CN110043568A - 一种轴承孔表面处油膜滑移的减摩节能向心滑动轴承 - Google Patents
一种轴承孔表面处油膜滑移的减摩节能向心滑动轴承 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种轴承孔表面处油膜滑移的减摩节能向心滑动轴承，在轴的整个表面上涂覆亲油涂层以防止轴的表面处发生润滑油膜滑移，在轴承孔的整个表面上涂覆憎油涂层以使润滑油膜在所有润滑区域的轴承孔表面上滑移，一定工况条件下本发明轴承比传统轴承具有低得多的摩擦系数。本发明轴承具有制造容易、结构简单、成本低廉、摩擦系数低和节能的优点。本发明轴承在机械设备中具有重要应用。
Description
技术领域
本发明涉及轴承领域，具体地说是一种轴承孔表面处油膜滑移的减摩节能向心滑动轴承。
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向心滑动轴承类型及其特点。
一、大长径比向心滑动轴承-长轴承
这种轴承如图1所示。由于长径比L/D较大，这种轴承可处理成无限长轴承而可忽略流体侧泄对轴承承载能力的影响。在轴承的右下位置，轴承孔形成收敛的楔形间隙。由于流体的粘性，流体粘附在轴上，也粘附在衬套或轴承座上。由于轴的旋转运动，流体被从楔形孔隙的大端截面带进去，从楔形孔隙的小端截面带出来；流体从而在楔形孔隙里受到挤压形成润滑膜压力，使润滑膜具备承受径向载荷w的能力。这是这种轴承的工作机理。
二、小长径比向心滑动轴承-窄轴承
这种轴承如图2所示。由于长径比L/D很小，流体沿轴承的轴向泄漏(即侧泄)严重。流体在侧泄过程中在狭小的缝隙里受到挤压从而形成润滑压力，使润滑膜具备承受载荷的能力。这种轴承的孔隙的楔形间隙效应相对较小，可以忽略不计。这是这种轴承的工作机理。
三、有限宽滑动轴承
这种轴承如图3所示。由于长径比适中，轴承依靠收敛的楔形孔隙形成润滑膜压力，但流体的侧向泄漏使得润滑膜压力和轴承承载能力有所降低；长径比越小，侧向泄漏越严重，轴承承载能力降低越大。计算这种轴承承载能力时，应在无限长轴承承载能力基础上考虑流体侧泄影响而引入一与长径比有关的侧泄修正系数。
上述传统轴承大多数场合下均为钢制轴承，普通钢制轴承的工作表面为钢制零件的自然表面，这种表面没有人工设计的涂层。发电机、汽轮机、大型电机、压缩机、大型机床等大型机械设备的使用经验表明，高速重载工况下，实际上上述轴承的承载能力没有传统流体润滑理论设计计算的那么大，实际工作中这些轴承常因承载能力不够而不能维持足够厚的润滑油膜，进而导致失去工作能力，而此时这些轴承的摩擦系数却急剧增大，导致轴承发热严重，进而可导致这些轴承因不能得到有效润滑而烧毁。应当注意到，传统流体润滑理论是没有考虑到润滑油膜在轴承表面处的滑移这种现象；但在高速重载工况下，轴表面处的剪应力很大，常常超出润滑油和轴表面间的界面剪切强度，进而导致润滑油膜在轴表面处的滑移。这种润滑油膜在轴的自然表面处的滑移常使轴承承载能力急剧下降而使轴承摩擦系数急剧增大，因此这种轴承自然表面处的润滑油膜滑移是非常有害的。
发明内容
本发明的目的是提供一种轴承孔表面处油膜滑移的减摩节能向心滑动轴承。在这种轴承里，运用表面涂层方法使轴的整个表面为亲油涂层表面以防止在轴的表面处发生润滑油膜滑移，而使轴承孔的整个表面为憎油涂层表面以使润滑油膜在所有润滑区域的轴承孔表面处都发生滑移。在特定的工况下，相同工况条件下本发明轴承比传统轴承具有低得多的摩擦系数。因此，本发明轴承具有显著的减摩和节能技术效果。
本发明轴承具有制造容易、结构简单、成本低廉、摩擦系数低和节能的优点。本发明轴承在机械设备中具有重要应用。
本发明的技术解决方案是：
一种轴承孔表面处油膜滑移的减摩节能向心滑动轴承，如图4，它包括轴(1)和轴承座(2)，轴承座(2)里有轴承孔表面(4)，将轴(1)放入轴承座(2)，在轴(1)表面(3)和轴承孔表面(4)之间有间隙，在这个间隙里充满润滑油(5)，轴(1)的中心Os到轴承孔表面(4)的圆心Oh有一个距离，该距离为e，轴(1)表面(3)相对于轴承孔表面(4)有一个圆周线速度u，轴(1)表面(3)为亲油涂层表面，轴承孔表面(4)为憎油涂层表面，轴承工况满足以下条件式：
当0＜ε＜0.40时，
当0.40≤ε＜0.58时，
当0.58≤ε＜1时，
这里，ε＝e/c，e为轴(1)的中心Os到轴承孔表面(4)的圆心Oh的距离(见图4)，c＝R-r，R是轴承孔表面(4)的半径，r是轴(1)的半径，Kτ＝τsac/(uη)，τsa是润滑油(5)和轴承孔表面(4)间的界面剪切强度，η是润滑油(5)的动力粘度，θ0，slip＝arccos[(ε+cos φ0，slip)/(1+εcos φ0，slip)]，φ0，slip是轴承最大润滑油(5)膜压力位置和润滑油(5)的入口位置(6)之间的包角，φ0，slip＜180°；这样，润滑油(5)膜在轴(1)表面(3)处就不发生滑移，润滑油(5)膜在所有润滑区域的轴承孔表面(4)处就发生滑移。
进一步地，轴(1)表面(3)为二氧化钛涂层表面，轴承孔表面(4)为氟碳涂层表面。
本发明的有益效果是：
本发明运用表面涂层技术，在一定工况范围内向心滑动轴承中出现润滑油膜滑移的轴表面上涂覆亲油涂层从而提高这种表面和润滑油间的界面剪切强度，进而防止润滑油膜在轴表面上的滑移；另一方面，本发明的整个轴承孔表面为憎油涂层表面从而使得润滑油膜在所有润滑区域的轴承孔表面处都发生滑移。本发明轴承具有显著的有益技术效果即显著降低轴承摩擦系数并使轴承具有可观的承载能力，因此本发明轴承具有摩擦系数低和节能的优点，具有非常重要的应用价值。
本发明具有以下优点：
(1)本发明轴承含有良好的润滑油膜，具有良好的减摩节能性能。
(2)本发明轴承结构简单，制造容易，成本低廉。
附图说明
图1是大长径比向心滑动轴承，即L/D≥5的长轴承的结构示意图；
图2是小长径比向心滑动轴承，即L/D≤0.2的窄轴承的结构示意图；
图3是有限宽向心滑动轴承，即0.2＜L/D＜5的轴承的结构示意图；
图4是本发明实施例的结构示意图；
图1、图2、图3、图4中，1-轴，2-轴承座，3-轴(1)表面，4-轴承孔表面，5-润滑油，6-润滑油(5)的入口位置，7-润滑油(5)的出口位置。
图5是当ε＝0.25时不同Kτ值下本发明轴承无量纲润滑油(5)膜压力(Pslip)分布图；
图6是不同偏心率ε值下本发明轴承无量纲承载量(Wslip)随Kτ变化图；
图7是不同偏心率ε值和不同Kτ值下本发明轴承的轴(1)表面(3)处摩擦系数(fs，slip)值及其与相同工况下传统轴承的轴表面处摩擦系数(fs，conv)值的比较图；
图8是不同偏心率ε值和不同Kτ值下本发明的轴承孔表面(4)处摩擦系数(fh，slip)值及其与相同工况下传统轴承的轴承孔表面处摩擦系数(fh，conv)值的比较图；
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
一种轴承孔表面处油膜滑移的减摩节能向心滑动轴承，如图4，它包括轴(1)和轴承座(2)，轴承座(2)里有轴承孔表面(4)，将轴(1)放入轴承座(2)，在轴(1)表面(3)和轴承孔表面(4)之间有间隙，在这个间隙里充满润滑油(5)，轴(1)的中心Os到轴承孔表面(4)的圆心Oh有一个距离，该距离为e，轴(1)表面(3)相对于轴承孔表面(4)有一个圆周线速度u，轴(1)表面(3)为亲油涂层表面，轴承孔表面(4)为憎油涂层表面，轴承工况满足以下条件式：
当0＜ε＜0.40时，
当0.40≤ε＜0.58时，
当0.58≤ε＜1时，
这里，ε＝e/c，e为轴(1)的中心Os到轴承孔表面(4)的圆心Oh的距离(见图4)，c＝R-r，R是轴承孔表面(4)的半径，r是轴(1)的半径，Kτ＝τsac/(uη)，τsa是润滑油(5)和轴承孔表面(4)间的界面剪切强度，η是润滑油(5)的动力粘度，θ0，slip＝arccos[(ε+cos φ0，slip)/(1+εcos φ0，slip)]，φ0，slip是轴承最大润滑油(5)膜压力位置和润滑油(5)的入口位置(6)之间的包角，φ0，slip＜180°；这样，润滑油(5)膜在轴(1)表面(3)处就不发生滑移，润滑油(5)膜在所有润滑区域的轴承孔表面(4)处就发生滑移。这样就形成了本发明所指的一种轴承孔表面处油膜滑移的减摩节能向心滑动轴承。
在特定的工况下，由于润滑油(5)膜在所有润滑区域的轴承孔表面(4)处的滑移，相同工况条件下本发明轴承比传统轴承具有更低的摩擦系数，同时本发明轴承具有可观的承载能力。因此，本发明轴承比传统轴承具有更为节能的优点。本发明轴承具有制造容易、结构简单、成本低廉、摩擦系数低和节能的优点。
实施例中，该种一种轴承孔表面处油膜滑移的减摩节能向心滑动轴承，由轴(1)和轴承座(2)组成，轴(1)和轴承座(2)由各种牌号钢材制成，但不排除使用其它材料制成。该种一种轴承孔表面处油膜滑移的减摩节能向心滑动轴承，轴(1)表面(3)相对于轴承孔表面(4)有一个圆周线速度u，轴(1)表面(3)为亲油涂层表面，轴承孔表面(4)为憎油涂层表面。
图4给出实施例轴承的结构示意图。图4中，u：相对于轴承孔表面(4)，轴(1)表面(3)的圆周线速度；wslip：本发明轴承单位接触长度承受的载荷；e：轴(1)的中心Os到轴承孔表面(4)的圆心Oh的距离；R：轴承孔表面(4)的半径；r：轴(1)的半径；pslip，max：本发明轴承内最大润滑油(5)膜压力；φ0，slip：轴承最大润滑油(5)膜压力位置和润滑油(5)的入口位置(6)之间的包角，φ0，slip＜180°；轴(1)表面(3)为亲油涂层表面，轴承孔表面(4)为憎油涂层表面；在轴(1)表面(3)和轴承孔表面(4)之间有间隙，在这个间隙里充满润滑油(5)；润滑油(5)膜在轴(1)表面(3)处不滑移，润滑油(5)膜在所有润滑区域的轴承孔表面(4)处均发生滑移。
实施例中，轴(1)和轴承座(2)均为钢材制造，轴(1)的半径r为150mm，轴承间隙c为12μm，相对于轴承孔表面(4)，轴(1)表面(3)的圆周线速度u为50m/s，轴(1)表面(3)为(亲油的)二氧化钛涂层表面，轴承孔表面(4)为氟碳涂层表面，润滑油(5)为国产30号机油，该润滑油在一个大气压和40℃下动力粘度为η＝0.03Pa·s，润滑油(5)和轴承孔表面(4)间的界面剪切强度τsa为0.01MPa，轴承工作温度为40℃，实施例中本发明轴承在40℃工作时润滑油(5)膜在轴(1)表面(3)处不滑移，而润滑油(5)膜在所有润滑区域的轴承孔表面(4)处均发生滑移：
(1)当偏心率ε＝0.1时，得到的本发明轴承单位长度承载量为wslip＝1.4×108N/m，本发明轴承的轴(1)表面(3)处摩擦系数(fs，slip)值为1.02×10-4，本发明的轴承孔表面(4)处摩擦系数(fh，slip)值为2.8×10-5，此时传统轴承单位长度承载量为wconv＝1.2×108N/m，传统轴承的轴表面处摩擦系数(fs，conv)值为2.25×10-4，传统轴承的轴承孔表面处摩擦系数(fh，conv)值为2.04×10-4。
(2)当偏心率ε＝0.25时，得到的本发明轴承单位长度承载量为wslip＝3.5×108N/m，本发明轴承的轴(1)表面(3)处摩擦系数(fs，slip)值为1.04×10-4，本发明的轴承孔表面(4)处摩擦系数(fh，slip)值为2.16×10-5，此时传统轴承单位长度承载量为wconv＝3.1×108N/m，传统轴承的轴表面处摩擦系数(fs，conv)值为1.72×10-4，传统轴承的轴承孔表面处摩擦系数(fh，conv)值为1.56×10-4。
(3)当偏心率ε＝0.5时，得到的本发明轴承单位长度承载量为wslip＝7.0×108N/m，本发明轴承的轴(1)表面(3)处摩擦系数(fs，slip)值为1.06×10-4，本发明的轴承孔表面(4)处摩擦系数(fh，slip)值为9.6×10-6，此时传统轴承单位长度承载量为wconv＝6.5×108N/m，传统轴承的轴表面处摩擦系数(fs，conv)值为1.07×10-4，传统轴承的轴承孔表面处摩擦系数(fh，conv)值为7.2×10-5。
从实施例看出，在给定工况下，尽管本发明轴承的承载量仅比相同条件下传统轴承的承载量略大一些，然而本发明轴承的摩擦系数却明显比传统轴承的摩擦系数要低，这表明了本发明轴承具有显著的减摩和节能技术效果。
本发明原理说明如下：
如图4，对于本发明所示的轴承结构形式，如果采用传统轴承，那么轴承的轴(1)表面(3)和轴承孔表面(4)均为自然表面，对于钢制零件的自然表面，普通润滑油如机油与这种自然表面间的界面剪切强度在常温常压下是比较低的。在较高的轴(1)表面(3)相对于轴承孔表面(4)的圆周线速度u和较大轴承载荷下如实施例中的圆周线速度u和轴承载荷下，对于普通润滑油如机油，图4结构形式的传统轴承中，润滑油膜剪应力绝对值会在轴表面处大于轴表面和润滑油间的界面剪切强度，从而导致润滑油膜在整个轴表面上滑移。润滑油膜在轴表面上的滑移使得润滑油不能被充分地带入轴承中，从而导致进入轴承的润滑油的流量减小，为维持润滑油在轴承里的流动连续，使得流入轴承的润滑油流量等于流出轴承的润滑油流量，轴承里的润滑油膜压力必须相应降低，以分别减小轴承入口区和出口区里的润滑油的压力梯度流动(即Poiseuille流动)，从而分别增大流入轴承的润滑油流量和减小流出轴承的润滑油流量，最终维持了润滑油在轴承里的流量平衡。这就是说，图4结构形式的传统轴承在较高的圆周线速度u和较大轴承载荷下发生在轴表面上的润滑油膜滑移会使轴承的承载能力显著降低；对于给定的载荷，这种承载能力的降低使得传统轴承工作在更低的润滑油膜厚度下，而润滑油膜减薄使得轴承内的润滑油膜的剪应变率增大，使得轴承表面的剪应力值增大，从而使得轴承表面的摩擦力和摩擦系数增大。反之，如本发明所示，如果采用表面涂层技术能够防止润滑油膜在轴(1)表面(3)处的滑移，那么图4结构形式的轴承的承载能力就会大大提高，而该轴承的摩擦系数则会显著减小。另一方面，为进一步降低轴承的摩擦系数，可将图4所示轴承的轴承孔表面(4)设置为憎油涂层表面，而使得润滑油(5)膜在所有润滑区域的轴承孔表面(4)处产生滑移(即打滑)，这样，由于润滑油(5)和轴承孔表面(4)间低的界面剪切强度，轴承孔表面(4)处的剪应力值和摩擦力值就低，相应地，轴承孔表面(4)处的摩擦系数就低，同时也使得轴(1)表面(3)处的摩擦系数值降低。这个结果可从本发明的实施例明显地看出。图4所示轴承润滑区域由入口区和出口区组成，轴承入口区的轴承孔表面(4)处润滑油(5)膜的滑移对于轴承的承载能力提高和轴承的摩擦系数降低都是有利的，但是轴承出口区的轴承孔表面(4)处润滑油(5)膜的滑移则会减小轴承的承载能力；本发明则表明，总体上看，将整个轴承孔表面(4)设置为憎油涂层表面而使得润滑油(5)膜在所有润滑区域的轴承孔表面(4)处产生滑移是有好处的，这主要表现为轴承摩擦系数的显著降低和轴承突出的节能性能，尽管本发明轴承的承载量只比相同条件下传统轴承的承载量略大些。这些就是本发明的原理。
图5给出了当ε＝0.25时不同Kτ值下本发明轴承无量纲润滑油(5)膜压力(Pslip)分布。这里，无量纲润滑油(5)膜压力定义为：Pslip＝pslipc2/(uηr)，pslip是轴承内带量纲的润滑油(5)膜压力(单位是Pa)，c＝R-r，R是轴承孔表面(4)的半径，r是轴(1)的半径，η是润滑油(5)的动力粘度，u是相对于轴承孔表面(4)、轴(1)表面(3)的圆周线速度。从图5看出，在一定的Kτ值下，本发明轴承内能建立起可观的润滑油(5)膜压力。
图6给出了不同偏心率ε值下本发明轴承无量纲承载量(Wslip)随Kτ的变化。这里，轴承无量纲承载量定义为：Wslip＝wslipc2/(uηr2)，wslip是轴承的单位接触长度的承载量(单位是N/m)，c、r、η和u的定义与图5中的相同。从图6看出，在一定的Kτ值范围内，本发明轴承具有可观的承载能力。
图7给出了不同偏心率ε值和不同Kτ值下本发明轴承的轴(1)表面(3)处摩擦系数(fs，slip)值及其与相同工况下传统轴承的轴表面处摩擦系数(fs，conv)值的比较。图7中，c和r的定义与图5中的相同。从图7看出，在相同工况条件下，尤其在较小的偏心率ε值下，本发明轴承的轴(1)表面(3)处摩擦系数(fs，slip)值比传统轴承的轴表面处摩擦系数(fs，conv)值明显要低，这表明本发明轴承具有显著的减摩和节能效果。
图8给出了不同偏心率ε值和不同Kτ值下本发明的轴承孔表面(4)处摩擦系数(fh，slip)值及其与相同工况下传统轴承的轴承孔表面处摩擦系数(fh，conv)值的比较。图8中，c和r的定义与图5中的相同。从图8看出，在相同工况条件下，尤其在较小的偏心率ε值下，本发明的轴承孔表面(4)处摩擦系数(fh，slip)值比传统轴承的轴承孔表面处摩擦系数(fh，conv)值明显要低，这表明本发明轴承具有显著的减摩和节能效果。
Claims (2)
1.一种轴承孔表面处油膜滑移的减摩节能向心滑动轴承，包括轴(1)和轴承座(2)，其特征在于：轴承座(2)里有轴承孔表面(4)，将轴(1)放入轴承座(2)，在轴(1)表面(3)和轴承孔表面(4)之间有间隙，在这个间隙里充满润滑油(5)，轴(1)的中心Os到轴承孔表面(4)的圆心Oh有一个距离，该距离为e，轴(1)表面(3)相对于轴承孔表面(4)有一个圆周线速度u，轴(1)表面(3)为亲油涂层表面，轴承孔表面(4)为憎油涂层表面，轴承工况满足以下条件式：
当0＜ε＜0.40时，
当0.40≤ε＜0.58时，
当0.58≤ε＜1时，
这里，ε＝e/c，c＝R-r，R是轴承孔表面(4)的半径，r是轴(1)的半径，Kτ＝τsac/(uη)，τsa是润滑油(5)和轴承孔表面(4)间的界面剪切强度，η是润滑油(5)的动力粘度，θ0，slip＝arccos[(ε+cosφ0，slip)/(1+εcosφ0，slip)]，φ0，slip是轴承最大润滑油(5)膜压力位置和润滑油(5)的入口位置(6)之间的包角，φ0，slip＜180°；这样，润滑油(5)膜在轴(1)表面(3)处就不发生滑移，润滑油(5)膜在所有润滑区域的轴承孔表面(4)上就发生滑移。
2.如权利要求1所述的一种轴承孔表面处油膜滑移的减摩节能向心滑动轴承，其特征在于：轴(1)表面(3)为二氧化钛涂层表面，轴承孔表面(4)为氟碳涂层表面。
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