CN104956104B - 用于制冷剂润滑的压缩机的压力渗氮不锈钢混合轴承 - Google Patents
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Abstract
一种压力渗氮不锈钢混合滚珠轴承，具有内圈、外圈，以及布置于其间的滚动体。该压力渗氮不锈钢混合轴承具有由压力渗氮不锈钢材料制成的一个或者多个组件。在制冷机应用中使用制冷剂润滑的压力渗氮不锈钢混合轴承将产生很长的使用寿命时间。
Description
技术领域
本发明所公开的实施方式涉及一种滚珠轴承，该滚珠轴承使用制冷剂润滑并用于制冷机应用中。本发明所公开的实施方式涉及一种压缩机，该压缩机具有由制冷剂进行润滑的滚珠轴承。本发明所公开的实施方式涉及一种无油压缩机，其中该无油压缩机的滚珠轴承由制冷剂进行润滑而不是用油进行润滑。
背景技术
滚珠轴承具有内圈、外圈，以及布置在它们之间的滚动体。混合轴承是具有两种或多种不同材料的滚珠轴承。例如，混合轴承可以具有由一种材料制成的滚动体，以及由另一种材料制成的内圈和外圈中的一个或全部。
发明内容
通常，制冷机应用中，例如离心式制冷机中，使用制冷剂润滑的滚珠轴承意味着该滚珠轴承不是用油进行润滑，而是用制冷剂进行润滑。压力渗氮不锈钢混合轴承的一个实施方式具有由压力渗氮不锈钢材料制成的组件。在制冷机应用中使用制冷剂润滑的压力渗氮不锈钢混合轴承将产生比标准钢滚珠轴承更长的使用寿命时间。因此，具有该压力渗氮不锈钢混合轴承的压缩机和/或制冷机应用中的其它部分具有更长的使用寿命，和/或需要更低频率的由于轴承磨损和/或破损导致的维修。
压缩机的各实施例包括但不限于离心式压缩机。离心式压缩机对蜗壳壳体中的一个或者多个叶轮进行旋转，以压缩用于制冷机的制冷回路中的制冷剂气体。离心式压缩机的一个或多个叶轮可以重达几百磅甚至几千磅。巨大沉重的制冷机组件每分钟几千转的高速旋转带来了独特的且具有挑战性的轴承润滑问题，特别是当这些组件处于静止状态启动时以及当这些组件自然停止制冷机关闭期间。
离心式压缩机可以是直驱类型或者齿轮驱动类型，制冷机被称为直驱制冷机或者齿轮驱动制冷机取决于制冷机中所包含的压缩机的类型。也就是说，直驱制冷机是包含有直驱类型压缩机的制冷机，齿轮驱动制冷机是包含有齿轮驱动类型压缩机的制冷机。在直驱制冷机中，压缩机的驱动马达的转子被直接安装在轴上，在该轴上安装有压缩机的一个或多个叶轮。反过来，该轴一般被安装在一个或者多个轴承上旋转，这些轴承在制冷机运行时需要润滑。在齿轮驱动离心式制冷机中，在其上安装有一个或多个叶轮的轴由一系列齿轮驱动，而不是将压缩机驱动马达的转子直接安装在装有叶轮的轴上来驱动。齿轮驱动制冷机的齿轮起到这样的作用：提高叶轮的转速超过驱动叶轮的马达的转速，并且这样做增加制冷机的制冷效果或者容量。在齿轮驱动制冷机中，叶轮轴在其中旋转的驱动齿轮和轴承迄今为止都需要用油进行润滑，并且直驱和齿轮驱动制冷机具有最通常采用的感应马达，感应马达的速度可以达到每分钟3600转。
在直驱和齿轮驱动的大吨位离心式制冷机中，其旋转组件的润滑历来被证明是具有挑战性并且昂贵的，并且完全或者至少从根本上是以油作为润滑剂来实现的。对这种润滑系统的需求已经极大地使直驱和齿轮驱动类型离心式制冷机的设计、制造、操作、维护和控制变得复杂，并且给这些离心制冷机增加了巨大的初始和操作成本。在大吨位离心式制冷机系统中消除作为润滑剂的油，并且使用构成制冷机工作流体的制冷剂达到润滑目的提供巨大的潜在优势。这些优势有：消除了与基于油的制冷机润滑系统相关联的许多制冷机故障模式；消除了与这类制冷机系统中油和制冷剂混合相关联的所谓的油运移问题；通过消除热交换表面的油涂层增强系统整体效率，该油涂层是由在系统制冷剂中夹带油并且该夹带的油进入制冷机的热交换器中所导致的；从制冷机系统消除了被视作对环境不利的材料(油)，同时消除了与处理和清理油相关联的问题和成本；以及，消除了与制冷机润滑系统相关联的许多昂贵的和相对复杂的组件，以及与此相关联的控制和维护成本。
此外，消除离心式制冷机系统中作为润滑剂的油意味着使还提供直接驱动机器的优点的离心式制冷机成为可能，该直接驱动机器凭借变速操作而完全等同于或优于齿轮驱动机器。至今为止，通过使用能够以相对很高和/或最优的速度来驱动制冷机的叶轮的特殊配置的齿轮组，已在齿轮驱动机器中实现了特别良好的部件负荷效率。但是，就像前面提到的，齿轮驱动机器不具有直接驱动机器的许多优势，并且它们的使用带来一些明显不足，为了确保齿轮系足够润滑的目的而需要基于油的润滑系统是其中一项不足。
ASTM E112和ASTM A295是由ASTM国际组织提供的标准和试验方法，ASTM国际组织原名为美国材料和试验协会(ASTM)。测定晶粒尺寸号等级的方法是通过与ASTM国际组织提供的一个标准图表进行视觉比较来确定的。本申请所使用的ASTM E112包括ASTM E112版III-08(2008修订)。本申请所使用的ASTM A295包括ASTM A295/A295M-09(2009修订)和ASTM E112–12(2012修订)。ASTM标准对于材料的物理性质，例如尺寸(例如，晶粒尺寸)是可变的。
压力渗氮不锈钢混合轴承的一个实施方式包括：由压力渗氮不锈钢制成的套圈，上述压力渗氮不锈钢的ASTM E112(例如,ASTM E112-12)晶粒尺寸号的范围具有等于或大于10的值。
压力渗氮不锈钢混合轴承的一个实施方式包括：由压力渗氮不锈钢制成的套圈，上述压力渗氮不锈钢的硫化物的ASTM A295(例如，ASTM A295/A295M-09或者ASTM E112-12)夹杂物评级等于或小于1/2。
压力渗氮不锈钢混合轴承的一个实施方式包括：由压力渗氮不锈钢制成的套圈，上述压力渗氮不锈钢的氧化铝的ASTM A295(例如，ASTM A295/A295M-09或者ASTM E112-12)夹杂物评级等于或小于1/2。
压力渗氮不锈钢混合轴承的一个实施方式包括：由压力渗氮不锈钢制成的套圈，上述压力渗氮不锈钢的硅酸盐的ASTM A295(例如，ASTM A295/A295M-09或者ASTM E112-12)夹杂物评级等于或小于1/2。
压力渗氮不锈钢混合轴承的一个实施方式包括：由压力渗氮不锈钢制成的套圈，上述压力渗氮不锈钢的球状氧化物的ASTM A295(例如，ASTM A295/A295M-09或者ASTME112-12)夹杂物评级等于或小于1/2。
压力渗氮不锈钢混合轴承的一个实施方式还可以包括压力渗氮不锈钢，该压力渗氮不锈钢的氮浓度范围大于等于0.3％、碳浓度范围为0.10-0.60％、铬浓度范围为10-18％。
压力渗氮不锈钢混合轴承的一个实施方式，还可以包括压力渗氮不锈钢，该压力渗氮不锈钢的氮浓度范围大于0.1％、碳浓度范围为0.10-0.60％、铬浓度范围为12-18％。
制冷机应用中压缩机的一个实施方式包括本申请所描述的任意一个压力渗氮不锈钢混合轴承的实施方式。
附图说明
图1A示出了制冷机的压缩机的一个实施方式的示意图，其中该压缩机具有压力渗氮不锈钢混合轴承。
图1B示出图1A所示压缩机轴承组件的一个实施方式的一部分的放大视图。
图2示出了压力渗氮不锈钢混合轴承的一个实施方式的剖面侧视图。
具体实施方式
制冷机包括压缩机、冷凝器和蒸发器。制冷剂气体在压缩机内被压缩。压缩后的制冷剂从排放部，例如从蜗壳，被导出进入连接压缩机和冷凝器的管道中。冷凝器由液体进行冷却，该液体通过入口进入冷凝器并通过出口排出。对冷凝器进行冷却的液体可以是水。该液体进入、通过冷却塔并从冷却塔返回，该液体与热的、压缩的系统制冷剂在热交换关系中被加热后离开冷凝器，该热的、压缩的系统制冷剂以气体状态从压缩机被导出进入冷凝器。
冷凝器内发生的热交换过程使输送到其中的相对热的、压缩的制冷剂气体冷凝并在冷凝器底部积聚成为相对冷得多的液体。冷凝的制冷剂然后从冷凝器被导出至膨胀设备，例如，计量设备。制冷剂经过该计量设备并由膨胀过程减压和冷却。然后冷却的制冷剂主要以液体形式被输送进入蒸发器。
进入并通过蒸发器的制冷剂经历与诸如水等介质的热交换关系，该介质通过其自身的入口进入蒸发器并通过其自身的出口离开蒸发器。在对流过蒸发器的介质进行冷却并因而被加热的过程中，制冷剂蒸发并作为相对低压但仍然温暖的气体通过管道被导回压缩机。然后该制冷剂在持续和重复的过程中再次被压缩机压缩并被加热。
图1A示出了制冷机的压缩机10的实施方式的示意图。压缩机10包括壳体12，在壳体12中布置有制冷机驱动马达14。叶轮16和17被布置在蜗壳壳体18内，并且与驱动马达14的转子20一起被安装在轴22上旋转。轴22转而被安装在轴承组件24和另一个压力渗氮不锈钢混合轴承34中旋转，上述轴承组件24包括一个或多个压力渗氮不锈钢混合轴承。应当指出，虽然所示实施方式是离心式制冷机的一个优选实施方式，由非离心式压缩机驱动的制冷机也属于本申请范围。在这种情况下，安装在轴22上的压缩元件可能是旋转式螺杆压缩机的转子(在这种情况下，制冷机将是一个螺杆式制冷机)。
对于直驱制冷机，其驱动马达14的转子20被直接安装于轴22，在该轴22上装有压缩机的叶轮。压缩机10的驱动马达14在结构上被加强，并可以是由变速驱动器38驱动的感应马达。也可以考虑其它种类的变速马达。
通过使用驱动器38，当制冷机系统上的负荷不需要压缩机在对制冷机容量有增加需求时以最大容量和较高速度进行操作时，制冷机和制冷机的压缩机10能够以较低的速度运行。当制冷机上的负荷不高或不在其最大值时，通过以较低速度运行压缩机10及其叶轮，可以提供足够的制冷效果以一种节约能源的方式对较低的热负荷进行冷却，从运行成本的角度来看使制冷机更经济并且与不能进行这样负荷匹配的制冷机相比，使制冷机的运行效率极高。此外，压缩机10可以采用入口导叶，配合马达14的控制速度，允许对制冷机的容量进行非常精确的控制，从而使得制冷机的输出密切地并响应地与系统负荷相匹配，同时使用尽可能少的能量，同时不再需要为特定制冷机应用而优化的专门设计的驱动齿轮、不再需要相对更特殊的和更昂贵的变速驱动器和/或马达、或者不再需要油系统来提供轴承和/或齿轮系的润滑。
压缩机10可以是两级压缩机。两级的命名表明在制冷机的压缩机10内的气体压缩有两个不同的阶段。这种两级压缩通过将系统制冷剂传到、经过并穿过第一级叶轮16来对该系统制冷剂进行第一次增压、然后将该一次压缩的气体传递到、经过并穿过第二级叶轮17来对该制冷剂进行第二次增压来实现。虽然在优选实施方式中压缩机10是两级压缩机，但是应当理解，本发明不仅适用于两级压缩机/制冷机，也适用于单级和其它多级制冷机。
所述轴22被支撑以在轴承组件24中旋转，轴承组件24包括第一和第二压力渗氮不锈钢混合轴承26和28并承载有由压缩机10操作通过轴22施加的轴向载荷和大部分径向载荷。压力渗氮不锈钢混合轴承34是具有滚动体36的轴向浮动的、单角接触的轴承，承担了径向载荷的相对小的一部分和轴向载荷的一部分。压力渗氮不锈钢混合轴承34在与主轴向载荷的轴向方向相反的方向上被预先装入，以尽量减少承载了大部分轴向载荷的第二压力渗氮不锈钢混合轴承28上的净轴向载荷。
该轴承组件24被布置在轴22长度大约一半的位置处，压力渗氮不锈钢混合轴承26和28是背靠背的、预装的角接触滚动轴承。图1B示出图1A中由圆所指定部分的放大视图。压力渗氮不锈钢混合轴承26,28的滚动体30和32以及压力渗氮不锈钢混合轴承34的滚动体优选为滚珠而不是滚轴，以便减小轴承的成本。可选地，压力渗氮不锈钢混合轴承26和28可以以面对面的方式取向。如图1B所示，压力渗氮不锈钢混合轴承26和28的套圈取向相反，以便承担通过轴22施加的轴向载荷而无论该轴向载荷的方向如何。压力渗氮不锈钢混合轴承26和28承载通过轴22施加的大部分径向载荷。
叶轮16和17被安装在轴承组件24一侧的轴22上，并且驱动马达转子20被安装在轴承组件24另一侧上。轴承组件24沿轴22被设置成轴承组件24一侧上的轴22和叶轮16，17的重量与轴承组件24另一侧上的轴22和马达转子20的重量相平衡。叶轮16，17及其安装所在的一部分轴22可以是悬臂式的，并且因此在驱动轴22的远端42不受支承。驱动轴22的其它部分和另一远端44被径向支承并在压力渗氮不锈钢混合轴承34中被承载。需要注意的是，在单个压力渗氮不锈钢混合轴承或单个轴承组件中安装轴22是可行的。
轴承组件24的压力渗氮不锈钢混合轴承26,28是相对大口径的轴承。它们位于驱动马达转子20与叶轮16和17之间的位置允许轴22的直径大，连同由此产生的轴承径向刚度可以通过提高临界速度来增强压缩机操作，以便临界速度高于轴在运作中可能遇到的速度。这样，避免了临界速度。
通常，相比于用油润滑的轴承，当轴承由制冷剂(即无油)进行润滑时，润滑的质量可以被描述为“不良”。这种不良的润滑条件导致摩擦损耗增加，增加的摩擦损耗会损害压缩机和整体制冷机效率。
标准钢混合轴承能够在无油的情况下由制冷剂进行润滑。然而，本领域技术人员可以理解，因为在缺油条件(即制冷剂润滑)下，标准钢混合轴承由于轴承的“不良”润滑而磨损很快，油仍是标准钢混合轴承优选的润滑剂。例如，对制冷机应用中的轴承的4000小时的使用寿命被认为是属于“快速故障率”的范围。
标准钢混合轴承在制冷剂润滑条件(即无油条件)下快速故障率的原因已经被发现。标准钢混合轴承的标准钢材料的杂质含量高、晶粒尺寸太大以致于在无油条件下对轴承进行物理磨损，以及钢材中的夹杂物多。夹杂物可以包括但不限于硫化物、氧化铝、硅酸盐和球状氧化夹杂物中的一个或多个。在传统钢混合轴承中所使用材料中的这些性质对与制冷剂的化学反应以及钢材料的物理性退化有贡献。因此发现，当上述材料用于使用制冷剂润滑(即无油)的制冷机应用中的压缩机的混合轴承中时，钢材中的晶粒尺寸、杂质含量以及夹杂物充起到应力集中的作用。
然而，本申请描述的轴承中所使用的压力渗氮不锈钢材料的氮浓度大于0.3％、碳浓度在0.10-0.60％之间、铬浓度在10-18％之间。
此外，例如，在一个实施方式中，压力渗氮不锈钢材料的ASTM E112晶粒尺寸号为10。在一个实施方式中，压力渗氮不锈钢材料的ASTM E112晶粒尺寸号范围为大于或者等于10。在一个实施方式中，压力渗氮不锈钢材料的ASTM E112晶粒尺寸号范围为大于10。应注意，ASTM E112晶粒尺寸是根据本领域公知的用于确定平均晶粒尺寸的ASTM E112标准试验来确定的。
应注意的是，ASTM E112晶粒尺寸号的值越大表示在该材料中实际晶粒尺寸越小。相比之下，传统的轴承钢材料的ASTM E112晶粒尺寸号的范围通常为6至8。因此，混合轴承中使用的传统钢的晶粒尺寸大得多。用压力渗氮不锈钢实现的细化晶粒结构使得压力渗氮不锈钢混合轴承在无油条件下使用时的疲劳性能得到显著改善。
此外，例如，在一个实施方式中，对用于构成压力渗氮不锈钢混合轴承的压力渗氮不锈钢材料进行加工以从实质上消除夹杂物。结果得到具有超洁净钢微观结构的压力渗氮不锈钢材料。对传统轴承钢和压力渗氮不锈钢材料例子中夹杂物(例如，硫化物、氧化铝、硅酸盐和“球状”(球状氧化物))的ASTMA295夹杂物评级的比较如下表1所示。夹杂物评级是以1/2尺寸增量进行衡量的无量纲值。夹杂物评级是对材料中的缺陷进行测量。夹杂物评级的值越低被认为越好。夹杂物是指在钢内机械固定的外来材料，并且是指非金属颗粒，如氧化物、硫化物、硅酸盐等。夹杂物类型包括硫化物类、氧化铝类和硅酸盐类夹杂物、球状氧化物等。夹杂物类型可以包括孤立的、相对不变形的具有长宽比不超过2:1的夹杂物。
表1：ASTM A295夹杂物评级
此外，例如，对于腐蚀和/或具有制冷剂属性的化学反应的化学抵抗力已经被研究。实施方式中压力渗氮不锈钢混合轴承的压力渗氮不锈钢材料在ASTM B117/DIN 24021盐雾试验中经过4小时没有出现红锈。相比较而言，传统的轴承钢在相同的试验条件下几乎瞬间被腐蚀。
压力渗氮不锈钢混合轴承的实施方式含有降低应力集中(如杂质、颗粒尺寸和夹杂物)的压力渗氮不锈钢材料。用于形成压力渗氮不锈钢混合轴承的压力渗氮不锈钢材料的性质大幅提高了在无油条件下使用的轴承的使用寿命。如上所述，传统的钢混合轴承可以持续使用大约4000小时。相比之下，实施方式中压力渗氮不锈钢混合轴承可以持续使用25000小时或更长时间。在一个实施方式中，压力渗氮不锈钢混合轴承可以持续使用25000小时至35000小时。在一个实施方式中，压力渗氮不锈钢混合轴承可以持续使用35000小时或更长时间。
图2示出了压力渗氮不锈钢混合轴承46的一个实施方式的剖面侧视图，其对应于压力渗氮不锈钢混合轴承26、28和/或34。压力渗氮不锈钢混合轴承46包括置于外套圈50和内套圈52之间的多个陶瓷滚动体48(其可以是，例如，圆形、圆柱形、圆锥形、球形、桶形、针形等)。陶瓷滚动体48对应于滚动体30、32和36。轴承套圈50、52由压力渗氮不锈钢材料形成。陶瓷滚动体48可以由氮化硅制成。陶瓷滚动体48可以具有小于60％量级的密度，可以具有高50％的弹性模量，可热膨胀的程度只有钢轴承的30％，并且可具有的摩擦系数是钢制滚动体的摩擦系统的20％量级。
制造压力渗氮不锈钢的示例性方法包括真空感应熔炼、真空电弧重熔、电渣重熔，以及加压电渣重熔。这个过程消除了有害的共晶碳化物、细化了晶粒结构、几乎消除了夹杂物。所得钢材显著提高了耐腐蚀性、抗压强度和韧性性质。
对优选的实施方案已进行了描述。本领域的技术人员应当理解，可以进行各种修改和替换而不脱离所要求和覆盖的包括其等同物的全部范围的本发明的范围。
各方面：
应该指出，下面任一方面的任一特征可以与其他方面的任一方面进行组合。
1.一种混合轴承，包括：
由压力渗氮不锈钢制成的套圈，其中压力渗氮不锈钢的氮浓度范围大于等于0.3％、碳浓度范围为0.10-0.60％、铬浓度范围为10-18％。
2.一种混合轴承，包括：
由压力渗氮不锈钢制成的套圈，其中压力渗氮不锈钢的氮浓度范围大于0.1％、碳浓度范围为0.10-0.60％、铬浓度范围为12-18％。
3.根据方面1-2中任一方面所述的混合轴承，其中压力渗氮不锈钢的ASTM E112晶粒尺寸号的范围具有等于或大于10的值。
4.根据方面1-3中任一方面所述的混合轴承，其中压力渗氮不锈钢的硫化物的ASTM A295夹杂物评级等于或小于1/2。
5.根据方面1-4中任一方面所述的混合轴承，其中压力渗氮不锈钢的氧化铝的ASTM A295夹杂物评级等于或小于1/2。
6.根据方面1-5中任一方面所述的混合轴承，其中压力渗氮不锈钢的硅酸盐的ASTM A295夹杂物评级等于或小于1/2。
7.根据方面1-6中任一方面所述的混合轴承，其中压力渗氮不锈钢的球状氧化物的ASTM A295夹杂物评级等于或小于1/2。
8.一种压缩机，包括：
根据方面1-7中任一方面所述的混合轴承。
Claims (2)
1.一种用于制冷系统的离心压缩机，其特征在于，包括：
第一混合轴承和第二混合轴承，每个所述第一混合轴承和所述第二混合轴承包括由压力渗氮不锈钢制成的套圈，其中通过加压电渣重熔制造压力渗氮不锈钢，所述压力渗氮不锈钢的氮浓度范围大于等于0.3%、碳浓度范围为0.10-0.60%、铬浓度范围为10-18%；
轴，所述轴由所述第一混合轴承和所述第二混合轴承支撑，使得在正常运行时，所述压缩机，所述第一混合轴承和所述第二混合轴承承受通过所述轴施加的轴向载荷和大部分径向载荷；以及
制冷剂润滑剂，所述制冷剂润滑剂设置在所述第一混合轴承和所述第二混合轴承以对所述第一混合轴承和所述第二混合轴承进行润滑，其中所述制冷剂润滑剂无油，并且所述制冷剂润滑剂用于离心制冷机系统的正常运作；
其中，所述压力渗氮不锈钢的ASTM E112晶粒尺寸号的范围具有等于或大于10的值；
所述压力渗氮不锈钢的硫化物的ASTM A295夹杂物评级等于或小于1/2；
所述压力渗氮不锈钢的氧化铝的ASTM A295夹杂物评级等于或小于1/2；
所述压力渗氮不锈钢的硅酸盐的ASTM A295夹杂物评级等于或小于1/2；
所述压力渗氮不锈钢的球状氧化物的ASTM A295夹杂物评级等于或小于1/2。
2.一种离心压缩机，其特征在于，包括：
第一混合轴承和第二混合轴承，每个所述第一混合轴承和所述第二混合轴承包括由压力渗氮不锈钢制成的套圈，其中通过加压电渣重熔制造压力渗氮不锈钢，所述压力渗氮不锈钢的氮浓度范围大于0.1%、碳浓度范围为0.10-0.60%、铬浓度范围为12-18%；
轴，所述轴由所述第一混合轴承和所述第二混合轴承支撑，使得在正常运行时，所述压缩机，所述第一混合轴承和所述第二混合轴承承受通过所述轴施加的轴向载荷和大部分径向载荷；以及
制冷剂润滑剂，所述制冷剂润滑剂设置在所述第一混合轴承和所述第二混合轴承以对所述第一混合轴承和所述第二混合轴承进行润滑，其中所述制冷剂润滑剂无油，并且所述制冷剂润滑剂用于离心制冷机系统的正常运作；
所述压力渗氮不锈钢的ASTM E112晶粒尺寸号的范围具有等于或大于10的值；
所述压力渗氮不锈钢的硫化物的ASTM A295夹杂物评级等于或小于1/2；
所述压力渗氮不锈钢的氧化铝的ASTM A295夹杂物评级等于或小于1/2；
所述压力渗氮不锈钢的硅酸盐的ASTM A295夹杂物评级等于或小于1/2；
所述压力渗氮不锈钢的球状氧化物的ASTM A295夹杂物评级等于或小于1/2。
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