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。     

圆柱滚子轴承混合润滑状态下的超声法膜厚测量

圆柱滚子轴承由于其线接触特点被广泛应用于各类低速重载工况下的大型设备中,其运行性能和稳定性与滚子和内外圈间的接触润滑状态密切相关;基于等效刚度的超声法可用于实际工况的滚子轴承弹流润滑油膜厚度测量,但无法直接适用于低速重载工况下流体润滑和粗糙峰接触共存的混合润滑状态膜厚测量。为此,提出了一种混合润滑状态下的超声测量方法,建立了界面油膜刚度和粗糙体接触刚度的并联模型,通过引入接触系数并结合经验公式对超声法所测界面总刚度进行分解,获取混合润滑状态下的油膜刚度,进而得到更加准确的油膜厚度。将实验结果和理论结果的对比分析,验证了该模型的可行性和有效性。     

混合润滑结合面法向接触刚度模型研究EI北大核心CSCD

在实际工作中,机械结合面一般加入润滑介质来减少磨损,因此将结合面微凸体等效为圆锥微凸体,并基于分形理论和改进的W-M函数建立混合润滑状态下结合面法向接触刚度三维分形模型。对模型进行模拟仿真,仿真结果表明:结合面无量纲法向接触总刚度随着分形维数的增大呈现出先增大后减小的趋势,且在分形维数为2.6附近时取得最大值;随着分形粗糙度参数的增大而减小;随着润滑介质的声阻抗增大而增大;混合润滑状态下结合面无量纲法向接触总刚度大于无润滑介质结合面无量纲法向接触刚度;最后与其他模型和试验数据进行对比,模型与试验数据更契合,验证了模型的正确性。混合润滑粗糙表面法向接触刚度模型的提出,为结合面的刚度预测和机械设备的性能优化以及结构改进提供良好的依据。     

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。     

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。     

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。     

混合弹流润滑下内啮合直齿轮动态特性磨损退化研究

针对现有磨损计算方法难以求解混合弹流润滑下内啮合齿轮磨损的问题,提出了黏着磨损与弹流润滑耦合的计算模型。根据弹流润滑理论计算油膜刚度,并将油膜刚度、齿面接触刚度以及承载系数结合构建了混合弹流润滑条件下的综合刚度模型以完善动力学模型。为深入分析混合弹流润滑下动态啮合力与磨损量之间的关系,将累加的磨损量作为齿侧间隙代入到动力学模型中,最终得到不同啮合次数下的动态啮合力和磨损量。考虑动态啮合力与润滑的影响能够呈现静态干摩擦中所没有的啮合动态冲击特性。计算结果表明:进入段的磨损量大于退出段的磨损量;动态啮合力会随着磨损量的增加,在进入段增大,在退出段减小;在磨损初期动态啮合力会随着磨损量增加迅速收敛;油膜刚度对动态啮合力较为敏感,而不会受初期磨损的影响;综合刚度与承载系数在初期磨损时不会变化。     

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     

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。     

含润滑介质的正交各向异性结合面接触特性研究

提出了一种含润滑介质的正交各向异性结合面法向接触刚度的分形模型。该模型基于含椭圆修正因子的Hertz接触理论，并根据考虑润滑介质的侧向泄漏的平均雷诺方程，推导出固体接触刚度与流体刚度之间的解析关系。通过分析不同因素对结合面的法向接触刚度的影响，发现当无量纲固体真实接触面积小于0.05时，结合面的法向接触刚度受流体刚度的影响较大。随着润滑介质发生侧向泄漏，固体真实接触面积逐渐增大，固体接触刚度对结合面的法向接触刚度的影响越来越显著。给定不同预紧力，对比试验与有限元仿真获得的前三阶固有频率，其最大相对误差为4.11%，证明本文构建的模型可以准确地预测结合面的接触性能。     

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。     

干气密封动静环摩擦界面热弹法向接触刚度分形模型

基于分形理论,根据重新建立的微凸体接触模型,并考虑微凸体弹性变形以及热应力变形,建立了干气密封两摩擦界面热弹性法向接触刚度计算模型,并对其影响因素进行了数值分析。研究结果表明:热法向接触刚度、弹性法向接触刚度均随无量纲真实接触面积、分形维数增大而增大,而随特征尺寸增大而减小,其中分形维数、特征尺寸对弹性法向接触刚度影响较为显著;摩擦因数对热法向接触刚度和弹性法向接触刚度的影响相反,摩擦因数增大,热法向接触刚度变大,而弹性法向接触刚度变小;热法向接触刚度随着转速以线性方式增大。摩擦界面热弹法向接触刚度分形模型的建立与分析,将为研究考虑热效应的干气密封摩擦振动奠定一定基础。     

食品工业清洗剂在含水工况下对点接触润滑和摩擦的影响

本文采用工业常用的两性表面活性剂作为润滑油中的添加剂,研究其对点接触润滑和摩擦性能的影响。试验研究结果表明:钢球-玻璃盘润滑实验表明较低浓度的活性剂水溶液对润滑油膜厚度的影响较小,其油膜厚度与纯油润滑基本一致。钢球-蓝宝石相对滑动过程中发现较高的活性剂水溶液浓度下,能够观察到蓝宝石盘会将清洗液带入接触区。钢球-钢盘摩擦磨损工况下活性剂对接触表面有一定的防护作用。     

PTFE微粉/CF改性PEEK复合材料的摩擦磨损性能

为解决核电水循环系统中鼓型旋转滤网驱动装置的耐腐蚀问题,本文研究了碳纤维和聚四氟乙烯微粉改性的聚醚醚酮复合材料在干摩擦、水润滑和油润滑条件下的摩擦磨损性能.通过机械共混、高温模压的方法,制备了不同质量分数的聚四氟乙烯(PTFE)微粉/碳纤维(CF)/二硫化钼(MoS_2)/聚醚醚酮(PEEK)复合材料.采用拉伸试验机和塑料洛氏硬度计测试其力学性能,采用摩擦磨损试验机测试了复合材料在干摩擦、水润滑和油润滑条件下的摩擦磨损性能,采用扫描电子显微镜对其摩擦表面形貌进行分析.结果表明:复合材料在水润滑和油润滑时摩擦系数及磨痕宽度均较小,但水润滑时摩擦系数波动幅度较大且磨痕宽度略高;复合材料在干摩擦条件下的磨损机制以磨粒磨损为主,伴有疲劳磨损,油润滑时摩擦面可形成连续的润滑膜而保持光滑,水润滑时水流冲刷破坏了摩擦面上固体润滑膜的稳定性;CF质量分数增加时,复合材料的洛氏硬度和压缩强度递增,压缩强度达到164 MPa,PTFE微粉质量分数增加时,复合材料的洛氏硬度和压缩强度递减;CF质量分数增加时,复合材料的干摩擦系数及磨痕宽度下降,PTFE微粉质量分数增加时,复合材料的干摩擦系数下降,达到0.17.     

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     

铜箔轧制润滑状态与表面质量的研究

使用不同运动粘度的轧制油和在不同道次压下率条件下进行了铜箔冷轧实验。利用激光扫描共焦显微镜(LSCM)和表面粗糙度仪对铜箔轧后表面形貌进行了表征,得到铜箔轧制变形区膜厚比和摩擦系数。研究了轧制油运动粘度,道次压下率对铜箔轧制变形区油膜厚度、表面粗糙度和前滑值的影响,并从膜厚比、摩擦系数和表面质量3个方面对不同润滑条件下铜箔轧制变形区的润滑状态进行了界定。结果表明,轧制油运动粘度γ40≤15mm2/s时,膜厚比λ→0,摩擦系数μ≈0.1～0.2,属于边界润滑状态,表面质量较好;道次压下率20%<ε≤60%时,膜厚比λ→0,摩擦系数μ>0.1,属于边界润滑状态,表面质量较好。为得到高表面质量的铜箔,轧制油运动粘度应控制在10mm2/s左右,道次压下率控制在30%左右,也即,使铜箔轧制润滑状态控制在边界润滑状态为最佳。     

贴塑导轨结合面法向动态特性参数的识别及分析

贴塑导轨由于其良好的力学性能越来越广泛地应用于各类数控机床中,作为机床重要的支承和导向结构,其动态特性对机床的加工精度有重要影响。通过模态试验识别出贴塑导轨结合面的动态特性参数,并分析了滑动速度、载荷、贴塑厚度等因素对结合面动态特性的影响规律,为机床数字化设计提供了参考。试验结果表明：滑动速度的增加会降低贴塑结合面的动刚度;适当增加面压、添加润滑油可提高结合面的动刚度;导轨贴塑使结合面的动态特性变化比较稳定,其动刚度随贴塑厚度的增加而减小,阻尼则随贴塑厚度的增大而增大,实际应用中,贴塑厚度以1.2到1.5mm为宜。     

Microstructure and Tribological Properties of Plasma-sprayed Nanostructured Sulfide Coating

The friction and wear properties of plasma-sprayed nanostructured FeS coating were investigated on an MHK- 500 friction and wear tester under both oil lubrication and dry friction condition. The microstructure, worn surface morphology and phase composition of the coating were characterized by scanning electron microscopy （SEM） and X-ray diffraction （XRD）. It was found that the coating was mainly composed of FeS. a small quantity of Fe1-xS and oxide were also found. The coating was formed by small particles of 50～100 nm in size The thickness of the coating is approximately 150 μm. The friction-reduction and wear-resistance properties of plasma-sprayed nanostructured FeS coating were superior to that of GCr15 steel substrate. Especially under oil lubrication condition, the friction coefficient of nanostructured FeS coating was 50% of that of GCr15 steel, the wear scar widths of the coating were also reduced to nearly 50% of that of GCr15 steel under high load. The failure of the coating was mainly attributed to plastic deformation under both oil lubrication and dry friction condition.