CN111637152A - 一种用于高低温大范围温度环境的金属-陶瓷复合轴颈 - Google Patents

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Abstract

一种用于高低温大范围温度环境的金属‑陶瓷复合轴颈，属于机械设计与制造技术领域。包括金属轴、薄壁弹性元件、陶瓷外套，陶瓷外套内径大于金属轴外径，薄壁弹性元件位于陶瓷外套和金属轴之间的间隙内，间隙内充填润滑剂。陶瓷外套底部加工有若干均匀对称的凹槽结构，金属轴在下部加工轴肩，轴肩上方加工与陶瓷外套底部凹槽对称的凸块结构；当陶瓷外套从金属轴上方由上至下套入时，陶瓷外套底部凹槽恰好包围住轴肩上方凸块，保证陶瓷外套2和金属轴之间不发生相对位移。本发明轴颈结构的温度应力完全依靠薄壁弹性元件进行调节，对于轴颈加工制造精度要求较低，并且提高了轴颈抗振性能，从而大幅度提高了轴承寿命。

Description

一种用于高低温大范围温度环境的金属-陶瓷复合轴颈
技术领域
本发明属于机械设计与制造技术领域，尤其涉及到一种高低温大范围温度工作环境的金属-陶瓷复合轴颈。
背景技术
滑动轴承是一种广泛应用的重要工业轴承。轴颈和轴瓦材料决定了滑动轴承的工作寿命和性能，为了保证强度要求，轴颈材料主要为金属材料。为了提高轴承的耐高温、耐磨、减阻、耐腐蚀与使用寿命等性能，轴颈表面常常采用各种热处理技术或者表面强化技术，工业上广泛采用各种表面喷涂强化技术，例如各种陶瓷镀膜技术，这种轴颈表面为耐腐蚀、耐高温、耐磨、减阻材料，内部为韧性好、强度高的金属材料，使得轴承的综合性能较好。但是，这种轴承的知名弱点是无法在高低温大范围温度环境下工作。因为轴颈的金属材料与表面的陶瓷镀膜材料的温度膨胀系数相差几倍，在温度应力作用下，表面陶瓷镀膜很容易热疲劳破坏。例如，核电站的主泵以及各二级泵的水润滑导轴承，不能采用常规润滑油润滑，只能依靠冷却水自身实现润滑。这些轴承具有特殊设计要求，温度变换范围大(最高温度可达280℃)、使用寿命长、耐腐蚀、耐辐射、摩擦系数低等。轴颈一般采用不锈钢表面强化处理(例如喷涂碳化钨)、表面堆焊等技术，但是表面强化层在温度应力作用下疲劳寿命难以保证。若直接采用氮化硅或者碳化硅等陶瓷轴颈，断裂韧性太低，容易脆性断裂。在金属轴颈外面通过过盈配合加装一层陶瓷套，设计成金属-陶瓷复合轴颈是一种较为理想的办法。但是，由于金属与陶瓷之间的巨大热膨胀系数差异，这样设计的轴承无法在高温环境下工作。本发明旨在有效解决这一技术难题。
发明内容
本发明目的在于建立一种基于薄壁夹芯筒结构实现轴颈温度应力控制的金属-陶瓷复合轴颈。陶瓷材料为氮化硅、碳化硅、三氧化二铝等高强度陶瓷。该方法的主要优点是，轴颈结构的温度应力完全依靠薄壁弹性元件进行调节，对于轴颈加工制造精度要求较低，并且提高了轴颈抗振性能，从而大幅度提高了轴承寿命。
本发明的技术方案为：
一种用于高低温大范围温度环境的金属-陶瓷复合轴颈，所述金属-陶瓷复合轴颈包括金属轴1、薄壁弹性元件、陶瓷外套2。所述陶瓷外套2内径大于金属轴1外径，薄壁弹性元件位于陶瓷外套2和金属轴1之间的间隙内。
为了防止陶瓷外套2和金属轴1之间产生相对滑动，在陶瓷外套2底部加工有若干均匀对称的凹槽结构，金属轴1在下部加工有轴肩6，轴肩6外径大于金属轴1外径，小于陶瓷外套2的外径，在轴肩6上方加工有与陶瓷外套2底部凹槽对称的凸块结构，凹槽的尺寸略大于凸块的尺寸，保证高温热膨胀时此处结构不被破坏，当陶瓷外套2从金属轴1上方由上至下套入时，陶瓷外套2底部的凹槽恰好包围住金属轴1的轴肩6上方的凸块，从而卡住以保证陶瓷外套2和金属轴1之间不发生相对位移。
为了防止陶瓷外套2和金属轴1之间产生相对滑动，陶瓷外套2内表面和金属轴1外表面也可以设计成波纹面5，在运动过程中实现相互咬合。
所述的薄壁弹性元件可以是薄壁弹性金属波纹管3，也可以是金属或者非金属多孔可压缩超弹性材料或者骨架结构材料4。薄壁弹性元件可以是单层结构，也可以是多层层叠结构；可以是一体薄壁筒结构，也可以是多体对接结构。薄壁弹性金属波纹管的波纹方向可以是横向或者纵向。
进一步的，所述的陶瓷外套2和金属轴1的间隙部分可以充填润滑剂，润滑剂包括：水、润滑油、润滑脂等。
采用热装配的方法：将金属轴1降温，将薄壁弹性金属波纹管3加热，然后从金属轴1上方由上往下套入，直至金属波纹管3与金属轴1的轴肩6接触，将金属轴1和金属波纹管3共同降温，将陶瓷外套2加热，然后从金属轴1上方由上往下套入，同时将陶瓷外套2下方的凹槽与金属轴1的轴肩6上方的凸块对齐，直至陶瓷外套2下方的凹槽完全套住金属轴1的轴肩6上方的凸块，完成装配。
本发明的设计原理为：
当温度由室温降低时，由于陶瓷材料热膨胀系数小，因而陶瓷外套收缩远小于金属轴和薄壁波纹弹性元件。通过调节薄壁波纹弹性元件的压缩变形刚度或压缩变形量，来控制陶瓷外套的受力状态，保证陶瓷外套与薄壁波纹弹性元件始终接触。
当温度升高时，由于陶瓷材料热膨胀系数小，因而膨胀远小与金属轴和薄壁波纹弹性元件。通过调节薄壁波纹弹性元件的压缩变形刚度或压缩变形量，保证陶瓷外套在高温时不至于被胀碎。
本发明的有益效果为：轴颈结构的温度应力完全依靠薄壁弹性元件进行调节，对于轴颈加工制造精度要求较低，并且提高了轴颈抗振性能，从而大幅度提高了轴承寿命。
附图说明
图1为金属-陶瓷复合轴颈结构示意图(俯视图)；
图2为金属-陶瓷复合轴颈结构示意图(俯视图)；
图3为金属-陶瓷复合轴颈波纹面结构示意图(俯视图)；
图4为金属-陶瓷复合轴颈装配结构示意图(a)俯视图(b)正视中心剖面图；
图中：1金属轴；2陶瓷外套；3薄壁弹性金属波纹管；4金属或者非金属多孔可压缩超弹性材料或者骨架结构材料；5陶瓷外套内表面和金属轴外表面波纹面结构；6轴肩。
具体实施方式
以下结合具体实施例和附图对本发明做进一步说明。
一种高低温大范围温度工作环境的金属-陶瓷复合轴颈(以高弹性的薄壁弹性金属波纹管和嵌套结构为例)，包括金属轴1、薄壁弹性元件、陶瓷外套2。所述陶瓷外套2内径大于金属轴1外径，薄壁弹性元件位于陶瓷外套2和金属轴1之间的间隙内：
采用热装配的方法，将金属轴1降温，将薄壁弹性金属波纹管3加热，然后从金属轴1上方由上往下套入，直至金属波纹管3与金属轴1的轴肩6接触，将金属轴1和金属波纹管3共同降温，将陶瓷外套2加热，然后从金属轴1上方由上往下套入，同时将陶瓷外套2下方的凹槽与金属轴1的轴肩6上方的凸块对齐，直至陶瓷外套2下方的凹槽完全套住金属轴1的轴肩6上方的凸块，完成装配。
图1为以薄壁弹性金属波纹管3作为薄壁弹性元件的金属-陶瓷复合轴颈结构示意图；图2为以金属或者非金属多孔可压缩超弹性材料或者骨架结构材料4作为薄壁弹性元件的金属-陶瓷复合轴颈结构示意图；图3为金属-陶瓷复合轴颈陶瓷外套内表面和金属轴外表面波纹面结构5示意图，薄壁弹性金属波纹管3置于陶瓷外套2内表面和金属轴1外表面之间，是一种相互咬合的固定方式，能够有效防止陶瓷外套2、金属轴1以及薄壁弹性金属波纹管3之间相互滑动。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于高低温大范围温度环境的金属-陶瓷复合轴颈，其特征在于，所述金属-陶瓷复合轴颈包括金属轴(1)、薄壁弹性元件、陶瓷外套(2)；所述陶瓷外套(2)内径大于金属轴(1)外径，薄壁弹性元件位于陶瓷外套(2)和金属轴(1)之间的间隙内；
所述陶瓷外套(2)底部加工有若干均匀对称的凹槽结构，金属轴(1)在下部加工有轴肩(6)，轴肩(6)外径大于金属轴(1)外径，小于陶瓷外套(2)的外径，在轴肩(6)上方加工有与陶瓷外套(2)底部凹槽对称的凸块结构，凹槽的尺寸略大于凸块的尺寸，保证高温热膨胀时此处结构不被破坏，当陶瓷外套(2)从金属轴(1)上方由上至下套入时，陶瓷外套(2)底部的凹槽恰好包围住金属轴(1)的轴肩(6)上方的凸块，从而卡住保证陶瓷外套(2)和金属轴(1)之间不发生相对位移；
所述陶瓷外套(2)内表面和金属轴(1)外表面也可以设计成波纹面，在运动过程中实现相互咬合。
2.根据权利要求1所述的一种用于高低温大范围温度环境的金属-陶瓷复合轴颈，其特征在于，所述的陶瓷外套(2)和金属轴(1)的间隙部分可以充填润滑剂。
3.根据权利要求1所述的一种用于高低温大范围温度环境的金属-陶瓷复合轴颈，其特征在于，所述的薄壁弹性元件可以是薄壁弹性金属波纹管，也可以是金属或者非金属多孔可压缩超弹性材料或者骨架结构材料；薄壁弹性元件可以是单层结构，也可以是多层层叠结构；可以是一体薄壁筒结构，也可以是多体对接结构。
4.根据权利要求1所述的一种用于高低温大范围温度环境的金属-陶瓷复合轴颈，其特征在于，所述的薄壁弹性金属波纹管的波纹方向可以是横向或者纵向。
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