[發明專利]一種實現大范圍溫度應力調節的陶瓷軸承及其設計方法

有效

• 申請號: 202010412290.6
• 申請日: 2020-05-15
• 公開（公告）號: CN111649059B
• 公開（公告）日: 2021-11-05
• 發明（設計）人: 吳成偉;馬建立;張偉;韓嘯;馬國軍;呂永濤;李東炬
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: F16C17/24
• 分類號: F16C17/24;F16C33/04;F16C43/02;G06F30/17;G06F119/14
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮;潘迅

一種實現大范圍溫度應力調節的陶瓷軸承及其設計方法，屬于機械設計與制造技術領域。陶瓷軸承的軸套結構為三層結構，從外到內依次為環形金屬支撐元件、環形彈性元件、環形陶瓷元件，環形金屬支撐元件和環形陶瓷元件之間的縫隙內充填潤滑劑。當工作溫度降低時彈性元件被壓縮，通過調節彈性元件的k值控制陶瓷元件的受力狀態，保證陶瓷材料不被壓碎。當軸承工作溫度上升時彈性元件釋放彈性勢能，保證軸承的可允許偏移量或抗振動要求。本發明軸承的軸套結構溫度應力幾乎完全依靠彈性元件進行調節，對于軸承加工制造精度要求較低，可實現大范圍溫度變化的極限工況下的應用要求，并且能夠提高軸承抗振性能，從而大幅度提高軸承壽命，提高可靠性。

技術領域

本發明屬于機械設計與制造技術領域，涉及一種基于彈性元件實現大范圍溫度應力調節的陶瓷軸承及其設計方法。

背景技術

在核電站中，有許多關鍵裝備工作在高溫、高壓和放射性水環境中。例如，核電站的主泵以及各二級泵的水潤滑導軸承，不能采用常規潤滑油潤滑，只能依靠冷卻水自身實現潤滑。這些軸承具有特殊設計要求，溫度變換范圍大(最高溫度可達280℃)、使用壽命長、耐腐蝕、耐輻射、摩擦系數低，動力穩定性好等。國際上一般采用不銹鋼表面強化處理(例如噴涂碳化鎢)、表面堆焊等技術，但是表面強化層在溫度應力作用下疲勞壽命難以保證，直接采用氮化硅或者碳化硅軸套各項性能非常優異，特別是氮化硅由于比碳化硅摩擦系數低、抗壓強度高、韌性好，是最為理想的軸套材料。但是氮化硅或碳化硅材料的熱膨脹系數只有結構鋼的約1/4～1/3，在低溫停堆時(例如北方冬季低溫可達-40℃)以及在高溫工作時(例如280℃)，氮化硅、碳化硅或三氧化二鋁等陶瓷軸套容易與金屬支撐結構分離或者溫度應力過大而斷裂。本發明旨在有效解決這一技術難題。同時，本發明研發的軸承可以適用于任何其他領域在大工作溫度范圍的軸承設計。

發明內容

本發明目的在于建立一種基于彈性元件實現大范圍溫度應力調節的陶瓷軸承設計與制造方法。陶瓷材料為氮化硅、碳化硅或三氧化二鋁等。該方法的主要優點是，軸套結構的溫度應力幾乎完全依靠彈性元件進行調節，對于軸承加工制造精度要求較低，并且使得軸承抗振性能大為提高，從而大幅度提高了軸承壽命。

為了達到上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種實現大范圍溫度應力調節的陶瓷軸承，所述陶瓷軸承的軸套結構為三層結構，最外層為環形金屬支撐元件1，中間層為環形彈性元件，最內層為環形陶瓷元件3。所述環形金屬支撐元件1和環形陶瓷元件3的材料和尺寸是固定的，環形金屬支撐元件1和環形陶瓷元件3之間存在縫隙，縫隙間距固定。所述環形彈性元件的間隙部分可以充填潤滑劑(如耐高低溫的潤滑油、潤滑脂等)。

所述環形彈性元件包括以下結構形式：

(1)環形彈性元件由彈性金屬波紋片構成，波紋走向可以為橫向或縱向，彈性金屬波紋片可以為一體的環形結構或多體的環形拼接結構，彈性金屬波紋片可以為單層結構或多層結構。所述彈性金屬波紋片的彈性模量、熱膨脹系數、單片厚度、周期數、幅值、分片數、層疊數是調節彈性元件k值(剛度)的參數。

(2)環形彈性元件由彈性塊體材料構成，彈性塊體材料可以為多孔材料或骨架結構，彈性塊體材料可以為一體的環形結構或多體的環形拼接結構。所述多孔材料的彈性模量、熱膨脹系數、厚度、孔隙率是調節彈性元件k值(剛度)的參數；所述骨架材料的彈性模量、熱膨脹系數、厚度、孔隙率、單元構型、單元尺寸是調節彈性元件k值(剛度)的參數。

所述陶瓷軸承采用以下兩種固定形式，保證環形金屬支撐元件1、環形彈性元件以及環形陶瓷元件3三者之間不發生相對滑動。

(1)采用螺栓限位桿固定方式，保證環形金屬支撐元件1、環形彈性元件以及環形陶瓷元件3三者之間不發生相對滑動，具體為：

所述螺栓限位桿采用與環形金屬支撐元件1相同的材質，螺栓限位桿分為兩部分，一部分帶有螺紋，一部分表面光滑，表面光滑部分的直徑小于螺紋部分內凹處的直徑。