使用陶瓷轴承组合件的系统和发电机系统的制作方法

使用陶瓷轴承组合件的系统和发电机系统
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2021年6月22日提交的美国临时申请第63/213,408号的优先权，所述美国临时申请特此通过引用并入本文。
技术领域
3.所描述的主题涉及使用陶瓷轴承组合件的系统和发电机系统。


背景技术：

4.不同的车辆有不同的用途。采矿车辆可以将大量的材料托运到工地并从工地托运出来。除了处理装载到采矿车辆中的异常大重量的材料之外，所述车辆可能有多次启动和停止。此操作可能是在不平坦或陡峭的地形上进行。同时，此类车辆将所述材料从工地运送到期望的目的地。虽然车辆的发动机可以产生在任意地形上启动负载车辆所需的扭矩，但所述车辆必须能够以在给定高速公路上可接受的最大速度行驶。采矿车辆进行的操作任务不同于其它车辆。其它专用车辆，如机车具有可能与其它车辆不同的操作特定参数。
5.在一些车辆中，交流发电机可以提供电力。交流发电机的大修间隔期或寿命可能受交流发电机轴承寿命的限制。交流发电机轴承寿命可能受轴承中的温度产生的影响。另外，较高的温度可能缩短油脂的寿命。进一步地，轴承内的温差可能影响轴承间隙，从而降低轴承的寿命。可能需要具有用于不同于可商购获得的轴承组合件和轴承的方法和系统。


技术实现要素：

6.在一个或多个实施例中，提供了一种系统，所述系统可以包含陶瓷轴承组合件。所述陶瓷轴承组合件可以包含安置在所述陶瓷轴承组合件的金属内圈与外圈之间的一个或多个陶瓷滚动元件。
7.在一个或多个实施例中，提供了一种系统，所述系统可以包含发电机或交流发电机。陶瓷轴承组合件可以联接到所述发电机或所述交流发电机。所述陶瓷轴承组合件还可以包含一个或多个陶瓷滚动元件，所述一个或多个陶瓷滚动元件由不包含金属的陶瓷材料形成，并且安置在所述陶瓷轴承组合件的金属内圈与外圈之间。
8.在一个或多个实施例中，提供了一种系统，所述系统可以包含具有交流发电机或发电机中的一种或多种的车辆，所述交流发电机或发电机可以将机械能转换为电能。所述系统还可以包含安装在集成到所述交流发电机的轴上的陶瓷轴承组合件。所述陶瓷轴承组合件可以包含安置在所述陶瓷轴承组合件的内圈与外圈之间的一个或多个陶瓷滚动元件。
附图说明
9.参考附图，通过阅读以下对非限制性实施例的描述，可以理解本发明主题，在附图中：
10.图1a展示了包含轴承组合件的交流发电机/发电机的剖视图；
11.图1b展示了轴承组合件的剖视图；
12.图1c展示了包含轴承组合件的电动机的剖视图；
13.图2展示了采矿车辆系统的示意性框图；
14.图3展示了电联接到电动机的交流发电机的示意图；
15.图4展示了用于降低轴承组合件的温度的方法的流程框图，所述轴承组合件与采矿车辆的柴油发动机协同操作；
16.图5展示了轴承组合件随时间推移的升温曲线图；
17.图6展示了轴承组合件随时间推移的升温曲线图；并且
18.图7展示了轴承组合件随时间推移的升温曲线图。
具体实施方式
19.本文所描述的主题的各实施例可以涉及陶瓷轴承组合件的系统和方法。此轴承组合件可以被定制为用于旋转设备。例如，合适的旋转设备可以包含交流发电机(alternator)或发电机(generator)。这些旋转设备可以是固定的或可移动的。如果是可移动的，所述旋转设备可以安置在车辆内。合适的车辆可以是汽车、采矿车辆、铁路车辆、船舶、航天器、公路卡车、农业设备和工业设备等。具体地，交流发电机或发电机可以与发动机相关联，以将机械能转换为电能。混合陶瓷轴承组合件(也可称为陶瓷轴承组合件)可以包含可以安置在混合陶瓷轴承组合件的内圈与外圈之间的大量陶瓷滚动元件。当与其它可商购获得的轴承相比时，陶瓷滚动元件的质量(mass)可以相对较小并且摩擦系数较低。较小的质量和较低的摩擦系数可以降低在操作期间轴承中温度产生。这可能产生较低的绝对温度。通过提供陶瓷滚动元件，可以降低由轴承组合件产生的温度，从而增加交流发电机/发电机的寿命。由于较高的表面光洁度，陶瓷滚动元件可能对低润滑膜更具弹性。由于钢和陶瓷的材料组合的磨损率较低，陶瓷滚动元件对伪布氏压痕的弹性可能相对更强。具体地，在传统轴承的运送和处理期间，可能会出现这种伪布氏压痕。进一步地，降低的操作温度可以降低油脂的温度，并且因此增加油脂寿命。
20.图1a展示了混合陶瓷轴承组合件100，所述混合陶瓷轴承组合件与联接到发动机104的交流发电机102相关联地提供。在所展示的实施例中，发动机是柴油发动机。在一些实施例中，交流发电机(alternator)可以是发电机(generator)。轴106可以集成到交流发电机。在设备组装期间，轴承组合件的轴承安装在轴上。在一个实例中，交流发电机中仅提供了单轴承组合件。所展示的发动机是柴油发动机。
21.如图1b中的混合陶瓷轴承的剖视图所展示的，轴承可以包含与轴接合并通过轴旋转的内圈108。合适的内圈可以是金属、塑料、陶瓷或前述的组合。内圈可以固定到轴上或联接到轴上。合适的联接方法可以包含与轴的摩擦配合、机械紧固、焊接等。在一个实施例中，混合陶瓷轴承组合件可以包含与内圈径向间隔开的外圈110。在一个实例中，外圈可以接合壳体114的外壁112。这种接合可以防止外圈相对于内圈旋转。在一个实例中，外圈由与内圈相同的材料制成。在一个实施例中，内圈和外圈由彼此不同的材料形成，包含不同的金属或金属合金。
22.安置在内圈与外圈之间的可以是收纳多个陶瓷滚动元件118的沟道116。沟道可以围绕内圈的周边弧形地延伸，并且其大小和形状收纳所述多个陶瓷滚动元件中的每一个。
在一个实例中，所述多个陶瓷滚动元件可以由保持架119收纳。陶瓷滚动元件与内圈一起绕轴旋转，绕固定的外圈滚动或移动。通过在内圈与外圈之间安置陶瓷滚动元件，移动滚动元件之间产生的摩擦量可以小于内圈与外圈直接接合产生的摩擦量。
23.合适的陶瓷滚动元件可以呈球形、圆柱形、圆锥形、锥形等，并且基于最终使用参数进行选择。合适的陶瓷滚动元件可以是实心的、中空的或填充有微孔(cell)的。在一个实施例中，合适的陶瓷滚动元件可以涂覆有陶瓷，在另一个实施例中可以具有陶瓷芯，或者就整个材料而言可以(和陶瓷)是同质的。
24.混合陶瓷轴承组合件可以由陶瓷材料制成。合适的陶瓷材料可以包含纯陶瓷材料或金属陶瓷材料。每个陶瓷滚动元件可以包含至少部分由陶瓷材料制成的陶瓷滚动元件。为此，在一个实施例中，陶瓷滚动元件中的每一个可以是陶瓷材料而没有任何其它材料。在一个实例中，陶瓷滚动元件可以包含陶瓷材料和金属材料两者。例如，陶瓷滚动元件可以由99.99％(按重量)的陶瓷和0.01％(按重量)的包含金属的替代性材料制成。在另一个实例中，陶瓷滚动元件可以由0.01％(按重量)的陶瓷和99.99％(按重量)的如金属等替代性材料制成。在另一个实例中，陶瓷滚动元件按重量计算至少有50％是陶瓷材料。在其它实例中，陶瓷滚动元件按重量计算至少有20％是陶瓷材料。基于最终用途应用，可以参考其熔融温度、硬度、导电性、弹性模量、耐化学性和延展性来选择合适的陶瓷。最终用途应用的要求对轴承材料的选择有很大影响。对轴承的载重要求越高，材料选择将更具选择性。合适的陶瓷材料包含无机非金属材料。在一个实施例中，陶瓷选自结晶氧化物材料、氮化物材料或碳化物材料。在一个实施例中，陶瓷可以包含碳或硅。在一个实施例中，陶瓷可以包含氧化铝(aluminum oxide/alumina)、碳化硅和/或碳化钨。在一个实施例中，合适的陶瓷是陶瓷基质复合材料(cmc)。在一个实施例中，陶瓷是氧化物。在一个实施例中，陶瓷是非氧化物。在一个实施例中，陶瓷是复合材料。合适的氧化物可以包含氧化铝、氧化铍、氧化铈和氧化锆中的一种或多种。合适的非氧化物可以包含一种或多种碳化物、硼化物、氮化物和硅化物。在一个实例中，si3n4，即氮化硅用作滚动元件。同时，在一个实施例中，氧化铝涂层用于使内圈、外圈或两者绝缘，以减少热传递。参考前述，合适的复合材料可以是微粒增强的复合材料、纤维增强的复合材料，并且可以是氧化物和非氧化物的组合。具体地，与钢滚动元件相比，滚动元件的陶瓷材料的热传递和温差是意想不到的。虽然预期温度会降低，但显著的温度降低是意想不到的，而且不仅仅是材料变化。传热特性、重量和摩擦力的减小、剪切力的减小等相组合以显著降低温度。为此，仅仅用陶瓷材料涂覆钢轴承元件以试图实现热传递优势将不会导致如在提供完全陶瓷轴承元件时观察到的显著的温度降低。
25.通过提供陶瓷滚动元件，与钢滚动元件相比，热膨胀系数(cte)可以降低。另外，与钢滚动元件相比，陶瓷滚动元件的质量可以更小并且摩擦系数更低。低cte可以有助于在工作条件期间保持轴承的内部间隙。可能降低轴承中的温度产生并且因此降低绝对温度。因此，轴承寿命增加，而油脂寿命因操作温度降低而增加。在一个实施例中，由于相对较高的表面光洁度，陶瓷滚动元件可能对低润滑膜具有弹性。在一个实施例中，陶瓷滚动元件可能对通常发生的伪布氏压痕相对更具弹性，如在运送和处理期间。合适的陶瓷滚动元件可以相对抵抗低润滑膜状况，以及抵抗与运送、冲击或运送、处理和操作中的其它异常现象有关的损坏。
26.相对于绝缘钢轴承，陶瓷滚动元件的性能可以得到改进，所述绝缘钢轴承不会将
轴承系统中的温度产生降低到混合陶瓷轴承可以将温度产生减少的程度。在一个实施例中，混合陶瓷轴承组合件可以以与不利用陶瓷滚动元件的轴承组合件相同的负载、速度和大小操作。在混合陶瓷轴承组合件中，由于热量差和温差造成的故障减少，性能可能会有相对的改进。
27.图1c展示了包含均与电动机102c相关联地提供的第一混合陶瓷轴承组合件100c和第二混合陶瓷轴承101c的替代性实施例。在一些实施例中，电动机可以为车辆的车轮提供扭矩，包含采矿车辆的车轮。为此，轴106c可以集成到电动机。第一轴承组合件的轴承元件可以是球形轴承元件，而第二轴承组合件的轴承元件可以是圆柱形轴承元件。可替代地，轴承元件可以包含如本文详细描述的其它形状。在一个实例中，仅第一混合陶瓷轴承组合件是混合陶瓷轴承组合件。类似地，在其它实例中，仅第二混合陶瓷轴承组合件是混合陶瓷轴承组合件。
28.图2展示了可以包含收纳可移动车厢204的采矿车体202的采矿车辆系统200的示意图。可移动车厢可以收纳用于从工地拖运的采矿材料。这种采矿材料可以包含煤、矿石、泥土等。
29.另外，采矿车辆系统可以另外包含具有多个车轮208的牵引组合件206。牵引组合件还可以包含通过原动机组合件212旋转的至少一个轮轴210。在另一个实施例中，牵引组合件可以包含由原动机组合件供电的单独的电动机(图3)，以单独地旋转车轮。原动机组合件可以包含发动机214，所述发动机可以包含联接到交流发电机216或发电机218的输出轴。在一个实例中，发动机是柴油发动机。
30.根据输出电波形(ac与dc)，交流发电机或发电机充当交流发电机或发电机。另外，交流发电机或发电机可以根据输出轴的旋转方向将机械能转换为电能，或者将电能转换为机械能。尽管如此，交流发电机仍为所述至少一个车轴提供动力以驱动车轮。在一个实施例中，发动机和交流发电机相结合以为驱动采矿车辆系统的车轮提供超过3500马力(hp)或2600千瓦(kw)的输出。
31.图3展示了电联接到电动机302的交流发电机300的示意框图，所述电动机可以推动车辆的车轮。在图3的实施例中，在交流发电机将发动机的机械能转换为电能之后，并且交流发电机为电动机供电以推动车辆的单独的车轮。如所展示的，交流发电机可以联接到驱动电路系统304以为电动机提供输入，所述驱动电路系统可以包含整流器306、dc链路电容器308和反相器310。以这种方式，交流发电机可以为整个车辆的推进和辅助动力提供动力。
32.图4展示了用于降低与车辆系统的柴油发动机协同操作的混合陶瓷轴承组合件的温度的方法400。在一个实例中，混合陶瓷轴承组合件是图1a～1c的交流发电机的混合陶瓷轴承组合件，并且车辆系统是图2的车辆系统。
33.在步骤402处，混合陶瓷轴承组合件与车辆上的交流发电机或发电机中的一种或多种联接。在一个实施例中，仅提供单轴承组合件。在一个实施例中，车辆是车辆系统。在其它实施例中，车辆可以是利用柴油发动机，并且具体地，用于产生大于3500马力(hp)或2600千瓦(kw)输出的柴油发动机的越野车、手推车、拖拉机拖车、反铲挖掘机、联合收割机等。在一个实例中，交流发电机或发电机通过在用于联接到车辆系统的发动机的位置中联接到车辆壳体而位于车辆上。
34.在步骤404处，混合陶瓷轴承组合件包含可以集成到交流发电机的轴。混合陶瓷轴承可以包含陶瓷滚动元件，在示例实施例中，所述陶瓷滚动元件是如关于图1a～1c所描述的任何陶瓷滚动元件。在一个此类实例中，陶瓷滚动元件仅由陶瓷材料形成，并且不包含金属。在另一个实例中，陶瓷滚动元件是滚动元件的一部分是陶瓷的而滚动元件的另一部分是金属的陶瓷滚动元件。具体地，通过提供陶瓷滚动元件，可以通过利用内圈和外圈的金属材料来限制机械使用造成的磨损，而陶瓷滚动元件中的陶瓷材料降低了温度产生和温差。以这种方式，混合陶瓷轴承组合件提供耐磨性并降低温度。
35.在步骤406处，与利用金属滚动元件的轴承组合件相比，由陶瓷滚动元件产生的温度，以及内圈与外圈之间的温差降低。具体地，所述一个或多个陶瓷滚动元件的导热性比混合陶瓷轴承组合件的内圈和外圈的导热性低。因此，相对于具有一个或多个金属滚动元件的另一个轴承组合件，混合陶瓷轴承组合件在内圈与外圈之间提供较低的温差。因此，提高油脂效率，并且因此可以延长交流发电机寿命，并且因此延长发动机寿命。
36.图5是同一台交流发电机在使用钢轴承时相较于混合陶瓷轴承组合件中的陶瓷滚动元件产生的机械温度比较图。所述图呈现了随时间504(以分钟为单位)推移的相对于环境502上升的温度(以摄氏度(℃)为单位)。线506示出了使用钢轴承测量的温度，所述温度升高并保持处于约70℃，而线508示出了陶瓷滚动元件的第一次运行，其中温度升高并保持处于约60℃左右，然后最终达到70℃。另外，线510展示了陶瓷滚动元件的第二次运行，其中温度升高并保持处于约50℃，然后是约55℃，并且最后是60℃。在每种情况下，随时间的推移，混合陶瓷轴承组合件的温差显著小于使用钢轴承的轴承组合件产生的温差。
37.图6展示了混合陶瓷轴承组合件与利用钢轴承的轴承组合件在提供不同的转数(rpm)每分钟时的另一个比较。所述图可以包含随时间606(以分钟为单位)推移的相对于环境升高的温度的轴602(℃)和速度604(以rpm为单位)。所述图的左侧608表示在1400rpm时温度随时间的变化，而所述图的右侧610表示在1900rpm时的交流发电机的温度。线612表示使用钢轴承的轴承系统的内环温度，而线614表示使用陶瓷滚动元件的混合陶瓷轴承组合件的内环温度。类似地，线616表示使用钢轴承的轴承组合件的外环温度，而线618表示使用陶瓷滚动元件的混合陶瓷轴承组合件的外环温度。同时，线620表示使用钢轴承的轴承组合件的内环与外环之间的温差δ，并且线622表示混合陶瓷轴承组合件的内环和外环的δ。在每种情况下，对于同一交流发电机，随时间推移，混合陶瓷轴承组合件可以降低内环与外环两者的温度，以及降低内圈和外圈之间的温度δ。作为实例，当所述系统在1400转每分钟与1900转每分钟之间的范围内操作小于3分钟的时间段时，内圈与外圈之间的温差增加小于20摄氏度。由于温度和δ温度的显著且大幅降低，内环和外环的磨损减少了。另外，轴承系统内使用的油脂的温度也同样降低。如此，由于减少了长时间暴露在温度下而导致轴承系统内的疲劳，从而延长了轴承系统的寿命。
38.图7展示了具有0.030英寸间隙的混合陶瓷轴承组合件的图。所述图可以包含相对于环境702升高的温度(以摄氏度为单位)、速度704(以rpm为单位)、时间706(以分钟为单位)的轴。在所述图的左侧708，交流发电机以1100rpm操作，在所述图的中间710，交流发电机以1400rpm操作，并且在所述图的右侧712，交流发电机以1900rpm操作。在所述图中，线714表示使用钢轴承的轴承组合件的内圈的温度，线716表示混合陶瓷轴承组合件的内圈的温度，线718表示使用钢轴承的轴承组合件的外圈的温度，并且线720表示混合陶瓷轴承组
合件的外圈的温度。还如先前的图所展示的，通过使用混合陶瓷轴承组合件，温度和δ温度两者都降低了，从而改进了轴承组合件的健康状况和轴承油脂的寿命。与图7的实例类似，当所述系统在1100转每分钟与1900转每分钟的范围内操作小于3分钟的时间段时，内圈与外圈之间的温差增加小于20摄氏度。
39.在一个或多个实施例中，提供了一种系统，所述系统具有安置在车辆上的交流发电机。系统可以将来自发动机轴的旋转运动转换为电能。另外，系统可以包含用于交流发电机或发电机的混合陶瓷轴承组合件。混合陶瓷轴承组合件可以包含安置在陶瓷轴承组合件的内圈与外圈之间的一个或多个陶瓷滚动元件。
40.任选地，所述一个或多个陶瓷滚动元件可以由陶瓷材料形成，并且不包含金属。在一方面中，交流发电机和混合陶瓷轴承组合件可以安置在车辆上。在另一方面中，混合陶瓷轴承组合件可以是单轴承组合件。
41.任选地，所述一个或多个陶瓷滚动元件的导热性可以比混合陶瓷轴承组合件的内圈和外圈的导热性低。在一个实例中，相对于具有一个或多个金属滚动元件的另一个轴承组合件，混合陶瓷轴承组合件可以在内圈与外圈之间提供较低的温差。在另一个实例中，系统可以包含交流发电机，并且混合陶瓷轴承组合件可以包含仅由陶瓷材料形成的所述一个或多个陶瓷滚动元件。
42.在一个或多个实施例中，提供了一种方法，所述方法可以包含在车辆上的交流发电机或发电机中的一种或多种内提供混合陶瓷轴承组合件。混合陶瓷轴承组合件可以包含安置在轴承组合件的内圈与外圈之间的一个或多个陶瓷滚动元件。
43.任选地，所述一个或多个陶瓷滚动元件可以由陶瓷材料形成，并且不包含金属。在一个实例中，车辆可以是采矿车辆。在另一个实例中，混合陶瓷轴承组合件可以是单轴承组合件。在一方面中，所述一个或多个陶瓷滚动元件的导热性可以比混合陶瓷轴承组合件的内圈和外圈的导热性低。在另一方面中，相对于具有一个或多个金属滚动元件的另一个轴承组合件，混合陶瓷轴承组合件可以在内圈与外圈之间提供较低的温差。在另一个实施例中，混合陶瓷轴承组合件可以与交流发电机联接。混合陶瓷轴承组合件可以包含仅由陶瓷材料形成的所述一个或多个陶瓷滚动元件，并且车辆是采矿车辆。
44.在一个或多个实施例中，提供了一种采矿车辆，所述采矿车辆可以包含交流发电机或发电机中的一种或多种，所述交流发电机或发电机可以将来自发动机轴的旋转运动转换为电能。采矿车辆还可以包含可以使发动机轴旋转的发动机，以及交流发电机或发电机内的混合陶瓷轴承组合件。混合陶瓷轴承组合件可以包含安置在轴承组合件的内圈与外圈之间的一个或多个陶瓷滚动元件。
45.任选地，所述一个或多个陶瓷滚动元件可以由陶瓷材料形成，并且不包含金属。在一方面中，混合陶瓷轴承组合件可以是单轴承组合件。在另一方面中，所述一个或多个陶瓷滚动元件的导热性可以比混合陶瓷轴承组合件的内圈和外圈的导热性低。在一个实例中，相对于具有一个或多个金属滚动元件的另一个轴承组合件，混合陶瓷轴承组合件可以在内圈与外圈之间降低温差。在另一方面中，采矿车辆可以包含一个或多个牵引电动机，所述牵引电动机由来自交流发电机的电能供力，并且推动采矿车辆。
46.除非上下文另外清楚地指明，否则单数形式“一个/种(a/an)”和“所述(the)”包含复数指示物。“任选的”或“任选地”意味着随后描述的事件或情况可能发生或可能不会发
生，并且意味着所述描述可以包含事件发生的情况以及事件不会发生的情况。如在本文中贯穿说明书和权利要求书所使用的近似语言可以用于修饰可以允许变化，而不会导致其可能涉及的基本功能的改变的任何定量表示。因此，由一个或多个术语，如“约”、“基本上”和“大约”修饰的值可以不限于所指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以与用于测量值的仪器的精度相对应。此处以及在整个说明书和权利要求书中，除非上下文或语言另有指示，否则范围限制可以组合和/或互换，此类范围可以被识别并且包含其中含有的所有子范围。
47.本书面说明书使用实例来公开各实施例，包含最佳模式，并且使用实例来使本领域的普通技术人员能够实践各实施例，包含制作和使用任何装置或系统以及执行任何所结合方法。权利要求书限定了本公开的可取得专利权的范围并且包含本领域的普通技术人员想到的其它实例。如果此类其它实例具有并非不同于权利要求书的字面语言的结构要素，或如果此类其它实例包含与权利要求书的字面语言无实质差异的等效结构要素，则此类其它实例旨在处于权利要求书的范围内。