CN108006064A - 非均匀轴承表面小倾角微型固定瓦块推力滑动轴承 - Google Patents

非均匀轴承表面小倾角微型固定瓦块推力滑动轴承 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种非均匀轴承表面小倾角微型固定瓦块推力滑动轴承，包括一块固定瓦块和一块运动平板，固定瓦块工作表面和运动平板工作表面之间的夹角θ的取值范围为：10‑5°≤θ＜0.01°。本发明轴承润滑油膜厚度处于1nm量级，以使润滑油膜和轴承表面间的物理吸附发挥作用，本发明采用了非均匀的轴承静止表面即非均匀的固定瓦块工作表面；在本发明轴承中，入口区润滑油膜与轴承静止表面间的物理吸附比出口区润滑油膜与轴承静止表面间的物理吸附要强。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，本发明轴承在微型机械和精密机械中具有重要应用。

Description

非均匀轴承表面小倾角微型固定瓦块推力滑动轴承
技术领域
本发明涉及轴承领域，具体地说是一种非均匀轴承表面小倾角微型固定瓦块推力滑动轴承。
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，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，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非均匀轴承表面小倾角微型固定瓦块推力滑动轴承。传统的固定瓦块推力滑动轴承中固定瓦块的倾斜角度(简称倾角)大于0.01°，而本发明轴承中固定瓦块的倾角θ的范围为10-5°≤θ＜0.01°。对于本发明轴承中这么小的固定瓦块倾角，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，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，本发明采用了非均匀的轴承静止表面即非均匀的固定瓦块工作表面，在本发明轴承中，入口区润滑油膜与轴承静止表面间的物理吸附比出口区润滑油膜与轴承静止表面间的物理吸附要强。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倾角微型固定瓦块推力滑动轴承，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：
一种非均匀轴承表面小倾角微型固定瓦块推力滑动轴承，如图5，包括一块固定瓦块(1)，固定瓦块(1)工作表面包括平面A(2)和平面C(6)，平面A(2)和平面C(6)的物理吸附特性不相同，平面A(2)和平面C(6)是固定瓦块(1)上的涂层表面或是固定瓦块(1)的自然表面；另有一块具有平面B(3)的运动平板(4)，平面B(3)的物理吸附特性处处相同，平面B(3)是运动平板(4)上的涂层表面或是运动平板(4)的自然表面。
使运动平板(4)与固定瓦块(1)配对，固定瓦块(1)的倾角即固定瓦块(1)的平面A(2)和运动平板(4)的平面B(3)之间的夹角为θ，θ的取值范围为：10-5°≤θ＜0.01°。固定瓦块(1)和运动平板(4)之间就形成了楔形间隙，在这个楔形间隙里充满润滑油(5)，这个楔形间隙的小端处间隙值即轴承出口处润滑油(5)膜厚度为ho，ho处于1nm量级，运动平板(4)相对于固定瓦块(1)的运动方向为由这个楔形间隙的大端指向这个楔形间隙的小端。平面A(2)和润滑油(5)间的物理吸附比平面C(6)和润滑油(5)间的物理吸附要强。这样就形成了本发明所指的一种非均匀轴承表面小倾角微型固定瓦块推力滑动轴承。
进一步地，固定瓦块(1)的平面A(2)为二氧化钛涂层表面，平面C(6)为氟碳涂层表面，运动平板(4)的平面B(3)为运动平板(4)的自然表面。
本发明的有益效果是：
本发明运用物理吸附技术，设计出一种小倾角微型固定瓦块推力滑动轴承。本发明不要求轴承的固定瓦块工作表面与轴承的运动平板工作表面严格平行，而是容许两者之间有一个小的倾斜角θ(10-5°≤θ＜0.01°)；倾斜角θ的存在使本发明轴承的制造变得更加容易，不至于对本发明轴承的固定瓦块的工作表面加工精度提出极其苛刻的要求，而且一定的倾斜角θ反而使本发明轴承的承载能力增大。
本发明轴承适用于特定的微小型机械或精密机械场合，采用非均匀特性的轴承固定瓦块工作表面，具有极为可观的承载能力。这是传统轴承不能比的。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)本发明轴承适用于特定的采用小倾角θ(10-5°≤θ＜0.01°)的固定瓦块场合。
(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是本发明实施例非均匀轴承表面小倾角微型固定瓦块推力滑动轴承的结构示意图；
图6是实施例中不同的固定瓦块(1)的倾角θ下本发明轴承的无量纲承载量(W)及其与相同条件下传统流体润滑理论算得的该轴承的无量纲承载量(Wconv)的比较图；
图7是实施例中不同轴承出口处润滑油(5)膜厚度ho下本发明轴承的无量纲承载量(W)及其与相同条件下传统流体润滑理论算得的该轴承的无量纲承载量(Wconv)的比较图。
其中，u为运动平板相对于固定瓦块的运动速度，w：单位接触长度上轴承支承的载荷，ho为轴承出口处润滑油(5)膜厚度，l1为平面A(2)的宽度，l2为平面C(6)的宽度，θ为固定瓦块(1)的倾角即固定瓦块(1)的平面A(2)和运动平板(4)的平面B(3)之间的夹角，两板块之间的间隙中充满润滑油，平面A(2)和润滑油(5)间的物理吸附比平面C(6)和润滑油(5)间的物理吸附要强。
图5中：1-固定瓦块，2-平面A，3-平面B，4-运动平板，5-润滑油，6-平面C
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
一种非均匀轴承表面小倾角微型固定瓦块推力滑动轴承，如图5，包括一块固定瓦块(1)，固定瓦块(1)工作表面包括平面A(2)和平面C(6)，平面A(2)和平面C(6)的物理吸附特性不相同，平面A(2)和平面C(6)是固定瓦块(1)上的涂层表面或是固定瓦块(1)的自然表面；另有一块具有平面B(3)的运动平板(4)，平面B(3)的物理吸附特性处处相同，平面B(3)是运动平板(4)上的涂层表面或是运动平板(4)的自然表面。使运动平板(4)与固定瓦块(1)配对，固定瓦块(1)的倾角即固定瓦块(1)的平面A(2)和运动平板(4)的平面B(3)之间的夹角为θ，θ的取值范围为：10-5°≤θ＜0.01°。固定瓦块(1)和运动平板(4)之间就形成了楔形间隙，在这个楔形间隙里充满润滑油(5)，这个楔形间隙的小端处间隙值即轴承出口处润滑油(5)膜厚度为ho，ho处于1nm量级，运动平板(4)相对于固定瓦块(1)的运动方向为由这个楔形间隙的大端指向这个楔形间隙的小端。平面A(2)和润滑油(5)间的物理吸附比平面C(6)和润滑油(5)间的物理吸附要强。这样就形成了本发明所指的一种非均匀轴承表面小倾角微型固定瓦块推力滑动轴承。
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倾角θ(10-5°≤θ＜0.01°)的固定瓦块场合，含有良好的润滑油膜，具有良好的减摩耐磨性能。
实施例中，该种非均匀轴承表面小倾角微型固定瓦块推力滑动轴承，由固定瓦块(1)和运动平板(4)组成本轴承，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。该种非均匀轴承表面小倾角微型固定瓦块推力滑动轴承，固定瓦块(1)的倾角即固定瓦块(1)的平面A(2)和运动平板(4)的平面B(3)之间的夹角为θ，θ的取值范围为：10-5°≤θ＜0.01°；固定瓦块(1)和运动平板(4)之间就形成了楔形间隙，这个楔形间隙的小端为轴承出口端，这个楔形间隙的大端为轴承入口端，运动平板(4)相对于固定瓦块(1)的运动方向为由这个楔形间隙的大端指向这个楔形间隙的小端，如图5；平面A(2)和润滑油(5)间的物理吸附比平面C(6)和润滑油(5)间的物理吸附要强，平面A(2)为亲油涂层表面，平面C(6)为憎油涂层表面。
图5给出实施例轴承的结构示意图。图5中，u为运动平板(4)相对于固定瓦块(1)的运动速度，w：单位接触长度上轴承支承的载荷，ho为轴承出口处润滑油(5)膜厚度，l1为平面A(2)的宽度，l2为平面C(6)的宽度，θ为固定瓦块(1)的倾角即固定瓦块(1)的平面A(2)和运动平板(4)的平面B(3)之间的夹角；两板块之间的间隙中充满润滑油(5)，平面A(2)和润滑油(5)间的物理吸附比平面C(6)和润滑油(5)间的物理吸附要强，平面A(2)为亲油涂层表面，平面C(6)为憎油涂层表面。
该种非均匀轴承表面小倾角微型固定瓦块推力滑动轴承，使固定瓦块(1)的平面A(2)和运动平板(4)的平面B(3)之间的夹角为θ，θ的取值范围为：10-5°≤θ＜0.01°。运动平板(4)以速度u相对于固定瓦块(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。
与传统流体动压润滑固定瓦块推力滑动轴承相比，本发明设计的轴承润滑机理有进一步实质改进，且使用很小的固定瓦块倾角θ(10-5°≤θ＜0.01°)。它运用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，适用于小倾角θ(10-5°≤θ＜0.01°)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(4)和固定瓦块(1)均为钢材制造，固定瓦块(1)的平面A(2)和平面C(6)均为涂层表面，平面A(2)为(亲油的)二氧化钛涂层表面，平面C(6)为(憎油的)氟碳涂层表面，运动平板(4)的平面B(3)为运动平板(4)的自然表面，润滑油(5)为国产30号机油，该润滑油工作时动力粘度为η＝0.01Pa·s，运动平板(4)的运动速度为u＝0.0001m/s：
(1)当固定瓦块(1)的倾角θ为：θ＝0.005°，l1＝l2＝0.006mm，ho＝3.0nm时，得到的本发明轴承单位长度承载量为w＝50N/m，此时传统流体润滑理论算得的该轴承承载量为wconv＝2.0N/m。
(2)当固定瓦块(1)的倾角θ为：θ＝0.001°，l1＝l2＝0.006mm，ho＝3.0nm时，得到的本发明轴承单位长度承载量为w＝30N/m，此时传统流体润滑理论算得的该轴承承载量为wconv＝0.3N/m。
(3)当固定瓦块(1)的倾角θ为：θ＝1×10-4°，l1＝l2＝0.006mm，ho＝3.0nm时，得到的本发明轴承单位长度承载量为w＝10N/m，此时传统流体润滑理论算得的该轴承承载量为wconv＝0.04N/m。
(4)当固定瓦块(1)的倾角θ为：θ＝1×10-5°，l1＝l2＝0.006mm，ho＝3.0nm时，得到的本发明轴承单位长度承载量为w＝7.0N/m，此时传统流体润滑理论算得的该轴承承载量为wconv＝0.004N/m。
(5)当固定瓦块(1)的倾角θ为：θ＝0.005°，l1＝l2＝0.012mm，ho＝6.0nm时，得到的本发明轴承单位长度承载量为w＝15N/m，此时传统流体润滑理论算得的该轴承承载量为wconv＝1.8N/m。
(6)当固定瓦块(1)的倾角θ为：θ＝0.005°，l1＝l2＝0.018mm，ho＝9.0nm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＝1.6N/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。这鲜明地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：
根据以往建立的界面吸附理论，由于本发明轴承入口区(即平面A(2)对应的润滑区域，如图5所示)中润滑油(5)与固定瓦块(1)的平面A(2)间的物理吸附强度大于出口区(即平面C(6)对应的润滑区域，如图5所示)中润滑油(5)与固定瓦块(1)的平面C(6)间的物理吸附强度，在θ角很小时，即使在入口区中轴承表面间隙即润滑油(5)膜厚度与出口区中轴承表面间隙很接近的情况下，由于润滑油(5)在固定瓦块(1)的平面A(2)的吸附、有序定向和固化作用，本轴承入口区中由轴承运动平板(4)表面牵引运动产生的润滑油(5)质量流量(即润滑油(5)Couette流动流量)大于轴承出口区中由轴承运动平板(4)表面牵引运动产生的润滑油(5)质量流量，由于本发明轴承中润滑油(5)从入口区流向出口区，若本轴承的两板块间隙中无润滑油(5)膜压力建立，则由轴承运动平板(4)表面牵引运动产生的润滑油(5)流动使润滑油(5)在本轴承的两板块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油(5)膜压力，形成的润滑油(5)膜压力使润滑油(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板块间隙的润滑油(5)质量流量处处相等，从而满足了润滑油(5)流动连续性。这就是说，本发明轴承能形成较大润滑油(5)膜压力以支承载荷。由于形成了润滑油(5)膜，本发明轴承的摩擦系数低、磨损轻微甚至忽略不计。本发明轴承即使在固定瓦块(1)的倾角θ很小的情况下也能承受较大载荷，适用于微小型机械和精密机械中的特定场合。这是传统轴承不能比的，也是本发明轴承的特点所在。
当运动平板(4)和固定瓦块(1)均为钢材制造，固定瓦块(1)的平面A(2)为(亲油的)二氧化钛涂层表面，固定瓦块(1)的平面C(6)为(憎油的)氟碳涂层表面，运动平板(4)的平面B(3)为运动平板(4)的自然表面，润滑油(5)为国产30号机油，l1＝l2＝0.006mm，ho＝3.0nm时，图6给出不同的固定瓦块(1)的倾角θ下本发明轴承的无量纲承载量(W)及其与相同条件下传统流体润滑理论算得的该轴承的无量纲承载量(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(4)相对于固定瓦块(1)的运动速度，η为润滑油(5)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6看出，当10-5°≤θ＜0.01°时，本发明轴承的承载量(W)是相同条件下传统流体润滑理论算得的该轴承的承载量(Wconv)的近100倍甚至近1000倍，这表明了相比于传统润滑技术得到的承载量(Wconv)，本发明轴承的承载能力得到了很大提高。
当运动平板(4)和固定瓦块(1)均为钢材制造，固定瓦块(1)的平面A(2)为(亲油的)二氧化钛涂层表面，固定瓦块(1)的平面C(6)为(憎油的)氟碳涂层表面，运动平板(4)的平面B(3)为运动平板(4)的自然表面，润滑油(5)为国产30号机油，固定瓦块(1)的倾角θ为：θ＝0.005°，ho/(l1+l2)＝2×10-4时，图7给出不同轴承出口处润滑油(5)膜厚度ho下本发明轴承的无量纲承载量(W)及其与相同条件下传统流体润滑理论算得的该轴承的无量纲承载量(Wconv)的比较。此处，W和Wconv的定义分别与图7中的W和Wconv的定义相同。
从图7看出，当本发明轴承出口处润滑油(5)膜厚度ho处于1nm量级时，本发明轴承的承载量(W)比相同条件下传统流体润滑理论算得的该轴承的承载量(Wconv)大很多。这表明了本发明轴承极为显著的技术效果和突出的应用价值。

Claims (4)

1.一种非均匀轴承表面小倾角微型固定瓦块推力滑动轴承，包括一块固定瓦块(1)和一块运动平板(4)，固定瓦块(1)的工作表面包括平面A(2)和平面C(6)，使运动平板(4)与固定瓦块(1)配对，固定瓦块(1)的倾角即固定瓦块(1)的平面A(2)和运动平板(4)的平面B(3)之间的夹角为θ，固定瓦块(1)和运动平板(4)之间就形成了楔形间隙，在这个楔形间隙里充满润滑油(5)，这个楔形间隙的小端处间隙值即轴承出口处润滑油(5)膜厚度为ho，运动平板(4)相对于固定瓦块(1)的运动方向为由这个楔形间隙的大端指向这个楔形间隙的小端，其特征在于：θ的取值范围为：10-5°≤θ＜0.01°，ho处于1nm量级，固定瓦块(1)的平面A(2)和平面C(6)的物理吸附特性不相同，运动平板(4)的平面B(3)的物理吸附特性处处相同，平面A(2)和润滑油(5)间的物理吸附比平面C(6)和润滑油(5)间的物理吸附要强。
2.如权利要求1所述的非均匀轴承表面小倾角微型固定瓦块推力滑动轴承，其特征在于：平面A(2)和平面C(6)是固定瓦块(1)上的涂层表面或是固定瓦块(1)的自然表面。
3.如权利要求1所述的非均匀轴承表面小倾角微型固定瓦块推力滑动轴承，其特征在于：平面B(3)是运动平板(4)上的涂层表面或是运动平板(4)的自然表面。
4.如权利要求2所述的非均匀轴承表面小倾角微型固定瓦块推力滑动轴承，其特征在于：固定瓦块(1)的平面A(2)为二氧化钛涂层表面，平面C(6)为氟碳涂层表面。
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