混合润滑状态下结合面的法向接触刚度研究

针对润滑条件下机械结合面的接触特性受油膜影响的问题,基于结合面接触刚度由油膜接触刚度和固体表面接触刚度组成的思想,建立混合润滑状态下结合面的法向接触刚度模型。采用三维的Weierstrass-Mandelbrot函数获得具有分形特征的粗糙表面,并基于统计学方法建立干摩擦条件下结合面的法向接触刚度模型,考虑了微凸体的完全弹性变形、弹塑性变形以及完全塑性变形过程。在此基础上,求解了油膜的等效厚度并建立油膜的接触刚度模型。结果表明:结合面的法向接触刚度随法向载荷的增加而增加,且混合润滑状态下结合面的接触刚度大于干摩擦条件下结合面的接触刚度;该模型避免了油膜厚度测量难的问题,为机械结构的润滑状态预测提供了帮助。     

润滑状态下线接触滑动粗糙界面的动摩擦特性研究

滑动粗糙界面的摩擦润滑特性对界面的润滑设计和润滑状态预测具有重要的理论和实际意义。本文通过建立不同润滑状态下的滑动粗糙界面模型,基于界面的法向载荷由润滑油膜和粗糙体共同承担的载荷分配思想,采用Greenwood-Williamson统计模型描述粗糙表面形貌,考虑界面润滑的时变效应和润滑油的粘-压特性,建立了线接触滑动粗糙界面的油膜厚度方程和粗糙体接触压力方程,获得了整个润滑区的润滑油膜载荷比例因子、油膜厚度和摩擦系数随滑动速度的变化关系,推导了界面由混合润滑过渡为液压润滑的临界速度关系表达式,分析了滑动粗糙界面的润滑承载机理,获得了界面油膜厚度、摩擦系数和临界速度随界面形貌参数、法向载荷、润滑油属性参数的变化规律,为机械结构的界面润滑设计、润滑状态预测和润滑优化提供理论和实验参考。     

混合润滑状态下粗糙界面法向接触刚度计算模型与特性研究

机械装备系统的静态特性和动力学特性取决于系统接触界面法向接触刚度。基于粗糙表面形貌的Greenwood-Williamson统计模型描述与液体润滑界面的油膜共振模型和弹簧模型,推导了机械结构混合润滑粗糙界面固体接触刚度和液体润滑介质接触刚度,并实现粗糙微凸体固体接触刚度与液体润滑介质接触刚度的耦合,提出了一种混合润滑状态下粗糙界面法向接触刚度的计算模型,分析了接触界面形貌参数、润滑介质和接触基体材料属性对界面法向接触刚度的影响规律。结果表明:润滑介质的声阻抗是影响液体接触刚度的主要因素,声阻抗增大时,液体接触刚度减小;接触基体材料的表面形貌和弹性模量是影响固体接触刚度的主要因素,界面粗糙度和弹性模量增大时,固体接触刚度增大。混合润滑粗糙界面接触刚度计算模型的提出,为机械结构润滑接触界面的刚度计算、性能预测与优化提供理论和实验参考。     

考虑热效应的滚滑并存线接触粗糙界面的摩擦能量耗散特性研究

高速、重载工作条件下,机械结构滚滑并存界面的温度热效应变得显著,可导致系统的动力学特性、磨损特性和工作稳定性等发生根本性变化。通过建立滚滑并存线接触粗糙界面模型,基于界面的法向载荷由润滑油膜和粗糙体共同承担的载荷分配思想,采用Greenwood-Williamson统计模型描述粗糙表面形貌,考虑界面温度热效应的影响,建立了滚滑并存线接触粗糙界面的能量方程、油膜厚度方程和粗糙体接触压力方程,求解了界面温度场,获得了表面粗糙形貌、界面法向载荷和运动速度对热润滑油膜厚度参数和摩擦能量耗散量的影响特性,为机械结构的润滑状态预测和系统动态性能分析提供基础。     

基于接触电阻法测量润滑油膜厚度的方法研究

提出了一种基于接触电阻法测量润滑油膜厚度的方法，研制了一台可实时测量接触电阻以评价润滑膜厚的旋转摩擦试验机，分析了边界润滑与混合润滑区域中油膜厚度与接触电阻的相关性。该装置实现了在高精度加载与速度控制下，获得确定工况下的润滑状态，通过精密电路设计实时测量接触区内部接触电阻，并与相同工况下光干涉法测得的润滑膜厚进行对应，获得了接触电阻-润滑膜厚对应关系，拟合曲线相关系数为0.98,剩余标准差为4.56 nm。为在实际工况中表征润滑状态提供了技术支撑和数据支持。     

对转圆柱滚子轴承动态特性分析

针对内外圈对转圆柱滚子轴承内部复杂的运动特性及相互作用力,通过分析轴承径向游隙的影响因素以及考虑滚子与滚道的接触变形和热效应对油膜厚度的影响,利用拟静力学法建立了轴承的分析模型,并采用NewtonRaphson法进行求解;同时,利用该模型对滚子打滑率进行计算,以验证所采用分析方法的正确性和可靠性。然后,进一步探讨了不同工况下对转圆柱滚子轴承内部组件的转速变化规律与接触特性。结果表明：滚子的自转转速、滚子与滚道的接触载荷均随径向载荷的增大而增大;内、外圈转速变化会使受载区滚子与滚道的接触载荷以一定的规律重新分配,且转速对最小油膜厚度的影响较径向载荷更为明显。研究结果可为对转圆柱滚子轴承的结构优化和生热机理分析提供理论依据。     

液体调速离合器中摩擦副热效应分析

液体粘性调速离合器是利用多个摩擦圆盘间的油膜剪切力来传递动力，并通过改变油膜厚度实行无级调速。由于近来工程中广泛采用聚α-稀烃型、聚酯型等合成油作润滑剂，液体粘性调速离合器在调速范围内，其摩擦副往往工作在流体润滑、混合润滑、边界润滑直到直接接触的工况。基于这些特点，笔者采用了幂律型非牛顿流体模型、Patir-Cheng的平均流量模型、GT两粗糙平面接触模型、计入油膜的惯性影响、平均能量方程、热传导方程，建立了热效应研究模型，推导了相应的计算方程式，并在流体润滑、流体混合润滑状态下，进行了数值计算与分析     

摆动工况下光干涉弹流润滑试验机的设计

 摆动是较为典型的机械运动方式,为了揭示线接触副在此运动状态下的弹流润滑问题,根据波动光学干涉原理,研发出一套摆动工况下的光干涉实验装置,开展有限长线接触弹流润滑油膜成膜机理的实验研究.初步实验表明,该实验台可以有效地工作在摆动工况下,测量滚子类线接触弹流润滑接触表面的油膜形状及其变化情况．     

点接触弹流润滑条件下的深沟球轴承表面局部缺陷动力学建模

传统轴承动力学模型多为无润滑干接触状态下建立的接触力学模型,没有考虑润滑对轴承振动的影响。由于球轴承内部钢球与滚道之间润滑油膜的存在,油膜影响轴承的接触刚度。基于非线性赫兹接触变形和弹性流体润滑,提出了一种深沟球轴承局部缺陷的两自由度动力学模型。首先将接触变形、径向间隙和缺陷的连续性变化关系对轴承的局部缺陷影响提出了模拟的方法,然后加入了弹流润滑对轴承接触刚度的影响这一因素,并建立深沟球轴承的两自由度动力学模型,能更加准确的模拟轴承实际运转时的真实状态。最后通过振动响应的仿真信号与轴承故障实验台的数据进行对比,验证这种模型的准确性,为轴承故障诊断提供了理论依据。     

混合润滑状态下结合面法向动态接触刚度与阻尼模型

机械结合面的动态接触特性对评估机床整机性能有着重要的意义。针对混合润滑状态下固定结合面复杂的接触特性,提出了一种结合面的法向接触刚度与阻尼模型。采用三维Weierstrass-Mandelbrot函数获得粗糙表面形貌,并基于分形理论建立了结合面固体部分的接触刚度与接触阻尼模型;根据平均流动的广义雷诺方程建立了液体油膜接触刚度与阻尼模型,其中油膜接触刚度是固体表面接触刚度的函数,实现了油膜接触刚度与固体接触刚度的耦合。通过仿真分析了固体、液体油膜以及结合面的刚度阻尼特性,结果表明:液体油膜接触阻尼远大于固体接触阻尼,结合面的接触阻尼特性主要取决于油膜接触阻尼;在接触前期油膜接触面积所占比例较大,结合面的接触刚度主要由油膜接触刚度主导,随着固体真实接触面积的增加,液体油膜接触刚度占结合面接触刚度的比率越来越小,最后转变为固体接触刚度主导结合面的接触刚度。     

直线运动滚动导轨副混合润滑研究

综合考虑了直线运动导轨副接触几何、预紧力、真实表面粗糙度、曲率系数等因素,建立了直线运动导轨副混合润滑数值模型,研究了滑块移动速度、曲率半径系数、工作载荷、表面粗糙度对导轨接触副润滑特性的影响,得到结论:导轨副法向工作载荷、最大赫兹接触压力和赫兹接触半径随着外加总载荷的增大而增大,平均膜厚随着载荷的增大而减小;混合润滑模型可预测导轨副在大范围工况条件下完整的润滑状态;直线运动导轨大多工作在混合润滑状态下,随着滑块移动速度的增加,接触界面由边界润滑状态向混合润滑状态转变,润滑性能逐渐提高;适当增加曲率半径系数,有利于润滑油膜的形成与稳定。     

Influence of Lubrication Performance on the Service Life of Rolling Mill Bearings

In order to confirm the early failure cause of a four-row cylindrical roller bearing at the backup roll position of a six-high cold sheet mill, its lubrication behavior under harsh operating conditions is investigated. Through establishing and solving the Elastohydrodynamic Lubrication （EHL） model of the roller-inner raceway contact region, the minimum oil film thickness and the real lubrication performance are achieved. The results show the bearing failures come from the poor oil film thickness in the case of high temperature and low rotational speed, which leads to contact wear. So various approaches to improve bearing life via improving lubrication are compared. It has been proved decreasing surface roughness of both contact bodies is an effective way.     

大型水轮机组推力轴承油膜厚度在线监测研究

油膜厚度是反映推力轴承运行状态的重要参数,对油膜厚度进行实时在线监测有助于实现推力轴承的稳定运行。以某大型水轮机组推力轴承为例,结合其润滑流体的雷诺方程和油膜厚度方程,利用有限差分法分析了不同载荷和不同转速下推力轴承油膜厚度和压力分布的变化规律,并设计了一种油膜厚度实时在线监测方法。理论分析结果表明,当转速一定时,推力轴承油膜厚度先随着载荷的增大而增大,达到峰值后,随着载荷的增大而减小;当载荷一定时,油膜厚度随着转速的增大而增大。理论分析结果与该水轮机组推力轴承油膜厚度的在线监测数据完全吻合,验证了提出的油膜厚度在线监测方法的可靠性,为推力轴承运行状态的诊断提供了科学依据。     

计及套圈变形的电主轴角接触球轴承动刚度分析

针对高速电主轴结构特点,应用弹性力学和滚动轴承动力学理论,建立考虑内圈弯曲变形影响的角接触球轴承动刚度分析模型,探讨不同工况下内圈的径向挠度及其对轴承动刚度的影响,最后在12MD60Y6型号电主轴上进行轴承动刚度测试。理论和实验结果表明,内圈径向挠度和轴承的轴向载荷成正比、与转速成反比,在重载条件下其值不容忽视。考虑内圈径向挠度的轴承动刚度计算结果更接近实验结果。     

圆柱滚子轴承多体接触动力学研究

考虑滚子和套圈、滚子和保持架、保持架和引导套圈的动态接触关系,提出了机械系统中圆柱滚子轴承多体动力学分析的新方法。基于圆柱套圈滚道的三角网格模型,实现了圆柱滚子和套圈滚道的动态接触力的预测搜索算法,进而建立了计及润滑摩擦作用和Hertz接触作用的圆柱滚子轴承的三维多体接触全动力学模型。运用广义-α方法计算分析了不同工况条件下圆柱滚子轴承的动态特性和保持架的稳定性,获得了不同工况下轴承的运动轨迹、角速度、滚子和倾斜扭转振动、动态接触力,拖动力和相轨迹等动态响应的变化规律。计算结果表明低速或较小径向力下,滚子和保持架的拖动力相对较小且不稳定,滚子和保持架侧梁、外圈挡边之间存在明显的频繁接触冲击作用,内圈中心的振动位移相对较大,保持架中心的径向平面运动轨迹形成不稳定的近似圆周运动,圆柱滚子轴承的运动稳定性相对较差。随着转速或旋转径向力的增加,保持架中心的径向平面运动轨迹为圆周运动和单周期的相轨迹运动,保持架中心的轴向振动明显,滚子倾斜扭转振动相对较小。     

Seizure resistance of leaded aluminium bearing alloys

Abstract

The antifriction and antiseizure characteristics of a number of aluminium bearing alloys varying in lead content from 10 to 50 wt-% have been studied under different lubrication conditions using a bearing test machine designed for the investigation. With continuous oil lubrication, bearings of all the leaded alloys are able to run without seizure up to the regimes of boundary and mixed lubrication, whereas the base alloys seize under conditions in which the leaded alloys are under hydrodynamic lubrication. The load at which bearing seizure takes place is primarily determined by the frictional state of the bearing. In general, the addition of lead to aluminium alloys is found to reduce interface friction and to improve their ability to resist seizure only for concentrations in the range 10–25 wt-%. Lead–containing aluminium alloys also show a capacity to absorb and to store a lubricating oil and to use it to diminish friction in the event of failure of the oil supply.

MST/121     

A rolling contact fatigue crack driven by squeeze fluid film

ABSTRACT A new model of surface breaking rolling contact fatigue (RCF) crack driven by a coupled action of a squeeze oil film built up in the crack interior and a pressure exerted at the external contact interface was developed. The model can be applied to the ‘nominally dry’ contact couples with an occasional presence of liquid in the crack interior (wheel/rail contact) as well as to the elastohydrodynamic lubrication (EHL) conditions. In the first case, the contact load is a result of solid/solid interaction and can be determined by solving the FE contact problem, but the liquid contained in the crack interior forms a thin film between the crack faces changing their interaction into the type of liquid/solid. This liquid is being periodically squeezed under contact load and acts as a ‘squeeze film’ known from the lubrication theory. In the second case, the liquid (lubricating oil) is permanently present in the contact area and consequently in the vicinity of the crack mouth. This creates conditions for filling the crack with oil. Similarly as in the first case, the ‘squeeze oil film’ is built between the crack faces. The contact load in this case results from a liquid/solid interaction and can be approximated by the pressure and traction distributions obtained from the numerical solution of the elastohydrodynamic contact problem. In both cases the model can be used to determine the Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM) crack tip stress intensity histories during cyclic loading and consequently to predict the crack growth rate and direction. An example of applying the model to the EHL case is given to explain the mechanisms and phenomena leading to the crack front loading. The cycle of rolling a roller over the crack was numerically simulated to obtain the mixed mode (I and II) SIF histories. In the analysis, the EHD pressure and traction were determined through the full solution of the EHD line contact problem accounting for the presence of a crack, whilst the pressure in the crack was found with the use of the wedge shaped squeeze oil film (SOF) model. Possible effects of the mode I and mode II stress intensity cycles on crack growth rate and direction are discussed. The solution indicates high pressure in the neighbourhood of the crack tip, exerted on the crack faces by the squeeze oil film. This leads to the ranges of the mode I and mode II SIF variations, which are larger than for the ‘dry’ and ‘fluid entrapment’ models, and can be an explanation for the crack growth rate observed in practice