专利名称：带有槽、栅的轴承总成的制作方法
背景技术：
本发明涉及一种轴承总成，特别涉及，用于支撑，如在大型海军舰艇中用的，水润滑的推进器轴的新型的轴承总成。带有弹性轴承件的轴承总成，因为在所述轴和轴承总成工作的海水中，具有优良的抗腐蚀性流体性和抵抗在海水中悬浮的外来颗粒的耐磨性，特别适于这项用途。带有弹性轴承件的这样的轴承总成业已被制造，并仍被制造带有外防腐支撑或壳，在它中带有多个在圆周上均匀隔开的弹性栅。
发明概述本发明涉及一种新型的轴承总成，它利用一个外壳和多个与轴接触的圆周间隔开的轴承件，轴承件具有设置在其中的横槽，或流体动力学图形，从而减少轴承的摩擦力矩，强化轴承性能。
附图的简要说明
图1是本发明轴承总成的横剖面图；图2是本发明轴承栅的等轴图；图3a-3b是本发明轴承总成中使用的轴承材料另外实施例的等轴图；图4是本发明轴承总成第二实施例的横剖面图。
详细说明见图1，其中本发明轴承总成210包括一个套215，它具有三个栅240，它们围绕套的径向内部设置。每个栅240，由一对弹性件260固定在位。在每个弹性件260的顶上有一刚性的板或杆264。一个螺丝或螺栓266穿过在每个杆264和弹性件260中的间隙轴(未示出)，并接合在套215中的螺纹孔267。上紧的螺丝266向套215拉刚性板264，从而使得每个弹性件260压缩变形，侧面扩张，在每个栅240上施加压缩力，将它们固定在位。
每个栅240具有一个带槽的轴承表面241和一个基本平的后侧面282，并被一个或多个垫片284,286支撑。最好，每个栅240的后侧282接触由硬材料(如金属，复合材料或其他硬材料)构成的顶部垫片284，它由弹性材料或可压缩材料(如软塑料，橡胶，或其他弹性材料)构成的底部垫片286支撑。平的被支持的栅比圆形的被支持的栅制造起来经济。下面的栅240支撑驱动轴223，上面的两个栅240切向接合驱动轴223，与下面的栅240合作，阻止轴223的外弯曲。
套215最好是由金属结构，如黄铜，塑料壳或复合的非金属结构制成。套215最好是由玻璃纤维强化的环氧树脂制成，玻璃的重量百分比约70％。
栅240最好是由弹性/塑料复合材料，如在共同拥有的美国专利3,993,371说明的材料，或均质光滑聚合物合剂(slippery polymeralloy，简称SPA)，如在美国专利4,725,151；4,735,982公开的那些。所有这些专利在本说明中参引。SPA是一个热塑性塑料和一个热固性橡胶并带有少量润滑剂的合成剂料。SPA是多相合剂，其中热塑性塑料以连续相存在，热固性剂料作为不连续相分散于其中。即，热塑性塑料形成基体，具有热固性剂料和润滑剂分散于其中，而与搀和不同。
热塑性塑料剂料可以是任何具有韧性、低摩擦系数和高耐磨性的聚合物。这种聚合物的特定组包括各种通常本领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类为，具有平均分子量大于2.5百万的那些，即在3.0百万-7.0百万间，使用溶解粘度法(solution viscosity method)形成。一个希望的范围是4百万-6.5百万，最好的范围是5百万-6百万。这样的聚乙烯由Hoechst CelaneseCorporation供应，名为GUR413。
超高分子量聚乙烯以及其他一般对本发明适用的聚合物，具有低的摩擦性，如在轴每分钟零转数时，有0.25或更小的静摩擦的剥离(breakaway)系数，在0.20以下较好，0.15以下最好。本发明的希望的热塑性塑料也具有20或更大的V形缺口冲击韧性值(ASTMD256)，最好是30或大于30。但是，无缺口测定试样是不断裂的。本发明的热塑性塑料也具有砂浆磨损试验测定的良好的耐磨性。砂浆磨损测定是Hoechst Celanese Corporation的一个测试法，其中测试试样(1″X3″X1/4″)一般是在含有两份水和三份砂的砂浆中，以1200转/分，旋转24小时以上。
使用超高分子量的聚乙烯的有效量，使得它在SPA中形成连续的相。一般来说，热塑性塑料剂料的量足以包裹以颗粒状态存在的热固性橡胶剂料，更为理想的量是超过包裹以颗粒状存在的橡胶所要的量。根据SPA的总量，常用的热塑性塑料重量是约25-90％，在40-75％较好，在55-65％最好。
热固性剂料是固化橡胶剂料，它一般具有低摩擦和良好的防油和水性能。低摩擦意味着，在水润滑时，希望厚度范围的橡胶轴承，在通常的轴颈(轴)工作速度，形成流体动力学的润滑。由于弹塑流体动力学效应，薄橡胶轴承比任何其他已知的轴承材料，形成在更低轴速度的流体动力学摩擦。流体动力学润滑是在轴承和旋转轴间的流体膜的形成。“防油和水”的涵义是弹性体是在水中浸泡不受影响(不溶解或软化)，引起的体积增加在5％以下，最好3％以下。
一般来说，具有这样摩擦的和防水性能的橡胶剂料均可使用。这样的剂料特定组是已知的各种丁腈橡胶。例如，可用BFGoodrich Company制造的各种Hycar丁腈橡胶剂料。一般较硬的丁腈橡胶较好。这种橡胶的特殊例子是BFGoodrich Company制造的H-201剂料(85±5肖氏A硬度)。另一例是较软的丁腈橡胶，如H-203剂料，它也是BFGoodrichCompany制造的，具有约65±5的肖氏A硬度。其他的橡胶包括Butyl橡胶，EPDM，它是由乙烯-丙烯-二烯单体制造的橡胶，和以乙烯叉氟和六氟丙烯共聚物为基的氟化橡胶，它被认为是具有以下重复的结构-CF-CH-CF-CF(CF)-。这些共聚物是由DuPont以“Viton”商标出售。虽然这些其它的橡胶剂料可用，丁腈橡胶是最好的。
本发明的一个重要方面是，在合剂生成前，橡胶剂料起初可以与热塑性塑料剂料干混，或混合。
因此，橡胶剂料被固化，并为了混合这两组分，将它磨碎到适当大小。可用常规的粉碎方法，如机械或冷冻法。固化橡胶剂料的颗粒大小通常是重要的。颗粒大小一般是以能通过较细的，特定的Tyler筛网测量。因此固化的橡胶剂料一般具有比35目小的颗粒度，比65目小较好，最好是小于100目。在SPA中的固化橡胶的重量一般在SPA总重量中的比例是约10-70％，较好是约12％-40％，最好是约15-30％。
润滑剂一般以固体形式加入，因此是非液体的。为了确保它的足够的分散，润滑剂一般呈粉末状。粉末的意思是，它的颗粒的主要部分，至少70％,80％或90％，最好是95％小于Tyler的100目筛孔，即150微米。粉末的主要部分，一般是80％,90％甚至时95％，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。对SPA赋予润滑性能的任何已知的润滑剂均可用。润滑性能的涵义是，当磨损开始时，被制成的SPA的表面摩擦系数被减少，例如，约至少10％，减少至少20％或30％更好。润滑剂还应不具磨损性。石墨是一个较好的润滑剂。特定石墨的例子是Asbury GraphiteMills,Inc.生产的117-A级。其他特定润滑剂是二硫化钼。虽然一般来说不是最好，但二硫化钼在没有水分，如大气中的水分，的干燥的最终应用中是理想的。硅油也可使用，其重量在SPA的总重量所具有的比例约为2-10％，希望为3-6％。特定的硅油例包括Dow Corning生产的200Fliud。
润滑剂重量在SPA总重量中一般约为0.5或3％到25％，约1.0-20％较好，约2-10％最好。
业已发现栅240的某些材料因素是重要的。第一，疏水性材料较好。第二，弹性体的硬度应约为70肖氏A。第三，轴的直径与栅顶宽的比应约为4-7。第四，弹性体的厚度应约为0.125-0.312英寸。第五，栅的表面光洁度应约在10微英寸以下。第六，较硬的聚合物合剂轴承接触材料，如上述的SPA提供较好的耐磨和摩擦特性。
弹性件260最好由天然或丁腈橡胶剂料制成，并在压缩前最好是0.75-1.5英寸宽。刚性板264最好是金属的，如不锈钢，或硬塑料，如玻璃强化的环氧树脂。压缩的弹性件260扩张加紧栅240的侧面。它们也在栅端部变形，形成轴向缩紧的部件。
底部垫片286提供对准的功能。顶部垫片284用于控制在轴承孔和轴223间的工作间隙，消除关键的栅表面的研磨，简化轴承的更新和替换过程。在带有栅的轴承类型中的每个栅是作为一个单独的和独立的轴承表面起作用。轴承210弯曲能力形成一个零间隙轴承(ZCB)。ZCB较稳定，因为，其中，当旋转轴在承载的栅上形成流体动力学加压的提升压力时，卸载的栅可能被旋转轴223压紧。而且，在ZCB中的含砂水对栅的磨损会大为减小，因为，当轴与所有的栅接触时(无卸载的间隙空间)，回流颗粒的阻止作用是很有效的。在ZCB中，在所有栅和轴间有零间隙。在常规的设计带有初始间隙的栅轴承中，侧面和顶的栅卸载，轴不接触它们。由于存在间隙，回流颗粒的阻止作用的效果减小，使得侧面和顶部栅的表面磨损。砂砾通过间隙空间，而不是被阻止，从而通过水槽流出。
三个栅最好位于120度(角A)分开的位置，两个上栅在水平线280上约30度的位置，一个下栅在水平线280下约90度的位置。
见图2，其中示出图1的轴承210的一个栅240。栅240具有在其中的多个横槽290，它们沿栅的轴向长度分布，从而，呈现多个向轴向中心线凸出的台或凸起241。槽可模制到材料中，或在材料中加工出来，其中加工是较好的。栅的具体尺寸对于每个应用是不同的。对于约0.75英寸厚的栅，槽290最好是约0.25英寸深，0.33英寸宽，在槽间分开约1英寸。在栅中加工槽提高槽间的接触压力的量。栅的和槽的尺寸必须选择得使施加的负荷足够高时，发生低的摩擦力和磨损，而栅的瓢曲度也必须足够小，以调节和形成一个润滑剂汇集凹部。
见图3a-3b，示出栅240的另一实施例。轴承材料模制成大型柔性的板坯。材料靠着一个带有多个凸起台，或接触点414,424的板或粗织物模制或成形，其中，当流体润滑时，每个凸起成为流体动力学轴承表面。材料在带有多个凸起的粗织物(图3a)或板上模制或成形。模制的栅由弹性/塑料复合材料构成，如在共有美国专利3,993,371中说明的那些，或最好是，美国专利4,725,151；4,735,982公开的均质滑动聚合物合剂(SPA)。以上专利本说明全部引述。SPA轴承材料层最好约为0.125英寸厚。然后当板坯固化时，粘结到丁腈橡胶衬薄页上。橡胶衬使得板坯可弯曲，并且，当被研磨，使用室温固化的环氧树脂粘结剂或接触水泥，容易结合金属或复合轴承套。用机床易于快速砂磨或研磨橡胶支撑衬，形成特定轴承尺寸的正确的总板坯厚度。粘结剂层大约增加轴承总壁厚的0.001英寸。因此不需要研磨或加工轴承表面。研磨轴承表面增加摩擦力和磨损。栅全厚最好是0.625-1.1英寸。
应注意，在图3a-3b中的栅可以完全由上述的SPA材料制造。即，栅240可以不具有一个底层410，因此，是由一个层412的材料的单层组成。
见图3a，通过在一个模中形成弹性体的带图形的底部层410，可制成另一个栅材料240。较好的弹性体的产品样本号为H-201,B.F.Goodrich Company供应。另外，在弹性体上形成滑性聚合物合剂(SPA)的顶层412。热塑性塑料和热固性橡胶剂料以及少量润滑剂形成SPA。SPA是多相合剂，其中热塑性塑料是连续的相，热固性橡胶是不连续的相分散在其中。即，形成热塑性塑料基体，它具有热固性剂料和润滑剂分散于其中，与搀和不同。
热塑性塑料剂料可以是任何具有韧性、低摩擦系数和好的耐磨性的聚合物。这种聚合物的特定组包括各种通常已知的超高分子量的聚乙烯(UHMWPE)。超高分子量聚乙烯一般分类为，具有平均分子量大于2.5百万的那些，即在3.0百万-7.0百万间，使用溶解粘度法(solutionviscosity method)形成。一个希望的范围是4百万-6.5百万，最好的范围是5-6百万。这样的聚乙烯由Hoechst Celanese Corporation供应，名为GUR413。
超高分子量聚乙烯以及其他一般对本发明适用的聚合物，具有低的摩擦性，如在轴每分钟零转数时，有0.25或更小的静摩擦的剥离(breakaway)系数，在0.20以下较好，0.15以下最好。本发明的希望的热塑性塑料也具有20或更大的V形缺口冲击韧性值(ASTMD256)，最好是30或大于30。但是，无缺口测定试样是不断裂的。本发明的热塑性塑料也具有砂浆磨损试验测定的良好的耐磨性。砂浆磨损测定是Hoechst Celanese Corporation的一个测试法，其中测试试样(1″X3″X1/4″)一般是在含有两份水和三份砂的砂浆中，以1200转/分，旋转24小时以上。
使用超高分子量的聚乙烯的有效量，使得它在SPA中形成连续的相。一般来说，热塑性塑料剂料的量足以包裹以颗粒状态存在的热固性橡胶剂料，更为理想的量是超过包裹橡胶颗粒所要的量。根据SPA的总量，常用的热塑性塑料重量是约25-90％，在40-75％较好，在55-65％最好。
热固性的剂料是固化的橡胶剂料，它一般具有低摩擦和良好的防油和水性能。低摩擦意味着，在水润滑时，希望厚度范围的橡胶轴承，在通常的轴颈(轴)工作速度，形成流体动力学的润滑。由于弹塑水动力学效应，薄橡胶轴承比任何其他已知的轴承材料，形成在更低轴速度的水动力学摩擦。流体动力学润滑是在轴承和旋转轴间的流体膜的形成。“防油和水”的涵义是弹性是在水中浸泡体不受影响的(不溶解或软化)，引起的体积增加在5％以下，最好3％以下。
一般来说，具有这样摩擦的和防水性能的橡胶剂料均可使用。这样的剂料特定组是已知的各种丁腈橡胶。例如，可用BFGoodrich Company制造的各种丁腈橡胶剂料。较硬的丁腈橡胶较好。这种橡胶的特殊例子是BFGoodrich Company制造的H-201剂料(85±5肖氏A硬度)。另一例是较软的丁腈橡胶，如H-203剂料，它也是BFGoodrich Company制造的，具有约65±5的肖氏A硬度。其他的橡胶包括Butyl橡胶，EPDM，它是由乙烯-丙烯-二烯单体制造的橡胶，和以乙烯叉氟和六氟丙烯共聚物为基的氟化橡胶，它被认为是具有以下重复的结构-CF-CH-CF-CF(CF)-。这些共聚物是由DuPont以“Viton”商标出售。虽然这些其他的橡胶剂料可用，丁腈橡胶是最好的。
本发明的一个重要方面是，在合剂生成前，固化橡胶剂料起初可以与热塑性塑料剂料干混，或混合。
因此，橡胶剂料被固化，并为了混合这两组分，将它磨碎到适当大小。可用常规的粉碎方法，如机械或冷冻法。固化橡胶剂料的颗粒大小通常是重要的。颗粒大小一般是以能通过较细的，特定的Tyler筛网测量。因此固化的橡胶剂料一般具有比35目小的颗粒度，比65目小较好，最好是小于100目。在SPA中的固化橡胶的重量一般在SPA总重量中的比例是约10-70％，较好是约12％-40％，最好是约15-30％。
润滑剂一般以固体形式加入，因此是非液体的。为了确保它的足够的分散，润滑剂一般呈粉末状。粉末的意思是，它的颗粒的主要部分，至少70％,80％或90％，最好是95％小于Tyler的100目筛孔，即150微米。粉末的主要部分，一般是80％,90％甚至时95％，希望小于200目，即75微米。润滑剂还应是无磨损性的。最好，石墨粉末的主要部分，即70％,80％或90％小于325目，即44微米。对SPA赋予润滑性能的任何已知的润滑剂均可用。润滑性能的涵义是，当磨损开始时，被制成的SPA的表面摩擦系数被减少，例如，约至少10％，减少至少20％或30％更好。石墨是一个较好的润滑剂。特定石墨的例子是AsburyGraphite Mills,Inc.产生的117-A。其他特定润滑剂是二硫化钼。虽然一般来说不是最好，但二硫化钼在没有水分，如大气中的水分，的干燥的最终应用中是理想的。硅油也可使用，其重量在SPA的总重量所具有的比例约为2-10％，希望为3-6％。特定的硅油例包括Dow Corning生产的200 Fliud。
润滑剂重量在SPA总重量中一般约为0.5或3％到25％，约1.0-20％较好，约2-10％最好。
另外，一个图形被转移到轴承材料22的轴承表面的顶层。将此图形转移的优选方法是，在熔化和模制前，放置一个聚酯薄页，它位于一片粗的松的编制物间，所述织物将此聚酯薄页和织物压入SPA轴承材料22的表面。所述织物最好是Geogia Duck供的样本号为8708。聚酯分离薄页最好是0.003英寸厚聚酯膜(Mylar)。聚酯薄页使制成的SPA层平滑，边圆滑，以致，在流体润滑时，每个凸起，台或接触点414可单独成为流体动力学轴承表面。应注意，在将聚酯和织物压入到织物中前，以已知的方式，应喷淋分型剂，如Chem-Trend供的样本号为RTC9110的分型剂，以确保，在固化后织物可取下。在织物和聚酯薄页在未固化的轴承部分的顶部就位后，它们应被压入，如通过闭合模。然后，在350°F，约1000-1500psi下，固化4.5小时。固化后，使模温回到室温，但保持压力。模应在固化后约1小时冷下来。在压力下冷却帮助防止最后物件的变形。也可在模外加水将模冷却的时间减少到1小时，防止产品的变形。
见图3b，可根据图3a所示的复合物程序制造另一个轴承材料，从而制出一个具有弹性体底层420和SPA顶层422的复合材料体，所述顶层具有做在其中的金刚石成形的凸起，凸台，或接触点424。凸起424轴向向内凸出，在流体润滑时各个可成为流体动力学轴承表面。然而，在顶层422的金刚石成形的图形，是通过使用具有在其中设置的一定压痕或图形的橡胶模形成。在固化前，聚酯薄页，如mylar聚酯薄膜，可位于橡胶模和SPA之间。聚酯薄页最好约0.003英寸厚。聚酯薄页使得最终的SPA层光滑，使凸起的角圆滑。
应注意，为使轴承符合流体动力学要求，可以在顶部合剂层中设置，在本说明中未特定公开的其他形状和尺寸的图形。
见图4，示出本发明另一实施例轴承总成310，它基本与前面的图形所示的轴承总成相似，因此，用与上述一致的数码表示，而其中用了一个前缀300。
套315具有三个栅，或凸台340，它们围绕它的径向内部设置。栅340是作为一个一体的内套或衬390形成，它最好由上述的SPA弹性体/塑料复合物制造。套315，最好也由上述的套材料制造。衬390最好是以本说明参引的美国专利4,735,982中说明的方式制造，并在从转移模的造型过程中出来仍是热的时候，安装在套315中。最好用粘剂促进剂或交联剂，如.R.T.Vanderbilt Co.供的Vanchem HM-50，将衬390贴到套上。这个粘结剂比起其他粘结剂的优点是它的热强度。然而也可用其他的固定措施，在套内固定衬。
因为磨损和寿命，前面所述的弹性体带凸台栅类的轴承的长度与直径比(L/D)要求是约为4∶1。轴承310允许低的多的L/D比，可以是约2∶1，甚至为1∶1，从而，降低制造成本。而且，衬390制造较简单，减轻套315的内孔的精加工的需要。每个凸台340的轴承表面341具有，根据图2和3a-3b所示和上述说明的设在内的槽或图形。
虽然已详细说明了本发明的特定实施例和某些变化，显然，本发明不限于特别图示和说明的结构，在不偏离本发明的原理情况下，可进行改变。
权利要求
1．一种固定一个轴的轴承总成，包括一个外壳，具有带中心线的中心开口，和由所述中心开口限定的内表面；多个栅，位于所述内表面上，接触并支撑所述轴，所述栅具有设置在其中的横槽。
全文摘要
支撑船的驱动轴(223)的轴承总成(210),其中,轴由这轴承总成支撑在水平延伸的位置。轴承总成具有一个套(215),它带有安在内的圆柱体壳,圆柱体壳有一个中心内孔,它有纵向中心轴线。壳具有设在内的多个在圆周间隔开的栅(240),栅向中心线凸出支撑驱动轴。栅具有设在内的横槽。
文档编号F16C3/00GK1216509SQ97193853
公开日1999年5月12日 申请日期1997年4月18日 优先权日1996年4月18日
发明者小罗伊·李·奥恩多夫 申请人:杜兰玛克斯股份有限公司