阅读说明：本技术 一种陶瓷叶轮 (Ceramic impeller ) 是由 肖琼 于 2018-12-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种陶瓷叶轮,属于回转动力泵设备的技术领域,其技术要点包括陶瓷材质的叶轮本体,叶轮本体包括驱动盖板和从动盖板,驱动盖板和从动盖板之间设置有叶片,驱动盖板一侧为多层复合结构,多层复合结构从内至外分别为驱动盖板、第一粘接吸能层、金属层、第二粘接吸能层、第二驱动盖板,其中,第二驱动盖板为独立结构,材质为陶瓷或硬质合金,金属层为盘状结构,其径向内侧连接有用于连接主轴的轴柄,第一粘接吸能层和第二粘接吸能层均充填有树脂或树脂与耐磨颗粒的混合物。本发明具有寿命较长、可承受大扭矩、抗冲击性能较好,易于实现大型化的特点。(The invention discloses a ceramic impeller, which belongs to the technical field of rotary power pump equipment and is technically characterized by comprising an impeller body made of ceramic materials, wherein the impeller body comprises a driving cover plate and a driven cover plate, blades are arranged between the driving cover plate and the driven cover plate, one side of the driving cover plate is of a multilayer composite structure, the multilayer composite structure comprises the driving cover plate, a first bonding energy absorption layer, a metal layer, a second bonding energy absorption layer and a second driving cover plate from inside to outside, the second driving cover plate is of an independent structure and made of ceramic or hard alloy, the metal layer is of a disc-shaped structure, the radial inner side of the metal layer is connected with a shaft handle used for connecting a main shaft, and the first bonding energy absorption layer and the second bonding energy absorption layer are filled with resin or a mixture of resin and wear-resistant particles. The invention has the characteristics of longer service life, large torque bearing capacity, better shock resistance and easy realization of large-scale production.)

一种陶瓷叶轮

技术领域

本发明涉及回转动力泵设备领域，尤其涉及一种陶瓷叶轮。

背景技术

在选矿和冶炼等行业，经常要用离心泵输送一些有磨蚀性的固液两相流，这时常选用渣浆泵。常见的耐磨泵常用Cr26，Cr15Mo3等耐磨合金或橡胶等耐磨材料制造，这些材耐磨合金制造的泵在很多工况下难以满足使用要求。

众所周知，耐磨陶瓷有比耐磨合金高得多的耐磨性，如碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷、氧化铝陶瓷、氮化硅结合碳化硅陶瓷等，其耐磨性可比耐磨合金高数倍甚至数十倍，因此CN202100535 U、CN 205687817U、CN 107654414A、CN 108302043A、CN 202100546 U等公开了一些陶瓷叶轮的技术方案。但这些技术方案制造的耐磨陶瓷叶轮也存在一些问题，其中最突出的有以下三点：其一是抗冲击性能差，技术方案对叶轮运行时冲击能量的吸收问题考虑不足，没有采取技术措施吸收叶轮运行时振动或冲击产生的能量，使用中易受冲击而破裂。

CN 102032210B提出了一种陶瓷叶轮，如图19所示，叶轮包括叶轮陶瓷主体3’、金属内螺纹轴套1’和金属翼板2’，金属内螺纹轴套1’通过正多边形的金属翼板2’与陶瓷叶轮主体3’牢固可靠的配套式连接在一起；正多边形的金属翼板2’通过粘接和机械锁紧机构卧装入位于陶瓷叶轮主体3’具有背叶片4’的表面上的配套对应的凹槽6’中，正多边形的金属翼板2’的外侧面上具有与其整体加工而成、并与背叶片4’配套对应的辅助叶片7’，5’为叶轮主体3’的一个表面，叶轮主体3’上设置有孔10’，金属翼板2’上设置有孔9’，金属锁紧件11’穿过孔9’和孔10’将叶轮主体3’和金属翼板2’连接在一起。该技术方案可以较好地解决叶轮的强度问题，但以下几个却问题不能较好的解决，其一是寿命问题，金属内螺纹轴套1’、金属翼板5’和金属锁紧件11’这三个部件即使采用目前常用耐磨性能最好的耐磨合金，其寿命也最多达到耐磨陶瓷的1/3，一旦这些金属件被磨损到一定程度，叶轮就会解体破裂而报废，而叶轮在使用过程中是无法观察到这些金属件的磨损状况的，也就是说，这种陶瓷叶轮的寿命和耐磨合金叶轮相比，几乎没有优势；其二是工艺问题，众所周知，合金的耐磨性和加工性是矛盾的，如果为提高上述三个金属部件的寿命而采用耐磨性好的合金，必然会增加金属内螺纹轴套1’、金属翼板5’和金属锁紧件11’这三个部件的加工难度，要在这些硬度达到HRC60左右的部件上加上螺纹、正多边形等结构，工艺成本很高。其三是应力集中问题，图19所示的这种叶轮的扭矩主要是靠设置在叶轮主体3’和金属翼板2’上的正多边形来传递的，而陶瓷件在烧制过程中，容易在正多边形的拐角处产生较大的内应力或生成裂纹，这些有较大内应力或有裂纹的部位承受较大的扭矩时易因应力集中而发生破裂,现有技术还有一个问题是叶轮难以大型化，众所周知，陶瓷在烧结过程中，易产生裂纹，并导致部件报废，部件越大，越容易开裂，大尺寸陶瓷叶轮即使在烧结后没有发现开裂，但烧好的成品件常存在有较大内应力或存在隐形裂纹，其耐冲击性能也较小尺寸叶轮差得多，在使用中很容易发生破裂，这个原理就如同大尺寸的陶瓷板即使被轻轻敲击也很容易发生破裂，而小的马赛克陶瓷片即使从数十米的高处坠落也不会破碎一样。

综上所述，现有技术的耐磨陶瓷叶轮存在可靠性差、工艺难度大、难以承受大扭矩、抗冲击性能差、难以大型化的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种寿命较长、可承受大扭矩、抗冲击性能较好，易于实现大型化的陶瓷叶轮。

为实现上述目的，本发明提供一种陶瓷叶轮，包括陶瓷材质的叶轮本体，所述叶轮本体包括驱动盖板和从动盖板，所述驱动盖板和从动盖板之间设置有叶片，所述驱动盖板一侧为多层复合结构，所述多层复合结构从内至外分别为驱动盖板、第一粘接吸能层、金属层、第二粘接吸能层、第二驱动盖板，其中，所述第二驱动盖板为独立结构，材质为陶瓷或硬质合金，所述金属层为盘状结构，其径向内侧连接有用于连接主轴的轴柄，所述第一粘接吸能层和第二粘接吸能层均充填有树脂或树脂与耐磨颗粒的混合物。

作为本发明的更进一步改进，所述从动盖板的外侧设置有第二从动盖板，所述从动盖板和第二从动盖板之间设置有第三粘接吸能层，所述第三吸能层中充填有树脂或树脂与耐磨颗粒的混合物。

作为本发明的更进一步改进，在所述从动盖板或第二从动盖板的粘接平面上设置有凹槽，所述凹槽的径向尺寸为叶轮直径的0.6-0.97倍

作为本发明的更进一步改进，所述第一粘接吸能层、第二粘接吸能层和第三粘接吸能层三者中至少一个内设置有浸渍树脂的纤维布或纤维网。

作为本发明的更进一步改进，所述金属层的径向尺寸小于或等于第二驱动盖板的径向尺寸，所述金属层为叶轮本体直径的0.6-0.97倍。

作为本发明的更进一步改进，所述金属层上设置有突出件，所述叶轮本体上设有与突出件一一对应的第一孔，所述第一孔在轴向部分或全部穿过叶片；在所述第一孔和突出件之间充填有树脂或树脂与耐磨颗粒的混合物。

作为本发明的更进一步改进，所述驱动盖板上设有第一粘接吸能层的一侧为粘接面，所述粘接面上绕叶轮本体的旋转轴线均布有多个凸台，所述金属层上设有多个形状与所述凸台相对应的轴向贯通孔，所述凸台伸入至轴向贯通孔内。

作为本发明的更进一步改进，所述驱动盖板和叶片为烧结制造的一体式结构，所述从动盖板和叶片之间设置有第四粘接吸能层，所述第四粘接吸能层内充填有树脂或树脂与耐磨颗粒的混合物。

作为本发明的更进一步改进，所述叶轮本体被均分成与叶片数量相同的形状相同的陶瓷体，所述陶瓷体各包含一个完整的叶片，各个陶瓷体被粘接剂粘接成一个整体。

作为本发明的更进一步改进，所述叶片包括前叶片和后叶片，其中，所述驱动盖板和后叶片为一体式结构，所述前叶片和从动盖板为一体式结构，所述突出件穿过前叶片和后叶片上设置的孔并连接在金属层上，所述前叶片和后叶片之间设置有第五粘接吸能层，所述第五粘接吸能层充填有树脂或树脂与耐磨颗粒的混合物。

作为本发明的更进一步改进，所述耐磨颗粒为碳化硅、刚玉、石榴石、氮化硅、氧化锆的其中一种或其组合。

有益效果

与现有技术相比，本发明的陶瓷叶轮的优点为：

1、现有技术普遍认为：通过粘接组合而成的陶瓷叶轮的可靠性不如整体烧结的叶轮，因此组成叶轮的陶瓷件的数量越少越好；即使迫不得已要采用粘接技术，也只能是在局部采用或在受力较小的部位采用；而我们的研究则发现，通过将多个陶瓷件采用高分子材料进行粘接或复合而成的陶瓷叶轮，可以具有比整体烧结成形的叶轮更高的可靠性；并能满更多的工况的使用要求；

2、本发明的叶轮具有更高可靠性的主要原因是由于设置的至少两层以上的粘接吸能层中包含有柔韧性较好的树脂，粘接吸能层不但能牢固的将陶瓷件和金属层粘接成一个有较高机械强度的叶轮，还能吸收叶轮运行中受到的冲击能量，大大降低叶轮受冲击而破损的概率；

3、如果粘接吸能层较厚，粘接吸能层会受到较强的磨损，这时树脂往往不能抵抗这种磨损，在粘接吸能层中加入耐磨颗粒后，其耐磨能力会大大提升，同时我们的研究表明，在粘接吸能层加入耐磨颗粒后，有利于提高叶轮的抗冲击能力，防止粘接吸能层开裂。

4、由力学原理可知，叶轮的扭矩绝大部分会由金属层的外沿转递，而金属层的内沿几乎不传扭矩，因此较大金属层的直径有利于使金属层和叶轮本体之间有更大的粘接面积和力矩半径，因而在一些低负荷工况下将金属层的径向尺寸适当加大后，仅靠粘接剂连接也可以传递足够的扭矩；而且设置在金属层和叶轮本体之间的有较好弹性的粘接剂，能吸收叶轮运行时振动或冲击产生的能量，相对现有技术主要利用正多边形传递力矩，有更好的抗冲击性能；金属层的另一个作用是承受叶轮的轴向力，叶轮运行时受流体的作用，要承受一个指向吸入口的轴向力，该力和扬程成正比，由于本发明的金属层直径达到叶轮的0.6-0.97倍，面积较大且有较好的轴向强度，大部分的轴向力将通过第二驱动盖板传递给金属层，因而作用在叶轮本体上的轴向力较小，这可以防止叶轮本体和金属层之间的粘接剂因轴向力损坏；

5、除承受和传递叶轮轴向力外，设置第二驱动盖板还有三个目的，其一可以防止金属层和粘接吸能层受到流体的磨蚀，设置第二驱动盖板和轴柄护套后，叶轮骨架不再受到流体的磨蚀，可以采用加工性能好的材料如45#钢、Q235等制造，较现有技术可以改善叶轮的工艺性，降低制造成本，其二是有利于提高提高叶轮的工作扭矩，在大扭矩工况时，第二粘接吸能层和第二驱动盖板可以延伸至叶轮的外沿，使金属层的两侧都可以利用粘接吸能层传递力矩，从而大增加叶轮的工作扭矩；其三是可以提高叶轮的强度和抗冲击能力，正如前述，叶轮后盖板在轴向方向上的材质从外到内分别为陶瓷层-粘接剂层-金属层-粘接剂层-陶瓷层，类似于胶合板的多层结构，相对于现有技术单一的陶瓷材质或金属层-粘接剂吸能层-陶瓷层结构有更好的强度和抗冲击性能；

6、考虑到在一些有大颗粒的磨蚀工况，主叶片在出口侧的磨损十分严重，当该处磨损后，叶轮本体会因机械强度不足而出现损坏，而此时叶轮其它部位的磨损较轻尚未失效，将主叶片在出口侧的厚度设计大于30mm或大于叶轮直径的10％，而普通叶轮中主叶片的出口处厚度一般不超过叶轮直径的8％，较厚的叶片虽导致制造成本有所上升，但可以防止叶轮的早期报废，提高叶轮的寿命，同时，较厚的叶片可以为第一孔的设置提供空间；

7、金属层上设置有突出件，所述突出件伸入叶轮体本上在对应位置设置的第一孔内，最优的，所述第一孔在轴向部分或全部穿过叶片，这种结构可以大幅提高金属层和叶轮本体之间的结合力，使叶轮可以承受更大的扭矩；

8、大尺寸陶瓷件在烧结过程中，易破裂或产生微观裂纹，即使烧结过程没有产生裂纹，也可能会存在较大的内应力，将叶轮本体均分成与叶片数量相同数量的陶瓷件，所述陶瓷件各包含一个完整的叶片，各陶瓷件被粘接剂粘接成一个整体体，这种结构可以大幅减小陶瓷制品烧结时的外形尺寸，从而提高陶瓷件制品的成品率，降低制造成本，将第二从动盖板由多块陶瓷板组合而成，也有同样的效果；

9、设置第二从动盖板还有两个目的，其一可以解决大型叶轮从动盖板的厚度太大，烧结时难以烧透的问题，其二可以在从动盖板和第二从动盖板之间加入增加强度或吸收冲击能量的第三粘接吸能层；

10、在从动盖板与第二从动盖板之间或驱动盖板与金属层之间设置粘接吸能层后，可以吸收叶轮运行的冲击能量，从而提高叶轮的抗冲击能力；在粘接吸能层中加入浸渍树脂的纤维布(网)后可以大幅提高叶轮的强度和抗冲击能力；粘接吸能层层数越多，叶轮的抗冲击能力越强；通过这种多种材料的复合加强，可以在不增加叶轮外形尺寸的前提下，使叶轮的机械强度和抗冲击能力明显高于整体烧结的叶轮；

11、粘接吸能层的另一个作用是其中的粘接剂可以渗入到陶瓷部件的小裂纹或微观裂纹中，阻止裂纹的发展，提高叶轮的强度；

12、由于叶轮在烧结过程中会产生变形，为控制叶轮的尺寸误差，从动盖板与第二从动盖板粘接面之间的缝隙不能太宽，否则缝隙内的粘接剂易被磨损，这就要求粘接面的平面度较高，而陶瓷件烧结后平面度常达不到要求，这时就需要对粘接面进行磨削加工，由于工程陶瓷的耐磨性极高，磨削的成本较高；在粘接面上设置凹槽后，凹槽部分的表面不必加工，从而可以减少机械加工量，降低加工成本；另一方面，凹槽部分可以容纳较多的吸能缓冲材料，有利于提高叶轮的抗冲击能力；

13、驱动盖板和叶片为整体烧结制造，从动盖板和叶片之间设置有第四粘接吸能层，这种结构有利于降低叶轮的成形难度，减少叶轮的外形尺寸，提高产品的成品率；

14、综上所述，本发明提供的陶瓷叶轮，可以解决现有陶瓷叶轮可靠性较差、难以承受大扭力、抗冲击性能差、难以大型化的问题。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1的剖视图；

图2为本发明实施例1的叶轮本体的立体图；

图3为本发明实施例1的金属层和轴柄的立体示意图；

图4为本发明实施例1中叶轮第二驱动盖板的立体示意图；

图5为本发明实施例2的剖视图；

图6为本发明实施例2中叶轮本体的立体图；

图7为本发明实施例2中叶轮本体的剖视图；

图8为图7在A-A处的剖视图；

图9为本发明实施例2中的金属层和轴柄的立体示意图；

图10为本发明实施例3中叶轮的剖视图；

图11为本发明实施例4中陶瓷体的立体图；

图12为本发明实施例4中5个陶瓷体拼合成一体的立体示意图；

图13为本发明实施例4中5个陶瓷体和第二从动盖板、纤维布组合成一体的立体示意图；

图14为本发明实施例5中叶轮的剖视图；

图15为本发明实施例5中第二从动盖板的剖视图；

图16为本发明实施例6中叶轮的剖视图；

图17为本发明实施例6中驱动盖板和叶片的立体图；

图18为本发明实施例7中叶轮的剖视图；

图19为CN 102032210B提出的陶瓷叶轮的示意图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例。

实施例1

本发明的具体实施方式如图1至图4所示，叶轮为直径301mm的闭式叶轮，叶轮的驱动盖板1001、主叶片1003和从动盖板1002为一个采用氧化铝烧结的陶瓷整体，金属层301为外径270mm的圆形，即其径向尺寸为叶轮直径的0.9倍，金属层301的轴向厚度为5mm；第二驱动盖板200的材质为氧化铝陶瓷，其外侧设置有第二副叶片201，第二驱动盖板200包括第二副叶片201的轴向厚度为20mm；金属层301和轴柄302的材质为45#钢，第一粘接吸能层001和第二粘接吸能层002为丙烯酸粘接剂，厚度约为0.2-0.5mm，轴柄护套500和轴柄302之间也采用丙烯酸粘接剂粘接，轴柄护套500的材质为耐磨复合材料，其主要成份是85％碳化硅颗粒，15％酚醛树脂。

在本实施例中，对粘接面1004的表面作粗糙处理，提高了其表面的粗糙度，有利于提高粘接的可靠性。

显然，相对图19所示的现有技术，本实施例中的第一粘接吸能层001和第二粘接吸能层002有大得多的面积来吸收冲击能量和传递扭矩，这种多层复合结构也类似于防弹玻璃一样，有更好的抗冲击破碎的能力。

实施例2

本发明的具体实施例2参阅图5-9所示，叶轮直径390mm，包括碳化硅陶瓷材质的叶轮本体100、45#钢材质的金属层301和轴柄302，叶轮本体100包括驱动盖板1001、主叶片1003和从动盖板1002，轴柄302和主轴为螺纹配合，金属层301的径向外形尺寸为235mm,是叶轮直径的0.6倍，金属层301的轴向厚度为6mm，其上设置有若干轴向贯穿孔3011，在驱动盖板1001上设有一个和金属层301贴合的粘接面1004，在金属层301的外侧设置还有第二驱动盖板200，第二驱动盖板200的厚度为12mm，叶轮本体100、金属层301、第二驱动盖板200和通过第一粘接吸能层001和第二粘接吸能层002粘接成一个整体，第一粘接吸能层001和第二粘接吸能层002内充填有树脂和耐磨颗粒的混合物。

如图5、图6、图7、图8、图9所示，粘接面1004上设置有向第二驱动盖板200方向延伸的凸台1010，凸台1010高5mm，延伸至金属层301上设置的轴向贯穿孔3011内；粘接面上还设置有第一孔1006，第一孔1006上设置有螺纹，金属层301上还设有与之相连的突出件3012，突出件3012上也设有螺纹第一孔1006和突出件3012之间充填有树脂和耐磨颗粒的混合物，。

金属层301上也可以设置有螺纹，突出件为螺栓，螺栓连接在螺纹上，来自金属层301的扭矩可以通过第一粘接吸能层001、第二粘接吸能层002及突出件3012共同传递扭矩至主叶片做功，显然，这种结构对于叶轮的大形化是有利的。

在本实施例中，如图8所示，主叶片1003在出口侧的厚度，即在主叶片1003出口工作面到非工作的垂直厚度δ＝65mm，为叶轮直径的16.6％，而现有技术陶瓷泵的叶片在出口处厚度一般不超过叶轮直径的10％，加厚的叶片不但可以提高叶轮的强度，也有利于设置第一孔1006。

实施例3

如图10所示，叶轮直径为450mm，设置有螺纹的突出件3012连接在金属层301上，驱动动盖板1002侧从内至外分别为驱动盖板1002、第一粘接吸能层001、金属层301、第二粘接吸能层002、第二驱动盖板200，第一粘接吸能层001和第二粘接吸能层002内充填有粘接剂，还有粘贴浸渍树脂的碳纤维网或其它纤维网。在从动盖板1002的外侧设置有第二从动盖板10021，在从动盖板1002和第二从动盖板10021之间为第三粘接吸能粘接层，在第三吸能粘接层003内有浸渍树脂的碳纤维网提高强度。本实施例可用于扬程较高的工况。

实施例4

如图11至图13所示，叶轮直径为700，叶轮本体包括5个相同形状的陶瓷体1008，每个陶瓷体1008包括一个完整的叶片1003，在将5个陶瓷体1008用粘接剂粘合成一体后，再将第第二驱动盖板200和第二从动盖板10021粘接在相应位置，为提高叶轮的抗冲击性能，在第二从动盖板的内侧还粘接有浸渍树脂的纤维网10024。

由于叶轮的尺寸较大，为便于陶瓷烧结，第二从动盖板10021也为由多个陶瓷片组成的环形，图中A为陶瓷体相互粘接的粘接面，B为组成第二从动盖板1002的陶瓷片相互粘接的粘接面，粘接面A和粘接面B在轴向的投影相互错开，可以提高叶轮的粘接强度。

实施例5

如图14至图15所示，叶轮直径750mm，本实施例的结构和实施例3基本相同，不同之处是在从动盖板1002和第二从动盖板10021的粘接面上设置有凹槽100211，由于叶轮直径较大，烧结成形的陶瓷在这两个粘接面的平面度公差较大，需对粘接平面100210磨削才能使粘接面的缝隙较小，设置凹槽100211后，可以大大减少磨削工作量，降低制造成本，同时可以在凹槽内设置浸渍树脂的纤维网以提高叶轮的抗冲击性能。

在上述粘接剂中，还可以添加耐磨颗粒，所述耐磨颗粒为碳化硅、氮化硅、刚玉、氧化锆、石榴石的一种或其组合，可以提高粘接剂的抗磨损能力，试验还表明适当比例和细度的耐磨颗粒的添加可以提高粘接剂的抗冲击性能。

实施例6

如图16、17所示，本实施例中，叶片1003和驱动盖板1001为一个整体烧结成形的部件，从动盖板1002为另一个烧结成形的部件，二者之间设置有第四粘接吸能层004，在从动盖板1002的外侧，还设置有第二从动盖板10021，在从动盖板1002和第二从动盖板10021之间设置有第三粘接吸能层003

实施例7

如图18所示，驱动盖板1001和后叶片10031为一个烧结成形的整体，从动盖板1002和前叶片10031为另一个烧结成形的整体，前叶片10031和后叶片通过第五粘接吸能层005结合在一起，设置有突出件3012穿过前叶片10031和后叶片10032将从动盖板1002和后金属层301连接在一起。

根据叶轮所受扭矩、轴向力和冲击情况，可以将所述金属层的径向尺寸设置为叶轮直径的0.6-0.97倍，轴向尺寸为叶轮直径的0.01-0.05倍；第二驱动盖板的径向尺寸为叶轮直径的0.6-1倍，轴向尺寸为叶轮直径0.03-0.15倍。

据某选矿厂统计，采用现有技术的陶瓷叶轮在运行3个月内叶轮的破裂率在5％左右，而采用本发明技术制造的陶瓷叶轮在该选厂运行3个月内叶轮的破裂率下降至目前的0.5％，可见此采用本发明的耐磨陶瓷叶轮较现有技术的陶瓷叶轮的可靠性有明显的提高。

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。