專利名稱：軸承總成的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及軸承總成，特別涉及，如在大型艦艇中，在支撐水潤滑推進(jìn)器軸中用的新型軸承總成。
這類軸承總成之一包括一個(gè)外耐腐蝕的支撐或殼，和多個(gè)在殼內(nèi)設(shè)置的沿圓周均勻分隔開的彈性柵，所述柵選擇地接觸軸，支撐軸。
另一類這樣的軸承總成包括一個(gè)外耐腐蝕的支撐或殼，和一個(gè)較大的彈性軸承接觸表面，它設(shè)置在殼內(nèi)，在比帶柵的軸承類型更大的圓周面積上接觸軸。這類軸承稱為圓孔或部分圓弧軸承(某些情況中)。
部分圓弧軸承制造起來困難，因?yàn)?，它們必須具有精確的公差。迄今，部分圓弧軸承是通過將軸承件固定到殼的內(nèi)表面，并將所述彈性件加工到正確尺寸進(jìn)行制造。然而加工過程使所述件產(chǎn)生疤痕，從而顯著提高軸承和軸間的摩擦系數(shù)，并使得這兩件的磨損速度提高。
一直在努力改進(jìn)這類軸承的多功能性，實(shí)用性和效果。
本發(fā)明形成的部分圓弧軸承總成具有減小的摩擦系數(shù)，和磨損速度，同時(shí)減小制造成本。
通過對(duì)附圖
所示的說明實(shí)施例的詳細(xì)說明，本發(fā)明的目的，特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)會(huì)變得明了。
詳細(xì)說明見圖，圖中相同的標(biāo)號(hào)表示相同的或一致的部件，圖中示出，軸承總成10具有一個(gè)外圓柱軸承套15。它圍繞軸向中心線5。這剛性的軸承套15可以是金屬結(jié)構(gòu)的，如黃銅的，或塑料的殼，或一個(gè)帶有多個(gè)環(huán)形設(shè)置的，徑向相鄰的層的非金屬復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，或一個(gè)由玻璃纖維強(qiáng)化的或樹脂基體浸漬的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。套15具有凸緣17，它具有在內(nèi)的安裝孔18。
結(jié)合到套15內(nèi)表面的是多個(gè)部分圓弧軸承段20。軸承總成10被示出具有八個(gè)軸承段20，但較多或較少也可用。每個(gè)段圍繞套15的內(nèi)部在圓周上延伸約180度。軸承段20具有一個(gè)光滑的軸承表面16。軸承段20限定在內(nèi)安裝軸(未示出)中心孔14，軸接觸軸承表面16。軸承段20由多個(gè)片26固定，固定片用螺栓或螺絲30牢靠地安在套15上。最好在段20的圓周端，形成導(dǎo)角34，形成與固定片或橫條26的良好的界面，并防止段20向孔14的中心凸出。
軸承段20最好由兩層22、24組成，并且一個(gè)彈性體層22最好粘結(jié)到玻璃纖維強(qiáng)化的環(huán)氧樹脂殼24上。彈性體限定為這樣的物質(zhì)，在室溫它可伸長至少到它原來長度的兩倍，并且在伸長后應(yīng)力除去，若施加力又在短時(shí)間恢復(fù)到大約它的原來長度。(見Glossary of Terms，ASTM Committee D-11準(zhǔn)備的關(guān)于橡膠和類似橡膠的材料，由美國測(cè)試材料協(xié)會(huì)公布)。在構(gòu)成本發(fā)明中可用的彈性體和橡膠材料包括任何已知的彈性體，如天然橡膠，丁腈橡膠，SBR橡膠，丁二烯和丙烯腈的共聚物，丁二烯和苯乙烯的共聚物，丁二烯和烷基丙烯酰胺共聚物，異丁橡膠，如乙烯-丙烯的烯烴橡膠類和EPDM橡膠，碳氟橡膠類，氟硅橡膠，硅橡膠，氯磺化聚乙烯，聚丙烯酸鹽，聚丁二烯，氯丁橡膠等。然而如前所述，具有高彈性的丁腈橡膠和其它彈性體是最好的。這樣的彈性體具有較低肖氏A硬度(小于90)。最好材料是B.F.Goodrich Company供應(yīng)的系列號(hào)H-201的材料。H-201是丁腈橡膠，具有約85±5的肖氏A硬度。
復(fù)合殼24最好由玻璃纖維強(qiáng)化的環(huán)氧樹脂構(gòu)成，玻璃重量約占70％。
軸承總成段20的制造如下A·軸承段模制1.固化的H-201橡膠碾壓成薄板，使得它可裝配到一定的模中。模底板應(yīng)具有光滑表面光潔度(即小于8微英寸)。
2.將模預(yù)熱到215°F。圍繞板的周邊系上一個(gè)直徑0.250英寸的繩子，將碾壓的薄板裝入模，將它保持在中心。在彈性體的整個(gè)頂部表面放一個(gè)薄的聚酯薄板，最好是MYLAR。MYLAR是DuPontdeNemours E.I.Company的商標(biāo)。在215°F和低壓下(小于1,000psi)閉合模20分鐘。這使彈性體薄板成形。然后打開模，并用無皺紋的MYLAR替換皺了紋的。然后閉合模，在310°高壓下(2,000-2,600psi)固化45分鐘。
3.不冷卻，并從模中取下固化的薄板，切割成形。然后從邊部去掉繩子。
4.用自動(dòng)研磨機(jī)，砂磨所述段的背部的橡膠(即光滑軸承表面的相反表面)達(dá)到希望要的厚度。在軸和軸承間的復(fù)合材料套的內(nèi)徑，粘結(jié)劑層厚度，軸外徑和希望的間隙都涉及到希望橡膠厚度的計(jì)算。
B·復(fù)合材料套的制造1.使用Dura Wound Company供應(yīng)的11-A型的絲線纏繞機(jī)，在一個(gè)適當(dāng)大小的復(fù)合材料芯軸上纏繞環(huán)氧樹脂浸漬的玻璃纖維，到希望的外直徑尺寸。纏繞前用MYLAR帶蓋上芯棒。絲線與軸向中心線的角度應(yīng)約為78度，以便使圓環(huán)強(qiáng)度最大，減少回跳到最小。
2.在室溫固化套48-72小時(shí)。
B·取下芯棒并加工復(fù)合材料套1.從芯棒拉出套。
2.剝掉套內(nèi)徑表面的MYLAR。測(cè)量并平均粗的內(nèi)徑測(cè)量值。將車床的軟鐵卡爪卡盤切割成粗直徑大小。加工內(nèi)徑的1.5長度。切割軟卡爪大到產(chǎn)品的內(nèi)徑尺寸。然后整個(gè)車削殼體，并精加工內(nèi)外徑到正確尺寸。應(yīng)注意，套可以加工到希望內(nèi)徑尺寸的0.0001英寸。
C·將砂磨的彈性體軸承段結(jié)合到套1.將橡膠彈性體段切割到正確尺寸。在套內(nèi)徑上標(biāo)出中心線。將約50％體積的B.F.Goodrich Company供應(yīng)的樣本號(hào)為EL2995A環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑和50％體積的B.F.Goodrich Company供應(yīng)的樣本號(hào)為EL2995B的胺混合。
見圖4，用圖示的帶槽鏝刀40將粘結(jié)劑分布于套上。鏝刀可通過加工槽制成。槽應(yīng)約0.09375英寸寬，0.0625英寸深，帶有0.125英寸的槽間的分開距離。鏝中的槽使得粘結(jié)劑以相互平行圓周線分布，當(dāng)被軸承段壓縮時(shí)，粘結(jié)劑被弄平到固定厚度的粘結(jié)劑層，沒有或很小的空隙。圖4a示出平行粘結(jié)劑線40a的圖形。用較好的鏝刀，可獲得小于或等于0.005英寸的粘結(jié)劑厚度，最好是0.001英寸。為了與層的粘結(jié)強(qiáng)度最大，必須仔細(xì)施加粘結(jié)劑，獲得約0.001英寸的厚度。如果粘結(jié)劑層過厚，會(huì)發(fā)生開裂或脆斷。一次粘結(jié)一個(gè)半圓周軸承，在側(cè)面的中心線停止。
然后在粘結(jié)的內(nèi)徑上放置每個(gè)軸承段。用一個(gè)輥相對(duì)于復(fù)合材料殼的內(nèi)徑表面滾壓彈性體薄板。
2.見圖5，將一個(gè)可膨脹的空氣囊42置于套內(nèi)徑的中心。氣囊42最好是由兩層彈性體薄層44，46，在它們的各自外邊結(jié)合在一起制成。膨脹閥48，壓力計(jì)和管50用于使氣囊42膨脹。在氣囊的頂上放置一個(gè)橡膠墊(約0.50英寸)。將氣囊42脹大約3.5psi，并保持7小時(shí)或更長時(shí)間。用氣囊42確保向整個(gè)的軸承表面施加相等的徑向壓力。因?yàn)闅饽?2是由較軟(肖氏硬度A＝65±5)的彈性體制造的，不會(huì)損壞軸承表面。應(yīng)注意，氣囊42從氣囊的中部到端部自然膨脹，因此在粘結(jié)劑分散開成為均勻?qū)訒r(shí)，通過推壓在粘結(jié)劑中存在的氣泡有邦助從套的端部消除氣泡。
3.粘結(jié)劑應(yīng)在室溫，大氣壓下固化，因?yàn)榧訜岷蛪毫?huì)不利地改變橡膠軸承材料22的摩擦系數(shù)和耐磨性，并且使粘結(jié)劑層變薄。粘結(jié)劑層固化后，將氣囊放氣，取出。
D·分開和加工45度角
1.然后將軸承段20置于水平鏜床上，被分開，并加工它們的側(cè)角。
2.用甲基乙基酮(MEK)清潔套。組裝軸承并安裝固定片。沿條墊墊片，需要時(shí)用不銹鋼墊片。
應(yīng)注意，本發(fā)明避免在彈性體軸承表面上的加工，從而保持一個(gè)光滑的象玻璃一樣的精度，這使得水潤滑的摩擦系數(shù)保持在一個(gè)很低的水平。通過準(zhǔn)確的加工軸承套15的內(nèi)徑，僅準(zhǔn)確的加工每個(gè)彈性體軸承段的結(jié)合表面，使用帶槽的鏝刀在套內(nèi)徑上分布粘結(jié)劑，并在粘結(jié)劑固化時(shí)用氣囊向軸承段施加緩和的均勻的壓力，避免了所述加工。膨脹裝置42也可利用空氣外的流體作為介質(zhì)，向軸承套施加固化軸承材料徑向壓力。而且，套也可切割成較小的單位，以便更好地易于彈性體軸承段的安裝，然后在固化或安裝前再組裝。
見圖6a-6b，示出軸承段20的軸承材料22的另一實(shí)施例。軸承材料模制成大型柔性的板坯。材料22模制成大型柔性板坯。材料靠著一個(gè)帶有很多凸起的粗織物或板模制成形。模制的板坯由彈性體/塑料復(fù)合材料制成，如在共有的美國專利3,993,371中說明的那些，或最好是，美國專利4,725,151；4,735,982公開的勻質(zhì)滑動(dòng)聚合物合劑(SPA)。以上專利本說明全部引述。SPA軸承材料層最好約為0.125英寸厚。然后當(dāng)板坯固化時(shí)，粘結(jié)到丁腈橡膠襯薄板上。橡膠襯使得板坯可彎曲，并且，當(dāng)被研磨，使用室溫固化的環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑或接觸水泥，容易與金屬或復(fù)合材料軸承套結(jié)合。用機(jī)床易于快速砂磨或研磨橡膠支撐襯，形成特定軸承尺寸的正確的總板坯厚度。粘結(jié)劑層大約增加軸承總壁厚的0.001英寸。因此不需要研磨或加工軸承表面。研磨軸承表面增加摩擦力和磨損。
見圖6a，通過在一個(gè)模中形成彈性體的底部層110，可制成另一個(gè)軸承材料22。較好的彈性體的產(chǎn)品樣本號(hào)為H-212，B.F.GoodrichCompany供應(yīng)。另外，在彈性體上形成滑性聚合物合劑(SPA)的頂層112。熱塑性塑料和熱固橡膠劑料以及少量潤滑劑形成SPA。SPA是多相的合劑，其中熱塑性塑料是連續(xù)的相，熱固橡膠是不連續(xù)的相分散在其中。即，形成熱塑性塑料基體，它具有熱固劑料和潤滑劑分散于其中，與攙和不同。
熱塑性劑料可以是任何具有韌性，低摩擦系數(shù)和好的耐磨性的聚合物。這種聚合物的特定組包括各種通常本領(lǐng)域已知的超高分子量的聚乙烯(UHMWPE)。超高分子量聚乙烯一般分類為，具有平均分子量大于2.5百萬的那些，即在3.0百萬-7.0百萬間，使用溶解粘度法(solution viscosity method)形成。一個(gè)希望的范圍是4百萬-6.5百萬，最好的范圍是5百萬-6百萬。這樣的聚乙烯由Hoechst CelaneseCorporation供應(yīng)，名為GUR413。
超高分子量聚乙烯以及其他一般對(duì)本發(fā)明適用的聚合物，具有低的摩擦性，如軸速在每分鐘零轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)，0.25或更小的靜摩擦的剝離(breakaway)系數(shù)，最好在0.20以下，優(yōu)選在0.15以下。本發(fā)明的希望的熱塑性塑料也具有20或更大的V形缺口沖擊韌性值(ASTMD256)，最好是30或大于30。但是，無缺口測(cè)定試樣是不斷裂的。本發(fā)明的熱塑性塑料也具有砂漿磨損試驗(yàn)測(cè)定的良好的耐磨性。砂漿磨損測(cè)定是Hoechst Celanese Corporation的一個(gè)測(cè)試法，其中測(cè)試試樣(1″×3″×1/4″)一般是在含有兩份水和三份砂的砂漿中，以1200轉(zhuǎn)/分，旋轉(zhuǎn)24小時(shí)以上。
使用超高分子量的聚乙烯的有效量，使得它在SPA中形成連續(xù)的相。一般來說，熱塑性塑料劑料的量足以包裹以顆粒狀態(tài)存在的熱固橡膠劑料，更為理想的量是超過包裹以顆粒狀存在分橡膠所要的量。根據(jù)SPA的總量，常用的熱塑性塑料重量是約25-90％，在40-75％較好，在55-65％最好。
熱固劑料是固化的橡膠劑料，它一般具有低摩擦和良好的防油和水性能。低摩擦意味著，在水潤滑時(shí)，希望厚度范圍的橡膠軸承，在通常的軸頸(軸)工作速度，形成流體力學(xué)的潤滑。由于彈塑流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，薄橡膠軸承比任何其他已知的軸承材料，形成在更低軸速度的水動(dòng)力學(xué)摩擦。流體動(dòng)力學(xué)潤滑是在軸承和旋轉(zhuǎn)軸間的流體膜的形成?！胺烙秃退钡暮x是在水中浸泡彈性體是不受影響的(不溶解或軟化)，引起的體積增加在5％以下，最好3％以下。
一般來說，具有這樣摩擦的和防水性能的橡膠劑料均可使用。這樣的劑料特定組是已知的各種丁腈橡膠。例如，可用BFGoodrichCompany制造的各種丁腈橡膠劑料。較硬的丁腈橡膠較好。這種橡膠的特殊例子是BFGoodrich Company制造的H-201劑料(85±5肖氏A硬度)。另一例是較軟的丁腈橡膠，如H-203劑料，它也是BFGoodrichCompany制造的，具有約70±5的肖氏A硬度。其他的橡膠包括Butyl橡膠，EPDM，它是由乙烯-丙烯-二烯單體制造的橡膠，和以乙烯叉氟和六氟丙烯共聚物為基的氟化橡膠，它被認(rèn)為是具有以下重復(fù)的結(jié)構(gòu)-CF-CH-CF-CF(CF)-。這些共聚物是由DuPont以“Viton”商標(biāo)出售。雖然這些其它的橡膠劑料可用，丁腈橡膠是最好的，因?yàn)槎‰嫦鹉z具有的彈性和蠕變性能好。
本發(fā)明的一個(gè)重要方面是，在合劑生成前，固化的橡膠劑料起初可以與熱塑性塑料劑料干混，或混合。
因此，橡膠劑料被固化，并為了混合這兩組分，將它磨碎到適當(dāng)大小?？捎贸Ｒ?guī)的粉碎方法，如機(jī)械或冷凍法。固化的橡膠劑料的顆粒大小通常是重要的。顆粒大小一般是以能通過較細(xì)的，特定的Tyler篩網(wǎng)測(cè)量。因此固化的橡膠劑料一般具有比35目小的顆粒度，比65目小較好，最好是小于100目。在SPA中的固化橡膠的重量一般在SPA總重量中的比例是約10-70％，較好是約12％-40％，最好是約15-30％。
潤滑劑一般以固體形式加入，因此是非液體的。為了確保它的足夠的分散，潤滑劑一般呈粉末狀。粉末的意思是，它的顆粒的主要部分，至少70％，80％或90％，最好是95％小于Tyler的100目篩孔，即150微米。粉末的主要部分，一般是80％，90％甚至?xí)r95％，希望小于200目，即75微米。最好，石墨粉末的主要部分，即70％，80％或90％小于325目，即44微米。對(duì)SPA賦予潤滑性能的任何已知的潤滑劑均可用。潤滑性能的涵義是，當(dāng)磨損開始時(shí)，被制成的SPA的表面摩擦系數(shù)被減少，例如，約至少10％，減少至少20％或30％更好。潤滑劑也應(yīng)是不磨損的。石墨是一個(gè)較好的潤滑劑。特定石墨的例子是Asbury Graphite Mills，Inc.生產(chǎn)的117-A級(jí)。其他特定潤滑劑是二硫化鉬。雖然一般來說不是最好，但二硫化鉬在沒有水分，如大氣中的水分，的干燥的最終應(yīng)用中是理想的。硅油也可使用，其重量在SPA的總重量所具有的比例約為2-10％，希望為3-6％。特定的硅油例包括Dow Corning生產(chǎn)的200 Fliud.可采用的另一潤滑劑時(shí)PTFE(polytetrafluorethylene)，DuPont deNemours E.I.Company供應(yīng)。
潤滑劑重量在SPA總重量中一般約為0.5或3％到25％，約1.0-20％較好，約2-10％最好。
另外，一個(gè)圖形被轉(zhuǎn)移到軸承材料22的軸承表面的頂層。圖形形成從頂層112軸向向內(nèi)凸起的凸起，凸臺(tái)，或接觸點(diǎn)114。每個(gè)凸起114，單獨(dú)成為流體潤滑時(shí)的流體動(dòng)力學(xué)表面。將此圖形轉(zhuǎn)移的優(yōu)選方法是，在固化前，放置一個(gè)聚酯薄板，它位于一片粗的松的編制物間，此織物將此聚酯薄板和織物壓入到SPA軸承材料22的表面中。所述織物最好是Geogia Duck供的樣本號(hào)為8708。聚酯分離薄板最好是0.003英寸厚聚酯膜(MYLAR)。聚酯薄板使制成的SPA層平滑，凸起114的邊圓滑。應(yīng)注意，在將聚酯和織物壓入到織物中前，以已知的方式，應(yīng)噴淋分型劑，如Chem-Trend供的樣本號(hào)為RTC9110的分型劑，以確保，在固化后織物可取下。在織物和聚酯薄板在未固化的軸承部分的頂部就位后，它們應(yīng)被壓入，如通過閉合模。然后，在350°F，約1000-1500psi下，固化4.5小時(shí)。這樣模制后，使模溫回到室溫，但保持壓力。模應(yīng)允許在模制后約1小時(shí)冷下來。在壓力下冷卻幫助防止最后物件的變形。也可在模外加水將模冷卻的時(shí)間減少到1小時(shí)，防止產(chǎn)品的變形。
見圖6b，可根據(jù)圖6a所示的復(fù)合物程序制造另一個(gè)軸承材料，從而制出一個(gè)具有彈性體底層120和SPA頂層122的復(fù)合材料體，所述頂層具有做在其中的金剛石成形的凸起，凸臺(tái)，或接觸點(diǎn)124。凸起124軸向向內(nèi)凸出，在流體潤滑時(shí)各個(gè)可成為流體動(dòng)力學(xué)軸承表面。然而，在頂層422的金剛石成形的圖形，是通過使用具有在其中設(shè)置的一定壓痕或圖形的橡膠模形成。在固化前，聚酯薄板，如MYLAR聚酯薄膜，可位于橡膠模和SPA之間。聚酯薄板最好約0.03英寸厚。聚酯薄板使得最終的SPA層光滑，使凸起的角圓滑。
應(yīng)注意，為使軸承符合流體動(dòng)力學(xué)要求，可以在頂部合劑層中設(shè)置，在本說明中未特定公開的其他形狀和尺寸的圖形。
雖然已詳細(xì)說明了本發(fā)明的特定實(shí)施例和某些變化，業(yè)內(nèi)人士會(huì)理解，在不偏離本發(fā)明的原理情況下，可進(jìn)行改變。
權(quán)利要求
1.一種軸承總成，用于在大型艦艇中支承水潤滑推進(jìn)器軸，其特征在于，所述軸承總成包括一個(gè)圓柱形的外套，其內(nèi)表面限定一個(gè)環(huán)形腔；多個(gè)部分弧形的軸承區(qū)段，它們附著在所述套的內(nèi)表面上，每個(gè)區(qū)段部分地圍繞所述內(nèi)環(huán)形腔的周圍延伸，每個(gè)所述部分弧形的軸承區(qū)段包括復(fù)合的圓柱形殼體，其具有內(nèi)圓周面和外圓周面，所述殼體的外圓周面附著在所述套的內(nèi)表面上；和彈性軸承層，接合在所述殼體的內(nèi)圓周面上；以及保持裝置，用于將所述部分弧形的軸承區(qū)段保持在所述圓柱形套上。
全文摘要
一種軸承總成,包括:一個(gè)圓柱形的外套,其內(nèi)表面限定一個(gè)環(huán)形腔;多個(gè)部分弧形的軸承區(qū)段,它們附著在所述套的內(nèi)表面上,每個(gè)區(qū)段部分地圍繞所述內(nèi)環(huán)形腔的周圍延伸,所述每個(gè)部分弧形的軸承區(qū)段包括:復(fù)合的圓柱形殼體,其具有內(nèi)圓周面和外圓周面,所述殼體的外圓周面附著在套的內(nèi)表面上;和彈性軸承層,接合在所述殼體的內(nèi)圓周面上;以及保持裝置,用于將所述部分弧形的軸承區(qū)段保持在所述圓柱形套上。
文檔編號(hào)B29C65/00GK1368607SQ0210174
公開日2002年9月11日 申請(qǐng)日期2002年1月17日 優(yōu)先權(quán)日1996年4月18日
發(fā)明者小羅伊·李·奧恩多夫, 菲利普·保羅·布雷迪, 沃倫·基恩·蘭斯頓 申請(qǐng)人:杜蘭瑪克斯船舶股份有限公司