CN109989996B - 尤其用于制冷剂压缩机的混合球轴承 - Google Patents

尤其用于制冷剂压缩机的混合球轴承 Download PDF

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Abstract

公开了一种混合球轴承(20)，包括：内滚道(23)、外滚道(25)、和布置在它们之间的多个球(26)，其中所述内滚道(23)和所述外滚道(25)由轴承钢制成并具有第一表面RMS粗糙度Rq1，至少一个球(26)由陶瓷材料制成并具有第二表面RMS粗糙度Rq2，在崭新的状况下，滚道(23；25)的粗糙度Rq1比至少一个球(26)的粗糙度Rq2高2至5倍。本发明还涉及包括了该混合球轴承(20)的制冷剂压缩机(1)。

Description

尤其用于制冷剂压缩机的混合球轴承
技术领域
本发明涉及根据本专利技术方案1的前序部分的一种混合球轴承以及涉及包括了该混合球轴承的制冷剂压缩机。
背景技术
混合滚动轴承常用于非常苛刻的环境中，例如用在润滑状况降低的应用中和/或高速和/或高温的应用中。在工作状况的严重性(/严格性)(severity)增大的情况下，例如，较重的载荷结合较高的温度、较薄的润滑膜和/或不良的润滑状况，轴承组成部件可能遭受表面引发疲劳(surface initiated fatigue)(所谓的微点蚀)。即使微点蚀不一定是主要故障(/失效)模式，它也能够促进/加速其它故障(如压痕、表面引发剥落和咬粘)出现。
因此，微点蚀是负责寿命限制轴承磨损的机制之一。减轻微点蚀效果的一个途径是确保轴承中的滚动接触表面始终被足够厚度的润滑膜分隔开(separated)。
这在超薄润滑膜厚度(UTFT)应用中是不可能的。滚动轴承中的UTFT应用指的是通过润滑膜分离表面受以下连累(/拖累)(compromised)的状况：
(i)润滑剂的低粘度，即流体的动态粘度低于1cSt，和/或
(ii)润滑剂乏油(/不足)(starvation)，即这样的状况：滚动接触入口(/进入)(inlet)中可得到的润滑剂层无法确保轴承中的完全浸没(/适量供油)(fully flooded)状况。
在这两种状况下，接触表面处的总润滑剂层厚度被限制到300nm或更小。这可能因为以下而发生：轴承用脂来润滑(有限的润滑剂释放)或者润滑剂在到达接触之前蒸发(挥发性流体)或者通过润滑系统的润滑剂供应有限。
另外，这些UTFT应用中的许多应用使用介质润滑，如纯制冷剂润滑、油-制冷剂混合物润滑、燃料(煤油、柴油、汽油、天然气、醇类)润滑、和/或脂与介质组合润滑。水润滑被排除。对于纯制冷剂润滑，所得到的润滑剂膜厚度甚至显著小于300nm，通常在30nm的范围内。
这些滚动轴承的主故障(/失效)模式是腐蚀辅助(的)磨损。磨损(因被腐蚀加强的固体对固体接触)可能会改变滚道轮廓、增大间隙以及使局部应力集中(可能产生剥落)。这些轴承的另一个重要的故障模式是固体污染。由于这些应用在非常薄的膜厚度(例如小于300至200nm)下工作，因此任何固体颗粒(碎屑、沙子、油烟(oil soot)等)甚至是非常小的颗粒都可能在接触表面产生损坏，并且可能会改变打乱(disrupting)原始表面的膜建立能力的形貌(topography)。过度的污染还可能产生高摩擦力(这将会阻碍/阻止轴承的旋转)，并且可能在保持架中产生断裂或在滚道和滚动元件中产生咬粘(seizure)。
因此，在现有技术中已经提出采用表面工程设计技术并且提供尽可能相等的轴承圈的滚道的粗糙度和滚动元件的粗糙度，以便减少微点蚀和改善轴承的磨损和疲劳寿命。这是基于以下理解：在存在滑动且没有全膜润滑(full-film lubrication)的情况下，较粗糙的滚动接触表面在较平滑的相对的滚动接触表面上施加载荷微循环(loadmicrocycles)。不利的是，在实际中，即使在普通的钢-钢轴承中，轴承的滚道也一般比滚动元件稍微更粗糙。在混合滚动轴承中，粗糙度之间的差(异)甚至更大。
因此，本发明的目的是提供一种混合滚动轴承，其可以用于超薄润滑膜厚度的应用，尤其用于制冷剂压缩机设备，并且具有改善的耐腐蚀性和抗微点蚀性。
发明内容
该目的通过根据本专利技术方案1的混合球轴承和包括了该轴承的制冷剂压缩机解决。
与为混合球轴承提供滚道和球具有大致相同粗糙度值的最新努力相反，本发明人惊奇地发现，如果在崭新的状况下混合轴承的接触表面的粗糙度被工程设计为在预定义的边界内，则可以显著减小混合球轴承的微点蚀和腐蚀引起的磨损。
因此，在下文中提出了一种混合球轴承，包括：内滚道、外滚道、和布置在它们之间的多个球，其中外滚道和内滚道由轴承钢制成并具有第一表面RMS粗糙度Rq1，至少一个球由陶瓷材料制成并具有第二表面RMS粗糙度Rq2。在滚道(在崭新的状况下)的粗糙度Rq1比至少一个球(在崭新的状况下)的粗糙度Rq2高2至5倍、优选2.5至4倍的情况下，本发明人已发现微点蚀和/或腐蚀引起的磨损可以显著减小。
混合球轴承优选是角接触球轴承，接触角(度)的范围在0°至45°之间，优选在20°至30°之间。
预定的粗糙度允许即使在崭新的状况下以及在混合球轴承的超薄润滑膜操作状况下也能够避免任何固体对固体的接触。
根据混合球轴承的优选实施方式，滚道和球的组合表面RMS粗糙度Rq为Rq≤4×10-9(1000dm)0.55[米]，其中Rq被定义为
Figure BDA0001875277700000031
进一步优选的是，混合球轴承设置有滚道和滚子的组合粗糙度偏度Rsk为Rsk≤0，其中Rsk被定义为
Figure BDA0001875277700000032
根据另一优选实施方式，混合球轴承具有滚道和球的组合粗糙度斜率参数RΔqx为RΔqx≤8[mrad]，其中RΔqx被定义为
Figure BDA0001875277700000033
通过提供被工程设计为具有上述定义参数的混合球轴承，陶瓷球减少了边界摩擦并优化了磨合。此外，在不良润滑和污染的状况下，所提出的陶瓷球延迟了损坏进程。另外，对组合的(/构成的)粗糙度的严紧控制(tight control)有助于润滑膜的建立和磨合的改善。
根据另一优选实施方式，混合球轴承具有密切度(osculation)Φ，其范围在1.02至1.1之间，其中Φ被定义为
Figure BDA0001875277700000034
其中ri，e是内滚道或外滚道的滚道半径，Dw是球的直径。所提出的密切度在表面处的低摩擦力与高接触应力之间给出(/取得)平衡，因此优化了轴承寿命。
进一步有利的是，所提出的混合球轴承的至少一个滚道由硬化的耐腐蚀钢制成，其耐腐蚀性的点蚀电位高于根据ASTM G61-86的不锈钢基准(AISI 440C)至少25mV。另外或作为另一种选择，所使用的钢具有≥58HRC的热处理后硬度和/或至少14MPa m1/2的断裂韧性(见ASTM-E399-12)。
此外，优选的是，混合球轴承的至少一个球由氮化硅(Si3N4)制成。这与所选择的钢的耐腐蚀性质相结合，允许在混合球轴承中产生低磨损(low wear development)，这是因为在这种情况下，磨损取决于钢的硬度和环境的化学侵蚀性(腐蚀辅助磨损)。
根据另一优选实施方式，所提出的混合球轴承的球被保持架包围，保持架优选由纤维增强材料制成，优选由玻璃纤维增强PEEK或碳纤维材料制成。保持架的纤维增强材料防止在重污染环境中保持架断裂。
即使在超薄润滑膜厚度状况的特定状况下，所有这些特征单独或组合确保了混合球轴承的长持续时间。(如果)没有上述特征，这不可能实现。
因此，根据另一优选实施方式，所提出的混合球轴承借助于布置在球与滚道之间的超薄润滑膜润滑，其中润滑膜厚度小于300nm。由此，甚至更有利的是，混合球轴承利用在球与滚道之间形成弹性流体动力润滑剂膜的纯制冷剂或制冷剂/油混合物润滑。
由此，本发明的另一方面涉及一种制冷剂压缩机，其包括至少一个如上所述的混合球轴承。
另外的优点和优选实施方式在权利要求书、说明书和附图中公开。还应当注意的是，除了所指示的之外，本领域技术人员可以在不扩展本发明的范围的情况下对所提出的特征进行组合。
附图说明
在下文中，将通过图中所示的实施方式描述本发明。所示的实施方式仅仅是示例性的，而不意在限制保护范围。保护范围仅由所附权利要求限定。
附图显示：
图1：根据一优选实施方式的包括了混合球轴承的制冷剂压缩机的示意图。
在下文中，相同或相似的功能元件用相同的附图标记表示。
附图标记说明
1 制冷剂压缩机
2 电动马达
4 压缩机轴
10 混合滚子轴承
12 混合滚子轴承的内圈
13 混合滚子轴承的内圈的滚道
14 混合滚子轴承的外圈
15 混合滚子轴承的外圈的滚道
16 混合滚子轴承的滚子
17 混合滚子轴承的滚子的滚道
18 混合滚子轴承的保持架
20 混合球轴承
22 混合球轴承的内圈
23 混合球轴承的内圈的滚道
24 混合球轴承的外圈
25 混合球轴承的外圈的滚道
26 混合球轴承的球
27 混合球轴承的球的表面
28 混合球轴承的保持架
30、32 润滑装置
具体实施方式
图1示出了制冷剂压缩机1的截面图，制冷剂压缩机1具有驱动轴4的电动马达2。轴4在径向上被布置在马达2两侧的一组混合滚子轴承10-1、10-2支撑。此外，轴4在轴向上和在径向上被多个混合球轴承20-1、20-2、20-3支撑。混合球轴承20优选是能够支撑轴向和/或径向力的角接触球轴承，但也可以是任何其它型式的球轴承。混合滚子轴承10可以是任何种类的滚子轴承，例如圆柱滚子轴承、球面滚子轴承、圆锥滚子轴承或圆环滚子轴承或其组合。
各混合滚子轴承10均包括：内圈12，其具有滚道13；外圈14，其具有滚道15；和(多个)滚子16，其具有滚道17，滚子16布置在它们(/内圈与外圈)之间。滚子16还被借助于保持架18引导，保持架18优选由玻璃纤维增强(式)PEEK材料制成。然而，任何其它纤维增强材料(例如碳纤维材料)可以被用于保持架。
类似地，各混合球轴承20均包括：内圈22，其具有滚道23；外圈24，其具有滚道25；和球26，其具有表面27，球26布置在它们(/内圈与外圈)之间。同样，球26被借助于保持架28引导，保持架28优选由玻璃纤维增强PEEK材料制成。然而，任何其它纤维增强材料(例如碳纤维材料)可以被用于保持架。
此外，应当注意，图1中所示的混合球轴承具有25°至30°的接触角(度)，但是还可以使用接触角在0°至45°范围内的混合球轴承。可选的是，混合球轴承和/或混合滚子轴承具有密切度(osculation)Φ，其范围在1.02至1.1之间，其中Φ被定义为
Figure BDA0001875277700000061
其中ri,e为内滚道或外滚道的滚道半径，Dw为球的直径。所提出的密切度在表面(处)的低摩擦力与高接触应力之间给出了(/取得了)平衡，因此优化了轴承寿命。
还如图1所示，混合滚动轴承10、20被润滑装置30、32润滑，润滑装置30、32被适配成向混合滚动轴承10、20提供润滑剂。由于图1所示的设备是制冷剂压缩机，因此优选使用制冷剂本身或制冷剂/油(的)混合物作为润滑剂。这已经被证明改善了冷凝器和蒸发器热交换器中的热传递。消除油润滑剂还消除了对油维护和油成本的需要。
另一方面，使用纯制冷剂和/或制冷剂/油混合物作为润滑剂(因制冷剂提供了厚度小于200nm的弹性流体动力润滑膜而)导致了超薄润滑膜厚度(UTFT)的状况。由于这些应用在非常薄的膜厚度下工作(例如小于200nm)，因此任何固体颗粒(碎屑、沙子、油烟(oilsoot)等)甚至是非常小的固体颗粒都可能在接触表面造成损坏，并可能会改变打乱了(disrupting)原始表面的膜建立能力的形貌(topography)。过度的污染(这也是制冷剂润滑的滚动轴承中的一个问题)还可能产生将会阻碍/阻止轴承的旋转的高摩擦力，并且可能在保持架中产生断裂或者在滚道和滚动元件中产生咬粘(seizure)。
因此，为了改善用于制冷剂压缩机的混合滚动轴承的磨损和疲劳寿命，已经众所周知的是使用硬化的高氮不锈钢(例如VC444钢)和氮化硅滚动元件(用于混合滚动轴承)。
另外，本发明人已经发现，如果在崭新的状况下(in mint conditions)混合球轴承的接触表面的粗糙度被工程设计为(engineered)在预定义的边界内，则混合球轴承的微点蚀和腐蚀引起的磨损可以显著减小。因此，本发明人已提议提供一种混合球轴承20，其中外滚道25和内滚道23由轴承钢制成并具有第一表面RMS粗糙度Rq1，至少一个球26由陶瓷材料制成并具有第二表面RMS粗糙度Rq2。此外，已提出的是，在崭新的状况下滚道的粗糙度Rq1比至少一个球26的粗糙度Rq2高2至5倍。
混合滚子轴承10可以是现有技术已知的任何混合滚子轴承，但进一步优选的是，混合滚子轴承的粗糙度是被另外工程设计的。因此，混合滚子轴承10的外滚道15和内滚道13也由轴承钢制成并具有第一表面RMS粗糙度Rq1，其中至少一个滚子16由陶瓷材料制成并具有第二表面RMS粗糙度Rq2。此外，已提出的是，在崭新的状况下滚道Rq1的粗糙度比至少一个滚子16的粗糙度Rq2高1.2至4倍。
这些预定的粗糙度允许即使在崭新的状况下以及在混合球轴承的超薄润滑膜操作状况下也能避免任何固体对固体(的)接触(solid-to-solid contact)。
用于圈和滚道的钢优选是硬化的耐腐蚀钢，例如VC444钢。另一个示例是DINX30CrMoN15-1(AMS 5898)。通常，用于UTFT状况的硬化耐腐蚀轴承钢指的是热处理后硬度≥HRC58和/或断裂韧性(fracture toughness)为至少14MPa m1/2(ASTM-E399-12)的轴承钢。进一步优选的是，耐腐蚀性的点蚀电位(pitting potential)高于根据ASTMG61-86的不锈钢基准(AISI 440C)大于或等于+25mV。在热处理之后，圈(的)滚道13、15、23、25被机械加工成尺寸(/按尺寸加工)，并调整出期望的粗糙度。热处理通常包括以下步骤中的一个或多个：
-在1000℃至1150℃奥氏体化；
-气体淬火(Gas quench)；
-在-40℃至-150℃深冷处理(subzero treatment)；
-回火到一定温度(/certain temperatures)以用于不同的尺寸稳定性性质。
表1示出了与基准钢(/参考钢)AISI 440C相比被覆盖的钢的一个示例：DINX30CrMoN15-1(AMS 5898)。其还示出了(对于相同的耐腐蚀钢)不同的回火温度给予了不同的尺寸稳定性性质。
表1耐腐蚀钢参数的示例
Figure BDA0001875277700000081
滚动元件，即混合滚动轴承10、20的滚子16和球26是氮化硅球(Si3N4)：滚动元件16、26通过最严格的陶瓷质量控制和等级制成，并且必须通过ASTM F2094或ISO 26602I级和II级且滚动元件等级等于或好于G10。
除了如上面提到的粗糙度差(异)之外，本发明人还已发现，优选将用于在UTFT状况下操作的应用的混合滚动轴承10、20的滚道和滚动元件的组合粗糙度调节到预定范围。已经证明，具有如下面列出的粗糙度的混合滚动轴承10、20尤其耐(受)腐蚀引起的磨损(即使在UTFT状况下)：
对于混合球轴承20，以下值适用：
滚道和球的组合表面RMS粗糙度Rq为
Rq≤4×10-9(1000dm)0.55[米]，其中
Figure BDA0001875277700000082
滚道和球的组合粗糙度偏度(skewness)Rsk为
Rsk≤0，其中
Figure BDA0001875277700000083
滚道和球的组合粗糙度斜率参数RΔqx为
RΔqx≤8[mrad]，其中
Figure BDA0001875277700000091
对于混合滚子轴承10，以下值适用：
滚道和滚子的组合表面RMS粗糙度Rq为
Rq≤5×10-8(1000dm)0.2[米]，其中
Figure BDA0001875277700000092
滚道和滚子的组合粗糙度偏度Rsk为
Rsk≤0，其中
Figure BDA0001875277700000093
滚道和滚子的组合粗糙度斜率参数RΔqx为
RΔqx≤50[mrad]，其中
Figure BDA0001875277700000094
通过提供至少被工程设计为具有上述限定参数的混合球轴承20，陶瓷球减小了边界摩擦并优化了磨合(running-in)。此外，在不良的润滑和污染状况下，所提出的陶瓷球延迟了损坏进程。另外，对组合的(composed)粗糙度的严紧控制(tight control)有助于润滑膜的建立和磨合的改善。滚道的粗糙度可以通过使用适当的珩磨和研磨工艺来适配。陶瓷滚动元件的粗糙度可以通过使用采用金刚石磨料(abrasives)的适当的研磨和抛光(grinding and lapping)工艺来适配。

Claims (14)

1.一种混合球轴承(20)，包括：内滚道(23)、外滚道(25)和布置在它们之间的多个球(26)，其中所述内滚道(23)和所述外滚道(25)由轴承钢制成并具有第一表面RMS粗糙度Rq1，至少一个球(26)由陶瓷材料制成并具有第二表面RMS粗糙度Rq2，
其特征在于，
在崭新的状况下，滚道(23；25)的粗糙度Rq1比所述至少一个球(26)的粗糙度Rq2高2至5倍。
2.根据权利要求1所述的混合球轴承(20)，其特征在于，滚道和球的组合表面RMS粗糙度Rq为Rq≤4×10-9(1000dm)0.55[米]，其中Rq被定义为
Figure FDA0003544870150000011
3.根据权利要求1所述的混合球轴承(20)，其特征在于，滚道和球的组合粗糙度偏度Rsk为Rsk≤0，其中Rsk被定义为
Figure FDA0003544870150000012
Rq1为滚道的表面RMS粗糙度，Rq2为球的表面RMS粗糙度，Rq为滚道和球的组合表面RMS粗糙度，Rsk1为滚道的粗糙度偏度，Rsk2为球的粗糙度偏度。
4.根据权利要求2所述的混合球轴承(20)，其特征在于，滚道和球的组合粗糙度偏度Rsk为Rsk≤0，其中Rsk被定义为
Figure FDA0003544870150000013
Rq1为滚道的表面RMS粗糙度，Rq2为球的表面RMS粗糙度，Rsk1为滚道的粗糙度偏度，Rsk2为球的粗糙度偏度。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的混合球轴承(20)，其特征在于，滚道和球的组合粗糙度斜率参数RΔqx为RΔqx≤8[mrad]，其中RΔqx被定义为
Figure FDA0003544870150000014
RΔqx1为滚道的粗糙度斜率参数，RΔqx2为球的粗糙度斜率参数。
6.根据权利要求1至4中的任一项所述的混合球轴承(20)，其特征在于，密切度Φ范围在1.02至1.1之间，其中Φ被定义为
Figure FDA0003544870150000015
其中ri,e为所述内滚道(23)或所述外滚道(25)的滚道半径，Dw为所述球(26)的直径。
7.根据权利要求1至4中的任一项所述的混合球轴承(20)，其特征在于，至少一个滚道(23；25)由硬化的耐腐蚀钢制成，其耐腐蚀性的点蚀电位高于根据ASTM G61-86的不锈钢基准AISI 440C至少25mV。
8.根据权利要求1至4中的任一项所述的混合球轴承(20)，其特征在于，至少一个球(26)由氮化硅Si3N4制成。
9.根据权利要求1至4中的任一项所述的混合球轴承(20)，其特征在于，所述球(26)借助于保持架(28)引导。
10.根据权利要求1至4中的任一项所述的混合球轴承(20)，其特征在于，所述混合球轴承(20)借助于布置在所述球(26)与所述滚道(23；25)之间的超薄润滑膜润滑，所述润滑膜厚度小于300nm。
11.根据权利要求10所述的混合球轴承(20)，其特征在于，所述混合球轴承(20)利用在所述球(26)与所述滚道(23；25)之间形成弹性流体动力润滑剂膜的纯制冷剂或制冷剂/油混合物润滑。
12.根据前述权利要求9所述的混合球轴承(20)，其特征在于，所述保持架(28)由纤维增强材料制成。
13.根据前述权利要求9所述的混合球轴承(20)，其特征在于，所述保持架(28)由玻璃纤维增强PEEK或碳纤维材料制成。
14.一种制冷剂压缩机(1)，包括至少一个根据权利要求1至13中的任一项所述的混合球轴承(20)。
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