一种变载荷下通过变换润滑油减小轴承摩擦系数的方法与流程

技术领域：

本发明属于滑动轴承技术领域，具体涉及一种变载荷下通过变换润滑油减小轴承摩擦系数的方法，针对不同的载荷范围供给不同粘度的润滑油，将轴承摩擦系数控制在低值范围内，并能对所需润滑油的粘度进行定量选择。

背景技术：
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轴承广泛应用于国民经济和国防事务的各个领域。在实际工作时其承受的载荷不是恒定不变的，许多工况下波动范围很大，比如电力装备、大功率工程机械、矿山机械等使用的高端轴承，会面临规律性或无规律的载荷变化。当轴承载荷波动大时，很容易造成润滑状态改变，导致摩擦系数迅速升高、磨损加剧，甚至轴承失效。

为了解决此问题，人们从轴承结构、材料、润滑油添加剂等方面做了许多研究，在一定程度上提高了轴承的使用性能。例如，中国专利cn201020693026.6公开了一种多段复合浮动套滑动轴承，包括轴承外圈、轴颈及浮动套，浮动套安装在所述轴颈和轴承外圈之间，在所述轴承外圈与轴颈之间设置有至少2段所述浮动套；浮动套沿所述轴颈的轴向并列排布，结构简单，使轴承的轴颈、轴孔及浮动套受载更均匀，使磨损趋于同步，减少磨损不均，改善浮动套的浮动能力和轴承的润滑状况；改善轴承载荷分配，延长轴承使用寿命；中国专利cn201010617014.x公开了一种螺旋浮动套滑动轴承，包括轴承外圈、轴颈及浮动套，所述浮动套安装在所述轴颈和轴承外圈之间，在所述浮动套上开有螺旋槽，该螺旋槽沿径向贯通；能使轴承的轴颈、轴孔及浮动套受载更均匀，使磨损趋于同步，减少磨损不均；改善浮动套的浮动能力和轴承的润滑状况；改善轴承载荷分配，延长轴承使用寿命；中国专利cn201620591081.1公开了一种压缩机，包括曲轴和上轴承，曲轴的长轴安装在上轴承内，上轴承的下端面上形成有柔性槽，曲轴的外表面上或上轴承的内孔壁上开设有环形槽，环形槽与柔性槽相互配合，能改善曲轴的长轴下端与上轴承下端的接触应力分布，使上轴承载荷分布更合理，解决了大排量双缸或多缸转子式压缩机曲轴的长轴与上轴承之间的磨损问题，提高了压缩机的使用寿命；这些现有技术均是从结构上提高轴承的使用寿命。然而在复杂工况下，单一润滑介质保持良好润滑的能力有限，当载荷波动大时，仍然会造成润滑状态改变，进而使摩擦系数升高、磨损加剧，引发轴承失效等一系列状况。因此，为了达到更好更稳定的减摩降磨效果、提高轴承承载性能、减少系统摩擦功耗，有必要在载荷变动时调节润滑状态，使摩擦系数始终处于低的水平，这对零件寿命准确预测和系统功率损失的计算分析等也有重要作用。

对于固定的摩擦副，能够通过实验得到其斯特里贝克(stribeck)曲线，即摩擦系数和轴承特性数(η×v/w)的关系曲线，其中η为润滑油环境粘度，v为滑动速度，w为载荷。通过斯特里贝克(stribeck)曲线判断摩擦副的三种润滑状态：边界润滑、混合润滑和流体动压润滑。随着轴承特性数的增大，润滑状态会逐渐发生改变，从边界润滑到混合润滑再到流体动压润滑的过程，摩擦系数值呈现先减小后增大的规律。于是总会有一个最优的润滑状态使得轴承摩擦系数达到最低值。因此急需设计一种变载荷下通过变换润滑油减小轴承摩擦系数的方法，针对不同的载荷范围供给不同粘度的润滑油，将轴承摩擦系数控制在低值范围内，并能对所需润滑油的粘度进行定量选择。

技术实现要素：
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本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，寻求设计一种变载荷下通过变换润滑油减小轴承摩擦系数的方法，即便在轴承工作时的载荷波动很大的条件下，也可针对不同的载荷范围相应供给不同粘度的润滑油，能够将轴承摩擦系数控制在低值范围内，使轴承在低的摩擦功耗下运行，并对所需润滑油的粘度进行定量选择。

为达到上述目的，本发明涉及的一种变载荷下通过变换润滑油减小轴承摩擦系数的方法，是基于带有油排分配器的油润滑滑动轴承来实现的，具体步骤包括：

s1、首先测量得到滑动轴承工作时的最大载荷波动范围为[wa，wb]，其中，wb>wa；

s2、测量获取滑动轴承使用已知粘度为η0的润滑油的c-v/w曲线，c-v/w曲线是指：把斯特里贝克(stribeck)曲线中横坐标轴承特性数(η×v/w)中的η去掉得到的一个新的函数曲线，命名为c-v/w曲线，c-v/w曲线的横坐标为v/w，纵坐标为摩擦系数cof，其中v为滑动速度，w为载荷；c-v/w曲线的测量方法与斯特里贝克(stribeck)曲线的测量方法相同，测量方法为，在常用的摩擦试验机上，用实际工况下的滑动轴承构成摩擦副，润滑介质为粘度η0的常用润滑油，将轴承工作时的转速作为测试转速，测量不同载荷下轴承的摩擦系数，由测得的数据绘制出其stribeck曲线，将横坐标中的η去掉，能够得到c-v/w曲线；

s3、设定轴承摩擦系数的低值波动范围l％，以步骤s2中得到的c-v/w曲线中摩擦系数最低值为基准值，并在c-v/w曲线图中分别用两条直线表示摩擦系数波动范围l％的下界线和上界线；摩擦系数波动范围上界线与c-v/w曲线相交得到两个交点，两个交点对应的横坐标分别为和由于v是定值，得出两个交点对应的载荷值wn>wm，wn和wm均在滑动轴承最大载荷[wa，wb]范围内，说明滑动轴承的载荷在[wm，wn]内波动时，滑动轴承摩擦系数波动不超过l％，同时能够得到wm和wn的准确值；对于固定的摩擦副，不同粘度润滑油的c-v/w曲线形状基本相同，但在坐标系内的位置相对向左或向右平移，所以对于不同粘度润滑油，滑动轴承摩擦系数的低值波动范围l％对应的载荷范围不同；

s4、从滑动轴承最大载荷wb朝最小载荷wa的方向对不同载荷范围内使用的润滑油粘度值进行逐个推导，当转速v相同时，根据不同粘度润滑油的stribeck曲线重合的特点，相同的横坐标值能够对应不同的粘度与载荷的比值，即同一个横坐标值存在等式关系为则能够在c-v/w曲线图中由已知粘度η0及其对应的两个载荷值wn和wm推导出在最大载荷波动范围[wa，wb]内能够使用的润滑油的几种粘度值，并得到不同粘度值使用的不同的载荷范围；在相应载荷范围内使用对应的粘度值的润滑油，滑动轴承的摩擦系数波动范围均不超过l％；

s5、将步骤s4得到的几种润滑油的粘度和对应的载荷参数输入润滑油供给系统，轴承上的油排分配器有多条通路，且每条通路都是单向的，每次工作时导通一路，每路固定输送一种粘度的润滑油，针对不同的载荷范围，由润滑油供给系统控制油排分配器各个通路的导通或关闭，通过导通的通路供给轴承相应粘度的润滑油，达到变载荷下通过变换润滑油减小轴承摩擦系数的功效。

本发明涉及的步骤s4涉及的对润滑油粘度值进行逐个推导的具体推导过程为：

ss1、已知粘度η0对应的两个载荷值wn和wm在stribeck曲线中的横坐标值分别为和则通过等式关系能够计算得到对应的粘度然后再通过横坐标值η0×v/wm对应的等式关系得到粘度η1对应的另一个载荷值w1，即可确定粘度η1的c-v/w曲线在坐标中的位置，则在载荷范围[w1，wb](wb>w1)内使用粘度为η1的润滑油时，滑动轴承的摩擦系数波动不超过l％，且载荷为w1和wb时摩擦系数达到最大波动值；判断如果wa≥w1，即说明轴承在最大载荷波动范围[wa，wb]内工作时摩擦系数不会超过波动范围l％；

ss2、如果wa<w1，即最大载荷波动范围[wa，wb]超出[w1，wb]，说明轴承在最大载荷波动范围[wa，wb]内的[wa，w1]工作时摩擦系数会超出波动范围l％，因此当轴承工作载荷小于w1时引入粘度η2的润滑油，由等式关系得到由得到说明在载荷范围[w2，w1](w1>w2)内使用粘度为η2的润滑油时，滑动轴承的摩擦系数波动不超过l％，且载荷为w2和w1时，摩擦系数达到最大值；判断如果wa≥w2，即说明轴承在最大载荷波动范围[wa，wb]内工作时摩擦系数不会超过波动范围l％；

ss3、如果wa仍然小于w2，即最大载荷波动范围[wa，wb]超出[w2，wb]，说明轴承在最大载荷波动范围[wa，wb]内的[wa，w2]摩擦系数会超出波动范围l％，因此当轴承工作载荷小于w2时引入粘度为η3的润滑油，由得到由得到说明在载荷范围[w3，w2](w2>w3)内使用粘度为η3的润滑油时，滑动轴承的摩擦系数波动不超过l％，且载荷为w3和w2时，摩擦系数达到最大值；判断如果wa≥w3，即说明轴承在最大载荷波动范围[wa，wb]内工作时摩擦系数不会超过波动范围l％；

ss4、以此类推，如果wa仍然小于wi-1，即最大载荷波动范围[wa，wb]超出[wi-1，wb]，说明轴承在最大载荷波动范围[wa，wb]内的[wa，wi-1]摩擦系数会超出波动范围l％，因此当轴承工作载荷小于wi-1时引入粘度ηi的润滑油，由得到由得到总可以确定一个载荷wi，使得wi≤wa，即当载荷为wi、wi-1、wi-2…w1，wb时，分别使用相应粘度ηi的润滑油，滑动轴承的摩擦系数达到最大值，并且滑动轴承在最大载荷波动范围[wa，wb]内工作时摩擦系数均不会超过波动范围l％，完成对润滑油粘度值进行逐个推导。

本发明涉及的步骤s4是从最大载荷朝最小载荷的方向对润滑油粘度值进行了逐个推导，亦能够从最小载荷朝最大载荷方向进行润滑油粘度值的推导，原理相同。

本发明涉及的油润滑滑动轴承载荷检测采用机械控制系统获取，或通过安装相应的传感器获取。

本发明涉及的步骤s5中，由于不同的润滑油供给系统的供油延迟时间不同，且不同粘度的润滑油更替过程中，轴承间隙润滑油的混合粘度的变化不是瞬变，会有过渡时间，考虑针对不同的工况，润滑油的更替能够通过设定不同的载荷提前量，以确保摩擦系数不超过设定的波动范围。

本发明涉及的润滑油粘度受轴承接触区温度影响，因此计算所用的粘度值一定是在相应温度下的粘度值。

本发明涉及的滑动轴承使用的不同粘度的润滑油能够为同种润滑油或不同种润滑油或润滑油添加剂。

本发明涉及的技术方案与现有技术相比，通过设计多条供油通路，针对不同的载荷范围供给不同粘度的润滑油，保证轴承在较低的摩擦系数水平下运行，降低了轴承的摩擦功耗，减少了轴承磨损，延长了轴承的寿命及运转性能，方便系统功率损失等的计算分析；结构简单，设计构思巧妙，制造成本低，市场前景广阔，应用环境友好。

附图说明：

图1为本发明涉及的油润滑滑动轴承结构原理示意图。

图2为本发明涉及的滑动轴承a-a截面的剖视结构原理示意图。

图3为本发明涉及的斯特里贝克(stribeck)曲线图，其中a表示边界润滑；b表示混合润滑(部分弹性流体动压润滑)；c表示流体动压润滑(弹性流体动压润滑)；h表示表面间隙；r表示表面不平度平均高度。

图4为本发明涉及的确定摩擦副下2种粘度润滑油的c-v/w曲线示意图。

图5为本发明涉及的确定摩擦副下c-v/w曲线粘度推导图。

图6为本发明涉及的室温下pao10润滑油的c-v/w曲线。

图7为本发明涉及的室温下滑动轴承c-v/w曲线粘度推导图。

具体实施方式：

下面通过具体实施例并结合附图对本发明进行详细说明。

实施例1：

本实施例涉及的变载荷下通过变换润滑油减小轴承摩擦系数的方法是通过在普通的市售的滑动轴承上安装油排分配器6形成油润滑滑动轴承来实现的，其油润滑滑动轴承的主体结构包括：轴承座1、衬套2、油池3、注油孔4、连接件5、油排分配器6和转轴7；轴承座1用以固定衬套2；衬套2上加工有注油孔4，注油孔4为倾斜延伸的圆柱结构，注油孔4上端与油排分配器6通过连接件5连接，注油孔4下端延伸至衬套2内；油池3位于衬套2内表面，油池3为腔体结构，用于储油，油池3与注油孔4连通；转轴7安装于衬套2中，转轴7相对于衬套2转动；油排分配器6外接润滑油供给系统，能够使润滑油供给系统中的润滑油通过注油孔4注入到衬套2与转轴7之间。

本实施例中使用的滑动轴承的润滑方式为油润滑，变载荷下通过变换润滑油减小轴承摩擦系数的方法具体按照如下步骤进行：

s1、对于钢块与玻璃作为摩擦副的轴承，采用市售的机械控制系统测量得到此轴承在某场合下工作时的最大载荷波动范围为0.28～21mpa；

s2、在面接触润滑油膜测量仪上，用钢块与玻璃盘构成摩擦副，润滑介质选用粘度η0＝104.3mpa·s的pao10润滑油，摩擦副间的相对滑动速度v＝20mm/s，测量不同载荷下摩擦副间的摩擦系数，由测得的数据绘制出其stribeck曲线，将横坐标中的η去掉，能够得到c-v/w曲线；如图6所示，c-v/w曲线的横坐标为v/w，纵坐标为摩擦系数cof，其中v为滑动速度，w为载荷；

s3、设定该轴承摩擦系数的上限值为0.01，以s2步骤中得到的c-v/w曲线中摩擦系数最低值为基准值，并在c-v/w曲线图中分别用两条直线表示摩擦系数波动范围的下界线和上界线；摩擦系数波动范围上界线与c-v/w曲线相交得到两个交点，从图6中得到两个交点对应的横坐标分别为和即得到wn＝2.67mpa,wm＝0.3mpa，说明载荷在0.3～2.67mpa之间时，此滑动轴承摩擦系数不超过0.01；对于固定的摩擦副，不同粘度润滑油的c-v/w曲线形状基本相同，但在坐标系内的位置相对向左或向右平移，所以对于不同粘度润滑油，滑动轴承摩擦系数的低值波动范围对应的载荷范围不同；

s4、从滑动轴承最大载荷wb朝最小载荷wa的方向对不同载荷范围内使用的润滑油粘度值进行逐个推导，当转速v相同时，根据不同粘度润滑油的stribeck曲线重合的特点，相同的横坐标值能够对应不同的粘度与载荷的比值，即同一个横坐标值存在等式关系为则能够在c-v/w曲线图中由已知粘度η0及其对应的两个载荷值wn和wm推导出在最大载荷波动范围0.28～21mpa内使用的润滑油的几种粘度值，并得到不同粘度值使用的不同的载荷范围；在相应载荷范围内使用对应的粘度值的润滑油，使得滑动轴承的摩擦系数不超过0.01；具体推导过程为：

ss1、已知粘度η0＝104.3mpa·s对应的两个载荷值wn和wm在stribeck曲线中的横坐标值分别为和则通过横坐标值对应的等式关系能够计算得到对应的粘度然后再通过横坐标值对应的等式关系得到粘度η1对应的另一个载荷值即可确定粘度η1的c-v/w曲线在坐标中的位置，并且在载荷范围2.3～21mpa内使用粘度为η1＝819.4mpa·s的润滑油时，滑动轴承的摩擦系数不超过0.01，且当载荷为w1＝2.3mpa和wb＝21mpa时摩擦系数达到最大波动值；室温下pao40粘度为819.4mpa·s，刚好满足粘度要求；

ss2、轴承最大载荷波动范围为0.28～21mpa，超出ss1中得出的2.3～21mpa范围，当轴承在载荷波动范围0.28～2.3mpa之间工作时摩擦系数会高于0.01，因此当轴承工作载荷小于2.3mpa时引入粘度η2的润滑油，由等式关系得到由得到说明在载荷范围0.26-2.3mpa内使用粘度为η2的润滑油时，滑动轴承的摩擦系数不超过0.01，且载荷为0.26mpa和2.3mpa时，摩擦系数达到最大值；室温下pao8润滑油粘度为86.53mpa·s＜89.85mpa·s，不能直接使用，而室温下pao10润滑油粘度为104.3mpa·s，可以通过pao8和pao10按一定比例混合出粘度为89.85mpa·s的润滑油；此润滑油与pao40配合使用可以使得轴承在0.26～21mpa之间工作时摩擦系数不超过0.01；

此轴承的最大载荷波动范围为0.28～21mpa；当载荷在0.28～2.3mpa之间时供给粘度η2＝89.85mpa·s的pao8+pao10混合油，当载荷在2.3～21mpa时供给粘度η1＝819.4mpa·s的pao40润滑油，由此可以保证轴承工作时摩擦系数始终不超过0.01；

s5、将s4得到的2种润滑油的粘度和对应的载荷参数输入润滑油供给系统，轴承上的油排分配器有2条通路，且每条通路都是单向的，每次工作时导通一路，每路固定输送一种粘度的润滑油，针对不同的载荷范围，由润滑油供给系统控制油排分配器各个通路的导通或关闭，通过导通的通路供给轴承相应粘度的润滑油；达到变载荷下通过变换润滑油减小轴承摩擦系数的目的。

本实施例涉及的s4是从最大载荷朝最小载荷的方向对润滑油粘度值进行了逐个推导，亦可从最小载荷朝最大载荷方向进行润滑油粘度值的推导，原理相同。

本实施例涉及的油润滑滑动轴承载荷检测采用市售的机械控制系统获取，或通过安装相应的传感器获取。

本实施例涉及的步骤s5中，不同的润滑油供给系统的供油延迟时间不同，且不同粘度的润滑油更替过程中，轴承间隙润滑油的混合粘度的变化不是瞬变，会有过渡时间，考虑针对不同的工况，润滑油的更替能够通过设定不同的载荷提前量，确保摩擦系数不超过设定的波动范围。

本实施例涉及的润滑油粘度受轴承接触区温度影响较大，因此计算所用的粘度值一定是在相应温度下的粘度值。

本实施例涉及的滑动轴承使用的润滑油选用市售润滑油。

本实施例涉及的滑动轴承使用的不同粘度的润滑油为同种润滑油或不同种润滑油或润滑油添加剂。