CN109253167A - 一种基于弹流润滑的多孔金属基复合材料轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明属于轴承技术领域，具体涉及一种基于弹流润滑的多孔金属基复合材料轴承，包括由内到外依次设置的轴承内圈、滚动球保持架以及轴承外圈，所述滚动球保持架内安装有若干围绕所述轴承内圈均匀分布的滚动球，且所述滚动球包括表面多孔的球形基体，所述球形基体的外表面包裹有弹性增强体层。本发明采用表面多孔的球形基体和弹性增强体层，利用弹流润滑的原理，在微小的接触面积上形成高压区，通过增加润滑区，减少刚性部件表面之间的机械摩擦耗损，提高了轴承的承载能力。

Description

一种基于弹流润滑的多孔金属基复合材料轴承
技术领域
本发明属于轴承技术领域，具体涉及一种基于弹流润滑的多孔金属基复合材料轴承。
背景技术
弹流润滑也叫弹性流体动力润滑，是具有变粘性系数润滑膜和弹性变形接触面的润滑。例如，齿轮啮合时的润滑以及球轴承的球体与内、外圈之间的润滑。它们的共同特点是载荷作用在微小的接触面积上，形成高压区，从而使润滑剂的粘性系数发生变化，接触面发生弹性变形。弹流润滑的优点是通过增加润滑区，减少刚性部件表面之间的机械摩擦耗损。弹流润滑的粘压效应和弹性形变效应可以增加机械部件的承载能力。
轴承是旋转机械的重要零部件之一，起到固定和减小载荷摩擦系数的作用，当其他机械机械结构在轴向之间产生相对运动时，利用轴承可以降低传动过程中的摩擦系数和保持轴中心位置。随着人们对机械需求的不断提高，轴承向着高重载方向发展。现有轴承结构，比如球轴承仅仅利用球体在内外圈之间润滑，这种结构中的球体可以将滑动摩擦力变为滚动摩擦力，从而减少摩擦损失，但是球体、外圈和内圈仍然是刚性结构，不具备弹流润滑的特性，限制了球轴承的承载能力。
发明内容
本发明提供了一种基于弹流润滑的多孔金属基复合材料轴承，解决了现有技术中球体、外圈和内圈是刚性结构，不具备弹流润滑的特性，限制了球轴承的承载能力的问题。
本发明的第一个目的是提供一种基于弹流润滑的多孔金属基复合材料轴承，包括由内到外依次设置的轴承内圈、滚动球保持架以及轴承外圈，所述滚动球保持架内安装有若干围绕所述轴承内圈均匀分布的滚动球，且所述滚动球包括表面多孔的球形基体，所述球形基体的外表面包裹有弹性增强体层。
优选的，所述滚动球保持架与所述滚动球的连接处为平面。
优选的，所述轴承内圈的外表面和所述轴承外圈的内表面均设有若干菱形平面，使所述轴承内圈的外表面和所述轴承外圈的内表面为网格形状。
优选的，所述球形基体为金属球或者合金材料球。
优选的，所述弹性增强体层采用的材料为橡胶、陶瓷或者树脂。
优选的，所述球形基体按照以下步骤制备而成：
步骤1，将球形基体浸泡到碱液中，然后于35～60℃下超声处理，清洗，干燥得到预处理球基体A；
其中，所述碱液为质量浓度10％的氢氧化钠溶液，或者添加了二氧化硫脲的质量浓度10％氢氧化钠溶液；
步骤2，将步骤1中预处理球基体A置于氢气炉中，并在300～400℃下保温6～10h，保温完毕得到预处理球基体B；
步骤3，在步骤2的预处理球基体B的外表面复合一层弹性增强体材料，形成弹性增强体层，得到球形基体。
优选的，当采用的弹性增强体材料为陶瓷、橡胶或者树脂时，将预处理球基体B装入离心浇铸机中，然后使用熔融的弹性增强体材料进行离心浇铸，离心浇铸完毕后冷却至室温，得到涂覆有弹性增强体层的滚动球。
优选的，对滚动球进行打磨，使表面光滑，然后再用于组装轴承。
优选的，超声处理的条件为1.5kW/m3，频率为300kHz。
与现有技术相比，本发明提供的一种基于弹流润滑的多孔金属基复合材料轴承，具有以下有益效果：
本发明采用表面多孔的球形基体和弹性增强体层，相比于传统的刚性材料滚动球的轴承来说，弹性增强体层可以把球形基体的塑性、成型性与承受载荷能力提高，还可以提高原材料的热传导性能等。我们将现有技术的刚性滚动球改为带有弹性增强体层的滚动球，在轴承运转过程中，弹性增强体层与刚性的轴承内圈、轴承外圈之间的接触面发生形变，利用弹流润滑的原理，在微小的接触面积上形成高压区，通过增加润滑区，减少刚性部件表面之间的机械摩擦耗损，提高了轴承的承载能力。
所述滚动球保持架与所述滚动球的连接处为平面，当滚动球滚动过程中，其外层的弹性增强体也变形为小平面，接触面积增大，形成更大的高压区，从而使润滑剂的粘性系数发生更大的变化，增强弹流润滑效果。所述轴承内圈的外表面和所述轴承外圈的内表面均设有若干菱形平面，使所述轴承内圈的外表面和所述轴承外圈的内表面为网格形状。多个微小的菱形平面使轴承内圈的外表面和所述轴承外圈的接触面积也增大，增强弹流润滑效果。
附图说明
图1是本发明基于弹流润滑的多孔金属基复合材料轴承的结构示意图；
图2是本发明基于弹流润滑的多孔金属基复合材料轴承的滚动球保持架与滚动球的连接示意图；
图3是本发明基于弹流润滑的多孔金属基复合材料轴承的所述轴承内圈的外表面结构示意图。
附图标记说明：1.轴承内圈，2.滚动球保持架，3.轴承外圈，4.滚动球，41.球形基体，42.弹性增强体层。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。
下面各实施例中未注明具体条件的试验方法，均按照本领域的常规方法和条件进行，所用的材料若无特殊说明均为市售。
实施例1
一种基于弹流润滑的多孔金属基复合材料轴承，具体如图1～3所示，包括由内到外依次设置的轴承内圈1、滚动球保持架2以及轴承外圈3，所述滚动球保持架2内安装有若干围绕所述轴承内圈1均匀分布的滚动球4，且所述滚动球4包括表面多孔的球形基体41，所述球形基体41的外表面包裹有弹性增强体层42。轴承内圈1、滚动球保持架2、轴承外圈3以及滚动球4按照现有技术的深沟球轴承结构或者其他带球的轴承部件位置关系进行组装。
所述球形基体41为金属球或者合金材料球，比如铜球、铅球、不锈钢球、钛合金球。所述弹性增强体层42采用的材料为橡胶、陶瓷或者树脂。这几类增强体材料适用于不同的温度范围，比如树脂可在350℃以下使用，
采用表面多孔的球形基体和弹性增强体层，相比于传统的刚性材料滚动球的轴承来说，弹性增强体层可以把球形基体的塑性、成型性与承受载荷能力提高，还可以提高原材料的热传导性能等。我们将现有技术的刚性滚动球改为带有弹性增强体层42的滚动球4，在轴承运转过程中，弹性增强体层42与刚性的轴承内圈1、轴承外圈2之间的接触面发生形变，在微小的接触面积上形成高压区，通过增加润滑区，减少刚性部件表面之间的机械摩擦耗损，提高了轴承以及与轴承连接的机械部件的承载能力。
所述滚动球保持架2与所述滚动球4的连接处为平面，如图2所示，当滚动球4滚动过程中，其外层的弹性增强体42也变形为小平面，接触面积增大，形成更大的高压区，从而使润滑剂的粘性系数发生更大的变化，增强弹流润滑效果。平面宽度为所述滚动球4宽度的1/30～1/10，使接触面保持在微小的平面内，避免平面面积过大而影响滚动球4的转动效果。
所述轴承内圈1的外表面和所述轴承外圈3的内表面均设有若干菱形平面，使所述轴承内圈1的外表面和所述轴承外圈3的内表面为网格形状。多个微小的菱形平面使轴承内圈1的外表面和所述轴承外圈3的接触面积也增大，增强弹流润滑效果。菱形平面的菱形锐角为30～60度，菱形边长为1微米-3毫米。
基于同一种发明构思，本发明还提供了一种所述球形基体41的制备方法，包括以下步骤制备：
步骤1，将球形基体41浸泡到碱液中，然后于35～60℃下超声处理，清洗，干燥得到预处理球基体A；利用碱液浸泡球形基体，一方面对球形基体进行表面清洁，一方面在球形基体表面腐蚀出微孔，便于弹性增强体层复合在球形基体表面。采用多孔结构的球形基体，复合牢固性高，增加滚动球的使用寿命。
其中，所述碱液为质量浓度10％的氢氧化钠溶液，或者添加了二氧化硫脲的质量浓度10％氢氧化钠溶液；
步骤2，将步骤1中预处理球基体A置于氢气炉中，并在300～400℃下保温10～18h，保温完毕得到预处理球基体B；高温烧结处理后，有助于增强球形基体的塑性和机械性能；
步骤3，在步骤2的预处理球基体B的外表面复合一层弹性增强体材料，形成弹性增强体层42，得到球形基体41。
当采用的弹性增强体材料为陶瓷、橡胶或者树脂时，将预处理球基体B装入离心浇铸机中，然后使用熔融的弹性增强体材料进行离心浇铸，离心浇铸完毕后冷却至室温，分别得到涂覆有弹性增强体层42的滚动球4。一种所述球形基体41的制备方法，包括以下实施例。
实施例2
一种所述球形基体41的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，将球形基体41浸泡到碱液中，然后于60℃下超声处理，清洗，100℃干燥得到预处理球基体A；
其中，所述碱液为质量浓度10％的氢氧化钠溶液；
步骤2，将步骤1中预处理球基体A置于氢气炉中，并在300℃下保温10h，保温完毕得到预处理球基体B；
步骤3，在步骤2的预处理球基体B的外表面复合一层弹性增强体材料(陶瓷)，形成弹性增强体层42，得到球形基体41，具体如下：将预处理球基体B装入离心浇铸机中，然后使用熔融的弹性增强体材料(陶瓷)进行离心浇铸，离心浇铸完毕后冷却至室温，得到涂覆有弹性增强体层42的滚动球4。
实施例3
一种所述球形基体41的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，将球形基体41浸泡到碱液中，然后于35℃下超声处理，清洗，60℃干燥得到预处理球基体A；
其中，所述碱液为添加了二氧化硫脲的质量浓度10％氢氧化钠溶液，二氧化硫脲占氢氧化钠溶液的质量分数为0.05％；
步骤2，将步骤1中预处理球基体A置于氢气炉中，并在400℃下保温6h，保温完毕得到预处理球基体B；
步骤3，在步骤2的预处理球基体B的外表面复合一层弹性增强体材料(树脂)，形成弹性增强体层42，得到球形基体41，具体如下：将预处理球基体B装入离心浇铸机中，然后使用熔融的弹性增强体材料(树脂)进行离心浇铸，离心浇铸完毕后冷却至室温，得到涂覆有弹性增强体层42的滚动球4。
实施例4
一种所述球形基体41的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，将球形基体41浸泡到碱液中，然后于50℃下超声处理，清洗，85℃干燥得到预处理球基体A；
其中，所述碱液为质量浓度10％的氢氧化钠溶液；
步骤2，将步骤1中预处理球基体A置于氢气炉中，并在350℃下保温8h，保温完毕得到预处理球基体B；
步骤3，在步骤2的预处理球基体B的外表面复合一层弹性增强体材料(橡胶)，形成弹性增强体层42，得到球形基体41，具体如下：将预处理球基体B装入离心浇铸机中，然后使用熔融的弹性增强体材料(橡胶)进行离心浇铸，离心浇铸完毕后冷却至室温，得到涂覆有弹性增强体层42的滚动球4。
对比例1
一种所述球形基体的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，将球形基体浸泡到碱液中，然后于60℃下超声处理，处理完毕得到预处理球基体；
其中，所述碱液为质量浓度10％的氢氧化钠溶液；
步骤2，在步骤1的预处理球基体的外表面复合一层弹性增强体材料(陶瓷)，形成弹性增强体层，得到球形基体，具体如下：将预处理球基体装入离心浇铸机中，然后使用熔融的弹性增强体材料(陶瓷)进行离心浇铸，离心浇铸完毕后冷却至室温，得到涂覆有弹性增强体层的滚动球。
对比例2
一种所述球形基体的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，将球形基体浸泡到碱液中，然后于室温下超声处理，清洗，100℃干燥得到预处理球基体A；
其中，所述碱液为质量浓度10％的氢氧化钠溶液；
步骤2，将步骤1中预处理球基体A置于氢气炉中，并在300℃下保温10h，保温完毕得到预处理球基体B；
步骤3，在步骤2的预处理球基体B的外表面复合一层弹性增强体材料(陶瓷)，形成弹性增强体层，得到球形基体，具体如下：将预处理球基体B装入离心浇铸机中，然后使用熔融的弹性增强体材料(陶瓷)进行离心浇铸，离心浇铸完毕后冷却至室温，得到涂覆有弹性增强体层的滚动球。
分别对实施例2～4、对比例1～2制备的滚动球进行抗拉强度、抗压强度、体积磨损率性能进行测试，具体实验结果见表1。
表1滚动球处理后的性能测试结果
从表1中可以看出，实施例2～4的制备的滚动球具备很好的力学性能以及摩擦性能，且能够满足多种条件下对轴承的性能要求。
分别利用实施例2～4制得的滚动球按照实施例1的结构组装成深沟球轴承进行运行时间、抗压强度(承载能力)，运行时间测试结果如下：轴承在2000转/分的情况下，平均可连续稳定运转120天以上；抗压强度测试结果如下：比相似结构的外径尺寸范围为26mm以下的60000型轴承的抗压强度提高了24.5％，比外径尺寸范围为26mm以下的60000-2ZN型轴承的抗压强度提高了19.8％。
需要说明的是，本发明权利要求书中涉及数值范围时，应理解为每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用，由于采用的步骤方法与实施例相同，为了防止赘述，本发明的描述了优选的实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种基于弹流润滑的多孔金属基复合材料轴承，包括由内到外依次设置的轴承内圈(1)、滚动球保持架(2)以及轴承外圈(3)，其特征在于，所述滚动球保持架(2)内安装有若干围绕所述轴承内圈(1)均匀分布的滚动球(4)，且所述滚动球(4)包括表面多孔的球形基体(41)，所述球形基体(41)的外表面包裹有弹性增强体层(42)。
2.根据权利要求1所述的基于弹流润滑的多孔金属基复合材料轴承，其特征在于，所述滚动球保持架(2)与所述滚动球(4)的连接处为平面。
3.根据权利要求1所述的基于弹流润滑的多孔金属基复合材料轴承，其特征在于，所述轴承内圈(1)的外表面和所述轴承外圈(3)的内表面均设有若干菱形平面，使所述轴承内圈(1)的外表面和所述轴承外圈(3)的内表面为网格形状。
4.根据权利要求1所述的基于弹流润滑的多孔金属基复合材料轴承，其特征在于，所述球形基体(41)为金属球或者合金材料球。
5.根据权利要求1所述的基于弹流润滑的多孔金属基复合材料轴承，其特征在于，所述弹性增强体层(42)采用的材料为橡胶、陶瓷或者树脂。
6.根据权利要求1所述的基于弹流润滑的多孔金属基复合材料轴承，其特征在于，所述球形基体(41)按照以下步骤制备而成：
步骤1，将球形基体(41)浸泡到碱液中，然后于35～60℃下超声处理，清洗，干燥得到预处理球基体A；
其中，所述碱液为质量浓度10％的氢氧化钠溶液，或者添加了二氧化硫脲的质量浓度10％氢氧化钠溶液；
步骤2，将步骤1中预处理球基体A置于氢气炉中，并在300～400℃下保温6～10h，保温完毕得到预处理球基体B；
步骤3，在步骤2的预处理球基体B的外表面复合一层弹性增强体材料，形成弹性增强体层(42)，得到球形基体(41)。
7.根据权利要求6所述的基于弹流润滑的多孔金属基复合材料轴承，其特征在于，当采用的弹性增强体材料为陶瓷、橡胶或者树脂时，将预处理球基体B装入离心浇铸机中，然后使用熔融的弹性增强体材料进行离心浇铸，离心浇铸完毕后冷却至室温，得到涂覆有弹性增强体层(42)的滚动球(4)。
8.根据权利要求6所述的基于弹流润滑的多孔金属基复合材料轴承，其特征在于，对滚动球(4)进行打磨，使表面光滑，然后再用于组装轴承。
9.根据权利要求6所述的基于弹流润滑的多孔金属基复合材料轴承，其特征在于，超声处理的条件为1.5kW/m3，频率为300kHz。
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