CN102705372B - 一种改善小滑滚比下线接触流体润滑的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种改善小滑滚比下线接触流体润滑的方法，包括如下步骤：将形成反形接触的两个固体分别设为接触体一与接触体二，控制实际配对的接触体一和接触体二表面的线速度，以及滑滚比值及无量纲滚动速度；在接触体二表面上涂覆亲油涂层；在接触体一与接触体二的间隙中充满润滑油，在所述接触体一和所述接触体二的线接触区控制施加的载荷（w），使其产生的最大赫兹接触压力不大于0.5GPa，从而形成所设计的线接触流体润滑。该种方法可大幅降低接触区摩擦系数，达到有效地降低滚子轴承等小滑滚比下线接触流体润滑摩擦系数、摩擦能耗、摩擦温升并有效提高这些流体润滑品质、承载能力的目的。

Description

一种改善小滑滚比下线接触流体润滑的方法

技术领域

本发明涉及一种线接触流体润滑方法，尤其涉及一种改善小滑滚比下线接触流体润滑的方法。

背景技术

滚子轴承中的流体润滑属于小滑滚比下线接触流体润滑。要求这种润滑摩擦系数低但保持足够承载能力。同时，润滑中的减摩降能耗耐磨损，即足够厚润滑油膜，也是滚子轴承中的关键技术问题，这对于提高滚子轴承润滑品质、工作性能和延长滚子轴承寿命具有重要意义。

   目前，提高滚子轴承减摩耐磨能力、改善其润滑的技术手段有：1、提高套圈和滚子表面硬度；2、精磨套圈滚道，抛光滚子表面；3、增加润滑油粘度；4、润滑油中加极压添加剂。虽然这些技术手段常常能有效降低滚子轴承摩擦系数、减轻滚子轴承磨损、提高滚子轴承承载能力及寿命，但一旦遇到润滑油膜在滚子、套圈滚道表面滑移，就会导致润滑失效、摩擦系数增大、磨损加剧甚至轴承表面胶合，这些技术手段便显得收效甚微。以此，滚子轴承等小滑滚比下线接触流体润滑面临的技术难题是：1、如何防止或控制润滑油膜界面滑移，保证润滑油膜厚度，保证承载能力；2、如何进一步降低润滑摩擦系数、减轻润滑油膜摩擦发热和温升；3、如何减轻润滑表面磨损。

有效解决以上提到的小滑滚比下线接触流体润滑中技术难题的思路是: 1、控制润滑油膜界面滑移，保持甚至提高润滑油膜厚度，即保持甚至提高承载能力；2、使润滑油膜在特定接触表面滑移，降低润滑摩擦系数。

发明内容

针对小滑滚比下线接触流体润滑存在的技术难题，本发明提出一种运用在特定接触表面设计润滑油膜滑移来改善小滑滚比下线接触流体润滑的方法以实现有效地降低滚子轴承等小滑滚比下线接触流体润滑摩擦系数、摩擦能耗、摩擦温升并有效提高这些流体润滑品质、承载能力的目的。

本发明的技术方案为：一种改善小滑滚比下线接触流体润滑的方法，将形成反形接触的两个固体分别设为接触体一与接触体二，所述接触体一与接触体二所形成的线接触区分为润滑入口区（A）和赫兹接触区（B），其特征在于包括如下步骤：

a. 接触体一的表面与接触体二的表面形成线接触区，控制实际配对的接触体一表面的圆周线速度（                                                ）大于实际配对的接触体二表面的圆周线速度（），且滑滚比值S为=，无量纲滚动速度=，其中，是大气压下润滑油粘度；

b. 在接触体二表面上涂覆亲油涂层，提高润滑油-该亲油涂层表面的界面剪切强度，使润滑油膜在该亲油涂层表面上都不发生滑移。

c. 在接触体一与接触体二的间隙中充满润滑油，在所述接触体一和所述接触体二的线接触区控制施加的载荷（w），使其产生的最大赫兹接触压力不大于0.5GPa，从而形成所设计的线接触流体润滑。

进一步改进在于：在接触体一整个表面涂覆一种涂层，使润滑油膜在接触体一的润滑入口区接触表面不发生滑移而使润滑油膜在接触体一的赫兹接触区接触表面发生滑移，具体设置为：在润滑油膜压力较低时，润滑油膜与接触体一的涂层表面间界面剪切强度不随润滑油膜压力变化，取为定值，其无量纲值须满足以下条件：

       

其中，,，，，=，、 是与、、有关的查表可知的无量纲变量，是润滑油的粘度-压力指数，是线接触区的载荷线密度，是线接触流体润滑中心膜厚。

作为本发明的优选实施例：在所述接触体一的表面涂覆的涂层为经硅烷偶联剂改性的云母粉涂层。

所述亲油涂层优选二氧化钛涂层或硅酸铝涂层。

如图1所示，小滑滚比下流体润滑线接触区，任何两个反形接触表面形成的线接触均可等效为一个半径为的弹性圆柱体与一个刚性平面的接触，其中，、分别为两配对表面曲率半径，两接触体综合杨氏弹性模量为，其中，、分别为两配对表面泊松比，、分别为两配对表面杨氏弹性模量。圆柱体的圆周线速度大于平面线速度，且滑滚比值=，这里、分别是两实际配对的反形接触表面圆周线速度。

本发明，接触体一下接触表面与接触体二上接触表面形成线接触区，接触体一表面的圆周线速度大于接触体二表面的运动线速度，滑滚比S为=，无量纲滚动速度=,其中，是大气压下润滑油粘度。接触体一整个表面涂覆以一种涂层以得到一定的润滑入口区和赫兹接触区润滑油-接触表面界面剪切强度，从而使润滑油膜在接触体一的润滑入口区接触表面不发生滑移而使润滑油膜在接触体一的赫兹接触区接触表面发生滑移。在接触体二表面上可涂覆以另一种亲油涂层以得到高的润滑油-接触表面界面剪切强度，从而使润滑油膜在接触体二整个接触表面上都不发生滑移。在两接触表面间充满润滑油。施加在线接触区的载荷w为偏轻载荷，产生的最大赫兹接触压力不大于0.5GPa。这样就得到本发明设计的线接触流体润滑。与同等条件下传统线接触流体润滑相比，较轻载荷下本发明设计的线接触流体润滑具有摩擦系数较低而承载能力却有增大的优点。

本发明中，在较低润滑油膜压力下，润滑油膜与接触体一的涂层表面间界面剪切强度不随润滑油膜压力变化，可取为定值，其无量纲值须满足以下条件：

        式（1）

其中，,，，，=， 和  是查表可知的与、、有关的无量纲变量。这里，是润滑油的粘度-压力指数，是线接触区的载荷线密度，如图1所示是本发明线接触流体润滑中心膜厚。

本发明设计的线接触流体润滑无量纲中心膜厚由下式计算：

当 时，

  式（2）。

  本发明中接触体一接触表面摩擦系数为：

         式（3），

接触体二接触表面摩擦系数为。

本发明的原理说明如下：

如图1所示，当润滑油与接触体二接触表面界面剪切强度较高时，接触体二接触表面处润滑油膜剪应力低于该界面剪切强度，润滑油膜在接触体二接触表面处不发生滑移，润滑油膜在接触体二接触表面处运动速度即为接触体二线速度。当赫兹接触区润滑油与接触体一接触表面界面剪切强度低时，赫兹接触区接触体一接触表面处润滑油膜剪应力大于该界面剪切强度，从而使润滑油膜在赫兹接触区接触体一接触表面处发生滑移。在线接触区的赫兹接触区中，当滚动速度较低时，由于润滑油膜压力较大，润滑油膜粘度较高，因而由油压梯度引起的润滑油的流动可忽略不计，故在赫兹接触区润滑油的流动可认为是由于接触表面牵引运动引起的库埃特流动，即Couette流动。在赫兹接触区，由于润滑油膜粘度较高且润滑油与接触体一接触表面界面剪切强度低，故在该区接触体一接触表面处润滑油膜运动速度约等于接触体二线速度。

如图1所示，在线接触区润滑入口区，由于润滑油膜在接触体一接触表面处不发生滑移，故在该接触表面处润滑油膜运动速度即为接触体一圆周线速度；而在接触体二接触表面处，由于润滑油膜不滑移，润滑油膜运动速度等于接触体二线速度。由于>，这样就使得流入赫兹接触区的润滑油流量大于流出赫兹接触区的润滑油流量，从而迫使赫兹接触区及润滑入口区润滑油膜压力升高以产生相应压力梯度流动来维持赫兹接触区流体流量平衡，这就使接触区承载能力得到提高。 

本发明中线接触区润滑入口区无量纲雷诺方程是： 

                    式（4）

其中，，,,，是赫兹接触半宽，是润滑膜厚，是润滑油膜压力。求解式（4）方程可得上文中式（2）的计算式，即

当 时，

  式（2）。

在滚滑条件下，线接触区摩擦阻力主要来自赫兹接触区，故本发明中接触体一接触表面处摩擦力为：

                           式（5）

因此接触体一接触表面处摩擦系数为：

     式（6）

在滚动速度较低、载荷较轻时，由于赫兹接触区润滑油膜压力分布的对称性，故赫兹接触区接触体一接触表面处摩擦力与接触体二接触表面处摩擦力接近相等，故接触体二接触表面处摩擦系数为。

传统的线接触流体润滑中，载荷较轻时的无量纲中心膜厚由下式计算:

当 且 时，    式（7）

其中，是最大赫兹接触压力, 是当两接触表面处均不出现润滑膜滑移时线接触流体润滑无量纲中心膜厚。

传统的线接触流体润滑中，滚滑条件下润滑油膜在赫兹接触区几乎整个接触表面上均发生滑移，故接触体一接触表面处摩擦力与接触体二接触表面处摩擦力接近相等，均为：

                       式（8）

其中，是传统的线接触流体润滑在低压下润滑油膜与接触表面界面剪切强度，为一常数，故得出传统的线接触流体润滑在滚滑条件且载荷较轻时接触体一接触表面与接触体二接触表面摩擦系数为：

                         式（9）

其中，。 

对于给定的工况，比较本发明与传统的线接触流体润滑接触表面摩擦系数，即比较式（6）和式（9）的计算结果，及比较本发明与传统的线接触流体润滑无量纲中心膜厚，即比较式（2）和式（7）的计算结果，可知，小滑滚比下较轻载荷下本发明设计的线接触流体润滑摩擦系数比同等条件下传统线接触流体润滑摩擦系数低得多，同时，本发明设计的线接触流体润滑承载能力比同等条件下传统线接触流体润滑承载能力要大。这表明了小滑滚比下较轻载荷下本发明设计的线接触流体润滑具有低摩擦系数和较高承载能力的优点，能克服上述滚子轴承中润滑难题，具有较高的工程应用价值。

图2 给出本发明设计的线接触流体润滑无量纲中心膜厚及其与同等条件下传统线接触流体润滑无量纲中心膜厚的比较。从图中看出，本发明设计的线接触流体润滑无量纲中心膜厚比同等条件下传统线接触流体润滑无量纲中心膜厚要大。这表明同等条件下小滑滚比下本发明设计的线接触流体润滑比传统线接触流体润滑具有更大的承载能力，滑滚比越大，这种效果越显著。

图3给出在时，本发明设计的线接触流体润滑两接触表面摩擦系数 、及其与同等条件下传统线接触流体润滑两接触表面摩擦系数、的比较。从图中看出，本发明设计的线接触流体润滑两接触表面摩擦系数比同等条件下传统线接触流体润滑摩擦系数低很多。

图2和图3表明小滑滚比下本发明设计的线接触流体润滑不仅具有较低的摩擦系数，还具有较大润滑油膜厚度，较高的承载能力。这表明本发明设计的线接触流体润滑在工程中具有重要的应用价值。

本发明设计小滑滚比下线接触流体润滑，在赫兹接触区运动较快的接触表面上，设计润滑油与接触表面滑移界面，即图1中的界面II，使润滑油膜在该接触表面上发生滑移；在润滑入口区运动较快的接触表面上设计润滑油与接触表面粘着界面，即图1中的界面I，使润滑油膜在该部分接触表面上不发生滑移；在运动较慢的整个接触表面上设计润滑油与接触表面粘着界面，即图1中的界面III，使润滑油膜在该整个接触表面上均不发生滑移。较低滚动速度、较轻载荷和小滑滚比下本发明设计的线接触流体润滑比同等条件下传统线接触流体润滑具有更大的承载能力，即润滑油膜厚度更大，但它的摩擦系数值却比传统线接触流体润滑摩擦系数值低很多。这表明了本发明设计的线接触流体润滑的重要应用价值。

本发明的有益效果是：本发明一种改善小滑滚比下线接触流体润滑的方法，比同等条件下传统线接触流体润滑具有更大的承载能力，即润滑油膜厚度更大，但它的摩擦系数值却比传统线接触流体润滑摩擦系数值低很多。这表明了本发明设计的线接触流体润滑的重要应用价值。运用本发明提出的方法不仅可大幅降低接触区摩擦系数，还可不降低甚至提高接触区润滑油膜承载能力，达到有效地降低滚子轴承等小滑滚比下线接触流体润滑摩擦系数、摩擦能耗、摩擦温升并有效提高这些流体润滑品质、承载能力，改善滚子轴承润滑质量，显著提高滚子轴承减摩抗磨能力并延长其寿命。

附图说明

图1是本发明小滑滚比下流体润滑线接触区的说明示意图； 

图2是本发明与传统的线接触流体润滑的无量纲中心膜厚在同等条件下的比较示意图；

图3是本发明与传统的线接触流体润滑的接触体一、接触体二的接触表面摩擦系数在同等条件下的比较示意图；

其中，A-润滑入口区，B-赫兹接触区，界面I-润滑油与接触体一的润滑入口区接触表面形成的粘着界面，界面II-润滑油与接触体一的赫兹接触区接触表面形成的滑移界面，界面III-润滑油与接触体二整个接触表面形成的粘着界面。

具体实施方式

下面详细说明本发明的优选实施例。

一种改善小滑滚比下线接触流体润滑的方法，包括如下步骤：

a. 接触体一上接触表面与接触体二上接触表面形成线接触区，接触体一表面的圆周线速度大于接触体二表面的运动线速度，滑滚比S为=，无量纲滚动速度=,其中，是大气压下润滑油粘度；

b. 所述线接触区包括润滑入口区A和赫兹接触区B，接触体一整个表面涂覆以一种涂层以得到润滑入口区A和赫兹接触区B润滑油-接触表面界面剪切强度，在润滑油膜压力较低时，润滑油膜与接触体一的涂层表面间界面剪切强度不随润滑油膜压力变化，取为定值，其无量纲值须满足以下条件：

       式（1）

其中，,，，，=，、 是与、、有关的查表可知的无量纲变量，是润滑油的粘度-压力指数，是线接触区的载荷线密度，是线接触流体润滑中心膜厚，线接触流体润滑无量纲中心膜厚由下式计算：

当 时，

  式（2）;

c. 在接触体一与接触体二的间隙中充满润滑油，在线接触区施加的载荷w产生的最大赫兹接触压力不大于0.5GPa，得到所设计的线接触流体润滑。

实施例：接触体一和接触体二均由钢材制成，润滑油为50号机械油，，，，当时：

当、、时，在接触体一整个表面上涂覆以经硅烷偶联剂改性的云母粉涂层，可获得，本发明线接触流体润滑中心膜厚为，两接触表面摩擦系数为==。如图2所示，本发明线接触流体润滑中心膜厚小于传统的线接触流体润滑中心膜厚。如图3所示，本发明线接触流体润滑接触表面摩擦系数小于传统的线接触流体润滑接触表面摩擦系数。

当、、时，在接触体一整个表面上涂覆以经硅烷偶联剂改性的云母粉涂层，可获得，本发明线接触流体润滑中心膜厚为，两接触表面摩擦系数为==。如图2所示，本发明线接触流体润滑中心膜厚小于传统的线接触流体润滑中心膜厚。如图3所示，本发明线接触流体润滑接触表面摩擦系数小于传统的线接触流体润滑接触表面摩擦系数。

当、、时，在接触体一整个表面上涂覆以经硅烷偶联剂改性的云母粉涂层，可获得，本发明线接触流体润滑中心膜厚为，两接触表面摩擦系数为==。如图2所示，本发明线接触流体润滑中心膜厚小于传统的线接触流体润滑中心膜厚。如图3所示，本发明线接触流体润滑接触表面摩擦系数小于传统的线接触流体润滑接触表面摩擦系数。

本实施例的优点：

（1）不采用传统流体润滑技术，而是分别在两接触表面上一定区域设计润滑油膜粘着界面和滑移界面，可显著降低线接触流体润滑摩擦系数，同时增大接触区承载能力。运用本发明技术可显著改善小滑滚比下线接触流体润滑质量。

（2）本发明技术实现方法简单，成本低廉。

（3）本发明设计的线接触流体润滑结构简单紧凑。

（4）本发明技术效果显著，对于工程实际有重要应用价值。

本实施例的有益效果是：本发明一种改善小滑滚比下线接触流体润滑的方法，比同等条件下传统线接触流体润滑具有更大的承载能力，即润滑油膜厚度更大，但它的摩擦系数值却比传统线接触流体润滑摩擦系数值低很多。这表明了本发明设计的线接触流体润滑的重要应用价值。运用本发明提出的方法不仅可大幅降低接触区摩擦系数，还可不降低甚至提高接触区润滑油膜承载能力，达到有效地降低滚子轴承等小滑滚比下线接触流体润滑摩擦系数、摩擦能耗、摩擦温升并有效提高这些流体润滑品质、承载能力，改善滚子轴承润滑质量，显著提高滚子轴承减摩抗磨能力并延长其寿命。

 本发明中的图1为两个反形接触表面形成的线接触可等效成的一种形式，其还可等效成两个弹性圆柱体的接触等，同样适用于本方法，本发明中的涂层只要符合上述原理和剪切强度都可以适用，故该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

Claims (3)

1.一种改善小滑滚比下线接触流体润滑的方法，将形成反形接触的两个固体分别设为接触体一与接触体二，所述接触体一与接触体二所形成的线接触区分为润滑入口区（A）和赫兹接触区（B），其特征在于包括如下步骤：

a. 接触体一的表面与接触体二的表面形成线接触区，控制实际配对的接触体一表面的圆周线速度（                                               ）大于实际配对的接触体二表面的圆周线速度（），且滑滚比值S为=，无量纲滚动速度=，其中，是大气压下润滑油粘度，是2倍的两接触体综合杨氏弹性模量，其中，、分别为两配对表面泊松比，、分别为两配对表面杨氏弹性模量，，、分别为两配对表面曲率半径；

b. 在接触体一整个表面涂覆一种涂层，使润滑油膜在接触体一的润滑入口区接触表面不发生滑移而使润滑油膜在接触体一的赫兹接触区接触表面发生滑移，具体设置为：在润滑油膜压力较低时，润滑油膜与接触体一的涂层表面间界面剪切强度不随润滑油膜压力变化，取为定值，其无量纲值须满足以下条件：

       

其中，, ，，，=，、 是与、、有关的查表可知的无量纲变量，是润滑油的粘度-压力指数，是线接触区的载荷线密度，是线接触流体润滑中心膜厚；

在接触体二表面上涂覆亲油涂层，提高润滑油-该亲油涂层表面的界面剪切强度，使润滑油膜在该亲油涂层表面上都不发生滑移；

c. 在接触体一与接触体二的间隙中充满润滑油，在所述接触体一和所述接触体二的线接触区控制施加的载荷（w），使其产生的最大赫兹接触压力不大于0.5GPa，从而形成所设计的线接触流体润滑。

2.如权利要求1所述的一种改善小滑滚比下线接触流体润滑的方法，其特征在于：在所述接触体一的表面涂覆的涂层为经硅烷偶联剂改性的云母粉涂层。

3.如权利要求1所述的一种改善小滑滚比下线接触流体润滑的方法，其特征在于：所述亲油涂层为二氧化钛涂层或硅酸铝涂层。