一种用于燃料电池系统氢气循环泵的特殊轴承的制作方法

1.本发明涉及轴承技术领域，特别涉及一种用于燃料电池系统氢气循环泵的特殊轴承。

背景技术：

2.燃料电池是一种清洁且高效率的能源，燃料电池通过氢气与氧(空气)等氧化剂发生电化学反应，将化学能转化为电能。作为燃料电池系统的子零部件氢气循环泵的作用就是将燃料电池系统中未完全利用的氢气再次输送回燃料电池系统，提高氢气的利用效率。
3.燃料电池系统在电化学反应过程中氢气循环泵内部压缩腔会直接与氢气、氮气、水蒸气、液态水混合接触，气体温度在70～90℃之间，液态水ph为3～5之间的偏酸性，这种高温，多变且复杂的气体混合工况对燃料电池氢气循环泵的轴承也有更高的要求，由于运行环境处于高温，因而若使用传统的轴承会存在如下隐患：
4.其一，轴承在运行的过程中要防止在高温运行时外圈和轴承室相对的滑动和蠕动，一但长时间的滑动或者蠕动配合间隙变大会造成设备故障停机或者轴承提前失效，密封失效后的轴承使用寿命也不能满足要求；
5.其二，当气体中的水分渗入润滑脂中时，润滑脂就会软化泄漏；
6.其三，由于高温的液态水和高温气体混合物会直接对运行过程中的燃料电池氢气循环泵轴承进行侵蚀和冲击，造成轴承失效，影响燃料电池系统的正常运行；
7.其四，如果轴承油脂选择不当，如选用锂皂-矿物油基润滑脂的轴承，一旦失效，轴承内部的油脂会随着混合气体一起进入到燃料电池系统内部，轴承油脂高温挥发性成分可以分散和附着在燃料电池内部的膜片上，使燃料电池系统中毒，造成燃料电池系统功率降低或停机；
8.其五，恶劣的运行环境下，高温的水和水蒸气容易造成轴承的锈蚀；
9.其六，高温环境下轴承易出现松动，产生运行不稳定，工作失效的问题，甚至会引发设备故障。
10.因此，基于传统轴承存在的缺陷，为了满足燃料电池系统中恶劣环境下的工况需求，本发明研制了一种用于燃料电池系统氢气循环泵的特殊轴承，以解决现有技术中存在的问题。

技术实现要素：

11.本发明目的是：提供一种用于燃料电池系统氢气循环泵的特殊轴承，以解决现有技术中传统轴承在高温等恶劣环境下出现的密封性差以及装配易松动的问题，避免因密封性差及结构设计不合理而引发的油脂挥发、轴承锈蚀及电堆中毒的风险。
12.本发明的技术方案是：一种用于燃料电池系统氢气循环泵的特殊轴承，包括内圈、外圈、滚动体及保持架，还包括一对密封件；
13.一对所述密封件分设于保持架轴向的两侧，内、外缘分别与内圈及外圈密封配合，
并组合形成具有密封性且防止物质挥发的腔室，所述腔室内部构成有自润滑系统；
14.所述自润滑系统包括具有自润滑能力的保持架，以及容纳于腔室内部的固体润滑脂。
15.优选的，所述保持架选用peek与pa的组合，或者peek与cf、gf、ptfe的组合，或者peek与pa、gf的组合中的任意一种制成；
16.所述密封件采用fkm材料或fkm改性材料，与内圈之间形成用于接触的第一密封部，与外圈之间形成用于接触的第二密封部，所述第一密封部采用多唇密封结构或面接触密封结构中的任意一种，所述第二密封部采用多唇密封结构或面接触密封结构中与第一密封部相异的另一种。
17.优选的，所述多唇密封结构包括外伸设置的第一唇口，至少一个第二唇口，以及第三唇口，对应接触的内圈或外圈上具有与第一唇口接触的第一面，与第二唇口接触的第二面，以及与第三唇口接触的第三面；所述第一面、第二面及第三面非同面设置，与第一唇口、第二唇口及第三唇口形成多级密封防泄漏；
18.所述面接触密封结构包括第一密封面及第二密封面，对应接触的内圈或外圈上具有与第一密封面相抵贴合的第四面，以及与第二接触面相抵贴合的第五面；所述第四面与第五面非同面设置，与第一密封面及第二密封面全接触增大接触面积防泄漏。
19.优选的，以g为单位的所述固体润滑脂的用量与以ml为单位的腔室体积成正比，比值范围为0.2～0.3。
20.优选的，所述固体润滑脂采用合成烃油、酯油、醚油及硅油的组合作为基础油，li、na、ba和ca的金属络合物皂及其混合物作为增稠剂，氧化镁和锆酸镁、磺酸盐、琥珀酸酯、亚硝酸盐作为防锈剂，全氟辛基丙烯酸酯作为表面活性剂；其质量比为：基础油56％～72％，增稠剂12％～32％，防锈剂0.5％～2％，表面活性剂0.1％～0.5％。
21.优选的，所述外圈外壁处还设置有防松结构，所述防松结构包括开设于外圈外壁处的偏心槽，以及与偏心槽配合设置并具有弹性变形能力的防松圈。
22.优选的，所述防松圈具备三种状态：
23.常态下，所述防松圈内壁与偏心槽任意位置相抵时，最外缘始终凸出外圈；
24.装配状态下，所述防松圈受压，通过弹性变形实现蓄能涨紧；
25.工作状态下，所述防松圈在轴承松动过程中与外圈发生相对运动增加蓄能量。
26.优选的，所述防松圈呈弓形，包括对称设置的第一弧形段，以及连接一对第一弧形段的第二弧形段；
27.常态下，所述第一弧形段内壁与偏心槽内壁相抵；所述第二弧形段的内径小于第一弧形段的内径；
28.所述防松圈在偏心槽内任意位置处时，所述第二弧形段中部均凸出外圈，因防松圈位置调整使凸出的距离形成一可调节的范围，该范围为0.1～0.5mm。
29.与现有技术相比，本发明的优点是：
30.(1)解决在燃料电池系统中，高温复杂的环境工况下轴承的密封问题，通过对密封件材料及结构的改进，解决密封件密封失效的问题；通过保持架材料的选择以及少量(相较于传统液体润滑油的用量)固体润滑脂的添加实现自润滑，并配合结构的密封性解决油脂挥发及电堆中毒的问题。
31.(2)解决在恶劣的高温环境下，轴承松动的问题，采用具有弹性变形能力的防松圈，在轴承安装后通过弹性变形蓄能实现防松，并结合偏心槽的设计，实现防松圈相较于外圈发生相对运动时蓄能量的调整，防止在高温运行过程中轴承出现松动。
附图说明
32.下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
33.图1为本发明所述的一种用于燃料电池系统氢气循环泵的特殊轴承的爆炸图；
34.图2为本发明所述的一种用于燃料电池系统氢气循环泵的特殊轴承的剖视图；
35.图3为本发明所述的一种用于燃料电池系统氢气循环泵的特殊轴承在图2中的a处结构放大图；
36.图4为本发明所述的一种用于燃料电池系统氢气循环泵的特殊轴承相对于图3所示的分解图；
37.图5为本发明所述偏心槽的设置结构示意图；
38.图6为本发明所述防松圈的结构示意图；
39.图7为本发明所述防松圈处于偏心槽偏离中心最大值位置处的示意图；
40.图8为本发明所述防松圈处于偏心槽偏离中心最小值位置处的示意图。
41.其中：1、内圈，11、第一面，12、第二面，13、第三面；
42.2、外圈，21、第四面，22、第五面，23、第六面；
43.3、滚动体；
44.4、保持架；
45.5、密封件；
46.51、多唇密封结构，511、第一唇口，512、第二唇口，513、第三唇口；
47.52、面接触密封结构，521、第一密封面，522、第二密封面；
48.6、防松结构；
49.61、偏心槽；
50.62、防松圈，621、第一弧形段，622、第二弧形段。
具体实施方式
51.下面结合具体实施例，对本发明的内容做进一步的详细说明：
52.如图1、图2所示，一种用于燃料电池系统氢气循环泵的特殊轴承，包括内圈1、外圈2、滚动体3及保持架4，还包括一对密封件5及防松结构6。
53.内圈1、外圈2采用不锈钢材料9gr18、440c、314、316l中的任意一种，滚动体3采用氮化硅陶瓷，或者氧化锆陶瓷，或者氧化铝陶瓷，或者碳化硅陶瓷，或者混合陶瓷。
54.一对密封件5采用耐高温的氟胶fkm材料或fkm的改性材料，分设于保持架4轴向的两侧，内、外缘分别与内圈1及外圈2密封配合，密封配合时与内圈1之间形成用于接触的第一密封部，与外圈2之间形成用于接触的第二密封部；第一密封部可采用多唇密封结构51或面接触密封结构52中的任意一种，第二密封部也可采用多唇密封结构51或面接触密封结构52中的任意一种；本实施例中，第一密封部采用多唇密封结构51，第二密封部采用面接触密封结构52，具体结构如下：
55.如图3、图4所示，多唇密封结构51包括外伸设置的第一唇口511，至少一个第二唇口512，以及第三唇口513，对应接触的内圈1上具有与第一唇口511接触的第一面11，与第二唇口512接触的第二面12，以及与第三唇口513接触的第三面13；上述第一面11、第二面12及第三面13是基于在内圈1的外壁处开设有第一槽口而形成的，其中第一面11为内圈1的外壁面，属于一弧形面，第二面12为第一槽口处对应的台阶面，第三面13也属于一弧形面，其对应的外径小于内圈1主体结构的外径；基于此，第一面11、第二面12及第三面13即为非同面设置，与第一唇口511、第二唇口512及第三唇口513形成多级密封防泄漏。
56.如图3、图4所示，面接触密封结构52包括第一密封面521及第二密封面522，对应接触的外圈2上具有与第一密封面521相抵贴合的第四面21，以及与第二接触面相抵贴合的第五面22；上述第四面21及第五面22是基于在外圈2的内壁处开设有第二槽口而形成的，其中第四面21为第二槽口处对应的台阶面，第五面22为第二槽口内壁对应的弧形面；基于此，第四面21与第五面22即为非同面设置，与第一密封面521及第二密封面522全接触增大接触面积防泄漏；同时，第二槽口处与第四面21相对的端面为第六面23，并与第四面21呈非平行设置，结合第二面12、第四面21及第六面23，实现密封件5沿轴向的限位；第一面11、第三面13及第五面22的设置，实现密封件5沿径向的限位。
57.第一槽口与第二槽口的设置，形成了若干非同面设置的面结构，用于实现与密封件5的多级密封，并使密封件5限制于内圈1与外圈2之间；通过一对密封件5的设置，在内圈1与外圈2之间形成具有密封性且防止物质挥发的腔室，腔室内部构成有自润滑系统。
58.自润滑系统包括采用peek(聚醚醚酮)与pa(尼龙)的组合，或者peek与cf(炭纤维)、gf(玻璃纤维)、ptfe(特氟龙)的组合，或者peek与pa、gf的组合中的任意一种制成的具有自润滑能力的保持架4，以及容纳于腔室内部的少量固体润滑脂，该少量的定义是基于传统轴承中液体润滑油的用量而言，具体的，以g为单位的固体润滑脂的用量与以ml为单位的腔室体积成正比，比值范围为0.2～0.3；而传统的轴承，以g为单位的液体润滑油的用量与以ml为单位的腔室体积成正比，比值范围为0.6～0.8；本实施例中，保持架4的材料选用peek、pa与gf的组合，因而固体润滑脂用量的减小是基于保持架4的选材而实现的，其共同构成了基于“固体润滑材料peek、pa+增强材料gf+少量固体润滑脂”的润滑模式。
59.采用“固体润滑材料peek、pa+增强材料gf+少量固体润滑脂”的润滑模式，并结合密封件5的结构设计，可有效防止轴承内油脂的挥发；作为进一步的优化，少量固体润滑脂采用氟基润滑脂，其内部不使用含金属元素的添加剂，若在小概率下发生轴承内油脂挥发时可避免系统内部造成电堆中毒；不使用含金属元素的添加剂的原因在于，含金属元素添加剂作为催化剂毒物，可以引起系统功率密度降低或停机。
60.关于固体润滑脂，本实施例中采用合成烃油、酯油、醚油及硅油的组合作为基础油，li、na、ba和ca的金属络合物皂及其混合物作为增稠剂，氧化镁和锆酸镁、磺酸盐、琥珀酸酯、亚硝酸盐作为防锈剂，全氟辛基丙烯酸酯作为表面活性剂；其质量比为：基础油56％～72％，增稠剂12％～32％，防锈剂0.5％～2％，表面活性剂0.1％～0.5％。
61.综合上述，本发明可解决如下问题：
62.其一，通过对密封件5材料及结构的改进，配合多唇密封结构51及面接触密封结构52，实现轴承内部腔室的密封；
63.其二，基于密封结构的设计，采用“固体润滑材料peek、pa+增强材料gf+少量固体
润滑脂”的润滑模式，减少甚至防止腔室内部油脂挥发；
64.其三，固体润滑脂的用量减少，以及其配方重组，防止轴承内油脂挥发到系统内部造成电堆中毒；
65.其四，各部件材料的选择，防止轴承锈蚀；其中，内圈1、外圈2采用不锈钢材料，滚动体3采用陶瓷材料，保持架4采用具有自润滑能力的组合材料，以及固体润滑脂中加入防锈剂。
66.关于防松结构6，设置于外圈2外壁处，结合图5、图6所示，防松结构6包括开设于外圈2外壁处的偏心槽61，以及与偏心槽61配合设置并具有弹性变形能力的防松圈62；防松圈62采用弹簧钢制成，呈弓形结构，包括对称设置的第一弧形段621，以及连接一对第一弧形段621的第二弧形段622；常态下，第一弧形段621内壁与偏心槽61内壁相抵，即：第一弧形段621的内径与偏心槽61内壁的外径相等；第二弧形段622的内径小于第一弧形段621的内径，用于实现其凸出设置的效果，进而使得防松圈62在偏心槽61内任意位置处时，第二弧形段622中部均凸出外圈2；结合图7、图8所示，因外圈2的偏心槽61会偏离轴承中心具有最大值及最小值，因此防松圈62在偏心槽61内不同位置也具有不同的凸出距离，如图7所示，当防松圈62(中部位置)处于偏心槽61偏离中心最大值位置处时，其对应的凸出的距离也为最大值(max)，如图8所示，当防松圈62(中部位置)处于偏心槽61偏离中心最小值位置处时，其对应的凸出的距离也为最小值(min)，进而防松圈62因位置调整，使得凸出的距离形成一可调节的范围(min～max)，本实施例中设定该范围为0.1～0.5mm。
67.防松圈62具备三种状态：
68.常态下，防松圈62内壁与偏心槽61任意位置相抵时，最外缘始终凸出外圈2；
69.装配状态下，防松圈62受压，通过弹性变形实现蓄能涨紧；
70.工作状态下，防松圈62在轴承松动过程中与外圈2发生相对运动增加蓄能。
71.在装配时，需将轴承连同防松圈62压装至轴承室内，初始阶段，防松圈62处于偏心槽61偏离中心最小值位置处(图8)，压装完成后，防松圈62会发生弹性变形而实现蓄能(此时防松圈62相对于其他位置的变形能力，图8所示的压装状态下蓄能量最小)，防止在高温运行过程中轴承出现松动；若因高温环境引发轴承出现松动问题，防松圈62与轴承之间会发生相对运动，蓄能量增加，进一步增加防松效果，当防松圈62运行至偏心槽61偏离中心最大值位置处(图7)时，防松圈62的蓄能量达到最大。
72.综合偏心槽61及防松圈62的设计，本发明解决在恶劣的高温环境下，轴承松动的问题，采用具有弹性变形能力的防松圈62，在轴承安装后通过弹性变形蓄能实现防松，并结合偏心槽61的设计，实现防松圈62相较于外圈2发生相对运动时蓄能量的调整，防止在高温运行过程中轴承出现松动。
73.本实施例中以深沟球轴承为例，用以解决轴承的密封及松动问题，当然其应用不仅限于深沟球轴承，还可应用于角接触轴承、调心轴承、圆锥滚子轴承、圆柱滚子轴承，推力球轴承、滚针轴承等。上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明，因此无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是
上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

技术特征：

1.一种用于燃料电池系统氢气循环泵的特殊轴承，包括内圈、外圈、滚动体及保持架，其特征在于：还包括一对密封件；一对所述密封件分设于保持架轴向的两侧，内、外缘分别与内圈及外圈密封配合，并组合形成具有密封性且防止物质挥发的腔室，所述腔室内部构成有自润滑系统；所述自润滑系统包括具有自润滑能力的保持架，以及容纳于腔室内部的固体润滑脂。2.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池系统氢气循环泵的特殊轴承，其特征在于：所述保持架选用peek与pa的组合，或者peek与cf、gf、ptfe的组合，或者peek与pa、gf的组合中的任意一种制成；所述密封件采用fkm材料或fkm改性材料，与内圈之间形成用于接触的第一密封部，与外圈之间形成用于接触的第二密封部，所述第一密封部采用多唇密封结构或面接触密封结构中的任意一种，所述第二密封部采用多唇密封结构或面接触密封结构中与第一密封部相异的另一种。3.根据权利要求2所述的一种用于燃料电池系统氢气循环泵的特殊轴承，其特征在于：所述多唇密封结构包括外伸设置的第一唇口，至少一个第二唇口，以及第三唇口，对应接触的内圈或外圈上具有与第一唇口接触的第一面，与第二唇口接触的第二面，以及与第三唇口接触的第三面；所述第一面、第二面及第三面非同面设置，与第一唇口、第二唇口及第三唇口形成多级密封防泄漏；所述面接触密封结构包括第一密封面及第二密封面，对应接触的内圈或外圈上具有与第一密封面相抵贴合的第四面，以及与第二接触面相抵贴合的第五面；所述第四面与第五面非同面设置，与第一密封面及第二密封面全接触增大接触面积防泄漏。4.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池系统氢气循环泵的特殊轴承，其特征在于：以g为单位的所述固体润滑脂的用量与以ml为单位的腔室体积成正比，比值范围为0.2～0.3。5.根据权利要求1或4所述的一种用于燃料电池系统氢气循环泵的特殊轴承，其特征在于：所述固体润滑脂采用合成烃油、酯油、醚油及硅油的组合作为基础油，li、na、ba和ca的金属络合物皂及其混合物作为增稠剂，氧化镁和锆酸镁、磺酸盐、琥珀酸酯、亚硝酸盐作为防锈剂，全氟辛基丙烯酸酯作为表面活性剂；其质量比为：基础油56％～72％，增稠剂12％～32％，防锈剂0.5％～2％，表面活性剂0.1％～0.5％。6.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池系统氢气循环泵的特殊轴承，其特征在于：所述外圈外壁处还设置有防松结构，所述防松结构包括开设于外圈外壁处的偏心槽，以及与偏心槽配合设置并具有弹性变形能力的防松圈。7.根据权利要求6所述的一种用于燃料电池系统氢气循环泵的特殊轴承，其特征在于：所述防松圈具备三种状态：常态下，所述防松圈内壁与偏心槽任意位置相抵时，最外缘始终凸出外圈；装配状态下，所述防松圈受压，通过弹性变形实现蓄能涨紧；工作状态下，所述防松圈在轴承松动过程中与外圈发生相对运动增加蓄能量。8.根据权利要求7所述的一种用于燃料电池系统氢气循环泵的特殊轴承，其特征在于：所述防松圈呈弓形，包括对称设置的第一弧形段，以及连接一对第一弧形段的第二弧形段；常态下，所述第一弧形段内壁与偏心槽内壁相抵；所述第二弧形段的内径小于第一弧
形段的内径；所述防松圈在偏心槽内任意位置处时，所述第二弧形段中部均凸出外圈，因防松圈位置调整使凸出的距离形成一可调节的范围，该范围为0.1～0.5mm。

技术总结

本发明涉及一种用于燃料电池系统氢气循环泵的特殊轴承，包括内圈、外圈、滚动体、保持架及一对密封件；一对密封件分设于保持架轴向的两侧，内、外缘分别与内圈及外圈密封配合，并组合形成具有密封性的腔室，腔室内部构成有自润滑系统，自润滑系统包括具有自润滑能力的保持架，以及容纳于腔室内部的固体润滑脂，因腔室的密封性防止内部油脂挥发并避免造成电堆中毒；同时，外圈外壁处还设置有防松结构，防松结构包括开设于外圈外壁处的偏心槽，以及与偏心槽配合设置并具有弹性变形能力的防松圈，通过防松圈的弹性变形蓄能，防止在高温运行过程中轴承出现松动。中轴承出现松动。中轴承出现松动。