CN110319121A - 一种滚道表面带有微织构的滚子轴承及其润滑方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种滚道表面带有微织构的滚子轴承及其润滑方法，包括轴承内圈、轴承外圈以及设置在轴承内圈和轴承外圈之间的滚动体；所述轴承内圈的滚道表面和轴承外圈的滚道表面均设有强化研磨层，该强化研磨层的表面上设有微织构结构；所述微织构结构由多个沿着圆周方向均匀排列的竖条形沟槽构成，所述竖条形沟槽延伸的方向与轴承的轴向方向平行。该滚子轴承的滚道表面上开设有竖条形的微型沟槽，基于竖条形的微型沟槽，不仅可以有效提高自身的润滑性能和抗载荷能力，还能延长使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及滚动轴承，具体涉及一种滚道表面带有微织构的滚子轴承及其润滑方法。
背景技术
轴承是机械设备中的核心部件，而国产的轴承往往在性能和使用寿命方面与国外存在较大差距，严重的摩擦磨损现象不仅会降低自身使用寿命，而且直接影响重大装备整体的运行安全性与服役寿命。其中，滚子轴承具有可承受负荷大、摩擦系数小等优点，适用于高速转动且径向受力大的场合，例如：高铁、矿山机械、纺织机械、钢铁和船舶等。
随着制造技术的不断提高，为了进一步优化轴承的各项物理性能(承载能力、耐磨性能和摩擦系数)，现有技术提出一种在工件上进行表面织构的加工方法，表面微织构技术是指使用特种加工方法在机械零件表面上加工出凹坑和凸起等微细结构以改善零件表面摩擦学性能的加工技术。例如，申请公布号为CN108571514A的发明专利公开了“一种用于径向滑动轴承的半椭圆形分布织构化表面”，该织构化表面呈椭圆形设置在滑动轴承上，以矩形网格阵列排布的圆坑织构为基础，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。
其中，上述表面结构整体为半椭圆形，位于轴承展开平面的入口，并非均匀排布在轴承的内圈和外圈上，其中圆形的凹坑呈矩阵列，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。但是，上述表面织构结构不适合用于滚子轴承，也不能为滚子轴承带来提高润滑性能、抗载荷能力以及使用寿命等有益效果。
发明内容
本发明的目的在于克服上述存在的问题，提供一种滚道表面带有微织构的滚子轴承，该滚子轴承的滚道表面上开设有竖条形的微型沟槽，基于竖条形的微型沟槽，不仅可以有效提高自身的润滑性能和抗载荷能力，还能延长使用寿命。
本发明的另一个目的在于提供一种滚子轴承的润滑方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种滚道表面带有微织构的滚子轴承，包括轴承内圈、轴承外圈以及设置在轴承内圈和轴承外圈之间的滚动体；
其中，所述轴承内圈的滚道表面和轴承外圈的滚道表面均设有强化研磨层，该强化研磨层的表面上设有微织构结构；所述微织构结构由多个沿着圆周方向均匀排列的竖条形沟槽构成，所述竖条形沟槽延伸的方向与轴承的轴向方向平行。
上述滚子轴承的工作原理是：
工作时，滚动体在轴承内圈和轴承外圈之间滚动，由于轴承内圈的滚道表面和轴承外圈的滚道表面均设有强化研磨层，且强化研磨层上设有多个沿着圆周方向均匀排列的竖条形沟槽。由于强化研磨层具有很多优越的物理特性，在滚动的过程中，可以减少滚子轴承在运行过程中产生的磨屑磨粒，从而降低轴承磨损速率，而竖条形沟槽可以不仅可以储存润滑油，还能够容纳在转动过程中产生的磨粒，减少“三体磨损”现象的发生，从而提高滚子轴承的耐磨性能和抗疲劳能力。进一步，由于每个竖条形沟槽中装满润滑油，当滚动体的部分滚动部位进入前方的竖条形沟槽时，会将该竖条形沟槽中的部分润滑油挤出(溢出的润滑油的体积等于滚动体的部分滚动部位进入竖条形沟槽中的体积)，而且沿着滚动的方向，由于滚动体从该竖条形沟槽的后方滚进该竖条形沟槽中，亦即滚动体会对溢出的润滑油提供往前的推力，使得溢出的润滑油往前移动，从而进入下一个竖条形沟槽中，从而为下一个竖条形沟槽补充润滑油，使得下一个竖条形沟槽可以重复上述的滚动润滑，这样循环往复，可以长时间保证竖条形沟槽中有足够的润滑油，在不需要重新加入润滑油的情况下实现“二次润滑”。
另外，在传统的滚子轴承中，滚动体与轴承内圈或轴承外圈之间为单线接触，而本发明中的滚子轴承中，滚动体与轴承内圈或轴承外圈之间为双线接触，亦即两个支撑部位对滚动体进行支撑，从而可以有效地提高轴承的抗载荷能力。
本发明的一个优选方案，其中，所述竖条形沟槽的横截面为“V”字形。
本发明的一个优选方案，其中，所述竖条形沟槽的横截面为弧形，该弧形为劣弧。进一步，该竖条形沟槽的横截面可以为圆弧形、椭圆弧形、抛物线形或其他高次曲线弧形。
一种滚子轴承的润滑方法，在轴承内圈的滚道表面和轴承外圈的滚道表面均设置强化研磨层，该强化研磨层的表面上设有微织构结构；所述微织构结构由多个沿着圆周方向均匀排列的竖条形沟槽构成，所述竖条形沟槽延伸的方向与轴承的轴向方向平行；在轴承上注入润滑油使得每个竖条形沟槽中装满润滑油；当滚动体的部分滚动部位进入前方的竖条形沟槽时，将该竖条形沟槽中的部分润滑油挤出，而且沿着滚动的方向，滚动体从该竖条形沟槽的后方滚进该竖条形沟槽中，滚动体对溢出的润滑油提供往前的推力，使得溢出的润滑油往前移动，进入下一个竖条形沟槽中，为下一个竖条形沟槽补充润滑油，使得下一个竖条形沟槽可以重复上述的滚动润滑，如此循环进行润滑。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明的滚子轴承中，通过在内外滚道的表面设置强化研磨层，可以提高滚道的物理性能，增加其刚性以及强度等，减少滚子轴承在运行过程中产生的磨屑磨粒。
2、在强化研磨层的基础上，再设置微织构结构，该微织构结构包括多个均匀排布的竖条形沟槽，可以起到储油的作用，在滚动的过程中，滚动体沿着滚动的方向依次从均匀排布的竖条形沟槽的上方滚过，把后面沟槽里的润滑油挤压到前面的沟槽中，循环往复，可以长时间后保证沟槽中有足够的润滑油，改善润滑效果，在不需要重新加入润滑油的情况下实现“二次润滑”。
3、本发明的滚子轴承中的竖条形沟槽还能够容纳在转动过程中产生的磨粒，减少“三体磨损”现象的发生，从而提高滚子轴承的耐磨性能和抗疲劳能力。
4、本发明中的滚子轴承中，滚动体与轴承内圈或轴承外圈之间为双线接触，亦即两个支撑部位对滚动体进行支撑，从而可以有效地提高轴承的抗载荷能力。
5、本方明的两个滚道面上均为微型沟槽，这样可以增加纯滚动，防止滚子在滚道内打滑，有效避免滚道划伤。
附图说明
图1为本发明中的滚道表面带有微织构的滚子轴承的立体结构示意图，其中，只显示出一个滚动体。
图2为本发明中的滚道表面带有微织构的滚子轴承的主视图。
图3为图2中的A的放大图。
图4为本发明中的滚子轴承的滚道基体的多层复合结构的示意图，其中a为表面微织构层，b为含残余应力喷射化学物理膜层，c为含残余应力的富氮表面强化层，d为轴承基体。
图5为本发明中的竖条形沟槽的局部简图。
图6为本发明中的竖条形沟槽的受力示意图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员很好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不仅限于此。
实施例1
参见图1-3，本实施例中的滚道表面带有微织构的滚子轴承，包括轴承内圈1、轴承外圈2以及设置在轴承内圈1和轴承外圈2之间的滚动体3；其中，所述轴承内圈1的滚道表面和轴承外圈2的滚道表面均设有强化研磨层，该强化研磨层的表面上设有微织构结构；所述微织构结构由多个沿着圆周方向均匀排列的竖条形沟槽4构成，所述竖条形沟槽4延伸的方向与轴承的轴向方向平行。
参见图1-3，所述竖条形沟槽4的横截面为“V”字形。
参见图4-6，F1、F2为“V”形沟槽所受的接触应力，且大小相等，F3为F1、F2的合力。已知材料的接触应力极限F3，那么F1、F2为：
假设接触负荷为Q，根据以下的公式：
接触半宽度：
接触宽度中心最大压应力：
接触面上任一点压应力：
现有的滚子轴承为单线接触，其线接触弹性应力为：
本实施例中为V型双线接触，其对应的线接触弹性应力为：
上面各式中：α为V形沟槽角度(0°＜α＜120°)。
Q为滚动体3与滚道之间法向接触负荷。
l为滚子有效长度。
∑ρ为接触点的主曲率和函数。
上式中b、l、σ的单位为mm，Q的单位为N，∑ρ的单位为mm-1，P0的单位为MPa。
而本实施例的滚子轴承的滚道设有竖条形沟槽4，滚动体3与轴承内圈1或轴承外圈2之间变为双线接触，亦即两个支撑部位对滚动体3进行支撑，相当于把一个载荷分到两个部分承担，即接触负荷变为接触负荷减小，线接触弹性变形减小，即：
综上，由于“V”形沟槽的角度α小于120°而大于0°，经计算可知，本实施例中的滚子轴承的抗载荷能力更高。
参见图1-3，本实施例中的滚子轴承的工作原理是：
工作时，滚动体3在轴承内圈1和轴承外圈2之间滚动，由于轴承内圈1的滚道表面和轴承外圈2的滚道表面均设有强化研磨层，且强化研磨层上设有多个沿着圆周方向均匀排列的竖条形沟槽4。由于强化研磨层具有很多优越的物理特性，在滚动的过程中，可以减少滚子轴承在运行过程中产生的磨屑磨粒，从而降低轴承磨损速率，而竖条形沟槽4可以不仅可以储存润滑油，还能够容纳在转动过程中产生的磨粒，减少“三体磨损”现象的发生，从而提高滚子轴承的耐磨性能和抗疲劳能力。进一步，由于每个竖条形沟槽4中装满润滑油，当滚动体3的部分滚动部位进入前方的竖条形沟槽4时，会将该竖条形沟槽4中的部分润滑油挤出(溢出的润滑油的体积等于滚动体3的部分滚动部位进入竖条形沟槽4中的体积)，而且沿着滚动的方向，由于滚动体3从该竖条形沟槽4的后方滚进该竖条形沟槽4中，亦即滚动体3会对溢出的润滑油提供往前的推力，使得溢出的润滑油往前移动，从而进入下一个竖条形沟槽4中，从而为下一个竖条形沟槽4补充润滑油，使得下一个竖条形沟槽4可以重复上述的滚动润滑，这样循环往复，可以长时间保证竖条形沟槽4中有足够的润滑油，在不需要重新加入润滑油的情况下实现“二次润滑”。
另外，在传统的滚子轴承中，滚动体3与轴承内圈1或轴承外圈2之间为单线接触，而本发明中的滚子轴承中，滚动体3与轴承内圈1或轴承外圈2之间为双线接触，亦即两个支撑部位对滚动体3进行支撑，从而可以有效地提高轴承的抗载荷能力。
实施例2
本发明的一个优选方案，其中，所述竖条形沟槽4的横截面为弧形，该弧形为劣弧。
进一步，该竖条形沟槽4的横截面可以为圆弧形、椭圆弧形、抛物线形或其他高次曲线弧形。
上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种滚道表面带有微织构的滚子轴承，包括轴承内圈、轴承外圈以及设置在轴承内圈和轴承外圈之间的滚动体；其特征在于，
所述轴承内圈的滚道表面和轴承外圈的滚道表面均设有强化研磨层，该强化研磨层的表面上设有微织构结构；所述微织构结构由多个沿着圆周方向均匀排列的竖条形沟槽构成，所述竖条形沟槽延伸的方向与轴承的轴向方向平行。
2.根据权利要求1所述的滚道表面带有微织构的滚子轴承，其特征在于，所述竖条形沟槽的横截面为“V”字形。
3.根据权利要求1所述的滚道表面带有微织构的滚子轴承，其特征在于，所述竖条形沟槽的横截面为弧形，该弧形为劣弧。
4.一种滚子轴承的润滑方法，其特征在于，在轴承内圈的滚道表面和轴承外圈的滚道表面均设置强化研磨层，该强化研磨层的表面上设有微织构结构；所述微织构结构由多个沿着圆周方向均匀排列的竖条形沟槽构成，所述竖条形沟槽延伸的方向与轴承的轴向方向平行；在轴承上注入润滑油使得竖条形沟槽中装满润滑油；滚动体沿着滚道表面进行滚动，依次经过均匀排列的竖条形沟槽；沿着滚动的方向，滚动体从竖条形沟槽的后方跨进，将竖条形沟槽中的部分润滑油置换出来，且滚动体往前跨进竖条形沟槽的同时对置换出来的润滑油提供往前的推力，驱动溢出的润滑油往前移动，进入下一个竖条形沟槽中，为下一个竖条形沟槽补充润滑油，使得下一个竖条形沟槽可以重复上述的滚动润滑，如此循环进行润滑。
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