IPC分类号 : F16C33/04,F16C33/10,F16C17/00
专利摘要
本发明涉及一种出口区静止表面处和入口区静止表面处皆出现界面滑移的异形阶梯轴承，包括一块静止板块和一块运动平板，静止板块工作表面为阶梯状表面，运动平板和静止板块的凸出工作表面相互平行，轴承入口区这两板块间隙小于出口区这两板块间隙，这两板块间隙中充满润滑油，运动平板运动方向为从轴承入口区指向出口区。润滑油在轴承出口区静止板块表面上和入口区静止板块表面上皆滑移，而在轴承其余表面上不滑移。润滑油与出口区静止板块表面间界面剪切强度大于润滑油与入口区静止板块表面间界面剪切强度。本发明轴承具有一定承载能力和较低摩擦系数，具有显著减摩和节能效果，在机械设备中特定场合下作支承部件用。
权利要求
1.一种出口区静止表面处和入口区静止表面处皆出现界面滑移的异形阶梯轴承，包括一块静止板块(1)，静止板块(1)的工作表面包括平面A(2)、平面B(3)和阶梯面(4)，平面A(2)和平面B(3)相互平行，阶梯面(4)分别与平面A(2)和平面B(3)垂直，阶梯面(4)的高度即阶梯尺寸为Δh；另有一块具有平面C(5)的运动平板(6)，使运动平板(6)与静止板块(1)配对，使运动平板(6)的平面C(5)与静止板块(1)的平面A(2)相互平行，运动平板(6)的运动方向为由静止板块(1)的平面A(2)一端指向静止板块(1)的平面B(3)一端，静止板块(1)和运动平板(6)之间的间隙中充满润滑油(7)，运动平板(6)的平面C(5)与静止板块(1)的平面A(2)之间的距离即轴承入口区润滑油(7)膜厚度为h
2.如权利要求1所述的出口区静止表面处和入口区静止表面处皆出现界面滑移的异形阶梯轴承，其特征在于：润滑油(7)和平面B(3)间的界面剪切强度τ
这里，λ
3.如权利要求1-2任一项所述的出口区静止表面处和入口区静止表面处皆出现界面滑移的异形阶梯轴承，其特征在于：ψ值的优选范围是：1.2≤ψ≤2.4。
4.如权利要求3所述的出口区静止表面处和入口区静止表面处皆出现界面滑移的异形阶梯轴承，其特征在于：ψ的最优取值是：ψ＝1.7。
说明书
技术领域
本发明涉及轴承领域，具体地说是一种出口区静止表面处和入口区静止表面处皆出现界面滑移的异形阶梯轴承。
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推力滑动轴承类型及其特点。
一、倾斜平面瓦块轴承，这种轴承如图1所示。它依靠上下两表面间形成的收敛间隙和这两个表面间的相对运动实现流体动压效应，从而实现润滑。这种轴承有较大承载能力，有较好减摩和耐磨性能。
这种轴承分成两种，一种是上表面和下表面均不能绕支点转动的固定瓦块轴承，另一种是其中一个表面可绕支点转动的可倾瓦块轴承。在良好设计下，可倾瓦块轴承比固定瓦块轴承有更大的承载能力。
二、锯齿形瓦块轴承，这种轴承如图2所示。它的工作和润滑机理同上一种轴承。在相同条件下它的承载能力比上一种轴承低得多。
三、斜面平台瓦块轴承，这种轴承如图3所示。它的工作和润滑机理同上两种轴承。在相同工况下它的最大承载量比倾斜平面固定瓦块轴承的最大承载量高出20％。
四、瑞利阶梯轴承，这种轴承如图4所示。它的工作和润滑机理同前面轴承。相比于前面三种轴承，在相同工况下它的最大承载量最高，比倾斜平面固定瓦块轴承的最大承载量高出28％。
根据传统流体润滑理论，图1-图4所示传统轴承均依赖两固体表面间形成的收敛楔形间隙，在运动表面带动下，润滑油从收敛楔形间隙的大截面带进去，从它的小截面带出来，从而使润滑油在收敛楔形间隙中受到挤压进而产生油压，润滑油膜就具备承载能力，从而形成流体动压润滑轴承。按照传统流体润滑理论，两固体表面间形成的发散楔形间隙中是不可能形成流体动压润滑油膜的，这时就不可能形成轴承。因为此时在运动表面带动下，润滑油从发散楔形间隙的小截面带进去，而从它的大截面被带出来，这样润滑油在发散楔形间隙中就不会受到挤压，也就不会产生油压，不具备承载能力，不能形成润滑油膜。
发明内容
本发明的目的是提供一种出口区静止表面处和入口区静止表面处皆出现界面滑移的异形阶梯轴承。与传统流体润滑理论相悖，这种轴承两接触表面间形成发散的间隙。与图4所示传统阶梯轴承相反，这种轴承入口区的表面间隙小于它的出口区的表面间隙。按照传统流体润滑理论，这种轴承应当是不成立的，因为润滑油从发散间隙的小截面带进去，而从它的大截面被带出来，润滑油在这样的间隙中没有被挤压，也就不能形成油压，不具备承载能力。但是，如果这种轴承入口区的静止表面为具有较弱物理吸附能力的憎油涂层表面而使润滑油膜在轴承入口区的整个静止表面上滑移，同时润滑油膜也在这种轴承的出口区的整个静止表面上滑移，但这种轴承里润滑油膜和出口区静止表面间的界面剪切强度大于润滑油膜和入口区静止表面间的界面剪切强度，而润滑油膜在轴承的其余表面即轴承的整个运动表面上不滑移，由于润滑油膜在本轴承入口区整个静止表面和出口区整个静止表面上的滑移，在轴承运动表面带动下，流入本轴承入口区小截面的润滑油流量就会反而大于流出出口区大截面的润滑油流量，从而使得润滑油在这样的发散楔形间隙中也能受到挤压进而产生油压，润滑油膜就具备承载能力。这样就形成本发明所指的出口区静止表面处和入口区静止表面处皆出现界面滑移的异形阶梯轴承。
本发明在传统轴承忌讳的发散的表面间隙下，仅运用界面滑移技术，就实现了具有一定承载能力的异形阶梯轴承，在技术上，本发明具有突出的进步和创造性。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。
本发明的技术解决方案是：
一种出口区静止表面处和入口区静止表面处皆出现界面滑移的异形阶梯轴承，如图5，包括一块静止板块(1)，静止板块(1)的工作表面包括平面A(2)、平面B(3)和阶梯面(4)，平面A(2)和平面B(3)相互平行，阶梯面(4)分别与平面A(2)和平面B(3)垂直，阶梯面(4)的高度即阶梯尺寸为Δh；平面A(2)的物理吸附特性与平面B(3)的物理吸附特性不相同，平面A(2)是憎油涂层表面，平面B(3)是涂层表面或是静止板块(1)的自然表面。本发明另有一块具有平面C(5)(工作表面)的运动平板(6)，平面C(5)是运动平板(6)的亲油自然表面或是运动平板(6)上的亲油涂层表面。使运动平板(6)与静止板块(1)配对，使运动平板(6)的平面C(5)与静止板块(1)的平面A(2)相互平行，静止板块(1)和运动平板(6)之间的间隙中充满润滑油(7)，运动平板(6)的平面C(5)与静止板块(1)的平面A(2)之间的距离即轴承入口区润滑油(7)膜厚度为hi，运动平板(6)的平面C(5)与静止板块(1)的平面B(3)之间的距离即轴承出口区润滑油(7)膜厚度为ho，静止板块(1)的平面A(2)的宽度为l1，静止板块(1)的平面B(3)的宽度为l2，定义：ψ＝l2/l1，λh＝ho/hi；本发明要求：λh＞1，润滑油(7)和平面B(3)间的界面剪切强度τsb大于润滑油(7)和平面A(2)间的界面剪切强度τsa，并且τsb和τsa满足以下关系式：
这里，λr＝τsb/τsa，u是运动平板(6)相对于静止板块(1)的运动速度，η是润滑油(7)工作时的动力粘度；润滑油(7)和平面C(5)间的界面剪切强度τsc大于平面C(5)处的剪应力的绝对值，即： 这样，润滑油(7)膜在整个平面A(2)和整个平面B(3)上就滑移，而润滑油(7)膜在整个平面C(5)上则不滑移。运动平板(6)的运动方向为由静止板块(1)的平面A(2)一端指向静止板块(1)的平面B(3)一端。这样就形成了本发明所指的出口区静止表面处和入口区静止表面处皆出现界面滑移的异形阶梯轴承。本发明轴承中，ψ值的优选范围是：1.2≤ψ≤2.4，在此ψ取值范围内，本发明轴承的承载能力较大。本发明轴承最优工作条件是：ψ＝l2/l1＝1.7；在此条件下，这种轴承具有最大承载能力。
进一步地，静止板块(1)的平面A(2)为氟碳涂层表面，静止板块(1)的平面B(3)为陶瓷涂层表面，运动平板(6)的平面C(5)为二氧化钛涂层表面。
本发明的有益效果是：
本发明运用界面滑移技术，采用表面涂层方法设计出一种异形阶梯轴承。本发明轴承适用于轴承入口区表面间隙小于轴承出口区表面间隙的场合，这是传统阶梯轴承达不到的。本发明轴承具有一定的承载能力和较低的摩擦系数，具有良好的润滑油膜，能起到较好的减摩节能效果，在机械设备上作支承部件用。
本发明具有以下优点：
(1)本发明轴承适用于轴承入口区表面间隙小于轴承出口区表面间隙的场合。
(2)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，具有一定的承载能力。
(3)本发明轴承结构简单，制造容易，成本低廉。
附图说明
图1是现有倾斜平面瓦块轴承的结构示意图；
图2是现有锯齿形瓦块轴承的结构示意图；
图3是现有斜面平台瓦块轴承的结构示意图；
图4是现有瑞利阶梯轴承的结构示意图；
图5是本发明实施例出口区静止表面处和入口区静止表面处皆出现界面滑移的异形阶梯轴承的结构示意图；
图6是实施例中本发明轴承内的润滑油(7)膜压力分布示意图；
图7是实施例中不同λτ下本发明轴承内的无量纲润滑油(7)膜压力分布图；
图8是实施例中不同λτ下本发明轴承的无量纲承载量W随ψ的变化曲线图；
图9是不同λτ值和ΔH值下本发明实施例中的轴承的静止板块(1)处的摩擦系数fa值图；
图10是不同λτ值和ΔH值下本发明实施例中的轴承的运动平板(6)处的摩擦系数fb值图。
其中，u为运动平板相对于静止板块的运动速度，w为单位接触长度上轴承支承的载荷，l1为静止板块(1)的平面A(2)的宽度即轴承入口区的宽度，l2为静止板块(1)的平面B(3)的宽度即轴承出口区的宽度，Δh为阶梯面(4)的高度即轴承的阶梯尺寸，hi为轴承入口区润滑油(7)膜厚度，ho为轴承出口区润滑油(7)膜厚度，λτ=τsb/τsa，τsb是润滑油(7)和平面B(3)间的界面剪切强度，τsa是润滑油(7)和平面A(2)间的界面剪切强度，ΔH＝Δh/hi＝λh-1，λh＝ho/hi；两板块之间的间隙中充满润滑油，润滑油(7)膜在整个平面A(2)上和整个平面B(3)上均滑移，润滑油(7)膜在整个平面C(5)上不滑移。
图5中：1-静止板块，2-平面A，3-平面B，4-阶梯面，5-平面C，6-运动平板，7-润滑油
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
一种出口区静止表面处和入口区静止表面处皆出现界面滑移的异形阶梯轴承，如图5，包括一块静止板块(1)，静止板块(1)的工作表面包括平面A(2)、平面B(3)和阶梯面(4)，平面A(2)和平面B(3)相互平行，阶梯面(4)分别与平面A(2)和平面B(3)垂直，阶梯面(4)的高度即阶梯尺寸为Δh；平面A(2)的物理吸附特性与平面B(3)的物理吸附特性不相同，平面A(2)是憎油涂层表面，平面B(3)是涂层表面或是静止板块(1)的自然表面。本发明另有一块具有平面C(5)(工作表面)的运动平板(6)，平面C(5)是运动平板(6)的亲油自然表面或是运动平板(6)上的亲油涂层表面。使运动平板(6)与静止板块(1)配对，使运动平板(6)的平面C(5)与静止板块(1)的平面A(2)相互平行，静止板块(1)和运动平板(6)之间的间隙中充满润滑油(7)，运动平板(6)的平面C(5)与静止板块(1)的平面A(2)之间的距离即轴承入口区润滑油(7)膜厚度为hi，运动平板(6)的平面C(5)与静止板块(1)的平面B(3)之间的距离即轴承出口区润滑油(7)膜厚度为ho，静止板块(1)的平面A(2)的宽度为l1，静止板块(1)的平面B(3)的宽度为l2，定义：ψ＝l2/l1，λh＝ho/hi；本发明要求：λh＞1，润滑油(7)和平面B(3)间的界面剪切强度τsb大于润滑油(7)和平面A(2)间的界面剪切强度τsa，并且τsb和τsa满足以下关系式：
这里，λτ＝τsb/τsa，u是运动平板(6)相对于静止板块(1)的运动速度，η是润滑油(7)工作时的动力粘度；润滑油(7)和平面C(5)间的界面剪切强度τsc大于平面C(5)处的剪应力的绝对值，即： 这样，润滑油(7)膜在整个平面A(2)上和整个平面B(3)上就滑移，而润滑油(7)膜在整个平面C(5)上则不滑移。运动平板(6)的运动方向为由静止板块(1)的平面A(2)一端指向静止板块(1)的平面B(3)一端。这样就形成了本发明所指的出口区静止表面处和入口区静止表面处皆出现界面滑移的异形阶梯轴承。本发明轴承中，ψ值的优选范围是：1.2≤ψ≤2.4，在此ψ取值范围内，本发明轴承的承载能力较大。本发明轴承最优工作条件是：ψ＝l2/l1＝1.7；在此条件下，这种轴承具有最大承载能力。
本发明轴承适用于轴承入口区表面间隙小于轴承出口区表面间隙的场合，这是传统阶梯轴承达不到的。本发明轴承具有一定的承载能力和较低的摩擦系数，具有良好的润滑油膜，能起到较好的减摩节能效果，在机械设备上作支承部件用。
实施例中，该种出口区静止表面处和入口区静止表面处皆出现界面滑移的异形阶梯轴承，由静止板块(1)和运动平板(6)组成本轴承，两块板块由各种牌号钢材制成，但不排除使用其它材料制成。该种出口区静止表面处和入口区静止表面处皆出现界面滑移的异形阶梯轴承，润滑油(7)和平面B(3)间的界面剪切强度τsb大于润滑油(7)和平面A(2)间的界面剪切强度τsa，并且τsb和τsa满足以下关系式：
这里，λτ＝τsb/τsa，u是运动平板(6)相对于静止板块(1)的运动速度，η是润滑油(7)工作时的动力粘度；润滑油(7)和平面C(5)间的界面剪切强度τsc大于平面C(5)处的剪应力的绝对值，即： 这样，润滑油(7)膜在整个平面A(2)上和整个平面B(3)上就滑移，而润滑油(7)膜在整个平面C(5)上则不滑移。这里，hi为运动平板(6)的平面C(5)与静止板块(1)的平面A(2)之间的距离即轴承入口区润滑油(7)膜厚度，ψ＝l2/l1，l1是静止板块(1)的平面A(2)的宽度，l2是静止板块(1)的平面B(3)的宽度，u是运动平板(6)相对于静止板块(1)的运动速度，η是润滑油(7)工作时的动力粘度，λh＝ho/hi，ho是运动平板(6)的平面C(5)与静止板块(1)的平面B(3)之间的距离即轴承出口区润滑油(7)膜厚度。运动平板(6)以速度u相对于静止板块(1)滑动，速度u的方向为由静止板块(1)的平面A(2)一端指向静止板块(1)的平面B(3)一端，如图5。平面A(2)是憎油涂层表面，平面B(3)是涂层表面或是静止板块(1)的自然表面，平面C(5)是运动平板(6)的亲油自然表面或是运动平板(6)上的亲油涂层表面。
图5给出实施例轴承的结构示意图。图5中，u为运动平板(6)相对于静止板块(1)的运动速度，w为单位接触长度上轴承支承的载荷，l1为静止板块(1)的平面A(2)的宽度即轴承入口区的宽度，l2为静止板块(1)的平面B(3)的宽度即轴承出口区的宽度，Δh为阶梯面(4)的高度即轴承的阶梯尺寸，两板块之间的间隙中充满润滑油(7)，hi为轴承入口区润滑油(7)膜厚度，ho为轴承出口区润滑油(7)膜厚度；润滑油(7)膜在整个平面A(2)上和整个平面B(3)上均滑移，而润滑油(7)膜在整个平面C(5)上不滑移；平面A(2)是憎油涂层表面，平面B(3)是涂层表面或是静止板块(1)的自然表面，平面C(5)是运动平板(6)的亲油自然表面或是运动平板(6)上的亲油涂层表面。
与图4所示的传统流体动压润滑阶梯轴承相比，本发明轴承在结构上有实质变化，它采用轴承表面间发散的间隙，突破了传统润滑技术的禁区，实现了润滑油膜润滑，具有一定的承载能力和较低的摩擦系数。本发明轴承制造容易，成本低廉，具有良好润滑、减摩、节能性能，适用于特定的场合。因此，本发明轴承的技术优势和应用价值是十分明显的。
实施例中，运动平板(6)和静止板块(1)均为钢材制造，静止板块(1)的平面A(2)为(憎油的)氟碳涂层表面，静止板块(1)的平面B(3)为陶瓷涂层表面，运动平板(6)的平面C(5)为(亲油的)二氧化钛涂层表面，润滑油(7)为5P4E聚苯醚油，工作时润滑油(7)和平面A(2)间的界面剪切强度τsa为0.02MPa，润滑油(7)和平面B(3)间的界面剪切强度τsb为0.13MPa，润滑油(7)和平面C(5)间的界面剪切强度τsc为0.4MPa，润滑油(7)工作时动力粘度为η＝0.04Pa·s，运动平板(6)的运动速度为u＝10m/s，轴承入口区润滑油(7)膜厚度hi为2μm，优选ψ＝l2/l1＝1.7。轴承工作时，润滑油(7)膜在整个平面A(2)上和整个平面B(3)上均滑移，润滑油(7)膜在整个平面C(5)上不滑移。
(1)当l1＝2.96mm，l2＝5.04mm，阶梯面(4)的高度为Δh＝0.1μm时，得到的本发明轴承单位长度量纲承载量为w＝5.4×10
(2)当l1＝2.96mm，l2＝5.04mm，阶梯面(4)的高度为Δh＝0.3μm时，得到的本发明轴承单位长度量纲承载量为w＝4.44×10
(3)当l1＝2.96mm，l2＝5.04mm，阶梯面(4)的高度为Δh＝0.5μm时，得到的本发明轴承单位长度量纲承载量为w＝3.81×10
(4)当l1＝2.96mm，l2＝5.04mm，阶梯面(4)的高度为Δh＝0.7μm时，得到的本发明轴承单位长度量纲承载量为w＝3.18×10
从实施例看出，本发明轴承属一种异形阶梯轴承，它的入口区的轴承表面间隙低于它的出口区的轴承表面间隙。本发明轴承具有一定承载能力，具有良好的润滑油膜和较低的摩擦系数，减摩耐磨性好，胜任特定的工作场合，用于机械设备中主轴的支承，解决了普通轴承不能解决的技术问题。
本发明原理说明如下：
根据已往建立的界面滑移理论，在本发明轴承中，由于润滑油(7)膜在静止板块(1)的整个平面A(2)上和整个平面B(3)上均滑移而在整个平面C(5)上不滑移，如图5，即使在轴承入口区表面间隙小于轴承出口区表面间隙的情形下，在运动平板(6)的运动带动下，流入轴承的润滑油(7)流量大于流出轴承的润滑油(7)流量。这样，轴承内的流体流动的流量平衡条件就被打破，润滑油(7)在轴承中不断积聚受到挤压从而形成油压。轴承内形成的润滑油(7)膜压力使轴承入口区和出口区中分别产生压力梯度流动(即Poiseuille流动)，入口区和出口区中产生的压力梯度流动分别使流入轴承的润滑油(7)流量减小，使流出轴承的润滑油(7)流量增大，最终使流入轴承的润滑油(7)总流量等于流出轴承的润滑油(7)总流量，从而维持了润滑油(7)在轴承中的流动连续性。这就是说，由于润滑油(7)膜在静止板块(1)的整个平面A(2)上和整个平面B(3)上均滑移而在整个平面C(5)上不滑移，在合适的轴承阶梯尺寸Δh下，本发明轴承内必然能形成润滑油(7)膜压力，形成的润滑油(7)膜压力使本发明轴承具有支承载荷的能力。由于润滑油(7)膜的存在和润滑油(7)与平面A(2)和平面B(3)间的界面剪切强度均较低，本发明轴承具有较低的摩擦系数，轴承表面磨损极轻微。这就是本发明轴承的原理。
图6是实施例中本发明轴承内的润滑油(7)膜压力分布示意图，纵坐标为润滑油(7)膜压力。
图7给出当α＝2.5×10
图8给出当α＝2.5×10
图9给出当α＝2.5×10
图10给出当α＝2.5×10
出口区静止表面处和入口区静止表面处皆出现界面滑移的异形阶梯轴承专利购买费用说明
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
动态评分
0.0