CN108571514A - 一种用于径向滑动轴承的半椭圆形分布织构化表面 - Google Patents

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Abstract

一种用于径向滑动轴承的半椭圆形分布织构化表面，半椭圆形织构分布位于径向滑动轴承的入口处，该分布以呈矩形网格阵列排布的圆坑织构为基础，半椭圆分布的短半轴等于轴承宽度的1/2,半椭圆分布的长半轴等于轴承周长的1/3；本发明的功能在于改善轴承的摩擦学特性：产生相对于光滑轴承表面更为显著的流体动压效应，获得更高的承载力和更低的摩擦阻力，有效增加摩擦配副的油膜厚度，减小油膜破裂(金属直接接触)的可能性，提高其运行可靠性，并延长使用寿命。

Description

一种用于径向滑动轴承的半椭圆形分布织构化表面
技术领域
本发明涉及机械配副摩擦学特性的技术领域，特别涉及一种用于径向滑动轴承的半椭圆形分布织构化表面。
技术背景
织构化技术指的是在微纳米尺度下，通过物理或化学方法在机械滑动支承表面加工凹坑、沟槽或凸起等微结构。作为有效的摩擦支撑面改性方法，织构化表面在轴承、密封、汽缸等工程领域中得到了广泛应用，取得了良好的摩擦学改善作用，从而有效地提高了机械系统的可靠性，延长运行寿命。一般在工程中，通过经验试错和优化设计得到了具有面积比为5％-15％，直径100-1000μm，深径比0.01-0.05的圆坑织构作为较好的织构化表面设计，起到了很好的润滑效果。相关发明专利诸如：一种椭圆织构复合表面(中国申请专利CN201120458420.6)；一种带有表面织构形态的内燃机活塞(中国发明专利CN201310231889.X)；一种带表面织构齿面的齿轮(中国发明专利201220566666.X)；一种子弹形凹坑织构化表面(中国发明专利ZL201510430446.2)。
然而目前对于圆坑织构在特定摩擦配副中的排布设计，并不存在广为接受的设计方案。径向滑动轴承作为最为广泛应用的摩擦配副之一，通过其表面织构化设计可以有效地提高承载力，减小摩擦阻力，具有显著的经济效益。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于径向滑动轴承的半椭圆形分布织构化表面，基于遗传算法优化径向滑动轴承圆坑织构的分布，以获得较大的承载力和较小的摩擦阻力，同时具有相对于常规的半织构化表面更少的加工量。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种用于径向滑动轴承的半椭圆形分布织构化表面，半椭圆形织构分布位于径向滑动轴承的入口处，该分布以呈矩形网格阵列排布的圆坑织构为基础，半椭圆分布的短半轴等于轴承宽度的1/2,半椭圆分布的长半轴等于轴承周长的1/3。
本发明独特的半椭圆形织构分布，从轴承的润滑油液入口处开始呈收敛形式，可以有效地减少轴承周向边界附近织构对其油膜流体动压峰的限制作用，从而获得更高的流体动压力、更大的承载力和更小的摩擦系数。
附图说明
图1为径向滑动轴承轴瓦展开平面上呈半椭圆形分布的织构。
图2为半椭圆织构化表面、半织构化表面和光滑表面轴承的摩擦学特性柱状图。
图3a为半椭圆织构化表面流体动压力三维分布图；图3b为半织构化表面的流体动压力三维分布图；图3c为光滑表面轴承的流体动压力三维分布图
图4为半椭圆织构化表面、半织构化表面和光滑表面轴承的流体动压力二维曲线。
图5为半椭圆织构化表面、半织构化表面轴承流体动压分布的俯视图。
图6为在轴承展开面不同宽/长比条件下优化得到的半椭圆形织构排布
图7为在轴承不同收敛比条件下优化得到的半椭圆形织构排布
图8为本发明设计方案和其他设计方案轴承的摩擦学特性对比。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明通过遗传算法优化径向滑动轴承轴瓦表面织构分布，以改善其摩擦学特性。设计图如图1所示。一种半椭圆形径向滑动轴承织构排布，位于轴承展开平面的入口。其中，圆坑织构以矩形网格阵排布为基础，设定短半轴和长半轴长度分别等于轴承的宽度1/2和周长1/3的半椭圆为织构化表面范围。
图2是计算得到的半椭圆织构化表面、半织构化表面和光滑表面轴承的摩擦学特性柱状图(B/L＝0.47,ε＝0.1)。由此可见，半椭圆形径向滑动轴承织构排布具有更高的承载力，更低的摩擦系数。图3是3种织构排布的三维流体动压力分布图，图4是图3中平行于x轴中心对称截面的二维流体动压力分布图。由图3和图4可知，本发明得到的半椭圆形织构排布具有比半织构排布和光滑表面更高的流体动压力。图5(a)、(b)分别是半椭圆织构化表面和半织构化表面流体动压力俯视图。由图5可见，两种织构排布的最高压力峰的x坐标几乎是一致的。然而，半椭圆形织构化表面具有比半织构化表面更高的油膜流体动压力。这可能是因为在滑动方向上，半椭圆形织构呈逐渐向中心收敛的趋势，这样就减小了轴承周向边缘附近织构对其流体动压的限制作用。
图6和图7分别是在不同长/宽比和收敛比条件下优化得到的半椭圆形织构排布。尽管对于具有不同长/宽比和收敛比的轴承，优化所得的半椭圆形织构排布几个尺寸略有不同。但是，半椭圆的短半轴和长半轴尺寸变化不大，即：短半轴等于轴承的宽度的1/2，长半轴等于轴承周长的1/3。
图8是本发明的一个应用实例。在尺寸较大的轴承上采用本发明设计方案和其他三种方案(织构在整个宽度方向排布，起始角为0°，终止角分别为140°,120°和60°)以及光滑表面进行了对比，从而进一步证实了本发明具有比其他方案更高的承载力，更低的摩擦系数。

Claims (1)

1.一种用于径向滑动轴承的半椭圆形分布织构化表面，其特征在于：半椭圆形织构分布位于径向滑动轴承的入口处，该分布以呈矩形网格阵列排布的圆坑织构为基础，半椭圆分布的短半轴等于轴承宽度的1/2,半椭圆分布的长半轴等于轴承周长的1/3。
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