastomeryczny/tworzywowy z płytą lub tkaniną w celu uzyskania wypukłości i wytworzenia 5 wierzchniej warstwy; przykleja się element łożyskowy do elastomerycznego arkusza podkładowego, przy czym elastomeryczny arkusz podkładowy stanowi warstwę spodnią; oraz przymocowuje się elastomeryczny arkusz podkładowy do 10 obudowy łożyska z wytworzeniem zespołu łożyska.
45. Sposób wytwarzania elementu łożyskowego do zespołu łożyska, który to element łożyskowy zawiera spodnią warstwę elastomeru i wierzchnią warstwę zawierającą wypukłości współpracujące z wałem w zespole łożyska, zgodnie z którym to spo-15 sobem i nakłada się formę ukształtowaną tak, aby uzyskać wypu- ! 1 kłości na elemencie łożyskowym dla uzyskania powierzchni ło- j i żyska hydrodynamicznego w warunkach smarowania cieczą, na e- ! i i lement ze śliskiego stopu polimeru; ! 20 sprasowuje się element ze śliskiego stopu polimeru i i formę z wytworzeniem wypukłości; oraz przykleja się element do elastomerycznego arkusza podkładowego; przy czym element z wypukłościami stanowi warstwę wierzchnią, a elastomeryczny arkusz podkładowy stanowi warstwę spodnią. Zgłaszający: DURAMAX, INC. Pełnomocnik: ] mgr int Malg^MtJobMowska Rzecznik patentowy \