обогреваемый вытяжной цилиндр с охлаждаемым шарикоподшипником (его варианты)

Формула изобретения

1. Обогреваемый вытяжной цилиндр с охлаждаемым шарикоподшипником, содержащий закрепленный на валу электродвигателя ротор, свободно вращающийся в шарикоподшипниках, передний подшипниковый щит электродвигателя, имеющий соосно с валом цилиндрическую расточку и укрепленный на нем индуктор, состоящий из цилиндрического корпуса с передним и задним цилиндрическими буртиками и расположенной между ними обмотки, подводящие и отводящие воздушные каналы, отличающийся тем, что дополнительно содержит тонкостенную цилиндрическую втулку, установленную коаксиально валу, внутри цилиндрической расточки, при этом на поверхности последней выполнена кольцевая проточка, образующая с поверхностью втулки кольцевую камеру и соединенная с подводящим и отводящим воздушными каналами, внутренняя поверхность втулки сопряжена с наружным кольцом шарикоподшипника, на торце заднего буртика индуктора выполнен кольцевой паз, образующий с торцом переднего подшипникового щита кольцевой канал, причем воздушные каналы, кольцевой канал и кольцевая камера соединены с образованием замкнутой системы, связанной через прорезь в стенке кольцевого паза с атмосферой.

2. Обогреваемый вытяжной цилиндр с охлаждаемым шарикоподшипником, содержащий закрепленный на валу электродвигателя ротор, свободно вращающийся в шарикоподшипнике, передний подшипниковый щит электродвигателя, имеющий соосно с валом цилиндрическую расточку и укрепленный на нем индуктор, состоящий из цилиндрического корпуса с передним и задним цилиндрическими буртиками и расположенной между ними обмотки, подводящие и отводящие воздушные каналы, отличающийся тем, что дополнительно содержит цилиндрический теплоотводящий фланец и теплоизоляционную прокладку, установленные коаксиально валу между передним подшипниковым щитом и индуктором, при этом на торце заднего буртика индуктора выполнен кольцевой паз, образующий с передним торцом фланца кольцевой канал, соединенный с подводящим воздушным каналом, расположенным в теплоотводящем фланце, и выполненной в наружной стенке кольцевого паза прорезью.

3. Цилиндр по пп.1 и 2, отличающийся тем, что на наружной поверхности корпуса индуктора выполнены короткие и длинные продольные пазы, при этом первые из них расположены между буртиками, а вторые размещены от внутренней стенки переднего буртика до выполненной на внутренней стенке заднего буртика канавки и попарно соединены между собой у внутренней стенки переднего буртика с образованием вентиляционных каналов и с внутренней поверхностью обмотки индуктора, причем каждый короткий паз соединен с кольцевым каналом, а подводящие, отводящие воздушные каналы, кольцевой и вентиляционные каналы соединены с атмосферой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к производству химических волокон, а именно к устройствам для их вытяжки и термообработки.

При изготовлении химических волокон расплавленная полимерная масса продавливается через фильеры. Образовавшиеся химические волокна вытягиваются и термообрабатываются, проходя через последовательно расположенные вытяжные цилиндры. Вытяжной цилиндр современной конструкции включает в себя стальной ротор, насаженный на вал электродвигателя, свободно вращающийся в шарикоподшипниках. Внутри вращающегося ротора размещен неподвижно закрепленный на корпусе нагревательный элемент индуктор, который, возбуждая в теле ротора индукционный ток, разогревает его поверхность до требуемой температуры.

Частота вращения вала электродвигателя вытяжного цилиндра достигает 6000 об/мин, температура ротора и нагревающего его индуктора достигает 250^оС, вес вала с ротором около 60 кг. Передний подшипник электродвигателя, находящийся в непосредственной близости от индуктора, работает в очень тяжелых условиях высокая частота вращения, большая радиальная нагрузка и значительный нагрев. В то же время шарикоподшипниковые опоры должны обладать высокой износостойкостью и обеспечивать непрерывный, круглосуточный режим работы устройства без замены подшипников в течение не мене 2 лет. Для облегчения работы в некоторых конструкциях предусмотрено воздушное охлаждение подшипника.

В конструкции такого вытяжного цилиндра предусмотрено воздушное охлаждение подшипника воздухом от вентилятора, расположенного на роторе. Воздух засасывается через полый вал и на пути к колесу вентилятора охлаждает подшипник. После вентилятора воздух выбрасывается в атмосферу. Недостаток такой конструкции: полость шарикоподшипника и его вращающиеся части с нанесенной на них смазкой не изолированы от охлаждающего воздуха, из-за чего происходят выдувание смазки из шарикоподшипника и загрязнение его частицами, содержащимися в воздухе производственного помещения.

Более близкой к предлагаемому устройству является конструкция вытяжного цилиндра, который имеет ротор, закрепленный на валу электродвигателя, свободно вращающемся в шарикоподшипниках. Передняя часть подшипникового щита выполнена в виде трубы, вытянутой вдоль оси вала, а в расточке на ее внутренней поверхности установлен передний подшипник. Наружная поверхность трубообразной части подшипникового щита имеет радиальные ребра, на наружной части которых закреплена тонкостенная цилиндрическая втулка. Наружная поверхность трубообразной части подшипникового щита, ребра и внутренняя поверхность тонкостенной втулки образуют продольные подводящие каналы, по которым охлаждающий воздух от вентилятора или другого источника движется вдоль оси вала. Тепло от шарикоподшипника отводится через наружную поверхность трубообразной части подшипникового щита, с внутренней поверхностью которой соприкасается обойма шарикоподшипника. Индуктор имеет цилиндрический корпус с передним и задним цилиндрическими буртиками, между которыми расположена обмотка. Закреплен индуктор таким образом, что торец его заднего цилиндрического буртика прилегает к торцу переднего подшипникового щита, а трубообразная часть последнего и тонкостенная цилиндрическая втулка находятся внутри корпуса индуктора. Между наружной поверхностью втулки и внутренней поверхностью корпуса имеется зазор, который образует кольцевой продольный отводящий воздушный канал. Воздух из подводящих продольных каналов попадает в отводящий продольный канал и охлаждает внутреннюю поверхность корпуса индуктора, дополнительно защищая подшипник от потока тепла, исходящего от индуктора. Подводящие и отводящие каналы не представляют собой замкнутой системы, и при движении из подводящих в отводящий канал воздух попадает в полость между валом и внутренней поверхностью корпуса индуктора, в которой расположен передний подшипник, сидящий на валу. На торце трубообразной части подшипникового щита расположен сальник, уплотняющий зазор между подшипниковым щитом и вращающимся валом. На валу также закреплена втулка, служащая для поворота потока воздуха на 180^о из подводящих каналов в отводящий.

Основным недостатком конструкции прототипа является возможность доступа охлаждающего воздуха через зазоры в сальнике к вращающимся частям шарикоподшипника и выдувание смазки из шарикоподшипника, что приводит к ухудшению его работы и как следствие к уменьшению ресурса работы всего устройства. Такое устройство дорого, быстро изнашивается во время работы и требует частой замены, особенно при работе в тяжелых условиях при высокой температуре и больших скоростях вращения.

Целью изобретения является увеличение ресурса работы вытяжного цилиндра путем исключения доступа охлаждающего воздуха к вращающимся частям шарикоподшипника с нанесенной на них смазкой, лучшее охлаждение индуктора.

Для достижения указанной цели на поверхности цилиндрической расточки вытяжного цилиндра выполнена кольцевая проточка, соединенная с подводящим и отводящим каналами, внутри цилиндрической расточки закреплена тонкостенная цилиндрическая втулка, ось которой совпадает с осью вала, внутренняя поверхность втулки сопряжена с наружным кольцом шарикоподшипника, первый кольцевой канал образован наружной поверхностью тонкостенной втулки и кольцевой проточкой, на торце заднего буртика индуктора выполнен кольцевой паз, образующий с торцем переднего подшипникового щита второй кольцевой канал, подводящий, отводящий и кольцевые каналы соединены в замкнутую систему, связанную с атмосферой через прорезь в стенке кольцевого паза, несообщающуюся с полостью шарикоподшипника. Во втором варианте выполнения вытяжного обогреваемого цилиндра между передним подшипниковым щитом и индуктором установлены теплоотводящий фланец цилиндрической формы, ось которого совпадает с осью вала, и теплоизолирующая прокладка, подводящий канал размещен в теле фланца, а кольцевой канал образован кольцевым пазом на торце заднего буртика индуктора с передним торцем фланца и соединен с подводящим каналом с атмосферой переходным каналом и прорезью в наружной стенке кольцевого паза, не сообщающимися с полостью шарикоподшипника. В третьем варианте на наружной поверхности цилиндрической части корпуса индуктора расположены короткие и длинные продольные пазы, причем короткие пазы параллельны оси вала и размещены от внутренней стенки переднего буртика до внутренней стенки заднего буртика, а длинные пазы, параллельные оси вала, расположены от внутренней стенки переднего буртика до канавки на внутренней стенке заднего буртика, каждый короткий паз соединен каналом с вторым кольцевым каналом, причем вентиляционные каналы образованы чередующимися короткими и длинными пазами, попарно соединенными между собой канавкой, расположенной у внутренней стенки переднего буртика, и внутренней поверхностью обмотки индуктора, подводящие, отводящие, кольцевые и вентиляционные каналы соединены с атмосферой, не сообщаясь с полостью шарикоподшипника.

На фиг. 1 изображен продольный разрез вытяжного цилиндра, выполненного в соответствии с п.1 формулы изобретения; на фиг. 2 сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 сечение Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 показан продольный разрез вытяжного цилиндра, выполненного в соответствии с п. 2 формулы изобретения; на фиг. 5 сечение В-В на фиг. 4; на фиг. 6 представлен продольный разрез вытяжного цилиндра, выполненного в соответствии с п. 3 формулы изобретения; на фиг. 7 вид по стрелке Г на фиг. 6; на фиг. 8 сечение Д-Д на фиг. 6.

Конструкция вытяжного цилиндра состоит из ротора 1, посаженного на вал 2 электродвигателя. Вал свободно вращается в шарикоподшипниках 3. На корпусе 4 электродвигателя укреплен передний подшипниковый щит 5, имеющий цилиндрическую расточку 6, ось которой совпадает с осью вала 2. На переднем подшипниковом щите укреплен электронагревательный элемент индуктор 7, находящийся внутри охватывающего его ротора 1. Индуктор состоит из цилиндрического корпуса 8 и обмотки 9. Корпус индуктора имеет два цилиндрических буртика передний 10 и задний 11. Торец 12 заднего буртика прилегает к переднему торцу 13 переднего подшипникового щита 5. Обмотка 9 индуктора 7 расположена между передним и задним буртиками корпуса индуктора. Шарикоподшипник 3 и корпус 8 индуктора 7 охлаждаются сжатым воздухом, подводимым под давлением из внешней магистрали. Для подачи воздуха к шарикоподшипнику в переднем подшипниковом щите 5 предусмотрены подводящий 14 и отводящий 15 каналы, кольцевая проточка 16, расположенная на поверхности расточки 6 и соединенная с подводящим и отводящим каналами, переходной канал 17, соединяющий отводящий канал 15 с передним торцем 13. В расточку 6 установлена тонкостенная втулка 18, с внутренней поверхностью которой сопрягается наружное кольцо шарикоподшипника 3. Наружная поверхность втулки 18 и кольцевая проточка 16 образуют первый замкнутый кольцевой канал 19. Для охлаждения индуктора 7 на торце 12 заднего буртика 11 имеется кольцевой паз 20. Поверхность торца 13 переднего подшипникового щита 5 и кольцевой паз 20 образуют второй кольцевой канал 21. Переходной канал 17 соединяет второй кольцевой канал 21 с отводящим каналом 15. Прорезь 22 в стенке кольцевого паза 20 соединяет кольцевой канал 21 с атмосферой в пространстве между задним цилиндрическим буртиком 11 индуктора 7 и внутренней поверхностью ротора 1. Каналы 14, 15, 17, 19, 21 и прорезь 22 составляют замкнутую систему, проходя по которой, воздух охлаждает подшипник и выбрасывается в атмосферу, в пространство, не соединенное с полостью шарикоподшипника.

В качестве варианта конструкции вытяжного цилиндра предлагается конструкция, изображенная на фиг. 4, 5. В этой конструкции к внешнему торцу 13 переднего подшипникового щита 5 крепится теплоотводящий фланец 25, изолированный от подшипникового щита 5 теплоизолирующей прокладкой 26. В теле фланца 25 выполнен подводящий канал 27. На торце 12 заднего буртика 11 корпуса 8 индуктора имеется кольцевой паз 20. Передний торец 28 фланца 25 и кольцевой паз 20 образуют кольцевой канал 21, соединенный с подводящим каналом 27 и с атмосферой переходным каналом 17 и прорезью 22 в наружной стенке кольцевого паза 20. Здесь также каналы 17, 21, 27 и прорезь 22 составляют замкнутую систему, проходя по которой, воздух охлаждает торец индуктора. Шарикоподшипник защищен от потока тепла, исходящего от индуктора 7, теплоизолирующей прокладкой 26 и охлаждаемым торцем заднего буртика 11 индуктора 7. Попадание охлаждающего воздуха в шарикоподшипник полностью исключено.

Для лучшего охлаждения корпуса индуктора предлагается вариант конструкции вытяжного цилиндра, изображенный на фиг. 6, 7, 8. Для подачи воздуха к подшипникам 3 в переднем подшипниковом щите 5 предусмотрены подводящий 14 и отводящий 15 каналы, расточка 6 с кольцевой проточкой 16. Тонкостенная втулка 18, расположенная в расточке 6, образует с кольцевой проточкой 16 первый кольцевой канал 19, соединенный с подводящим и отводящим каналами. К торцу 13 переднего подшипникового щита 5 крепится теплоотводящий фланец 25, изолированный от подшипникового щита 5 теплоизолирующей прокладкой 26. К переднему торцу 28 фланца 25 крепится индуктор 7. Подводящий канал 27 фланца 25 и переходной канал 17 соединяют отводящий канал 15 переднего подшипникового щита 5 с торцем 28 фланца 25. На заднем буртике 11 корпуса 8 индуктора 7 имеется кольцевой паз 20, образующий с торцем 28 фланца 25 второй кольцевой канал 21. На наружной поверхности цилиндрической части корпуса 8 индуктора имеются продольные пазы двух видов короткие 29 и длинные 30. Короткие пазы 29 параллельны оси вала и проходят от внутренней стенки 31 переднего буртика 10 до внутренней стенки 32 заднего буртика 11. Длинные пазы 30 параллельны оси вала и начинаются от внутренней стенки 31 переднего буртика и заканчиваются канавкой 33 на внутренней стенке 32 заднего буртика 11. Каждый короткий паз 29 соединен каналом 35 с кольцевым пазом 20 на торце заднего буртика 11. Короткие 29 и длинные 30 пазы чередуются и попарно соединены между собой канавкой 36, расположенной у внутренней стенки 31 переднего буртика 10. Короткие пазы 29, длинные пазы 30, канавки 36 вместе с внутренней поверхностью обмотки 9 индуктора образуют вентиляционные каналы 37, соединенные с вторым кольцевым каналом 21 через каналы 35 и через канавки 33 с атмосферой в пространстве между задним цилиндрическим буртиком и ротором. Каналы 14, 15, 17, 19, 21, 35, 37 составляют замкнутую систему, проходя по которой, воздух охлаждает подшипник и индуктор. Попадание охлаждающего воздуха в подшипник полностью исключено.

Устройство работает следующим образом.

Электродвигатель вращает вал 2 с укрепленным на нем ротором 1. Переменное электрическое поле индуктора 7 возбуждает в теле ротора 1 индукционный ток, который нагревает ротор 1. Тепло, выделяемое при работе индуктора 7, нагревает его корпус 8, обмотку 9, прилегающие к ним передний подшипниковый щит 5 и шарикоподшипник 3. Для охлаждения подшипника 3 и индуктора 7 в конструкции вытяжного цилиндра, изображенной на фиг. 1, 2, 3, сжатый воздух подается в подводящий канал 14, затем в первый кольцевой канал 19, омывает наружную поверхность тонкостенной втулки 18, отводя тепло от шарикоподшипника 3. Через отводящий канал 15 и переходной канал 17 воздух попадает во второй кольцевой канал 21, охлаждая поверхность заднего буртика корпуса индуктора, и через прорезь 22 выходит в атмосферу, в пространство, не сообщающееся с полостью шарикоподшипника. Путь воздуха показан стрелками на фиг. 1, 2, 3.

В конструкции вытяжного цилиндра, показанной на фиг. 4, 5, воздух подается в подводящий канал 27, попадает в кольцевой канал 21, охлаждает задний торец индуктора 7, чем препятствует распространению тепла от индуктора 7 к подшипнику 3 и способствует уменьшению температуры подшипника и выходит в атмосферу через прорезь 22 в пространство, не сообщающееся с полостью шарикоподшипника 3. Путь воздуха на фиг. 4. 5 показан стрелками.

В конструкции вытяжного цилиндра, изображенной на фиг. 6, 7, 8, воздух подается в подводящий канал 14, проходя по первому кольцевому каналу 19, охлаждает тонкостенную втулку 18, а через нее и шарикоподшипник 3, затем через переходной канал 17 попадает в подводящий канал 27 фланца 25 и далее во второй кольцевой канал 21. По каналам 35 воздух попадает в каналы 37, охлаждает корпус 8 и обмотку 9 индуктора 7 и через канавки 33 выходит в атмосферу, в пространство, не сообщающееся с полостью шарикоподшипника 3. Путь воздуха показан стрелками на фиг. 6, 7, 8.

Во всех трех вариантах конструкции охлаждающий воздух не имеет доступа в полость, где расположены вращающиеся детали шарикоподшипника с нанесенной на них смазкой.

Полезный эффект, достигаемый применением предлагаемого изобретения, может быть виден из следующих объяснений. Введение воздушного охлаждения подшипника и индуктора снижает температуру подшипника, позволяет применить более дешевую и менее теплостойкую консистентную смазку, снижает тепловые напряжения, улучшает условия работы и удлиняет срок эксплуатации подшипника, а следовательно, и всего устройства. Рассматривая более подробно процесс работы смазанного шарикоподшипника, можно заметить следующее. Известно, что консистентная смазка состоит из двух компонентов твердого загустителя и жидкого масла. Выделяясь из состава смазки, жидкая компонента смазывает все трущиеся детали и расходуется в процессе работы подшипника. Одной из причин расхода жидкой компоненты является ее испарение, скорость которого в свою очередь зависит от перемещения воздуха, окружающего шарикоподшипник. Процесс испарения жидкой компоненты смазки описывается уравнением

(P_o-P_x) где - скорость потери массы смазки;

t время;

D коэффициент диффузии паров;

S площадь испарения;

М масса моля пара;

Р_о, Р_х давление пара непосредственно у поверхности и на расстоянии Х от поверхности;

R универсальная газовая постоянная;

Т абсолютная температура.

Из приведенной формулы видно, что скорость испарения пропорциональна градиенту плотности паров , который в свою очередь значительно увеличивается, если имеет место проходящий поток воздуха или хотя бы его местная циркуляция. Таким образом, даже слабый, но постоянный поток воздуха через подшипник резко увеличивает скорость испарения и расход жидкой компоненты смазки. В предлагаемой конструкции исключен доступ охлаждающего воздуха в полость, где расположены вращающиеся детали шарикоподшипника с нанесенной на них смазкой. При этом замедляется скорость испарения жидкой компоненты консистентной смазки и увеличивается длительность ее работы, что, в свою очередь, продлевает срок работы шарикоподшипника. И наконец, если охлаждающий воздух проходит непосредственно через шарикоподшипник, то возможно загрязнение последнего посторонними частицами, попадающими вместе с охлаждающим воздухом. Устранение доступа охлаждающего воздуха исключает возможность загрязнения подшипника. В этом состоит также положительный эффект предлагаемого изобретения. Кроме того, положительным эффектом является отсутствие громоздких, дорогостоящих и быстро изнашивающихся сальниковых уплотнений, которые необходимы в известных конструкциях.

В настоящее время изготовлены, прошли автономные испытания и переданы на испытания в производственных условиях три опытных образца вытяжных цилиндров по первому варианту. До конца 1993 г. предусмотрено изготовление вытяжных цилиндров, реализующих второй и третий варианты предлагаемой конструкции.