CN104632893A - 基于疏水界面的多孔水静压轴承结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于疏水界面的多孔水静压轴承结构,包括静压轴瓦和旋转轴，所述旋转轴外面套有静压轴瓦，静压轴瓦的外圆柱面上设有环形的静压水槽。该多孔水静压轴承采用多孔陶瓷材料静压轴瓦和合金材料旋转轴的滑动表面，并在其滑动表面上，通过构建微细粗糙结构界面方式或者修饰低表面能材料界面方式，制备出疏水或超疏水材料界面，减小了高速条件下轴承的摩擦阻力，降低了轴承的摩擦功耗和温升。
Description
技术领域
本发明属于润滑及轴承技术领域，涉及一种基于疏水界面的多孔水静压轴承结构，即在多孔陶瓷材料的静压轴瓦和合金材料的旋转轴的滑动表面，通过构建微米或纳米粗糙结构及修饰低表面能的物质，以形成疏水或超疏水界面，能满足高速水润滑工况下，具有较低的摩擦功耗和轴承温升。
背景技术
水润滑轴承具有高效节能、环境保护、粘-温特性好、温升低等显著特点，应用于船舶、水轮机、水泵、液压元件等产品。近年来，随着工业旋转机械高速、高精度、高刚度等的发展需求，高速水静压轴承成为学术界竞相研究的热点之一，例如：瑞士FISCHER公司与美国IBAG公司已成功研发高速水静压轴承，并应用于高速机床主轴、挤压油膜阻尼器等产品。
常用的水轴承材料有不锈钢、铜、塑料、橡胶、陶瓷等，其中塑料和橡胶容易发生老化和变形，不能满足高速、高刚度、高精度旋转机械的发展要求。目前，带涂层的合金材料轴承是高速水轴承发展的一个重要方向。专利CN1166576A和专利US6176619B1中公开了一种水润滑轴承及水润滑密封件，采用动态离子混合法在轴基底上形成渗氮钛薄膜，轴承采用不脆材料表面形成硬材料薄膜，包括陶瓷薄膜、硬铬电镀膜和硬碳等。然而，高速条件下，阻力与轴颈表面线速度成平方关系，因此，主轴回转时会产生较大的摩擦功耗，导致水轴承发热严重，温升较高，这就限制了水轴承在高速和高精密旋转机械中的应用。
发明内容
本发明克服了上述水静压轴承技术存在的缺陷，提供了一种低摩擦功耗的基于疏水界面的多孔水静压轴承结构，即在多孔陶瓷材料静压轴瓦和合金材料旋转轴的滑动表面，制备疏水或超疏水材料界面。
本发明采用的技术方案为：一种基于疏水界面的多孔水静压轴承结构,包括静压轴瓦和旋转轴，所述旋转轴外面套有静压轴瓦，静压轴瓦的外圆柱面上设有环形的静压水 槽。
所述静压轴瓦的基底材料为多孔陶瓷材料，而轴颈的基底材料为不锈钢材料，并在轴瓦及轴颈的滑动表面上，制备疏水或超疏水材料界面。
作为优选，所述的多孔陶瓷材料，是采用造孔剂法、颗粒堆积法、发泡法、有机泡沫浸渍法、溶胶一凝胶法、凝胶浇注法或相变法等得到分布有大量介孔(孔径50nm-50μm)的全陶瓷结构。
作为优选，所述的疏水或超疏水材料界面，是在轴瓦及轴颈的基底表面上，构建微细粗糙结构界面，或者修饰低表面能材料界面，或者是微细粗糙结构与低表面能材料的复合界面。
作为优选，所述的微细粗糙结构界面，是通过阳极氧化、气相沉积、刻蚀、电化学或模板等方法在旋转轴的滑动表面上构建具有疏水或超疏水性能的微米或纳米粗糙结构；
作为优选，所述的修饰低表面能材料界面，是采用溶胶-凝胶、化学刻蚀或氟化处理等方法在轴瓦和旋转轴的滑动表面上形成低表面能的疏水性材料或物质。
基于疏水界面的多孔水静压轴承的工作原理为：外部高压水首先进入轴瓦上环形的静压供水槽，再通过多孔陶瓷材料内部大量分布的微孔节流器，到达轴瓦与轴颈之间的疏水界面，并在疏水界面的间隙中形成水膜压力分布，依靠水膜压力产生承载能力将轴瓦与轴颈界面完全隔离。当旋转轴高速旋转时，一方面静态的水膜压力实现了完全的流体润滑，降低了轴承温升；另一方面，高速的剪切流流过疏水材料界面时产生滑移现象，流动阻力明显减小，降低了摩擦功耗和轴承的温升。
有益效果：本专利涉及的一种基于疏水界面的多孔水静压轴承结构，具有绿色环保、工艺简便、性价比高、适宜批量生产等特点，制备的疏水或超疏水材料界面与基底金属结合力强，具有良好的减阻性能，能突破高速水静压轴承发热严重的技术难题，满足高速旋转机械支撑部件的设计要求。
附图说明
图1为本发明基于疏水界面的多孔水静压轴承结构示意图。
【附图符号说明】1.多孔水静压轴瓦；2.端盖；3.旋转轴；4.环形静压供水槽；5.疏水材料界面层；6.疏水材料界面层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图1所示：一种基于疏水界面的多孔水静压轴承结构，包括多孔水静压轴瓦1、端盖2和旋转轴3，所述旋转轴3外面套有水静压轴瓦1，水静压轴瓦1的外圆柱面上设有环形的静压供水槽4。
所述水静压轴瓦1采用多孔结构的Al2O3-Cr2O3陶瓷制成，并在其内圆柱面上制备疏水材料界面层5；
所述旋转轴3采用奥氏体不锈钢材料0Cr18Ni9Ti，表面气体渗碳强化处理，并在其外圆柱面上制备疏水材料界面层6；
所述的疏水材料界面层5，是采用电化学刻蚀的表面织构技术，在多孔陶瓷轴瓦的滑动表面上制备出了乳头状微纳仿生结构，再对这些乳头状微纳仿生结构的物质表面进行低表面能氟硅烷修饰，得到具有超双疏性的轴瓦表面，与水和油的接触角均高于150°。
所述的疏水材料界面层6，是采用激光刻蚀或等离子刻蚀技术，在0Cr18Ni9Ti材料的轴颈的滑动表面加工规则排列的微槽，再经氟烷基硅烷表面修饰后，得到超双疏性的轴颈表面，与水和油的接触角均高于150°。
应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现 。
Claims (4)
1.一种基于疏水界面的多孔水静压轴承结构,其特征在于包括多孔陶瓷材料的水静压轴瓦1、端盖2和旋转轴3，并在轴瓦及轴颈的滑动表面上，制备疏水或超疏水材料界面层。
2.根据权利要求1所述的一种基于疏水界面的多孔水静压轴承结构，其特征在于：所述的疏水或超疏水材料界面，是在轴瓦及轴颈的基底表面上，构建微细粗糙结构界面，或者修饰低表面能材料界面，或者是微细粗糙结构与低表面能材料的复合界面。
3.根据权利要求2所述的一种基于疏水界面的多孔水静压轴承结构，其特征在于：所述的微细粗糙结构界面，是通过阳极氧化、气相沉积、刻蚀、电化学或模板等方法在多孔水静压轴承的滑动表面上构建具有疏水或超疏水性能的微米或纳米粗糙结构。
4.根据权利要求2所述的一种基于疏水界面的多孔水静压轴承结构，其特征在于：所述的修饰低表面能材料界面，是采用溶胶-凝胶、化学刻蚀或氟化处理等方法在多孔水静压轴承的滑动表面上形成低表面能的疏水性材料或物质。
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