CN114034606B - 一种提高油膜承载力的表面间隔润湿性结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机械润滑技术领域，涉及一种提高油膜承载力的表面间隔润湿性结构，表面润湿性结构通过亲水性涂层和疏水性涂层构成，亲水性涂层在摩擦副的接触区表面沿运动方向间隔均匀分布，疏水性涂层紧密分布在亲水性涂层的四周，疏水性涂层将间隔分布的亲水性涂层紧密包围；本发明利用非均匀表面能的界面润湿性，产生界面润湿梯度力，将润滑剂诱导到指定区域，即亲水区，并将润滑剂‘锁定’在润滑轨道内，改善乏油现象，以此来提高油膜承载力和减少摩擦损耗。该表面结构能够用于任何两运动接触表面，实现增加承载力的措施和方法，能够使用在轴承，齿轮等零件中，适用性广，市场前景广阔。
Description
技术领域：
本发明属于机械润滑技术领域，涉及一种提高油膜承载力的表面间隔润湿性结构，在摩擦副的接触区表面制备多个润湿性梯度，将润滑剂诱导到指定区域，并将润滑剂‘锁定’在润滑轨道内，能够提高油膜承载力。
背景技术：
轴承和齿轮等在大型旋转机械设备中得到广泛应用，是精密机床、涡轮机和发动机中不可缺少的零部件。由于工作环境恶劣和工作条件的苛刻，常发生轴承和齿轮等零部件在工作中的乏油/脂现象，或是润滑剂没有得到有效利用，造成这些零件间的润滑失效，致使它们工作寿命降低，影响设备的正常运转，最终造成重大经济损失。改善润滑效果，可通过构造不同表面形貌来延长使用寿命。表面织构技术是一种常用的提高机械零部件摩擦学性能的手段。例如中国专利CN111687591A设计了一种筝形表面织构，中国专利CN112338351A设计了V型和U型仿生织构，都能够提高油膜载力和减小摩擦。但其在工件表面加工的凹坑和沟槽等，破坏了原始表面，并在几何突变处容易产生应力集中。涂层法也是改善润滑和减小摩擦磨损的一种措施，如纳米涂层法。中国专利CN1779280A提出在轴心或轴套表面形成纳米涂层可避免摩擦、延长寿命。但此方法受限于轴套轴承中。
在不破坏零件原始表面的情况下，通过改变表面润湿性提高两相对运动表面的润滑性能和摩擦性能，是目前研究者关注的热点。本发明在表面制备多个润湿性梯度，将润滑剂诱导到指定区域，并将润滑剂‘锁定’在润滑轨道内，改善乏油现象。此方式能够增强润滑油膜承载力和减少摩擦损耗，应用前景广阔。
发明内容：
本发明的目的是为克服现有技术存在的问题，提出一种提高润滑油膜承载力的表面间隔润湿性结构，通过界面上的润湿梯度力，改善供油，具有增大润滑油膜承载力及减小摩擦损耗的特点。
为了达到上述目的，本发明提供一种提高润滑油膜承载力的表面间隔润湿性结构，表面润湿性结构通过亲水性涂层和疏水性涂层构成，亲水性涂层在摩擦副的接触区表面沿运动方向间隔均匀分布，疏水性涂层紧密分布在亲水性涂层的四周，疏水性涂层将间隔分布的亲水性涂层紧密包围。
进一步的，亲水性涂层的排列方式为单列均匀阵列。
进一步的，亲水性涂层和疏水性涂层在一个水平面或疏水性涂层的表面高于亲水性涂层。
进一步的，摩擦副接触区表面亲水性涂层的面积S亲与疏水性涂层面积S疏的比值为面积比A＝S亲/S疏，A的取值范围为10％～200％。
进一步的，亲水性涂层仅分布在润滑轨道内；疏水性涂层不仅分布在摩擦副润滑轨道内，润滑轨道外也分布有疏水性涂层。
进一步的，亲水性涂层的形状为矩形，矩形的长度和宽度的特点在于：定义两相对运动摩擦副表面间的卷吸速度方向为正方向，其中，垂直卷吸速度方向的边为矩形长度L，平行卷吸速度方向的边为矩形宽度W；点接触时，矩形长度L大于赫兹接触区直径；线接触时，矩形长度L小于或等于滚子长度；面接触时，矩形长度L小于或等于正方形滑块宽度。
进一步的，当两相对运动表面做圆周运动时，亲水性涂层的排列方式为单列的环形阵列。
进一步的，所述表面润湿性结构的制备方法如下：亲水涂层选用但不限于二氧化硅涂层，疏水涂层选用但不限于防指纹油液；采用电子束蒸镀法，将二氧化硅材料升华沉积在玻璃圆盘与圆柱滚子的接触区上，制备出亲水涂层；然后，在亲水涂层上涂覆疏水涂层，将防指纹油均匀涂抹在二氧化硅涂层表面，放入恒温干燥箱中，恒温加热到85℃并保持30分钟后，自然冷却至室温；最后，在疏水涂层上粘附掩膜，用离子清洗机沿圆盘的运动方向间隔均匀的清洗掉疏水涂层，裸露出亲水涂层，裸露的亲水涂层间隔均匀分布，取下掩膜，在接触区外也涂覆疏水涂层，即制得表面润湿性结构。
本发明与现有技术相比，有益效果：
本发明利用非均匀表面能的界面润湿性，产生界面润湿梯度力，使润滑油发生反润湿现象，以此来提高油膜承载力和减少摩擦损耗。该表面结构能够用于任何两运动接触表面，实现增加承载力的措施和方法，能够使用在轴承，齿轮等零件中，适用性广，市场前景广阔。
附图说明：
图1为本发明涉及的实施例1提高油膜承载力的表面间隔润湿性结构的整体俯视结构原理示意图，其中1为疏水性涂层；2为亲水性涂层；3为圆盘。
图2为本发明涉及的实施例2提高油膜承载力的表面间隔润湿性结构的整体俯视结构原理示意图，其中1为疏水性涂层；2为亲水性涂层；3为圆盘。
图3为本发明涉及的实施例1提高油膜承载力的表面间隔润湿性结构的油膜厚度随速度变化曲线图。
图4为本发明涉及的实施例2提高油膜承载力的表面间隔润湿性结构的油膜厚度随速度变化曲线图。
具体实施方式：
下面通过具体实施例并结合附图对本发明做进一步说明。
实施例1：
本实施例涉及一种提高油膜承载力的表面间隔润湿性结构，以线接触为例，表面间隔润湿性结构是在圆盘与圆柱滚子的接触区表面沿运动方向交替分布有亲水涂层和疏水涂层，亲水涂层的形状为矩形，其排列方式为均匀环形阵列。
定义两相对运动摩擦副表面间的卷吸速度方向为正方向，其中，垂直卷吸速度方向的边为矩形长度L，平行卷吸速度方向的边为矩形宽度W；所述圆柱滚子直径为10mm，长度为5mm；矩形亲水涂层的长度L为5mm，宽度约为0.58mm。矩形长度等于圆柱滚子的长度。
所述圆盘和圆柱滚子做纯滑运动，其中，圆柱滚子静止，圆盘做圆周运动。
间隔润湿性表面结构为一层亲水涂层、一层疏水涂层相互紧密交替分布，以此组成亲-疏水性间隔分布结构。其中矩形内为亲水涂层，其余部分为疏水涂层。
所选圆盘和圆柱滚子的摩擦副接触区表面亲水性涂层的面积S亲与疏水涂层面积S疏的比值，即面积比为A＝1。也就是，亲水面积与疏水面积相等。
所述圆盘表面和圆柱滚子的接触区外也涂有疏水涂层。
本实施例涉及的提高油膜承载力的表面间隔润湿性结构的制备方法如下：亲水涂层选用但不限于二氧化硅涂层。采用电子束蒸镀法，在真空环境下，真空度约为3×10-3Pa，温度约在700～800℃，电子束打在二氧化硅材料上，使材料升华沉积在玻璃圆盘与圆柱滚子的接触区上，制备出亲水涂层。然后，在亲水涂层上涂覆疏水涂层，疏水涂层选用但不限于防指纹油液。将防指纹油均匀涂抹在二氧化硅涂层表面，放入恒温干燥箱中，恒温加热到85℃并保持30分钟后，自然冷却至室温。最后，在疏水涂层上粘附掩膜，用离子清洗机沿圆盘的运动方向间隔均匀的清洗掉尺寸为5mm×0.58mm的疏水涂层，裸露出亲水涂层，裸露的亲水涂层为矩形，尺寸为5mm×0.58mm，呈环形单列阵列，取下掩膜，在接触区外也涂覆疏水涂层，即制得如图1所示的表面间隔润湿性结构。接触区内为亲-疏水间隔交错涂层，接触区外为疏水涂层。
本实施例中选用透光且纳米级厚度的亲/疏水涂层。
本实施例将在圆盘表面制备多个润湿性梯度，将润滑剂诱导到指定区域，即亲水区，并将润滑剂‘锁定’在润滑轨道内，改善乏油现象。
本实施例利用光弹流油膜测量仪对上述提高油膜承载力的表面间隔润湿性结构的性能进行测量。实验中，选用PAO20润滑油、供油量为0.5μL、载荷为6N，测量出纯滑条件下的油膜厚度。相同条件下，分别对本实施例的表面间隔润湿性结构和原始表面(镀有二氧化硅的圆盘表面)产生的油膜厚度进行测量，结果如图3所示。从图3中可以看出：本实施例具有亲-疏水性间隔润湿性分布的表面结构产生的中心油膜厚度高于原始表面产生的中心厚度。表明在界面力和压力的协同作用下，本实施例的表面间隔润湿性结构能够提高油膜承载力，减少摩擦损失。
实施例2：
本实施例涉及一种提高油膜承载力的表面间隔润湿性结构，以线接触为例，表面间隔润湿性结构是在圆盘与圆柱滚子的接触区表面沿运动方向交替分布有亲水涂层和疏水涂层，亲水涂层的形状为矩形，其排列方式为均匀环形阵列。
定义两相对运动摩擦副表面间的卷吸速度方向为正方向，其中，垂直卷吸速度方向的边为矩形长度L，平行卷吸速度方向的边为矩形宽度W；所述圆柱滚子直径为10mm，长度为5mm；矩形亲水涂层的长度L为4mm，宽度约为0.56mm。矩形长度小于圆柱滚子的长度。
所述圆盘和圆柱滚子做纯滑运动，其中，圆柱滚子静止，圆盘做圆周运动。
间隔润湿性表面结构为一层亲水涂层、一层疏水涂层相互紧密交替分布，以此组成亲-疏水性间隔分布结构。其中矩形内为亲水涂层，其余部分为疏水涂层。
所选圆盘和圆柱滚子的摩擦副接触区表面亲水性涂层的面积S亲与疏水涂层面积S疏的比值，即，面积比为A＝50.44％。也就是，亲水面积小于疏水面积。
所述圆盘表面和圆柱滚子的接触区外也涂有疏水涂层。
本实施例涉及的提高油膜承载力的表面间隔润湿性结构的制备方法如下：亲水涂层选用但不限于二氧化硅涂层。采用电子束蒸镀法，在真空环境下，真空度约为3×10-3Pa，温度约在700～800℃，电子束打在二氧化硅材料上，使材料升华沉积在玻璃圆盘与圆柱滚子的接触区上，制备出亲水涂层。然后，在亲水涂层上涂覆疏水涂层，疏水涂层选用但不限于防指纹油液。将防指纹油均匀涂抹在二氧化硅涂层表面，放入恒温干燥箱中，恒温加热到85℃并保持30分钟后，自然冷却至室温。最后，在疏水涂层上粘附掩膜，用离子清洗机沿圆盘的运动方向间隔均匀的清洗掉尺寸为4mm×0.56mm的疏水涂层，裸露出亲水涂层，裸露的亲水涂层为矩形，尺寸为4mm×0.56mm，呈环形单列阵列，取下掩膜，在接触区外也涂覆疏水涂层，即制得如图2所示的表面润间隔湿性结构。接触区内为亲-疏水间隔交错涂层，接触区外为疏水涂层。
本实施例中选用透光且纳米级厚度的亲/疏水涂层。
本实施例将在圆盘表面制备多个润湿性梯度，将润滑剂诱导到指定区域，即亲水区，并将润滑剂‘锁定’在润滑轨道内，改善乏油现象。
本实施例利用光弹流油膜测量仪对上述提高油膜承载力的表面间隔润湿性结构的性能进行测量。实验中，选用PAO20润滑油、供油量为0.5μL、载荷为8N，测量出纯滑条件下的油膜厚度。相同条件下，分别对本实施例的表面间隔润湿性结构和原始表面(镀有二氧化硅的圆盘表面)产生的油膜厚度进行测量，结果如图4所示。从图4中可以看出：本实施例具有亲-疏水性间隔润湿性分布的表面结构产生的中心油膜厚度高于原始表面产生的中心厚度。表明在界面力和压力的协同作用下，本实施例的表面间隔润湿性结构能够提高油膜承载力，减少摩擦损失。
Claims (7)
1.一种提高润滑油膜承载力的表面间隔润湿性结构，其特征在于，表面间隔润湿性结构通过亲水性涂层和疏水性涂层构成，间隔润湿性表面结构为一层亲水涂层、一层疏水涂层相互紧密交替分布，以此组成亲-疏水性间隔分布结构，亲水性涂层在摩擦副的接触区表面沿运动方向间隔均匀分布，疏水性涂层紧密分布在亲水性涂层的四周，疏水性涂层将间隔分布的亲水性涂层紧密包围；亲水性涂层的排列方式为单列均匀阵列；亲水性涂层仅分布在润滑轨道内；疏水性涂层不仅分布在摩擦副润滑轨道内，润滑轨道外也分布有疏水性涂层。
2.根据权利要求1所述的提高润滑油膜承载力的表面间隔润湿性结构，其特征在于，亲水性涂层和疏水性涂层在一个水平面或疏水性涂层的表面高于亲水性涂层表面。
3.根据权利要求1所述的提高润滑油膜承载力的表面间隔润湿性结构，其特征在于，摩擦副接触区表面亲水性涂层的面积S 亲与疏水性涂层面积S 疏的比值为面积比A=S 亲/S 疏，A的取值范围为10%~200%。
4.根据权利要求1所述的提高润滑油膜承载力的表面间隔润湿性结构，其特征在于，亲水性涂层的形状为矩形。
5.根据权利要求4所述的提高润滑油膜承载力的表面间隔润湿性结构，其特征在于，矩形的长度和宽度的特点在于：定义两相对运动摩擦副表面间的卷吸速度方向为正方向，其中，垂直卷吸速度方向的边为矩形长度L，平行卷吸速度方向的边为矩形宽度W；点接触时，矩形长度L大于赫兹接触区直径；线接触时，矩形长度L小于或等于滚子长度；面接触时，矩形长度L小于或等于正方形滑块宽度。
6.根据权利要求1所述的提高润滑油膜承载力的表面间隔润湿性结构，其特征在于，当两相对运动表面做圆周运动时，亲水性涂层的排列方式为单列的环形阵列。
7.根据权利要求1所述的提高润滑油膜承载力的表面间隔润湿性结构，其特征在于，制备方法如下：亲水涂层选用但不限于二氧化硅涂层，疏水涂层选用但不限于防指纹油液；采用电子束蒸镀法，将二氧化硅材料升华沉积在玻璃圆盘与圆柱滚子的接触区上，制备出亲水涂层；然后，在亲水涂层上涂覆疏水涂层，将防指纹油均匀涂抹在二氧化硅涂层表面，放入恒温干燥箱中，恒温加热到85℃并保持30分钟后，自然冷却至室温；最后，在疏水涂层上粘附掩膜，用离子清洗机沿圆盘的运动方向间隔均匀的清洗掉疏水涂层，裸露出亲水涂层，裸露的亲水涂层间隔均匀分布，取下掩膜，在接触区外也涂覆疏水涂层，即制得表面润湿性结构。
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