Устройство защиты опорного подшипника качения

Изобретение относится к опорному подшипнику качения, предназначенному для использования в любой вращающейся машине, требующей направления во вращении вращающихся частей при помощи опорного подшипника качения. В частности, изобретение находит применение в опорных подшипниках качения для электрических двигателей. Речь может идти, например, о тяговых двигателях управляемого транспортного средства, такого как железнодорожное транспортное средство. Устройство защиты, в частности тепловой защиты и/или защиты от электрических токов утечки опорного подшипника качения (Р), установленного на валу (A) электрического двигателя, содержит кольцо (В), расположенное между валом и опорным подшипником качения и изолированное от вала посредством диэлектрического покрытия (19). Диэлектрическое покрытие (19) нанесено, по меньшей мере, на поверхность (20, 21) кольца (В), предназначенную для вхождения в контакт с валом (А). Технический результат: обеспечение предотвращения или замедления преждевременного износа опорного подшипника качения, связанного, в частности, с воздействием электрических токов утечки. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к опорному подшипнику качения, предназначенному для использования в любой вращающейся машине, требующей направления во вращении вращающихся частей при помощи опорного подшипника качения. В частности, изобретение находит применение в опорных подшипниках качения для электрических двигателей. Речь может идти, например, о тяговых двигателях управляемого транспортного средства, такого как железнодорожное транспортное средство.

Опорные подшипники качения (которые в дальнейшем для упрощения можно называть просто «подшипниками качения» или «подшипниками») подвергаются разрушающим воздействиям в результате прохождения через них электрических токов утечки. Эти токи утечки могут появляться, в частности, от нарушения симметрии в структуре магнитных цепей двигателя или при питании двигателя от инверторов. Когда токи появляются при нарушении симметрии магнитной цепи, проходящие через подшипники токи имеют низкие частоты порядка нескольких кГц. Когда двигатели получают питание от инверторов, точки утечки имеют более высокие частоты, которые могут достигать 100 кГц и даже нескольких МГц. В двигателях эти два типа токов утечки могут присутствовать одновременно.

Необходимо защищать подшипники от токов утечки, так как эти токи создают электрические дуги между элементами качения и дорожками колец подшипника. Эти дуги приводят к преждевременному разрушению подшипника в ходе процесса, подобного электродуговой сварке, создавая сильные локальные повышения температуры: таким образом, они повреждают смазку подшипника и/или зоны контакта между вращающимися элементами и дорожками.

Известное решение для защиты подшипников от этих токов утечки состоит в электрической изоляции внутреннего или наружного кольца подшипника путем добавления диэлектрического слоя типа керамики, например, из глинозема. Однако это решение является более эффективным для токов низкой частоты, чем для токов высокой частоты. Кроме того, учитывая относительную хрупкость этого слоя керамики, усложняется монтаж опорных подшипников качения.

Задачей изобретения является устранение, по меньшей мере, части недостатков этого известного решения. В частности, задача состоит в предотвращении или замедлении преждевременного износа опорных подшипников качения, связанного, в частности, с воздействием электрических токов утечки.

Поставленная задача решена в устройстве защиты, в частности тепловой защиты и/или защиты от электрических токов утечки опорного подшипника качения, предназначенного для установки на валу электрического двигателя. Это защитное устройство содержит кольцо, расположенное между валом и опорным подшипником качения и изолированное от вала при помощи диэлектрического покрытия.

Это дополнительное кольцо позволяет изолировать электрически подшипник от вала, что обеспечивает предохранение подшипника от токов утечки, проходящих от вала, и не требует изменения стандартной конструкции подшипников. Оно является эффективным как в отношении токов высокой частоты, так и в отношении токов низкой частоты, так как его можно подбирать независимо от подшипника, который остается неизменным, для обеспечения достаточной изоляции от двух обычно встречающихся типов токов утечки. Кроме того, как правило, эту электрическую изоляцию дублируют тепловой изоляцией, которая участвует в снижении любого риска нагрева подшипника от теплопередачи через вал, что тоже является источником преждевременного износа.

Предпочтительно кольцо изготовлено на основе титана или титанового сплава. Действительно, было установлено, что этот тип металла имеет свойства, отличные от свойств, например, стали (из которой обычно выполняют валы), что обеспечивает преимущество по меньшей мере с двух точек зрения:

С одной стороны, титан имеет коэффициент теплопроводности по меньшей мере в три раза ниже, чем сталь (примерно 21,6 Вт/мК для титана против примерно 71 Вт/мК для стали), что позволяет тоже уменьшить теплопередачу от вала к подшипнику.

С другой стороны, выбор титана (или одного из его сплавов, в основном содержащих титан) повышает качество соединения внатяг между валом и кольцом с учетом скорости и нагрева, так как коэффициент теплового расширения титана намного ниже коэффициента теплового расширения стали (примерно 8,5±10^-6 К^-1 для титана против 12,2×10^-6 К^-1 для стали), и его плотность является гораздо меньшей (плотность титана примерно на 60% меньше, чем у стали).

Наконец, предпочтительно, чтобы выбираемый для кольца материал обладал механической прочностью, превышающей или равной механической прочности стали, что тоже соответствует случаю титана.

Согласно первому варианту осуществления изобретения кольцо изолируют электрически от вала при помощи покрытия из изолирующего (диэлектрического) материала, наносимого, по меньшей мере, на поверхность кольца, предназначенную для вхождения в контакт с валом.

Согласно второму варианту осуществления изобретения в случае необходимости, в комбинации с первым вариантом, кольцо изолируют электрически от вала при помощи покрытия из изолирующего (диэлектрического) материала, наносимого на наружную поверхность вала, по меньшей мере, в зоне, предназначенной для вхождения в контакт с кольцом.

Таким образом, изолирующее покрытие может находиться на кольце, на валу или одновременно на кольце и валу в зоне их совместного контакта.

Предпочтительно изолирующее покрытие или каждое изолирующее покрытие является покрытием из керамики, в частности из металлического оксида, из металлического нитрида или из нитрида кремния. Например, речь может идти об оксиде алюминия, оксиде титана, нитриде кремния или о смеси по меньшей мере двух из этих соединений.

Например, можно осуществлять нанесение изолирующего покрытия или изолирующих покрытий путем плазменного осаждения.

Устройство согласно изобретению содержит средства удержания и относительного позиционирования между кольцом и валом и между кольцом и подшипником.

Так, согласно варианту осуществления кольцо содержит торцевую сторону, выполненную с возможностью упора в заплечик вала, что позволяет подклинить кольцо в продольном направлении относительно вала, на котором его устанавливают. При этом кольцо можно заблокировать в заданном положении на валу (после правильного подклинивания/позиционирования) за счет посадки внатяг (или при помощи любого другого механического средства).

Согласно варианту кольцо электрически изолируют от металлической детали или металлических деталей (электропроводящих и/или теплопроводящих), находящихся в контакте с валом А, при помощи изолирующего покрытия в зоне, предназначенной для вхождения в контакт с указанной или указанными механическими деталями.

Объектом изобретения является также вал электрического двигателя, на котором установлен опорный подшипник качения, оборудованный описанным выше защитным устройством.

Объектом изобретения является также электрический двигатель, содержащий вал, на котором установлен опорный подшипник качения, оборудованный описанным выше защитным устройством.

Кольцо, установленное между валом и опорным подшипником качения, можно изолировать от вала при помощи изолирующего покрытия на наружной поверхности вала, по меньшей мере, в зоне, предназначенной для вхождения в контакт с кольцом.

В этом случае изолирующее покрытие предпочтительно также наносят на:

- заплечик вала, в который может упираться торцевая сторона кольца, и/или

- наружную поверхность вала, предназначенную для вхождения в контакт с металлической деталью или металлическими деталями подшипника.

Следует отметить, что все указания на расположение в пространстве типа «верхний», «нижний», «боковой», «горизонтальный» или «вертикальный» следует рассматривать для вала, произвольно показанного в горизонтальном положении, и они не ограничивают изобретение этой конфигурацией.

Другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания частного и неограничивающего варианта осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг.1 в качестве примера показан опорный подшипник качения, для которого можно применять изобретение, вид сверху с пространственным разделением деталей;

на фиг.2 показан опорный подшипник качения, изображенный на фиг.1, установленный на валу и оборудованный защитным устройством в соответствии с настоящим изобретением (при этом в зоне монтажа подшипника на валу показана только верхняя часть вала), вид в продольном сечении вала.

Эти фигуры являются схематичными, и для упрощения их понимания масштаб между различными показанными элементами может быть не соблюден. Одинаковые элементы обозначены одинаковыми позициями на всех фигурах. Подробно будут представлены и описаны только те элементы, которые относятся к изобретению.

На фиг.1 показан известный стандартный опорный подшипник качения Р, содержащий сепаратор 2 подшипника, цилиндрический корпус 3, подшипник 4 качения, расположенный внутри цилиндрического корпуса 3, и крышку 5, содержащую цилиндрический корпус 6, заходящий в цилиндрический корпус 3 сепаратора подшипника и опирающийся на подшипник 4. В данном случае подшипник 4 является шариковым подшипником, однако он может быть и другого типа (например, роликовым подшипником). Внутреннее кольцо 7 неподвижно соединено с вращающимся валом А (показанным на фиг.2), тогда как наружное кольцо 8 неподвижно соединено с сепаратором 2 подшипника, который является неподвижным. Сепаратор 2 содержит упорный фланец 9, в котором в осевом направлении просверлены гладкие отверстия 10. Он может быть закреплен на неподвижной части вращающейся машины при помощи крепежных винтов и шайб 11, проходящих через отверстия 10 и через соответствующие отверстия, выполненные в неподвижной части вращающейся машины. Цилиндрический корпус 3 сепаратора содержит также осевые резьбовые отверстия 12. Крышка 5 содержит упорный фланец 13 с осевыми отверстиями 14. При сборке крышки и сепаратора упорный фланец 13 крышки 5 упирается в торец цилиндрического корпуса 3 сепаратора 2. Крышку 5 крепят на сепараторе 2 при помощи крепежных винтов 15, проходящих через соответствующие отверстия 14, 12 крышки 5 и сепаратора 2. Можно также предусмотреть другое соединение крышки с сепаратором.

На фиг.2 показан опорный подшипник Р этого типа, установленный на валу А, при этом показана только верхняя часть вала (из стали), который вращается вокруг своей продольной оси X, соединен с фланцем 18 и приводится во вращение не показанным электрическим двигателем. Элементы 16, 16', с одной стороны, и 17, с другой стороны, общепринято называемые дефлекторами, как известно, предназначены для обеспечения уплотнения подшипника и удержания смазки внутри него посредством лабиринтного уплотнения. В данном случае согласно изобретению опорный подшипник Р установлен на валу А через кольцо В. Это кольцо имеет постоянную внутреннюю цилиндрическую поверхность 20, адаптированную к диаметру D1 вала А. Одна из его торцевых сторон 21 взаимодействует с заплечиком 22, выполненным на уровне наружной поверхности вала и определяющим переход от его диаметра D1 к большему диаметру D2. Сторона 21 кольца В является, по меньшей мере, такой же высокой, как и этот заплечик 22 (в данном случае ее высота больше разности D2-D1). Она прилегает к заплечику 22, выполняющему функцию упора для правильного расположения кольца в продольном направлении на валу А. Кольцо В застопорено в заданном положении за счет его посадки внатяг вокруг вала А.

Гайка 23 прижимает подшипник к стороне 26 кольца В, не входя при этом в прямой контакт с валом, чтобы избежать образования электрических (и тепловых) мостиков между гайкой 23 (как правило, металлической) и валом А. Следует также отметить, что избегают любого электрического контакта между дефлектором 17 и гайкой 23.

Кольцо В выполняют из титана (или из титанового сплава) и покрывают всю его внутреннюю поверхность 20, входящую в контакт с валом А, и его торцевую сторону 21 (со стороны вала) покрытием 19 на основе оксида алюминия толщиной, например, 100-500 микрометров. Это покрытие 19, находящееся на границе контакта подшипника и вала и устраняющее любой прямой контакт между двумя элементами, электрически изолирует подшипник от вала и предохраняет его, таким образом, от токов утечки, проходящих через вал. Следует отметить, что покрытие присутствует также на поверхности кольца, входящей в контакт с дефлектором 17, то есть на поверхности задней стороны кольца (противоположной его передней стороне 21), что позволяет избежать прохождения тока от вала А к опорному подшипнику Р через этот дефлектор 17.

Титан или титановый сплав, из которого выполнено кольцо, способствует уменьшению передачи тепловой энергии между валом и подшипником, то есть тоже участвует в увеличении срока службы подшипника. В примере, представленном на фиг.2, кольцо В осуществляет блокировку дефлектора 16 (который расположен между торцевой стороной 21 кольца в его верхней части, выходящей за пределы заплечика 22 вала или любой другой детали, посаженной на вал и выполняющей функцию осевого упора для кольца (В), и между вторым заплечиком 25 вала А, определяющим переход наружного диаметра вала от диаметра D2 к диаметру D3).

В данном случае подробно не рассматривается монтаж опорного подшипника Р на валу А и на фланце 18, который остается стандартным, если не считать установки кольца В.

Кольцо В можно неподвижно соединять с валом А либо жестко, либо разъемно. Таким образом, можно заменять опорный подшипник качения Р при его износе, сохраняя кольцо В на месте вокруг вала А, если его срок службы больше, чем у подшипника. Таким образом, можно сохранить стандартный подшипник, который можно заменять без каких-либо проблем.

Возможны также другие варианты осуществления изобретения. Так, можно наносить покрытие 19 на вал А, а не на кольцо В, в любой зоне, предназначенной для вхождения в контакт с опорным подшипником Р (то есть в данном случае также на уровне заплечика вала, позволяющего заклинивать кольцо), или в зоне контакта со всеми металлическими элементами, входящими в состав подшипника или окружающей его среды, - дефлектором или другими элементами, - которыми сами входят в контакт с кольцом.

1. Устройство защиты, в частности тепловой защиты и/или защиты от электрических токов утечки опорного подшипника качения (Р), установленного на валу (A) электрического двигателя, характеризующееся тем, что содержит кольцо (В), расположенное между валом и опорным подшипником качения и изолированное от вала посредством диэлектрического покрытия (19), нанесенного, по меньшей мере, на поверхность (20, 21) кольца (В), предназначенную для вхождения в контакт с валом (А).

2. Устройство защиты по п. 1, характеризующееся тем, что кольцо (В) выполнено на основе титана или титанового сплава.

3. Устройство защиты по п. 1, характеризующееся тем, что диэлектрическое покрытие нанесено, по меньшей мере, на наружную поверхность вала, по меньшей мере, в зоне, предназначенной для вхождения в контакт с кольцом.

4. Устройство защиты по одному из пп. 1-3, характеризующееся тем, что кольцо (B) электрически изолировано от металлической детали или металлических деталей (17), находящихся в контакте с валом (А), посредством изолирующего покрытия в зоне, предназначенной для вхождения в контакт с указанной или указанными металлическими деталями (17).

5. Устройство защиты по п. 1 или 4, характеризующееся тем, что диэлектрическое покрытие или каждое диэлектрическое покрытие (19) является покрытием из керамики, в частности из оксида алюминия, оксида титана, нитрида кремния или из смеси по меньшей мере двух из этих соединений.

6. Устройство защиты по одному из пп. 1-3, характеризующееся тем, что кольцо (В) содержит торцевую сторону (21), выполненную с возможностью упора в заплечик (22) вала (А) или в любую другую деталь, посаженную на вал и выполняющую функцию осевого упора для кольца (В).

7. Устройство защиты по п. 4, характеризующееся тем, что кольцо (В) содержит торцевую сторону (21), выполненную с возможностью упора в заплечик (22) вала (А) или в любую другую деталь, посаженную на вал и выполняющую функцию осевого упора для кольца (В).

8. Устройство защиты по одному из пп. 1-3, характеризующееся тем, что кольцо (В) заблокировано в требуемом положении на валу (А) посредством посадки внатяг.

9. Устройство защиты по п. 4, характеризующееся тем, что кольцо (В) заблокировано в требуемом положении на валу (А) посредством посадки внатяг.

10. Устройство защиты по п. 6, характеризующееся тем, что кольцо (В) заблокировано в требуемом положении на валу (А) посредством посадки внатяг.

11. Опорный подшипник качения (Р), установленный на валу (А) электрического двигателя, характеризующийся тем, что снабжен устройством защиты по одному из пп. 1-10.

12. Опорный подшипник по п. 11, характеризующийся тем, что кольцо (В), расположенное между валом и опорным подшипником качения, изолировано от вала посредством изолирующего покрытия, нанесенного на наружную поверхность вала, по меньшей мере, в зоне, предназначенной для вхождения в контакт с кольцом.

13. Опорный подшипник по п. 12, характеризующийся тем, что изолирующее покрытие нанесено на заплечик (22) вала (А), в который упирается торцевая сторона (21) кольца (В).

14. Опорный подшипник по п. 12 или 13, характеризующийся тем, что изолирующее покрытие нанесено на наружную поверхность вала (А), выполненную с возможностью вхождения в контакт с металлической деталью или металлическими деталями (17) подшипника.

15. Электрический двигатель, характеризующийся тем, что содержит по меньшей мере один опорный подшипник качения (Р) по любому из пп. 11-14.