本发明涉及轴承领域，具体地说是一种防止出口区两表面处和入口区运动表面处油膜滑移的阶梯轴承。
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％。
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。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，轴承表面处的剪应力很大，常常超出润滑油和轴承表面间的界面剪切强度，进而导致润滑油膜在轴承表面处的滑移。这种润滑油膜在轴承自然表面处的滑移常使轴承承载能力急剧下降，因此这种轴承自然表面处的润滑油膜滑移是非常有害的。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种防止出口区两表面处和入口区运动表面处油膜滑移的阶梯轴承。这是一种运用表面涂层方法在轴承出口区两表面上和在轴承入口区运动表面上涂覆亲油涂层以防止这些轴承表面处发生润滑油膜滑移的阶梯轴承。在特定的工况下，由于防止了这些轴承表面处的润滑油膜滑移，相同工况条件下本发明轴承比传统轴承具有大得多的承载能力和低得多的摩擦系数。因此，本发明轴承性能比传统轴承性能优异得多。
本发明轴承具有制造容易、结构简单、成本低廉、承载能力高、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：
一种防止出口区两表面处和入口区运动表面处油膜滑移的阶梯轴承，如图5，它包括一块静止板块(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)是静止板块(1)上的亲油涂层表面。本发明另有一块具有平面c(5)(工作表面)的运动平板(6)，运动平板(6)的平面c(5)的物理吸附特性处处相同，平面c(5)是运动平板(6)上的亲油涂层表面，平面c(5)和平面a(2)为同一种涂层表面，平面c(5)和润滑油间的界面剪切强度与平面a(2)和润滑油间的界面剪切强度相同。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)的运动方向为由静止板块(1)的平面b(3)一端指向静止板块(1)的平面a(2)一端。运动平板(6)的平面c(5)与静止板块(1)的平面a(2)之间的距离即轴承出口区润滑油(7)膜厚度为ho，l1为静止板块(1)的平面b(3)的宽度，l2为静止板块(1)的平面a(2)的宽度，定义：ψ＝l2/l1，本发明要求：ψ≤0.1，ho/(l1+l2)≤3.0×10-4，2≤δh/ho≤6，且：
这里，τs为平面a(2)和润滑油(7)间的界面剪切强度，u为运动平板(6)相对于静止板块(1)的运动速度，η为润滑油(7)工作时动力粘度，λh＝1+δh/ho；这样，润滑油(7)膜就不会在平面a(2)和平面c(5)上滑移。
进一步地，平面a(2)和平面c(5)均为二氧化钛涂层表面。
本发明的有益效果是：
本发明运用表面涂层技术，在一定工况范围内阶梯轴承中出现润滑油膜滑移的轴承表面上涂覆亲油涂层从而提高这些表面和润滑油间的界面剪切强度，进而防止润滑油膜在这些轴承表面上的滑移。本发明轴承具有极为显著的有益技术效果即大幅提高轴承承载能力和大大降低轴承摩擦系数，因此本发明轴承具有承载能力高、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)本发明轴承具有较高的承载能力，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是本发明实施例防止出口区两表面处和入口区运动表面处油膜滑移的阶梯轴承的结构示意图；
图6是实施例中不同ψ值下本发明轴承无量纲承载量(wconv)与出口区润滑油(7)膜厚度ho的关系图；
图7是实施例中不同ψ和ho值下本发明轴承静止板块(1)处的摩擦系数fa，conv值及其与相同条件下传统轴承静止板块处的摩擦系数fa值的比较图；
图8是实施例中不同ψ和ho值下本发明轴承运动平板(6)处的摩擦系数fb，conv值及其与相同条件下传统轴承运动平板处的摩擦系数fb值的比较图。
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
一种防止出口区两表面处和入口区运动表面处油膜滑移的阶梯轴承，如图5，它包括一块静止板块(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)是静止板块(1)上的亲油涂层表面。本发明另有一块具有平面c(5)(工作表面)的运动平板(6)，运动平板(6)的平面c(5)的物理吸附特性处处相同，平面c(5)是运动平板(6)上的亲油涂层表面，平面c(5)和平面a(2)为同一种涂层表面，平面c(5)和润滑油间的界面剪切强度与平面a(2)和润滑油间的界面剪切强度相同。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)的运动方向为由静止板块(1)的平面b(3)一端指向静止板块(1)的平面a(2)一端。运动平板(6)的平面c(5)与静止板块(1)的平面a(2)之间的距离即轴承出口区润滑油(7)膜厚度为ho，l1为静止板块(1)的平面b(3)的宽度，l2为静止板块(1)的平面a(2)的宽度，定义：ψ＝l2/l1，本发明要求：ψ≤0.1，ho/(l1+l2)≤3.0×10-4，2≤δh/ho≤6，且：
这里，τs为平面a(2)和润滑油(7)间的界面剪切强度，u为运动平板(6)相对于静止板块(1)的运动速度，η为润滑油(7)工作时动力粘度，λh＝1+δh/ho；这样，润滑油(7)膜就不会在平面a(2)和平面c(5)上滑移。这样就形成了本发明所指的防止出口区两表面处和入口区运动表面处油膜滑移的阶梯轴承。
在特定的工况下，由于防止了轴承表面处的润滑油膜滑移，相同工况条件下本发明轴承比传统轴承具有大得多的承载能力和低得多的摩擦系数。因此，本发明轴承性能比传统轴承性能优异得多。本发明轴承具有制造容易、结构简单、成本低廉、承载能力高、摩擦系数低和节能的优点。
实施例中，该种防止出口区两表面处和入口区运动表面处油膜滑移的阶梯轴承，由静止板块(1)和运动平板(6)组成，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。该种防止出口区两表面处和入口区运动表面处油膜滑移的阶梯轴承，运动平板(6)相对于静止板块(1)的运动如图5，静止板块(1)的平面a(2)和运动平板(6)的平面c(5)均为亲油涂层表面。
图5给出实施例轴承的结构示意图。图5中，u：运动平板(6)相对于静止板块(1)的运动速度，wconv：本发明轴承单位接触长度承受的载荷，l1：静止板块(1)的平面b(3)的宽度，l2：静止板块(1)的平面a(2)的宽度，δh：阶梯面(4)的高度即轴承的阶梯尺寸，h1：轴承入口区润滑油(7)膜厚度，ho：轴承出口区润滑油(7)膜厚度，ψ＝l2/l1≤0.1，ho/(l1+l2)≤3.0×10-4，2≤δh/ho≤6，平面a(2)和平面c(5)均为亲油涂层表面，润滑油(7)膜在平面a(2)和平面c(5)上均不滑移。
该种防止出口区两表面处和入口区运动表面处油膜滑移的阶梯轴承，静止板块(1)的平面b(3)一端作为本轴承入口端，静止板块(1)的平面a(2)一端作为本轴承出口端。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)以速度u相对于静止板块(1)滑动，速度u的方向为由轴承的入口端指向轴承的出口端，如图5。在两块板块之间的间隙中充满润滑油(7)。
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)和运动平板(6)的平面c(5)均为(亲油的)二氧化钛涂层表面，静止板块(1)的平面b(3)为静止板块(1)的自然表面，润滑油(7)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。运动平板(6)的运动速度为u＝3.5m/s，轴承总宽度为：l1+l2＝35mm，轴承工作温度为40℃，阶梯尺寸δh＝8μm，实施例中本发明轴承在40℃工作时润滑油(7)膜在平面a(2)和平面c(5)上均不滑移，而传统轴承在相同工作条件下润滑油(7)膜在平面a(2)和平面c(5)上均滑移：
(1)当l1＝32.1mm、l2＝2.9mm、ho＝1.5μm时，得到的本发明轴承单位长度承载量为wconv＝1.33×106n/m，本发明轴承静止板块(1)处的摩擦系数为2.5×10-5，本发明轴承运动平板(6)处的摩擦系数为4.0×10-4，此时传统轴承单位长度承载量为w=4.83×105n/m，传统轴承静止板块处的摩擦系数为1.5×10-4，传统轴承运动平板处的摩擦系数为6.0×10-4。
(2)当l1＝32.1mm、l2＝2.9mm、ho＝1.8μm时，得到的本发明轴承单位长度承载量为wconv＝1.16×106n/m，本发明轴承静止板块(1)处的摩擦系数为3.0×10-5，本发明轴承运动平板(6)处的摩擦系数为4.5×10-4，此时传统轴承单位长度承载量为w＝4.38×105n/m，传统轴承静止板块处的摩擦系数为1.9×10-4，传统轴承运动平板处的摩擦系数为6.3×10-4。
(3)当l1＝32.1mm、l2＝2.9mm、ho＝2.0μm时，得到的本发明轴承单位长度承载量为wconv＝1.07×106n/m，本发明轴承静止板块(1)处的摩擦系数为3.4×10-5，本发明轴承运动平板(6)处的摩擦系数为4.7×10-4，此时传统轴承单位长度承载量为w＝3.94×105n/m，传统轴承静止板块处的摩擦系数为2.5×10-4，传统轴承运动平板处的摩擦系数为7.0×10-4。
(4)当l1＝32.5mm、l2＝2.5mm、ho＝1.5μm时，得到的本发明轴承单位长度承载量为wconv＝1.35×106n/m，本发明轴承静止板块(1)处的摩擦系数为2.65×10-5，本发明轴承运动平板(6)处的摩擦系数为4.1×10-4，此时传统轴承单位长度承载量为w＝4.2×105n/m，传统轴承静止板块处的摩擦系数为3.0×10-4，传统轴承运动平板处的摩擦系数为7.7×10-4。
(5)当l1＝32.5mm、l2＝2.5mm、ho＝1.8μm时，得到的本发明轴承单位长度承载量为wconv＝1.17×106n/m，本发明轴承静止板块(1)处的摩擦系数为3.2×10-5，本发明轴承运动平板(6)处的摩擦系数为4.7×10-4，此时传统轴承单位长度承载量为w＝3.78×105n/m，传统轴承静止板块处的摩擦系数为3.9×10-4，传统轴承运动平板处的摩擦系数为8.6×10-4。
(6)当l1＝32.5mm、l2＝2.5mm、ho＝2.0μm时，得到的本发明轴承单位长度承载量为wconv＝1.08×106n/m，本发明轴承静止板块(1)处的摩擦系数为3.45×10-5，本发明轴承运动平板(6)处的摩擦系数为4.8×10-4，此时传统轴承单位长度承载量为w＝2.85×105n/m，传统轴承静止板块处的摩擦系数为4.5×10-4，传统轴承运动平板处的摩擦系数为9.5×10-4。
从实施例看出，在给定工况下，本发明轴承的承载量比相同条件下传统轴承的承载量大得多，而本发明轴承的摩擦系数却比传统轴承的摩擦系数低得多，这表明了将本发明轴承的平面a(2)和平面c(5)设计为亲油涂层表面从而防止润滑油(7)膜在这些表面滑移带来的极为显著的有益的技术效果。
本发明原理说明如下：
如图5，对于本发明所示的轴承结构形式，如果采用传统轴承，那么轴承的静止板块和运动平板的工作表面均为自然表面，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一个大气压和40℃下不超过0.01mpa。在较高运动平板速度u和较大轴承载荷下如实施例中的运动平板速度u和轴承载荷下，对于普通润滑油如机油，图5结构形式的传统轴承中，润滑油膜剪应力绝对值会在运动平板的整个工作表面(即平面c(5))上和出口区的静止板块的工作表面(即平面a(2))上均大于这两表面和润滑油间的界面剪切强度，从而导致润滑油膜在这些表面上滑移。入口区润滑油膜在运动平板工作表面(即平面c(5))上的滑移使得运动平板不能将润滑油充分地带入轴承中，从而导致进入轴承的润滑油的流量减小，而出口区里润滑油膜在轴承两表面的滑移使得流出轴承的润滑油流量增大，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5结构形式的传统轴承在较高运动平板速度u和较大轴承载荷下发生在运动平板整个工作表面(即平面c(5))和出口区静止板块工作表面(即平面a(2))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平面a(2)和平面c(5)上的滑移，那么图5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。这就是本发明的原理。
当运动平板(6)和静止板块(1)均为钢材制造、静止板块(1)的平面a(2)为(亲油的)二氧化钛涂层表面、静止板块(1)的平面b(3)为静止板块(1)的自然表面、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)为国产30号机油、运动平板(6)的运动速度为u＝3.5m/s、轴承总宽度为：l1+l2＝35mm、轴承工作温度为40℃、阶梯尺寸为δh＝8μm时，图6给出了不同ψ值下实施例中本发明轴承无量纲承载量(wconv)与出口区润滑油(7)膜厚度ho的关系，本发明轴承承载量还与相同条件下传统轴承的承载量(w)作了比较。图6中，wconv＝wconv/[τs0(l1+l2)]，w＝w/[τs0(l1+l2)]，ψ＝l2/l1；这里，τs0＝0.01mpa，l1为静止板块(1)的平面b(3)的宽度，l2为静止板块(1)的平面a(2)的宽度，wconv和w分别为本发明轴承和传统轴承单位接触长度承受的(量纲)载荷。
从图6看出，相同条件下，本发明轴承的承载量比传统轴承的承载量大得多，这表明了采用表面涂层技术防止润滑油膜在平面a(2)和平面c(5)上的滑移使得图5结构形式的轴承的承载能力大大提高，显示了本发明非常显著的技术效果。
当运动平板(6)和静止板块(1)均为钢材制造、静止板块(1)的平面a(2)为(亲油的)二氧化钛涂层表面、静止板块(1)的平面b(3)为静止板块(1)的自然表面、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)为国产30号机油、运动平板(6)的运动速度为u＝3.5m/s、轴承总宽度为：l1+l2＝35mm、轴承工作温度为40℃、阶梯尺寸为δh＝8μm时，图7给出了不同ψ和ho值下实施例中本发明轴承静止板块(1)处的摩擦系数fa，conv值及其与相同条件下传统轴承静止板块处的摩擦系数fa值的比较。
从图7看出，相同条件下，本发明轴承的静止板块(1)处的摩擦系数fa，conv值比传统轴承的静止板块处的摩擦系数fa值低得多，这表明了采用表面涂层技术防止润滑油膜在平面a(2)和平面c(5)上的滑移使得图5结构形式的轴承的摩擦系数大大降低，显示了本发明另一个非常显著的技术效果即减小轴承摩擦系数和节能。
当运动平板(6)和静止板块(1)均为钢材制造、静止板块(1)的平面a(2)为(亲油的)二氧化钛涂层表面、静止板块(1)的平面b(3)为静止板块(1)的自然表面、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)为国产30号机油、运动平板(6)的运动速度为u＝3.5m/s、轴承总宽度为：l1+l2＝35mm、轴承工作温度为40℃、阶梯尺寸为δh＝8μm时，图8给出了不同ψ和ho值下实施例中本发明轴承运动平板(6)处的摩擦系数fb，conv值及其与相同条件下传统轴承运动平板处的摩擦系数fb值的比较。
从图8看出，相同条件下，本发明轴承的运动平板(6)处的摩擦系数fb，conv值比传统轴承的运动平板处的摩擦系数fb值低得多，这也表明了采用表面涂层技术防止润滑油膜在平面a(2)和平面c(5)上的滑移使得图5结构形式的轴承的摩擦系数大大降低，显示了本发明另一个非常显著的技术效果即减小轴承摩擦系数和节能。