(12) OPIS PATENTOWY (19) PL

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia (13) B1 (51) IntCl7: F16C 32/06 F16C 33/10 (54) Łożysko ślizgowe (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 04/03 (73) Uprawniony z patentu: Malicki Marian Witold, Świętochłowice, PL Ginko Lech Wacław, Ruda Śląska, PL Szczotka Adam, Świętochłowice, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 12/05 (72) Twórcy wynalazku: Marian Witold Malicki, Świętochłowice, PL Lech Wacław Ginko, Ruda Śląska, PL Adam Szczotka, Świętochłowice, PL PL B1 (57)1. Ł ożysko ślizgow e, jed n o lub w ielow arstw ow e, poprzeczn e lub podłużne, do jedno lub dwukierunkowego ruchu wału sm arow ane płynam i, znamienne tym, że na co najmniej jed n ej powierzchni ślizgowej łożyska, w ystępują dw ie w arstw y znanych sm arów w postaci sm aru płynnego (3) 1 smaru stałego (4) o tarciu płynnym w fazie stałej, trwale związanego z co najmniej jed n ą powierzchnią ślizgow ą łożyska, w postaci warstwy o grubości 15 do 450 mikrometrów z brakiem odprowadzania ciepła tarcia, natomiast zawsze tylko na jednej z powierzchni ślizgowych łożyska, wykonana jest geometryczna siatka wgłębień o zamkniętych objętościach w kształcie pryzemek (5) lub wgłębień poprzecznych (6) i głębokości 1 5 mm, zajm ując 40 do 75% powierzchni ślizgowej, pokrytej smarem stałym (4) 1 płynnym (3), wypełniających wspólnie siatkę wgłębień oraz powierzchnie ślizgowe filmem smarnym olejowym, w postaci objętościow ej w ysokociśnieniow ej poduszki olejowej term iczn o -hyd ro statyczno-hy drody nam icznej, z interferencją fal termosprężystej ekspansji objętości oleju w zam kmętych wgłębieniach w wyniku oporów hydrostatyczno- -hydrodynamicznych siatki wgłębień 1 odkształceń sprężystych geom etra powierzchni ślizgowei przy czym na powierzchni ślizgow ej panwi ukształtowano geometryczne elementy konstrukcyjne zasilania (7) do (11) smarem płynnym powierzchni ślizgowych, w postaci sferycznej kieszeni smarnej względnie rowka smarnego zakończonego wgłębieniem trepanacyinym łączącego się z wyjęciami bocznymi oraz wgłębienia kuliste przykrawędziowe Fig. 1

2 Łożysko ślizgowe Zastrzeżenia patentowe 1. Łożysko ślizgowe, jedno lub wielowarstwowe, poprzeczne lub podłużne, do jedno lub dwukierunkowego ruchu wału, smarowane płynami, znamienne tym, ze na co najmniej jednej powierzchni ślizgowej łożyska, występują dwie warstwy znanych smarów, w postaci smaru płynnego (3) i smaru stałego (4) o tarciu płynnym w fazie stałej, trwale związanego, z co najmniej jedną powierzchnią ślizgową łożyska, w postaci warstwy o grubości 15 do 450 mikrometrów z brakiem odprowadzania ciepła tarcia, natomiast zawsze tylko na jednej z powierzchni ślizgowych łożyska, wykonana jest geometryczna siatka wgłębień o zamkniętych objętościach w kształcie pryzemek (5) lub wgłębień poprzecznych (6) i głębokości 1,5 mm, zajmując 40 do 75% powierzchni ślizgowej, pokrytej smarem stałym (4) i płynnym (3), wypełniających wspólnie siatkę wgłębień oraz powierzchnie ślizgowe filmem smarnym olejowym, w postaci objętościowej wysokociśnieniowej poduszki olejowej termiczno-hydrostatyczno-hydrodynamicznej, z interferencją fal termosprężystej ekspansji objętości oleju w zamkniętych wgłębieniach w wyniku oporów hydrostatyczno-hydrodynamicznych siatki wgłębień i odkształceń sprężystych geometrii powierzchni ślizgowej, przy czym na powierzchni ślizgowej panwi ukształtowano geometryczne elementy konstrukcyjne zasilania (7) do (11) smarem płynnym powierzchni ślizgowych, w postaci sferycznej kieszeni smarnej względnie rowka smarnego zakończonego wgłębieniem trepanacyjnym łączącego się z wyjęciami bocznymi oraz wgłębienia kuliste przykrawędziowe. 2. Łożysko według zastrz 1, znamienne tym, że geometryczna siatka wgłębień pryzemkowych (5) na panwi, ma w przekroju profile gwintu ostrego lub trapezowego o podstawie równoległoboków, ukierunkowanych przez usytuowanie krótszych boków, prostopadle do kierunku ruchu wału lub nieco odchylone do 10, a objętość pojedynczego wgłębienia może wynosić 1 do 150 mm3. 3. Łożysko według zastrz. 1, znamienne tym, ze geometryczna siatka wgłębień poprzecznych (6) na czopie lub panwi, ma w przekroju profil gwintu okrągłego, o poprzecznym usytuowaniu do kierunku ruchu wału, nie dochodząc do krawędzi powierzchni ślizgowej, a objętość pojedynczego wgłębienia może wynosić 10 do 8500 mm3. 4. Łożysko według zastrz. 1, znamienne tym, że rozprowadzająca smar płynny (3) kieszeń smarna (8) na panwi, ma kształt geometrycznego wgłębienia sferycznego, o szerokości 0,85 do 1,0 długości łożyska na poziomej płaszczyźnie podziału oraz sięga obwodowe 35 do 39 od płaszczyzny podziału, będąc pokryta częściowo smarem stałym (4) o różnej grubości do 80 mikrometrów. 5 Łożysko według zastrz. 1, posiada wgłębienia kuliste (7), znamienne tym, ze wgłębienia te pokryte są częściowo smarem stałym (4) o różnej grubości do 80 mikrometrów, usytuowane w pobliżu obu krawędzi czopa lub panwi, zróżnicowane przemiennie wielkością, biegnące obustronnie na całym obwodzie w ilości 1 do 3 rzędów. 6 Łożysko według zastrz. 1, posiada rowek smarny (9), znamienne tym, ze rowek ten jest pokryty częściowo smaiem stałym (4) o różnej grubości do 80 mikrometrów, zakończony trepanacyjnym wgłębieniem (10), sięgającym do 45 obwodowe od poziomej płaszczyzny podziału łożyska, łącząc się z wyjęciami bocznymi (11). * * * Przedmiotem wynalazku jest łożysko ślizgowe jedno lub wielowarstwowe, poprzeczne lub podłużne, smarowane płynami, przeznaczone do łożyskowania wałów o szerokim zakresie prędkości, w szczególności do łożyskowania wałów górniczych maszyn wyciągowych oraz również turbin parowych, turbin wodnych, elektrowni wiatrowych, pieców przewałowych cementowni, silników spalinowych.

3 W górniczych maszynach wyciągowych stosuje się głównie łożyska ślizgowe hydrodynamiczne zasilane olejem W zakresie niskich prędkości ruchu, jakie m ają miejsce w rewersyjnym cyklu pracy tych maszyn, nie powstaje klin smarny o odpowiedniej nośności Występuje wtedy zmienny moment tarcia, co prowadzi do drgań tarciowych i nadmiernego zużycia łożysk Współczynnik tarcia w tych łożyskach kształtuje się od 0,21 przy rozruchu do 0,08 przy wytworzeniu klina smarnego. Znane jest rozwiązanie tego zagadnienia z polskiego patentu nr , który przewiduje wspomaganie nośności łożyska przy niskiej prędkości ruchu poprzez doprowadzenie na obciążoną powierzchnię ślizgową płynnego środka smarnego pod wysokim ciśnieniem. Takie rozwiązanie jest skuteczne podczas rozruchu maszyny wyciągowej, ale w czasie pracy tylko na filmie wytworzonym przez klin smarny, wskutek usytuowania rowków ciśnieniowych zgodnie z kierunkiem ruchu wału, obciążalność jest ograniczona, powodując zuzywanie się powierzchni ślizgowej materiału łożyskowego, co doprowadza do zmiany położenia wału w łożysku i zniszczenia uszczelnień. Poza tym rozwiązanie wymaga budowy złozonego układu smarnego, co czyni rozwiązanie kosztownym. Znana jest również poprawa współczynnika tarcia rozruchowego i zużycia w łożyskach ślizgowych z polskiego patentu nr poprzez zastosowanie na powierzchni panwi dwóch materiałów łożyskowych o różnej charakterystyce tarciowej, obciążeniowej i odkształceniowej. Układ powierzchni ślizgowej łożyska z rowkami poprzecznymi dochodzącymi do krawędzi brzegowej łożyska, ma wadę wąskiego zakresu doboru materiałów, szczególnie wypełniacza miękkiego, aby go nie przeciązyć dynamicznie ruchowo. Poza tym wykonanie łożyska jest kosztowne, gdyz wymaga zastosowania precyzyjnej i pracochłonnej technologii. Celem wynalazku jest konstrukcja nowego typu łożyska ślizgowego, zasadniczo odmienna od konstrukcji łożysk hydrodynamicznych, dla uzyskania zdecydowanie wyższych parametrów technicznych niż w łożyskach hydrodynamicznych, bazująca na nowych oryginalnych geometriach powierzchni ślizgowych łożyska razem z oryginalnym zastosowaniem znanych smarów stałego i płynnego, do budowy nowego typu filmu smarnego według wynalazku, termiczno-hydrostatyczno-hydrodynamicznego o charakterze objętościowym, istotą inny od hydrodynamicznego, umożliwiając wyeliminowanie z konstrukcji łożysk ślizgowych, zasady zbieżnej szczeliny smarowej ruchowo, względnie znacząco ją ograniczając Przedmiotem wynalazku jest łożysko ślizgowe o następujących cechach konstrukcji na co najmniej jednej powierzchni ślizgowej łożyska posiada dwie warstwy smaru, przy czym warstwa smaru płynnego pokrywa warstwę smaru stałego, związaną trwale z podłożem to jest dowolną powierzchnią ślizgową łożyska. Warstwa smaru stałego o grubości 15 do 450 mikrometrów pokrywa równomiernie powierzchnię ślizgową panwi Iub wału, oraz wbudowana jest zawsze w jedną z powierzchni ślizgowych łożyska z wykonanymi w niej wgłębieniami o zamkniętej objętości, tworząc siatkę nie łączących się ze sobą wgłębień, zajmując sumarycznie 40 do 75% powierzchni ślizgowej. Wgłębienia na danej powierzchni ślizgowej m a ją dowołny kształt i objętość oraz są wypełnione smarem stałym Iub płynnym całkowicie względnie częściowo, a także m ogą pokrywać Iub me tą powierzchnię ślizgową powyżej wgłębień, warstwą smaru stałego o grubości do 450 mikrometrów Parametry wymiarowe i kształtowe wgłębień zalezą od średnicy wewnętrznej łożysk, obciążeń, prędkości oraz materiału podłoża, w którym są wykonywane. Maksymalna głębokość wgłębień może sięgać 6,0 mm przy średnicy łożyska 1000 mm. Korzystne w zastosowaniu są wgłębienia w kształcie piramidek Iub pryzemek o objętoś c i p o j e d y ń c z e g o w g ł ę b i e n i a 1 d o m m 3 o r a z p o d s t a w i e r ó w n o l e g ł o b o k ó w u k i e r u n k o w a - nych przez usytuowanie ich krótszych boków prostopadle do kierunku ruchu wału Iub nieco odchylone od prostopadłości, jak również wgłębienia poprzeczne o objętości pojedynczego wgłębiema 10 do 8500 mm3 Iub znane geometrycznie wgłębienia kuliste o zmiennych objętościach usytuowane obwodowo i przykrawędziowo na danej powierzchni ślizgowej. Korzystne w zastosowaniu są nowe geometrie elementów konstrukcyjnych zasilania powierzchni ślizgowych smarem płynnym, w postaci sferycznej kieszeni smarnej Iub row ka smarnego

4 zakończonego wgłębieniem trepanacyjnym i połączonego z dwoma wyjęciami bocznymi nie dochodzącymi do krawędzi łożyska. Smar stały zastosowany do pokrywania, co najmniej jednej powierzchni ślizgowej jest produktem znanym o określonych trwałych własnościach fizyko-chemicznych stanowiący stały element konstrukcji łożyska, dający tarcie płynne z fazy stałej oraz będący izolatorem cieplnym z elektrostatyką. Smar stały o takiej charakterystyce wbudowany w dowolną powierzchnię ślizgową łożyska z wgłębieniami o zamkniętej objętości oraz wytrzymałością złącza smaru stałego z podłożem to jest powierzchnią czopa lub panwi, porównywalną ze złączem metalicznym stopu cynowego ze stalą niskowęglową, stanowi wraz ze smarem płynnym i wgłębieniami częściowo lub całkowicie wypełnionymi smarem stałym, zestaw cech konstrukcyjnych powierzchni ślizgowej o zwiększonej odkształcalności sprężystej, tworząc mikropowierzchniowo anizotropię odkształceniowo-termiczno-tarciową korzystną dla budowy nowego typu filmu smarnego, o charakterze objętościowym termiczno-hydrostatyczno-hydrodynamicznym, z cechami interferencji fal termosprężystej ekspansji objętościowej cieczy we wgłębieniach przy braku odprowadzania ciepła, z oporów hydrostatyczno-hydrodynamicznych siatki wgłębień oraz odkształceń sprężystych powierzchni ślizgowej, budując termiczną objętościową wysokociśnieniową poduszkę olejową podczas ruchu wału, determinując pracę łożyska ślizgowego bez zbieznej szczeliny smarowej ruchowo, względnie znacząco ograniczając ją do luzów poniżej 0,55 promila. Rozruch po postoju każdej obciążonej maszyny z łożyskami nowej konstrukcji według wynalazku, występuje z wystarczającą nośnością kompensującą obciążenie wału, gdyż przy bezruchu działa skutecznie rodzaj wysokociśnieniowej poduszki olejowej, zbudowanej z zawartej we wgłębieniach lub mikro wgłębieniach cieczy o zamkniętej objętości z brakiem upływów, na skutek wzajemnych oddziaływań ciśnieniowych każdego wgłębienia na otoczenie ze ściskaną cieczą, przy zwiększonej geometrycznie odkształcalności sprężystej tej powierzchni ślizgowej, z elementami anizotropii odkształceniowej mikropowierzchniowo oraz niemal izotropowej makropowierzchniowo, natomiast przy ruchu wału ze znikomą prędkością występuje również rodzaj wysokociśnieniowej poduszki olejowej objętościowej, wspomaganej skutecznie ruchowo przez nowy typ filmu smarnego według wynalazku. Rozruch każdej obciążonej maszyny ze znikomymi prędkościami ruchu i łożyskami hydrodynamicznymi z obciążeniem, prowadzi do drgań tarciowych i zuzycia powierzchni ślizgowej, w wyniku niemal zerowej nośności filmu smarnego hydrodynamicznego. Główne elementy konstrukcyjne łożysk według wynalazku takie jak: geometrie powierzchni ślizgowej panwi lub czopa oraz smar stały i smar płynny, które wspólnie z geometrią łożyska bez zbieznej szczeliny smarowej podczas ruchu wału, wraz z geometrycznymi elementami zasilania powierzchni ślizgowych smarem płynnym, usytuowane na powierzchni ślizgowej panwi, bezpośrednio wpływają na nośność nowego typu filmu smarnego objętościowego termiczno-hydrostatyczno-hydrodynamicznego, dają obciążalność powierzchni nośnej nowych łożysk, średnio czterokrotnie wyzszą niż klasyczny film smarny hydrodynamiczny, głównie z wpływu termiki na wzrost nośności nowego typu filmu smarnego, co pozwala zapewnić tarcie płynne w całym zakresie prędkości eksploatacyjnych Zastosowanie smaru stałego i płynnego oraz sposób wbudowania tych smarów na powierzchnie ślizgowe łożyska według wynalazku, umożliwia zmniejszenie współczynnika tarcia rozruchowego do wartości poniżej 0,023 przy prędkości 0,015 m/sek. oraz do wartości poniżej 0,012 przy pracy łożyska z prędkością 0,25 m/sek. Zastosowanie wynalazku na przykład w górnictwie, umożliwia uzyskanie znaczących korzyści technicznych takich jak. możliwość zwiększenia obciążenia maszyny wyciągowej w wyniku spadku oporów ruchu, wyeliminowanie drgań tarciowych mających wpływ na trwałość wieży wyciągowej, zwiększenie trwałości łożysk przy właściwej eksploatacji nieograniczenie, wydłużenie czasu eksploatacji oleju smarnego do jego wymiany. Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładach wykonania na rysunkach, na których fig 1 przedstawia widok dolnej półpanwi z współpracującym czopem wału, fig. 2 - widok wgłębień w kształcie piramidek / pryzemek o podstawie równoległoboku, fig. 3 - fragment przekroju panwi z wypełnionymi całkowicie smarem stałym wgłębieniami z pokrytą tym

5 smarem całą powierzchnią ślizgową, fig. 4 - fragment przekroju panwi z fig. 3, gdy warstwa smaru stałego zostaje przez zużycie starta z powierzchni ślizgowej podłoża, fig. 5 - fragment przekroju panwi z wgłębieniami, częściowo wypełnionymi smarem stałym i pokrytą tym smarem powierzchnię ślizgową, fig. 6 - widok wgłębień poprzecznych i kulistych przykrawędziowych, fig. 7 - widok fragmentu panwi z elementami konstrukcyjno-geometrycznyrm zasilania smarem płynnym oraz wgłębień kulistych przykrawędziowych na powierzchni panwi, fig. 8 - przebieg smarowania i charakterystyka obciążalności łożyska modelowego według przedstawionego opisu. Przykłady rozwiązań konstrukcyjnych: fig 1 pokazuje panew trójwarstwową z korpusem 1, materiałem łożyskowym 2 oraz warstwą smaru płynnego 3 pokrywającą warstwę smaru stałego 4, która jest trwale związana z materiałem łożyskowym 2. Warstwa smaru stałego 4 pokrywa materiał łożyskowy 2 w sposób pokazany na poszczególnych rysunkach. Fig. 2 pokazuje sieć wgłębień 5 w kształcie pryzemek zagłębionych do 1,5 mm, w materiale łożyskowym mających na powierzchni ślizgowej kształt równoległoboków, które zajmują 60% powierzchni ślizgowej a ich krótsze boki są prostopadłe do kierunku ruchu wału. Fig. 3 pokazuje odmianę zastosowania smaru stałego 4 wypełniającą całkowicie wgłębienia 5 oraz pokrywając całkowicie powierzchnię ślizgową łożyska warstwą o grubości 450 mikrometrów. Fig. 4 pokazuje przypadek, gdy po długim okresie pracy łożyska, warstwa smaru stałego 4 zostaje częściowo zużyta i funkcję smarowania w zakresie niskich prędkości wspomagają podstawy wypełnionych smarem stałym wgłębień oraz krótkie drogi tarcia na materiale podłoża ze stopu łożyskowego. W odmianach smarowania pokazanych na fig. 3 i 4 opisany mechanizm smarowania czopa w czasie rozruchu również zachodzi, jednak powstawanie mikroklinów smarnych przebiega nieco inaczej, gdyż determinują go głównie różnice w odkształceniach termicznych i sprężystych smaru stałego 4 i materiału podłoża łożyskowego 2. Fig. 5 pokazuje optymalną odmianę zastosowania smaru stałego 4 gdzie smar stały, będąc równocześnie izolatorem cieplnym wypełnia częściowo wgłębienia 5 oraz pokrywa wokół nich powierzchnię ślizgową łożyska tworząc na mej rodzaj siatki wgłębień wypełnionej smarem płynnym 3 o sumarycznej objętości, determinującej w znaczącej części wielkość odkształceń objętościowych oraz sprężystych powierzchni ślizgowej, mających korzystny wpływ na nośność warstwy smaru płynnego wskutek interferencji mikroklinów hydrotermicznych cieczy. Fig.6 pokazuje zastosowanie wgłębień poprzecznych 6, o zamkniętej objętości i położeniu prostopadłym do kierunku ruchu wału oraz wgłębienia kuliste przykrawędziowe 7, osadzone przemiennie pomiędzy wgłębieniami 6. Wgłębienia 6 i 7 są wypełnione częściowo smarem stałym 4 zajmując sumarycznie około 45% powierzchni ślizgowej łożyska. Fig. 7 przedstawia konstrukcyjne geometryczne rozwiązania zasilania powierzchni ślizgowych smarem płynnym 3, przy czym w obszarze 37 od poziomej płaszczyzny podziału łożyska, wykonana jest sferyczna kieszeń smarna 8, która zapewnia optymalne rozprowadzanie smaru płynnego 3 na powierzchnie ślizgowe, z dodatkowym efektem uzyskania wzrostu ciśnienia wprowadzanego smaru grawitacyjnie na powierzchnię nośną łożyska. Odmianą rozwiązania konstrukcyjnego jest wgłębienie trepanacyjne 10 zasilane przez rowek 9 smarem płynnym 3, rozprowadzanym również na wyjęcia boczne 11 prostopadłe do kierunku obrotów wału, położone w obszarze 40 do 45 od poziomej płaszczyzny podziału łożyska Dodatkową korzyścią zastosowania tego rozwiązania jest wzrost ciśnienia dynamicznego smaru płynnego 3 w wgłębieniu trepanacyjnym 10 i wyjęciach bocznych 11 wraz z działaniem przeciw kawitacji, dając zatrzymywanie ewentualnych stałych cząstek zanieczyszczeń oleju w wgłębieniu 10. Rozwiązanie konstrukcyjne polegające na wbudowaniu w powierzchnię ślizgową łożyska, przykrawędziowych wgłębień 7 o zróżnicowanych wymiarach w dowolnej ilości i rozmieszczeniu, ma na celu przeciwdziałanie upływom bocznym smaru płynnego 3 z powierzchni ślizgowej łożyska, przez stworzenie nośnych kurtyn wysokociśnieniowych z interferencji mikroklinowej przykrawędziowej hydrotermicznej, dając efekt wzrostu nośności łożyska i grubości filmu olejowego. Elementy konstrukcyjne łożyska 7 do 11 są wykonane w materiale podłoża poprzez warstwę smaru stałego 4 pokrywającą powierzchnię panwi, przy czym wgłębienia 7 do 11 są wypełnione częściowo smarem stałym o grubości warstwy do 80 mikrometrów. Fig. 8 przedstawia wykres nośności łożyska wykonanego w wersji powierzchni ślizgowej według wynalazku.

6

7 Fig. 3 Fig. 4 Fig. 5

8 Fig. 6 Fig. 7

9 Fig. 8

10 Fig. 1 Fig. 2