CN102434588B

CN102434588B - 一种高速转子跌落碰摩防护自润滑支承方法

Info

Publication number: CN102434588B
Application number: CN 201110343906
Authority: CN
Inventors: 张东亚; 董光能; 毛军红
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2011-11-03
Filing date: 2011-11-03
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2031-11-03
Also published as: CN102434588A

Abstract

一种高速转子跌落碰摩防护自润滑支承方法，首先制备自润滑材料，然后再粘贴叠片基体，最后将自润滑材料填充到叠片基体的沟槽或阵列微坑中，得到自润滑支承，本发明针对高速轴承转子的跌落碰摩过程，形成嵌藏式自润滑表面，实现支承表面自润滑，软质自润滑材料可缓解转子在跌落时对支承轴承冲击带来的涡动，同时保护转子表面。

Description

一种高速转子跌落碰摩防护自润滑支承方法

技术领域

本发明涉及转子跌落碰摩防护技术领域，特别涉及一种高速转子跌落碰摩防护自润滑支承方法。

背景技术

现代机械向高参数方向发展，离不开先进支承部件的支撑。因此主动电磁轴承(AMB)技术得到了快速发展。但是，主动电磁轴承的抗冲击能力弱，在电力系统的不稳定如掉电或轴承过载等情况下，转子因失效跌落发生转子轴与轴承的碰摩。过大的冲击载荷诱发转子系统自激振动，在过高的跌落速度和跌落载荷作用下转子和轴承表面因摩擦发生损伤。因此有必要对电磁轴承系统进行防护。

在实际使用中电磁轴承配置了支承轴承，以增强轴承系统的可靠性并保证在轴承碰摩时迅速复位到正常工作状态，防止转子冲击造成的损伤。杨国军公开号：CN1544821的专利针对立式转子系统设置了复杂的整体辅助轴承装置，通过增加缓冲部件和转子防护部件缓解和承受转子跌落载荷。由于支承轴承通常采用滚动轴承，滚动轴承的极限转速一般低于电磁轴承的工作转速，难以满足高速电磁轴承系统的需要，同时滚动轴承需要润滑。因此增加辅助滚动轴承装置同时也增加了电磁轴承的体积和成本。

季进臣等发表的文章关于电磁轴承转子系统中高速不平衡转子跌落过程的非线性动力学，在机械工程学报，1999，35(5)：62-66中认为降低轴颈与轴承内圈间的摩擦系数可以避免轴承磨损和剧烈振动。祝长生的备用轴承碰撞副对电磁轴承失效后转子坠落瞬态响应的影响，振动工程学报，2010，23(5)：475-478通过试验表明，润滑能够使转子在跌落过程中的运动振幅明显减小。谢友柏等[专利号：95245561.7]设计了无辅助轴承的电磁轴承，在转子轴颈和轴承之间涂聚合物涂层，可有效的避免因启停、突然掉电等意外情况下发生轴承转子和轴承的擦伤。汪希平等[电磁轴承在透平膨胀机中的应用研究进展，中国机械工程，11(4)(2000)379-381]在磁轴承的内表面涂以高温有机材料，提高表面的平整度和润滑性能，取得了较好的效果。

然而转子跌落时，软质涂层直接承受着高的冲击载荷，极易发生疲劳失效，同时高速跌落所产生的摩擦热使得涂层的性能退化和磨损加剧。王伟清在[径向弹性阻尼防护轴承阻尼器的动态特性研究，硕士学位论文，南京航空航天大学，2010]报道了在40000r/min的高速下，转子跌落所产生的摩擦热把保护轴承的内圈与转子烧焊在一起。可见在高速转子跌落所产生的巨大的摩擦热可使得润滑涂层氧化失效。因此必须考虑其他润滑方式，以保证转子对支承轴承的冲击要求。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种高速转子跌落碰摩防护自润滑支承方法，针对高速轴承转子的跌落碰摩过程，将支承轴承由硅钢片经不导电且不导磁的固体自润滑树脂粘结叠压后固化，形成嵌藏式自润滑表面，实现支承表面自润滑，软质自润滑材料可缓解转子在跌落时对支承轴承冲击带来的涡动，同时保护转子表面。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种高速转子跌落碰摩防护自润滑支承方法，包括下列步骤：

步骤一、自润滑材料的制备

本发明的自润滑材料由粘接剂、固体润滑剂、固化剂、稀释剂组成，粘接剂采用环氧树脂E51，固体润滑剂选用二硫化钼、石墨，固化剂为聚酰胺和对二氨基-二苯甲烷DDM，稀释剂选用丁酮，各组分间的重量百分数为：

按配方称取环氧树脂，二硫化钼和石墨研磨，再加入聚酰胺和DDM研磨，最后加入丁酮进一步研磨，保证各组分混合均匀；

步骤二、叠片基体制备

(1)采用自润滑叠层表面

将外径相同、内径分别为d₁、d₂(d₁＞d₂)的圆环片，超声清洗去除表面油污和其它附着物，然后将圆环片用步骤一制备的自润滑材料粘贴叠置成所需沟槽表面并固化成型，再向沟槽中填充步骤一制备的自润滑材料，得到自润滑叠层表面再固化成型，将固化好的表面进行研磨去除高出基体表面的自润滑材料得到软硬材料交替排列的自润滑支承轴承，自润滑材料的填充深度为h，h＝(d₁-d₂)/2，自润滑材料的填充比为λ，λ＝∑l₀/l，(0≤λ≤1)，其中∑l₀为沟槽的总长度，l为叠层表面的总长度，改变∑l和l即可优化叠层表面的填充比；

(2)采用织构化表面

沿内径为d₂的圆环片的内边缘加工出织构，尺寸大小从微米级到毫米级，然后将织构化的圆环片与无织构的内径为d₂的圆环片用自润滑材料粘贴叠置并固化成型，再向形成阵列微坑中填充步骤一制备的自润滑材料，得到自润滑织构表面再固化成型，将固化好的表面进行研磨去除高出基体表面的自润滑材料得到软硬材料交替排列的自润滑支承，自润滑材料的填充比为s_p，

其中a为单个圆环片上织构周向宽度，b为叠置后的织构化的圆环片的厚度，c为叠置后的未织构化的圆环片的厚度，d₂为圆环片的内径，θ为织构在圆环上的均匀分布角。

本发明与现有技术相比，其显著特点为：(1)本发明的自润滑材料处于低位的沟槽或阵列微坑内，在摩擦热的激励下渗出表面，具有自适应性；(2)本发明的嵌藏自润滑材料能保持润滑性能，延长寿命；(3)本发明的支承表面为软硬材料交替排列，其中软质的自润滑材料为高阻尼材料，通过调整叠置时的软硬材料排列次序，获得刚度和阻尼可调的支承表面，该表面在满足支承强度的需求同时也能够吸收冲击功起到缓冲作用；(4)本发明可用于苛刻环境，尤其是空间环境等无油(脂)润滑场合。(5)本发明的电磁轴承不需要辅助滚动轴承，降低成本提高系统的可靠性。

本发明的有益效果：可以有效地降低碰摩时的摩擦，减少转子表面磨损。优化后自润滑表面的摩擦系数比未润滑的表面降低20～60％以上、磨损率降低1～2个数量级。

附图说明

图1为本发明的跌落碰摩防护自润滑支承示意图。

图2为本发明的实施例一制备工艺流程图，其中：图2-a为叠层基体制备过程示意图；图2-b为叠层表面制备示意图；图2-c为自润滑支承制备示意图。

图3为本发明的实施例二制备工艺流程图，其中：图3-a为织构基体制备过程示意图；图3-b为织构表面制备示意图；图3-c为自润滑支承制备示意图。

图4为本发明的自润滑表面的摩擦学性能柱状图，其中：图4a为摩擦系数对比柱状图，图4b为摩损率对比柱状图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

实施例一

步骤一、自润滑材料的制备

将质量百分比为50％的环氧树脂，20％的二硫化钼和5％的石墨研磨30min，再加入质量百分比为7.5％的聚酰胺和12.5％的DDM研磨30min，最后加入5％的丁酮进一步研磨，保证各组分混合均匀；

步骤二、叠片基体制备

(1)采用自润滑叠层表面

将外径60mm、内径35mm、厚度0.35mm第一圆环硅钢片3和外径60mm、内径32mm厚度0.35mm第二圆环硅钢片4，依次放入酒精和丙酮中，超声波各清洗10min，去除表面油污和其它附着物，真空干燥箱120℃烘干2hr，在0.20～0.35MPa下用喷枪把自润滑材料均匀喷涂圆环硅钢片3和圆环硅钢片4两侧，喷涂5厚度为5～10μm，参照图2-a，取四片第一圆环硅钢片3和一片第二圆环硅钢片4，沿外径方向整齐叠置，并按上述叠置方式周期排列至设计所需支承轴承的设计宽度，得到所需沟槽表面固化成型，参照图2-b，再向沟槽中填充步骤一制备的自润滑材料，将固化好的表面进行研磨去除高出基体表面的自润滑材料得到自润滑叠层表面再固化成型，参照图2-c，自润滑叠层表面的填充比为20％。图2-c中，h为所形成沟槽的深度；l₀为单个沟槽的宽度，l为轴承的宽度。

同理设计并制备填充比为40％、60％、80％的转子跌落碰摩防护自润滑支承，自润滑支承形状如图1所述，图1中1为自润滑材料，2为叠片基体。

实施例二

步骤一、自润滑材料的制备

将质量百分比为50％的环氧树脂，20％的二硫化钼和5％的石墨研磨30min，再加入质量百分比为7.5％的聚酰胺和12.5％的DDM研磨30min，最后加入5％稀释剂丁酮进一步研磨，保证各组分混合均匀；

步骤二、叠片基体制备

采用织构化表面

在厚度为圆环片的内边缘加工出织构，即将厚度为0.35mm的第一硅钢片6加工成外径60mm，内径35mm圆环；再将厚度为0.35mm的第二硅钢片7加工成外径60mm，内径35mm，内边缘加工均匀分布角为18°的1×1mm矩形织构，第一硅钢片6和第二硅钢片7依次放入酒精和丙酮中，超声波各清洗10min，去除表面油污和其它附着物，真空干燥箱120℃烘干2hr，在0.20～0.35MPa下用喷枪把自润滑材料均匀喷涂无织构第一硅钢片6和织构化第二硅钢片7两侧，喷涂5厚度为5～10μm，参照图3-a然后将四片织构化的第二硅钢片7与八片无织构的第一硅钢片6用自润滑材料粘贴叠置并固化成型，固化成型采用室温25℃固化24hr，180℃固化2hr并随炉冷却，参照图3-b，再向形成阵列微坑中填充步骤一制备的自润滑材料，得到自润滑织构表面再固化成型，将固化好的表面进行研磨去除高出基体表面的自润滑材料得到软硬材料交替排列的自润滑织构化表面，参照图3-c，自润滑织构化表面的填充比为12.7％，图3-a中，θ为织构分布角度，a、h为矩形织构的长和宽，图3-b中，b为织构圆片的叠置厚度，c为无织构圆片的叠置厚度。

同理织构类型为半圆或三角形或其他形状的也按上述方法制备自润滑支承。

本专利所保护的不限于上述的填充比、几何图形、分布参数。

摩擦学性能分析：

将实施例一中的填充比为20％、40％、60％、80％和无填充的支承轴承表面进行摩擦学性能测试，在UMT-2摩擦磨损试验机上按球-盘模式进行，上试样为Φ9.5mm的52100钢球(HRC 58)；下试样分别为基体表面、自润滑叠层表面。试验载荷10N，选用的速度为100rpm。每次摩擦试验时间为30min，环境温度为室温。试验结果见图4。从图4可见自润滑表面能有效地降低摩擦和磨损，其中填充比为0的表面是基体表面，该表面的摩擦系数为0.56，磨损率为10^-8kg/N·m远远大于经过优化的自润滑叠层表面。

Claims

1.一种高速转子跌落碰摩防护自润滑支承方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤一、自润滑材料的制备

自润滑材料由粘接剂、固体润滑剂、固化剂、稀释剂组成，粘接剂采用环氧树脂E51，固体润滑剂选用二硫化钼、石墨，固化剂为聚酰胺和对二氨基-二苯甲烷DDM，稀释剂选用丁酮，各组分间的重量百分数为：

按配方称取环氧树脂E51，二硫化钼和石墨研磨，再加入聚酰胺和对二氨基-二苯甲烷DDM研磨，最后加入丁酮进一步研磨，保证各组分混合均匀；

步骤二、叠片基体制备

采用自润滑叠层表面

将外径相同、内径分别为d₁、d₂，d₁＞d₂的圆环片，超声清洗去除表面油污和其它附着物，然后将圆环片用步骤一制备的自润滑材料粘贴叠置成所需沟槽表面并固化成型，再向沟槽中填充步骤一制备的自润滑材料，得到自润滑叠层表面再固化成型，将固化好的表面进行研磨去除高出基体表面的自润滑材料得到软硬材料交替排列的自润滑支承轴承，自润滑材料的填充深度为h，h=(d₁-d₂)/2，自润滑材料的填充比为λ，λ=Σl₀/l，0≤λ≤1，其中∑l₀为沟槽的总长度，l为叠层表面的总长度，改变∑l₀和l即可优化叠层表面的填充比。

2.根据权利要求1所述的一种高速转子跌落碰摩防护自润滑支承方法，其特征在于，步骤二、叠片基体制备采用织构化表面制备，沿内径为d₂的圆环片的内边缘加工出织构，尺寸大小可以从微米级到毫米级，然后将织构化的圆环片与无织构的内径为d₂的圆环片用自润滑材料粘贴叠置并固化成型，再向形成阵列微坑中填充步骤一制备的自润滑材料，得到自润滑织构表面再固化成型，将固化好的表面进行研磨去除高出基体表面的自润滑材料得到软硬材料交替排列的自润滑支承，自润滑材料的填充比为s_p，其中a为单个圆环片上织构周向宽度，b为叠置后的织构化的圆环片的厚度，c为叠置后的未织构化的圆环片的厚度，d₂为圆环片的内径，θ为织构在圆环上的均匀分布角。