CN104863963A - 液态金属滑动轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种液态金属滑动轴承，包括至少一个第一轴承构件(1)和至少一个第二轴承构件(2)，它们互相摩擦配合式连接。按本发明，在第一轴承构件(1)与第二轴承构件(2)之间设置至少一个用韧性材料制成的密封环(3)。这种液态金属滑动轴承即使在遭受高负荷时仍能可靠防止液态金属泄出。因此这种液态金属滑动轴承例如适合安装在X射线放射源内。

Description

液态金属滑动轴承
技术领域
本发明涉及一种液态金属滑动轴承。
背景技术
液态金属滑动轴承几乎无摩擦式工作，在发出低噪声的同时高度平静地运转，以及保证极为有效的散热。因此这种液态金属滑动轴承例如使用在旋转式阳极的X射线管内，尤其大功率X射线管内。
为此，液态金属滑动轴承的滑动支承面必须有高的耐热性和良好的热导率。此外，滑动支承面还必须有良好的润湿能力。通常液态金属滑动轴承的材料使用钼基材料。特种钢和陶瓷也用作液态金属滑动轴承的材料。
液态金属滑动轴承包括多个构件，它们必须非常精确地相互磨合。在旋转式阳极的X射线管中，液态金属滑动轴承包括例如构成轴的内部支承、衬套和至少一个盖。为了使起润滑剂作用的液态金属保留在液态金属滑动轴承内部以及不漏泄到X射线管内，滑动轴承的构件必须持续保持牢固接合。为此通常使用连接元件，例如螺钉，它们有与轴承材料相适应的热膨胀，为的是即使在高的使用温度下也能保持预紧力。
因为对旋转式阳极的X射线管的要求不断提高，所以尤其试图通过增大阳极转速来应对焦点区内越来越高的热负荷。在旋转式阳极中可实现每分钟至少12000转(200Hz)。
基于高的阳极转速，在液态金属滑动轴承内形成一种流体静压力，这种流体静压力与几何尺寸和实际旋转速度有关，在液态金属滑动轴承的密封部位可以等于和大于15bar。在不利的情况下，这种高压会导致液态金属滑动轴承不密封并泄出液态金属。液态金属的这种泄出使X射线管损坏并因而导致X射线放射源产生故障。故障的原因可以是基于轴承构件之间润滑缺失使液态金属滑动轴承阻塞。此外，X射线管还会通过液态金属进入真空外壳内而丧失耐高电压的能力。除此之外会对X射线照片的质量带来负面影响。
为了在液态金属滑动轴承中确保必要的密封性已知一些不同的措施。
一种已知的措施是焊接所述连接部位。因为钼不能用传统的焊接方法焊接，所以必须在要焊接的钼构件上钎焊一些焊接环。然而由于液态金属在高温下侵蚀许多金属(例如焊料和/或焊接环)，因而涉及的构件必须施加抗润湿层。因此这种措施一方面在技术上非常复杂，而且另一方面比较容易出故障。
已知的另一种实现液态金属滑动轴承有足够密封性的措施在于，在构件之间保持尽可能小的密封间隙。这便要求高精度机械加工面对面的密封面，为的是能造成尽可能低的表面粗糙度以及进而高的平面度。在这里所使用的方法例如是精磨、精车或研磨(切削加工方法)。不过仅仅高精度的加工并不足以保证足够的密封性。而且这种方法还有一个缺点是，可达到的表面质量与构件的材料性质、与所使用的工具(质量和磨损程度)以及与磨料和加工者有密切的关系。这种已知的措施因而在可达到的质量方面遭受比较强烈的波动。
最后，已知通过优化螺钉连接来改善液态金属滑动轴承的密封性。这例如可以借助提高在要连接的构件中的单位面积压力实现，例如通过增加螺钉数量或加大螺钉尺寸，或通过用耐真空润滑剂减小螺钉与在要连接的构件中对应孔之间的摩擦系数。
在DE19523162A1中介绍了一种液态金属滑动轴承，其中在钼制轴承构件的表面上施加一种抗润湿的金属氧化物镀层，尤其铝(III)-氧化物(Al2O3)或钛(IV)-氧化物(TiO2)镀层。密封面的镀层借助PVD方法进行(Physical VapourDeposition，物理气相沉积)。
在这里能实现的层厚在约0.1μm与约1μm之间。即使在最大可能的层厚的情况下，仍然不可能完全覆盖轴承构件由加工造成的粗糙表面(平均粗糙度Ra约2μm)。借助PVD方法也不可能使粗糙的钼表面平面化。
施加在轴承构件表面上的氧化铝或氧化钛镀层比较硬，所以互相压紧的表面不可能“契合”。这导致，当液态金属滑动轴承的负荷增大时(例如更高的转速、更高的温度)必须遵照越来越小的加工公差(小于2μm)，为的是使施加的PVD镀层能承受住液态金属更大的压力，亦即防止液态金属泄出。
由于在镀层时高的蒸发速率(短的过程时间)和蒸发材料的“粒度”(例如直径约1mm的Al2O3颗粒或小球)，引起在蒸发时借助电子束从蒸发物料中释出小“球体”，它们然后保持粘附在轴承构件的表面上。即使当轴承构件压紧时，也看不到这种小球体有任何变化。这一方面在于轴承构件之间实际存在的间隙(大于大多数小球体的直径)，以及另一方面在于氧化铝的硬度，从而以不利的方式在密封面形成比轴承构件的平面度给定的更大的间隙。
由EP0685871B1已知，通过在轴承构件表面上施加乙酰丙酮络钛-乙醇溶液(TiAcAc)和接着的热处理，制成钛(IV)-氧化物(TiO2)镀层。但是，如果构件上构成密封面的那个表面只是不精确地加工，则上述镀层过程并不足以保证令人满意的密封性。此外，镀层工序对所涉及表面的纯度提出高的要求，以及对于过程温度非常敏感。
此外,在DE19606871C2中介绍了一种液态金属滑动轴承，其中密封材料与液态金属构成一种固态的混合相，它起封闭作用。
然而仅有所说明的这些措施，往往不足以可靠保证液态金属滑动轴承的密封性。
发明内容
因此本发明要解决的技术问题是创造一种液态金属滑动轴承，其中，即使在高的负苛下仍能可靠防止液态金属泄出。
所述液态金属滑动轴承包括至少一个第一轴承构件和至少一个第二轴承构件，它们互相摩擦配合式连接。按本发明，在第一轴承构件与第二轴承构件之间设置至少一个用韧性(duktil)材料制成的密封环。
在按本发明的液态金属滑动轴承中，通过在第一轴承构件与第二轴承构件之间设置至少一个用韧性材料制成的密封环，即使在高负荷时，亦即尤其在高压力和/或高温度时，也能可靠防止从液态金属滑动轴承泄出液态金属。因此，按本发明的这种液态金属滑动轴承例如适用于安装在X射线放射源中。基于按本发明的方案，密封效果不受由驱动器(例如阳极驱动器)产生的交变载荷或不受温度波动的影响；因此在韧性材料中也不出现沉陷效应(Setzeffekte)。
在这里韧性密封环在两个轴承构件拼合前可以或放在第一轴承构件上或放在第二轴承构件上。在第一轴承构件与第二轴承构件拼合后，这两个轴承构件只还需要用螺钉互相连接。
在按本发明的液态金属滑动轴承中，通过将密封件设计为密封环，可靠保证在功能上分离密封作用与力的传输，因为密封作用虽然沿整个圆周延伸，但只是局部而并不通过整个横截面实现。
除此之外，制成密封环的韧性材料例如与金属或陶瓷镀层相比或与金属密封件相比有明显的成本优势。此外，密封性减弱的液态金属滑动轴承可以简便地重新整修。
采用按本发明的方案，至少明显减小或甚至消除液态金属滑动轴承轴承构件之间在组合时形成的和由不可避免的加工公差导致的间隙。由此显著缩短和简化液态金属滑动轴承的制造，因为在生产轴承构件时能容许小的加工公差。由此导致相应地降低生产成本。
按照一种特别优选的扩展设计，其特征在于，密封环安装在第一槽内，所述第一槽在第一轴承构件内延伸。
按照另一种有利的实施例，密封环安装在第二槽内，所述第二槽在第二轴承构件内延伸。这种设计可作为所述第一种实施形式的替代方式或补充实现。
通过设置的第一槽和/或设置的第二槽，进一步改善在功能上分离密封作用与力的传输。如此设计的液态金属滑动轴承因而能承受更高的热负荷和/或机械负荷。
深度小于密封环高度的槽可以设置在两个轴承构件之一内，或设置在第一轴承构件内，或设置在第二轴承构件内。在本发明的范围内还有可能在第一轴承构件内设置第一槽以及在第二轴承构件内设置第二槽。若第一槽与第二槽互相叠合设置，则第一槽和第二槽分别有部分深度，例如两个同样大小的深度，应当注意，两个深度之和小于密封环的高度。
按照一种有利的扩展设计，作为替代方式或除所述的槽之外，在第一轴承构件上和/或在第二轴承构件上设置刀形环。在这里，相应的刀形环(刀棱)在面朝总是另一个轴承构件的那一侧上延伸。当两个互相重叠的轴承构件用螺钉连接在一起时，所述刀形环嵌入韧性材料内，并由此导致相应的密封。尤其在组合至少一个密封环置入其中的槽与至少一个与该槽相对置地设置并嵌入密封环内的刀形环时，人们得到液态金属滑动轴承进一步改善的密封性。
当使用两个密封环时，例如刀形环也可以设置在槽的沿径向的内部或沿径向的外部。此时两个密封环之一例如安装在槽内，而另一个密封环与刀形环对应。
在这里一个槽或一些槽按优选的方式设计为，使密封环在液态金属滑动轴承通过连接件(例如螺钉)装配时压缩一个规定的量(例如约40％)。因此在液态金属滑动轴承的所有工作状态均能保持预紧力。
按照所述的液态金属滑动轴承一种有利的实施形式，密封环有矩形横截面。
按照所述液态金属滑动轴承另一种优选的实施形式，密封环的韧性材料是石墨。石墨不与液态金属反应成一种化合物，也不溶解，以及也不被液态金属润湿。因此液态金属既不会损失，也不会成为合金。此外，石墨直至高温仍是稳定的，而且不会蒸发，因此适用于真空。所以所述的液态金属滑动轴承，特别适合在X射线放射源中使用。
所述的X射线放射源包括一个放射源外壳，在外壳内安装具有真空外壳和驱动电机的X射线管，其中，在真空外壳内安装阴极和旋转阳极，以及旋转阳极防旋转地支承在与驱动电极连接的转子轴上。所述转子轴通过至少一个按照本发明的液态金属滑动轴承可旋转地支承。
附图说明
下面借助附图详细阐述按本发明的液态金属滑动轴承三种示意表示的实施例，但不受此限制。附图分别表示在轴承构件的区域内的纵剖面：
图1表示液态金属滑动轴承第一种实施形式；
图2表示液态金属滑动轴承第二种实施形式；以及
图3表示液态金属滑动轴承第一种实施形式。
具体实施方式
按本发明的液态金属滑动轴承，包括至少一个第一轴承构件1和至少一个第二轴承构件2，它们互相摩擦配合式连接。按本发明，在第一轴承构件1与第二轴承构件2之间设置至少一个用韧性材料制的密封环3。
在按图1至图3的实施例中分别表示的液态金属滑动轴承，正好包括一个第一轴承构件1和一个第二轴承构件2，其中，在第一轴承构件1与第二轴承构件2之间设置唯一的一个用韧性材料，例如石墨制的密封环3。密封环3相应地具有矩形横截面以及同心于轴5的纵轴线4地设置。在图示的这些实施例中，第一轴承构件1和第二轴承构件2设计为可旋转的轴承构件。
在本发明的范围内，也可以在第一轴承构件1与第二轴承构件2之间设置多个密封环3。此外，液态金属滑动轴承也可以包括多个第一轴承构件和多个第二轴承构件。
在按图1的实施例中，密封环3安装在第一槽6内，第一槽6在第一轴承构件1中延伸。在图示的实施形式中，具有矩形横截面的密封环3的韧性材料是石墨。
为达到良好密封，第一槽6的深度小于密封环3的高度。因此使密封环3在液态金属滑动轴承通过连接件(例如螺钉)装配时压缩一个规定的量(例如约40％)。因此在液态金属滑动轴承的所有工作状态均能保持预紧力。
在按图2的实施形式中，第一槽7设置在第一轴承构件1内，而第二槽8设置在第二轴承构件2内。第一槽7与第二槽8互相叠合布置，以及分别有比在按图1的液态金属滑动轴承中的槽6小的深度，在这里，这两个深度之和小于密封环3的高度。因此再次使密封环3在液态金属滑动轴承通过连接件(例如螺钉)装配时压缩一个规定的量。
在按图3的设计中，第一轴承构件1仍包括第一槽6。在第二轴承构件2上设置刀形环9，刀形环9在面朝第一轴承构件1那一侧上与第一槽6面对面地延伸。在第一槽6内再度置入密封环3。当液态金属滑动轴承装配时，刀形环9嵌入密封环3内。人们由此得到液态金属滑动轴承进一步改善的密封性。
尽管通过优选的实施例详细图示和说明了本发明，但本发明不受图1至图3中所示实施例的限制。确切地说，本领域的技术人员从中也能没有困难地导出按本发明方案的其他改型方案，并不因此而脱离本发明的基本思想。

Claims (10)

1.一种液态金属滑动轴承，包括至少一个第一轴承构件(1)和至少一个第二轴承构件(2)，它们互相摩擦配合式连接，其特征为：在第一轴承构件(1)与第二轴承构件(2)之间设置至少一个用韧性材料制成的密封环(3)。
2.按照权利要求1所述的液态金属滑动轴承，其特征为，所述密封环(3)安装在第一槽(6、7)内，该第一槽在第一轴承构件(1)内延伸。
3.按照权利要求2所述的液态金属滑动轴承，其特征为，密封环(3)安装在第二槽(8)内，该第二槽在第二轴承构件(2)内延伸。
4.按照权利要求2所述的液态金属滑动轴承，其特征为，所述第一槽(6、7)的深度小于密封环(3)的高度。
5.按照权利要求3所述的液态金属滑动轴承，其特征为，所述第二槽(8)的深度小于密封环(3)的高度。
6.按照权利要求1至5之一所述的液态金属滑动轴承，其特征为，在第一轴承构件(1)上设刀形环，它在面朝在第二轴承构件(2)的那一侧上延伸。
7.按照权利要求1至6之一所述的液态金属滑动轴承，其特征为，在第二轴承构件(2)上设刀形环，它在面朝在第一轴承构件(1)的那一侧上延伸。
8.按照权利要求1所述的液态金属滑动轴承，其特征为，所述密封环(3)具有矩形的横截面。
9.按照权利要求1所述的液态金属滑动轴承，其特征为，所述密封环(3)的韧性材料是石墨。
10.一种X射线放射源，它有一个放射源外壳，在外壳内安装具有真空外壳和驱动电机的X射线管，其中，在真空外壳内安装阴极和旋转阳极，以及旋转阳极防旋转地支承在与驱动电极连接的转子轴上，其特征为：所述转子轴通过至少一个按照权利要求1至9之一所述的液态金属滑动轴承可旋转地支承。
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