CN101265942A - 运用界面滑移技术的推力轴承 - Google Patents

Abstract

本发明是一种运用界面滑移技术的推力轴承，其特征在于，它包括相互平行的一块静止平板和一块运动平板，在静止平板和运动平板之间的间隙中充满流体润滑油，在静止平板的部分表面上设有II涂层，剩余表面上设有I涂层，在运动平板的表面上设有III涂层，这样静止平板和运动平板之间一定的相对运动就使这两块平板组成推力轴承；所述的I涂层为氟碳涂层；所述的II涂层和III涂层为经硅烷偶联剂改性的云母粉涂层。本发明轴承实现方法简单，具有一定承载能力和较好减摩、耐磨性能，无需对配合表面进行几何形状加工，结构简单紧凑，尺寸较小，制造成本较低，可以替代传统流体动压润滑推力滑动轴承用于承载。

Description

运用界面滑移技术的推力轴承

技术领域

本发明涉及一种轴承，特别是一种运用界面滑移技术的推力轴承。

背景技术

轴承是用来支承轴类零件的重要机械部件。轴承分滑动轴承和滚动轴承两种。对于轴承有以下主要性能要求：支承精度、支承刚度、低摩擦系数和耐磨损。这就要求轴承是一种很精密的机械部件，还要求它有足够大的承载能力。为了达到好的减摩和耐磨性能，还需要轴承具有较好的润滑性能。发展至今，虽然轴承技术比较成熟，但均建立在传统的润滑理论基础上。目前，滚动轴承和滑动轴承各应用于不同场合，各有其优势。由于本发明涉及的是滑动轴承，现将现有滑动轴承类型和技术归纳如下：

从润滑机理上，滑动轴承分为混合摩擦滑动轴承和流体润滑滑动轴承两种。前者依靠边界吸附膜和流体动压效应实现润滑，用于低速、轻载和不重要场合；后者依靠流体膜实现润滑，用于重要场合，应用更为广泛。流体润滑滑动轴承是滑动轴承的主体，又分为流体动压润滑滑动轴承和流体静压润滑滑动轴承两种。流体静压润滑滑动轴承依靠外界液压系统供油，靠油压支承载荷，靠液压油进行润滑，制造精度高、结构较复杂、成本较高，用于要求支承刚度大、支承精度高和承载能力大的重要场合。流体动压润滑滑动轴承依靠流体动压效应实现润滑，具有结构较简单、成本较低、性能较好的优点，是一种应用更为广泛和常见的滑动轴承。它又分为流体动压润滑向心滑动轴承和流体动压润滑推力滑动轴承两种。前者用于支承径向载荷，后者用于支承轴向载荷。以下介绍现有主要流体动压润滑推力滑动轴承类型及其特点。

1、倾斜平面固定瓦块轴承。见图2。这种轴承依靠上下两表面间形成的收敛间隙和这两个表面间的相对运动实现流体动压效应，从而实现润滑。这种轴承有较大承载能力，有较好减摩和耐磨性能。

2、锯齿形瓦块轴承。见图3。这种轴承的工作和润滑机理同上一种轴承。在相同条件下它的承载能力比上一种轴承低得多。

3、斜面平台瓦块轴承。见图4。这种轴承的工作和润滑机理同上两种轴承。在相同工况下它的最大承载量比倾斜平面固定瓦块轴承的最大承载量高出20％。

4、瑞利阶梯轴承。见图5。这种轴承的工作和润滑机理同前面轴承。相比于前面三种轴承，在相同工况下它的最大承载量最高，比倾斜平面固定瓦块轴承的最大承载量高出28％。

以上四种轴承均为常见的流体动压润滑推力滑动轴承。它们是推力滑动轴承的主体，在工程上受到广泛应用。润滑技术是这些轴承的核心技术。它们均是基于流体动压效应实现润滑。在这些轴承中，润滑膜较厚，且必须建立在上下表面的收敛间隙中，为此需要加工出相应的上表面或下表面的几何形状。这些轴承具有外观尺寸比较大、需要较大量的供油和制造成本较高的缺陷。

按照上面所示的传统轴承技术，流体动压润滑必须在上下表面间的收敛间隙中形成，在两平行的表面间是不可能形成流体动压润滑的。因此，根据这种轴承技术，两平行固体表面不能形成轴承，它们之间不能形成充分的润滑，不具有足够大的承载能力，不具备较好的减摩和耐磨性能。实际上，根据传统技术，流体动压润滑滑动轴承不由两平行固体表面组成。这就要求对于形成这种轴承的上表面或下表面进行较高精度的加工以获得轴承的表面几何形状。这不仅增加了轴承的加工成本，还使轴承的外观尺寸增大。总之，平行表面轴承即平板轴承是传统流体动压润滑轴承技术不能涉足的禁区。这是这种轴承技术的显著缺陷。它限制了流体动压润滑轴承的应用，使得这种轴承的结构和尺寸变得繁杂起来。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种具有可观承载能力和较好减摩、耐磨性能的运用界面滑移技术的推力轴承。

本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本发明是一种运用界面滑移技术的推力轴承，其特点是，它包括相互平行的一块静止平板和一块运动平板，在静止平板和运动平板之间的间隙中充满流体润滑油，在静止平板的部分表面上设有II涂层，剩余表面上设有I涂层，在运动平板的表面上设有III涂层，这样静止平板和运动平板之间一定的相对运动就使这两块平板组成推力轴承；所述的I涂层为氟碳涂层；所述的II涂层和III涂层为经硅烷偶联剂改性的云母粉涂层。

本发明技术方案中所述的云母粉可以为现有技术中所公开的任何一种天然开采或经人工加工处理的云母粉；所述的氟碳涂层可以为现有技术中所公开的任何一种氟碳涂层。本发明所述云母粉涂层的改性可以采用现有技术中常规的改性方法进行，优选下述技术方案进行改性。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。以上所述的推力轴承，其特点是，所述的II涂层或III涂层采用以下方法制得：将硅烷偶联剂加入有机溶剂中，配成浓度为0.1-0.3％的溶液，以硅烷偶联剂与云母粉重量比为1-2∶100的比例将云母粉加入溶液中，混合均匀后将混合物涂在静止平板或运动平板的表面，风干后形成涂层。

在上述技术方案中，所述的有机溶剂可以为适用的常规有机溶剂，优选乙醇或甲苯。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。以上所述的推力轴承，其特点是，静止平板和运动平板之间的间隙为0.02-100微米。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。以上所述的推力轴承，其特点是，静止平板和运动平板之间的间隙为10微米。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。以上所述的推力轴承，其特点是，静止平板上I涂层的宽度与II涂层的宽度相等，各为静止平板总宽度的一半。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。以上所述的推力轴承，其特点是，所述的I涂层、II涂层、III涂层的厚度为0.04-0.08毫米。

本发明技术方案中所述的硅烷偶联剂可以为现有技术中所公开的任何一种硅烷偶联剂，优选γ-(2，3环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷，也即硅烷偶联剂KH560。

本发明技术方案中所述的润滑油可以为常规的润滑油，优选石蜡油。

根据已往建立的界面滑移理论，在本发明设计的轴承中，由于I涂层与润滑油间的界面滑移(由该界面处剪应力达到该界面剪切强度引起)，I涂层与III涂层间的润滑油流量小于II涂层与III涂层间的润滑油流量。这样，按照本发明方法，当两块平板间发生相对运动时，若两平板间隙中流体膜内无压力产生，则两块平板间流体的流动为Couette流动(见流体力学)。这种流动仅由两平板表面间的相对运动速度引起，其流量为ρUh(1-ε)/2，此处ρ为流体密度，ε为界面滑移率(h为两平板涂层间的间隙值)。对于I涂层与III涂层间的润滑油，0＜ε＜1；对于II涂层与III涂层间的润滑油，ε＝0。这样，根据上面所述，II涂层与III涂层间润滑油的Couette流动流量比I涂层与III涂层间润滑油的Couette流动流量要大。若两平板涂层间隙中润滑膜内无压力产生，则两平板涂层间隙中润滑油的流量不能平衡，润滑油的流动不满足连续流动的条件。这显然是不现实的。为使两平板涂层间隙中截面上润滑油的流量处处相等，满足润滑油连续流动条件，两平板涂层间隙中润滑膜内必须建立压力，产生压力梯度流动(即Poiseuille流动，见流体力学)。这样，润滑油在平板涂层间隙中的流动才能满足连续条件。换句话说，在本发明设计的轴承中，由于润滑油流动的连续性要求，平板涂层间隙中润滑膜内必然要建立压力，这个压力用来平衡外界载荷。这样本发明设计的轴承就具有承载能力。这就是本轴承的润滑和工作机理。

图1给出了本发明设计的推力轴承的原理图。图1中，U：运动平板相对于静止平板的运动速度，U的方向为由II涂层指向I涂层(如图1所示)；w：支承载荷，l₁：静止平板上I涂层的宽度，1₂：静止平板上II涂层的宽度。润滑油和I涂层间界面吸附强度和剪切强度较低，工作时润滑油在I涂层表面上滑移。润滑油和II涂层间界面吸附强度和剪切强度较高，工作时润滑油在II涂层表面上不滑移。润滑油和III涂层间界面吸附强度和剪切强度较高，工作时润滑油在III涂层表面上不滑移。

如图1所示，本发明轴承的单位长度量纲承载量为：

$w=\frac{3}{\mathrm{\ψ}+4}(\mathrm{U\η}\frac{l_1}{h^2}-{\mathrm{\τ}}_s\frac{l_1}{h})(l_1+l_2)---\left(1\right)$

η为润滑油粘度，h为两平板涂层间的间隙值，ψ＝l₁/l₂，τ_s为I涂层与润滑油间界面剪切强度，且τ_s需处于以下取值范围：τ_s＜Uη/h。

图6给出本发明设计的轴承无量纲承载量W与I涂层和润滑油间界面无量纲剪切强度T的关系。此处，W定义为 $W=w(\mathrm{\ψ}+4)\mathrm{\ψ}{h}^2/\left[3(\mathrm{\ψ}+1)\mathrm{U\η}{l}_1^2\right],$ T定义为T＝τ_sh/(Uη)。从图中看出，轴承的承载量受控于T值。当T＝1也就是润滑油在I涂层表面上不发生滑移时，W＝0，轴承没有承载能力。轴承的承载量受T值的影响显著，随T值的增大而线性减小。

本发明运用界面滑移技术，采用表面涂层方法设计出推力平板滑动轴承。它使得传统认为不能实现的流体动压润滑平板滑动轴承得以实现。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)设计出具有一定承载能力和较好减摩、耐磨性能的推力平板滑动轴承；(2)本发明轴承的实现方法简单；(3)本发明轴承无需对配合表面进行几何形状加工，结构简单紧凑，尺寸较小；(4)制造成本较低；(5)本发明轴承可以替代传统流体动压润滑推力滑动轴承用于承载；(6)本发明轴承在只能使用平板滑动轴承的场合可得到专门应用，发挥出特有的应用价值。

附图说明

图1为本发明推力轴承的原理图。

图2为倾斜平面固定瓦块轴承的原理图。图中：U为上表面相对于下表面的运动速度；W为支承载荷；a为上表面，b为下表面，上下表面a、b间充满流体，(图3-图5相同)。

图3为锯齿形瓦块轴承的原理图。

图4为斜面平台瓦块轴承的原理图。

图5为瑞利阶梯轴承的原理图。

图6为本发明轴承无量纲承载量W与I涂层和润滑油间界面无量纲剪切强度T的关系图。

具体实施方式

以下参照附图，进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，而不构成对其权利的限制。

实施例1。参照图1。一种运用界面滑移技术的推力轴承，它包括相互平行的一块静止平板5和一块运动平板4，在静止平板5和运动平板4之间的间隙中充满流体润滑油，在静止平板5的部分下表面上设有II涂层2，剩余下表面上设有I涂层1，在运动平板4的上表面上设有III涂层3，这样静止平板5和运动平板4之间一定的相对运动就使这两块平板组成推力轴承；所述的I涂层1为氟碳涂层；所述的II涂层2和III涂层3为经硅烷偶联剂改性的云母粉涂层。

实施例2。实施例1所述的推力轴承中，所述的II涂层2或III涂层3采用以下方法制得：将硅烷偶联剂加入有机溶剂中，配成浓度为0.1％的溶液，以硅烷偶联剂与云母粉重量比为1∶100的比例将云母粉加入溶液中，混合均匀后将混合物涂在静止平板5或运动平板4的表面，风干后形成涂层。

实施例3。实施例1所述的推力轴承中，所述的II涂层2或III涂层3采用以下方法制得：将硅烷偶联剂加入有机溶剂中，配成浓度为0.3％的溶液，以硅烷偶联剂与云母粉重量比为2∶100的比例将云母粉加入溶液中，混合均匀后将混合物涂在静止平板5或运动平板4的表面，风干后形成涂层。

实施例4。实施例1所述的推力轴承中，所述的II涂层2或III涂层3采用以下方法制得：将硅烷偶联剂加入有机溶剂中，配成浓度为0.2％的溶液，以硅烷偶联剂与云母粉重量比为1.5∶100的比例将云母粉加入溶液中，混合均匀后将混合物涂在静止平板5或运动平板4的表面，风干后形成涂层。

实施例5。实施例2或3或4所述的推力轴承中，所述的有机溶剂为乙醇。

实施例6。实施例2或3或4所述的推力轴承中，所述的有机溶剂为甲苯。

实施例7。实施例1-6任何一项所述的推力轴承中，静止平板5和运动平板4之间的间隙为0.02微米。

实施例8。实施例1-6任何一项所述的推力轴承中，静止平板5和运动平板4之间的间隙为100微米。

实施例9。实施例1-6任何一项所述的推力轴承中，静止平板5和运动平板4之间的间隙为10微米。

实施例10。实施例1-6任何一项所述的推力轴承中，静止平板5和运动平板4之间的间隙为0.5微米。

实施例11。实施例1-6任何一项所述的推力轴承中，静止平板5和运动平板4之间的间隙为30微米。

实施例12。实施例1-6任何一项所述的推力轴承中，静止平板5和运动平板4之间的间隙为70微米。

实施例13。实施例1-12任何一项所述的推力轴承中，静止平板5上I涂层1的宽度与II涂层2的宽度相等，各为静止平板5总宽度的一半。

实施例14。实施例1-13任何一项所述的推力轴承中，所述的硅烷偶联剂为γ-(2，3环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷。

实施例15。实施例1-14任何一项所述的推力轴承中，所述的润滑油为石蜡油。

实施例16。实施例1-15任何一项所述的推力轴承中，所述的I涂层1、II涂层2、III涂层3的厚度为0.04毫米。

实施例17。实施例1-15任何一项所述的推力轴承中，所述的I涂层1、II涂层2、III涂层3的厚度为0.08毫米。

实施例18。实施例1-15任何一项所述的推力轴承中，所述的I涂层1、II涂层2、III涂层3的厚度为0.06毫米。

实施例19。参照图1。对于两块钢制平板，II涂层2可为经硅烷偶联剂改性的云母粉涂层，III涂层3也可为经硅烷偶联剂改性的云母粉涂层，这两种涂层具有很强的亲油性；I涂层1可为氟碳涂层，这种涂层具有很强的憎油性。当润滑油为普通石蜡油时，在常温常压下润滑油和氟碳涂层间界面剪切强度约为0.05MPa，润滑油和经硅烷偶联剂改性的云母粉涂层间界面剪切强度约为1MPa。(1)当l1＝10mm，l2＝10mm，U＝10m/s，h＝10μm，η＝0.1Pa·s时，得到的本发明轴承单位长度量纲承载量为w＝6×10⁵N/m。(2)其它条件不变，当l₁＝5mm，l₂＝5mm时，得到的本发明轴承单位长度量纲承载量为w＝1.5×10⁵N/m。(3)其它条件不变，当l₁＝3mm，l₂＝3mm时，得到的本发明轴承单位长度量纲承载量为w＝5.4×10⁴N/m。(4)其它条件不变，当l₁＝8mm，l₂＝8mm时，得到的本发明轴承单位长度量纲承载量为w＝3.84×10⁵N/m)

Claims (9)

1、一种运用界面滑移技术的推力轴承，其特征在于，它包括相互平行的一块静止平板(5)和一块运动平板(4)，在静止平板(5)和运动平板(4)之间的间隙中充满流体润滑油，在静止平板(5)的部分下表面上设有II涂层(2)，剩余下表面上设有I涂层(1)，在运动平板(4)的上表面上设有III涂层(3)，这样静止平板(5)和运动平板(4)之间一定的相对运动就使这两块平板组成推力轴承；所述的I涂层(1)为氟碳涂层；所述的II涂层(2)和III涂层(3)为经硅烷偶联剂改性的云母粉涂层。

2、根据权利要求1所述的推力轴承，其特征在于，所述的II涂层(2)或III涂层(3)采用以下方法制得：将硅烷偶联剂加入有机溶剂中，配成浓度为0.1-0.3％的溶液，以硅烷偶联剂与云母粉重量比为1-2∶100的比例将云母粉加入溶液中，混合均匀后将混合物涂在静止平板(5)或运动平板(4)的表面，风干后形成涂层。

3、根据权利要求2所述的推力轴承，其特征在于，所述的有机溶剂为乙醇或甲苯。

4、根据权利要求1所述的推力轴承，其特征在于，静止平板(5)和运动平板(4)之间的间隙为0.02-100微米。

5、根据权利要求1所述的推力轴承，其特征在于，静止平板(5)和运动平板(4)之间的间隙为10微米。

6、根据权利要求1所述的推力轴承，其特征在于，静止平板(5)上I涂层(1)的宽度与II涂层(2)的宽度相等，各为静止平板(5)总宽度的一半。

7、根据权利要求1-6中任何一项所述的推力轴承，其特征在于，所述的I涂层(1)、II涂层(2)、III涂层(3)的厚度为0.04-0.08毫米。

8、根据权利要求1-6中任何一项所述的推力轴承，其特征在于，所述的硅烷偶联剂为γ-(2，3环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷。

9、根据权利要求1-6中任何一项所述的推力轴承，其特征在于，所述的润滑油为石蜡油。

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