CN113494523A - 一种重载点支撑弹性可倾瓦水润滑滑动推力轴承 - Google Patents

一种重载点支撑弹性可倾瓦水润滑滑动推力轴承 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种重载点支撑弹性可倾瓦水润滑滑动推力轴承，包括支撑环、若干点支撑弹性可倾瓦、若干固定瓦和推力盘；所述支撑环和推力盘同轴布置，若干点支撑弹性可倾瓦周向均布于支撑环上；若干固定瓦沿周向均布于推力盘上；所述点支撑弹性可倾瓦包括自上而下依次连接的瓦面耐磨层A、衬底层A、瓦座、弹性层、支撑层和刚性球头；所述瓦面耐磨层A采用聚晶金刚石、立方氮化硼、陶瓷和硬质合金中的任意一种材料制作。本发明的有益效果为：将由高硬度材料制作的摩擦副、高阻尼弹性材料制作的弹性层和刚性球头结构集成到单个推力瓦上，提高了推力瓦的整体性能，使推力瓦同时具备高承载能力、高耐磨性、减振吸振和均载功能以及抗冲击性能。

Description

一种重载点支撑弹性可倾瓦水润滑滑动推力轴承
技术领域
本发明涉及一种推力轴承，具体涉及一种重载点支撑弹性可倾瓦水润滑滑动推力轴承。
背景技术
水润滑推力轴承的承载性能、耐磨损性能限制了其的大规模应用。在舰船水下推进***领域，还须同时考虑水润滑推力轴承的减振功能及低噪声特性，以提升舰船的隐蔽性。当前水润滑推力轴承普遍采用高分子聚合物、尼龙、层压板等材料制作推力瓦的摩擦副，这些材料在泥沙水润滑环境下很快会因磨损而失效，开发或选择具有高承载能力和耐磨性的水润滑材料，是解决轴承承载性能和耐磨性等问题的关键。由于轴承低噪声特性，在轴承的结构优化设计中，考虑将弹性大阻尼材料和刚性球头支撑结构集成到推力瓦中，开发具备灵活自适应倾斜功能和减振吸振功能的点支撑弹性可倾瓦，是一种较为可行的方案。
研究发现，提高水润滑推力轴承摩擦副材料的硬度，可以显著提升轴承的承载性能和耐磨性，这类材料包括聚晶金刚石、立方氮化硼、硬质合金、陶瓷等。聚晶金刚石已在水润滑推力轴承方面有应用。目前，已经授权、公开的采用聚晶金刚石材料研制的滑动推力轴承相关中国专利包括《金刚石滑动推力轴承》(公告号：CN203835953U)；《一种超重载水润滑滑动推力轴承及其制造方法》(公布号：CN 112727919 A)；外国专利包括《BEARINGASSEMBLIES,AND BEARING APPARATUSES AND MOTOR ASSEMBLIES USING SAME》(US20120255789A1)；《BEARING ELEMENTS,BEARING ASSEMBLIES,AND RELATED METHODS》(US20130182980A1)；《METHODS OF OPERATING A BEARING APPARATUS INCLUDING TILTINGPADS》(US20140355914A1)等。然而，以上这些滑动推力轴承的结构较简单，推力盘或者支撑环上的推力瓦大多均为固定瓦结构，推力瓦没有工况自适应改变倾角的能力，容易产生局部接触刮擦或应力过大等情况，致使瓦块受损。美国专利《TILTING PAD BEARINGASSEMBLIES,AND BEARING APPARATUSES AND METHODS OF USING THE SAME》(US20200347877A1)公布了一种基于聚晶金刚石材料的可倾瓦推力轴承，但是瓦块不具备弹性协调能力(均载功能)，在瓦块高度差较大时，也可能产生局部接触应力过大的情形，且该轴承不具有减振吸振功能，高转速工况下可能诱发结构产生较大的摩擦振动现象。
除聚晶金刚石外，立方氮化硼、硬质合金、陶瓷材料等均具有较高的硬度和耐磨性，也是开发水润滑可倾瓦推力轴承耐磨摩擦副的优良材料，但目前并未发现这些材料在水润滑可倾瓦推力轴承方面应用的报道，同时，国内外均未检索到点支撑弹性可倾瓦推力轴承的相关专利。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种重载点支撑弹性可倾瓦水润滑滑动推力轴承，解决现有水润滑推力轴承承载能力、耐磨性、均载能力和减振性能差等问题。
本发明采用的技术方案为：一种重载点支撑弹性可倾瓦水润滑滑动推力轴承，包括支撑环、若干点支撑弹性可倾瓦、若干固定瓦和推力盘；所述支撑环和推力盘同轴布置，所述支撑环与固定基座相连，若干点支撑弹性可倾瓦周向均布于支撑环上，构成推力轴承的非旋转部分；所述推力盘与旋转轴相连，若干固定瓦沿周向均布于推力盘上，构成推力轴承的旋转部分；安装在支撑环上的点支撑弹性可倾瓦与安装在推力盘上的固定瓦相对布置，二者接触面构成推力轴承的摩擦工作面；所述点支撑弹性可倾瓦包括自上而下依次连接的瓦面耐磨层A、衬底层A、瓦座、弹性层、支撑层和刚性球头；所述瓦面耐磨层A与固定瓦的表面正对，接触面为摩擦工作面；所述刚性球头的上部固定在支撑层上，刚性球头的下表面为半球面，安装在支撑环上；所述瓦面耐磨层A采用聚晶金刚石、立方氮化硼、陶瓷和硬质合金中的任意一种材料制作。
按上述方案，所述瓦座开设有顶部凹槽，所述衬底层A与瓦面耐磨层A连接为一个整体后安装在瓦座的顶部凹槽内，所述顶部凹槽的四角加工有弧形槽；所述支撑层开设有底部凹槽，所述刚性球头的上表面为平面，刚性球头的上部固定在底部凹槽内。
按上述方案，所述衬底层A采用硬质合金、不锈钢或铜基材料制作；所述弹性层采用合成橡胶或者金属橡胶材料制作；所述瓦座和支撑层均可采用不锈钢或铜基金属材料制作。
按上述方案，当弹性层采用合成橡胶制作时，弹性层通过粘接或硫化的方式与瓦座和支撑层连接；当弹性层采用金属橡胶制作时，弹性层通过焊接方式瓦座和支撑层连接。
按上述方案，所述固定瓦为双层复合结构，包括上到下依次设置的瓦面耐磨层B和衬底层B；其中，瓦面耐磨层B与瓦面耐磨层A正对构成摩擦副，二者制作材料相同；衬底层B与推力盘连接固定，衬底层B与衬底层A的制作材料相同。
按上述方案，所述支撑环为环形槽状结构，包括内环、外环和连接内外环的环形支撑板，所述支撑环的环形支撑板上周向间隔开设有与刚性球头适配的安装槽，刚性球头的下表面为半球面，设于安装槽内，且刚性球头的顶部与支撑层底部的距离比安装槽的深度大1～2mm。
按上述方案，所述内环和外环的顶部周向间隔开设有限位槽；所述瓦座的内侧弧面和外侧弧面分别连接有限位耳轴，限位耳轴与限位槽适配。
按上述方案，所述支撑环的内环顶部设有内挡圈，支撑环的外环顶部设有外挡圈，限位耳轴安装在限位槽内后，内外挡圈分别压紧限位槽。
按上述方案，所述内环和外环上分别开设有位置对应的通孔。
本发明的有益效果为：
1、本发明中将由高硬度材料制作的摩擦副、高阻尼弹性材料制作的弹性层和刚性球头结构集成到单个推力瓦上，瓦面高硬度材料使推力瓦同时具备高承载能力、高耐磨性，瓦底部的刚性球头结构可以增强瓦块灵活倾斜摆动的能力，夹层中的高阻尼弹性材料可提升瓦推力块减振吸振和均载功能以及较好的抗冲击性能等优点。本发明通过对推力瓦结构、制造材料、制造工艺的创新性设计，使推力瓦同时具备高承载能力、高耐磨性、灵活倾斜摆动能力、减振吸振和均载功能以及较好的抗冲击性能等优点，满足舰船、水下航行器等对高承载、耐磨损、低噪声水润滑推力轴承的需求。
2、本发明结构简单合理，轴承零件少，制造工艺简单。
附图说明
图1为本发明一个具体实施例的剖视图。
图2为本实施例中点支撑弹性可倾瓦俯视图。
图3为图2中B-B剖面视图。
图4为本实施例中支撑环的结构示意图。
图5为本实施例中安装10块点支撑弹性可倾瓦的支撑环示意图。
图6为本实施例中安装13块固定瓦的推力盘示意图。
图中：1、支撑环；1-1、限位槽；1-2、安装槽；1-3、沉头螺栓孔；1-4、通孔；2、点支撑弹性可倾瓦；2-1、瓦面耐磨层A；2-2、衬底层A；2-3、瓦座；2-4、弹性层；2-5、支撑层；2-6、刚性球头；2-7、限位耳轴；2-8、弧形槽；3、固定瓦；3-1、瓦耐磨层B；3-2、衬底层B；4、推力盘；5、外挡圈；6、内挡圈。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1、图5和图6所示的一种重载点支撑弹性可倾瓦水润滑滑动推力轴承，包括支撑环1、若干点支撑弹性可倾瓦2、若干固定瓦3和推力盘4；所述支撑环1和推力盘4同轴布置，所述支撑环1与固定基座相连(支撑环1的底部加工有若干个沉头螺栓孔1-3，用于与固定基座螺栓连接)，若干点支撑弹性可倾瓦2周向均布于支撑环1上，构成推力轴承的非旋转部分；所述推力盘4与旋转轴相连(推力盘4的外周面均布若干螺栓孔，用于与旋转轴螺栓连接)，若干固定瓦3沿周向均布于推力盘4上，构成推力轴承的旋转部分；安装在支撑环1上的点支撑弹性可倾瓦2和安装在推力盘4上的固定瓦3相对布置，二者接触面构成推力轴承的摩擦工作面，用于承载水环境下的轴向力。
如图2～3所示，所述点支撑弹性可倾瓦2为整体呈扇形(也可以制作成圆形或矩形)的多层复合结构，包括自上而下依次连接的瓦面耐磨层A2-1、衬底层A2-2、瓦座2-3、弹性层2-4、支撑层2-5和刚性球头2-6；所述瓦面耐磨层A2-1与固定瓦3的表面正对，接触面为摩擦工作面；具体地，瓦座2-3开设有顶部凹槽，所述衬底层A2-2与瓦面耐磨层A2-1连接为一个整体后安装在瓦座2-3的顶部凹槽内；所述刚性球头2-6的上表面为平面，下表面为半球面，支撑层2-5开设有底部凹槽，刚性球头2-6的上部固定在底部凹槽内，刚性球头2-6的下部安装在支撑环1上。本发明中，所述弹性层2-4和刚性球头2-6集成在一个点支撑弹性可倾瓦2上，使该点支撑弹性可倾瓦2既具备减振吸振和均载功能，又具备灵活自适应倾斜摆动能力。优选地，所述顶部凹槽的四角加工有弧形槽2-8，用于释放瓦座2-3变形产生的应力，防止瓦面耐磨层A2-1局部应力过大而破裂。
本发明中，所述瓦面耐磨层A2-1采用聚晶金刚石、立方氮化硼、陶瓷和硬质合金中的任意一种材料制作，但不限于上述四种材料；所述衬底层A2-2采用硬质合金、不锈钢或铜基材料制作。所述弹性层2-4可采用合成橡胶或者金属橡胶等高阻尼弹性材料制作，但不限于上述两种材料；当弹性层2-4采用合成橡胶制作时，通过粘接或硫化的方式与瓦座2-3和支撑层2-5连接；当弹性层2-4采用金属橡胶制作时，通过焊接方式瓦座2-3和支撑层2-5连接。所述瓦座2-3和支撑层2-5均可采用不锈钢或铜基金属材料制作加工。刚性球头2-6为高硬度耐腐蚀不锈钢材质，具备可互换性。
优选地，如图4所示，所述支撑环为环形槽状结构，包括内环、外环和连接内外环的环形支撑板，所述支撑环1的环形支撑板上周向间隔开设有与刚性球头2-6适配的安装槽1-2，点支撑弹性可倾瓦2的刚性球头2-6的下表面为半球面，设于安装槽1-2内，且刚性球头2-6的顶部与支撑层2-5底部的距离比安装槽1-2的深度大1～2mm。本实施例中，安装槽1-2的数量与刚性球头2-6的数量匹配。
优选地，所述内环和外环上分别开设有位置对应的通孔1-4(内外环上位置对应的通孔轴线重合)，用于排除进入支撑环内部的泥沙、颗粒物等，避免杂物堆积影响瓦块摆动的灵活性；所述内环和外环的顶部周向间隔开设有限位槽1-1；所述瓦座2-3的内侧弧面和外侧弧面分别连接有限位耳轴2-7，两个限位耳轴2-7的轴线重合，限位耳轴2-7与限位槽1-1适配；所述支撑环1的内环顶部设有内挡圈6，支撑环1的外环顶部设有外挡圈5，限位耳轴2-7安装在限位槽1-1内后，内外挡圈分别压紧限位槽1-1。
本实施例中，限位耳轴2-7的直径小于限位槽1-1的宽度，限位耳轴2-7的长度略小于限位槽1-1的径向深度。将所有的点支撑弹性可倾瓦2安装在支撑环1上之后，再将内挡圈5和外挡圈6分别安装在支撑环1上，将限位槽1-1的开口压紧。这种结构和配合设计可保证点支撑弹性可倾瓦2在支撑环1上灵活摆动而不会掉落。
本发明中，固定瓦3通过焊接或粘接方式固定安装在推力盘4上，其不具备摆动或自适应倾斜的能力，仅随推力盘运动。所述固定瓦3为双层复合结构，包括上到下依次设置的瓦面耐磨层B3-1和衬底层B3-2；其中，瓦面耐磨层B3-1与瓦面耐磨层A2-1正对构成摩擦副，二者制作材料相同；衬底层B3-2与推力盘4连接固定，衬底层B3-2与衬底层A2-2的制作材料相同。
本发明的工作原理如下：
推力盘4直接安装在旋转轴上，随旋转轴旋转；支撑环1直接安装在固定基座上。工作时，推力盘4旋转并通过固定瓦3的瓦面耐磨层B3-1将轴向力传递给点支撑弹性可倾瓦2的瓦面耐磨层A2-1，点支撑弹性可倾瓦2再将轴向力传递给固定基座，完成轴向力由旋转件向静止件的传递。冷却水通过点支撑弹性可倾瓦2或固定瓦3周围的空隙自由流动，对摩擦工作面进行润滑，并带走摩擦热。当推力盘4的旋转轴线相对于支撑环1发生倾斜时，推力轴承可能会由两摩擦面接触承载变为局部点接触承载，造成局部应力过大，轴承损坏，此时点支撑弹性可倾瓦2的刚性球头2-6发挥作用，使支撑弹性可倾瓦2自适应倾斜，以降低局部较大的接触应力。由于在轴承研制过程中，各点支撑弹性可倾瓦2的高度不可能完全一致，这就有可能导致在工作时每个瓦所承受的轴向载荷相差较大，此时点支撑弹性可倾瓦2的弹性层2-4将发挥作用，其弹性变形能力将使各瓦的载荷尽可能均匀。此外，当旋转轴上有冲击载荷时，弹性层2-4由于具有一定的阻尼，可以吸收部分振动能量，减小振动传递，起减振隔振作用。
经试验，本发明所述重载点支撑弹性可倾瓦水润滑滑动推力轴承在水润滑环境下的最大承载比压超过20MPa，在PV值大于100MPa·m·s-1工况下(在非流体润滑滑动轴承中，用PV值来表示轴承的工作能力(同时也可用它表示轴承的工况负荷)；P为轴承工作面承受的压力(Mpa)，V为摩擦面的平均滑移速度(m/s)；PV值的单位为Mpa·m/s；轴承的许用PV值越高，表示其工作能力越强)，根据磨损量计算的使用寿命大于3万小时，承载能力和寿命均远超现有水润滑滑动推力轴承。
最后应说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种重载点支撑弹性可倾瓦水润滑滑动推力轴承，其特征在于，包括支撑环、若干点支撑弹性可倾瓦、若干固定瓦和推力盘；所述支撑环和推力盘同轴布置，所述支撑环与固定基座相连，若干点支撑弹性可倾瓦周向均布于支撑环上，构成推力轴承的非旋转部分；所述推力盘与旋转轴相连，若干固定瓦沿周向均布于推力盘上，构成推力轴承的旋转部分；安装在支撑环上的点支撑弹性可倾瓦与安装在推力盘上的固定瓦相对布置，二者接触面构成推力轴承的摩擦工作面；所述点支撑弹性可倾瓦包括自上而下依次连接的瓦面耐磨层A、衬底层A、瓦座、弹性层、支撑层和刚性球头；所述瓦面耐磨层A与固定瓦的表面正对，接触面为摩擦工作面；所述刚性球头的上部固定在支撑层上，刚性球头的下部安装在支撑环上；所述瓦面耐磨层A采用聚晶金刚石、立方氮化硼、陶瓷和硬质合金中的任意一种材料制作。
2.如权利要求1所述的水润滑滑动推力轴承，其特征在于，所述瓦座开设有顶部凹槽，所述衬底层A与瓦面耐磨层A连接为一个整体后安装在瓦座的顶部凹槽内，所述顶部凹槽的四角加工有弧形槽；所述支撑层开设有底部凹槽，所述刚性球头的上表面为平面，刚性球头的上部固定在底部凹槽内。
3.如权利要求2所述的水润滑滑动推力轴承，其特征在于，所述衬底层A采用硬质合金、不锈钢或铜基材料制作；所述弹性层采用合成橡胶或者金属橡胶材料制作；所述瓦座和支撑层均可采用不锈钢或铜基金属材料制作。
4.如权利要求3所述的水润滑滑动推力轴承，其特征在于，当弹性层采用合成橡胶制作时，弹性层通过粘接或硫化的方式与瓦座和支撑层连接；当弹性层采用金属橡胶制作时，弹性层通过焊接方式瓦座和支撑层连接。
5.如权利要求3所述的水润滑滑动推力轴承，其特征在于，所述固定瓦为双层复合结构，包括上到下依次设置的瓦面耐磨层B和衬底层B；其中，瓦面耐磨层B与瓦面耐磨层A正对构成摩擦副，二者制作材料相同；衬底层B与推力盘连接固定，衬底层B与衬底层A的制作材料相同。
6.如权利要求2所述的水润滑滑动推力轴承，其特征在于，所述支撑环为环形槽状结构，包括内环、外环和连接内外环的环形支撑板，所述支撑环的环形支撑板上周向间隔开设有与刚性球头适配的安装槽，刚性球头的下表面为半球面，设于安装槽内，且刚性球头的顶部与支撑层底部的距离比安装槽的深度大1～2mm。
7.如权利要求6所述的水润滑滑动推力轴承，其特征在于，所述内环和外环的顶部周向间隔开设有限位槽；所述瓦座的内侧弧面和外侧弧面分别连接有限位耳轴，限位耳轴与限位槽适配。
8.如权利要求6所述的水润滑滑动推力轴承，其特征在于，所述支撑环的内环顶部设有内挡圈，支撑环的外环顶部设有外挡圈，限位耳轴安装在限位槽内后，内外挡圈分别压紧限位槽。
9.如权利要求6所述的水润滑滑动推力轴承，其特征在于，所述内环和外环上分别开设有位置对应的通孔。
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