CN112160906B - 摩擦副结构、设计方法及压缩机 - Google Patents

Abstract

本申请总体来说涉及压缩机技术领域，具体而言，涉及一种摩擦副结构、设计方法及压缩机，摩擦副结构包括滚子及与所述滚子摩擦接触的滑片，所述滚子用于与所述滑片接触的摩擦面维氏硬度为H_L，所述滑片用于与所述滚子接触的摩擦面维氏硬度为H_H,H_L≥800且200≤H_H‑H_L≤900，降低了滚子和滑片之间的相对磨损，保证了尺寸的稳定性，使压缩机泵体保持良好的密封性，提升压缩机的运行性能，所述摩擦副结构工作时，所述滚子与所述滑片之间相对线速度为Vm/s，其中VH_L≥8000，通过限定速度与硬度的关系，指导压缩机泵体设计。

Description

摩擦副结构、设计方法及压缩机

技术领域

本申请总体来说涉及压缩机技术领域，具体而言，涉及一种摩擦副结构、设计方法及压缩机。

背景技术

目前在旋转式压缩机壳体内部主要由泵体组件和电机组件两大部分组成，泵体组件包括气缸、滚子、曲轴、滑片、上下轴承组件，各零部件相互配合形成密闭的吸排气腔体，电机组件则包括定子组件和转子组件。

滑片及滚子作为一对重要的摩擦对磨件，在压缩机工作时，滑片顶部与滚子外面柱面产生摩擦，进而产生滑片及滚子的磨损，当滑片顶部与滚子外圆面的磨损量超过一定的限度时，会导致压缩机的气密性下降，严重影响运行效率，甚至不能工作，使压缩机的使用寿命严重缩短，当压缩机高频高速运转时，滑片及滚子外圆面的磨损问题将更为突出，零部件的磨损严重影响到泵体结构的气密性，进而影响到压缩机的运行效率和使用寿命。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本申请内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为了解决压缩机高速运行时滚子和滑片的相对磨损而导致泵体密封性下降严重、运行效率低、寿命短、可靠性差的技术问题，本申请的主要目的在于提供一种摩擦副结构、设计方法及压缩机。

为实现上述发明目的，本申请采用如下技术方案：

一种摩擦副结构，包括滚子及与所述滚子摩擦接触的滑片；

所述滚子用于与所述滑片接触的摩擦面维氏硬度为H_L，所述滑片用于与所述滚子接触的摩擦面维氏硬度为H_H,H_L≥800且200≤H_H-H_L≤900；

所述摩擦副结构工作时，所述滚子与所述滑片之间相对线速度为Vm/s，其中10000≤VH_L≤90000。

进一步的，在本方案的一些实施例中，上述滚子的材质为氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、碳化硅工程陶瓷、氮化硅工程陶瓷中的一种。

进一步的，在本方案的一些实施例中，上述滚子的摩擦面硬度H_L范围：1400≤H_L≤2100。

进一步的，在本方案的一些实施例中，上述滑片的摩擦面硬度H_H范围：1900≤HH≤3000。

进一步的，在本方案的一些实施例中，上述滑片用于与所述滚子摩擦接触的一侧从内之外依次设置有打底层、过渡层及摩擦接触层。

进一步的，在本方案的一些实施例中，上述滑片材质为高速钢，所述打底层包括通过表面渗氮工艺形成的氮化层，所述氮化层厚度5μm-10μm。

进一步的，在本方案的一些实施例中，上述过渡层包括2μm-5μm厚的碳化钨涂层。

进一步的，在本方案的一些实施例中，上述摩擦接触层包括0.5μm-2μm的类金刚石涂层。

一种设计方法，用于摩擦副结构，包括：

滚动摩擦件的摩擦面维氏硬度为H_L，固定摩擦件的摩擦面维氏硬度为H_H，H_L≥800且200≤H_H-H_L≤900；

滚动摩擦件与固定摩擦件之间的相对工作线速度为Vm/s，其中VH_L≥8000。

一种压缩机，安装上述摩擦副结构。

由上述技术方案可知，本申请的摩擦副结构、设计方法及压缩机的优点和积极效果在于：

所述滚子用于与所述滑片接触的摩擦面维氏硬度为H_L，所述滑片用于与所述滚子接触的摩擦面维氏硬度为H_H,H_L≥800且200≤H_H-H_L≤900，降低了滚子和滑片之间的相对磨损，保证了尺寸的稳定性，使压缩机泵体保持良好的密封性，提升压缩机的运行性能，所述摩擦副结构工作时，所述滚子与所述滑片之间相对线速度为Vm/s，其中VH_L≥8000，限定速度与硬度的关系，指导压缩机泵体设计。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据一示例性实施方式示出的一种压缩机的摩擦副结构的装配示意图。

其中，附图标记说明如下：

100-气缸；200-曲轴；300-滚子；400-滑片。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围，因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围，应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

本方案提供一种摩擦副结构、设计方法及压缩机，摩擦副结构安装于压缩机，摩擦副结构包括滚子300及用于与滚子300摩擦接触的滑片400，压缩机工作过程中，将滚子300与滑片400之间的相对线速度定义为V，单位为m/s，使滚子300与滑片400之间的相对线速度与滚子300满足VH_L≥8000，滚子300与滑片400之间的相对线速度与滚子的表面硬度的关系可指导高速高频旋转式压缩机的泵体结构设计，滚子300用于与滑片400接触的摩擦面维氏硬度为H_L，滑片400用于与滚子300接触的摩擦面维氏硬度为H_H,H_L≥800且200≤H_H-H_L≤900，滑片400及滚子300在此硬度关系的基础上，使滑片400磨损及滚子300磨损均相对较小，避免了滚子300磨损与滑片400磨损差异较大的情况出现，降低了滚子300和滑片400之间的相对磨损，保证了尺寸的稳定性，使压缩机泵体保持良好的密封性，提升压缩机的运行性能。

在本领域技术人员的理解下，可定义10000≤VH_L≤90000。

图1为摩擦副结构的装配示意图，滚子300及滑片400分别位于气缸100内，曲轴200连接滚子300，滑片400与滚子300的周侧接触。滚子300的材质可以为氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、碳化硅工程陶瓷、氮化硅工程陶瓷中的一种，滑片400的材质为高速钢，本实施例中滚子300的材质采用高韧氧化铝陶瓷，氧化铝陶瓷的主要成分为氧化铝及一些增韧剂和辅助添加剂，其中增韧剂可以提高材料的韧性并降低硬度，提高增韧剂的含量可以降低材料硬度，而辅助添加剂可以适当降低烧结温度和提高材料稳定性，可以通过毛坯压制工艺的调整及烧结工艺的控制改变材料的硬度，滑片400用于与滚子300摩擦接触的一侧从内之外依次设置有打底层、过渡层及摩擦接触层，

滑片400材质采用高速钢，所述打底层包括通过表面渗氮工艺形成的氮化层，所述氮化层厚度5μm-10μm，将滑片400表面维氏硬度提升至800-1000，所述过渡层包括2μm-5μm厚的碳化钨涂层，通过磁控溅射工艺在氮化层表面涂覆碳化钨涂层，将滑片400表面维氏硬度提升至1300-1500，所述摩擦接触层包括0.5μm-2μm的类金刚石涂层，即，通过在碳化钨涂层表面采用电弧离子镀沉积工艺形成类金刚石涂层，从而将滑片400的表面维氏硬度控制在1500-2700之间。决定类金刚石涂层硬度的关键在于沉积过程中涂层Sp3键碳的含量，在Sp3键碳一定范围的含量基础上，类金刚石涂层的硬度与Sp3键碳含量成正比关系，在本领域技术人员的理解下，也可将类金刚石涂层称为DLC涂层。

本实施例中，滚子300材质选用高韧氧化铝陶瓷，滚子300表面维氏硬度范围：1400≤H_L≤2100，滑片400采用高速钢，滑片400表面采用类金刚石涂层作为耐磨涂层，滑片400表面的维氏硬度范围：1900≤H_H≤3000，将采用本实施例中滚子300与滑片400的压缩机与采用现有滚子及滑片的压缩机运行状态进行对比：

序号2-8的滚子表面硬度H_L及滑片表面硬度H_H满足1400≤H_L≤2100、1900≤HH≤3000及200≤H_H-H_L≤900的关系，在长时间运行过程中，压缩机运行效率下降的百分比较小，从序号5-8可以看出，在运行速度大幅度提升的情况下，即，滚子300和滑片400之间相对线速度提升的情况下，压缩机运行效率没有明显的下降，压缩机运行较稳定。序号1滚子材料选用合金铸铁，维氏硬度为550，滑片材料选用高速钢(无涂层)，表面维氏硬度为700，在与序号2-4采用相同运行线速度、相同运行时间的情况下，压缩机运行效率具有明显下降。

在本领域人员的理解下，本方案中，滑片400也可选用陶瓷材料，如氧化铝工程陶瓷、氧化锆工程陶瓷、碳化硅工程陶瓷、氮化硅工程陶瓷，滚子300也可以设置耐磨涂层，如类金刚石(DLC)涂层、类石墨(GLC)涂层、氧化锆涂层、氧化铝涂层、氮化硅涂层及渗氮氮化层。通过改变涂层的各种材料组分比控制涂层硬度，滚子300的摩擦面积大于滑片400的摩擦面积，滚子300的磨损面为整个外圆柱面，在运行过程中持续变换，因此，使滚子300表面维氏硬度小于滑片400表面维氏硬度，在满足滚子300与滑片400表面硬度关系的基础上，滚子300的表面也可以设置涂层结构。

本实施例还提供一种设计方法，用于摩擦副结构的表面硬度设计，包括：滚动摩擦件的摩擦面维氏硬度为H_L，固定摩擦件的摩擦面维氏硬度为H_H，H_L≥800且200≤H_H-H_L≤900，滚动摩擦件与固定摩擦件在工作过程中，滚动摩擦件与固定摩擦件之间的相对线速度为Vm/s，其中VH_L≥8000。

本实施例还提供一种设计方法，用于摩擦副结构，包括：

滚动摩擦件的摩擦面维氏硬度为H_L，固定摩擦件的摩擦面维氏硬度为H_H，H_L≥800且200≤H_H-H_L≤900；

滚动摩擦件与固定摩擦件之间的相对工作线速度为Vm/s，其中VH_L≥8000。

本实施例还提供一种压缩机，压缩机安装有上述摩擦副结构。

综上，本方案提供一种摩擦副结构、设计方法及压缩机，通过设计滚子300与滑片400之间的相对线速度与其硬度的关系，可指导高速高频旋转式压缩机的泵体结构设计，滚子300用于与滑片400接触的摩擦面维氏硬度为H_L，滑片400用于与滚子300接触的摩擦面维氏硬度为H_H,H_L≥800且200≤H_H-H_L≤900，滚子300材质选用高韧氧化铝陶瓷，滚子300表面维氏硬度范围：1400≤H_L≤2100，滑片400采用高速钢，滑片400表面采用类金刚石涂层作为耐磨涂层，滑片400表面的维氏硬度范围：1900≤H_H≤3000，滑片400及滚子300在此硬度关系的基础上，使滑片400磨损及滚子300磨损均相对较小，避免了滚子300磨损程度与滑片400磨损程度出现较大差异，降低了滚子300和滑片400之间的相对磨损，保证了滚子300尺寸及滑片400尺寸的稳定性，使压缩机泵体保持良好的密封性，提升压缩机的运行性能。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种摩擦副结构，其特征在于，包括滚子（300）及与所述滚子（300）摩擦接触的滑片（400）；

所述滚子（300）用于与所述滑片（400）接触的摩擦面维氏硬度为H_L，所述滑片（400）用于与所述滚子（300）接触的摩擦面维氏硬度为H_H，200≤H_H-H_L≤900；

所述摩擦副结构工作时，所述滚子（300）与所述滑片（400）之间相对线速度为Vm/s，其中10000≤VH_L≤90000，所述滚子（300）的摩擦面硬度H_L范围：1400≤H_L≤1800。

2.根据权利要求1所述的摩擦副结构，其特征在于，所述滚子（300）的材质为氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、碳化硅工程陶瓷、氮化硅工程陶瓷中的一种。

3.根据权利要求1所述的摩擦副结构，其特征在于，所述滑片（400）的摩擦面硬度H_H范围：1900≤H_H≤2000。

4.根据权利要求1所述的摩擦副结构，其特征在于，所述滑片（400）用于与所述滚子（300）摩擦接触的一侧从内至外依次设置有打底层、过渡层及摩擦接触层。

5.根据权利要求4所述的摩擦副结构，其特征在于，所述滑片（400）材质为高速钢，所述打底层包括通过表面渗氮工艺形成的氮化层，所述氮化层厚度5μm-10μm。

6.根据权利要求4所述的摩擦副结构，其特征在于，所述过渡层包括2μm-5μm厚的碳化钨涂层。

7.根据权利要求4所述的摩擦副结构，其特征在于，所述摩擦接触层包括0.5μm-2μm的类金刚石涂层。

8.一种用于摩擦副结构设计方法，其特征在于，包括：

滚子的摩擦面维氏硬度为H_L，滑片的摩擦面维氏硬度为H_H，1400≤H_L≤1800，且200≤H_H-H_L≤900；

所述滚子与所述滑片之间的相对工作线速度为Vm/s，其中10000≤VH_L≤90000。

9.一种压缩机，其特征在于，安装有权利要求1-7任一所述的摩擦副结构。

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