Патент на изобретение №2229039

(54) ПОДШИПНИКОВЫЙ УЗЕЛ СКОЛЬЖЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к машиностроению, а именно к подшипниковым узлам в валковых кассетах современных высокоскоростных проволочных прокатных станов. Подшипниковый узел скольжения содержит цапфу вала, корпус, цилиндрическую обойму, в теле которой выполнены окна переменного сечения, сужающиеся к центру обоймы, либо от ее центра к периферии, с размещенными в них антифрикционными вкладышами. Наружная и внутренняя поверхности каждого из вкладышей выступают относительно наружной и внутренней поверхностей обоймы соответственно на 0,02…0,04 толщины вкладыша. Угол между боковыми гранями вкладыша равновелик углу между боковыми гранями окна и равен углу самоторможения либо меньше его. Технический результат заключается в повышении надежности и долговечности устройства. 3 ил.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к высокоскоростным подшипникам скольжения, и может быть использовано, например, в валковых кассетах современных проволочных и мелкосортных прокатных станах.

Известен высокоскоростной подшипниковый узел скольжения, используемый в валковых кассетах прокатных станов, разработанных немецкой фирмой ФЕБ Швермашиненбау-комбинат “Эрнст-Тельман” (Германия) и поставляемых фирмой SKET на Украину, в частности на металлургические комбинаты Кривого Рога и Макеевки (чертеж АВ 150-02), выполненный в виде втулки, внутренняя поверхность которой напылена антифрикционным материалом и размещена в корпусе кассеты с натягом. Внутри втулки установлен вал с гарантированным зазором, вращающийся с частотой 12000-15000 мин^-1 и имеющий высокую окружную скорость. Для обеспечения нормальной работы валковой кассеты применяют масло фирмы “Мобил”, которое прокачивают через кассету и маслоохладитель.

Однако, несмотря на совершенную систему смазки, в работе известных валковых кассет имеют место отказы, обусловленные перегревом и последующим заклиниванием рабочего вала во втулке подшипника, что приводит к выводу из строя дорогостоящих деталей, таких как установочная втулка и вал.

Также известен высокотемпературный подшипниковый узел скольжения (АС СССР 1233588, МКИ F 16 С 17/02, 1984), содержащий цапфу вала, корпус, обойму со стержневыми вкладышами, выполненными из материала с коэффициентом линейного расширения меньшим, чем коэффициент линейного расширения материала обоймы. Вкладыши выполнены в виде модулей, включающих стержень из антифрикционного материала и две, охватывающие стержень, коаксиальные втулки. Внутренняя втулка выполнена, по меньшей мере с тремя аксиальными пазами, открытыми к одному из торцов этой втулки, и из материала с коэффициентом линейного расширения большим, чем у материала наружной втулки и антифрикционного стержня. Кроме того, разность величин температурного расширения внутреннего посадочного диаметра наружной втулки и наружного посадочного диаметра антифрикционного стержня равна температурному расширению двойной толщины стенки внутренней втулки со стороны ее пазов.

К недостаткам данного подшипникового узла можно отнести сложность конструкции и нетехнологичность его изготовления. Следует отметить, что при работе с большими радиальными нагрузками из-за уменьшения опорной поверхности появляются высокие удельные нагрузки, кроме того, возникает необходимость увеличения толщины обоймы, что приводит к увеличению размеров конструкции в целом. При изготовлении обратной пары трения не представляется возможным выполнение ступенчатых отверстий в стенках обоймы. А также данная конструкция подшипникового узла накладывает ограничения на выбор антифрикционных материалов, обусловленные оговоренными соотношениями коэффициентов линейного расширения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому подшипниковому узлу является опора скольжения, описанная в АС СССР 1079004, МКИ F 16 С 17/02, 09.09.81. Данная опора содержит вал с установленной на нем цилиндрической обоймой с размещенными в ней антифрикционными вкладышами. При этом вкладыши установлены в выполненных в обойме окнах переменного сечения, сужающихся к центру обоймы, либо от центра к периферии. Кроме того, опора снабжена устройством для поджатия вкладышей к обойме со стороны внутренней поверхности.

Недостатком известного технического решения является невозможность использования его в высокоскоростных конструкциях с высокой частотой вращения вала. Данное изобретение обладает низкой надежностью и сложной конструкцией. Низкая надежность обусловлена тем, что опора представляет собой обратную пару трения, то есть вращается в корпусе вместе с валом, при этом увеличиваются размеры вращающейся детали и соответственно окружная скорость. Известно, что для больших скоростей существенную роль играют размеры, т.е. компактность, так как скорость и размеры находятся в прямой зависимости между собой. Устройство для поджатия вкладышей к обойме усложняет конструкцию устройства в целом, увеличивает его размеры, нарушает балансировку вала, снижает надежность. При каждой замене опоры скольжения, в конструкциях с высокой частотой вращения, требуется дополнительная балансировка вала, что не всегда возможно.

Задачей предлагаемого технического решения является обеспечение работы подшипникового узла скольжения в высокоскоростных конструкциях за счет повышения надежности и долговечности с одновременным упрощением конструкции.

Поставленная задача достигается тем, что в подшипниковом узле скольжения, который содержит цапфу вала, корпус, цилиндрическую обойму, в теле которой выполнены окна переменного сечения, сужающиеся к центру обоймы либо от ее центра к периферии, с размещенными в них антифрикционными вкладышами, согласно изобретению наружная и внутренняя поверхности каждого из вкладышей выступают относительно наружной и внутренней поверхностей обоймы соответственно на 0,02…0,04 толщины вкладыша, а угол между боковыми гранями вкладыша равновелик углу между боковыми гранями окна и равен углу самоторможения либо меньше его.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается формой, размерами и взаимным расположением вкладышей. Между выступающими по наружной и внутренней поверхностям обоймы вкладыши образуют полости, по которым под давлением подается смазка, создавая при высокой частоте вращения, разделительный слой между вращающимися элементами. Это обстоятельство позволяет повысить надежность и долговечность работы устройства. В известной конструкции подшипник установлен непосредственно на валу и представляет собой пару обратного трения. В заявляемой конструкции подшипник может устанавливаться неподвижно либо в корпусе, либо на валу, либо с гарантированным зазором на валу и в корпусе. При этом окна выполняются соответственно сужающимися либо от периферии к центру, либо от центра обоймы к ее периферии. Существенный признак, касающийся выбора угла между боковыми гранями вкладыша и боковыми гранями окна и равенства его углу самоторможения, позволяет исключить дополнительное крепление вкладышей, то есть упростить конструкцию подшипникового узла скольжения, так как вкладыши надежно устанавливаются за счет сил трения. В случае установки подшипникового узла с гарантированным зазором в корпус и на вал появляется возможность снизить относительную скорость за счет разделения ее величины между подшипником и корпусом и подшипником и валом.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения “новизна”. По совокупности существенных отличительных признаков, которые обеспечивают технический результат, заключающийся в повышении надежности и долговечности устройства, а также упрощения его конструкции – заявляемое техническое решение соответствует критерию “изобретательский уровень”. Кроме того, заявляемый подшипниковый узел скольжения успешно прошел технические испытания на Криворожском металлургическом заводе, чем доказал свою техническую применимость.

Предложенное техническое решение поясняется чертежами, представленными на фиг.1-3.

На фиг.1 изображен продольный разрез подшипника скольжения;

на фиг.2 – сечение А-А фиг.1 в случае установки подшипника в корпусе;

на фиг.3 – сечение А-А фиг.1 в случае установки подшипника на валу.

Подшипник скольжения содержит корпус 1, обойму 2, антифрикционный керамический вкладыш 3 и вал 4. В обойме выполнены продольные окна 5 переменного сечения, сужающиеся к центру обоймы при установке подшипника в корпус, либо от центра к периферии, при установке подшипника на валу. Угол между боковыми гранями окон имеет величину меньше величины угла самоторможения. Вкладыши 3 выполнены, например, из керамики на основе диоксида циркония (ZrO₂) с углами, равновеликими углам окон. Радиус наружной поверхности 6 вкладыша больше радиуса соответствующей поверхности 8 обоймы, а радиус внутренней поверхности 7 вкладыша меньше радиуса внутренней поверхности 9 обоймы на 0,02…0,04 от толщины вкладыша 3, за счет чего вкладыши 3 выступают относительно поверхности обоймы 2, образуя при этом канавки 10, по которым поступает смазка.

Боковые и торцевые поверхности окон 5 обоймы обрабатываются фрезерованием, после чего боковые поверхности шлифуются. Боковые поверхности вкладышей 3 устанавливаются в окна 5 обоймы со стороны наружной либо внутренней ее поверхности с определенным усилием. За счет угла самоторможения вкладыши 3 надежно фиксируются в окнах 5 обоймы. В собранном виде вкладыши 3 шлифуются в специальных приспособлениях, обеспечивающих точную центровку относительно оси обоймы 2, сначала по наружному диаметру 6, а затем по внутреннему 7, либо, наоборот, в зависимости от направления их запрессовки. При установке подшипника с натягом в корпус 1, либо на вал 4, во вкладышах 3 создаются сжимающие напряжения, которые благоприятно влияют на материал вкладышей, в частности, при выполнении вкладышей из (ZrO₂), повышается стабильность его структурного состояния, что, в свою очередь, повышает износостойкость. Кроме того, исключается возможность образования зазоров между вкладышами 3 и корпусом 1 при нагреве подшипника до рабочей температуры, в случае установки подшипника в корпусе 1, и сохраняется зазор между валом 4 и вкладышами 3. При установке подшипника на вал 4 исключается возможность появления зазора между валом 4 и вкладышами 3 и сохраняется зазор между корпусом 1 и вкладышами 3.

Подшипниковый узел скольжения работает следующим образом (пример при установке подшипника в корпус).

При вращении вала 4 радиальные усилия, действующие на подшипник, воспринимаются вкладышами 3, закрепленными в обойме 2. От усилия натяга между вкладышами и корпусом исключается их ослабление, что обеспечивает надежную центровку вала 4 при температурных расширениях вала 1, обоймы 2, вкладышей 3, кроме того, температурное расширение обоймы, за счет наличия зазора между ней и корпусом и угла вкладыша, повышается надежность закрепления подшипника 3 в корпусе 1. Масло, прокачиваемое через канавки 10 между вкладышами, за счет высокой частоты вращения, затягивается между валом и вкладышами, создавая масляный клин и отбирая тепло, обеспечивает необходимый температурный режим.

Заявляемая конструкция подшипникового узла скольжения успешно прошла испытания на металлургическом комбинате “Криворожсталь”. Результаты испытаний подтвердили возможность использования узла в валковых кассетах высокоскоростных прокатных станах, при высоких частотах вращения вала (15000 мин^-1). Кроме того, было установлено, что подшипниковый узел работает достаточно долго и надежно. Он компактен, технологичен в изготовлении, универсален и автономен, может быть использован и как прямая и как обратная пары трения, может устанавливаться с обеспечением гарантированного зазора с корпусом и с валом. Таким образом, использование предлагаемого технического решения позволяет в значительной степени снизить возможные отказы в работе прокатных станов.

Формула изобретения

Подшипниковый узел скольжения, содержащий цапфу вала, корпус, цилиндрическую обойму, в теле которой выполнены окна переменного сечения, сужающиеся к центру обоймы либо от ее центра к периферии, с размещенными в них антифрикционными вкладышами, отличающийся тем, что наружная и внутренняя поверхности каждого из вкладышей выступают относительно наружной и внутренней поверхностей обоймы соответственно на 0,02-0,04 толщины вкладыша, а угол между боковыми гранями вкладыша равновелик углу между боковыми гранями окна и равен углу самоторможения либо меньше его.

РИСУНКИ