阅读说明：本技术 一种基于弹性元件实现大范围温度应力调节的陶瓷轴承及其设计方法 (Ceramic bearing for realizing large-range temperature stress adjustment based on elastic element and design method thereof ) 是由 吴成伟 马建立 张伟 韩啸 马国军 吕永涛 李东炬 于 2020-05-15 设计创作，主要内容包括：一种基于弹性元件实现大范围温度应力调节的陶瓷轴承及其设计方法,属于机械设计与制造技术领域。陶瓷轴承的轴套结构为三层结构,从外到内依次为环形金属支撑元件、环形弹性元件、环形陶瓷元件,环形金属支撑元件和环形陶瓷元件之间的缝隙内充填润滑剂。当工作温度降低时弹性元件被压缩,通过调节弹性元件的k值控制陶瓷元件的受力状态,保证陶瓷材料不被压碎。当轴承工作温度上升时弹性元件释放弹性势能,保证轴承的可允许偏移量或抗振动要求。本发明轴承的轴套结构温度应力几乎完全依靠弹性元件进行调节,对于轴承加工制造精度要求较低,可实现大范围温度变化的极限工况下的应用要求,并且能够提高轴承抗振性能,从而大幅度提高轴承寿命,提高可靠性。(A ceramic bearing for realizing large-range temperature stress adjustment based on an elastic element and a design method thereof belong to the technical field of mechanical design and manufacture. The shaft sleeve structure of the ceramic bearing is a three-layer structure and sequentially comprises an annular metal supporting element, an annular elastic element and an annular ceramic element from outside to inside, and a lubricant is filled in a gap between the annular metal supporting element and the annular ceramic element. When the working temperature is reduced, the elastic element is compressed, and the stress state of the ceramic element is controlled by adjusting the k value of the elastic element, so that the ceramic material is prevented from being crushed. When the working temperature of the bearing rises, the elastic element releases elastic potential energy, and the allowable offset or anti-vibration requirement of the bearing is ensured. The temperature stress of the shaft sleeve structure of the bearing is almost completely adjusted by the elastic element, the requirement on the processing and manufacturing precision of the bearing is low, the application requirement under the limit working condition of large-range temperature change can be realized, and the vibration resistance of the bearing can be improved, so that the service life of the bearing is greatly prolonged, and the reliability is improved.)

一种基于弹性元件实现大范围温度应力调节的陶瓷轴承及其 设计方法

技术领域

本发明属于机械设计与制造技术领域，涉及一种基于弹性元件实现大范围 温度应力调节的陶瓷轴承及其设计方法。

背景技术

在核电站中，有许多关键装备工作在高温、高压和放射性水环境中。例如， 核电站的主泵以及各二级泵的水润滑导轴承，不能采用常规润滑油润滑，只能 依靠冷却水自身实现润滑。这些轴承具有特殊设计要求，温度变换范围大(最 高温度可达280℃)、使用寿命长、耐腐蚀、耐辐射、摩擦系数低，动力稳定性 好等。国际上一般采用不锈钢表面强化处理(例如喷涂碳化钨)、表面堆焊等 技术，但是表面强化层在温度应力作用下疲劳寿命难以保证，直接采用氮化硅 或者碳化硅轴套各项性能非常优异，特别是氮化硅由于比碳化硅摩擦系数低、 抗压强度高、韧性好，是最为理想的轴套材料。但是氮化硅或碳化硅材料的热 膨胀系数只有结构钢的约1/4～1/3，在低温停堆时(例如北方冬季低温可达-40℃) 以及在高温工作时(例如280℃)，氮化硅、碳化硅或三氧化二铝等陶瓷轴套 容易与金属支撑结构分离或者温度应力过大而断裂。本发明旨在有效解决这一 技术难题。同时，本发明研发的轴承可以适用于任何其他领域在大工作温度范 围的轴承设计。

发明内容

本发明目的在于建立一种基于弹性元件实现大范围温度应力调节的陶瓷轴 承设计与制造方法。陶瓷材料为氮化硅、碳化硅或三氧化二铝等。该方法的主 要优点是，轴套结构的温度应力几乎完全依靠弹性元件进行调节，对于轴承加 工制造精度要求较低，并且使得轴承抗振性能大为提高，从而大幅度提高了轴 承寿命。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于弹性元件实现大范围温度应力调节的陶瓷轴承，所述陶瓷轴承的 轴套结构为三层结构，最外层为环形金属支撑元件1，中间层为环形弹性元件， 最内层为环形陶瓷元件3。所述环形金属支撑元件1和环形陶瓷元件3的材料和 尺寸是固定的，环形金属支撑元件1和环形陶瓷元件3之间存在缝隙，缝隙间 距固定。所述环形弹性元件的间隙部分可以充填润滑剂(如耐高低温的润滑油、 润滑脂等)。

所述环形弹性元件包括以下结构形式：

(1)环形弹性元件由弹性金属波纹片构成，波纹走向可以为横向或纵向， 弹性金属波纹片可以为一体的环形结构或多体的环形拼接结构，弹性金属波纹 片可以为单层结构或多层结构。所述弹性金属波纹片的弹性模量、热膨胀系数、 单片厚度、周期数、幅值、分片数、层叠数是调节弹性元件k值(刚度)的参 数。

(2)环形弹性元件由弹性块体材料构成，弹性块体材料可以为多孔材料或 骨架结构，弹性块体材料可以为一体的环形结构或多体的环形拼接结构。所述 多孔材料的弹性模量、热膨胀系数、厚度、孔隙率是调节弹性元件k值(刚度) 的参数；所述骨架材料的弹性模量、热膨胀系数、厚度、孔隙率、单元构型、 单元尺寸是调节弹性元件k值(刚度)的参数。

所述陶瓷轴承采用以下两种固定形式，保证环形金属支撑元件1、环形弹性 元件以及环形陶瓷元件3三者之间不发生相对滑动。

(1)采用螺栓限位杆固定方式，保证环形金属支撑元件1、环形弹性元件 以及环形陶瓷元件3三者之间不发生相对滑动，具体为：

所述螺栓限位杆采用与环形金属支撑元件1相同的材质，螺栓限位杆分为 两部分，一部分带有螺纹，一部分表面光滑，表面光滑部分的直径小于螺纹部 分内凹处的直径。

所述环形金属支撑元件1的中间位置开有若干个(2～48个)带螺纹的通孔， 螺纹通孔呈轴对称排布，螺栓限位杆指向环形金属支撑元件的中心，螺纹部分 在外，光滑部分在内，旋入环形金属支撑元件的螺纹通孔中，螺栓限位杆的螺 纹部分与环形金属支撑元件的螺纹通孔长度一致。

所述的环形弹性元件的中间位置开有若干个(2～48个)光滑通孔，光滑通 孔呈轴对称排布，与环形金属支撑元件1的螺纹通孔位置一一对应，环形弹性 元件的光滑通孔直径大于螺栓限位杆光滑部分的直径，间隙0.01～1mm，可使得 螺旋限位杆的光滑部分穿过环形弹性元件上的通孔。

所述陶瓷元件3的中间位置开有若干个(2～48个)圆形凹槽，圆形凹槽呈 轴对称排布，与环形金属支撑元件1的螺纹通孔位置一一对应，所述圆形凹槽 内径大于螺栓限位杆光滑部分的直径，间隙0.01～1mm，螺旋限位杆的光滑部分 穿过环形弹性元件的通孔后，***环形陶瓷元件3的圆形凹槽内，既保证环形 金属支撑元件1、弹性元件以及环形陶瓷元件3三者之间不发生相对滑动，又避 免了温度升高时，螺栓热膨胀对此处结构的破坏。

(2)采用相互嵌套的形式保证环形金属支撑元件1、环形弹性元件以及环 形陶瓷元件3三者之间不发生相对滑动。具体为：

所述环形金属支撑元件1的顶端开有若干个(2～48个)凹槽，凹槽呈轴对 称排布，凹槽指向环形金属支撑元件的中心，凹槽可以贯穿环形金属支撑元件1， 也可以不贯穿，不贯穿时凹槽在环形金属支撑元件1内壁这一侧是开口的。

所述的环形弹性元件的顶端开有若干个(2～48个)开口，开口呈轴对称排 布，与环形金属支撑元件1的凹槽位置一一对应。

所述环形陶瓷元件3顶端开有若干个(2～48个)凸块，凸块呈轴对称排布， 凸块指向外，与环形金属支撑元件1的凹槽位置一一对应。

环形金属支撑元件1的凹槽和环形弹性元件的开口尺寸均略大于环形陶瓷 元件3的凸块尺寸，间隙0.01～1mm，避免了温度降低时，环形金属支撑元件1 和环形弹性元件收缩对此处结构的破坏。环形弹性元件在环形金属支撑元件1 的内部，环形弹性元件的开口与环形金属支撑元件1的凹槽对应，环形陶瓷元 件3在环形弹性元件内部，环形陶瓷元件3的凸块恰好落入环形弹性元件的开 口和环形金属支撑元件1的凹槽内，由于环形陶瓷元件3的凸块与环形弹性元 件的开口和环形金属支撑元件1的凹槽相互嵌套在一起，起到限位的作用，保 证环形金属支撑元件、弹性元件以及环形陶瓷元件三者之间不发生相对滑动。

一种基于弹性元件实现大范围温度应力调节的陶瓷轴承的设计方法，包括 以下步骤：

第一步，确定环形弹性元件的k_L值

环形金属支撑元件和环形陶瓷元件的材料和尺寸是固定的，环形金属支撑 元件和环形陶瓷元件之间存在缝隙，缝隙间距是固定的。因此，当轴承所处温 度发生变化时，由于环形金属支撑元件的热胀冷缩程度与环形陶瓷元件不同， 处在中间层的环形弹性元件的会受到不同程度的压缩，改变环形弹性元件的k 值(刚度)，会相应地改变轴承的应力状态。

1)初始任意设定一套环形弹性元件的结构参数，包含：

环形弹性元件由弹性金属波纹片构成，波纹走向可以为横向或纵向，弹性 金属波纹片可以为一体的环形结构或多体的环形拼接结构，弹性金属波纹片可 以为单层结构或多层结构。弹性金属波纹片的弹性模量、热膨胀系数、单片厚 度、周期数、幅值、分片数、层叠数。

环形弹性元件由弹性块体材料构成，弹性块体材料可以为多孔材料或骨架 结构，弹性块体材料可以为一体的环形结构或多体的环形拼接结构。多孔材料 的弹性模量、热膨胀系数、厚度、孔隙率；骨架材料的弹性模量、热膨胀系数、 厚度、孔隙率、单元构型、单元尺寸。

2)根据设定的环形弹性元件的结构参数，通过数值模拟或解析计算的方法， 得到该环形弹性元件的k_L0值。

3)根据得到的环形弹性元件的k_L0值和轴承工况的最低工作温度T_L，通过 数值模拟或解析计算的方法，得到环形陶瓷元件3内部的最大应力。

4)以环形陶瓷元件3内部的最大应力等于环形陶瓷元件3的材料屈服强度 的1/n为判据，n取值1.1～20。若得到的环形陶瓷元件3内部的最大应力小于环 形陶瓷元件3的材料屈服强度的1/n，则通过改变1)中环形弹性元件的结构参 数，使得新的k值大于初始得到的k_L0值，继续试探，直到满足判据条件；若得 到的环形陶瓷元件3内部的最大应力大于环形陶瓷元件3的材料屈服强度的1/n， 则通过改变1)中环形弹性元件的结构参数，使得新的k值小于初始得到的k_L0值，继续试探，直到满足判据条件；若得到的环形陶瓷元件3内部的最大应力 等于环形陶瓷元件3的材料屈服强度的1/n，满足判据条件，停止试探。最后得 到的k值即为环形弹性元件的k_L值。

第二步，确定环形弹性元件的k_H值

1)根据第一步得到的环形弹性元件的k_L值和轴承工况的最高工作温度T_H， 通过数值模拟或解析计算的方法，得到环形弹性元件的接触应力。

2)以轴承的可允许偏移量或抗振动要求为判据。若得到的环形弹性元件的 接触应力所提供的支撑力满足轴承的可允许偏移量或抗振动要求的判据时，则 可以继续调节环形弹性元件的结构参数降低k值，直到k值降低到不满足轴承 的可允许偏移量或抗振动要求的判据时停止，对应的临界值即为环形弹性元件 的k_H值。

第三步，取k_H＜k＜k_L，即为符合技术规范要求的环形弹性元件的k值(刚 度)。

第四步，根据第三步得到的k值范围，选择范围内k值对应的环形弹性元 件的结构参数，即为符合要求的环形弹性元件。

第五步，完成最终装配，具体如下：

采用螺栓限位杆固定的方式：首先，将环形陶瓷元件3降温，将环形弹性 元件加热，利用温差产生的间隙，使环形弹性元件套住环形陶瓷元件3，保证环 形弹性元件的通孔与环形陶瓷元件3的凹槽的中心对齐。其次，同时对环形陶 瓷元件3和环形弹性元件一同降温，将环形金属支撑元件1加热，使环形金属 支撑元件1套住环形陶瓷元件3和环形弹性元件，保证环形金属支撑元件1的 螺纹孔与环形弹性元件的通孔和环形陶瓷元件3的凹槽的中心对齐。最后，将 螺栓限位杆通过环形金属支撑元件1的螺纹通孔旋入，直到螺栓限位杆的光滑 部分***环形陶瓷元件3的圆形凹槽内，完成最终的装配，即得到环形金属支 撑元件1、环形弹性元件以及环形陶瓷元件3一体的轴套结构。

采用相互嵌套固定的方式：首先，将环形陶瓷元件3降温，将环形弹性元 件加热，利用温差产生的间隙，使环形弹性元件由下至上套住环形陶瓷元件3， 保证环形弹性元件的开口卡住环形陶瓷元件3的凸块。其次，同时对环形陶瓷 元件3和环形弹性元件一同降温，将环形金属支撑元件1加热，使环形金属支 撑元件1由下至上套住环形陶瓷元件3和环形弹性元件，保证环形金属支撑元 件1的凹槽卡住环形陶瓷元件3的凸块，完成最终的装配，即得到环形金属支 撑元件1、环形弹性元件以及环形陶瓷元件3一体的轴套结构。

本发明的设计原理为：当轴承工作温度降低时，由于最内层陶瓷元件热膨 胀系数小于最外层金属支撑元件的热膨胀系数，因而陶瓷元件收缩小于金属支 撑元件，位于中间层的弹性元件被压缩。通过调节弹性元件的k值(刚度)， 来控制陶瓷元件的受力状态，保证陶瓷材料不被压碎。当轴承工作温度上升时， 最外层的金属支撑元件膨胀大于最内层陶瓷元件，位于中间层的弹性元件释放 弹性势能，保证轴承的可允许偏移量或抗振动要求。

本发明的有益效果是：轴承的轴套结构温度应力几乎完全依靠弹性元件进 行调节，对于轴承加工制造精度要求较低，可实现大范围温度变化的极限工况 下的应用要求，并且使得轴承抗振性能大为提高，从而大幅度提高了轴承寿命， 提高了可靠性，缩减了成本。

附图说明：

图1为本发明设计方法流程图。

图2(a)为轴承轴套结构俯视图；图2(b)为轴承轴套结构正视中心剖面图；

图3(a)为轴承轴套结构俯视图；图3(b)为轴承轴套结构正视中心剖面图；

图4(a)为轴承轴套结构俯视图；图4(b)为轴承轴套结构正视中心剖面图；

图5(a)为轴承轴套结构俯视图；图5(b)为轴承轴套结构正视中心剖面图；

图6(a)为轴承轴套结构螺栓限位杆固定方式俯视图；图6(b)为轴承轴套结构 螺栓限位杆固定方式正视中心剖面图；

图7(a)为轴承轴套结构相互嵌套固定方式俯视图；图7(b)为轴承轴套结构相 互嵌套固定方式正视中心剖面图；

图中：1环形金属支撑元件；2环形纵向弹性金属波纹片；3环形陶瓷元件； 4环形横向弹性金属波纹片；5环形弹性多孔材料；6环形弹性骨架材料。

具体实施方式

以下结合具体实施例和附图对本发明做进一步说明。

一种基于弹性元件实现大范围温度应力调节的陶瓷轴承设计与制造方法 (以环形纵向弹性金属波纹片2结合螺栓限位杆固定方式为例)：图1为本发 明的设计方法流程图，具体步骤如下：

第一步，确定环形纵向弹性金属波纹片2的k_L值

1)初始任意设定一套环形纵向弹性金属波纹片2的结构参数，包含弹性模 量，单片厚度，周期数，幅值，分片数，层叠数。

2)通过数值模拟或解析计算，得到环形纵向弹性金属波纹片2的k_L0值。

3)根据得到的环形纵向弹性金属波纹片2的k_L0值和轴承工况的最低工作 温度T_L，通过数值模拟或解析计算的方法，得到环形陶瓷元件3内部的最大应 力

4)以环形陶瓷元件3内部的最大应力等于环形陶瓷元件3的材料屈服强度 的1/n为判据，n取值1.1～20。若得到的环形陶瓷元件3内部的最大应力小于环 形陶瓷元件3的材料屈服强度的1/n，则通过改变1)中环形纵向弹性金属波纹 片2的结构参数，使得新的k值大于初始得到的k_L0值，继续试探，直到满足判 据条件；若得到的环形陶瓷元件3内部的最大应力大于环形陶瓷元件3的材料 屈服强度的1/n，则通过改变1)中环形纵向弹性金属波纹片2的结构参数，使 得新的k值小于初始得到的k_L0值，继续试探，直到满足判据条件；若得到的环 形陶瓷元件3内部的最大应力等于环形陶瓷元件3的材料屈服强度的1/n，满足 判据条件，停止试探。最后得到的k值即为环形纵向弹性金属波纹片2的k_L值。

第二步，确定环形纵向弹性金属波纹片2的k_H值

1)根据第一步得到的环形纵向弹性金属波纹片2的k_L值和轴承工况的最高 工作温度T_H，通过数值模拟或解析计算的方法，得到环形纵向弹性金属波纹片 2的接触应力。

2)以轴承的可允许偏移量或抗振动要求为判据。若得到的环形纵向弹性金 属波纹片2的接触应力所提供的的支撑力满足轴承的可允许偏移量或抗振动要 求的判据时，则可以继续调节环形纵向弹性金属波纹片2的结构参数降低k值， 直到k值降低到不满足轴承的可允许偏移量或抗振动要求的判据时停止，对应 的临界值即为环形纵向弹性金属波纹片2的k_H值。

第三步，取k_H＜k＜k_L，即为符合技术规范要求的环形纵向弹性金属波纹片 2的k值(刚度)。

第四步，根据第三步得到的k值范围，选择范围内k值对应的环形纵向弹 性金属波纹片2的结构参数，即为符合要求的环形纵向弹性金属波纹片2。

第五步，采用螺栓限位杆固定的方式完成最终装配，具体如下：

首先，将环形陶瓷元件3降温，将环形纵向弹性金属波纹片2加热，利用 温差产生的间隙，使环形纵向弹性金属波纹片2套住环形陶瓷元件3，保证环形 纵向弹性金属波纹片2的通孔与环形陶瓷元件3的凹槽的中心对齐。其次，同 时对环形陶瓷元件3和环形纵向弹性金属波纹片2一同降温，将环形金属支撑 元件1加热，使环形金属支撑元件1套住环形陶瓷元件3和环形纵向弹性金属 波纹片2，保证环形金属支撑元件1的螺纹孔与环形纵向弹性金属波纹片2的通 孔和环形陶瓷元件3的凹槽的中心对齐。最后，将螺栓限位杆通过环形金属支 撑元件1的螺纹通孔旋入，直到螺栓限位杆的光滑部分***环形陶瓷元件3的 圆形凹槽内，完成最终的装配，即得到环形金属支撑元件1、环形纵向弹性金属 波纹片2以及环形陶瓷元件3一体的轴套结构。

图2为环形纵向弹性金属波纹片作为弹性元件的轴承轴套结构示意图，所 述的环形纵向弹性金属波纹片2位于中间层，波纹纵向分布，整体呈圆筒状。 图3为环形横向弹性金属波纹片作为弹性元件的轴承轴套结构示意图，所述的 环形横向弹性金属波纹片4位于中间层，波纹横向分布，整体呈圆筒状。图4 为环形弹性多孔材料作为弹性元件的轴承轴套结构示意图，所述的环形弹性多 孔材料5位于中间层，多孔材料为无规则分布大小不一孔隙的块体材料，整体 呈圆筒状。图5为环形弹性骨架材料作为弹性元件的轴承轴套结构示意图，所 述的环形弹性骨架材料6位于中间层，骨架材料为具有一定规则排布框架的块 体材料，整体呈圆筒状。图6为轴承轴套结构螺栓限位杆固定方式的示意图。 图7为轴承轴套结构相互嵌套固定方式的示意图。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发 明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发 明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。