阅读说明：本技术 具有功能梯度仿生织构的轴瓦及制备方法、和水润滑轴承 (Bearing bush with function gradient bionic texture, preparation method and water-lubricated bearing ) 是由 李云凯 王优强 罗恒 菅光霄 于晓 于 2020-05-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了具有功能梯度仿生织构的轴瓦及制备方法、和水润滑轴承,所述轴瓦表面设有能够实现功能梯度化的仿生织构,所述仿生织构包括仿猪笼草唇部的径向脊形亲水性表面织构和蜡质区的月牙形疏水性表面织构。本发明实现轴瓦与轴上两滑动表面间的减摩,以及润滑剂由端部向中部的定向输运,从而改善内圈轴瓦中部区域的润滑状态。(The invention discloses a bearing bush with a function gradient bionic texture, a preparation method thereof and a water lubricated bearing. The invention realizes the antifriction between the two sliding surfaces on the bearing bush and the shaft and the directional transmission of the lubricant from the end part to the middle part, thereby improving the lubricating state of the middle area of the inner ring bearing bush.)

具有功能梯度仿生织构的轴瓦及制备方法、和水润滑轴承

技术领域

本发明属于摩擦学与表面工程技术领域，涉及水润滑轴承的结构设计，特别涉及具有功能梯度仿生织构的轴瓦及制备方法、和水润滑轴承。

背景技术

水润滑轴承常采用水或水基润滑剂进行润滑，主要包括外圈轴套、滚动体和保持架、内圈轴瓦这几部分，其中内圈轴瓦多为非金属材料，具有得天独厚的绿色、环保优势，主要应用在舰船的艉轴承、水泵、水轮机组等场合。水润滑轴承轴瓦材料的选择对水润滑轴承的润滑性能、工作可靠性和使用寿命有着重要的影响。近年来，轴瓦材料选择高分子或复合材料成为了研究热点，对其进行改性或布置表面织构也逐渐成为提高水润滑轴承摩擦性能的重要手段。其中，UHMWPE材料因其耐冲击强度高、耐磨性好、摩擦系数低等优越性，被广泛应用于水润滑轴承轴瓦材料的改性研究中。

表面织构被认为是提高表面摩擦学性能的新方法之一，其作为一种表面改性方法，是在摩擦副表面加工出一些规则的凹坑、沟槽或者微凸体等不同形貌，以提高摩擦副表面的摩擦学性能。由于生物摩擦系统表界面长期经受复杂工况或与周围环境发生能量与物质的交互作用，优化出各种类型的形态、构形、材料和结构，为人工领域面临的摩擦问题的研究提供了崭新的思路，故仿生摩擦学被大量运用到了表面织构的减摩减阻研究中。而猪笼草实现捕虫功能的两个功能部位表面形态与润湿性具有极大差异，唇部的径向脊形表面结构具有高亲水性，而蜡质区的月牙形表面结构具有高疏水性，但二者均能表现出良好的减摩性能。

有关卤化改性提升材料的摩擦性能研究，最早可见于对橡胶材料的报道中。这其中，在氯化改性SBR橡胶的研究中，研究人员使用三氯氰酸作为改性试剂，并认为橡胶表面的亲水性与溶解三氯氰酸的溶剂种类、改性时间、反应程度等均具有相关性。而可见报道的卤化改性UHMWPE材料的研究中，研究人员利用烷烃在紫外线照射下发生卤化反应的方法制备了溴化UHMWPE表面，增强了纳米粒子在其上的粘附力，从而大幅提高了复合材料的耐磨性。通过改性UHMWPE材料使之亲水性提升的研究也多用于提升其作为薄膜或涂层材料时的机械性能、界面粘附性能、自清洁性能等方面。

综上所述，先前并未有相关报道将猪笼草唇部及蜡质区的表面织构应用于水润滑轴承轴瓦材料的减摩研究；也罕见有通过卤化改性UHMWPE材料使其同时获得亲水性提升和表面形貌改善，进而协同优化其摩擦学性能的研究。因此，本发明着重针对以上两点存在的不足，设计了轴瓦表面的织构，并为验证其合理性和可行性提供合理的技术方案和试验依据。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种具有功能梯度仿生织构的轴瓦及制备方法、和水润滑轴承，实现轴瓦与轴上两滑动表面间的减摩，以及润滑剂由端部向中部的定向输运，从而改善内圈轴瓦中部区域的润滑状态。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

首先，本发明提供一种具有功能梯度仿生织构的轴瓦，表面设有能够实现功能梯度化的仿生织构，所述仿生织构包括仿猪笼草唇部的径向脊形亲水性表面织构和蜡质区的月牙形疏水性表面织构。

进一步的，所述月牙形疏水性表面织构布置于所述轴瓦的两个端部，实现润滑剂由端部向中部的定向输运；所述径向脊形亲水性表面织构布置于所述轴瓦的中部。

进一步的，所述径向脊形亲水性表面织构分为两级，所述仿生织构的布置形式为：月牙形—第一级径向脊形—第二级径向脊形—第一级径向脊形—月牙形；第一级为双层径向脊形织构，布置在所述轴瓦的中部外侧；第二级为带楔形盲孔的双层径向脊形复合织构，布置在所述轴瓦的中心。

进一步的，所述月牙形疏水性表面织构的参数设置为：CC1006；第一级径向脊形亲水性表面织构的参数设置为：DR0102；第二级带楔形盲孔的双层径向脊形复合织构的参数设置为：CR0202。

进一步的，所述第二级的带楔形盲孔的双层径向脊形复合织构的亲水性好于第一级的双层径向脊形织构的亲水性。

进一步的，所述第二级的带楔形盲孔的双层径向脊形复合织构的基体材料为经过卤化改性的UHMWPE。

其次，本发明还提供了一种具有功能梯度仿生织构轴瓦的水润滑轴承，所述轴承与传统滑动轴承具有相同的结构，包括从外到内的外圈轴套、滚动体和保持架、内圈轴瓦；所述的内圈轴瓦为如前所述的具有功能梯度仿生织构的轴瓦。

最后，本发明还提供了所述的具有功能梯度仿生织构的轴瓦制备方法，包括以下步骤：

(1)基体材料UHMWPE的制备及表面处理：获得形状为半圆环形、宽度为1/5轴承实际宽度的工件；

(2)仿生织构的微纳加工：在工件的内曲面上加工出形状、尺寸参数符合要求的表面织构，分别为月牙形疏水性织构、第一级双层径向脊形亲水性织构和第二级带楔形盲孔的双层径向脊形亲水性复合织构；

(3)带楔形盲孔的双层径向脊形亲水性复合织构基体材料的卤化改性：将第二级亲水性复合织构浸泡入15％的溴化钾溶液中，持续30h；

(4)内圈轴瓦的组合安装：先将相同的两个半圆环形工件组合成为一个形状为圆环形、宽度为1/5轴承实际宽度的工件，再按照“月牙形—第一级径向脊形—第二级径向脊形—第一级径向脊形—月牙形”的顺序组合完成整个轴瓦并安装至轴承内圈，完成内圈轴瓦的制备。

进一步的，步骤(1)中，使用实验室用小型注塑机，将UHMWPE粉体材料经加热、压缩、塑化、注射、冷却步骤，得到UHMWPE的块状工件，再经过切件、打磨、抛光步骤，得到形状为半圆环形、宽度为1/5轴承实际宽度的工件。

目前国内尚无制备并使用上述类似轴承实现轴瓦与轴上两滑动表面间的减摩以及改善内圈轴瓦中部区域的润滑状态的案例，与现有技术相比，本发明优点在于：

1、将猪笼草唇部及蜡质区的表面织构应用于水润滑轴承轴瓦材料的减摩研究，并提出了一种具有功能梯度仿生织构表面的轴瓦及其制备方法；

2、在原有的月牙形疏水性织构和径向脊形亲水性织构的基础上，提出了双层月牙形疏水性复合织构、带仿生蜡质晶的月牙形疏水性复合织构、带楔形盲孔的双层径向脊形亲水性复合织构等优化设计，并通过试验得出最优的织构形状、尺寸参数并组合为一种具有功能梯度仿生织构表面的轴瓦；

3、提出了卤化改性UHMWPE这种新的化学改性方法来进一步提升带楔形盲孔的双层径向脊形亲水性复合织构的UHMWPE基体材料的亲水性，并进行了试验来探索该方法改性的UHMWPE亲水性和摩擦学性能之间的关系；

4、通过卤化改性与表面织构布置综合使轴瓦材料同时获得润湿性和表面形貌改善，进而协同优化其摩擦和润滑性能，为仿生表面织构在改性水润滑轴承轴瓦材料上的减摩应用研究提供合理的设计方案与试验依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1a为实施例2的水润滑轴承整体结构示意图；

图1b为实施例2的水润滑轴承立体图；

图2a为实施例1的功能梯度仿生织构表面的示意图；

图2b为实施例1的月牙形疏水性表面织构的放大示意图；

图2c为实施例1的月牙形疏水性表面织构的三维放大示意图；

图2d为实施例1的双层径向脊形亲水性表面织构的放大示意图；

图2e为实施例1的双层径向脊形亲水性表面织构的三维放大示意图；

图2f为实施例1的带楔形盲孔的双层径向脊形复合织构的放大示意图；

图2g为实施例1的带楔形盲孔的双层径向脊形复合织构的三维放大示意图。

图中，1-外圈轴套，2-滚动体，3-保持架，4-内圈轴瓦，5-轴瓦端部，6-轴瓦中部，7-轴瓦中心，8-月牙形疏水性表面织构，9-第一级双层径向脊形织构，10-第二级带楔形盲孔的双层径向脊形复合织构。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

本实施例提供一种具有功能梯度仿生织构的轴瓦，表面设计并布置了能够实现功能梯度化的仿生织构。

如图2a-2g所示，仿生织构主要参考了猪笼草唇部及蜡质区的表面织构，仿生织构包括仿猪笼草唇部的径向脊形亲水性表面织构和蜡质区的月牙形疏水性表面织构，并进行了有利于轴承减摩与润滑的参数设置与结构优化。

月牙形疏水性表面织构8布置于所述轴瓦的两个端部5，实现润滑剂由端部向中部的定向输运；径向脊形亲水性表面织构布置于轴瓦的中部6，可有利于流体动压润滑状态在润滑水膜压力最大、膜厚最低的轴瓦中部区域建立，改善原先的润滑状态；整个功能梯度仿生织构表面可实现轴瓦与轴上两滑动表面间的减摩。

径向脊形亲水性表面织构分为两级，仿生织构采用：月牙形—第一级径向脊形—第二级径向脊形—第一级径向脊形—月牙形的布置方法。月牙形织构为复合有蜡质晶的月牙形。

第一级为双层径向脊形织构9，亲水性较佳，布置在轴瓦中部6的外侧；第二级为带楔形盲孔的双层径向脊形复合织构10，亲水性更佳，布置在轴瓦的中心7，(第二级的带楔形盲孔的双层径向脊形复合织构10的亲水性好于第一级的双层径向脊形织构9的亲水性)；有利于所述径向脊形亲水性表面织构更好地实现所述轴承在运行时的高压力、低膜厚区域的润滑状态改善。

作为一个优选的实施方式，轴瓦的材料使用了超高分子量聚乙烯(UHMWPE)，这是一种具有良好自润滑性能的高分子材料，并兼具耐磨性强、耐冲击性强、吸水性低等优异特性。第二级的带楔形盲孔的双层径向脊形复合织构10的基体材料UHMWPE还需经过卤化改性，可获取亲水性更佳的轴瓦表面。

实施例2

如图1所示，本实施例的一种具有功能梯度仿生织构轴瓦的水润滑轴承，与传统滑动轴承具有相同的结构，包括从外到内的外圈轴套1、滚动体2和保持架3、内圈轴瓦4；内圈轴瓦4的表面设计并布置了能够实现功能梯度化的仿生织构。

所述的内圈轴瓦4采用如实施例1记载的具有功能梯度仿生织构的轴瓦，具体结构设计此处不再赘述。

实施例3

本实施例提供了具有功能梯度仿生织构的轴瓦制备方法，作为一个优选的实施方式，包括以下步骤：

(1)基体材料UHMWPE的制备及表面处理：使用实验室用小型注塑机，将UHMWPE粉体材料经加热、压缩、塑化、注射、冷却等步骤，得到UHMWPE的块状工件，再经过切件、打磨、抛光等步骤，得到形状为半圆环形、宽度为1/5轴承实际宽度的工件。

(2)仿生织构的微纳加工：使用紫外软模纳米压印设备，经过模板加工、图样转移、衬底加工等步骤，在工件的内曲面上加工出形状、尺寸参数符合要求的表面织构，分别为月牙形疏水性织构8、第一级双层径向脊形亲水性织构9和第二级带楔形盲孔的双层径向脊形亲水性复合织构10。

(3)带楔形盲孔的双层径向脊形亲水性复合织构10基体材料的卤化改性：作为一个优选的实施方式，将第二级亲水性复合织构10浸泡入15％的溴化钾溶液中，持续30h。

(4)内圈轴瓦的组合安装：先将相同的两个半圆环形工件组合成为一个形状为圆环形、宽度为1/5轴承实际宽度的工件，再按照“月牙形—第一级径向脊形—第二级径向脊形—第一级径向脊形—月牙形”的顺序组合完成整个轴瓦4并安装至轴承内圈，完成内圈轴瓦的制备。

实施例4

表面织构参数的定义规则如下：XX-XXXX。前两位字母表示模具带有微型织构的形状：SC(Simple and Crescent)指仿生蜡质区单层月牙形疏水性结构；DC(Double andCrescent)指双层月牙形结构；CC(Composite and Crescent)指月牙形和蜡质晶复合结构；SR(Simple and Ridged)指仿生唇部单层径向脊形亲水性结构；DR(Double and Ridged)是指双层径向脊形结构；CR(Composite and Ridged)指带楔形盲孔的双层径向脊形复合结构。

对于仿生蜡质区月牙形结构，后四位数为微型织构的两位尺寸代码和两位间距代码：两位尺寸代码代表单个月牙形结构最大宽度的1％，即如果最大宽度为800μm，则尺寸代码为08；两位间距代码代表两个月牙形结构的横纵向间距的1％，即如果横纵向间距为600μm，间距代码为06。仿生月牙形结构全部形状和尺寸的参数编号分别为：SC0808，SC1008，SC1208，SC1006，SC1010；DC0808，DC1008，DC1208，DC1006，DC1010；CC0808，CC1008，CC1208，CC1006，CC1010。

对于仿生唇部径向脊形结构，所有形状的每条径向脊宽度均为200μm。后四位数为微型织构的两位数目代码和两位间距代码：两位数目代码代表每条一级径向脊间二级径向脊的数目，即如果每条一级径向脊间二级径向脊的数目为2个，则数目代码为02；两位间距代码代表每两条二级径向脊的间距，即如果每两条二级径向脊的间距为200μm，间距代码为02。仿生径向脊形结构全部形状和尺寸的参数编号分别为：SR0102，SR0202，SR0302，SR0201，SR0203；DR0102，DR0202，DR0302，DR0201，DR0203；CR0102，CR0202，CR0302，CR0201，CR0203。此外，所有形状和尺寸参数的表面织构的高度均为400μm。

在保持实施例2中轴承尺寸、结构一致和实施例3中轴瓦加工方法不变的情况下，在仿真分析中固定轴承偏心率，在试验中固定加载载荷，固定织构尺寸参数分别为0808(月牙形织构)和0202(径向脊形织构)，改变上述的不同形状参数，得出的水膜压力与摩擦系数如表1a、1b所示。

表1a变转速条件下不同形状参数织构的内圈轴瓦水膜压力(Pa)

表1b变转速条件下不同形状参数织构的内圈轴瓦摩擦系数

由此得出，综合考虑轴承的承载性能与减摩性能，最优织构形状参数为CC0808的月牙形和蜡质晶复合结构，承载性能与减摩性能最多分别提升1.1％和16.9％，以及DR0202的双层径向脊形结构，承载性能与减摩性能最多分别提升3.6％和23.9％。若仅考虑轴承的减摩性能最优，则还可以选择参数为SC0808的单层月牙形结构，减摩性能最多提升15.5％，但综合减摩性能最优；若仅考虑轴承的承载性能最优，则还可以选择参数为CR0202的带楔形盲孔的双层径向脊形复合结构，承载性能最多提升8.0％。

实施例5

在保持实施例2中轴承尺寸、结构一致和实施例3中轴瓦加工方法不变的情况下，在仿真分析中固定轴承偏心率，在试验中固定加载载荷，固定织构形状参数分别为CC(月牙形织构)和DR(径向脊形织构)，改变实施例4中所述的不同尺寸参数，得出的水膜压力与摩擦系数如表2a～2d所示。

表2a变转速条件下不同尺寸参数月牙形织构的内圈轴瓦水膜压力(Pa)

表2b变转速条件下不同尺寸参数月牙形织构的内圈轴瓦摩擦系数

表2c变转速条件下不同尺寸参数径向脊形织构的内圈轴瓦水膜压力(Pa)

表2d变转速条件下不同尺寸参数径向脊形织构的内圈轴瓦摩擦系数

由此得出，综合考虑轴承的承载性能与减摩性能，最优织构形状参数为CC1006的月牙形和蜡质晶复合结构，承载性能与减摩性能最多分别提升2.3％和12.7％，以及DR0102的双层径向脊形结构，承载性能与减摩性能最多分别提升8.1％和23.3％。若仅考虑轴承的减摩性能最优，则还可以选择参数为CC0808的月牙形和蜡质晶复合结构和DR0202的双层径向脊形亲水性结构，减摩性能最多分别提升16.9％和23.9％；若仅考虑轴承的承载性能最优，则还可以选择参数为CC1208的月牙形和蜡质晶疏水性复合结构，承载性能最多提升4.2％。

实施例6

在保持实施例2中轴承尺寸、结构一致和实施例3中轴瓦加工方法不变的情况下，综合对比仿真分析中轴承偏心率适中与试验中加载载荷为中载的工况下，最优的具有功能梯度仿生织构表面轴瓦的组合为“CC1006-DR0102-CR0202-DR0102-CC1006”，可以适用于对一般转速尤其是低中速、中载的条件下轴瓦承载性能与减摩性能的提升。

实施例7

在保持实施例3中轴瓦加工方法不变的情况下，将表面织构参数为CR0202的试样在不同种类、浓度的卤化改性试剂中浸泡不同时长，采用两种卤化改性方式，氯化改性与溴化改性，分别选取3种卤化试剂浓度和3种改性时长，即将试样分别在10％、15％和20％的氯化铵、溴化钾溶液中浸泡10、30和60h。使用静态接触角测试仪测量改性材料的接触角，以确定改性后试样的亲水性优化情况，每次测量的滴加水量均为50μL，得出的接触角大小如表3所示。

表3不同溶液种类、浓度、改性时长的卤化改性方式的内圈轴瓦接触角

可以看出，未改性时试样的接触角为82.5°，而改性效果最佳、亲水性提升最明显的三组试剂浓度与改性时间分别为：15％氯化铵溶液浸泡60h的接触角为58.5°，10％氯化铵溶液浸泡60h的接触角为55.5°，而15％溴化钾溶液浸泡30h的接触角仅有46.5°。

再进一步测试三组亲水性最优的试样的摩擦系数。采用动态磨损试验的方式来模拟水润滑轴承在不同转速与载荷下的摩擦磨损情况，试验中固定加载载荷为300N，所使用的电机主轴转速分别为60、180、300、420、540rpm，得出的摩擦系数如表4所示。

表4变转速条件下三种亲水性最优的卤化改性方式的内圈轴瓦摩擦系数

经过对多组实施例的仿真分析及试验后大致得出，在保证由疏到亲的功能梯度实现与润滑性能改善以及轴瓦与轴上两滑动表面间的减摩效果综合最优的情况下，月牙形疏水性表面结构的参数设置为：CC1006；第一级径向脊形亲水性表面织构的参数设置为：DR0102；第二级径向脊形亲水性表面织构的参数设置为：CR0202。

对第二级径向脊形亲水性表面织构的基体材料UHMWPE进行卤化改性的溶液种类、浓度、改性时长为：15％的溴化钾溶液浸泡30h，可以获得最佳的减摩效果。

需要指出的是本发明的轴瓦表面仿生织构的参数设置及轴瓦制备方法并不局限于以上实施例，也可以根据实际需要做出相应调整。本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，做出的变化、改型、添加或替换，都应属于本发明的保护范围。