螺旋槽轴承研究综述

螺旋槽轴承研究综述汪久根;陈芳华;陈李果;张勇强【摘要】针对螺旋槽轴承的设计、制造和性能评价,从仿生设计、润滑理论、摩擦磨损和制造技术四方面综述螺旋槽轴承的研究进展.螺旋槽轴承有轴槽轴承、止推轴承、圆锥面和球面螺旋槽轴承以及变结构螺旋槽轴承,其常用的润滑剂有空气、润滑油、水和润滑脂,其润滑分析的方法有有限差分法、有限元法和边界元法;摩擦性能有摩擦特性的Stribeck曲线、摩擦力矩;磨损性能有磨损机制、磨损率和耐磨寿命;制造方法有数控铣削、成形车床车削、扭转挤压加工、掩膜腐蚀加工和激光加工等.提出螺旋槽轴承存在的技术问题,以期为提高螺旋槽轴承的性能和螺旋槽轴承的更广泛应用提供基础.%For the design,manufacturing and performance of groove bearings,the state of the art of such bearings was reviewed with respect to their bionic design,lubrication theory,friction,wear and manufacturing technology.The types of groove bearings have spool bearing,thrust bearing,conical bearing,spherical bearing and those with variable geometry.The lubricants frequently used are air,oil,water and grease,and the computation methods of lubrication have finite differential method,finite element method and boundary element method.The friction performance of such bearings has Stribeck curve and friction moment,and their wear performance has wear mechanisms,wear rate and anti-wear life.The manufacturing methods have digital controlled milling,form turning,twist squeezing,cover mold corrosion and laser beam cutting etc.The existing problems of groove bearings were proposed,in order toprovide a base for improvement of their performance and wide application of groove bearings.【期刊名称】《润滑与密封》【年(卷),期】2017(042)003【总页数】7页(P1-7)【关键词】螺旋槽轴承;仿生设计;润滑分析;摩擦;磨损;制造方法【作者】汪久根;陈芳华;陈李果;张勇强【作者单位】浙江大学机械工程学院浙江杭州310027;浙江省机电设计研究院有限公司浙江杭州310051;浙江大学机械工程学院浙江杭州310027;浙江大学机械工程学院浙江杭州310027【正文语种】中文【中图分类】TH12;TH117在轻载下螺旋槽轴承具有很好的动态稳定性，因此在航空、压缩机和密封技术中得到广泛的应用。

轴槽轴承可以承受径向载荷，止推轴承可以承受轴向载荷，而圆锥螺旋槽轴承和球面螺旋槽轴承可以同时承受径向载荷和轴向载荷。

用于螺旋槽轴承的润滑剂有空气、润滑油、润滑脂和水等黏性介质[1-14]。

1925年，L GüMBEL和E EVERLING发明了螺旋槽轴承。

1957年，G W K FORD等人开始研究螺旋槽轴承的性能。

HIRS[4]分析了径向轴承的稳定性问题。

MUIJDERMAN[5]、GUPTA等[7]研究了螺旋槽轴承的端部效应。

1973年，ELORD[6]采用斜交坐标系分析了轴承润滑性能。

QAMAR等[8]研究了螺旋槽的形线设计。

BROMAN[9]研究了槽中的空化问题。

2003年，MEYER[10]推导出了球面螺旋槽轴承的雷诺方程。

GAD等[11]、NEMAT-ALLA等[12]研究了螺旋槽的槽型影响和螺旋槽的优化设计。

2016年，SARKAR等[13]用田口设计法，设计了螺旋槽径向轴承；韩苏征和胡忠会[14]对飞机机体中的螺旋槽轴承的研究进行了综述。

由此可见，螺旋槽轴承的研究已有90年历史，尤其国外对螺旋槽轴承设计有全面的理论分析与实验研究。

目前，因为我国航空航天发展的需要，对螺旋槽轴承的全面深入研究变得十分迫切。

本文作者拟从螺旋槽轴承的结构设计、润滑分析、摩擦磨损研究和螺旋槽轴承的制造方法几方面，综述国内外螺旋槽轴承的研究进展。

最后，提出若干螺旋槽轴承研究仍需解决的问题，以期为后续的螺旋槽轴承研究和应用提供基础。

螺旋槽轴承有径向轴承和止推轴承，另外锥面和球面螺旋槽轴承和可以同时承受径向载荷与轴向载荷的轴承。

图1所示为承受径向载荷的轴槽轴承，图2所示为承受轴向载荷的推力轴承。

图3、图4所示为常用的螺旋槽轴承，依据螺旋泵送原理来汲取润滑油以润滑轴承的工作表面。

图3(a)、(b) 、(c) 所示为向心螺旋轴承，图3(d)所示为圆锥螺旋槽轴承[2]，可以同时承受径向载荷和轴向载荷。

图3(e)所示为球面螺旋槽轴承，也可以同时承受径向载荷和轴向载荷。

图4所示为螺旋槽推力轴承，可以承受轴向载荷，图4(a)所示为零净流量的螺旋槽结构；图4(b) 、(c)分别示出了向外、向内泵送的螺旋槽推力轴承结构；图4(d)所示为人字螺旋槽推力轴承，是一种零净流量推力轴承结构。

自然界中的绵羊角(见图5)、大轮螺(见图6)、双冠涡螺(见图7)等很多自然结构也为螺旋结构[15]。

葵花籽螺线(见图8)的设计已经成功用于研磨盘的设计[16-18]。

自然界经过36亿多年的进化，发展完善了螺旋结构。

因此，从仿生角度出发，来优化设计螺旋槽轴承的螺线结构具有新意，也是今后优化设计螺旋槽轴承的内容之一。

对螺旋槽轴承润滑的数值计算方法有3种。

第一种是窄轴承理论，它假设轴承的槽数足够多，然后以每个槽台为单位，均化这个区域内的压强，最后以这个压强服从流场控制方程。

第二种方法，在轴承几何形状上差分正交坐标系的流场控制方程，然后数值求解。

第三种方法，使坐标轴间的夹角与轴承的螺旋角重合，应用斜交坐标系中的流场控制方程求解。

2.1 气体轴承润滑螺旋槽轴承常用气体润滑设计，对于轴槽轴承、止推轴承、球面轴承与圆锥轴承已有深入研究[19-38]。

文献[19,21,23-24]研究了气体润滑推力轴承的稳定性、自激振动。

文献[20,22]研究了气体润滑的轴槽轴承。

1990年，揭晓平[25]用非正交坐标系求解了气体螺旋槽径向轴承，分析了气体压力分布和轴承承载能力的变化。

卢志伟等[29-32]研究了圆锥形气体润滑轴承，用有限差分法求解雷诺方程，并且进行了实验测试分析。

柏庄等人[33]用Fluent流体计算软件，分析了螺旋槽槽数、螺旋角、槽深、槽长比和槽宽比对轴承承载能力的影响。

贾晨辉等[34-38]研究了锥面螺旋槽轴承和球面螺旋槽轴承。

目前，分析气体螺旋槽轴承性能的方法有：有限差分法、有限元法和计算流体动力学(CFD)模拟软件分析，其中CFD法编程工作量小，今后会得到更多应用。

2.2 油润滑轴承文献[39-64]研究了油润滑的螺旋槽轴承性能。

润滑油润滑的螺旋槽轴承有轴槽轴承、球面轴承、圆锥面轴承和止推轴承。

1979年，MURATA等[43-44]提出用翼栅理论求解止推轴承的润滑问题。

1980年，GOENKA和BOOKER[45]用有限元方法求解雷诺方程。

1993年，朱勤等人[48-51]提出用边界元法求解螺旋槽轴承润滑问题。

1996年，KANG等[52]用有限差分法求解轴槽轴承润滑问题。

2003年，MEYER[10]推导出的不可压缩流体球面螺旋槽轴承的雷诺方程为[ϖcosβsinφ(ϖsinβ+ϖφ)目前，油润滑螺旋槽轴承设计常用方法有参数化设计[53,59,63]、优化设计等[55-56]。

另外，将静压润滑与动压润滑相结合的动静压轴承也已实际应用。

热流体动力润滑分析也已成熟，这种分析不仅可以得到轴承的压力分布、承载能力和油膜厚度，而且可以得到温度分布[64]。

2.3 水润滑轴承水润滑轴承避免了因润滑剂泄漏而污染环境，文献[65-70]研究了水润滑螺旋槽轴承。

水润滑轴承材料十分多样，有木类材料、陶瓷材料、橡胶复合材料和超高分子量聚乙烯等[65]。

求解雷诺方程的方法有有限元法和有限差分法[67,70]，有限差分法有顺解法、逆解法和多重网格法、系统法等。

刘宪伟和范迅[69]用RNG k-ε湍流模型，分析了螺旋槽型线对轴承承载能力的影响。

王优强等[70]分析了圆弧形、矩形和燕尾形螺旋槽轴承的优化设计。

随着设计技术的发展，参数化设计、特征参数设计、优化设计与摩擦学设计也已用于水润滑螺旋槽轴承的设计过程，以获得最佳的轴承性能。

2.4 脂润滑轴承润滑脂润滑的螺旋槽轴承在飞机、航天动量轮中得到普遍应用。

文献[71-73]研究了脂润滑螺旋槽轴承的润滑与摩擦性能。

刘小君等[72]通过表面凹坑织构设计，来提高关节轴承的摩擦性能。

2015年，汤占岐等[73]针对球面轴承推导出了非牛顿体润滑的雷诺方程(ϖrot·sinθcosφsinα+ϖswisinθsinφ)φφ式中：螺旋槽轴承是一种滑动轴承，其摩擦特性曲线与一般的圆轴承相似，存在混合摩擦与流体摩擦2种润滑状态。

对于螺旋槽轴承的摩擦因数、摩擦力矩，一般采用实验测试来分析。

螺旋槽轴承的磨损有磨粒磨损、黏着磨损；在频繁正反转时也会出现胶合失效。

当润滑剂中含有第三体固体颗粒时，轴承表面出现三体磨粒磨损。

在混合摩擦时出现犁沟磨损和黏着磨损[74-75]。

螺旋槽轴承的摩擦磨损实验研究方法，包括加载的方式、摩擦因数与磨损率的测定等。

一般采用杠杆法加载，在大载荷时需要用液压缸加载。

摩擦因数的测定也是先测得摩擦力，然后计算得到摩擦因数。

磨损率的测量可以采用测长法、称重法与表面形貌测量法等。

磨损机制的分析，可以采用铁谱法分析磨粒形态、光谱法分析润滑剂成分、SEM分析磨斑形态等。

螺旋槽轴承的制造关键在于螺旋槽的制造、球面研磨和轴承成套工艺等方面。

螺旋槽的制造方法有：数控铣削螺旋槽加工，成形车床车削轴槽轴承，螺旋槽的扭转挤压加工，掩膜腐蚀加工螺旋槽轴承，激光加工螺旋槽等[1,2,76]。