CN102748395B - 风力发电机用变桨轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风力发电机用变桨轴承，包括内圈和外圈，所述的内圈内侧圆周上设有均匀密布的锯齿用以连接风力发电机的转轴齿轮以提高变桨轴承的输出扭矩；所述的内圈和外圈均由铜基复合材料制造，铜基复合材料各成分的重量百分比含量为：2-6％石墨，2-4％纳米碳管，1-3％二硫化钼，余量为铜。本发明通过石墨，纳米碳管，二硫化钼三种材料作为固体润滑剂制造的铜基复合材料极大的实现了变桨轴承良好的耐磨、耐压以及广泛的温度适应性。

Description

风力发电机用变桨轴承
技术领域
本发明涉及一种自润滑轴承，尤其涉及风力发电机用变桨轴承。
背景技术
变桨轴承是安装于风力发电机叶片和轮毂之间，内、外圈通过螺栓分别与叶片和轮毂联结，使叶片可以相对其轴线旋转以达到变桨的目的。变桨轴承主要承受径向载荷、轴向载荷和倾覆力矩。由于风力发电机变桨轴承的受力情况复杂，而且轴承承受的冲击和振动比较大，因此，要求轴承既能承受冲击，又能承受较大载荷、以及优良的耐磨性能。
目前变桨轴承其制造材料为金属基自润滑材料。金属基自润滑复合材料具有优良的摩擦学特性。固体润滑剂作为组元被加入到金属中而形成的复合材料，其摩擦学特性则取决于在摩擦过程中，固体润滑剂的析出和弥散分布。由于固体润滑剂在摩擦表面间的转换和迁移而形成润滑薄膜，从而使材料的耐磨性能明显改善。目前的固体润滑剂大多为石墨材料，但根据研究原始石墨颗粒表面出现凹坑，其原始纹路清晰可见，四周有明显的棱角使得固体润滑剂颗粒之间不仅浸润性差，接触角大都在90°以上，而且它们的密度往往也差别较大，容易产生偏析而致使金属基自润滑复合材料中颗粒分布不均匀，而影响变桨轴承的耐磨性能。
发明内容
本发明提供了一种承压、受载性能佳、耐磨性能好、使用寿命长适应温度范围广的风力发电机用变桨轴承。
一种风力发电机用变桨轴承，包括相互配合连接的内圈和外圈，内圈为圆环结构，圆环体上设有轴向的螺栓安装孔，外圈为内径大于内圈外径的圆环结构，圆环体上设有轴向的螺栓定位孔，所述的内圈内侧圆周上设有均匀密布的锯齿用以连接风力发电机的转轴齿轮以提高变桨轴承的输出扭矩；所述的内圈和外圈均由铜基复合材料制造，铜基复合材料各成分的重量百分比含量为：2-6％石墨，2-4％纳米碳管，1-3％二硫化钼，余量为铜。
石墨不仅具有良好的导热性和耐高温性能，更具有层状结构，层与层之间的滑移能产生良好的自润滑效果。
碳纳米管因其管状结构和独特的长径比，不仅可起到增强增韧的作用，更使其具有独特的润滑机制。摩擦过程中，一方面碳纳米管能够在摩擦副之间发生滚动，起到支承负荷的“滚动轴承”作用，从而有减摩抗磨的效果；另一方面，多壁碳纳米管在室温下层间很容易发生滑动，也能够起到自润滑的作用，从而提高减摩抗磨性能。
二硫化钼同石墨一样具有六方晶系的层状结构，层与层之间的S原子是以弱的范德华力相连结，故极易从层与层之间劈开，仅在0.025毫米的薄片内，就约有四万个“可劈开面”。二硫化钼在空气中于一184℃一400℃下都具有低摩擦的润滑特性，氧化钼作为固体润滑剂，使用温度可以比石墨更高，而且摩擦表面的氧化物能够防止咬合过程的发展，降低摩擦偶件的磨损。
结合上述石墨，纳米碳管，二硫化钼三种材料作为固体润滑剂制造的铜基复合材料极大的实现了变桨轴承良好的耐磨、耐压以及广泛的温度适应性。
所述构成内圈的铜基复合材料中石墨、纳米碳管、二硫化钼的密度分布沿内圈径向由内到外逐渐增加，以提高内圈的外周耐磨。耐压性能。
所述构成外圈的铜基复合材料中石墨、纳米碳管、二硫化钼的密度分布沿外圈径向由外到内逐渐增加，以提高外圈的内周耐磨。耐压性能。由于变桨轴承是内圈的外周与外圈的内周磨合的上述石墨、纳米碳管、二硫化钼的密度分布结构更加有利于在摩擦磨损过程中该轴承材料可在摩擦副表面形成完整的润滑膜，提高了润滑减摩性能，具有更低的摩擦系数和更好的耐磨性，磨损率降低约50％，而且复合材料的承载能力得到了明显的增加。
一种风力发电机用变桨轴承的制造工艺，包括如下步骤：
一、获取石墨、纳米碳管粉末进行清洗、干燥预处理完成后进行化学镀铜处理，化学镀铜过程中引入超声波，温度和pH值分别控制在50～55℃和12.5～13.0，实现石墨、纳米碳管粉表面的化学镀铜。
二、在离心铸造机中增加电磁装置，使得离心铸造机内的金属铜熔体内产生电磁力，同时加入步骤一镀铜的石墨、纳米碳管粉以及二硫化钼粉末，重量配比为2-6％石墨，2-4％纳米碳管，1-3％二硫化钼，余量为铜；在电磁力控制下镀铜的石墨、纳米碳管粉以及二硫化钼粉末在金属铜凝固基体中密度渐变分布。根据相反的电磁力控制下分别获得石墨、纳米碳管、二硫化钼的密度分布沿径向由内到外逐渐增加的内圈基体和石墨、纳米碳管、二硫化钼的密度分布沿径向由外到内逐渐增加的外圈基体。
三、将步骤二中获得的内圈基体和外圈基体进行车削、钻孔加工获得内圈和外圈，而后进行装配最终获得变桨轴承。
上述石墨、纳米碳管粉表面的化学镀铜利用氧化还原反应在镀件上得到一层厚度均匀的铜镀层，使得石墨、纳米碳管颗粒四周较圆滑，表面凹坑和纹路都被覆盖，表面较丰满，立体感强。石墨、纳米碳管粉表面的化学镀铜有效提高非金属颗粒与金属基体之间的界面相容性，改善铜基石墨、纳米碳管复合材料的界面结合效果，界面结合紧密，在压溃和冲击实验过程中，裂纹不易从界面处形成并扩展，使得复合材料的宏观压溃强度和冲击韧性均明显提高。
在离心铸造机中增加电磁装置得到稳恒磁场，使液态金属在离心力场、重力场和磁场下凝固，从而改变了金属的凝固过程，改善了离心铸件的凝固组织和力学性能，其特点是在完全保持离心铸造的优点的同时又获得了电磁搅拌的冶金效果。在电磁离心铸造过程中，液态金属在高速旋转的铸型带动下绕轴线运动，所受体积力除重力外，还有电磁力引起的受迫对流运动对液态金属产生电磁搅拌作用。因此，电磁离心铸造即保留了普通离心铸造组织致密，疏松和气孔少等优点，又通过电磁搅拌作用，克服了普通离心铸造的缺点，使粗大的柱状晶组织转变为均匀的等轴晶组织，同时，有效控制了石墨与纳米碳管的密度分布情况。在电磁离心铸造的过程中，采用强制风冷，使金属结晶的过冷度大幅提高，进一步使晶粒得到细化。通过化学镀和电磁离心铸造快速成形复合的制造工艺技术，最终获得了组织致密、晶粒细小的高性能铜基复合材料。
本发明通过石墨，纳米碳管，二硫化钼三种材料作为固体润滑剂制造的铜基复合材料极大的实现了变桨轴承良好的耐磨、耐压以及广泛的温度适应性。
附图说明
如图1所示为本发明风力发电机用变桨轴承结构示意图。
具体实施方式
如图1所示一种风力发电机用变桨轴承，包括相互配合连接的内圈1和外圈3，内圈1为圆环结构，圆环体上设有轴向的螺栓安装孔2，外圈3为内径大于内圈1外径的圆环结构，圆环体上设有轴向的螺栓定位孔4，内圈1内侧圆周上设有均匀密布的锯齿5以连接风力发电机的转轴齿轮以提高变桨轴承的输出扭矩；内圈1和外圈3均由铜基复合材料制造，铜基复合材料各成分的重量百分比含量为：2-6％石墨，2-4％纳米碳管，1-3％二硫化钼，余量为铜。
作为结构优选构成内圈1的铜基复合材料中石墨、纳米碳管、二硫化钼的密度分布沿内圈1径向由内到外逐渐增加。构成外圈3的铜基复合材料中石墨、纳米碳管、二硫化钼的密度分布沿外圈3径向由外到内逐渐增加。
一种风力发电机用变桨轴承的制造工艺，包括如下步骤：
一、获取石墨、纳米碳管粉末进行清洗、干燥预处理完成后进行化学镀铜处理，化学镀铜过程中引入超声波，温度和pH值分别控制在50～55℃和12.5～13.0，实现石墨、纳米碳管粉表面的化学镀铜。
二、在离心铸造机中增加电磁装置，使得离心铸造机内的金属铜熔体内产生电磁力，同时加入步骤一镀铜的石墨、纳米碳管粉以及二硫化钼粉末，重量配比为2-6％石墨，2-4％纳米碳管，1-3％二硫化钼，余量为铜；在电磁力控制下镀铜的石墨、纳米碳管粉以及二硫化钼粉末在金属铜凝固基体中密度渐变分布。根据相反的电磁力控制下分别获得石墨、纳米碳管、二硫化钼的密度分布沿径向由内到外逐渐增加的内圈1基体和石墨、纳米碳管、二硫化钼的密度分布沿径向由外到内逐渐增加的外圈3基体。
三、将步骤二中获得的内圈1基体和外圈3基体进行车削、钻孔加工获得内圈1和外圈3，而后进行装配最终获得变桨轴承。
上述步骤中铜、石墨、纳米碳管、二硫化钼总重量为100KG为例的重量配比为：

Claims (2)

1.一种风力发电机用变桨轴承，包括相互配合连接的内圈(1)和外圈(3)，内圈(1)为圆环结构，圆环体上设有轴向的螺栓安装孔(2)，外圈(3)为内径大于内圈(1)外径的圆环结构，圆环体上设有轴向的螺栓定位孔(4)，其特征在于：所述的内圈(1)内侧圆周上设有均匀密布的锯齿(5)；所述的内圈(1)和外圈(3)均由铜基复合材料制造，铜基复合材料各成分的重量百分比含量为：2-6％石墨，2-4％纳米碳管，1-3％二硫化钼，余量为铜；所述构成内圈(1)的铜基复合材料中石墨、纳米碳管、二硫化钼的密度分布沿内圈(1)径向由内到外逐渐增加；所述构成外圈(3)的铜基复合材料中石墨、纳米碳管、二硫化钼的密度分布沿外圈(3)径向由外到内逐渐增加。
2.一种制造权利要求1所述风力发电机用变桨轴承的制造工艺，包括如下步骤：
一、获取石墨、纳米碳管粉末进行清洗、干燥预处理完成后进行化学镀铜处理，化学镀铜过程中引入超声波，温度和pH值分别控制在50～55℃和12.5～13.0，实现石墨、纳米碳管粉表面的化学镀铜；
二、在离心铸造机中增加电磁装置，使得离心铸造机内的金属铜熔体内产生电磁力，同时加入步骤一镀铜的石墨、纳米碳管粉以及二硫化钼粉末，重量配比为2-6％石墨，2-4％纳米碳管，1-3％二硫化钼，余量为铜；在电磁力控制下镀铜的石墨、纳米碳管粉以及二硫化钼粉末在金属铜凝固基体中密度渐变分布；根据相反的电磁力控制下分别获得石墨、纳米碳管、二硫化钼的密度分布沿径向由内到外逐渐增加的内圈(1)基体和石墨、纳米碳管、二硫化钼的密度分布沿径向由外到内逐渐增加的外圈(3)基体；
三、将步骤二中获得的内圈(1)基体和外圈(3)基体进行车削、钻孔加工获得内圈(1)和外圈(3)，而后进行装配最终获得变桨轴承。
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