ЭНЕРГОГЕНЕРИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО (ВАРИАНТЫ)
ENERGY GENERATING DEVICE (VERSIONS)

Область техники
Изобретение относится к возобновляемым источникам энергии и, в частности, к устройству для производства электроэнергии из возобновляемого источника энергии, включающему шарнирное сочленение, имеющее подшипник.
Уровень техники
Возобновляемые источники энергии становятся все более значительными как средства для сокращения и, возможно, замены невозобновляемых источников энергии. В настоящее время используются различные механизмы для захвата естественно доступной энергии из возобновляемых доступных источников энергии, в том числе, например, ветряного, солнечного и геотермальных источников, и преобразования ее в электрическую энергию для использования в нашей повседневной жизни. Примечательно, что источники возобновляемой энергии преобразуются в электрическую энергию с помощью энергогенерирующих устройств, которые приспособлены к возобновляемым источникам энергии. Например, в настоящее время энергия ветра используется энергогенерирующими устройствами в виде ветряных турбин с массивными пропеллерами, генерирующими электричество, когда ветер вращает пропеллеры. Солнечная энергия захватывается энергоцентрами солнечных батарей, которые преобразуют пучки энергии излучения солнца в электрическую энергию.
Некоторые регионы земного шара могут быть более подходящими, чем другие регионы, для использования возобновляемых источников энергии, и, таким образом, определенные земные среды являются более подходящими для размещения отдельных энергогенерирующих устройств, чем другие среды. Например, пустыня на экваторе Земли получает большее количество прямых солнечных лучей, чем регион на Северном полюсе, в результате чего пустынный регион больше подходит для использования солнечной энергии. Кроме того, в некоторой степени, успех определенных устройств преобразования энергии требует движущихся частей, и некоторые из различных сред, где размещаются возобновляемые источники энергии, могут быть экстремальными и/или коррозийными (например, пустыни, береговые линии океана и т.д.).
Композитные подшипниковые элементы, которые имеют металлическую подложку и покрывающий снижающий трение материал, известны и используются в различных применениях, включая, прежде всего, автомобильную промышленность. См., например, ЕР 0 394 518 А1. Кроме того, уплотнительные устройства, имеющие подобную конструкцию, в том числе, например, уплотнительные кольца, уплотнительные манжеты, уплотнения под напряжением и тому подобное, использовались в автомобильной промышленности.
Однако, так как различные отрасли промышленности, применяющие возобновляемые источники энергии, продолжают развиваться, усовершенствование элементов, ответственных за обеспечение производства электроэнергии, будет востребовано.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно одному аспекту изобретения энергогенерирующее устройство для производства энергии из возобновляемых источников энергии включает в себя базу (основание), устройство преобразования энергии, связанное с базой, и шарнирное сочленение между базой и устройством преобразования энергии. Шарнирное сочленение включает подшипниковый элемент, имеющий корпус, включающий композитный материал, имеющий жесткий материал и снижающий трение материал, покрывающий жесткий материал, где жесткий материал включает в себя материал, выбранный из группы, состоящей из алюминия и нержавеющей стали.
Согласно другому аспекту энергогенерирующее устройство для производства энергии из возобновляемых источников энергии включает в себя базу, солнечные батареи, подключенные к базе с помощью шарнирного сочленения, настроенного так, чтобы позволять осуществлять перемещение солнечных батарей относительно базы, в которой шарнирное сочленение включает в себя вкладыш с корпусом из композитного материала, имеющего жесткий материал и снижающий трение материал, покрывающий жесткий материал. Жесткий материал включает материал, выбранный из группы материалов, состоящей из алюминия и нержавеющей стали, и где снижающий трение материал содержит материал, выбранный из группы материалов, состоящей из графита, стекла и их комбинации.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Настоящее раскрытие может быть лучше понято, и его многочисленные особенности и преимущества станут очевидны специалистам в этой области благодаря ссылкам на прилагаемые графические материалы.
ФИГ.1 включает изображение энергогенерирующего устройства в соответствии с одним вариантом осуществления.
ФИГ.2А включает изображение поперечного сечения части шарнирного сочленения в соответствии с одним вариантом осуществления.
ФИГ.2В включает изображение поперечного сечения части шарнирного сочленения в соответствии с одним вариантом осуществления.
ФИГ.2С включает в себя изображение в перспективе подшипникового элемента в соответствии с одним вариантом осуществления.
ФИГ.3А включает изображение поперечного сечения части шарнирного сочленения в соответствии с одним вариантом осуществления.
ФИГ.3В включает изображение поперечного сечения части шарнирного сочленения в соответствии с одним вариантом осуществления.
ФИГ.3С включает в себя изображение в перспективе подшипникового элемента в соответствии с одним вариантом осуществления.
ФИГ.4А включает изображение поперечного сечения части шарнирного сочленения в соответствии с одним вариантом осуществления.
ФИГ.4В включает изображение поперечного сечения части шарнирного сочленения в соответствии с одним вариантом осуществления.
ФИГ.4С включает изображение в перспективе подшипникового элемента в соответствии с одним вариантом осуществления.
ФИГ.5 включает изображение поперечного сечения общего устройства подшипникового элемента в соответствии с одним вариантом осуществления.
ФИГ.6 включает изображение поперечного сечения части подшипникового элемента в соответствии с одним вариантом осуществления.
ФИГ.7 включает изображение подшипниковых элементов, сконструированных в соответствии с вариантами осуществления, не имеющих видимых дефектов после проведения испытания на стойкость к соляному туману.
ФИГ.8 включает изображение подшипниковых элементов, сконструированных в соответствии с вариантами осуществления, не имеющих видимых дефектов после проведения испытания на стойкость к соляному туману.
ФИГ.9 включает изображение подшипниковых элементов, сконструированных в соответствии с вариантами осуществления, не имеющих видимых дефектов после проведения испытания на стойкость к соляному туману.
ФИГ.10 включает изображение стандартного подшипникового элемента, имеющего видимые дефекты после проведения испытания на стойкость к соляному туману.
ФИГ.11 включает изображение стандартного подшипникового элемента, имеющего видимые дефекты после проведения испытания на стойкость к соляному туману.
ФИГ.12 включает схему проведения испытания.
ФИГ.13 включает график момента трения относительно количества циклов для подшипникового элемента в соответствии с одним вариантом осуществления.
ФИГ.14 включает график износа относительно количества циклов для подшипникового элемента в соответствии с одним вариантом осуществления.
Использование одних и тех же обозначений ссылок в различных рисунках указывает на аналогичные или идентичные элементы.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ниже описаны энергогенерирующие устройства, разработанные для использования возобновляемых источников энергии, и, в частности шарнирные сочленения в энергогенерирующих устройствах, имеющих подшипниковые элементы для использования в устройствах преобразования энергии, призванные использовать возобновляемые источники энергии в различных средах. Подшипниковые элементы могут способствовать движению основных компонентов в суровых условиях, в том числе средах, которые могут привести к чрезмерной коррозии и/или механическим повреждениям у других подшипниковых элементов.
Фиг.1 включает изображение энергогенерирующего устройства в соответствии с одним вариантом осуществления. В частности, устройство 100 может быть особенно подходящим для использования солнечной энергии и преобразования солнечной энергии в электрическую энергию. Как изображено, устройство 100 может включать в себя базу 103, в том числе основание 107, которое может быть напрямую прикреплено к земле для того, чтобы обезопасить устройство 100 в месте его расположения. Как изображено далее, основание 103 может включать подставку 108, непосредственно связанную с основанием 107, и расширяться вверх от основания 107 для поддержания и связывания других компонентов устройства 100. Как изображено далее, база 103 может включать силовой терминал 109, прикрепленный к основанию 107, который может поставлять энергию для двигателей, используемых для перемещения частей устройства 100.
Устройство 100 может также включать шарнирное сочленение 115, прикрепленное к базе 103 и, в частности, непосредственно прикрепленное к подставке 108, и приспособленное для перемещения удлиненного элемента 118, связанного с шарнирным сочленением 115. Шарнирное сочленение 115 - это исходная точка стыка между двумя компонентами, где один из компонентов предназначен для перемещения относительно другого компонента. Виды перемещения могут включать в себя простое поступательное движение (вдоль одной оси), сложное поступательное движение (вдоль двух или более осей), простое вращение (вокруг одной оси), сложное вращение (вокруг двух или более осей), а также их комбинации. Шарнирное сочленение 115 может включать в себя приводной механизм 116, который может включать двигатель, который помогает движению удлиненного элемента 118. В частности, приводной механизм 116 может быть запрограммирован так, что он меняет положение удлиненного элемента 118 и, таким образом, положение панели 101, прикрепленной к удлиненному элементу 118, так, чтобы панель 101 могла следовать за положением солнца в небе для эффективного сбора и/или направления пучков излучения энергии солнца. В особых случаях приводной механизм 116 запрограммирован с определенным азимутом и координатами наклона, за которыми он следует в течение периода времени в соответствии с конкретным днем.
Шарнирное сочленение 115 может включать кожух 117, связанный с приводным механизмом 116 и сконфигурированный для поддержания удлиненного элемента 118. Как будет понятно, кожух 117 может включать в себя компоненты, которые облегчают движение удлиненного элемента, включая, например, подшипниковые элементы, пригодные для облегчения скольжения удлиненного элемента 118 вокруг частей кожуха 117.
Как будет понятно далее, движение удлиненного элемента 118 может облегчить движение частей устройства 100 и, в частности, панелей 101, которые прикреплены к удлиненному элементу 118 через опорные устройства 102. Как изображено, устройство 100 может включать множество панелей 101, прикрепленных к единой базе 103. В соответствии с одним вариантом осуществления панели 101 могут быть устройствами преобразования энергии, такими как солнечные батареи, настроенные для преобразования излучаемой энергии солнца в электрическую энергию. В другом варианте осуществления панели 101 изделия могут быть отражателями, такими как зеркала, сконструированные чтобы перенаправлять излучаемую энергию солнца в близлежащие устройства преобразования энергии, такие как солнечные батареи.
Хотя это и не изображено, устройство 100 может включать в себя другие шарнирные сочленения, как, например, между основанием 107 и подставкой 108 для вращения подставки относительно основания 107. Любое шарнирное сочленение может использовать подшипниковый элемент, соответствующий данному варианту осуществления. Кроме того, следует иметь в виду, что другие устройства преобразования энергии могут использовать шарнирное сочленение 115 и, в частности, подшипниковые элементы в шарнирном сочленении 115. Например, другое подходящее устройство преобразования энергии может включать в себя ветряную турбину, которая может включать в себя множество пропеллеров (или лопастей), отходящих от центрального устройства, в котором турбины должны иметь возможность вращаться для вырабатывания электроэнергии, и, таким образом, может использоваться подшипниковый элемент в шарнирном сочленении внутри устройства.
Фиг.2А-2С включают изображения частей шарнирного сочленения и/или подшипникового элемента для использования в энергогенерирующем устройстве, предназначенном для использования возобновляемых источников энергии. Фиг.2А включает изображение поперечного сечения части шарнирного сочленения в соответствии с одним вариантом осуществления. В частности, Фиг.2А включает изображение нижнего кожуха 201, часть верхнего кожуха 203 и часть удлиненного элемента 205, расположенного между нижним кожухом 201 и верхним кожухом 203. Шарнирное сочленение может включать подшипниковый элемент 210, соединенный верхним кожухом 203 и сконфигурированный, чтобы контактировать с удлиненным элементом 205. Кроме того, Фиг.2А включает подшипниковый элемент 216, соединенный с нижним кожухом 201 и сконфигурированный, чтобы входить в зацепление с частью удлиненного элемента 205. Подшипниковые элементы 310 и 316 могут обеспечить поверхность, подходящую для движения (например, вращения) удлиненного элемента относительно верхнего кожуха 203 и нижнего кожуха 316.
Согласно одному варианту осуществления подшипниковый элемент 210 может иметь корпус 211, выполненный из композитного материала, включающего жесткий материал 212 и снижающий трение материал 213, покрывающий основную поверхность жесткого материала 212. В частных вариантах снижающий трение материал 213 может быть связан непосредственно с поверхностью жесткого материала 212, чтобы образовывать композит корпуса 211.
В некоторых конструкциях подшипниковый элемент 210 может содержаться в углублении 225, образованном во внутренней поверхности 226 верхнего кожуха 203, чтобы надлежащим образом закрепить подшипниковый элемент 210 относительно верхнего кожуха 203. В частных случаях корпус 211 подшипникового элемента и особенно жесткий материал 212 могут находиться в прямом контакте с внутренней поверхностью 226. Следует иметь в виду, что подшипниковый элемент 216 может содержаться в подобном углублении в нижнем кожухе 201.
Во время работы шарнирного сочленения удлиненный элемент 205 может поворачиваться вокруг продольной оси 207 так, что части устройства 100, такие как панели 101, могут быть сочленены с удлиненным элементом 205. Тем не менее, верхний кожух 203 и нижний кожух 201, возможно, не обязательно должны быть сочленены, и, соответственно, подшипниковые элементы 210 и 216 обеспечивают границу полосы скольжения с низким коэффициентом трения между верхним кожухом 203 и удлиненным элементом 205 и нижним кожухом 201 и удлиненным элементом 205 соответственно.
Фиг.2В включает изображение поперечного сечения части шарнирного сочленения в соответствии с одним вариантом осуществления. В частности, Фиг.2В включает изображение поперечного сечения части шарнирного сочленения Фиг.2А в плоскости АА. Как изображено, верхний кожух 203 и нижний кожух 201 могут включать дугообразные поверхности, стыкующиеся с дугообразной поверхностью удлиненного элемента 205, так, что наружные поверхности удлиненного элемента 205 стыкуются с цилиндрическим отверстием 251, образованным соединением верхнего кожуха 203 и нижнего кожуха 201. Как показано на Фиг.2В, в цилиндрическом отверстии 251, верхний кожух 203 и нижний кожух 201 могут окружать большую часть периферии удлиненного элемента 205. Подшипниковый элемент 210 может быть расположен между верхним кожухом 203 и удлиненным элементом 205, в то время как подшипниковый элемент 216 может быть расположен между нижним кожухом 201 и удлиненным элементом 205.
Примечательно, что подшипниковый элемент 210 не может распространяться по всей внутренней поверхности 226 верхнего кожуха 203, так что образуются области разрыва 261 и 263, в которых подшипниковый элемент 210 не покрывает внутреннюю поверхность 226 верхнего кожуха 203 и внутренняя поверхность 226 отделена от удлиненного элемента 205 без промежуточного подшипникового элемента 210. Аналогичная область образована между нижним кожухом 201 и удлиненным элементом 205, в местах, где подшипниковый элемент 216 не покрывает всю внутреннюю поверхность нижнего кожуха 201.
Хотя это и не показано, верхний кожух 203 может быть также спаренным, например напрямую связанным с нижним кожухом 201. Согласно одному из вариантов осуществления верхний кожух 203 может быть прикреплен к нижнему кожуху 201. Таким образом, верхний кожух 203 и нижний кожух 201 могут образовывать трехслойную конструкцию с удлиненным элементом 205, и, таким образом, подшипниковый элемент 210 и 216 облегчают вращение удлиненного элемента 205 относительно продольной оси 207, будучи расположенными между верхним кожухом 203 и нижним кожухом 201.
Фиг.2С включает изображение в перспективе подшипникового элемента в соответствии с вариантом осуществления. В частности, подшипниковый элемент 210 может иметь корпус 211, который является композитом, включающим жесткий материал 212 и снижающий трение материал 213. Частные аспекты конструкции корпуса 211, включающего жесткий материал 212 и снижающий трение материал 213, и другие материальные составляющие будут здесь представлены более детально. В частности, корпус 211 может иметь округлую форму и проходить по окружности вокруг центральной оси (например, продольной оси 207) для облегчения соединения корпуса 211 с удлиненным элементом 205. Следует принять во внимание, что снижающий трение материал 213 может быть расположен на внутренней поверхности корпуса 211 и сконфигурирован так, чтобы контактировать с удлиненным элементом 205 и обеспечивать подходящую поверхность скольжения для вращения удлиненного элемента 205 относительно снижающего трение материала 213.
Подшипниковый элемент 210 может иметь дугообразную форму, как показано на поперечном сечении продольной оси 207. В соответствии с одним вариантом осуществления подшипниковый элемент 210 может быть простым вкладышем, имеющим цилиндрическую или частично цилиндрическую форму. Например, как изображено, подшипниковый элемент 210 может иметь полукруглую форму, как видно из поперечного сечения продольной оси 207. Соответственно, в некоторых случаях подшипниковый элемент 210 может иметь корпус 211, который проходит через часть окружности круга. Например, корпус 211 может проходить через центральный угол 180° или меньший, образованный на точке на центральной оси 207.
Как в дальнейшем изображено на Фиг.2С, корпус 211 может иметь наружный диаметр 271, измеренный в направлении, перпендикулярном к продольной оси 207 между внешними поверхностями корпуса 211. В соответствии с одним вариантом осуществления подшипниковый элемент 210 имеет корпус 211 с внешним диаметром 271, по меньшей мере, 500 мм. В других вариантах осуществления наружный диаметр 271 может быть, по меньшей мере, примерно 100 мм, например, по меньшей мере, 200 мм, по меньшей мере, примерно 300 мм, по меньшей мере, примерно 400 мм, или даже, по меньшей мере, 500 мм. В особых случаях корпус 211 может иметь наружный диаметр 271, что находится в диапазоне от примерно 50 мм до примерно 1000 мм, такой как от 50 мм до 750 мм, от 50 мм до 500 мм, от 100 мм до 500 мм или даже от 200 мм до 500 мм. Использование подшипникового элемента 210, имеющего корпус 211 с наружным диаметром 271, как отмечено здесь, может обеспечить подшипниковый элемент 210 с подходящими механическими характеристиками (например, жесткостью), пригодный для использования в требуемых областях применения, таких как устройства, использующие возобновляемые источники энергии.
Кроме того, корпус 211 может иметь среднюю толщину 221, измеренную в направлении, перпендикулярном к продольной оси 207 через жесткий материал 212 и снижающий трение материал 213. В соответствии с одним вариантом осуществления подшипниковый элемент 210 может иметь среднюю толщину 221 по меньшей мере, примерно 30 мм. В других вариантах осуществления средняя толщина может быть по меньшей мере примерно 40 мм, по меньшей мере примерно 50 мм, по меньшей мере примерно 75 мм или даже по меньшей мере 80 мм. В других вариантах осуществления, средняя толщина 221 может быть в диапазоне от примерно 35 мм до примерно 500 мм, например от 35 до 300 мм, или даже от 35 мм до 200 мм. Использование подшипникового элемента 210 с корпусом 211 со средней толщиной 221, как уже отмечалось здесь, может обеспечить подшипниковый элемент 210, имеющий подходящие механические характеристики (например, жесткость), пригодный для использования в требуемых областях применения, таких как устройства, использующие возобновляемые источники энергии.
Как изображено далее на Фиг.2С, жесткий материал 212 может иметь среднюю толщину 222, измеренную перпендикулярно к продольной оси 207 по толщине жесткого материала 212. В некоторых случаях следует иметь в виду, что жесткий материал 212 может быть выполнен из металлического сплава или металла и, в частности, алюминия или нержавеющей стали. Как будет понятно, нержавеющая сталь - это стальной материал, имеющий по меньшей мере 10,5% хрома. В вариантах осуществления, использующих жесткий материал 212, состоящий в основном из нержавеющей стали, средняя толщина 222 может быть не менее 35 мм. Однако в конструкциях, использующих жесткий материал 212, состоящий в основном из нержавеющей стали, средняя толщина 222 может быть не менее 40 мм, например не менее 45 мм, по меньшей мере примерно 50 мм, или даже по меньшей мере 60 мм. В частных случаях жесткий материал 212 может состоять в основном из нержавеющей стали, а средняя толщина 222 может быть в диапазоне от примерно 35 мм до примерно 200 мм, например от 35 до 150 мм, или даже от 35 мм до 100 мм.
В других случаях жесткий материал 212 может быть выполнен так, что он состоит в основном из алюминия. В таких вариантах осуществления жесткий материал 212 может иметь среднюю толщину 222 по меньшей мере, примерно 70 мм. Однако в вариантах осуществления, использующих жесткий материал 212, который состоит в основном из алюминия, средняя толщина 222 может быть не менее 75 мм, по меньшей мере, примерно 80 мм по меньшей мере примерно 90 мм или даже по меньшей мере 100 мм. В соответствии с одним из вариантов осуществления подшипниковый элемент может быть выполнен таким образом, чтобы жесткий материал 212 состоял в основном из алюминия, а средняя толщина 222 жесткого материала 212 могла быть в диапазоне от примерно 70 мм до примерно 200 мм, или даже от примерно 70 мм до примерно 175 мм, и от 75 мм до 150 мм.
Как изображено далее на Фиг.2С, подшипниковый элемент 210 может быть выполнен таким образом, чтобы снижающий трение материал 213 имел особую толщину. Например, снижающий трение материал 213 может иметь среднюю толщину 223, измеренную в направлении, перпендикулярном к продольной оси 207, которая может быть по меньшей мере примерно 0,1 мм, например по меньшей мере примерно 0,2 мм, по меньшей мере примерно 0,3 мм или даже по меньшей мере примерно 1 мм. В соответствии с одним из вариантов осуществления подшипниковый элемент может быть выполнен таким образом, чтобы снижающий трение материал 213 имел среднюю толщину 223 в диапазоне от примерно 0,1 мм до примерно 25 мм, от 0,1 мм до 15 мм, от 0,1 мм до 10 мм или даже от 0,1 мм до 5 мм.
Фиг.3А-3С включают иллюстрации шарнирного сочленения и/или подшипникового элемента в соответствии с вариантом. В частности, Фиг.3А включает изображение поперечного сечения шарнирного сочленения, содержащего подшипниковый элемент в соответствии с одним вариантом осуществления. Как изображено, шарнирное сочленение может включать в себя часть нижнего кожуха 201, верхнего кожуха 203 и удлиненный элемент 205, проходящий между нижним кожухом 201 и верхним кожухом 203. Кроме того, шарнирное сочленение может включать в себя подшипниковый элемент 310, расположенный между частью верхнего кожуха 203 и удлиненным элементом 205. Подшипниковый элемент 310 может иметь корпус 311, выполненный из композитного материала, включающего жесткий материал 312 и снижающий трение материал 313, сконфигурированный так, чтобы контактировать с удлиненным элементом 205 и облегчать стыковку и в особенности вращение удлиненного элемента 205 вокруг продольной оси 207 по отношению к верхнему кожуху 203.
Как изображено далее, шарнирное сочленение может включать подшипниковый элемент 316, расположенный между нижним кожухом 201 и удлиненным элементом 205. Подшипниковый элемент 316 может иметь те же свойства что, и подшипниковый элемент 210.
Что касается подшипникового элемента 310, корпус 311 подшипникового элемента 310 может быть выполнен таким образом, что включает в себя первый фланец 315, проходящий от конца корпуса 311 и сконфигурированный, чтобы контактировать с внешней боковой поверхностью 307 верхнего кожуха 203. Кроме того, корпус 311 подшипникового элемента 310 может включать второй фланец 314, проходящий от конца корпуса 311 противоположно фланцу 315 и сконфигурированный так, чтобы контактировать с внешней боковой поверхностью 306 верхнего кожуха 203. В частности, подшипниковый элемент 310 и фланцы 314 и 315 сконфигурированы так, чтобы контактировать с внешними боковыми поверхностями 306 и 307 верхнего кожуха 203, тем самым блокируя положение подшипникового элемента 310 относительно верхнего кожуха 203. Следует принимать во внимание что, подшипниковый элемент 310 также включает в себя внутреннюю поверхность жесткого материала 312, сконфигурированную так, чтобы контактировать с внутренней поверхностью 305 кожуха 203.
Как изображено далее, подшипниковый элемент 310 может быть выполнен таким образом, чтобы снижающий трение материал 313 перекрывал внешние поверхности фланцев 314 и 313 так, чтобы снижающий трение материал 313 проходил радиально вдоль внешней периферической поверхности фланцев 314 и 315.
Фиг.3В включает изображение поперечного сечения шарнирного сочленения в плоскости АА, как показано на Фиг.3А. Как изображено, верхний кожух 203 и нижний кожух 201 могут иметь дугообразную форму, сконфигурированную так, чтобы проходить вокруг большей части наружных поверхностей удлиненного элемента 205. Как изображено далее, подшипниковый элемент 310 сконфигурирован так, чтобы контактировать с частью верхнего кожуха 203, и сконфигурирован так, чтобы контактировать с дугообразной поверхностью удлиненного элемента 205 таким образом, чтобы удлиненный элемент 205 мог свободно вращаться относительно верхнего кожуха 203. Кроме того, подшипниковый элемент 316 расположен между нижним кожухом 201 и удлиненным элементом 205 так, чтобы удлиненный элемент 205 мог вращаться относительно нижнего кожуха 201.
Как изображено далее, фланец 315 подшипникового элемента 310 может проходить радиально от конца корпуса 311 так, что он перекрывает часть внешней боковой поверхности 307 верхнего кожуха 203 и фиксирует положение подшипникового элемента 310 относительно верхнего кожуха 203. В дальнейшем на Фиг.3В снижающий трение материал 313 проходит по всей внешней поверхности корпуса 311, включая фланец 315. Подшипниковый элемент 316 может иметь те же свойства, как у подшипникового элемента 310, которые были описаны выше.
Фиг.3С включает в себя изображение в перспективе подшипникового элемента 310. Как изображено, подшипниковый элемент 310 может иметь корпус 311, представляющий собой композитный материал, включающий жесткий материал 312 и снижающий трение материал 313, покрывающий поверхности жесткого материала 312. Подшипниковый элемент 310 может иметь дугообразную форму, как видно из поперечного сечения продольной оси 207, так что он имеет форму фланцевого вкладыша. В частных случаях подшипниковый элемент 310 может иметь полукруглую форму, если смотреть в поперечном сечении продольной оси 207.
Кроме того, как изображено на Фиг.3С, снижающий трение материал 313 может проходить вдоль внутренней поверхности 351 жесткого материала 312, а также внутренних поверхностей 352 и 353 фланцев 314 и 315 соответственно. Когда подшипниковый элемент 310 расположен в шарнирном сочленении, как показано на Фиг.3А и 3В, удлиненный элемент 205 может быть расположен в полости 355 подшипникового элемента 310 и образовывать шарнирное сочленение (например, с вращением) в полости 355.
Фиг.4А-4С включают изображения шарнирного сочленения и/или подшипникового элемента в соответствии с одним вариантом осуществления. В частности, Фиг.4А включает изображение поперечного сечения части шарнирного сочленения в соответствии с вариантом осуществления. Примечательно, что шарнирное сочленение может включать в себя элементы, описанные ранее в других вариантах осуществления, в частности включая кожух 403, удлиненный элемент 205, проходящий через отверстие в кожухе 403, и подшипниковый элемент 410, расположенный между кожухом 403 и удлиненным элементом 205. В частности, конструкция шарнирного сочленения, изображенная на Фиг.4А, использует один из подшипниковых элементов (в отличие от двух подшипниковых элементов), который будет расположен между кожухом 403 и удлиненным элементом 205, где подшипниковый элемент сконфигурирован так, чтобы контактировать с удлиненным элементом 205 и облегчать шарнирное сочленение (например, с вращением вокруг продольной оси 207) удлиненного элемента 205 относительно кожуха 403. Более конкретно, жесткий материал 412 сконфигурирован так, чтобы примыкать к поверхности корпуса 403, в то время как снижающий трение материал 413 сконфигурирован так, чтобы примыкать к поверхности удлиненного элемента 205, так чтобы он мог вращаться вокруг продольной оси 207 относительно кожуха 403.
Подшипниковый элемент 410 может иметь корпус 411, образованный из композитного материала, включающего жесткий материал 412 и снижающий трение материал 413, покрывающий поверхность жесткого материала 412. Как изображено далее, подшипниковый элемент 410 может иметь корпус 411, включающий фланец 415, отходящий радиально от конца корпуса 411. Фланец 415 может быть выполнен так, что по меньшей мере часть фланца 415 сконфигурирована таким образом, чтобы контактировать с внешней боковой поверхностью 406 кожуха 403.
Фиг.4В содержит изображение поперечного сечения шарнирного сочленения Фиг.4А в плоскости АА. Как изображено, шарнирное сочленение содержит корпус 403, который включает отверстие 420, сконфигурованное так, чтобы в нем осуществлялось зацепление с удлиненным элементом 205. Кроме того, отверстие 420 сконфигуровано так, чтобы в нем осуществлялось зацепление с подшипниковым элементом 410. Как изображено, подшипниковый элемент 410 может быть выполнен таким образом, чтобы фланец 415 отходил радиально от продольной оси и проходил вдоль части внешней боковой поверхности 406 кожуха 403. Такая конфигурация обеспечивает блокировку положения подшипникового элемента 410 относительно кожуха 403.
Фиг.4С включает в себя изображение в перспективе подшипникового элемента 410 в соответствии с одним вариантом осуществления. В частности, подшипниковый элемент 410 может быть в форме чашеобразного вкладыша. Примечательно, что чашеобразный вкладыш имеет обычно цилиндрическую форму, проходящую почти полностью вокруг продольной оси 207. Чашеобразный вкладыш может включать в себя прорезь 417, которая расширяется аксиально вдоль продольной оси 207 корпуса 411, таким образом, что корпус 411 не образует полную окружность (менее 360°), если смотреть в поперечном сечении по продольной оси 207. В дальнейшем на Фиг.4С подшипниковый элемент 410 может иметь фланец 415, который может отходить радиально от конца корпуса 411. Как изображено, внутренняя поверхность 422 подшипникового элемента 410 может включать снижающий трение материал 413 для облегчения вращения удлиненного элемента 205 в нем. Кроме того, подшипниковый элемент 410 может быть выполнен таким образом, чтобы снижающий трение материал 413 перекрывал внешнюю поверхность фланца 415, таким образом, чтобы снижающий трение материал 313 распространялся радиально вдоль внешних периферических поверхностей фланца 415.
Вышеупомянутые подшипниковые элементы могут быть выполнены так, что корпус выполнен из композитного материала, включающего жесткий материал и снижающий трение материал, как описано здесь. В соответствии с вариантом осуществления подшипниковые элементы здесь могут иметь особые характеристики, включая, но не ограничиваясь, коррозионную стойкость, износостойкость, и свойства прерывистого скольжения, делающие их особенно хорошо подходящими для использования в энергогенерирующих устройствах.
В то время как в вышеизложенном были описаны некоторые ключевые особенности подшипниковых элементов, ниже приводится более подробная информация о частных аспектах, которые могут быть включены в варианты осуществления подшипниковых элементов в настоящем документе. В одном варианте осуществления подшипниковый элемент может включать в себя жесткий материал, промежуточный материал, нанесенный непосредственно на него, и снижающий трение материал, нанесенный на промежуточный материал, где отличная адгезия снижающего трение материала к жесткому материалу обеспечивается на долгий срок, и производство которого возможно без использования экологически проблемных процессов для предварительной обработки поверхности. В варианте осуществления подшипниковый элемент может включать промежуточный материал, включающий в себя по меньшей мере один функционализированный термопластичный полимер с введением функциональных групп формулы , , , -COOH и/или -COOR, где радикалы R являются циклическими и линейными органическими радикалами, имеющими от 1 до 20 атомов углерода. Если органический радикал R содержит, например, только один атом углерода, функциональная группа , предпочтительно имеет следующую формулу:
3
3
3
Функциональные группы могут быть включены в термопластичный полимер (А) путем добавления хотя бы одного модифицирующего реагента (В). Подходящие модифицирующие реагенты могут включать в себя малеиновую кислоту, итаконовую кислоту, цитраконовую кислоту, их производные, а также их комбинации. В частности, модифицирующие реагенты добавок могут включать в себя ангидрид малеиновой кислоты, ангидрид итаконовой кислоты, ангидрид цитраконовой кислоты, их производные, а также их комбинации. Здесь, соотношение полимера (А) и модифицирующего реагента (В) может составлять от 99,9 мол.% (А): 0,1 мол.% (В) до 80 мол.% (А): 20 мол.% (В). Объемный расход расплава (MVR при 50°C>относительно точки плавления и под нагрузкой 7 кг) может быть порядка от 0,1 до 1000 мм/сек. MVR является показателем расхода расплава полимера и поэтому может использоваться в качестве грубой оценки молекулярного веса. В идеале, MVR составляет порядка от 5 до 500 мм/сек, особенно предпочтительно в диапазоне от примерно 10 до примерно 200 мм/сек.
В одном варианте осуществления подшипниковый элемент может быть охарактеризован адгезией снижающего трение материала относительно опорного материала, вызванной промежуточным материалом, включающим функционализированный термопластичный полимер с функциональными группами вышеуказанного типа. Благодаря отличной адгезии даже к предварительно не обработанной поверхности жесткого материала, в частности, из холоднокатаной нержавеющей стали, холоднокатаной, а затем электролитически оцинкованной нержавеющей стали, алюминия, можно обойтись без экологически проблематичных процессов предварительной обработки и процессов с интенсивным выбросом жидких реактивов, таких как, в частности, хромирование. Физические процессы для предварительной обработки поверхности (например, предварительной обработки плазмо-коронным разрядом), которые описаны, например, в EP 0848031 B1, где функционализированные термопластичные фторполимеры также описаны в качестве составной части ламината, как показали проведенные заявителем исследования, более не являются необходимыми. Процесс производства подшипниковых элементов может, таким образом, осуществляться при значительно меньших затратах по сравнению с известным уровнем техники.
В одном варианте осуществления, по меньшей мере, один функционализированный термопластичный полимер промежуточного материала может быть функционализированным термопластичным фторполимером, в том числе, например, сополимером этилен-тетрафторэтилена (ETFE), перфтороалкоксиэтиленом (PFA) или сополимером тетрафторэтиленаперфтора (метилвиниловый эфир) (MFA), а также их комбинацией. В частных случаях по меньшей мере один функционализированный термопластичный полимер промежуточного материала может состоять в основном из сополимера этилен-тетрафторэтилена (ETFE), будучи особенно предпочтительным.
2
1
1
Промежуточный материал может включать не только по меньшей мере один функционализированный термопластический полимер, но также сополимер перфтора (алкил винил эфир) формулы: CF=CF-O-R, где R - перфтороэтиловый, перфтор-n-пропиловый, перфтор-n-бутиловый радикал, тетрафторэтилен или их комбинации.
max
Толщина промежуточного материала может существенно соответствовать шероховатости жесткого материала, определяемой как расстояние R между максимальной высотой пика профиля и максимальной глубиной впадины профиля шероховатости поверхности жесткого материала. Таким образом, может быть обеспечено, чтобы достаточно толстый адгезивный слой наносился на жесткий материал так, чтобы обеспечить адгезивное сцепление всей площади поверхности между снижающим трение материалом и жестким материалом. Адгезивный слой не должен быть слишком толстым. В этом случае существует риск того, что при соединении слоев части адгезивного слоя могут выдавливаться из адгезионного сцепления или может произойти когезионный разрыв в частях адгезивного слоя, выступающих над профилем шероховатости поверхности жесткого материала, когда подшипниковый элемент подвергается напряжению сдвига.
В другом варианте осуществления промежуточный материал может включать два слоя функционализированного термопластического полимера, имеющего функциональные группы формулы , , , -COOH и/или -COOR. Между двумя слоями может быть вставлен металлический промежуточный материал. Таким способом может быть достигнута улучшенная способность к калиброванию материала. Металлический промежуточный материал здесь может быть сформирован как тянутый металл. Металлический промежуточный материал может содержать нержавеющую сталь, алюминий или бронзу. В частном случае металлический промежуточный материал может быть тканым материалом, содержащим отрезки металлического материала. Например, в определенных конструкциях металлический промежуточный материал включает материал металлической сетки.
Для улучшения механических и общих физических свойств подшипникового элемента промежуточный материал может содержать наполнители для повышения и/или улучшения теплопроводности и/или износостойкости подшипникового элемента. В особенности подходящие наполнители могут включать волокна, неорганические материалы, термопластические материалы или минеральные материалы, или их комбинации. Примеры подходящих волокон могут включать стеклянные волокна, углеродные волокна, арамиды и их комбинации. Примеры неорганических материалов могут включать керамические материалы, углерод, стекло, графит, оксид алюминия, сульфид молибдена, бронзу, карбид силикона и их комбинации. Неорганические материалы могут быть в виде ткани, порошка, сфер или волокон. Примеры термопластических материалов могут включать полиимиды (PI), полиамидимиды (PAI), полифениленсульфид (PPS), полифениленсульфон (PPSO2), жидкокристаллические полимеры (LCP), полиэфирэфиркетоны (РЕЕК), ароматические полиэфиры (Эконол) и их комбинации. Примеры подходящих минеральных материалов могут включать волластонит, сульфат бария и их комбинации.
Пропорция наполнителя в промежуточном материале может быть 1-40% по объему и особенно 5-30% по объему от общего объема промежуточного материала. Толщина промежуточного материала может находиться в диапазоне от примерно 0,01 до примерно 0,1 мм, в частности от 0,01 до 0,5 мм.
В варианте осуществления жесткий материал, используемый в подшипниковом элементе, может иметь поверхность различной природы. Жесткий материал может иметь гладкую поверхность, шероховатую поверхность и/или структурированную поверхность (например, как достигается зачисткой щеткой, пескоструйной обработкой, тиснением структуры). Поверхность жесткого материала, используемая для сцепления со снижающим трение материалом, кроме этого может также иметь усовершенствованную поверхность, например электролитически оцинкованную поверхность.
Жесткий материал может состоять из нержавеющей стали, в особенности холоднокатанной нержавеющей стали или матовой оцинкованной нержавеющей стали, алюминия или их комбинации. В частном варианте осуществления холоднокатаная сталь может быть материалом номер 1.0338 или 1.0347. В другом частном варианте осуществления нержавеющая сталь может быть материалом номер 1.4512 или 1.4720. В особых случаях жесткий материал может состоять преимущественно из нержавеющей стали. В других моделях подшипниковый элемент может быть сформирован так, что жесткий материал состоит в основном из алюминия.
Снижающий трение материал, помещаемый на промежуточный материал, может включать фторполимер. Например, в некоторых случаях снижающий трение материал может включать полимерный материал, такой как политетрафторэтилен, фторированный этилен-пропилен, поливинилиденфторид, полихлортрифторэтилен, этилен-хлоротрифторэтилен, перфторалкоксиполимер, полиацеталь, полибутилентерефталат, полиимид, полиэтеримид, полиэфирэфиркетон, полиэтилен, полисульфон, полиамид, полифениленоксид, полифениленсульфид, полиуратан, полиэфир, полиэфирэфиркетон (РЕЕК) и их комбинации. В частном варианте осуществления снижающий трение материал может включать составной слой PTFE. Здесь, снижающий трение материал может быть сформирован как пористая пластиковая пленка для повышения проводимости. В некоторых случаях снижающий трение материал состоит преимущественно из PTFE.
В варианте осуществления подшипниковый элемент имеет прекрасные ходовые свойства и длительный срок службы при толщине снижающего трение материала 0,01-1,5 мм, в частности 0,1-0,35 мм.
Снижающий трение материал, помещаемый на промежуточный материал, может в свою очередь также содержать материал-наполнитель, который может улучшать теплопроводность и/или износостойкость. Материал-наполнитель может включать стекловолокно, углеродное волокно, кремний, графит, РЕЕК, дисульфид молибдена, ароматические полиэфиры, углеродные частицы, бронзу, фторполимер, термопластические наполнители, карбид кремния, оксид алюминия, полиамидимид (PAI), PPS, полифенилен сульфон (PPSO2), жидкокристаллические полимеры (LCP), ароматические полиэфиры (Эконол) и минеральные частицы, такие как волластонит и сульфат бария, или любые их комбинации. Наполнители могут быть в форме бусин, волокон, порошка, сетки или любой их комбинации. Пропорция материала-наполнителя в снижающем трение материале может быть 1-40% по объему, в частности 5-30% по объему.
В одном варианте осуществления процесс производства подшипникового элемента может включать связывание промежуточного материала и снижающего трение материала по их площади с опорой под давлением и с введением тепла. В таком случае подшипниковый элемент может иметь корпус, который является многослойной конструкцией, где жесткий материал является слоем и снижающий трение материал является слоем, связанным непосредственно с поверхностью жесткого материала или промежуточного материала. При формировании многослойной конструкции жесткий материал, промежуточный материал и снижающий трение материал могут быть прокатаны как непрерывный материал и соединены друг с другом под давлением и при повышенной температуре в ламинирующем роликовом устройстве. Чтоб добиться дальнейшего улучшения сцепления промежуточного материала с жестким материалом вместе с улучшенными антикоррозийными свойствами жесткого материала, вариант осуществления данного способа обеспечивает для поверхности жесткого материала придание ей шероховатости и/или ее усовершенствование (например, за счет электролитической оцинковки) перед использованием промежуточного материала. Более того, поверхность жесткого материала может быть увеличена благодаря механическому структурированию, например зачистке щеткой, пескоструйной обработке, тиснению структуры.
Устройство образцового подшипникового элемента показано на Фиг.5. Здесь жесткий материал обозначен 501, тогда как промежуточный материал обозначен 502 и снижающий трение материал, применяемый к нему, обозначен 503.
В варианте осуществления промежуточный материал 502 включает по меньшей мере один функционализированный термопластический полимер с функциональными группами формулы , , , -COOH и/или -COOR, где радикалы R - циклические или линейные органические радикалы, имеющие от 1 до 20 атомов углерода. Функциональные группы могут быть включены в термопластический полимер (А) путем добавления по меньшей мере одного модифицирующего реагента (В). Подходящими модифицирующими реагентами являются, например, малеиновая кислота и ее производные, в частности ее ангидрид, итаконовая кислота и ее производные, в частности ее ангидрид, и/или цитраконовая кислота и ее производные, в частности ее ангидрид. Здесь отношение полимера (А) к модифицирующему реагенту (В) может быть от 99,9 мол.% (А): 0.1 мол.% (В), до 80 мол.% (А): 20 мол.% (В).
Снижающий трение материал 503, помещаемый на промежуточный материал 502, может быть составным слоем PTFE, в частности с предварительно обработанной поверхностью, желательно вытравленной, составной полосой PTFE. Используемый составной слой PTFE 503 может содержать различные наполнители для улучшения механических свойств, например волокна, неорганические материалы, термопластические материалы или минеральные материалы, или их смеси.
Фиг.6 включает изображение поперечного сечения части подшипникового элемента в соответствии с вариантом осуществления. Как показано, подшипниковый элемент 600 - слоистая структура, включающая слои, отмеченные в соответствии с Фиг.5. Кроме этого подшипниковый элемент 600 включает промежуточный материал из тканой металлической сетки 602, сделанной из нержавеющей стали, который может быть расположен в непосредственном контакте со снижающим трение материалом 503. Кроме того, для улучшения механических и общих физических свойств подшипникового элемента, снижающий трение материал 503 включает комбинацию графитного (углеродного) волокна и стекловолокна.
Как показано далее, подшипниковый элемент может быть сформирован так, что снижающий трение слой 503 и жесткий материал 501 могут иметь среднюю толщину, которая приблизительно одинакова. То есть снижающий трение материал может иметь толщину, которая не более чем приблизительно на 25% отличается от средней толщины жесткого материала 501, основываясь на формуле [(Tf-Tr)/Tf]×100%, где Tr - средняя толщина жесткого материала и Tf - средняя толщина снижающего трение материала. В других случаях разница в средней толщине между снижающим трение материалом 503 и жестким материалом 501 может быть меньше, например порядка не более чем приблизительно 15%, не более чем приблизительно 10%, не более 8% или даже не более чем приблизительно 5%.
Кроме того, в отличие от других стандартных моделей, снижающий трение слой данных вариантов осуществления здесь может быть преимущественно без пористых частиц, включая металлический материал. В некоторых вариантах осуществления снижающий трение слой может быть преимущественно без крупных пористых частиц, таких как ZnS.
В некоторых опциональных подшипниковых элементах данных вариантов осуществления корпус может быть сформирован так, чтобы включать антикоррозийное покрытие. Антикоррозийное покрытие может покрывать наружную поверхность жесткого материала 501, а в определенных случаях быть непосредственно сцепленным с ней. Например, основная поверхность 507 напротив основной поверхности жесткого материала 501, имеющей покрывающий промежуточный слой 502 и снижающий трение слой 503, может включать антикоррозийное покрытие. Кроме того, край поверхности 508 может быть частично или полностью покрыт антикоррозийным покрытием. В частном варианте осуществления антикоррозийное покрытие может покрывать всю поверхность края корпуса подшипника и, соответственно, может покрывать все составные слои (например, жесткий материал 501, промежуточный слой 502 и снижающий трение слой 503), формирующие корпус подшипника.
Антикоррозийное покрытие может иметь толщину от приблизительно 1 микрона до приблизительно 50 микрон, например от приблизительно 5 микрон до приблизительно 20 микрон, например от приблизительно 7 микрон до 15 микрон.
Антикоррозийное покрытие может быть изготовлено из ряда пленок или отдельных слоев, которые в совокупности образуют антикоррозийное покрытие. Например, антикоррозийное покрытие может включать слой активатора адгезии и эпоксидный слой. Слой активатора адгезии может включать фосфат цинка, железа, магния, олова или любые их комбинации. Кроме того, слой активатора адгезии может включать нанокерамический слой. Слой активатора адгезии может включать функциональные силаны, нанослои на основе силана, гидролизированные силаны, органосилановые активаторы адгезии, силановые грунтовки на основе растворителя/воды, хлорсодержащие полиолефины, пассивированые поверхности, коммерчески доступный цинк (механический/гальванический) или цинково-никелевые покрытия, или любые их комбинации.
Эпоксидный слой антикоррозийного покрытия может быть эпоксидной смолой термического, ультрафиолетового, инфракрасного, электронно-лучевого, радиационного или воздушного отверждения. Кроме того, эпоксидная смола может включать полиглицидилэфир, диглицидилэфир, бисфенол А, бисфенол F, оксиран, оксациклопропан, этиленоксид, 1,2-эпоксипропан, 2-метилоксиран, 9,10-эпокси-9,10-дигидроантрацен или любую их комбинацию. Эпоксидная смола может включать модифицированные эпоксиды синтетических смол на основе фенольных смол, полимочевину, меламиновые смолы, бензогуанамины с формальдегидом или любые их комбинации. Так, например, эпоксидные смолы могут включать
моноэпоксиды ,
бисэпоксиды ,
линейные трисэпоксиды
,
разветвленные трисэпоксиды
,
X
Y
Z
U
Z
или любые их комбинации, где СHXA - линейная или разветвленная насыщенная или ненасыщенная углеродная цепь с факультативным замещением атомов водорода атомами галогена X, и с факультативным присутствием атомов азота, фосфора, бора и т.д., и где В является одним из углерода, азота, кислорода, фосфора, бора, серы и т.д.
X
Y
Z
U
1
2
3
X
Y
Z
U
Эпоксидная смола может также включать отвердитель. Отвердитель может включать амины, ангидриды кислот, фенол-новолак отвердители, такие как фенол-новолак поли[N-(4-гидроксифенил)малеимид] (ПГФМИ), резоль фенол формальдегиды, компоненты жирных аминов, поликарбоновые ангидриды, полиакрилат, изоцианаты, инкапсулированные полиизоцианаты, комплексы трифторид аминов бора, отвердители на основе хрома, полиамиды или любые их комбинации. Как правило, ангидриды кислот могут соответствовать формуле R-C=O-O-C=O-R', где R может быть СHXA, как описано выше. Амины могут включать алифатические амины, такие как моноэтиламин, диэтилентриамин, триэтилентетраамин и т.п., алициклические амины, ароматические амины, такие как циклические алифатические амины, циклоалифатические амины, амидоамины, полиамиды, дициандиамиды, производные имидазола и т.п., или любые их комбинации. Как правило, амины могут быть первичными аминами, вторичными аминами или третичными аминами, соответствующими формуле RRRN, где R может быть СHXA, как описано выше.
В варианте осуществления эпоксидный слой для улучшения проводимости может включать наполнители, такие как углеродные наполнители, углеродные волокна, углеродные частицы, графит, металлические наполнители, такие как бронза, алюминий и другие металлы и их сплавы, наполнители на основе оксидов металлов, покрытые металлом углеродные наполнители, покрытые металлом полимерные наполнители или любые их комбинации. Проводящие наполнители могут позволить потоку проходить сквозь эпоксидное покрытие и могут повышать проводимость покрытого подшипника по сравнению с покрытым подшипником без проводящего наполнителя.
В другом варианте осуществления эпоксидный слой может повышать устойчивость подшипника к коррозии. Например, эпоксидный слой может значительно предотвращать коррозийные факторы, такие как вода, соли и т.п., от контакта с несущей нагрузку подложкой, тем самым препятствуя химической коррозии несущей нагрузку подложки. Кроме того, эпоксидный слой может предотвращать гальваническую коррозию либо кожуха, либо несущей нагрузку подложки путем предупреждения контакта между разнородными металлами. Например, размещение алюминиевых подшипников без эпоксидного слоя в стальной кожух может вызвать окисление стали. Однако эпоксидный слой, например слой эпоксидной смолы, может предохранять алюминиевую поверхность от контакта со стальным кожухом и препятствовать коррозии во время гальванической реакции.
Подшипниковые элементы данных вариантов осуществления здесь могут показать улучшенное функционирование и характеристики по сравнению со стандартными подшипниковыми элементами. Например, в одном варианте осуществления, подшипниковые элементы настоящих вариантов осуществления показывают улучшенную устойчивость к коррозии и атмосферным влияниям. В действительности, после воздействия солевого тумана в течение по меньшей мере приблизительно в течение 150 часов, которое проводилось согласно стандартному испытанию на коррозию ISO 9227:2006, подшипниковые элементы настоящих вариантов осуществления были преимущественно без легко обнаруживаемых дефектов. В действительности, снижающий трение слой подшипниковых элементов и особенно внутренняя поверхность в контакте с ходовой поверхностью показали отсутствие легко обнаруживаемой коррозии, ржавления, разрыва или образования трещин. В более конкретном варианте осуществления снижающий трение материал подшипниковых элементов настоящих вариантов осуществления был преимущественно без видимых дефектов после испытания солевым туманом по меньшей мере в течение 160 часов, по меньшей мере 170 часов, по меньшей мере 180 часов или более.
Согласно другому варианту осуществления подшипниковые элементы могут иметь определенную степень атмосферного износа, которая является мерой характеристики износа подшипниковых элементов после длительного воздействия агрессивной среды (например, камера для солевого тумана согласно ISO 9227:2006) и эксплуатации для определенного минимального количества циклов. Степень атмосферного износа является мерой потери материала контактной поверхности за продолжительное время для испытания свойств скольжения подшипника после воздействия на него агрессивной среды. Процедура испытания степени атмосферного износа подробно описана в Примерах. В частности, степень атмосферного износа подшипниковых элементов может быть не более чем приблизительно 0,99 микрон/ч в течение по меньшей мере приблизительно 15000 циклов движения шарнирного сочленения. В других случаях степень атмосферного износа может быть меньше, например не более чем приблизительно 0,95 микрон/ч, не более чем приблизительно 0,9 микрон/ч, не более чем приблизительно 0,85 микрон/ч, не более чем приблизительно 0,8 микрон/ч, не более чем приблизительно 0,75 микрон/ч или даже не более чем приблизительно 0,7 микрон/ч в течение по меньшей мере приблизительно 15000 циклов движения шарнирного сочленения.
Согласно другому варианту осуществления подшипниковые элементы вариантов осуществления здесь могут иметь степень атмосферного износа не более чем приблизительно 0,99 микрон/ч в течение по меньшей мере приблизительно 15000 циклов движения шарнирного сочленения. В других случаях степень атмосферного износа может быть меньше, например, не более чем приблизительно 0,95 микрон/ч, не более чем приблизительно 0,9 микрон/ч, не более чем приблизительно 0,85 микрон/ч, не более чем приблизительно 0,8 микрон/ч, не более чем приблизительно 0,75 микрон/ч или даже не более чем приблизительно 0,7 микрон/ч в течение по меньшей мере приблизительно 15000 циклов движения шарнирного сочленения. Кроме того, в особых вариантах осуществления степень атмосферного износа может быть по меньшей мере приблизительно 0,05 микрон/ч, по меньшей мере приблизительно 0,08 микрон/ч, по меньшей мере приблизительно 0,1 микрон/ч или даже по меньшей мере приблизительно 0,15 микрон/ч в течение по меньшей мере приблизительно 15000 циклов движения шарнирного сочленения. Следует иметь в виду, что подшипниковые элементы настоящих вариантов осуществления могут иметь степень атмосферного износа в пределах между любым из минимальных и максимальных значений, указанных выше.
Согласно другому варианту осуществления степень атмосферного износа подшипниковых элементов может быть не более чем приблизительно 0,99 микрон/ч в течение по меньшей мере приблизительно 20000 циклов движения шарнирного сочленения. В других случаях степень атмосферного износа может быть меньше, например не более чем приблизительно 0,95 микрон/ч, не более чем приблизительно 0,9 микрон/ч, не более чем приблизительно 0,85 микрон/ч, не более чем приблизительно 0,8 микрон/ч, не более чем приблизительно 0,75 микрон/ч или даже не более чем приблизительно 0,7 микрон/ч в течение по меньшей мере приблизительно 20000 циклов движения шарнирного сочленения. Тем не менее, в некоторых вариантах осуществления степень атмосферного износа может быть по меньшей мере приблизительно 0,05 микрон/ч, по меньшей мере приблизительно 0,08 микрон/ч, по меньшей мере приблизительно 0,1 микрон/ч или даже по меньшей мере приблизительно 0,15 микрон/ч в течение по меньшей мере приблизительно 20000 циклов движения шарнирного сочленения. Следует иметь в виду, что подшипниковые элементы настоящих вариантов осуществления могут иметь степень атмосферного износа в пределах между любым из минимальных и максимальных значений, указанных выше.
Согласно одному варианту осуществления подшипниковые элементы настоящих вариантов осуществления могут иметь особые характеристики износа, так что после продолжительного использования снижающий трение слой показывает очень низкий износ. Например, снижающий трение слой может иметь изменение средней толщины не более чем 5% после проведения вибрационного испытания, как указано дальше в Примерах. Изменение средней толщины может быть рассчитано как Δt=[(tb-ta)/tb]×100%, где tb - средняя толщина снижающего трение слоя до испытания и ta - средняя толщина снижающего трение слоя после испытания. Согласно одному варианту осуществления изменение средней толщины не более чем приблизительно 4%, например, не более чем приблизительно 3%, не более чем приблизительно 2%, не более чем приблизительно 1% или даже не более чем приблизительно 0,8%.
Более того, в особых случаях общая величина износа снижающего трение слоя корпуса подшипника во время испытания атмосферного износа может быть ограничена по сравнению с другими стандартными подшипниками. Например, общая величина износа может быть меньше чем приблизительно 6000 микрон в течение по меньшей мере 15000 циклов или даже по меньшей мере 20000 циклов. В других случаях общая величина износа может быть меньше, например не более чем приблизительно 5900 микрон, не более чем приблизительно 5800 микрон, не более чем приблизительно 5500 микрон, не более чем приблизительно 5000 микрон, не более чем приблизительно 4500 микрон, не более чем приблизительно 4000 микрон, не более чем приблизительно 3500 микрон, не более чем приблизительно 3000 микрон, не более чем приблизительно 2500 микрон или даже не более чем приблизительно 2000 микрон в течение по меньшей мере 15000 циклов, например по меньшей мере 20000 циклов.
Подшипниковые элементы настоящих вариантов осуществления здесь могут иметь улучшенное характеристику скольжения на протяжении продолжительного использования. Например, подшипниковый элемент может иметь среднюю силу трения не более чем приблизительно 300 Н в течение по меньшей мере 15000 циклов в вибрационном испытании. Вибрационное испытание заключается в непрерывном вращении подшипникового элемента относительно вала в контролируемых условиях при управлении крутящим моментом системы для моделирования приблизительно 30 лет использования в течение приблизительно 11 дней испытания. Детали параметров испытания представлены в Примерах. В особых случаях подшипниковые элементы показали среднюю силу трения не более чем приблизительно 290 Н, например не более чем приблизительно 280 Н, не более чем приблизительно 270 Н, не более чем приблизительно 260 Н или даже не более чем приблизительно 250 Н в течение по меньшей мере 15000 циклов в вибрационном испытании. Кроме того, подшипниковые элементы настоящих вариантов осуществления могут иметь среднюю силу трения по меньшей мере приблизительно 100 Н, например по меньшей мере приблизительно 150 Н или даже по меньшей мере приблизительно 200 Н в течение по меньшей мере 15000 циклов в вибрационном испытании. Следует иметь в виду, что подшипниковые элементы настоящих вариантов осуществления могут иметь среднюю силу трения в пределах между любым из минимальных и максимальных значений, указанных выше.
Для некоторых подшипниковых элементов средняя сила трения во время вибрационного испытания может быть не более чем приблизительно 300 Н в течение по меньшей мере 20000 циклов. В других случаях средняя сила трения может быть меньше, например не более приблизительно 290 Н, не более чем приблизительно 280 Н, не более чем приблизительно 270 Н, не более чем приблизительно 260 Н или даже не более чем приблизительно 250 Н в течение по меньшей мере 20000 циклов в вибрационном испытании. Кроме того, подшипниковые элементы вариантов осуществления здесь могут иметь среднюю силу трения по меньшей мере приблизительно 100 Н, например по меньшей мере приблизительно 150 Н или даже по меньшей мере приблизительно 200 Н в течение по меньшей мере 20000 циклов в вибрационном испытании. Следует иметь в виду, подшипниковые элементы настоящих вариантов осуществления могут иметь среднюю силу трения в пределах между любым из минимальных и максимальных значений, указанных выше.
Кроме того, подшипниковые изделия вариантов осуществления здесь могут иметь улучшенные характеристики скольжения, измеренные по среднему коэффициенту трения в условиях вибрационного испытания для определенного минимального числа циклов и продолжительности. Например, некоторые подшипниковые изделия настоящих вариантов осуществления показали средний коэффициент трения не более приблизительно 0,1, например не более чем приблизительно 0,09, не более чем приблизительно 0,08, не более чем приблизительно 0,07 или даже не более чем приблизительно 0,06 в течение по меньшей мере 15000 циклов в вибрационном испытании. Кроме того, подшипниковые элементы настоящих вариантов осуществления могут иметь средний коэффициент трения по меньшей мере приблизительно 0,01, например по меньшей мере приблизительно 0,02 или даже по меньшей мере приблизительно 0,03 в течение по меньшей мере 15000 циклов в вибрационном испытании. Следует иметь в виду, что подшипниковые элементы настоящих вариантов осуществления могут иметь средний коэффициент трения в пределах между любыми минимальным и максимальным значениями, указанными выше.
Подшипниковые изделия настоящих вариантов осуществления могут иметь улучшенные характеристики скольжения, измеренные по среднему коэффициенту трения в условиях вибрационного испытания для определенного минимального числа циклов и продолжительности. Например, некоторые подшипниковые изделия настоящих вариантов осуществления показали средний коэффициент трения не более приблизительно 0,1, например не более чем приблизительно 0,09, не более чем приблизительно 0,08, не более чем приблизительно 0,07 или даже не более чем приблизительно 0,06 в течение по меньшей мере 20000 циклов в вибрационном испытании. Кроме того, подшипниковые элементы настоящих вариантов осуществления здесь могут иметь средний коэффициент трения по меньшей мере приблизительно 0,01, например по меньшей мере приблизительно 0,02 или даже по меньшей мере приблизительно 0,03 в течение по меньшей мере 20000 циклов в вибрационном испытании. Следует иметь в виду, что подшипниковые элементы настоящих вариантов осуществления могут иметь средний коэффициент трения в пределах между любым минимальным и максимальным значениями, указанными выше.
В определенных случаях подшипниковые элементы могут иметь средний коэффициент трения в пределах между приблизительно 0,04 и приблизительно 0,059, например в пределах между приблизительно 0,040 и приблизительно 0,058 или даже в пределах между приблизительно 0,04 и приблизительно 0,057 в течение по меньшей мере 15000 циклов или даже по меньшей мере 20000 циклов.
ПРИМЕР
Три набора подшипниковых элементов в форме простых кольцевых втулок сформированы согласно настоящим вариантам осуществления. Образец 1 сформирован имеющим стальную подложку, промежуточный слой материала на фторополимерной основе и снижающий трение слой PTFE. Образец 2 сформирован из стальной подложки для жесткого материала, промежуточного слоя материала на фторополимерной основе и снижающего трение слоя PTFE. Образец 3 имеет стальную подложку для жесткого материала, промежуточный слой материала на основе фторополимера и снижающий трение слой PTFE. В частности, образец 3 включает антикоррозийный слой, покрывающий жесткий материал.
Образцы стандартных втулок (CS1) поставляет DuPont Corporation под маркой Derlin.
А также образцы стандартных вкладышей (CS2) - вкладыши марки Permaglide, поставляемые Kolbenschmidt Corportion, которые образованы из стальной основы с защитным поверхностным слоем из олова толщиной приблизительно 0,002 мм. Вкладыши имеют слой скольжения из PTFE и ZnS толщиной приблизительно 25 микрон и верхний слой из состава на основе PTFE толщиной приблизительно 0,03 мм.
Все образцы подвергали испытанию солевым туманом согласно стандартному испытанию на коррозию ISO 9227:2006, для испытания устойчивости к коррозии и устойчивости к агрессивным средам. Каждый из образцов, отмеченных выше (образец 1-3, CS1 и CS2), помещали в камеру для солевого тумана на 192 часа и воздействовали солевым раствором с концентрацией соли 50+/-5 г/л при 35°C+/-2°C градуса. На Фиг.7-9 представлены изображения подшипниковых элементов образцов 1, образцов 2 и образцов 3, соответственно после завершения испытания солевым туманом. Фиг.10-11 включают изображения подшипниковых элементов образцов CS1 и CS2 после воздействия испытания солевым туманом. Как хорошо видно, образцы 1-3 настоящих вариантов осуществления демонстрируют снижающие трение слои 503 без видимых признаков коррозии, ржавления, образования трещин или других физически обнаруживаемых дефектов. Наоборот, образцы CS1 и CS2 явно демонстрируют признаки значительной коррозии. CS1 на Фиг.10 имеет снижающий трение слой 503, который треснул и подвергся действию коррозии в участке 1001. Также, в еще большей степени, образец CS2 на Фиг.11 демонстрирует ржавление и образование трещин по всей ширине снижающего трение слоя в участке 1101.
После завершения испытания солевым туманом, образец 1, образец 2, образец CS1 и образец CS2 подвергали испытанию на степень атмосферного износа. Испытание на степень атмосферного износа проводили, как изображено на Фиг.12. Условия испытания изложены ниже в Таблице 1. Испытание включает вращение вала (длиной 30 мм и 11,6 мм в диаметре), имеющего среднюю шероховатость поверхности (Ra) 2,29 микрон и шероховатость поверхности (Rmax) 20,76, измеряемую в подшипниковом элементе прибором Хоммеля вдоль осевого направления для моделирования приблизительно 30 лет износа.
Таблица 1
Параметр
Заданное значение
Частота
0,02 Гц
Период времени
50 с
Угол наклона
±30°
Радиальные нагрузки
4374 Н
Осевые нагрузки
50 Н
Полных циклов
20075
Продолжительность
11 дн+15 ч
Результаты испытания представлены ниже в Таблице 2. В частности, измерена степень износа, общий износ и коэффициент трения (COF). Как показано, степень износа и общий износ для образцов 1 и 2 лучше, чем степень износа и общий износ для образцов CS1 и CS2, которые показали ограниченную способность скольжения из-за коррозии для образцов 1 и 2. Коэффициент трения для образцов 1 и 2 также был ниже, чем коэффициент трения для образцов CS1 и CS2 во всех случаях, демонстрируя, что агрессивная среда оказывает более сильное воздействие на образцы CS1 и CS2, чем на образцы 1 и 2. Так, образцы 1 и 2 показали улучшенный срок службы, эффективность функционирования и улучшенную устойчивость к износу после воздействия агрессивной среды по сравнению со стандартными образцами.
Таблица 2
Образец
Износ [микрон]
Степень износа [микрон/ч]
COF
Образец 2
1500
0,250
0,0577
Образец 1
5700
0,950
0,0401
Образец 1
1800
0,300
0,0515
Образец CS2
6000
1,000
0,0652
Образец CS2
8700
1,450
0,0585
Образец CS1
28000
4,667
0,0686
Образец CS1
40700
6,783
0,0863
Пример 2
Образец 1 также подвергали вибрационному испытанию для определения эффективности функционирования и характеристик износа в моделируемое время 30 лет. Проведение испытания и параметры испытания - такие же, как для испытания устойчивости к атмосферному износу, как указано в Примере 1, однако образец 1 не подвергали воздействию агрессивной среды.
Фиг.13 включает график крутящего момента трения в сравнении с числом циклов полного вибрационного испытания для образца 1. Как показано, образец 1 не выявляет существенных изменений в среднем крутящем моменте на протяжении испытания. Посчитано, что образец 1 имеет среднюю силу трения 249 Н и средний коэффициент трения 0,057.
Фиг.14 включает график сигнала износа (микроны) в сравнении с числом циклов для образца 1 во время вибрационного испытания. Глубина износа была рассчитана на микрометре, где средняя толщина стенки снижающего трение слоя до испытания была 1,568 мм, и после 20000 циклов испытания средняя толщина стенки снижающего трение слоя была 1,558 мм, с изменением в 0,01 мм. Степень износа образца 1 во время испытания была 0,6% изначальной толщины стенки снижающего трения слоя. Очевидно, образец 1 демонстрирует эффективные свойства скольжения и очень низкий износ.
Настоящие варианты осуществления направлены на генерирование электроэнергии устройствами, имеющими шарнирные сочленения, которые могут использовать подшипниковый элемент в шарнирном сочленении. Подшипниковые элементы могут иметь корпус, изготовленный из композита, включающего жесткий материал, снижающий трение материал, и промежуточный материал, расположенный между жестким материалом и снижающим трение материалом. Подшипниковые элементы вариантов осуществления здесь могут использовать одну или более комбинацию характеристик, включая определенные жесткие материалы, толщину жесткого материала, определенные промежуточные материалы, толщину промежуточного материала, определенные снижающие трение материалы, толщину жесткого материала, размеры подшипникового элемента и некоторые механические свойства (например, жесткость), и химическую инертность, которые желательны в промышленности. В частности, подшипниковые элементы настоящих вариантов осуществления могут иметь специфическую комбинацию механических характеристик, таких как устойчивость к коррозии, устойчивость к износу и свойства прерывистого скольжения, которые являются улучшенными по сравнению со стандартными подшипниковыми элементами.
В целом, энергогенерирующие устройства существующего уровня техники могут иметь включенные определенные композитные подшипниковые элементы в виде простых втулок и т.п. Однако подшипниковые элементы настоящих вариантов осуществления заменили многие современные подшипниковые элементы существующего уровня техники в энергогенерирующих устройствах, в частности в области генерирования солнечной энергии. Фактически, подшипниковые элементы настоящих вариантов осуществления здесь вытеснили многие старые подшипники так, что настоящие подшипниковые элементы сейчас представляют значительную часть рынка в определенных отраслях промышленности возобновляемых ресурсов энергии.
В вышеизложенном, ссылки на конкретные варианты осуществления и связь определенных компонентов являются иллюстративными. Следует иметь ввиду, что ссылки на компоненты, являющиеся парными или связанными, предназначены для раскрытия либо прямой связи между указанными компонентами, либо непрямой связи через один или несколько промежуточных компонентов, как будет учтено при осуществлении рассмотренных здесь способов. Таким образом, объект вышеприведенного раскрытия следует считать иллюстративным и неограничивающим, и прилагаемая формула изобретения предназначена для охвата всех таких модификаций, усовершенствований и других вариантов осуществления, которые не выходят за рамки объема настоящего изобретения.