CN107061501B - 异形微型阶梯轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种异形微型阶梯轴承，包括配对的静止平板和运动平板，静止平板具有阶梯状表面，在静止平板的凸出表面上涂覆以一亲油涂层，在静止平板的凹入表面上涂覆以一憎油涂层，运动平板的运动方向为由静止平板的凸出表面指向静止平板的凹入表面，这两块配对的静止平板和运动平板之间的间隙中充满润滑油，且这两块配对的静止平板和运动平板的工作表面之间的间隙为纳米量级，这两块配对的静止平板和运动平板就形成了异形微型阶梯轴承。本发明适用于轴承入口区表面间隙小于轴承出口区表面间隙的场合，这是传统阶梯轴承达不到的。本发明轴承结构简单，制造容易，成本低廉，具有一定的承载能力，具有良好的润滑油膜，能起到较好的减摩耐磨效果。

Description

异形微型阶梯轴承
技术领域
本发明涉及一种异形微型阶梯轴承。
背景技术
轴承是用来支承轴类零件的重要机械部件，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。
一、倾斜平面瓦块轴承，这种轴承如图1所示。它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。
这种轴承分成两种，一种是上表面和下表面均不能绕支点转动的固定瓦块轴承，另一种是其中一个表面可绕支点转动的可倾瓦块轴承。在良好设计下，可倾瓦块轴承比固定瓦块轴承有更大的承载能力。
二、锯齿形瓦块轴承，这种轴承如图2所示。它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。
三、斜面平台瓦块轴承，这种轴承如图3所示。它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%。
四、瑞利阶梯轴承，这种轴承如图4所示。它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%。
根据传统流体润滑理论，图1-图4所示传统轴承均依赖两固体表面间形成的收敛楔形间隙，在运动表面带动下，润滑油从收敛楔形间隙的大截面带进去，从它的小截面带出来，从而使润滑油在收敛楔形间隙中受到挤压进而产生油压，润滑膜就具备承载能力，从而形成流体动压润滑轴承。按照传统流体润滑理论，两固体表面间形成的发散楔形间隙中是不可能形成流体动压润滑油膜的，这时就不可能形成轴承。因为此时在运动表面带动下，润滑油从发散楔形间隙的小截面带进去，而从它的大截面被带出来，这样润滑油在发散楔形间隙中就不会受到挤压，也就不会产生油压，不具备承载能力，不能形成润滑油膜。
发明内容
本发明的目的是提供一种异形微型阶梯轴承，解决现有技术中存在的被传统流体润滑理论所限制的问题；因为按照传统流体润滑理论，润滑油从发散楔形间隙的小截面带进去，而从它的大截面被带出来，润滑油在这样的间隙中没有被挤压，也就不能形成油压，不具备承载能力，这就带来发散楔形间隙中不能形成润滑油膜的问题。本发明着眼于解决这种技术问题。
本发明的技术解决方案是：
一种异形微型阶梯轴承，包括配对的静止平板和运动平板，静止平板具有阶梯状表面，静止平板包括依次设置的凸出表面和凹入表面，运动平板采用平坦表面，配对的静止平板和运动平板的工作表面相互平行，在静止平板的凸出表面上涂覆以一亲油涂层，在静止平板的凹入表面上涂覆以一憎油涂层，运动平板的运动方向为由静止平板的凸出表面指向静止平板的凹入表面，静止平板的凸出表面与运动平板的表面间隙小于静止平板的凹入表面与运动平板的表面间隙，这两块配对的静止平板和运动平板之间的间隙中充满润滑油，且这两块配对的静止平板和运动平板的工作表面之间的间隙为纳米量级，以使这两平板间隙中的润滑油与静止平板工作表面的物理吸附功能发挥作用，这样，这两块配对的静止平板和运动平板就形成了异形微型阶梯轴承。
进一步地，静止平板的阶梯状表面的阶梯高度
Figure DEST_PATH_IMAGE002
满足
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，轴承入口区的表面间隙hi即静止平板的凸出表面与运动平板的表面间隙，满足
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，且
Figure DEST_PATH_IMAGE008
。
进一步地，运动平板和静止平板均为钢制平板，静止平板的凸出表面上亲油涂层为二氧化钛涂层，静止平板的凹入表面上憎油涂层为氟碳涂层，润滑油为普通石蜡油，润滑油粘度为
Figure DEST_PATH_IMAGE010
。
进一步地，运动平板的工作表面上不涂覆涂层。
本发明的有益效果是：该种异形微型阶梯轴承，运用物理吸附技术，采用表面涂层方法设计出一种异形微型阶梯轴承。本发明轴承适用于轴承入口区表面间隙小于轴承出口区表面间隙的场合，这是传统阶梯轴承达不到的。本发明轴承结构简单，制造容易，成本低廉，具有一定的承载能力，具有良好的润滑油膜，能起到较好的减摩耐磨效果，在精密机械或微小型机械设备上作支撑部件用。
附图说明
图1是现有的倾斜平面瓦块轴承的结构示意图；
图2是现有的锯齿形瓦块轴承的结构示意图；
图3是现有的斜面平台瓦块轴承的结构示意图；
图4是现有的瑞利阶梯轴承的结构示意图；
图5是本发明实施例异形微型阶梯轴承的结构示意图；
图6是本发明实施例异形微型阶梯轴承的润滑压力分布图；
图7当
Figure DEST_PATH_IMAGE012
和l1=l2 时不同静止平板表面涂层特性下本轴承无量纲承载量W（=
Figure DEST_PATH_IMAGE014
）与轴承入口区表面间隙hi 关系曲线图；
图8当
Figure DEST_PATH_IMAGE016
和l1=l2 时不同静止平板表面涂层特性下本轴承无量纲承载量W（=
Figure DEST_PATH_IMAGE014A
）与轴承静止平板工作表面上阶梯高度
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
的关系曲线。
其中，u：运动平板相对于静止平板的运动速度，w：支承载荷，l1: 静止平板上凸出表面的宽度，l2: 静止平板上凹入表面的宽度，
Figure DEST_PATH_IMAGE002AA
：轴承阶梯高度，hi：轴承中“I”子区即入口区的表面间隙或润滑油膜厚度，ho：轴承中“II”子区即出口区的表面间隙或润滑油膜厚度；
其中，1-静止平板，2-运动平板，3-亲油涂层，4-憎油涂层，5-润滑油。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例
一种异形微型阶梯轴承，包括配对的静止平板1和运动平板2，静止平板1具有阶梯状表面，静止平板1包括依次设置的凸出表面和凹入表面，运动平板2采用平坦表面，配对的静止平板1和运动平板2的工作表面相互平行，在静止平板1的凸出表面上涂覆以一亲油涂层3，在静止平板1的凹入表面上涂覆以一憎油涂层4，运动平板2的运动方向为由静止平板1的凸出表面指向静止平板1的凹入表面，静止平板1的凸出表面与运动平板2的表面间隙小于静止平板1的凹入表面与运动平板2的表面间隙，这两块配对的静止平板1和运动平板2之间的间隙中充满润滑油5，且这两块配对的静止平板1和运动平板2的工作表面之间的间隙为纳米量级，以使这两平板间隙中的润滑油5与静止平板1工作表面的物理吸附功能发挥作用，这样，这两块配对的静止平板1和运动平板2就形成了异形微型阶梯轴承。静止平板1的阶梯状表面的阶梯高度
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAA
满足
Figure DEST_PATH_IMAGE004A
，轴承入口区的表面间隙hi即静止平板1的凸出表面与运动平板2的表面间隙，满足
Figure DEST_PATH_IMAGE006A
，且
Figure DEST_PATH_IMAGE008A
。
运动平板2和静止平板1均为钢制平板，静止平板1的凸出表面上亲油涂层3为二氧化钛涂层，静止平板1的凹入表面上憎油涂层4为氟碳涂层，润滑油5为普通石蜡油，润滑油5粘度为
Figure DEST_PATH_IMAGE010A
。运动平板2的工作表面上不涂覆涂层。
实施例的一种运用物理吸附技术的异形微型阶梯轴承，与传统流体润滑理论相悖，这种轴承两接触表面间形成发散的楔形间隙。与图4所示传统阶梯轴承相反，这种轴承入口区的表面间隙小于它的出口区的表面间隙。按照传统流体润滑理论，这种轴承应当是不成立的，因为润滑油5从发散楔形间隙的小截面带进去，而从它的大截面被带出来，润滑油5在这样的间隙中没有被挤压，也就不能形成油压，不具备承载能力。但是，如果在这种轴承入口区的静止接触表面上涂以具有较强物理吸附能力的亲油涂层3，而在本轴承的出口区静止接触表面上涂以具有较弱物理吸附能力的憎油涂层4。当本轴承的两表面间隙处于纳米量级时，由于本轴承入口区和出口区的静止接触表面对润滑油5的不同物理吸附作用，在运动表面带动下使得流入本轴承入口区小截面的润滑油5流量反而大于流出出口区大截面的润滑油5流量，从而使得润滑油5在这样的发散楔形间隙中也能受到挤压进而产生油压，润滑油5膜就具备承载能力。这样就形成实施例所指的异形微型阶梯轴承。
实施例在一块静止的具有阶梯状表面（工作表面）的平板的凸出表面上涂覆以一亲油的具有较强物理吸附能力的涂层，在该平板的凹入表面上涂覆以一憎油的具有弱物理吸附能力的涂层。另一块具有平坦表面（工作表面）的运动平板2与该静止平板1配对，使这两块平板的工作表面相互平行。运动平板2的工作表面上不涂覆涂层（但不排除涂覆涂层）。运动平板2的运动方向为由静止平板1的凸出表面指向静止平板1的凹入表面。这两块配对平板之间的间隙中充满润滑油5，这两块配对平板的工作表面之间的间隙为纳米量级，以使这两平板间隙中的润滑油5与静止平板1工作表面的物理吸附功能发挥作用。这样，这两块配对的平板就形成了实施例所指的一种异形微型阶梯轴承。图5给出实施例设计的轴承。
图5 为实施例设计的轴承。图5中，u：运动平板2相对于静止平板1的运动速度，w：支承载荷，l1: 静止平板1上凸出表面的宽度，l2: 静止平板1上凹入表面的宽度，
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAA
：轴承阶梯高度，hi：轴承中“I”子区即入口区的表面间隙或润滑油5膜厚度，ho：轴承中“II”子区即出口区的表面间隙或润滑油5膜厚度。润滑油5和静止平板1凸出表面上亲油涂层3间具有较强物理吸附，润滑油5和静止平板1凹入表面上憎油涂层4间具有弱物理吸附。图5中，
Figure DEST_PATH_IMAGE004AA
，
Figure DEST_PATH_IMAGE006AA
，且
Figure DEST_PATH_IMAGE008AA
。
实施例中，运动平板2和静止平板1均为钢制平板，具有阶梯状表面（工作表面）静止平板1的凸出表面上涂层为亲油的二氧化钛涂层，静止平板1的凹入表面上涂层为憎油的氟碳涂层。润滑油5为普通石蜡油，润滑油5粘度为
Figure DEST_PATH_IMAGE010AA
。润滑油5与二氧化钛涂层间有较强的物理吸附，润滑油5与氟碳涂层间物理吸附弱。运动平板2的运动速度为u=0.001m/s，静止平板1具有阶梯状表面的阶梯高度为
Figure DEST_PATH_IMAGE012A
。（1）当l1=l2=1mm，hi =4nm时，得到的实施例轴承单位长度量纲承载量为w=12N/m。（2）当l1=l2=1mm，hi =5nm时，得到的实施例轴承单位长度量纲承载量为w=30N/m。（3）当l1=l2=1mm，hi =6nm时，得到的实施例轴承单位长度量纲承载量为w=20N/m。
与传统阶梯轴承相比，实施例轴承属一种异形阶梯轴承，它的入口区的轴承表面间隙低于它的出口区的轴承表面间隙；实施例轴承属于微型轴承，在轴承表面间隙处于1nm量级时工作。实施例轴承具有一定承载能力，应用于精密设备或微小型设备上，胜任特定的工作场合，解决了普通轴承不能解决的技术问题。
实施例的异形微型阶梯轴承，由一块静止的具有阶梯状表面的平板和另一块表面平整的运动平板2组成本轴承；平板由各种牌号钢材制成，但不排除使用其它材料制成。
如图5所示，具有阶梯状表面（工作表面）静止平板1的凸出表面上涂覆有亲油涂层3，它的凹入表面上涂覆有憎油涂层4。运动平板2平整的工作表面上不涂覆涂层，但不排除涂覆涂层。静止平板1工作表面和运动平板2工作表面间充满润滑油5。使运动平板2工作表面与静止平板1工作表面相互平行，运动平板2的运动方向为从静止平板1的凸出表面指向静止平板1的凹入表面。静止平板1工作表面的阶梯高度
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAA
满足
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAA
，轴承入口区表面间隙hi满足
Figure DEST_PATH_IMAGE006AAA
，且
Figure DEST_PATH_IMAGE008AAA
。
实施例的原理如下：
根据以往建立的界面吸附理论，由于实施例轴承“I”子区中润滑油5与静止平板1表面上涂层的相互作用强度大于“II”子区中润滑油5与静止平板1表面上涂层的相互作用强度，在
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAA
较小时，即使在“I”子区中表面间隙hi 小于“II”子区中表面间隙ho 情况下，由于润滑油5在涂层表面的吸附、有序定向和固化作用，本轴承“I”子区中由轴承运动平板2表面牵引运动产生的润滑油5质量流量（即润滑油5Couette流动流量）大于轴承“II”子区中由轴承运动平板2表面牵引运动产生的润滑油5质量流量，由于实施例轴承中润滑油5从“I”子区流向“II”子区，若本轴承的两平板间隙中无润滑压力建立，则由轴承运动平板2表面牵引运动产生的润滑油5流动使润滑油5在本轴承的两平板间隙中不断汇聚形成挤压从而形成油压即润滑压力，也就是说，在本轴承中必然能形成润滑压力，形成的润滑压力使润滑油5产生压力梯度流动（即Poiseuille流动），润滑油5的压力梯度流动使流过两平板间隙的润滑油5质量流量处处相等，从而满足了润滑油5流动连续性。实施例轴承的压力分布如图6所示。图6 实施例轴承中润滑压力分布图。纵坐标为润滑压力。
图7给出
Figure DEST_PATH_IMAGE012AA
和l1=l2 时 不同静止平板1表面涂层特性下本轴承无量纲承载量W（=
Figure DEST_PATH_IMAGE014AA
）与轴承入口区表面间隙hi 关系曲线。图7的图标中，W-M指润滑油5与轴承出口区静止平板1表面上涂层间物理吸附弱而润滑油5与轴承入口区静止平板1表面上涂层间物理吸附的强度为中等水平，W-S指润滑油5与轴承出口区静止平板1表面上涂层间物理吸附弱而润滑油5与轴承入口区静止平板1表面上涂层间物理吸附强，M-S指润滑油5与轴承出口区静止平板1表面上涂层间物理吸附强度为中等水平而润滑油5与轴承入口区静止平板1表面上涂层间物理吸附强。从图7中看出，W-S情形下本轴承承载能力最大，W-M情形下本轴承承载能力最小；任何一种情形下，存在一个最优的hi 值使轴承承载量达到最大。
图8给出
Figure DEST_PATH_IMAGE016A
和l1=l2 时不同静止平板1表面涂层特性下本轴承无量纲承载量W（=
Figure DEST_PATH_IMAGE014AAA
）与轴承静止平板1工作表面上阶梯高度
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAA
的关系曲线。图8中，W-M、W-S和M-S的含义分别与图7中的相同。从图8可见，随着
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAAA
的增大，本轴承承载量迅速下降，尤其对于W-M情形更是如此。
实施例的异形微型阶梯轴承，运用物理吸附技术，采用表面涂层方法设计出一种异形微型阶梯轴承。实施例轴承适用于轴承入口区表面间隙小于轴承出口区表面间隙的场合，这是传统阶梯轴承达不到的。实施例轴承结构简单，制造容易，成本低廉，具有一定的承载能力，具有良好的润滑油5膜，能起到较好的减摩耐磨效果，在精密机械或微小型机械设备上作支撑部件用。

Claims (2)

1.一种异形微型阶梯轴承，包括配对的静止平板和运动平板，静止平板具有阶梯状表面，其特征在于：静止平板包括依次设置的凸出表面和凹入表面，运动平板采用平坦表面，配对的静止平板和运动平板的工作表面相互平行，在静止平板的凸出表面上涂覆以一亲油涂层，在静止平板的凹入表面上涂覆以一憎油涂层，运动平板的运动方向为由静止平板的凸出表面指向静止平板的凹入表面，静止平板的凸出表面与运动平板的表面间隙小于静止平板的凹入表面与运动平板的表面间隙，这两块配对的静止平板和运动平板之间的间隙中充满润滑油，且这两块配对的静止平板和运动平板的工作表面之间的间隙为纳米量级，以使这两平板间隙中的润滑油与静止平板工作表面的物理吸附功能发挥作用，运动平板和静止平板均为钢制平板，静止平板的凸出表面上亲油涂层为二氧化钛涂层，静止平板的凹入表面上憎油涂层为氟碳涂层，润滑油为普通石蜡油，润滑油粘度为η＝0.1Pa·s，运动平板的工作表面上不涂覆涂层；润滑油和静止平板凸出表面上亲油涂层间具有较强物理吸附，润滑油和静止平板凹入表面上憎油涂层间具有弱物理吸附，该轴承入口区和出口区的静止接触表面对润滑油的不同物理吸附作用，在运动表面带动下使得流入本轴承入口区小截面的润滑油流量反而大于流出出口区大截面的润滑油流量，从而使得润滑油在这样的发散楔形间隙中也能受到挤压进而产生油压，润滑油膜就具备承载能力，这样，这两块配对的静止平板和运动平板就形成了异形微型阶梯轴承；
该异形微型阶梯轴承中，“I”子区中润滑油与静止平板表面上涂层的相互作用强度大于“II”子区中润滑油与静止平板表面上涂层的相互作用强度，在静止平板的阶梯状表面的阶梯高度Δh较小时，即使在“I”子区中表面间隙hi小于“II”子区中表面间隙ho情况下，由于润滑油在涂层表面的吸附、有序定向和固化作用，本轴承“I”子区中由轴承运动平板表面牵引运动产生的润滑油质量流量大于轴承“II”子区中由轴承运动平板表面牵引运动产生的润滑油质量流量，由于轴承中润滑油从“I”子区流向“II”子区，若本轴承的两平板间隙中无润滑压力建立，则由轴承运动平板表面牵引运动产生的润滑油流动使润滑油在本轴承的两平板间隙中不断汇聚形成挤压从而形成油压即润滑压力，也就是说，在本轴承中必然能形成润滑压力，形成的润滑压力使润滑油产生压力梯度流动，润滑油的压力梯度流动使流过两平板间隙的润滑油质量流量处处相等，从而满足了润滑油流动连续性；其中，“I”子区即入口区的表面间隙，“II”子区即出口区的表面间隙。
2.如权利要求1所述的异形微型阶梯轴承，其特征在于：静止平板的阶梯状表面的阶梯高度Δh满足Δh≤5nm，轴承入口区的表面间隙hi即静止平板的凸出表面与运动平板的表面间隙，满足hi≤40nm，且Δh≤hi/8。
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