FI108572B - Menetelmä ja laitteisto ilmalaakerin ilmavälin muodostamiseksi - Google Patents

Description

108572

MENETELMÄ JA LAITTEISTO ILMALAAKERIN ILMAVÄLIN MUODOSTAMISEKSI

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdanto-osassa esitetty menetelmä ja patenttivaatimuksen 5 johdanto-osassa esitetty 5 laitteisto ilmalaakerin ilmavälin muodostamiseksi.

Ennestään tunnetaan kahden toistensa suhteen liikkuvan pinnan laakeroinnin yhteydessä lähinnä mekaaniset laakerointiratkaisut, mutta myös hydrostaattisia ja ns. ilmalaakerikonstruktiota on 10 tehty. Tässä keksinnössä käsitellään laakerointia lähinnä lineaarimoottoreiden ja vastaavien yhteydessä. Mekaanisten ratkaisujen haittana on mm. laakeripinnan suuri tasaisuusvaatimus, koska lineaarimoottorissa staattorin ja roottorin ilmaväli on | suhteellisen pieni. Jotta em. tasaisuusvaatimus tulisi täytetyksi 15 on rakenteista tehtävä yleensä tukevia, jotka ovat vastaavasti raskaita ja kalliita. Edellä mainittujen epäkohtien lisäksi | mekaaninen laakerointi on äänekäs. Erästä mekaanista ratkaisua sovellettuna hissikäyttöön esittää US-patentti nro 5,086,881.

20 Hydrostaattinen laakerointi vaatii tasaisen laakeripinnan lisäksi suljetun nestekierron hydraulinesteelle. Tällöin ei ole edullista rakentaa kovin isoja laitteistoja hydrostaattista laakerointia ajatellen. Usein tämäntyyppiset ratkaisut ovatkin käytössä pienehköissä laitteissa, esimerkiksi työstökoneissa.

25

Perinteinen ilmalaakerointi, eli aerostaattinen laakerointi vaa-tii todella jäykät ja tarkat rakenteet erittäin pienen laakerivä-, lyksen vuoksi. Ilmalaakerointikin on tarkoitettu yleensä pieniin rakenteisiin, kuten työstökoneisiin tai vastaaviin. US-patentti 30 nro 4,798,985 esittää työstökoneeseen tarkoitettua laakeroin-tiratkaisua, jossa lineaarisesti liikkuva osa on laakeroitu sekä ’;··* perinteisellä laakeroinnilla että ilmalaakeroinnilla, jolloin '··»’ ilmalaakeroinnin tarkoituksena on keventää perinteisen laakeroinnin kantamaa kuormaa. Ongelmana tässä ratkaisussa on se, että 35 se ei sovellu juuri työstökoneita suurempiin ratkaisuihin, ‘>>ti suurten pinnantarkkuusvaatimusten ja monimutkaisen rakenteensa takia.

tl·!· • » . US-patentti nro 5,128,569 esittää ilmalaakeroitua lineaarimootto-

> I I

* t » » » 108572 2 riratkaisua kuljetinkäytössä. Siinä lähinnä vaakatasossa liikutettava kuormalava lepää liikkuvien kannatinelimien varassa koverilla kuljetuskiskoilla. Liikkuva kannatinelin on rakennettu lineaarimoottorin toisioksi, ja kuljetinkiskoilla on säännöllisin 5 välein lineaarimoottorin ensiökäämejä, jotka tässä ratkaisussa toimivat staattoreina. Kuljetinkiskon koveralla yläpinnalla on useita pieniä reikiä tai suuttimia, joista puhalletaan paineilmaa silloin, kun liikkuva kannatinelin on kyseisten reikien lähistöllä, jolloin kannatinelimet leijuvat muutaman millimetrin 10 paksuisen ilmapatjan päällä ja lineaarimoottorikonstruktio liikuttaa kuormaa. Epäkohtana tässä ratkaisussa on se, että se soveltuu etupäässä vain vaakasuoraan käyttöön. Lisäksi ongelmana on se, että pienen ilmavälin tarkkojen tasomaisuusvaatimusten takia rakenne on toteutettu normaalia suuremmalla ilmavälillä, jolloin 15 energiankulutus kasvaa. Lisäksi kovin pitkissä ratkaisuissa ilman kuljetus ja sekventiaalinen ohjaaminen juuri oikeaan kohtaan aiheuttavat lisää kustannuksia ja monimutkaisuutta.

US-patentti nro 5,668,421 esittää erilaisia lineaarimoottorikäyt-20 töjä, jotka perustuvat ilmalaakeroituun lineaarimoottoriin. Korkeapaineista ilmaa johdetaan liikkuvan osan ja ohjauskiskon väliin joko liikkuvan osan puolelta tai ohjauskiskon puolelta. Ensimmäisessä tapauksessa liikkuvassa osassa on kompressori paineilman tuottamiseksi ja paineilma ohjataan suuttimien kautta 25 liikkuvan osan ja staattorina olevan ohjauskiskon väliin. Tässä-: kin ratkaisussa ohjauskiskon pinnan tasaisuuden on oltava erit- ' täin hyvä varsinkin, kun on kyse ihmisten kuljettamisesta, jotta ··· kulkuominaisuudet olisivat hyväksyttävällä tasolla. Tämä tekee ratkaisusta erittäin kalliin.

30 i * * » · ,··*, Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä mainitut epäkoh dat sekä aikaansaada luotettava ja helppokäyttöinen menetelmä ja laitteisto ilmalaakerin ilmavälin muodostamiseksi. Keksinnön mu-;;; kaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mitä on esitetty pa- ;·' 35 tenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa ja keksinnön mukaiselle ·;··: laitteistolle on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaa- ·:·· timuksen 5 tunnusmerkkiosassa. Muille keksinnön sovellutus- * j > 108572 3 muodoille on tunnusomaista se, mitä on esitetty muissa patenttivaatimuksissa.

Keksinnön mukaisen ratkaisun etuna on se, että ilmalaakerin 5 toisena laakeripintana olevan taipuisan levyn ja sen yhteydessä toimivan elastisen väliaineen ansiosta staattorin jäykän vastin-pinnan tasomaisuuden ei tarvitse olla niin tarkka kuin normaalisti esimerkiksi työstökoneissa. Taipuisa levy taipuu ja asettuu laakerikuorman alla vastinpinnan muotoon, jonka 10 muotovirheet ja lämpötilan vaihteluista aiheutuvat muodonmuutokset voivat olla jopa kertaluokkia suurempia kuin laakerin ilmavälys, joka on suuruusluokkaa 1/100 mm. Koska staattorin vastinpinnan ei tarvitse olla niin tarkka kuin tunnetuissa ilmalaakeriratkaisuissa, voidaan keksinnön mukaista 15 ratkaisua käyttää moniin sovellutuksiin, joihin tunnetut ilmalaakeriratkaisut eivät sovellu. Tällöin voidaan rakentaa mm. ilmalaakeri, joka toimii 1/100 mm ilmavälillä ja on useita metrejä pitkä eikä vaadi sen tarkempia tasomaisuustoleransseja kuin esimerkiksi hissin johdeprofiilit.

20

Niinpä keksinnön mukainen ilmalaakeroitu lineaarimoottori sopii esimerkiksi hyvin hissin nostokoneistoksi, jossa suunnilleen hissin nostokorkeuden mittaista staattoria ei tarvitse erikseen hioa pinnaltaan äärimmäisen tasaiseksi, vaan normaalisti pinta-25 käsitelty ja siten edullinen ratkaisu on teknisesti riittävä rat-i kaisu.

*: Hissikäytössä etuna on vielä se, että näin voidaan rakentaa edul- lift lisiä konehuoneettomia hissejä, joissa ei ole kuilussa köysi-30 pyöriä eikä nostoköysiä kaikkine tarvittavine varusteineen.

< * · ,···, Verrattuna tunnettuihin hissien lineaarimoottorisovellutuksiin, keksinnön mukainen ratkaisu on yksinkertainen, hiljainen, ... edullinen ja kuluvien osien vähäisyyden ansiosta myös vähän ;;; huoltoa vaativa ratkaisu.

35 ·;’! Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisemmin yhden so- ·;>·! vellutusesimerkin avulla viittaamalla oheisiin piirustuksiin, 4 1 O B 5 7 2 joissa kuvio 1 esittää keksinnön mukaista ratkaisua sivulta katsottuna osakuvana ja yksinkertaistettuna sekä leikattuna kuvion 4 leikkausviivaa I - I pitkin, 5 kuvio 2 esittää keksinnön mukaista ratkaisua sivulta katsottuna osakuvana ja yksinkertaistettuna sekä leikattuna kuvion 4 leikkausviivaa II - II pitkin, kuvio 3 esittää keksinnön mukaisen ratkaisun yksityiskohtaa yksinkertaistettuna ja leikattuna kuvion 4 leikkausviivaa 10 III - III pitkin siten, että laakerivälys ja staattorin vastinpinnan muotovirheet näkyvät liioitellusti suurennettuina ja kuvio 4 esittää keksinnön mukaisen laakeriratkaisun yksityiskohtaa osakuvana ja yksinkertaistettuna päältä katsottuna 15 siten, että lineaarimoottorin liikkuva osa ei ole näky vissä .

Keksinnön mukaista ratkaisua voidaan käyttää useissa erilaisissa laakerointisovellutuksissa, joissa kaksi lähellä toisiaan olevaa 20 pintaa liikkuu toistensa suhteen. Seuraavassa selostetaan erityisesti hissikäyttöön tarkoitetun lineaarimoottorin laakerointiso-vellutus, joskin yksinkertaistettuna.

Laitteistoon kuuluu kiinteä staattoriosa 2, jossa on vastinpinta 25 4 lineaarimoottorin liikkuvaa osaa 1 vasten. Vastinpinnan pinnan-| tarkkuus on valittu tarkoitukseen sopivasti siten, että pinnan j : muotovirheet voivat olla suurempia kuin lineaarimoottorin ilma- ;· laakerin välys, jota tässä kuvataan vastinpinnan 4 ja liikkuvan *. : osan 1 välissä olevalla ilmaraolla 9. Lisäksi liikkuvan osan ja 30 staattoriosan välissä on moottorin ilmarako, joka on säädetty ,·*·, olemaan suurempi kuin ilmalaakerin ilmarako 9. Ilmalaakerin toi-

>. I

nen vastinpinta on taipuisa levy 3, joka kiertää olennaisesti sa-massa tasossa liikkuvan osan 1 ympäri muodostaen päältä katsot-tuna suorakaiteen muotoisen suljetun kehän, joka on keskeltä '·' 35 ontto ja jonka sivut ja päädyt ovat levyn 3 levyiset. Taipuisa ;·'ί levy 3 on varustettu säännöllisin välein ohuilla, levyn läpi ;*·· menevillä rei'illä 6, jotka toimivat paineilmasuuttimina. Reiät ' 1 t 5 ΜΊ8572 on sijoitettu esimerkiksi päältä katsottuna taipuisan levyn 3 keskilinjaan, mutta rakenteen mukaan ne voivat sijaita myös muualla kuin keskilinjassa. Taipuisa levy 3 on ei- ferromagneettista materiaalia ja mieluummin sellaista ainetta, 5 jonka sähkönjohtavuus on huono, jotta pyörrevirtojen haittavaikutukset saataisiin eliminoiduksi. Yksi tähän tarkoitukseen soveltuva levyn materiaalirakenne on komposiittirakenne .

10 Ilmalaakerin vastinpinnasta katsottuna taipuisan levyn 3 takapintaan on sovitettu paineilmakanava 7, joka kulkee yhtenäisenä levyn keskilinjassa koko levyn pituisen matkan peittäen kaikki reiät 6. Paineilmakanava voi olla esimerkiksi kourumainen metallilevy, joka on kiinnitetty taipuisan levyn takapintaan 15 kaareva puoli ylöspäin. Paineilman ulostuloreitti paineilmakana-vasta 7 on reikien 6 kautta. Lisäksi taipuisa levy on liitetty takapinnastaan liikkuvan osan 1 runkoon usean elastisen, nestetäytteisen tyynyn 5 avulla. Tyynyjen 5 täyttöä varten kussakin tyynyssä on oma täyttöventtiili 12, jonka avulla kukin 20 tyyny voidaan täyttää erikseen tyynyjen ollessa kiinnitettyinä liikkuvaan osaan 1. Täyttöventtiilit 12 on sijoitettu esimerkiksi liikkuvan osan 1 läpi meneviin reikiin. Elastiset tyynyt toimivat keksinnön mukaisena joustavana välityselimenä. Tyynyjen seinämämateriaali on valittu siten, että se on toistuvaa liikettä 25 kestävää, venymätöntä ja hyvin taipuisaa, eikä siten vastusta : tyynyjen sisällä olevan nesteen liikettä. Tyynyjen etupinta on kiinni taipuisan levyn takapinnassa ja tyynyjen takapinta on vas-··· taavasti kiinni liikkuvan osan 1 rungossa. Kiinnitys on to- » I · · teutettu rakenteesta riippuen joko liimaamalla vulkanoimalla tai .*··. 30 mekaanisella kiinnityksellä. Tyynyt 5 on sijoitettu peräkkäin ,···, pienen raon 11 päähän toisistaan ja sivusuunnassa taipuisan levyn 3 keskilinjaan nähden siten, että taipuisa levy asettuu leveys-,,, suunnassa vastinpirman 4 suuntaiseksi, jolloin ilmaväli 9 on mah- dollisimman tasapaksu koko taipuisan levyn leveydeltä.

35 ·;··: Tyynyjen 5 tarkoituksena on siirtää kuorma liikkuvan osan 1 run- ·;*; golta taipuisaan levyyn 3 siten, että taipuisa levy 3 voi asettua 1 i » 108572 6 staattoriosan 2 vastinpinnan 4 muotoon. Tyyny 5 on täytetty sopivasti valitulla väliaineella siten, että sen tilavuus ei käytännössä muutu, vaan tyynyn antaessa periksi jostakin kohdasta siten, että tyynyn paksuus pienenee, kasvaa paksuus vastaavasti 5 toisessa kohdassa. Tyynyn keskimääräinen paksuus pysyy siis koko tyynyn matkalla samana. Paksuuden muutosten on lisäksi voitava tapahtua hyvin nopeasti. Tyynyn sisällä olevan väliaineen koostumus on keksinnön mukaisen ratkaisun toiminnan kannalta tärkeä. Jotta ilmalaakerin ilmavälin suuruus olisi hallittavissa 10 riittävän hyvin ja pidettävissä riittävän pienenä, esimerkiksi suunnilleen 1/100 mm suuruisena, väliaineen tulee olla kokoonpuristumatonta, eli siis käytännössä nestettä. Lisäksi väliaineen viskositeetin oikealla valinnalla voidaan vaimentaa osien keskinäisiä värähtelyjä. Tämän lisäksi tyynyn 5 ja | 15 taipuisan levyn 3 leveyssuhteet on valittu optimaalisesti siten, ; että taipuisa levy 3 ei taivu leveyssuunnassa kourulle, vaikka I onkin niin ohut, että taipuu vastinpinnan 4 muodonmuutosten mukana. Kuvio 3 esittää tyynyn 5 ja taipuisan levyn 3 yhteistoimintaa havainnollisesti. Kuvion mittasuhteita on 20 muutettu ja vastinpinnan 4 muotovirheitä on huomattavasti liioiteltu, jotta kuviosta näkyisi mahdollisimman selvästi, miten tyyny 5 pakottaa taipuisan levyn 3 seuraamaan levyn pituussuunnassa vastinpinnan 4 muotoa.

25 Haluttaessa tyynyjen 5 väliset raot 11 voidaan tiivistää esimer- · kiksi tyynyjen ulkoreunoihin asetettavilla tiivistyselimillä 8, jolloin laakerina toimivan taipuisan levyn muodostaman kehän si- ··· sälle syntyy ylipaine, joka kantaa osan kuormasta. Tarvittaviin J.J kohtiin tyynyjen 5 väliin on sijoitettu paineilman syöttökanavat .···. 30 10 paineilman syöttämiseksi ilmalaakeriin paineilmakanavan 7 ja .···, edelleen paineilmareikien 6 kautta lineaarimoottorin liikkuvan * · osan 1 liikkuessa staattorin 2 vastinpinnalla 4. Syöttökanavat 10 on sijoitettu liikkuvan osan 1 läpi meneviin reikiin joustavasti ··;’ esimerkiksi palkeen tai vastaavan avulla siten, että ne eivät ··* 35 haittaa taipuisan levyn 3 taipumista vastinpinnan 4 muodon mukai- ·;··· sesti.

108572 7

Keksinnön mukainen laitteisto asennetaan toimintakuntoon esimerkiksi siten, että liikkuvan osan 1 ja staattorin 2 väliin pannaan lineaarimoottorin halutun ilmavälin paksuinen täytelevy ja liikkuva osa puristetaan kiinni staattoriin. Tämän jälkeen täyte-5 tään tyynyt 5 liikkuvan osan 1 läpi meneviin reikiin sijoitettujen täyttöventtiilien 12 kautta tarkoitukseen valitulla väliaineella valittuun esitäyttöpaineeseen asti siten, että ; lopuksi jokainen tyyny on erillinen suljettu kokonaisuus. Kun nyt j täytelevy otetaan pois liikkuvan osan 1 ja staattorin 10 vastinpinnan 4 välistä, on sekä ilmalaakerin että lineaarimoottorin ilmarako oikeansuuruinen lineaarimoottorin ollessa liikkeessä.

Alan ammattimiehelle on selvää, ettei keksintö rajoitu edellä 15 esitettyyn esimerkkiin, vaan voi vaihdella jäljempänä esitettävien patenttivaatimusten puitteissa. Niinpä esimerkiksi laitteen rakenne voi poiketa edellä esitetystä siten, että taipuisan levyn 3 asemesta käytetään pieniä erillisiä jäykkiä ilmalaakereita, jotka sijaitsevat vierekkäin, ja joita kuormittaa yhteinen 20 nestetyyny. Tällaisen erillisen laakerielementin tulisi olla kooltaan niin pieni, että sen kokoisella alueella vastinpinnan tasomaisuustoleranssi on selvästi pienempi kuin ilmalaakerin il-maväli. Samoin nestetäytteisen tyynyn 5 asemesta voidaan käyttää kaasutäytteistä tyynyä, joka voi olla samalla myös ilmalaakerin 25 paineilmakanava. Kaasutäytteinen tyyny ei kuitenkaan anna raken-:,· teelle yhtä helposti samaa tuennan jäykkyyttä kuin olennaisesti : kokoonpuristumattomalla nesteellä täytetty tyyny.

Lisäksi keksinnön mukaista ilmalaakeria voidaan käyttää monissa ,···. 30 muissakin sovellutuksissa kuin tämän keksinnön selostuksessa mai- nitussa lineaarimoottorilla varustetussa hissikäytössä. Keksinnön mukainen laakerointi soveltuu yleensä kaikkien pyörivien moottoreiden tai koneiden aksiaali- ja radiaalilaakerointiin. Se sopii '···' myös käytettäväksi työstökoneiden johteisiin ja erilaisiin tava- ···' 35 roiden tai henkilöiden kuljetussovellutuksiin, jossa kuormaa ke- ·;··· vennetään tai kuorma pidetään irti vastinpinnastaan kuorman ja .johteiden välisellä ilmalaakeroinnilla.

• » *

Claims (10)

1. Menetelmä ilmalaakerin ilmaraon (9) muodostamiseksi, jossa ilmarako muodostetaan toistensa suhteen liikkuviksi tarkoitettujen 5 vastinpintojen (3 ja 4) väliin, tunnettu siitä, että paineväliai-neen, kuten ilman avulla aikaansaadun ilmaraon (9) suuruus pidetään olennaisesti vakiona elastisesti muotoaan muuttavan välitys-elimen (5) ja sen yhteydessä toimivan, toisen vastinpinnan muodostavan taipuisan levyn (3) avulla. | 10

2. Menetelmä lineaarimoottorin laakeroimiseksi ilmalaakerin avulla, jossa menetelmässä ilmalaakerin ilmarako (9) muodostetaan toistensa suhteen liikkuviksi tarkoitettujen vastinpintojen (3 ja 4. väliin, tunnettu siitä, että paineväliaineen, kuten ilman 15 avulla aikaansaadun ilmaraon (9) suuruus pidetään olennaisesti vakiona elastisesti muotoaan muuttavan välityselimen (5) ja sen yhteydessä toimivan, toisen vastinpinnan muodostavan taipuisan levyn (3) avulla. i 20

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että elastisesti muotoaan muuttava välityselin (5) saatetaan muuttamaan muotoaan vastinpintojen (3 ja 4) liikkuessa toistensa suhteen siten, että välityselimen (5) keskimääräinen paksuus pysyy koko ajan olennaisesti samana. 25 :,· J

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu ·' : : siitä, että paineilma johdetaan ilmarakoon (9) taipuisassa ··· levyssä (3) olevien ilmareikien (6) läpi. .···. 30

5. Laitteisto ilmalaakerin ilmaraon (9) muodostamiseksi, johon ,··. laitteistoon kuuluu vähintään ilmalaakerin vastinpinnat (3 ja 4), joista toisessa vastinpinnassa on paineilman tuloreiät (6) , ja paineilman välityselin (10), jonka avulla paineilma on johdettu '··’ vastinpintojen väliseen ilmarakoon (9) tuloreikien (6) kautta, ···’ 35 tunnettu siitä, että laitteistoon kuuluu elastisesti muotoaan ·:’·· muuttava välityselin (5), joka on järjestetty välittämään kuorma ;··* liikkuvalta osalta (1) vastinpinnalle (4) . •1 n 8 5 7 2

6. Laitteisto lineaarimoottorin laakeroimiseksi ilmalaakerin availla, johon laitteistoon kuuluu vähintään ilmalaakerin vastin-pinnat (3 ja 4), joista toisessa vastinpinnassa on paineilman tu-loreiät (6), ja paineilman välityselin (10), jonka avulla paine- 5 ilma on johdettu vastinpintojen väliseen ilmarakoon (9) I tuloreikien (6) kautta, tunnettu siitä, että laitteistoon kuuluu j elastisesti muotoaan muuttava välityselin (5) , joka on järjestetty välittämään kuorma liikkuvalta osalta (1) vastinpinnalle (4). 10

7. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että elastinen välityselin (5) on kiinnitetty takapinnastaan liikkuvan osan (1) runkoon, ja että elastisen välityselimen (5) ja ilmaraon (9) välissä on laakerielementtinä toimiva 15 taipuisa levy (3), joka on kiinnitetty takapinnastaan elastisen välityselimen (5) etupintaan.

8. Patenttivaatimuksen 5, 6 tai 7 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että elastinen välityselin koostuu useasta nestetäyttei- 20 sestä tyynystä (5), joiden tilavuuden muutos on estetty olennaisesti venymättömän mutta taipuisan seinämämateriaalin avulla ja jotka tyynyt on sijoitettu peräkkäin taipuisan levyn (3) muotoista kehää vastaavalle kehälle ja etäisyyden (11) päähän toisistaan. 25

: 9. Jonkin edellä olevan laitteistovaatimuksen mukainen ·',·,· laitteisto, tunnettu siitä, että taipuisa levy (3) on varustettu rei'illä (6), joiden kautta paineilma on järjestetty kulkemaan ilmarakoon (9) . 30 .··.

10. Hissi järjestely, johon kuuluu hissikuilussa johteita pitkin » · liikkuva hissikori, joka on järjestetty liikkumaan nostomoottorina toimivan lineaarimoottorin avulla, jossa ;;; lineaarimoottorissa on ilmalaakerin vastinpinnat (3 ja 4), joista ·;·* 35 toisessa vastinpinnassa on paineilman tuloreiät (6), ja paineilman välityselin (10), jonka avulla paineilma on johdettu vastinpintojen väliseen ilmarakoon (9) tuloreikien (6) kautta, 10 1 08 572 tunnettu siitä, että laitteistoon kuuluu elastisesti muotoaan muuttava välityselin (5) joka on järjestetty välittämään kuorma liikkuvalta osalta (1) staattorin vastinpinnalle (4). U 108572 i