CN111810537A - 滑动轴承及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在低速重载领域中支撑轴系统的滑动轴承(10)。所述滑动轴承(10)包含内圈(11)、外圈(12)和设置在内、外圈之间的承载衬套(13)。所述承载衬套(13)主要由纤维复合材料交织缠绕而成，交织缠绕的方向与衬套所在的圆周方向成锐角。承载衬套(13)的径向外侧部分形成起支撑作用的背衬(13a)，径向内侧部分形成耐磨层(13b)。采用上述结构和材质的滑动轴承(10)具有适应低速重载领域苛刻技术要求的全方位性能优势和成本优势，具有极大的现实意义和广泛的应用前景。

Description

滑动轴承及其应用

技术领域

本发明涉及一种滑动轴承，尤其涉及一种适用于低速重载运行条件的滑动轴承。

背景技术

低速重载一直对轴承的应用构成严峻的考验。以钢厂的连铸辊(continuouscasting rolls)为例，如图2所示，左侧的固定端滚动轴承(fixed-position rollerbearings)(左一)和右侧的浮动端滚动轴承(floating position roller bearings)(右一至三)为连铸辊的轴系统提供旋转支撑。在图示的轴系统中，浮动端轴承不仅需要有足够的承载能力，还需要具有适应系统温升所引起的轴向浮动(axial float)和径向负载压迫所引起的动态轴翘曲(shaft deflection)。其中，温升引起的热膨胀导致轴承的内圈跟随连铸辊的芯轴1发生侧移；与此同时，沉重的负载迫使连铸辊的芯轴1发生翘曲变形(如图中所示)，导致轴承的内、外圈不对中运行。这些同时并存的工况条件对现有的滚动轴承造成极大的挑战。虽然经过特殊设计的滚动轴承能够在不同程度上适应上述工况要求，但在整体上都面临着成本过高或者维护不便等诸方面的问题。

以图3所示的环形滚子轴承(toroidal bearing)为例，它是一种典型的用于连铸辊浮动端支撑的滚动轴承。它虽然能够同时适应轴向浮动和内、外圈的不对中运行，但其内、外圈的环形滚道和滚子的环形表面使得其制造成本居高不下。更为严重的是，该轴承在连铸辊上的拆卸非常不便。轴承拉拔器的不正确使用(比如搬扣在轴承内圈上)极容易造成该轴承的毁坏而无法进行后续的维护工作。现实呼唤一种成本低廉而又维护便捷的轴系统解决方案。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于低速重载领域轴系统中的滑动轴承。所述滑动轴承包含内圈、外圈和设置在内、外圈之间的承载衬套。所述承载衬套主要由纤维复合材料交织缠绕而成，交织缠绕的方向与衬套所在的圆周方向成锐角。衬套在其径向外侧部分形成起支撑作用的背衬，在其径向内侧部分形成耐磨层。

采用以上结构和材质的滑动轴承具有适应低速重载领域苛刻技术条件的全方位性能优势和成本优势，具有极大的现实意义和广泛的应用前景。

附图说明

图1为连铸辊的立体形态示意图；

图2为图1中所示连铸辊的截面示意图；

图3为图2中浮动端所使用的环形滚子轴承的截面示意图；

图4是本发明所述滑动轴承的截面示意图；

图5是由纤维材料交织缠绕形成的承载衬套的结构示意图；以及

图6是承载衬套的耐磨层中复合材料的局部放大图，图中深色的是PTFE纤维，浅色的是聚合物纤维，其余的是环氧树脂填充物。

具体实施方式

图4是本发明所述滑动轴承的截面示意图。其中，滑动轴承10由内圈11、外圈12和设置在内、外圈之间的承载衬套13构成，在整体上安装在轴承座20中。承载衬套13主要由纤维复合材料交织缠绕而成，交织缠绕的方向与圆周方向呈锐角角度，并且最终浸入到环氧树脂的基质(epoxy resin matrix)中固定成形。纤维复合材料在典型情况下以聚四氟乙烯(PTFE)为基础材料，通过添加玻璃纤维、碳、石墨、二硫化钼和青铜等填料或者聚合物纤维(polymer fiber)来提高成形后的承载衬套的机械性能。通常，在PTFE优异的化学和高温特性以外，填料能够提高机械强度、稳定性和耐磨性。

上述材质及成形工艺不仅使承载衬套具有显著高于滚动轴承滚动体的承载能力，而且其柔韧性使其能够承受±0.5度以上的不对中运行能力，足以适应包括连铸生产线在内的诸多低速重载应用工况对轴承不对中运行能力的要求。顺便指出，承载衬套的材质和厚度对其材料变形(即适应轴承不对中运行)的能力也有显著的影响，据此可以根据实际需要对承载衬套的材质和/或厚度进行调整。例如，通过增加其厚度可使其适应不对中运行的能力达到±2度。除此以外，承载衬套的圆柱形中空结构允许轴承的内、外圈在轴向上相对移动，类似于圆柱滚子轴承的情形，足以适应最大程度的轴向移位调整的需要。

图5是纤维复合材料交织缠绕形成承载衬套的结构示意图。其中，承载衬套13的径向外侧材质形成起支撑作用的背衬13a，径向内侧材质形成低摩擦系数的耐磨层13b。在典型情况下，背衬13a可以主要由高强度的玻璃纤维制成，确保其具有足够的刚性和强度；耐磨层13b可以主要由聚四氟乙烯和聚合物纤维混合制成，确保其兼具低摩擦性能和坚韧耐磨的特性。承载衬套13在其背衬13a侧与外圈12的内表面形成紧配合，从而与外圈12保持相对静止，确保在运行过程中轴承10的滑动摩擦实际发生在耐磨层13b与内圈11的外表面之间。为进一步提高内圈的耐磨性并减少其摩擦系数，一种优选的实施方式是对其外表面进行硬化处理，并将其粗糙度R_a限制在0.2–0.4μm之间。所述硬化处理可以是氮化处理或者镀硬铬，并采用抛光作为控制粗糙度的工艺。显然，坚硬光滑的表面更有利于减少摩擦并提高寿命。

虽然广义上的滑动轴承作为轴承存在已久，但本发明采用上述结构的滑动轴承在轴系统中作为浮动端轴承应用于低速重载领域的情形尚属首次。这种应用克服了长久以来业内普遍认为的轴系统中浮动端轴承只能由滚动轴承来承担的技术偏见，为滑动轴承应用于轴系统中替代传统的滚动轴承开辟了一条新路。具体而言，在一个低速重载的轴系统里，固定端轴承在轴向上锚定整个轴系统，而本发明所述滑动轴承可用于替代传统的滚动轴承，作为浮动端轴承为轴系统提供径向支撑。

所述低速重载领域的轴系统主要用于各种轧辊(mill rolls)，包含钢铁厂的连铸辊、造纸行业的烘干机辊(paper mill dryer rolls)等。这些轧辊所采用的轴承配置/轴承组(bearing arrangement)包含设置在固定端支撑位置上的固定端轴承和设置在浮动端支撑位置上的至少一个浮动端轴承。本发明所述的滑动轴承特别适于作为上述轴承配置中的浮动端轴承使用，抑或用于替换传统轴承配置中的浮动端滚动轴承。

不难发现，本发明的滑动轴承在形式上与滚动轴承颇为类似，区别之处仅在于以承载衬套替代了滚动轴承中沿圆周排列的一系列滚动体。这种相似性使得本发明的滑动轴承具有替换滚动轴承(尤其是圆柱滚子轴承和环形滚子轴承)的天然优势。利用这种优势，人们可以将本发明所述的滑动轴承制造成与特定领域和/或标准的滚动轴承具有相同的边界尺寸(boundary dimensions)，从而确保其与特定的滚动轴承具有充分的互换性(fullinterchangeability)。例如，环形轴承C4024和C4032是ISO15(第四版2017-07)标准系列下用于连铸辊的轴系统浮动端的常见轴承型号，其边界尺寸(内径×外径×宽度)为120×180×60和160×240×80mm。针对这种环形滚子轴承，只要生产出与其边界尺寸充分一致的滑动轴承，就可以在不改变现有轴系统的情况下对浮动端的滚动轴承进行简单的替换，因而具有重要的商业价值和广阔的应用前景。

上述替换能够全方位提升轴系统的技术性能，并且显著降低用户的运营成本。如前文所述，这种替换一方面能够提高轴系统的径向负荷承载能力，另一方面能够使浮动端轴承兼具轴向浮动和不对中运行的能力。除此以外，承载衬套的纤维材质和环氧复合基质使其具有极强的耐腐蚀能力，特别适用于冶金、矿山、机械、化工等重度污染的工况环境。因此，相比于全部由金属滚动体构成的滚动轴承而言，本发明具有长寿命和免维护的优势。另一方面，由于承载衬套在功能上替代了轴承内、外圈之间的滚动体，使轴承的滚动部件数量大为减小，因此显著提高了轴承的运行可靠性。更为重要的是，滑动轴承采用的承载衬套无需润滑，因此轴系统可以在缺省润滑系统的状态下安全运行。这不仅大幅度降低了运营成本，而且避免润滑油的排放对环境造成的污染。

纤维缠绕衬套的为数不多的缺点之一是对入侵颗粒物的耐受能力有限，因此需要保护耐磨层免受入侵灰尘杂质等的伤害。为此，在轴承座的整体密封不充分的情况下，可以进一步在轴承内、外圈之间(承载衬套)的两侧增设密封件(未显示)。密封件的轴向外侧可以进一步设置挡圈，防止密封件在运行过程中脱出轴承之外(未显示)。

从以上描述可以看出，本发明所述的滑动轴承具有适应低速重载运行条件的全面技术性能，比如大负荷承载能力、轴向浮动能力和不对中运行能力等。与此同时，它在其他方面的独特性能，比如易拆装、耐冲击、耐腐蚀、免维护、免润滑、低成本等方面，具有滚动轴承所不具有的全方位技术优势。上述全面的性能优势使其不仅可以作为连铸辊的轴系统中的浮动端轴承使用，还适于作为其他任何低速重载轴系统中的浮动端轴承，比如造纸厂的烘干机棍、风力发电机轴承、大型齿轮箱等，此处不再详尽展开。

所属领域的技术人员应当理解，所述滑动轴承及其应用不受上述具体实施方式的限制。对本发明的任何变更和改进，只要符合随附权利要求书的限定，都属于本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种滑动轴承(10)，包含内圈(11)、外圈(12)和设置在内、外圈之间的承载衬套(13)。

2.如权利要求1所述的滑动轴承(10)，其特征在于，所述承载衬套(13)主要由纤维复合材料交织缠绕而成，交织缠绕的方向与圆周方向成锐角。

3.如权利要求2所述的滑动轴承(10)，其特征在于，所述承载衬套(13)的径向外侧部分形成起支撑作用的背衬(13a)，径向内侧部分形成耐磨层(13b)。

4.如权利要求3所述的滑动轴承(10)，其特征在于，所述背衬(13a)主要由高强度的玻璃纤维支撑，耐磨层(13b)主要由PTFE添加聚合物纤维制成。

5.如权利要求3所述的滑动轴承(10)，其特征在于，所述承载衬套(13)在其背衬(13a)侧与外圈(12)形成紧配合，从而与外圈(12)保持相对静止，确保轴承(10)在运行过程中滑动摩擦实际发生在耐磨层(13b)与内圈(11)之间。

6.如权利要求5所述的滑动轴承(10)，其特征在于，所述内圈(11)的外表面经过硬化处理，粗糙度R_a被控制在0.2–0.4μm范围内。

7.如权利要求6所述的滑动轴承(10)，其特征在于，所述硬化处理是指氮化处理或者镀硬铬，并采用抛光作为控制粗糙度的工艺。

8.如权利要求1至7中任一项所述的滑动轴承(10)，其特征在于，所述滑动轴承(10)被设置为边界尺寸与其用以替代的滚动轴承充分一致，从而确保其与被替换的滚动轴承具有充分的互换性。

9.如权利要求8中所述的滑动轴承(10)，其特征在于，所述滑动轴承(10)在其内、外圈(11、12)之间的轴向两侧设置有密封件。

10.如权利要求8中所述的滑动轴承(10)，其特征在于，所述滑动轴承(10)的内、外圈(11、12)和承载衬套(13)均采用中空的圆柱形状。

11.一种用于低速重载领域的轴系统，该轴系统所采用的轴承配置包含设置在固定端支撑位上的固定端轴承和设置在浮动端支撑位置上的至少一个浮动端轴承，其特征在于：所述浮动端轴承采用权利要求1至10中任意一项所述的滑动轴承(10)。

12.一种轧辊，采用权利要求1至10中任意一项所述的滑动轴承(10)作为其浮动位置端轴承。

13.如权利要求12中所述的轧辊，其特征在于：所述轧辊为钢厂的连铸辊和/或造纸厂的烘干机辊。

14.一种轧辊的轴承配置，至少包含一个权利要求1至10中任意一项所述的滑动轴承(10)。

15.一种替换轧辊中的轴承配置的方法，所述轴承配置包含设置在固定端支撑位上的固定端轴承和设置在浮动端支撑位上的至少一个浮动端滚动轴承，其特征在于：以权利要求1至10中任意一项所述的滑动轴承(10)替换所述轴承配置中的浮动端滚动轴承。

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