CN105020267B - 核主泵水润滑复合材料推力轴承 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种核主泵水润滑复合材料推力轴承，包括不锈钢瓦基和工程塑料层，不锈钢瓦基具有连接工程塑料层的凹凸面，凹凸面与工程塑料层之间通过热塑模压复合成型，凹凸面的面积与凹凸面在所述不锈钢瓦基上的正投影面积之间的比值为1.2‑2。本发明的凹凸面与工程塑料层之间通过凹凸面的凹面和凸面，以及粗糙面和工程塑料层熔融后特有的粘结性相结合，形成可靠物理连接为一体的复合材料推力轴承，可发挥金属与非金属各自优点，由此可大幅度降低工程塑料层厚度，提高承载能力，运行时受压力、温度的影响下，轴承尺寸依然有很好的稳定性，更有利于建立稳定的安全润滑水膜，是一种抗核辐射，安全可靠的新型水润滑复合材料推力轴承。
Description
技术领域
本发明涉及一种水润滑复合材料推力轴承，特别是一种核主泵水润滑复合材料推力轴承。产品主要适用于核电站核岛一回路系统在核辐射工况环境驱动冷却剂的循环泵(核主泵)用轴承，还用于各种承受推力的旋转机械支撑部位，如水电机组、水泵、减速机等领域，也适用于油润滑，特别是高温、高速使用工况。
背景技术
目前，核电站核岛一回路冷却剂循环泵(简称核主泵)是核电站的关键设备，核主泵对整个核电站的运行和安全起着至关重要的作用，而核主泵轴承是保证循环泵安全可靠稳定运行的关键部件。
国内外核电站小容量发电机组配置核主泵轴承是采用石墨材料制造的水润滑推力轴承，其结构为石墨板放置在扇形钢瓦基的夹槽中，两侧面用挡板固定。由于石墨材料属脆性材料，抗冲击性能较差，在较大冲击载荷和交变载荷工况下，瓦块易发生破碎，安全可靠性差，不适应大功率核主泵长期安全运行。另外，由于石墨轴承材料脆，顺应性不好，对整套轴承和单瓦面上受力不均状况不能自身调整，易造成偏载状况。
二是金属板与工程塑料板采用机械组合结构制造的水润滑推力轴承。该结构是通过设在钢瓦块平面上的夹槽安装定位，采用螺钉紧固，由于这种结构是由多层结构拼合安装而成，所用紧固螺钉，轴承在长期运行过程中存在松动、脱落和连接不稳定等缺陷，增加事故点，所以对核主泵运行带来安全隐患。
现今，核电逐步向大容量发电机组发展，现有技术已不适应大功率核主泵的使用要求，核主泵轴承已成为发展大容量核电装备制造中的瓶颈。因此，亟待需要解决为大功率核主泵提供一种抗核辐射并适应水润滑、安全可靠的推力轴承。
发明内容
根据上述提出的现有技术中石墨板抗冲击性能差，不适应大功率核主泵的使用要求，金属板与工程塑料板拼合所需的紧固螺钉易脱落的技术问题，而提供一种由具有良好韧性特种工程塑料与不锈钢瓦基完全成为一体结构的新型推力轴承瓦块，由多块扇形或圆形瓦块组成的圆环，形成核主泵水润滑复合材料推力轴承。
本发明采用的技术手段如下：
一种核主泵水润滑复合材料推力轴承，包括不锈钢瓦基和工程塑料层，所述不锈钢瓦基具有连接所述工程塑料层的凹凸面，所述凹凸面与所述工程塑料层之间通过热塑模压复合成型，所述凹凸面的面积与所述凹凸面在所述不锈钢瓦基上的正投影面积之间的比值为1.2-2。通过上述设置来增加所述不锈钢瓦基的表面积，提高所述不锈钢瓦基与所述工程塑料层的结合强度，所述凹凸面的面积指的是所述凹凸面的表面积。
所述凹凸面分别位于所述不锈钢瓦基上表面和所述不锈钢瓦基下表面，位于所述不锈钢瓦基上表面的凹凸面上的工程塑料层的厚度为2-15mm，位于所述不锈钢瓦基的下表面的凹凸面上的工程塑料层的厚度为0.5-5mm。
所述凹凸面位于所述不锈钢瓦基的上表面，所述工程塑料层的厚度为2-15mm。
所述凹凸面的凸面具有粗糙面。所述粗糙面通过以下处理方法得到，处理方法包括以下三种或以下三种方法的组合：
(1)采用滚花轮进行滚压花处理，滚花节距约0.3-1.5mm；
(2)采用机械加工形成宽度0.5-1.5mm，深度0.2-0.8mm纵横交错沟槽或加工成30°-90°，深0.2-0.8mm的纵横交错沟槽；
(3)采用表面喷砂等粗化处理。
所述不锈钢瓦基呈扇形或圆形，所述凹凸面的凹面由多条环形凹槽组成，所述环形凹槽的形状与所述不锈钢瓦基的外缘相匹配，多条所述环形凹槽等间距排列，相邻所述环形凹槽之间的距离为6-10mm，所述环形凹槽的凹槽口的宽度为4-12mm，所述环形凹槽的凹槽底的宽度比所述环形凹槽的凹槽口的宽度大0.5-1mm，所述环形凹槽的深度为1-5mm。
所述不锈钢瓦基呈扇形或圆形，所述凹凸面的凹面由多条横向凹槽和多条纵向凹槽组成，所述多条横向凹槽等间距排列，相邻所述横向凹槽之间的间距为6-10mm，所述横向凹槽的凹槽口的宽度为4-12mm，所述横向凹槽的凹槽底的宽度比所述横向凹槽的凹槽口的宽度大0.5-1mm，所述横向凹槽的深度为1-5mm，所述多条纵向凹槽等间距排列，相邻所述纵向凹槽之间的间距为6-10mm，所述纵向凹槽的凹槽口的宽度为4-12mm，所述纵向凹槽的凹槽底的宽度比所述纵向凹槽的凹槽口的宽度大0.5-1mm，所述纵向凹槽的深度为1-5mm。
所述不锈钢瓦基呈扇形，所述凹凸面的凹面由多条弧形凹槽组成，所述弧形凹槽的形状与所述扇形的弧相匹配，多条所述弧形凹槽沿所述扇形的半径方向等间距排列，相邻所述弧形凹槽之间的间距为6-10mm，所述弧形凹槽的凹槽口的宽度为4-12mm，所述弧形凹槽的凹槽底的宽度比所述弧形凹槽的凹槽口的宽度大0.5-1mm，所述弧形凹槽的深度为1-5mm。
所述不锈钢瓦基呈扇形或圆形，所述凹凸面的凹面由多个有序排列的盲孔组成，相邻所述盲孔之间的距离为6-10mm，所述盲孔的盲孔口直径为4-10mm，所述盲孔的孔底的直径比所述盲孔的盲孔口直径大0.5-1mm，所述盲孔的深度为1-5mm。所述有序排列指的是所述盲孔可排列成正方形、长方形、菱形、三角形或矩阵等形式。
所述工程塑料层为单层工程塑料层或复合工程塑料层，所述复合工程塑料层包括改性层和非改性层，所述改性层通过所述非改性层与所述凹凸面连接，所述单层工程塑料层的材质为改性聚醚醚酮粉料或改性聚醚砜酮粉料，所述改性层的材质为改性聚醚醚酮粉料或改性聚醚砜酮粉料，所述非改性层的材质为纯树脂粉料。
所述纯树脂粉料，指的是未改性聚醚醚酮粉料或者未改性的聚醚砜酮粉料。如果所述改性层的材质为改性聚醚醚酮粉料，所述纯树脂粉料为纯聚醚醚酮粉料；如果所述改性层的材质为改性聚醚砜酮粉料，所述纯树脂粉料为聚醚砜酮粉料。
所述改性层厚度为所述复合工程塑料层厚度的2/3-4/5。
由于改性后粘结性能下降，因此在所述不锈钢瓦基与所述改性层之间加一层所述非改性层，提高其粘结性。
所述凹凸面与所述工程塑料层之间通过所述凹凸面的凹面和凸面，以及所述粗糙面和所述工程塑料层熔融后特有的粘结性相结合，形成可靠物理连接为一体的复合材料推力轴承。
位于所述不锈钢瓦基的上表面的所述工程塑料层为所述推力轴承的工作表面摩擦层，位于所述不锈钢瓦基的下表面的所述工程塑料层为所述推力轴承的阻热层。
所述热塑模压复合成型具有如下步骤：
(1)热塑模压模具材质采用耐热不锈钢制作，所述模具凹模型腔形状及尺寸，依据所述不锈钢瓦基的毛坯外缘几何形状及尺寸进行设计、加工与配合，并设有排气流道；
(2)所述改性聚醚醚酮树脂粉料或所述改性聚醚砜酮树脂粉料，模压前需在120℃环境下干燥8小时以上，当所述工程塑料层为复合工程塑料层时，需按同样干燥条件再干燥一定量未改性的纯树脂粉料；
(3)将所述不锈钢瓦基放入所述模具凹模中；
(4)当所述工程塑料层为复合工程塑料层时，所述复合工程塑料层的厚度，其中2/3-4/5厚度为所述改性聚醚醚酮树脂粉料或所述改性聚醚砜酮树脂粉料，1/5-1/3厚度为纯树脂粉料。根据不同厚度计算、称重用料量，先将纯树脂粉料均匀装入凹模型腔中所述不锈钢瓦基上并刮平，再将改性树脂粉料均匀装入所述模具凹模型腔中并刮平，合模，
当所述工程塑料层为单层工程塑料层时，根据所述单层工程塑料层的厚度称重用料量，将改性树脂粉料均匀装入所述模具凹模型腔中并刮平，合模；
(5)在压力机上向模具施加30-80MPa的压力；
(6)将所述模具整体放入空气循环加热炉，并加热到350-410℃，使粉料完全熔融，加热时间视工件规格和模具大小而定；
(7)加热后将所述模具放置在压力机上，施加30-60MPa压力，同时保压，并以每小时30-60℃冷却速率进行冷却，待所述模具温度降至70℃以下脱模取出工件；
(8)经机械加工，形成水润滑复合材料推力轴承。
当所述凹凸面分别位于所述不锈钢瓦基上表面和所述不锈钢瓦基下表面时，在上述步骤(4)中，需要先分别计算、称重位于所述不锈钢瓦基上下表面的两部分的所述工程塑料层的所需粉料的用量，
之后先将位于所述不锈钢瓦基下表面的工程塑料层所需粉料均匀装入模具中刮平，再装入所述不锈钢瓦基。
与现有技术相比，本发明的工作表面摩擦层为工程塑料层，属于弹、塑性材料，具有良好的抗冲击性能和顺应性，它有效克服了石墨轴承易破碎的缺点。
所述凹凸面与所述工程塑料层之间通过所述凹凸面的凹面和凸面，以及所述粗糙面和所述工程塑料层熔融后特有的粘结性相结合，形成可靠物理连接为一体的复合材料推力轴承。由于本发明是金属与非金属结合为牢固的一体复合材料结构，可发挥金属与非金属各自优点。由此可大幅度降低工程塑料层厚度，不但提高承载能力，而且运行时受压力、温度的影响下，轴承尺寸依然有很好的稳定性，更有利于建立稳定的润滑水膜，是一种抗核辐射，安全可靠的新型水润滑复合材料推力轴承。本发明除了有良好的耐辐照和水润滑性能外，具有抗冲击、耐磨损、低摩擦、自润滑、顺应性和自调性等特性。
基于上述理由本发明可在推力轴承等领域广泛推广。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的实施例1中不锈钢瓦基和工程塑料层相结合的结构示意图。
图2是图1中的A部放大结构示意图。
图3是本发明的实施例2中不锈钢瓦基和工程塑料层相结合的结构示意图。
图4是本发明的具有环形凹槽的扇形不锈钢瓦基得结构示意图。
图5是本发明的具有环形凹槽的圆形不锈钢瓦基得结构示意图。
图6是本发明的具有横向凹槽和纵向凹槽的扇形不锈钢瓦基得结构示意图。
图7是本发明的具有横向凹槽和纵向凹槽的圆形不锈钢瓦基得结构示意图。
图8是本发明的具有弧形凹槽的不锈钢瓦基得结构示意图。
图9是本发明的具有盲孔的扇形不锈钢瓦基得结构示意图。
图10是本发明的具有盲孔的圆形不锈钢瓦基得结构示意图。
具体实施方式
如图1-10所示，一种核主泵水润滑复合材料推力轴承，包括不锈钢瓦基1和工程塑料层2，所述不锈钢瓦基1具有连接所述工程塑料层2的凹凸面3，所述凹凸面3与所述工程塑料层2之间通过热塑模压复合成型，所述凹凸面3的面积与所述凹凸面3在所述不锈钢瓦基1上的正投影面积之间的比值为1.2-2。
所述凹凸面3位于所述不锈钢瓦基1的上表面，或所述凹凸面3分别位于所述不锈钢瓦基1上表面和所述不锈钢瓦基1下表面，位于所述不锈钢瓦基1上表面的凹凸面3上的工程塑料层2的厚度为2-15mm，位于所述不锈钢瓦基1的下表面的凹凸面3上的工程塑料层2的厚度为0.5-5mm。
所述凹凸面3的凸面具有粗糙面4。
当所述不锈钢瓦基1呈扇形或圆形时，
所述凹凸面3的凹面由多条环形凹槽5组成，所述环形凹槽5的形状与所述不锈钢瓦基1的外缘相匹配，多条所述环形凹槽5等间距排列，相邻所述环形凹槽5之间的距离为6-10mm，所述环形凹槽5的凹槽口的宽度为4-12mm，所述环形凹槽5的凹槽底的宽度比所述环形凹槽5的凹槽口的宽度大0.5-1mm，所述环形凹槽5的深度为1-5mm。
或，
所述凹凸面3的凹面由多条横向凹槽6和多条纵向凹槽7组成，所述多条横向凹槽6等间距排列，相邻所述横向凹槽6之间的间距为6-10mm，所述横向凹槽6的凹槽口的宽度为4-12mm，所述横向凹槽6的凹槽底的宽度比所述横向凹槽6的凹槽口的宽度大0.5-1mm，所述横向凹槽6的深度为1-5mm，所述多条纵向凹槽7等间距排列，相邻所述纵向凹槽7之间的间距为6-10mm，所述纵向凹槽7的凹槽口的宽度为4-12mm，所述纵向凹槽7的凹槽底的宽度比所述纵向凹槽7的凹槽口的宽度大0.5-1mm，所述纵向凹槽7的深度为1-5mm。
或，
所述凹凸面3的凹面由多个有序排列的盲孔9组成，相邻所述盲孔之间的距离为6-10mm，所述盲孔9的盲孔口直径为4-10mm，所述盲孔9的孔底的直径比所述盲孔9的盲孔口直径大0.5-1mm，所述盲孔9的深度为1-5mm。
当所述不锈钢瓦基1呈扇形时，
所述凹凸面3的凹面由多条弧形凹槽8组成，所述弧形凹槽8的形状与所述扇形的弧相匹配，多条所述弧形凹槽8沿所述扇形的半径方向等间距排列，相邻所述弧形凹槽8之间的间距为6-10mm，所述弧形凹槽8的凹槽口的宽度为4-12mm，所述弧形凹槽8的凹槽底的宽度比所述弧形凹槽8的凹槽口的宽度大0.5-1mm，所述弧形凹槽8的深度为1-5mm。
所述工程塑料层2为单层工程塑料层或复合工程塑料层，所述复合工程塑料层包括改性层和非改性层，所述改性层通过所述非改性层与所述凹凸面3连接，
所述单层工程塑料层的材质为改性聚醚醚酮粉料或改性聚醚砜酮粉料，所述改性层的材质为改性聚醚醚酮粉料或改性聚醚砜酮粉料，所述非改性层的材质为纯树脂粉料。
所述改性层厚度为所述复合工程塑料层厚度的2/3-4/5。
下面通过具体实施例对本发明做进一步说明，
实施例1
如图1，图2和图4所示，一种核主泵水润滑复合材料推力轴承，包括不锈钢瓦基1和工程塑料层2，所述不锈钢瓦基1呈扇形，所述不锈钢瓦基1具有连接所述工程塑料层2的凹凸面3，所述凹凸面3位于所述不锈钢瓦基1的上表面，所述工程塑料层2的厚度为2-15mm，
所述工程塑料层2为复合工程塑料层，所述合工程塑料层包括改性层和与非改性层，所述改性层通过所述非改性层与所述凹凸面3连接，所述改性层的材质为改性聚醚醚酮粉料或改性聚醚砜酮粉料，所述非改性层的材质为纯树脂粉料。
所述改性层厚度为所述复合工程塑料层厚度的2/3。所述凹凸面3的凹面由多条环形凹槽5组成，所述环形凹槽5的形状与所述不锈钢瓦基1的外缘相匹配，多条所述环形凹槽5等间距排列，相邻所述环形凹槽5间的距离为10mm，所述环形凹槽5的凹槽口的宽度为5mm，所述环形凹槽5的凹槽底宽为5.5mm，所述环形凹槽5的深度为1mm，即所述环形凹槽5的横截面成燕尾形。位于所述不锈钢瓦基1外缘附近的环形凹槽5距离所述不锈钢瓦基1外缘5mm，所述凹凸面3的面积与所述凹凸面3在所述不锈钢瓦基1上的正投影面积之间的比值为1.2，所述凹凸面3的凸面具有粗糙面4，所述粗糙面4采用滚花轮滚压花处理得到，滚花节距约0.9mm。
所述凹凸面3与所述工程塑料层2之间通过热塑模压复合成型。
所述热塑模压复合成型具有如下步骤：
(1)热塑模压模具材质采用耐热不锈钢制作，所述模具凹模型腔形状及尺寸，依据所述不锈钢瓦基1的毛坯外缘几何形状及尺寸进行设计、加工与配合，并设有排气流道；
(2)所述改性聚醚醚酮树脂粉料或所述改性聚醚砜酮树脂粉料，模压前需在120℃环境下干燥8小时以上，按同样干燥条件再干燥一定量未改性的纯树脂粉料；
(3)将所述不锈钢瓦基1放入所述模具凹模中；
(4)所述工程塑料层2的厚度，其中2/3厚度为所述改性聚醚醚酮树脂粉料或所述改性聚醚砜酮树脂粉料，1/3厚度为纯树脂粉料。根据不同厚度计算、称重用料量，先将纯树脂粉料均匀装入凹模型腔中所述不锈钢瓦基上并刮平，再将改性树脂粉料均匀装入所述模具凹模型腔中并刮平，合模；
(5)在压力机上向模具施加30-80MPa的压力；
(6)将所述模具整体放入空气循环加热炉，并加热到385℃，使粉料完全熔融，加热时间视工件规格和模具大小而定；
(7)加热后将所述模具放置在压力机上，施加30MPa压力，同时保压，并以每小时30-60℃冷却速率进行冷却，待所述模具温度降至70℃以下脱模取出工件；
(8)经机械加工，形成水润滑复合材料推力轴承。
实施例2
如图3和图4所示，与实施例1公开的一种核主泵水润滑复合材料推力轴承相比，本实施例的区别特征在于，所述不锈钢瓦基1上表面和所述不锈钢瓦基1下表面均设有实施例1所公开的所述凹凸面3，在实施例1公开的步骤(4)中，需要先分别计算、称重位于所述不锈钢瓦基1上下表面的两部分的所述工程塑料层2的所需所述改性聚醚醚酮树脂粉料或所述改性聚醚砜酮树脂粉料的用量，以及所述纯树脂粉料的用量，
之后先将位于所述不锈钢瓦基1下表面的工程塑料层所需所述改性聚醚醚酮树脂粉料或所述改性聚醚砜酮树脂粉料的用量，以及所述纯树脂粉料的用量均匀装入模具中刮平，再装入所述不锈钢瓦基1。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种核主泵水润滑复合材料推力轴承，包括不锈钢瓦基和工程塑料层，其特征在于：所述不锈钢瓦基具有连接所述工程塑料层的凹凸面，所述凹凸面与所述工程塑料层之间通过热塑模压复合成型，所述凹凸面的面积与所述凹凸面在所述不锈钢瓦基上的正投影面积之间的比值为1.2-2；
所述凹凸面分别位于所述不锈钢瓦基上表面和所述不锈钢瓦基下表面，位于所述不锈钢瓦基上表面的凹凸面上的工程塑料层的厚度为2-15mm，位于所述不锈钢瓦基的下表面的凹凸面上的工程塑料层的厚度为0.5-5mm；
所述工程塑料层为单层工程塑料层或复合工程塑料层，所述复合工程塑料层包括改性层和非改性层，所述改性层通过所述非改性层与所述凹凸面连接，所述单层工程塑料层的材质为改性聚醚砜酮粉料，所述改性层的材质为改性聚醚砜酮粉料，所述非改性层的材质为纯树脂粉料。
2.根据权利要求1所述的核主泵水润滑复合材料推力轴承，其特征在于：所述凹凸面位于所述不锈钢瓦基的上表面，所述工程塑料层的厚度为2-15mm。
3.根据权利要求1所述的核主泵水润滑复合材料推力轴承，其特征在于：所述凹凸面的凸面具有粗糙面。
4.根据权利要求1-3任一权利要求所述的核主泵水润滑复合材料推力轴承，其特征在于：所述不锈钢瓦基呈扇形或圆形，所述凹凸面的凹面由多条环形凹槽组成，所述环形凹槽的形状与所述不锈钢瓦基的外缘相匹配，多条所述环形凹槽等间距排列，相邻所述环形凹槽之间的间距为6-10mm，所述环形凹槽的凹槽口的宽度为4-12mm，所述环形凹槽的凹槽底的宽度比所述环形凹槽的凹槽口的宽度大0.5-1mm，所述环形凹槽的深度为1-5mm。
5.根据权利要求1-3任一权利要求所述的核主泵水润滑复合材料推力轴承，其特征在于：所述不锈钢瓦基呈扇形或圆形，所述凹凸面的凹面由多条横向凹槽和多条纵向凹槽组成，所述多条横向凹槽等间距排列，相邻所述横向凹槽之间的间距为6-10mm，所述横向凹槽的凹槽口的宽度为4-12mm，所述横向凹槽的凹槽底的宽度比所述横向凹槽的凹槽口的宽度大0.5-1mm，所述横向凹槽的深度为1-5mm，所述多条纵向凹槽等间距排列，相邻所述纵向凹槽之间的间距为6-10mm，所述纵向凹槽的凹槽口的宽度为4-12mm，所述纵向凹槽的凹槽底的宽度比所述纵向凹槽的凹槽口的宽度大0.5-1mm，所述纵向凹槽的深度为1-5mm。
6.根据权利要求1-3任一权利要求所述的核主泵水润滑复合材料推力轴承，其特征在于：所述不锈钢瓦基呈扇形，所述凹凸面的凹面由多条弧形凹槽组成，所述弧形凹槽的形状与所述扇形的弧相匹配，多条所述弧形凹槽沿所述扇形的半径方向等间距排列，相邻所述弧形凹槽之间的间距为6-10mm，所述弧形凹槽的凹槽口的宽度为4-12mm，所述弧形凹槽的凹槽底的宽度比所述弧形凹槽的凹槽口的宽度大0.5-1，所述弧形凹槽的深度为1-5mm。
7.根据权利要求1-3任一权利要求所述的核主泵水润滑复合材料推力轴承，其特征在于：所述不锈钢瓦基呈扇形或圆形，所述凹凸面的凹面由多个有序排列的盲孔组成，相邻所述盲孔之间的距离为6-10mm，所述盲孔的盲孔口直径为4-10mm，所述盲孔的孔底的直径比所述盲孔的盲孔口直径大0.5-1mm，所述盲孔的深度为1-5mm。
8.根据权利要求1所述的核主泵水润滑复合材料推力轴承，其特征在于：所述改性层厚度为所述复合工程塑料层厚度的2/3-4/5。
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