专利名称：复合轴承的制作方法
技术领域：
本发明涉及复合轴承及制造该复合轴承的方法。
背景技术：
在多种高负载的应用中，复合轴承可用来提供低磨损率。复合轴承是通常有用的，其特征在于含纤维表面衬套的组合，该衬套包括设置在热固性树脂内的聚四氟乙烯和高强度纤维的受控纤维编织式样或者其它的聚合物。例如，已知提供有一种热固性树脂轴承，其带有含PTFE线和其它聚合织物的衬套，它们一起粘附在树脂上，并提供了低摩擦系数，用于使磨损最小化。
PTFE纤维设置在自润滑轴承表面上，在工作期间，该纤维会随着温度和纤维应力的增加而损坏。一种克服这种缺陷的尝试已使PTFE纤维补充有石墨纤维、石墨粉末以及其它材料，以改善高温磨损性能。
在某些应用中，由于石墨对用来制作轴、诸如碳钢的材料会是腐蚀性的，因而含有石墨的自润滑轴承的使用是不合要求的。例如，在水力发电应用中，应当避免钢轴的电化腐蚀。
从而，存在对这样一种自润滑轴承的需要，该轴承不能包括对碳钢腐蚀的材料，并且在诸如磨损寿命和散热方面，但不限于这两个方面，该轴承能够表现得与含有石墨的自润滑轴承相似。
发明内容
本发明提供了复合轴承和制造该复合轴承的方法。在聚合基体中，该复合轴承包括聚四氟乙烯(PTFE)颗粒和润湿剂，它们与PTFE纤维和第二纤维状材料结合在一起。
本发明还提供了制造复合轴承的方法，该方法包括以下步骤在心轴上设置多个包括聚四氟乙烯和树脂粘合材料的纤维，所述纤维设置在包括聚四氟乙烯颗粒和润湿剂的热固性树脂内；和使所述热固性树脂固化，以形成刚性复合物。
从而，提供一种复合轴承，该轴承在应当避免电化腐蚀的应用中会是有用的。在诸如磨损寿命和散热方面，但不限于这两个方面，该轴承可表现得与含有石墨的自润滑轴承相似，或者更好。
附图示出了本发明的实施例。
图1是本发明所述的复合轴承实施例的透视图；图2是沿图1中轴承的线2-2所得到的截面侧视图的放大细节。
具体实施例方式
本发明的复合轴承包括具有表面的支撑壳；和设置在所述表面上的润滑衬套，该衬套包括与第二纤维状材料绕在一起的聚四氟乙烯纤维，所述纤维处于包括聚四氟乙烯颗粒和润湿剂的聚合基体内。润湿剂能操作减小树脂材料的表面能，并能使树脂材料润湿PTFE颗粒，使得PTFE颗粒能够均匀地遍布用来制备所述聚合基体的树脂材料。润湿的PTFE颗粒能够减少设置在轴承聚合基体内的纤维的损坏。
现在参照
复合轴承。复合轴承100包括支撑壳10，其具有表面。在该表面上设置有润滑衬套20，该衬套包括与第二纤维状材料绕在一起的聚四氟乙烯纤维。在一个实施例中，衬套可以是自润滑的。这些纤维被设置在包括PTFE颗粒和润湿剂的聚合基体内。
本发明的第二纤维状材料包括能够粘合在衬套20的聚合基体上的任何聚合纤维材料。具体的聚合纤维材料可基于其价格、均匀性或者强度来选择。在一个实施例中，第二纤维状材料可包括能够与聚四氟乙烯纤维缠绕在一起的聚合纤维。可用在本发明中的缠绕的聚合纤维可包括粘合树脂纱线，而且可包括聚酯、尼龙、芳族聚酰胺或者纤维质材料。在一个实施例中，粘合树脂纱线可包括DACRON聚酯。在另一个实施例中，粘合树脂纱线可包括NOMEX尼龙。
支撑壳10可包括对于制备刚性支撑壳10有用的任何材料。例如，支撑壳10可包括由适合金属制成的背衬或者壳体，衬套20通过粘合剂方式能够固定在支撑壳10上。在可用于水力发电应用的实施例中，本发明的支撑壳10和衬套20的聚合基体可包括诸如适于用在轴承中的任何公知的热固性树脂的树脂材料，但不限定于热固性树脂。有用的热固性树脂壳包括在固化期间具有高强度和低收缩性的那些树脂。在本发明中有用的树脂材料的一个实例是环氧树脂。在一个实施例中，环氧树脂可包括聚醚树脂，其最初通过对双酚A和表氯醇进行聚合而形成。适合用来制造支撑壳10和衬套20的聚合基体的可能的材料进一步的实例是玻璃/环氧树脂、玻璃/聚脂、玻璃/酚、亚麻/酚和棉/酚。
可能有用的两类环氧树脂配方包括与各种酐或者胺反应的那些配方种类，这两类配方基于它们的硬化剂活性成分。在一个实施例中，本发明的环氧树脂可包括大约1500份重量的EPON826或者828(壳牌化学公司)、1350份重量的硬化剂和30份重量的固化催化剂，硬化剂诸如甲基酐(酐&化学公司)或者NADIC甲基酐(Buffalo颜料公司)，但不限定于这些硬化剂，催化剂诸如“BDMA”苯甲基二甲胺催化剂DY062(Ciba-Geigy公司)，但不限定于该催化剂。
可使用任何PTFE颗粒，只要该颗粒具有足够大的所要润湿的总体表面积并且能够均匀地分散在树脂材料内。在一个实施例中，95％的PTFE颗粒的颗粒尺寸小于500微英寸(ASTM D4895)。在另一个实施例中，95％的PTFE颗粒的颗粒尺寸大于200微英寸(ASTM D4895)。可用在本发明中的、商业上能买到的PTFE颗粒的实例包括有特富龙62和600A(杜邦公司)；CD1和CD014(ICI公司)；特氟隆(Hostaflon)TF-2053和TF-2071(泰良(Dyneon)公司)，但不限于这些PTFE颗粒。PTFE量的上限可由多种因素确定，诸如价格、树脂材料最后得到的粘性、复合材料最终的压缩强度以及能够与涂敷的纤维绕在一起的容易程度，但不限定于这些因素。在一个实施例中，PTFE颗粒在聚合基体内的量小于15％的重量比。在另一个实施例中，PTFE颗粒在聚合基体内的量大于1％的重量比。在另一个实施例中，PTFE颗粒在聚合基体内的量处于8％-12％之间的重量比。
在一个实施例中，可将PTFE颗粒混合在一种环氧树脂配方成分中，以除去团。在固体分散业里，球磨机、辊磨机以及高剪切搅拌机是来完成这项任务的公知设备。
能操作使得用来制备聚合基体的树脂材料的表面能减少的任何润湿剂都可用来润湿PTFE颗粒。润湿后的PTFE颗粒可以比未润湿的PTFE颗粒更容易地悬浮和更均匀地分布在树脂材料内。而且，润湿后的PTFE颗粒可以比未润湿的PTFE颗粒有更低的团聚率。润湿后的PTFE颗粒在树脂材料内的分布甚至可以提高质量控制和复合轴承的性能特征。在本发明中特别有用的润湿剂可基于用来制备聚合基体的树脂材料和该树脂材料的表面能。可能有用的润湿剂的实例包括诸如非离子硅氧烷共聚物的非离子润湿剂，非离子硅氧烷诸如TroySolTMS366和367(Troy化学公司)和Silwet L7600(聚二甲基硅氧烷甲基乙氧基化物，GE硅树脂公司)。其它有用的非离子润湿剂可包括Triton X-100和X-305(聚乙二醇辛基苯基醚，Dow化学公司)。在一个实施例中，其中，树脂材料包括热固性环氧树脂，润湿剂可包括非离子硅氧烷共聚物。
在一个实施例中，PTFE颗粒可通过在室温(25℃或以下)搅拌10分钟的混合物来润湿，该混合物包括NADIC甲基酐、PTFE颗粒和TroySolTMS366润湿剂。该混合物可用工业“Jiffy”或者“快速推进式搅拌机”进行搅拌。24小时后，该混合物在室温下重新搅拌另一个10分钟。最后得到的分散可用来将衬套绕线的PTFE和粘合树脂纱线绕成螺旋状织物。
在本发明方法的一个实施例中，可将两股聚酯(DACRON)或者尼龙(NOMEX)和一股PTFE纤维绕在一起，并以螺旋状形式绕在镀铬的钢心轴上。在又一个实施例中，纤维被绕成大约0.01-1.0英寸(0.025cm-2.54cm)的平均壁厚。在另一个实施例中，纤维被绕成大约0.025-0.035英寸(0.063cm-0.089cm)的平均壁厚。在另一个实施例中，卷绕之前，可将螺旋状绕线浸入包括PTFE颗粒和润湿剂的环氧树脂中，以浸透所述的纤维。在另一个实施例中，本发明的轴承可使用以下方法来制造在用包括PTFE粉末和润湿剂的环氧树脂浸渍之前，或者之后，将纤维编织管套到心轴上或者将纤维织布缠绕在心轴上。
通过以下实例说明本发明的某些好处。每个实例都在GlacierGarlock(冰川格洛克)轴承公司研制的低摆幅(HOT)轴承试验机上进行试验，以试验自润滑轴承在一般大于4000psi的中位载荷和一般3英尺/分(91.4厘米/分)的中位速度的条件下的磨损寿命。对于该机器试验的轴承产品而言，轴向±5°的摆动模式能够模拟多种商业应用，诸如在水力发电机上的水闸门的枢轴机构。轴承载荷通过装载重量的机械悬臂系统施加在包围在壳体中的固定轴承上。轴支撑在超出试验范围的轴承两侧上，变速电动机通过保持在恒定载荷下的试验轴承驱动该轴。磨损深度通过接触区域中点的轴承壁厚的变化而测得。
实例实例1(对照)PTFE-Dacron纤维绕线复合轴承(新泽西州Thorofare的冰川格洛克公司生产的1620-11 MLG轴承)，该轴承不带有PTFE颗粒或者润湿剂，在HOT试验机上用以下试验条件对该轴承进行试验压力＝4300psi、摆动＝10°(总共)+/-5°(从中央)、速度＝200循环/分、刚轴抛光＝7微英寸AA和大约100-200洛氏硬度“B”的表面硬度。该试验作为“对照标准”，其进行了近似90小时的时间，在110万次循环下造成了0.017英寸(0.043cm)的磨损深度。
实例2在相同的试验条件下，对具有实例1的衬套复合物和结构的、但还包括在环氧树脂衬套内的PTFE颗粒和润湿剂的轴承进行HOT试验，在试验的最后造成了0.007英寸(0.018cm)的磨损深度。
以如下方式对PTFE颗粒进行润湿。使用工业“Jiffy”或者“快速推进式搅拌机”搅拌包括NADIC甲基酐(8kg)、特富龙#62PTFE细粉末(2kg)和TroySolTMS366(0.2kg)的混合物10分钟。24小时后，在将该混合物重新搅拌另一个10分钟。将最后得到的分散与Epon 828环氧树脂(9kg)和BDMA(0.2kg)再搅拌15分钟。从而将PTFE-Dacron纤维绕线复合轴承制造成1620-11试验轴承，该轴承具有实例1的衬套复合物和结构，但它还包括在环氧树脂衬套内的PTFE颗粒和润湿剂。
对根据实例1和2制备的轴承进行它们的低幅磨损(4.3ksi(千克每平方英寸)和110万次循环)试验。实例1(对比)的轴承具有2.5×10-13的磨损率(英寸/循环)/(psi×fpm(英尺每分))。包含PTFE颗粒的实例2的轴承具有1.0×10-13的磨损率(英寸/循环)/(psi×fpm)。
权利要求
1.一种复合轴承，其包括具有表面的支撑壳；和设置在所述表面上的润滑衬套，该润滑衬套包括与第二纤维状材料绕在一起的聚四氟乙烯纤维，所述纤维处于包括聚四氟乙烯颗粒和润湿剂的聚合基体中。
2.如权利要求1所述的复合轴承，其中，95％的聚四氟乙烯颗粒具有小于500微英寸的颗粒尺寸。
3.如权利要求1所述的复合轴承，其中，95％的聚四氟乙烯颗粒具有大于200微英寸的颗粒尺寸。
4.如权利要求1所述的复合轴承，其中，所述聚合基体包括重量比小于15％的聚四氟乙烯颗粒。
5.如权利要求1所述的复合轴承，其中，所述聚合基体包括重量比大于1％的聚四氟乙烯颗粒。
6.如权利要求1所述的复合轴承，其中，所述润湿剂包括非离子硅氧烷共聚物。
7.如权利要求1所述的复合轴承，其中，所述第二纤维状材料包括与所述聚四氟乙烯纤维卷绕在一起的聚合纤维。
8.如权利要求7所述的复合轴承，其中，所述聚合纤维包括可粘合树脂纱线。
9.如权利要求7所述的复合轴承，其中，所述聚合纤维包括聚酯、尼龙、芳族聚酰胺或者纤维质纤维。
10.如权利要求7所述的复合轴承，其中，所述聚合纤维和聚四氟乙烯纤维被设置在树脂材料内。
11.如权利要求7所述的复合轴承，其中，所述树脂材料包括热固性聚合物。
12.如权利要求9所述的复合轴承，其中，所述聚合物壳包括树脂材料。
13.如权利要求9所述的复合轴承，其中，所述聚合物壳包括热固性聚合物。
14.如权利要求13所述的复合轴承，其中，所述聚合物壳还包括玻璃纤维。
15.一种自润滑复合轴承，其包括具有增强的热固性树脂的壳，其上具有表面；和设置在所述壳的所述表面上的衬套，所述衬套包括设置在热固性聚合基体内的聚四氟乙烯颗粒、润湿剂和多个缠绕纤维，其中，所述的多个纤维包括聚四氟乙烯以及聚酯或者尼龙中的至少一个。
16.如权利要求15所述的自润滑复合轴承，其中，所述的多个纤维以螺旋状缠绕。
17.如权利要求15所述的自润滑复合轴承，其中，所述润湿剂包括非离子硅氧烷共聚物。
18.如权利要求15所述的自润滑复合轴承，其中，95％的聚四氟乙烯颗粒具有200微英寸到500微英寸范围之间的颗粒尺寸。
19.一种制造复合轴承的方法，其包括以下步骤在心轴上设置多个包括聚四氟乙烯和第二纤维状材料的纤维，所述纤维被设置在包括聚四氟乙烯颗粒和润湿剂的热固性树脂内；和固化所述热固性树脂，以形成刚性复合物。
20.如权利要求19所述的方法，其中，所述方法还包括将所述刚性复合物从所述心轴上除去的步骤。
21.如权利要求19所述的方法，其中，所述的设置步骤包括以螺旋状绕线形式提供所述的多个纤维。
22.如权利要求19所述的方法，其中，所述热固性树脂包括环氧树脂。
23.如权利要求19所述的方法，其中，所述的设置步骤还包括抽出所述螺旋状绕线，通过包括聚四氟乙烯颗粒和润湿剂的环氧树脂浴。
24.如权利要求19所述的方法，其中，95％的聚四氟乙烯颗粒具有小于500微英寸的颗粒尺寸。
25.如权利要求19所述的方法，其中，95％的聚四氟乙烯颗粒具有大于200微英寸的颗粒尺寸。
26.如权利要求19所述的方法，其中，所述聚合基体包括重量比小于15％的聚四氟乙烯颗粒。
27.如权利要求19所述的方法，其中，所述聚合基体包括重量比大于1％的聚四氟乙烯颗粒。
全文摘要
提供了复合轴承及制造该复合轴承的方法，在该复合轴承中，包括聚四氟乙烯颗粒和润湿剂的聚合基体内设置有包括聚四氟乙烯纤维和第二纤维状材料的衬套。由于石墨对碳钢会是腐蚀性的，因而该复合轴承可用于水力发电应用，在水力发电中，含有石墨的自润滑轴承是不合要求的。
文档编号F16C33/20GK1768209SQ200480008848
公开日2006年5月3日 申请日期2004年4月22日 优先权日2003年4月23日
发明者迈克尔·R·金, 彭远鸿, 迈克尔·霍许克 申请人:格莱西尔加洛克轴承公司