CN109356936A - 聚合物推力轴承及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种聚合物推力轴承的制备方法，其包括以下步骤：1)提供聚合物推力轴承，在聚合物推力轴承的瓦背的各优化测点位置加工凹槽；2)提供超声波压电元件作为超声波传感器，并将压电元件安装在轴瓦背面的各优化测点位置上；以及3)将同轴电缆的一端焊接在压电元件的正负极，并将压电元件、同轴电缆、轴瓦融合形成智能体。本发明聚合物推力轴承及其制备方法提出了在确保轴承结构和性能不受不良影响的前提下，在轴瓦背面优化测点位置嵌入式布设多个超声波压电元件，使得聚合物推力轴承具有很好的性能，通过膜厚超声检测系统能够准确获取聚合物推力轴承的实时润滑状态，配合实验台常规配置的静压顶起装置可以确保轴承工作在安全状态下。

Description

聚合物推力轴承及其制备方法
技术领域
本发明属于轴承领域，更具体地说，本发明涉及一种能够实时监控润滑膜厚度分布的聚合物推力轴承及其制造方法。
背景技术
推力轴承具有运转精度高、承受冲击载荷大、使用寿命长等优点，因此广泛应用于高速、精密、重载场合，成为大型火电、水电发电机组、核电站主循环泵等重要设备中的核心部件之一。
对于推力轴承而言，为了改善其摩擦性能，通常在轴瓦表面设置一层耐磨材料。新型高分子聚合物，如聚四氟乙烯(PTFE)和聚醚醚酮(PEEK)，具有许用单位压力高、摩擦系数小、耐磨耐腐蚀性能好的特点，因此已逐渐取代传统巴士合金作为推力轴承的表面涂覆材料，并在大型水轮发电机组中获得了很好的工程应用效果。
但是，随着设备朝着大型化和复杂化方向发展，对轴承的性能和可靠性也提出了更高的要求。为了提高聚合物推力轴承的性能和运行可靠性，避免和降低推力轴承在恶劣工况中发生因磨损而导致轴承失效的情况，目前主要有两种改进方式：一种是通过聚合物改性来增加表面涂覆聚合物的耐磨性，第二种是通过改善涂覆层与基底的复合工艺来提高轴承运行的可靠性。但是，受到材料和工艺技术的限制，上述两种改进方式目前都存在瓶颈。
为了解决上述问题，根据一种全新的思路，可以在轴承上安装传感器，使轴承类似于“智能轴承”，通过实时监测轴承的工作状态并根据工作状态必要时通过静压顶起装置进行干预，避免轴承发生碰磨。这种方式的优势在于可巧妙地避开材料和工艺技术对轴承性能的限制，难点在于：首先，必须找到合适的传感器对轴承的运行状态进行精准表征；其次，传感器的安装不能对轴承的结构和性能产生不良影响。
通常，温度和油膜厚度是两个用来表征轴承运行状态的典型参数。温度测量相对简单，但缺点在于：对于聚合物推力轴承，由于聚合物的温度绝缘性，轴瓦的瓦背温度并不能有效反映真实的油膜温度，两者差值可高达30℃，这会给轴承的运行带来重大隐患。
油膜厚度及分布是推力轴承润滑状态最直接的表征，通过在线监测轴承运行过程中的油膜分布情况，能够实时掌握轴承的润滑状态，配合静压顶起装置，能够确保轴承工作在安全状态内。比较可知，油膜厚度及分布相对于温度更加直接和可靠，能够精准地表征轴承的运行状态。
油膜厚度及分布的获取可通过电学方法、光学方法和超声波方法，其中，电学方法要求传感器与油膜的上下表面接触，会对轴承的结构和油膜的形成产生较大的影响；光学方法需要轴承材料一侧为透光材料或为传感器提供光路，在工业轴承中的应用受到很大限制；超声波方法由于超声波具有良好的直线传播特性和强穿透性，能够弥补光学方法要求材料为透光性的缺陷，是一种优良的非介入式膜厚检测方法。
目前，用于膜厚检测的超声波传感器主要有商用接触式超声波传感器和水浸式超声波传感器，这两种类型传感器虽然不需要与油膜的界面接触，但其外形体积都较大，实际安装时需要对轴承结构进行较大破坏。此外，这两种传感器需要用水凝胶或者水作为耦合剂和聚焦介质，其在轴承上的安装非常复杂，且测量精度容易受到振动的影响。
有鉴于此，确有必要提供一种聚合物推力轴承，其可通过膜厚超声检测系统准确获取聚合物推力轴承的实时润滑状态，配合实验台常规配置的静压顶起装置可以确保轴承工作在安全状态下。
发明内容
本发明的发明目的在于：克服现有技术的不足，提供一种聚合物推力轴承，其可通过膜厚超声检测系统准确获取聚合物推力轴承的实时润滑状态，配合实验台常规配置的静压顶起装置可以确保轴承工作在安全状态下。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种聚合物推力轴承的制备方法，其包括以下步骤：
1)提供聚合物推力轴承，在聚合物推力轴承的瓦背的各优化测点位置加工凹槽；
2)提供超声波压电元件作为超声波传感器，并将压电元件安装在轴瓦背面的各优化测点位置上；以及
3)将同轴电缆的一端焊接在压电元件的正负极，并将压电元件、同轴电缆、轴瓦融合形成智能体。
作为本发明聚合物推力轴承的制备方法的一种改进，所述同轴电缆的另一端则配置成标准的SMA接口。
作为本发明聚合物推力轴承的制备方法的一种改进，所述凹槽为圆形，直径大于8mm，深度为2mm-10mm。
作为本发明聚合物推力轴承的制备方法的一种改进，所述瓦背优化测点位置的确定方式为：通过联立聚合物推力轴承的三维能量方程、计入滑移的雷诺方程、轴瓦热传导方程和轴瓦热弹变形方程求解获得聚合物推力轴承在不同工况下的理论压力、膜厚、温度和形变分布信息；以及根据理论压力、膜厚、温度和形变分布信息确定优化测点的个数和位置。
作为本发明聚合物推力轴承的制备方法的一种改进，所述凹槽表面粗糙度不大于0.4μm，凹槽中传感器待安装位置不存在划痕、擦痕、坑点和刻痕。
作为本发明聚合物推力轴承的制备方法的一种改进，所述超声波压电元件的材料为PZT5A，压电元件的中心频率为9MHz-10MHz，压电元件的正负极同时设置在压电元件的上表面。
作为本发明聚合物推力轴承的制备方法的一种改进，所述超声波压电元件通过高温粘合剂嵌入式安装在各优化测点位置。
作为本发明聚合物推力轴承的制备方法的一种改进，步骤2)包括：
用棉签蘸苯酮对超声波压电元件待安装位置进行反复清洗直至超声波压电元件待安装表面完全清洁；
去除超声波压电元件上下表面的氧化层；
在超声波压电元件待安装位置和超声波压电元件的表面涂上一层薄且均匀的高温粘合剂；
将超声波压电元件贴合在超声波压电元件待安装位置，通过工程夹固定，置于烘箱中烘烤；以及
待超声波压电元件自然冷却后取出。
作为本发明聚合物推力轴承的制备方法的一种改进，所述烘烤在100℃-120℃下进行，烘烤时间为120min-150min。
作为本发明聚合物推力轴承的制备方法的一种改进，所述高温粘合剂能够耐受150℃以上的高温工作环境，且具有很好的均匀流动性。
作为本发明聚合物推力轴承的制备方法的一种改进，所述高温粘合剂推荐为MBond600。
作为本发明聚合物推力轴承的制备方法的一种改进，所述压电元件、同轴电缆、轴瓦通过高温环氧树脂封装融合形成为一个智能体。
作为本发明聚合物推力轴承的制备方法的一种改进，所述高温环氧树脂能够耐受150℃以上的高温工作环境，且具有很低的声阻抗，能够吸收超声波压电元件背向散射的超声波，避免背向散射超声波对超声波传感器频率特性的影响，优选为Raychem S1125高温环氧树脂。
此外，本发明还提供了一种聚合物推力轴承，其通过前述聚合物推力轴承的制备方法获得。
相对于现有技术，本发明聚合物推力轴承及其制备方法结合润滑理论技术和超声波传感器技术，提出了在确保轴承结构和性能不受不良影响的前提下，在轴瓦背面优化测点位置嵌入式布设多个超声波压电元件，通过对传感器特性、传感器安装及封装工艺进行优化和规范，使得设计加工的聚合物推力轴承能够具有很好的性能，通过膜厚超声检测系统能够准确获取聚合物推力轴承的实时润滑状态，配合实验台常规配置的静压顶起装置可以确保轴承工作在安全状态下。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式，对本发明聚合物推力轴承及其制备方法进行详细说明，其中：
图1为本发明聚合物推力轴承的结构示意图。
图2为图1所示聚合物推力轴承沿着A-A线的剖视示意图。
图3为本发明聚合物推力轴承的背面传感器优化测点位置示意图。
图4为本发明聚合物推力轴承采用的超声波压电元件的结构示意图。
图5为本发明聚合物推力轴承的超声波传感器的安装示意图。
具体实施方式
为了使本发明的发明目的、技术方案及其技术效果更加清晰，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。
请参照图1至图5所示，本发明聚合物推力轴承的制备方法包括以下步骤：
1)提供聚合物推力轴承，在聚合物推力轴承的瓦背的各优化测点位置加工凹槽；
2)提供超声波压电元件作为超声波传感器，并将压电元件安装在轴瓦背面的各优化测点位置上；以及
3)将同轴电缆的一端焊接在压电元件的正负极，并将压电元件、同轴电缆、轴瓦融合形成智能体，同轴电缆的另一端则配置成标准的SMA接口。
根据本发明聚合物推力轴承的制备方法的一个实施方式，所述凹槽30为圆形，直径大于8mm，深度为2mm-10mm(优选5mm)，表面粗糙度不大于0.4μm，凹槽中传感器待安装位置不存在划痕、擦痕、坑点和刻痕。
根据本发明聚合物推力轴承的制备方法的一个实施方式，瓦背优化测点位置的确定方式为：通过联立聚合物推力轴承的三维能量方程、计入滑移的雷诺方程、轴瓦热传导方程和轴瓦热弹变形方程求解获得聚合物推力轴承在不同工况下的理论压力、膜厚、温度和形变分布信息；以及根据理论压力、膜厚、温度和形变分布信息确定优化测点的个数和位置。
请参照图1和图2所示，本发明聚合物推力轴承包括钢板基底10，基底10的工作表面按现有技术烧结一层聚合物20，其具体工艺和现有技术相同，不再赘述。
请参照图3所示，根据理论压力、膜厚、温度和形变分布信息确定在轴瓦的周向1/4、2/4、3/4与径向1/4、2/4、3/4的交点处布置传感器。为了加工和布线方便，在基底10的背面周向1/4、2/4、3/4位置加工直径为8mm，深为5mm的长条形凹槽30，凹槽30的表面粗糙度不超过0.4μm，在传感器待安装位置不存在划痕、擦痕、坑点和刻痕。
请参照图4所示，根据本发明聚合物推力轴承的制备方法的一个实施方式，超声波压电元件40的材料为PZT5A，压电元件的中心频率为9MHz-10MHz，压电元件的正极400、负极402同时设置在超声波压电元件40的上表面，超声波压电元件40通过高温粘合剂嵌入式安装在各优化测点位置，具体步骤包括：
用棉签蘸苯酮对超声波压电元件40的待安装位置进行反复清洗直至超声波压电元件40的待安装表面完全清洁；
通过玻璃刷去除超声波压电元件40上下表面的氧化层；
在超声波压电元件40的待安装位置和超声波压电元件40的表面涂上一层薄且均匀的高温粘合剂，高温粘合剂能够耐受150℃以上的高温工作环境，具有很好的均匀流动性，例如高温粘合剂为MBond600；
将超声波压电元件40贴合在超声波压电元件40的待安装位置，通过工程夹固定，置于100℃-120℃恒温烘箱中烘烤120min-150min；以及
待超声波压电元件40自然冷却后取出。
根据本发明聚合物推力轴承的制备方法的一个实施方式，超声波压电元件40、同轴电缆、轴瓦通过高温环氧树脂封装融合形成为一个智能体，高温环氧树脂为RaychemS1125高温环氧树脂。
此外，本发明还提供了一种聚合物推力轴承，其通过前述聚合物推力轴承的制备方法获得。
请参照图5所示，可以理解的是，为了方便制备工艺，本发明聚合物推力轴承上还设有支撑孔和定位孔，以及便于同轴电缆布线的布线槽。
相对于现有技术，本发明聚合物推力轴承及其制备方法结合润滑理论技术和超声波传感器技术，提出了在确保轴承结构和性能不受不良影响的前提下，在轴瓦背面优化测点位置嵌入式布设多个超声波压电元件，通过对传感器特性、传感器安装及封装工艺进行反复优化和规范，使得设计加工的聚合物推力轴承能够具有很好的性能，通过膜厚超声检测系统能够准确获取聚合物推力轴承的实时润滑状态，配合实验台常规配置的静压顶起装置可以确保轴承工作在安全状态下。
根据上述原理，本发明还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (14)

1.一种聚合物推力轴承的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)提供聚合物推力轴承，在聚合物推力轴承的瓦背的各优化测点位置加工凹槽；
2)提供超声波压电元件作为超声波传感器，并将压电元件安装在轴瓦背面的各优化测点位置上；以及
3)将同轴电缆的一端焊接在压电元件的正负极，并将压电元件、同轴电缆、轴瓦融合形成智能体。
2.根据权利要求1所述的聚合物推力轴承的制备方法，其特征在于，所述同轴电缆的另一端则配置成标准的SMA接口。
3.根据权利要求1所述的聚合物推力轴承的制备方法，其特征在于，所述凹槽为圆形，直径大于8mm,深度为2mm-10mm。
4.根据权利要求1所述的聚合物推力轴承的制备方法，其特征在于，所述轴瓦背面优化测点位置的确定方式为：通过联立聚合物推力轴承的三维能量方程、计入滑移的雷诺方程、轴瓦热传导方程和轴瓦热弹变形方程求解获得聚合物推力轴承在不同工况下的理论压力、膜厚、温度和形变分布信息；以及根据理论压力、膜厚、温度和形变分布信息确定优化测点的个数和位置。
5.根据权利要求1所述的聚合物推力轴承的制备方法，其特征在于，所述凹槽表面粗糙度不大于0.4μm。
6.根据权利要求1所述的聚合物推力轴承的制备方法，其特征在于，所述超声波压电元件的材料为PZT5A，压电元件的中心频率为9MHz-10MHz，压电元件的正负极同时设置在压电元件的上表面。
7.根据权利要求1所述的聚合物推力轴承的制备方法，其特征在于，所述超声波压电元件通过高温粘合剂嵌入式安装在各优化测点位置。
8.根据权利要求7所述的聚合物推力轴承的制备方法，其特征在于，步骤2)包括：
用棉签蘸苯酮对超声波压电元件待安装位置进行反复清洗直至超声波压电元件待安装表面完全清洁；
去除超声波压电元件上下表面的氧化层；
在超声波压电元件待安装位置和超声波压电元件的表面涂上一层薄且均匀的高温粘合剂；
将超声波压电元件贴合在超声波压电元件待安装位置，通过工程夹固定，置于烘箱中烘烤；以及
待超声波压电元件自然冷却后取出。
9.根据权利要求8所述的聚合物推力轴承的制备方法，其特征在于，所述烘烤在100℃-120℃下进行，烘烤时间为120min-150min。
10.根据权利要求8所述的聚合物推力轴承的制备方法，其特征在于，所述高温粘合剂能够耐受150℃以上的高温工作环境，且具有很好的均匀流动性。
11.根据权利要求8所述的聚合物推力轴承的制备方法，其特征在于，所述高温粘合剂为MBond600。
12.根据权利要求1所述的聚合物推力轴承的制备方法，其特征在于，所述压电元件、同轴电缆、轴瓦通过高温环氧树脂封装融合形成为一个智能体。
13.根据权利要求12所述的聚合物推力轴承的制备方法，其特征在于，所述高温环氧树脂为Raychem S1125高温环氧树脂。
14.一种聚合物推力轴承，其特征在于，所述聚合物推力轴承根据权利要求1-13中任一项所述的制备方法获得。
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CN113266507A (zh) * 2021-04-22 2021-08-17 大连三环复合材料技术开发股份有限公司 一种在推力轴承与导轴承上的嵌入式摩擦磨损传感器

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