CN107989898B - 均匀轴承表面小阶梯微型阶梯轴承 - Google Patents

均匀轴承表面小阶梯微型阶梯轴承 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种均匀轴承表面小阶梯微型阶梯轴承，轴承阶梯尺寸Δh与轴承出口区润滑油膜厚度ho的比值Δh/ho的范围为：0.01≤Δh/ho＜0.1，轴承润滑油膜厚度处于1nm量级至10nm量级，以使润滑油膜和轴承表面间物理吸附发挥作用，本发明轴承中，静止表面和运动表面与润滑油膜间的物理吸附均为强吸附，入口区静止表面的物理吸附特性与出口区静止表面的物理吸附特性相同，入口区运动表面的物理吸附特性与出口区运动表面的物理吸附特性相同。本发明轴承承载能力比传统流体润滑理论算得的该轴承的承载能力大得多。本发明轴承具有制造容易、结构简单、成本低廉、承载能力较高的优点，在微型机械和精密机械中具有重要应用。

Description

均匀轴承表面小阶梯微型阶梯轴承
技术领域
本发明涉及轴承领域，具体地说是一种均匀轴承表面小阶梯微型阶梯轴承。
背景技术
轴承是用来支承轴类零件的重要机械部件。主要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[1]，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，润滑油膜就具备承载能力，从而形成流体动压润滑轴承。按照传统流体润滑理论[1]，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运用物理吸附技术的由均匀轴承表面形成的小阶梯微型阶梯轴承。传统阶梯轴承中轴承的阶梯尺寸与轴承的出口区润滑油膜厚度的比值不小于0.1，而本发明轴承中轴承的阶梯尺寸Δh与轴承的出口区润滑油膜厚度ho的比值Δh/ho的范围为：0.01≤Δh/ho＜0.1；对于本发明轴承中这么小的阶梯尺寸，按照传统流体润滑理论，这种轴承的承载能力是很低的，甚至接近于零。为克服这一缺点，本发明轴承润滑油膜厚度处于1nm量级至10nm量级，以使润滑油膜和轴承表面间的物理吸附发挥作用，从而显著增加本发明轴承的承载能力；为进一步提高本发明轴承承载能力，本发明中，轴承静止表面和轴承运动表面与润滑油膜间的物理吸附均为强吸附，入口区轴承静止表面的物理吸附特性与出口区轴承静止表面的物理吸附特性相同，入口区轴承运动表面的物理吸附特性与出口区轴承运动表面的物理吸附特性相同，本发明轴承承载能力比传统流体润滑理论算得的该轴承的承载能力大得多。
本发明在不改变原轴承结构和几何形状条件下，仅运用物理吸附技术，就实现了具有较大承载能力的小阶梯微型阶梯轴承，在技术上，本发明具有突出的进步和创造性。本发明轴承具有制造容易、结构简单、成本低廉、承载能力较高的优点。
本发明的技术解决方案是：
一种均匀轴承表面小阶梯微型阶梯轴承，如图5，它包括一块静止板块(1)，静止板块(1)的工作表面包括平面A(2)、平面B(3)和阶梯面(4)，平面A(2)和平面B(3)相互平行，阶梯面(4)分别与平面A(2)和平面B(3)垂直，阶梯面(4)的高度即阶梯尺寸为Δh；平面A(2)的物理吸附特性与平面B(3)的物理吸附特性相同，平面A(2)和平面B(3)是静止板块(1)上的涂层表面，或是静止板块(1)的自然表面；另有一块具有平面C(5)的运动平板(6)，运动平板(6)的平面C(5)的物理吸附特性处处相同，平面C(5)是运动平板(6)上的涂层表面，或是运动平板(6)的自然表面。使运动平板(6)与静止板块(1)配对，使运动平板(6)的平面C(5)与静止板块(1)的平面A(2)相互平行，静止板块(1)和运动平板(6)之间的间隙中充满润滑油(7)，运动平板(6)的平面C(5)与静止板块(1)的平面A(2)之间的距离即轴承出口区润滑油(7)膜厚度为ho。ho处于1nm量级至10nm量级，且0.01≤Δh/ho＜0.1。运动平板(6)的运动方向为由静止板块(1)的平面B(3)一端指向静止板块(1)的平面A(2)一端。润滑油(7)与平面A(2)、平面B(3)和平面C(5)间的物理吸附均为强吸附，这里的强吸附指使润滑油(7)膜流动成为连续介质流动的临界润滑油(7)膜厚度不小于30nm的润滑油(7)与平面A(2)、平面B(3)和平面C(5)间的物理吸附。
进一步地，静止板块(1)的平面A(2)和平面B(3)均为二氧化钛涂层表面，运动平板(6)的平面C(5)为二氧化钛涂层表面。
本发明的有益效果是：
本发明运用物理吸附技术，采用均匀轴承静止表面和均匀轴承运动表面，设计出一种具有较高承载能力的小阶梯微型阶梯轴承。这是传统流体润滑技术达不到的。这里的轴承的阶梯尺寸很小，常处于0.1nm量级至1nm量级，这种小阶梯为轴承表面的分子级粗糙度即分子级突起。运用本发明，在微小型机械和精密机械中利用零件表面的分子级粗糙度实现具有可观承载能力的轴承，这在工程中具有重要意义和应用价值，也是传统轴承技术实现不了的。本发明轴承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。
本发明具有以下优点：
(1)本发明适用于轴承为小阶梯结构的场合，这种小阶梯为轴承表面的分子级粗糙度即分子级突起。
(2)本发明轴承具有较大的承载能力，含有良好的润滑油膜，具有良好的减摩耐磨性能。
(3)本发明轴承结构简单，制造容易，成本低廉。
附图说明
图1是现有倾斜平面瓦块轴承的结构示意图；
图2是现有锯齿形瓦块轴承的结构示意图；
图3是现有斜面平台瓦块轴承的结构示意图；
图4是现有瑞利阶梯轴承的结构示意图；
图5是本发明实施例均匀轴承表面小阶梯微型阶梯轴承的结构示意图；
图6是实施例中当本发明轴承出口区润滑油(7)膜厚度ho分别等于10nm和20nm时本发明轴承中无量纲润滑油(7)膜压力(P)分布及其与相同条件下由传统流体润滑理论算得的无量纲润滑油(7)膜压力(Pconv)分布的比较图；
图7是实施例中不同阶梯尺寸Δh下本发明轴承的无量纲承载量(W)及其与相同条件下由传统流体润滑理论算得的无量纲承载量(Wconv)的比较图。
图5中：1-静止板块，2-平面A，3-平面B，4-阶梯面，5-平面C，6-运动平板，7-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
一种均匀轴承表面小阶梯微型阶梯轴承，如图5，它包括一块静止板块(1)，静止板块(1)的工作表面包括平面A(2)、平面B(3)和阶梯面(4)，平面A(2)和平面B(3)相互平行，阶梯面(4)分别与平面A(2)和平面B(3)垂直，阶梯面(4)的高度即阶梯尺寸为Δh；平面A(2)的物理吸附特性与平面B(3)的物理吸附特性相同，平面A(2)和平面B(3)是静止板块(1)上的涂层表面，或是静止板块(1)的自然表面；另有一块具有平面C(5)的运动平板(6)，运动平板(6)的平面C(5)的物理吸附特性处处相同，平面C(5)是运动平板(6)上的涂层表面，或是运动平板(6)的自然表面。使运动平板(6)与静止板块(1)配对，使运动平板(6)的平面C(5)与静止板块(1)的平面A(2)相互平行，静止板块(1)和运动平板(6)之间的间隙中充满润滑油(7)，运动平板(6)的平面C(5)与静止板块(1)的平面A(2)之间的距离即轴承出口区润滑油(7)膜厚度为ho，ho处于1nm量级至10nm量级，且0.01≤Δh/ho＜0.1。运动平板(6)的运动方向为由静止板块(1)的平面B(3)一端指向静止板块(1)的平面A(2)一端。润滑油(7)与平面A(2)、平面B(3)和平面C(5)间的物理吸附均为强吸附，这里的强吸附指使润滑油(7)膜流动成为连续介质流动的临界润滑油(7)膜厚度不小于30nm的润滑油(7)与平面A(2)、平面B(3)和平面C(5)间的物理吸附。这样就形成了本发明所指的一种均匀轴承表面小阶梯微型阶梯轴承。
本发明轴承的承载能力比传统流体润滑理论计算的承载能力大得多。本发明轴承适用于特定的采用小阶梯(0.01≤Δh/ho＜0.1)的场合，含有良好的润滑油(7)膜，具有良好的减摩耐磨性能。
实施例中，该种均匀轴承表面小阶梯微型阶梯轴承，由静止板块(1)和运动平板(6)组成，两块板块由各种牌号钢材制成，但不排除使用其它材料制成。该种均匀轴承表面小阶梯微型阶梯轴承，运动平板(6)相对于静止板块(1)的运动如图5，静止板块(1)的平面A(2)和平面B(3)均为亲油涂层表面，运动平板(6)的平面C(5)为亲油涂层表面。
图5给出实施例轴承的结构示意图。图5中，u：运动平板(6)相对于静止板块(1)的运动速度，l1：静止板块(1)的平面B(3)的宽度，l2：静止板块(1)的平面A(2)的宽度，Δh：阶梯面(4)的高度即轴承的阶梯尺寸，hi：轴承入口区润滑油(7)膜厚度，ho：轴承出口区润滑油(7)膜厚度。
该种均匀轴承表面小阶梯微型阶梯轴承，静止板块(1)的平面B(3)一端作为本轴承入口端，静止板块(1)的平面A(2)一端作为本轴承出口端。使运动平板(6)的平面C(5)与静止板块(1)的平面A(2)相互平行。运动平板(6)以速度u相对于静止板块(1)滑动，速度u的方向为由轴承的入口端指向轴承的出口端，如图5。在两块板块之间的间隙中充满润滑油(7)。
与传统流体动压润滑阶梯轴承相比，本发明设计的轴承润滑机理有进一步实质改进，且使用很小的阶梯尺寸Δh(0.01≤Δh/ho＜0.1)。它运用轴承表面强物理吸附技术大幅提高了轴承承载能力，制造容易，成本低廉，具有良好润滑、减摩、耐磨性能，适用于小阶梯(0.01≤Δh/ho＜0.1)的特定场合。因此，本发明轴承的技术优势和应用价值是十分明显的。
实施例中，运动平板(6)和静止板块(1)均为钢材制造，静止板块(1)的平面A(2)为(亲油的)二氧化钛涂层表面，静止板块(1)的平面B(3)为(亲油的)二氧化钛涂层表面，运动平板(6)的平面C(5)为(亲油的)二氧化钛涂层表面，润滑油(7)为国产30号机油，该润滑油工作时动力粘度为η＝0.01Pa·s。这里，润滑油(7)与平面A(2)、平面B(3)和平面C(5)间的物理吸附均为强吸附。运动平板(6)的运动速度为u＝0.001m/s：
(1)当轴承的阶梯尺寸Δh＝0.5nm，l1＝l2＝0.012mm，ho＝6nm时，得到的本发明轴承单位长度承载量为w＝500N/m，此时传统流体润滑理论算得的该轴承承载量为wconv＝9N/m。
(2)当轴承的阶梯尺寸Δh＝0.5nm，l1＝l2＝0.015mm，ho＝7.5nm时，得到的本发明轴承单位长度承载量为w＝150N/m，此时传统流体润滑理论算得的该轴承承载量为wconv＝6.5N/m。
(3)当轴承的阶梯尺寸Δh＝0.5nm，l1＝l2＝0.02mm，ho＝10nm时，得到的本发明轴承单位长度承载量为w＝70N/m，此时传统流体润滑理论算得的该轴承承载量为wconv＝4.0N/m。
(4)当轴承的阶梯尺寸Δh＝0.5nm，l1＝l2＝0.03mm，ho＝15nm时，得到的本发明轴承单位长度承载量为w＝20N/m，此时传统流体润滑理论算得的该轴承承载量为wconv＝3.7N/m。
(5)当轴承的阶梯尺寸Δh＝0.5nm，l1＝l2＝0.04mm，ho＝20nm时，得到的本发明轴承单位长度承载量为w＝7N/m，此时传统流体润滑理论算得的该轴承承载量为wconv＝2.8N/m。
(6)当轴承的阶梯尺寸Δh＝0.7nm，l1＝l2＝0.02mm，ho＝10nm时，得到的本发明轴承单位长度承载量为w＝87N/m，此时传统流体润滑理论算得的该轴承承载量为wconv＝5.0N/m。
(7)当轴承的阶梯尺寸Δh＝0.9nm，l1＝l2＝0.02mm，ho＝10nm时，得到的本发明轴承单位长度承载量为w＝104N/m，此时传统流体润滑理论算得的该轴承承载量为wconv＝6.0N/m。
从实施例看出，本发明轴承的承载量比相同条件下传统流体润滑理论算得的该轴承承载量大得多，这表明了本发明轴承的突出优点、显著技术效果和重要应用价值。
本发明原理说明如下：
如图5，根据以往建立的界面吸附理论，由于本发明轴承表面(平面A(2)、平面B(3)和平面C(5))和润滑油(7)间的物理吸附为强吸附，润滑油(7)的粘度在本发明轴承(入口区和出口区)中出现较显著的增大，润滑油(7)粘度的增大非常有利于本发明轴承的润滑，显著地增大了本发明轴承的承载能力。另一方面，由于本发明轴承出口区润滑油(7)膜厚度ho处于1nm至10nm量级且0.01≤Δh/ho＜0.1和本发明轴承表面(平面A(2)、平面B(3)和平面C(5))与润滑油(7)间的物理吸附为强吸附，润滑油(7)在本发明轴承(入口区和出口区)中展现出强烈的非连续介质效应，这种非连续介质效应使本发明轴承入口区和出口区中的润滑油(7)的Poiseuille流动(即压力梯度流动)均显著减弱，本发明轴承入口区中润滑油(7)的Poiseuille流动的显著减弱使流入轴承中的润滑油(7)的流量显著增加，而本发明轴承出口区中润滑油(7)的Poiseuille流动的显著减弱使流出轴承的润滑油(7)的流量显著减少，在这样的条件下，如果本发明轴承中润滑油(7)膜压力保持不变，则润滑油(7)在本发明轴承中的流动连续性条件不能得到满足，从而使润滑油(7)在本发明轴承中不断积聚并受到挤压，进而进一步推高本发明轴承中润滑油(7)膜的压力。这就必然地要求本发明轴承中润滑油(7)膜的压力进一步增大，从而使本发明轴承入口区和出口区润滑油(7)的Poiseuille流动(即压力梯度流动)分别增大，进而维持住润滑油(7)在本发明轴承中的流动连续性。也就是说，由于润滑油(7)在本发明轴承中的强烈的非连续介质效应，本发明轴承的承载能力进一步得到了显著提高。总的结果是，由于本发明轴承表面与润滑油(7)间的强物理吸附带来的润滑油(7)的粘度的显著增大和润滑油(7)在本发明轴承中的强烈的非连续介质效应，相比于传统流体润滑理论计算结果，本发明轴承的承载能力得到了很大的提高。这就是本发明轴承的原理。
实施例中，当运动平板(6)和静止板块(1)均为钢材制造、静止板块(1)的平面A(2)、平面B(3)和运动平板(6)的平面C(5)均为二氧化钛涂层表面、润滑油(7)为国产30号机油、l1＝l2、ho/(l1+l2)＝2×10-4和Δh＝0.5nm时，图6给出当本发明轴承出口区润滑油(7)膜厚度ho分别等于10nm和20nm时本发明轴承中无量纲润滑油(7)膜压力(P)分布及其与相同条件下由传统流体润滑理论算得的无量纲润滑油(7)膜压力(Pconv)分布的比较。此处，P＝pho/(uη)，p为本发明轴承内的(量纲)润滑油(7)膜压力(单位为：Pa)，u为本发明轴承的运动平板(6)相对于静止板块(1)的运动速度，η为润滑油(7)工作时的动力粘度，ho为本发明轴承出口区润滑油(7)膜厚度；Pconv＝pconvho/(uη)，pconv为由传统流体润滑理论算得的实施例(图5)轴承中的润滑油(7)膜压力(单位为：Pa)。图6中，实线指本发明轴承中无量纲润滑油(7)膜压力(P)，虚线指由传统流体润滑理论算得的无量纲润滑油(7)膜压力(Pconv)。
从图6看出，本发明轴承内的润滑油(7)膜压力(P)比由传统流体润滑理论算得的润滑油(7)膜压力(Pconv)大很多，且本发明轴承出口区润滑油(7)膜厚度ho越小，这种差别越明显。这充分体现了本发明中运用润滑油(7)与轴承表面(平面A(2)、平面B(3)和平面C(5))间的强物理吸附极大地提高了轴承内润滑油(7)膜压力和轴承的承载能力。
实施例中，当运动平板(6)和静止板块(1)均为钢材制造、静止板块(1)的平面A(2)、平面B(3)和运动平板(6)的平面C(5)均为二氧化钛涂层表面、润滑油(7)为国产30号机油、l1＝l2、ho/(l1+l2)＝2×10-4和ho＝16nm时，图7给出不同阶梯尺寸Δh下本发明轴承的无量纲承载量(W)及其与相同条件下由传统流体润滑理论算得的无量纲承载量(Wconv)的比较。此处，W＝w/(uη)，w为本发明轴承单位接触长度上承受的载荷(即本发明轴承的载荷线密度，单位为：N/m)，u为本发明轴承的运动平板(6)相对于静止板块(1)的运动速度，η为润滑油(7)工作时的动力粘度；Wconv＝wconv/(uη)，wconv为由传统流体润滑理论算得的实施例(图5)轴承的单位接触长度上承受的载荷(单位为：N/m)。
从图7看出，不同阶梯尺寸Δh下，本发明轴承的承载量(W)均比相同条件下由传统流体润滑理论算得的实施例(图5)轴承的承载量(Wconv)大很多。这再次体现了本发明中运用润滑油(7)与轴承表面(平面A(2)、平面B(3)和平面C(5))间的强物理吸附极大地提高了轴承的承载能力。

Claims (1)

1.一种均匀轴承表面小阶梯微型阶梯轴承，包括一块静止板块(1)，静止板块(1)的工作表面包括平面A(2)、平面B(3)和阶梯面(4)，平面A(2)和平面B(3)相互平行，阶梯面(4)分别与平面A(2)和平面B(3)垂直，阶梯面(4)的高度即阶梯尺寸为Δh，另有一块具有平面C(5)的运动平板(6)，使运动平板(6)与静止板块(1)配对，使运动平板(6)的平面C(5)与静止板块(1)的平面A(2)相互平行，静止板块(1)和运动平板(6)之间的间隙中充满润滑油(7)，运动平板(6)的平面C(5)与静止板块(1)的平面A(2)之间的距离即轴承出口区润滑油(7)膜厚度为ho，运动平板(6)的运动方向为由静止板块(1)的平面B(3)一端指向静止板块(1)的平面A(2)一端，其特征在于：ho处于1nm量级至10nm量级，且0.01≤Δh/ho＜0.1，静止板块(1)的平面A(2)的物理吸附特性与静止板块(1)的平面B(3)的物理吸附特性相同，运动平板(6)的平面C(5)的物理吸附特性处处相同，润滑油(7)与平面A(2)、平面B(3)和平面C(5)间的物理吸附均为强吸附，这里的强吸附指使润滑油(7)膜流动成为连续介质流动的临界润滑油(7)膜厚度不小于30nm的润滑油(7)与平面A(2)、平面B(3)和平面C(5)间的物理吸附，静止板块(1)的平面A(2)和平面B(3)均为二氧化钛涂层表面，运动平板(6)的平面C(5)为二氧化钛涂层表面，润滑油为国产30号机油。
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