CN106763196A - 一种基于仿生硅藻壳体双层微造型结构的滑动轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于仿生硅藻壳体双层微造型结构的滑动轴承，属于滑动轴承技术领域，包括对合连接的上轴瓦和下轴瓦，上轴瓦顶部设有油孔，下轴瓦内壁局部上设有仿生硅藻壳体结构的微造型区域，微造型区域由若干个内凹的双层微造型结构沿着下轴瓦的周向和轴向上呈矩阵式排列而成，单个双层微造型结构为一大一小的两个凹槽，两个凹槽呈阶梯状分布，较小的凹槽位于较大的凹槽的底部中央。本发明滑动轴承中双层微造型结构具有形式简单且规则、易于加工等优点。同时，通过增设类硅藻壳体多级孔结构的双层微造型，可提高滑动轴承的油膜承载能力，减小其摩擦力及摩擦系数，进而减小摩擦力矩、摩擦功耗、磨损量以及噪音，并可有效延长滑动轴承的使用寿命。

Description

一种基于仿生硅藻壳体双层微造型结构的滑动轴承

技术领域

本发明属于滑动轴承技术领域，具体涉及一种基于仿生硅藻壳体双层微造型结构的滑动轴承。

背景技术

滑动轴承作为一种重要的传动零件，广泛应用于发动机、汽轮机、风力发电机等机械设备的传动系统中。然而，在所有机械设备的动力传输过程中必然伴随有摩擦磨损。在传统的滑动轴承使用过程中，常会因为润滑剂的承载能力不足、摩擦力和摩擦系数过大，导致轴颈与轴承发生摩擦磨损引起轴承过早的失效，进而导致机器设备停止运转。已有研究及应用表明表面微造型可以增大润滑剂压力，提高表面承载力，例如CN204729464所公开的一种涡轮增压器止推轴承，该专利在止推轴承的涡、压端面上设置有若干个大小不等、疏密错落布置的半球型微造型结构，提高了端面承载能力；例如CN205260608所公开的一种关节球轴承，其在球轴承关节球外表面上加工有表面微造型；例如CN105402251所公开的一种平箔片以及织构化波箔动压气体推力轴承，该轴承所用的平箔片为表面加工有若干微型凹坑的织构化平箔片。上述三者均为表面微造型在不同种类轴承中的应用，在加入微造型后，轴承的摩擦学性能如承载能力、耐磨性等均得到提升。由于上述专利中的微造型均为单层孔结构，孔形状结构单一，且每个微孔只能产生一次动压效应，这使得单层微造型在增强滑动轴承承载力、减小摩擦力和摩擦系数、减少摩擦磨损、降低能耗、延长使用寿命方面性能仍不够突出。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：如何提供一种能够提高滑动轴承承载能力、减少摩擦力及摩擦系数、降低能耗、延长轴承使用寿命的仿生硅藻壳体双层微造型结构的滑动轴承。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明一种基于仿生硅藻壳体双层微造型结构的滑动轴承，包括对合连接的上轴瓦和下轴瓦，所述上轴瓦顶部设有油孔，所述下轴瓦内壁局部上设有仿生硅藻壳体结构的微造型区域，所述微造型区域由若干个内凹的双层微造型结构沿着所述下轴瓦的周向和轴向上呈矩阵式排列而成，单个所述双层微造型结构为一大一小的两个凹槽，两个凹槽呈阶梯状分布，较小的凹槽位于较大的凹槽的底部中央。

进一步，所述上轴瓦内壁的轴向方向上设有与油孔连通的条形油槽，所述条形油槽的断面呈矩形、梯形、拱形或U形。

进一步，所述微造型区域由与竖直方向呈θ₁度的起角位和在径向方向上远离θ₁且与所述起角位呈θ₂度的止角位之间的弧段沿着轴向方向延伸而成，所述起角位是以上轴瓦顶部为0°原点顺时针旋转θ₁度得到的角位置。

进一步，所述θ₁的取值范围为160°～200°，所述θ₂的取值范围为20°～40°。

进一步，所述双层微造型结构在微造型区域内的轴向和周向上的个数均不少于15个；相邻两个所述双层微造型结构之间的周向间距为0.5～1.5mm，轴向间距为0.3～0.8mm。

进一步，较大的凹槽形状与较小的凹槽形状相同或不同，双层微造型结构由两者采用方形、梯形、圆柱形或半球形中的一种或两种形状组合而成，较大的凹槽底面面积尺寸为较小的凹槽底面面积尺寸的2～6倍，较小的凹槽的深度为0.8～1.2mm。

与现有的单层微造型滑动轴承相比，本发明具有以下有益效果：

1、该双层微造型结构中，在润滑剂收敛处能产生连续的二次动压效应，而单层微造型只能产生一次动压效应，如图4中所示，该图为所述四种双层微造型结构二维图，单层微造型结构只能在图4(a)中的a处产生一次动压效应，而双层微造型结构能在a和b两处产生连续的二次动压效应。因此双层微造型能更显著的提升滑动轴承的摩擦学性能。

2、通过改变双层微造型的上层与下层微造型的不同形状组合形式，可以得到一系列不同的微造型区域，使其适用于不同尺寸的滑动轴承。

本发明的其它优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中微造型处的放大示意图；

图3为图1中去掉上轴瓦后的俯视图；

图4为本发明中双层微造型结构的四种二维图；

图5为本发明中长方体系列双层微造型与已有的单层微造型的摩擦学性能对比图；

图6为本发明中圆柱系列双层微造型与已有的单层微造型的摩擦学性能对比图；

附图标记：1-上轴瓦，2-下轴瓦，3-支耳，4-连接孔，5-油孔，6-油槽，7-微造型区域，8-双层微造型结构。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

如图1-4所示，本实施例中一种基于仿生硅藻壳体双层微造型结构的滑动轴承，包括对合连接的上轴瓦1和下轴瓦2，上轴瓦1和下轴瓦2均具有用于对合连接的支耳3，支耳3上具有连接孔4，该上轴瓦1顶部上具有连通其内壁和外壁的油孔5，该油孔5位于上轴瓦1内壁出口处设置的以轴承内孔轴向为长度方向的条形油槽6，该条形油槽6的断面可为矩形、梯形、拱形或U形等结构，该条形油槽6深度为2mm；该下轴瓦2内壁局部上设有仿生硅藻壳体结构的微造型区域7，该微造型区域7由若干个内凹的双层微造型结构8沿着下轴瓦2的周向和轴向上呈矩阵式排列而成，单个双层微造型结构8为一大一小的两个凹槽(未标记)，两个凹槽呈阶梯状分布，较小的凹槽位于较大的凹槽的底部中央。

所述仿生硅藻壳体双层微造型结构的滑动轴承使用时，轴颈与轴承内壁的间隙由大到小，呈楔形变化。随着轴颈转动，轴颈与轴承内壁之间的润滑剂由间隙大端向间隙小端运动，使润滑剂产生动压效应从而平衡外载荷。在轴承内壁布置所述双层微造型后，润滑剂厚度在每个双层微造型处连续两次发生改变，导致在每个双层微造型收敛处产生连续的二次动压效应，进而提高了对轴颈的承载能力。所述双层微造型结构还具有储存润滑剂的作用，利于润滑剂扩散到轴颈周边；所述位于轴承内壁顶部的油孔，能不间断地对轴颈与轴承内壁间的润滑剂进行补充。本发明解决了光滑滑动轴承承载力不足、摩擦力以及摩擦系数过大的问题，一定程度上延长了滑动轴承的使用寿命；同时相较于单层微造型滑动轴承，该双层微造型滑动轴承在承载力、摩擦力、摩擦系数、摩擦功耗等摩擦学性能上均有一定程度的提升。

需要说明的是，所述双层微造型结构滑动轴承中所使用的润滑剂包括但不限于润滑油，其他润滑形式的滑动轴承如水润滑轴承、脂润滑轴承均应包含在本发明之中。

本实施例中，所述微造型区域7由与竖直方向呈θ₁度的起角位和在径向方向上远离θ₁且与所述起角位呈θ₂度的止角位之间的弧段沿着轴向方向延伸而成，所述起角位是以上轴瓦1顶部为0°原点顺时针旋转θ₁度得到的角位置；所述θ₁的取值范围为160°～200°，优选为180°，所述θ₂的取值范围为20°～40°，优选为30°；所述双层微造型结构8在轴承内壁θ₁度(180°)位置到θ₁+θ₂度(210°)位置内的微造型区域7等间距均匀布置，该位置为润滑剂的高压区，将所述双层微造型布置于此处能更好的加强润滑剂的连续二次动压效应，利于提高轴颈的转动平衡，进而提高滑动轴承承载能力，减少摩擦力及摩擦系数、降低能耗、延长轴承使用寿命。且该双层微造型结构8在微造型区域7内的轴向和周向上的个数均不少于15个；相邻两个双层微造型结构8之间的周向间距为0.5～1.5mm，优选为1mm，轴向间距为0.3～0.8mm，优选为0.5mm；且较大的凹槽形状与较小的凹槽形状相同或不同，较大的凹槽底面面积尺寸为较小的凹槽底面面积尺寸的2～6倍，优选为4倍，较小的凹槽的深度为0.8～1.2mm，优选为0.9mm；该双层微造型结构8由两者采用方形、梯形、圆柱形或半球形中的一种或两种形状组合而成，具体的，根据其上下两层凹槽形状的不同，可分为长方体-半球型结构(上层为长方体、下层为半球型)、双层长方体结构(上下层为截面面积不同的长方体)、圆柱-半球型结构(上层为圆柱体、下层为半球型)及双层圆柱体结构(上下层为半径不同的圆柱体)。所述4种双层微造型结构的上层微造型面积为4mm²，下层微造型面积为1mm²。实施时，微造型可以通过激光设备进行加工。

为了验证本发明效果，申请人采用商业软件ANSYS 14.5中的Geometry模块建立了双层微造型轴承的三维实体模型，采用其中的ICEM模块建立了轴承的有限元模型，单元类型分别为3D 8节点流体单元和3D 8节点固体单元，网格密度(径向×轴向×周向)为：油膜3×30×240，轴瓦11×30×240。对于各组有限元模型，均施加如下边界条件：油膜内圆柱表面施加旋转壁面(Rotating wall)边界条件，施加某一转速(绕-Z轴)，外圆柱表面施加无滑移流固耦合面边界条件，油膜两个端面施加开放(Opening)边界条件，环境压力为0(相对压力)；计入气穴现象的影响，整个油膜区域采用了Reynolds边界条件；轴承套外圆柱表面施加固定约束边界条件，内圆柱表面施加耦合面边界条件。对于油膜-轴瓦组成的CFD-FSI模型，分别采用ANSYS CFX求解器和ANSYS求解器对油膜区域和轴承套区域的控制方程进行求解，求解器间的数据传递通过流固耦合面完成，求解采用双向同步耦合求解方式，收敛精度设置为1×10^-5，所有求解过程均利用ANSYS软件实现，根据ANSYS分析求得微造型起始位置在轴承的θ₁度(180°)位置将会得到最大的压力值，不需要内部表面全部设置微造型(根据研究，满布微造型后轴承的强度反而会降低，滑动轴承摩擦学性能反而变差，同时实际加工中满布微造型会造成浪费)。但由于润滑的阶梯效应微造型承载压力不会正好在180°的位置，因此轴承双层微造型起始位置不一定固定于180°位置，具体操作时可根据滑动轴承情况小幅调整位置角，使轴承承载效果最佳、摩擦力最小。

已有研究表明，相较于无微造型轴承，在轴承内表面设置单层微造型能提升轴承的摩擦学性能，故申请人通过ANSYS仿真对比了各种双层微造型与单层微造型的摩擦学性能，以证明双层微造型能更好的提升轴承性能。实施时，微造型及轴承具体设置为：假设流体流动为定常流动，润滑油是不可压缩的牛顿流体，其密度不随时间变化，为870kg.m³；动力粘度为常数0.0035Pa.s；轴颈的线速度为4m/s。其中，单层微造型的宽度等于双层微造型的上层宽度，单层微造型的深度等于双层微造型的总深度，同时上述两种双层微造型的下层宽度、上下层深度相等。只有双层微造型的上层宽度及单层微造型的宽度依次增大。实验结果如下：

图5和图6中，算例1(case 1)、算例2(case 2)、算例3(case 3)、算例4(case 4)分别表示不同的微造型尺寸组合。图5(a)、(b)和(c)为长方体系列(包括单层长方体、双层长方体、长方体-半球型)微造型的无量纲承载力、摩擦力、摩擦系数的对比。通过比较可以看出：无量纲承载力始终是长方体-半球型最大，双层长方体次之，单层长方体最小，摩擦系数呈相反的规律；无量纲摩擦力是长方体-半球型与双层长方体状相差不大，但二者始终都小于单层长方体微造型的摩擦力。说明对于长方体系列的微造型来说，在改善摩擦副摩擦学性能方面，双层微造型要优于单层微造型。

图6(a)、(b)和(c)为圆柱孔系列(包括单层圆柱体、双层圆柱体、圆柱-半球型)微造型的无量纲承载力、摩擦力、摩擦系数的对比。通过比较可以看出：无量纲承载力始终是圆柱-半球型最大，双层圆柱体次之，单层圆柱体最小，摩擦系数呈相反的规律；无量纲摩擦力是圆柱-半球型与双层圆柱体相差不大，但二者始终都小于单层圆柱体微造型的摩擦力。说明对于圆柱系列的微造型来说，在改善摩擦副动压润滑性能方面，双层微造型要优于单层微造型。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于仿生硅藻壳体双层微造型结构的滑动轴承，包括对合连接的上轴瓦(1)和下轴瓦(2)，所述上轴瓦顶部设有油孔(5)，其特征在于：所述下轴瓦内壁局部上设有仿生硅藻壳体结构的微造型区域(7)，所述微造型区域由若干个内凹的双层微造型结构(8)沿着所述下轴瓦的周向和轴向上呈矩阵式排列而成，单个所述双层微造型结构为一大一小的两个凹槽，两个凹槽呈阶梯状分布，较小的凹槽位于较大的凹槽的底部中央。

2.根据权利要求1所述的基于仿生硅藻壳体双层微造型结构的滑动轴承，其特征在于：所述上轴瓦内壁的轴向方向上设有与油孔连通的条形油槽(6)，所述条形油槽的断面呈矩形、梯形、拱形或U形。

3.根据权利要求1所述的基于仿生硅藻壳体双层微造型结构的滑动轴承，其特征在于：所述微造型区域由与竖直方向呈θ₁度的起角位和在径向方向上远离θ₁且与所述起角位呈θ₂度的止角位之间的弧段沿着轴向方向延伸而成，所述起角位是以上轴瓦顶部为0°原点顺时针旋转θ₁度得到的角位置。

4.根据权利要求3所述的基于仿生硅藻壳体双层微造型结构的滑动轴承，其特征在于：所述θ₁的取值范围为160°～200°，所述θ₂的取值范围为20°～40°。

5.根据权利要求1所述的基于仿生硅藻壳体双层微造型结构的滑动轴承，其特征在于：所述双层微造型结构在微造型区域内的轴向和周向上的个数均不少于15个；相邻两个所述双层微造型结构之间的周向间距为0.5～1.5mm，轴向间距为0.3～0.8mm。

6.根据权利要求1所述的基于仿生硅藻壳体双层微造型结构的滑动轴承，其特征在于：较大的凹槽形状与较小的凹槽形状相同或不同，双层微造型结构由两者采用方形、梯形、圆柱形或半球形中的一种或两种形状组合而成，较大的凹槽底面面积尺寸为较小的凹槽底面面积尺寸的2～6倍，较小的凹槽的深度为0.8～1.2mm。