轮轨表面水介质混合润滑数值模拟

雨雪、潮湿等环境下,轮轨接触界面处于混合润滑状态,界面间的流体动压效应不可忽视,轮轨间的黏着系数降低,导致黏着力降低。根据确定的轮轨接触几何参数,建立考虑真实机械加工表面的混合润滑模型,模拟轮轨滚动接触界面水润滑状态,通过对比车削加工的纵纹粗糙表面与光滑表面数值解,结果表明:在水介质存在状态下,粗糙表面接触载荷比增加会大幅提高黏着系数;列车行驶速度较快时,混合润滑状态下轮轨黏着系数较小,不利于列车安全平稳运行;轮轨接触副在混合润滑状态下接触压力小于干接触状态接触压力,有利于提高轮轨接触副使用寿命。该研究可为轮轨表面设计提供了重要的理论依据。     

摆线针轮传动线接触弹流润滑分析

对摆线针轮线接触弹流润滑进行数值分析,得出啮合过程中最小膜厚,与经验公式对比,验证模型的正确性。以摆线轮θ=arccos K1处润滑状态作为判断依据,研究载荷、转速和流变指数对摆线针轮传动润滑状态的影响规律。结果表明:随着转速提高,二次压力峰高度降低并向入口区移动,膜厚相应增加;而随着载荷增加,接触区变宽,二次压力峰增加且向出口区移动,膜厚略微减小;流变指数n增加,二次压力峰先增加后减小,最后趋近于Hertz压力,并向出口区移动,膜厚相应减小。讨论了短幅系数k1对润滑的影响,表明在满足设计要求情况下,短幅系数k1减小,有利于提高润滑性能。     

径向滑动轴承中轴承孔与轴颈的法向接触刚度建模

将分形理论与结合部虚拟材料相结合,构建径向滑动轴承中轴承孔与轴颈的法向接触刚度模型。修正Weierstrass函数在任一点处处不可求导的条件。严格论证分形维数的限定范围是1≤D2。数值模拟表明:轴承接触的侧面接触系数≤1。内接触的侧面接触系数外接触的侧面接触系数。随着轴颈半径、法向接触载荷的增加,结合部虚拟材料厚度的减小,轴承接触的侧面接触系数增加。内接触的真实接触面积大于外接触的真实接触面积。随着轴颈半径的增加,分形粗糙度、轴承孔平面布氏硬度、结合部虚拟材料厚度的减少,真实接触面积提高。对于固定的法向接触载荷,当分形维数由1.4增大至1.5时,真实接触面积随之增加;当分形维数由1.5增大至1.9时,真实接触面积随之减少。赫兹应力随着轴颈半径的增加而下降。内接触的赫兹应力小于外接触的赫兹应力。轴承内接触的法向接触刚度大于外接触的法向接触刚度。另外,随着法向接触载荷、分形维数、轴颈半径的增加,分形粗糙度、轴颈弹性模量、轴承长度、结合部虚拟材料厚度的减小,法向接触刚度增加。     

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。     

有限长线接触混合润滑特性研究

选择规则表面粗糙度分布,建立了有限长线接触混合润滑模型,数值模拟粗糙度幅值、波长、方位角和工况变化对润滑特性的影响。结果表明:建立的数学模型在较宽工况范围内具有良好的适应性;随着粗糙度波长增大,接触线中部首先发生润滑状态改变,说明增大粗糙度波长有益于改善润滑;随着粗糙度幅值增大,压力波动剧烈,边缘效应更加显著;工况变化对润滑状态影响明显,其中在润滑状态转换区域的润滑特征参数变化显著;随着粗糙度方位角的变化,润滑特征参数呈现周期性波动,当方位角为0°时润滑状态最佳,方位角为45°时润滑状态最差。     

滚珠直线导轨副分形磨损模型及精度退化研究

为研究滚珠直线导轨副磨损和精度损失规律,基于赫兹接触理论建立了滚珠直线导轨副力学模型。使用分形函数表征滚珠和滑块滚道接触区表面,并采用结构函数法求得滚道表面的分形参数。考虑滚珠和滑块滚道之间的润滑状态,在分形接触模型下对滚珠和滑块滚道接触区域的微分形表面进行了受力分析。基于粘着磨损理论分析了滚珠和滚道接触面微凸体的磨损过程,并在此基础上结合蠕滑理论建立了滚珠和滚道接触面的分形磨损模型。最后,以某型号滚珠直线导轨副为研究对象进行了仿真分析,得到不同载荷和不同跑合距离下滚珠直线导轨副磨损和精度退化规律。     

微动结合部的一次加载过程

根据赫兹弹性理论和分形几何理论,按照表面微凸体变形特点、表面微凸体承担法向接触载荷的光滑性与连续性条件,以及严格区分弹性变形与完全塑性变形,构建微动结合部的一种法向接触修正加载分形模型。给出Weierstrass-Mandelbrot分形函数不可微的条件。采取带随机相位Ausloos-Berman分形函数仿真各向异性非稳态三维随机表面形貌。提出表面微凸体法向弹性接触载荷与表面微凸体法向变形量之间的加载幂律关系形式,建立微动结合部两个微凸体之间互相影响的法向接触刚度的求导函数而非偏导函数计算方法。数字模拟结果显示:对于恒定的载荷,随着表面轮廓分形维数的增大,实际接触面积先增大后减小;实际接触面积随着法向接触载荷的增加而增加,但随着分形粗糙度的增加而减小;微动结合部法向接触刚度随着实际接触面积、法向接触载荷、相关因子和材料性能参数的增加而增加,但随着分形粗糙度的增加而减小;当表面轮廓分形维数较小时,微动结合部法向接触刚度随着表面轮廓分形维数从1变大而增加;当表面轮廓分形维数较大时,微动结合部法向接触刚度有时随着表面轮廓分形维数的增加逼近到2而减小。微动结合部法向接触修正加载分形模型的建立,可进一步分析微动两接触表面之间的卸载模型。     

切向加载、卸载和振荡强耦合下机床螺栓结合部之摩擦能量耗散机制

在保持微凸体受法向力恒定的状态下,侧重导出切向力和变形量的切向加载、切向卸载和切向振荡接触方程。当2个球形微凸体接触时,构建每循环中切向接触摩擦能量耗散力学模型。按照赫兹静力弹性法向接触理论,得到微凸体顶端曲率半径。根据微凸体分担法向力的光滑性与连续性法则,校正临界弹性变形微接触面积与临界变形量的数学表达式。面向有条件等式,在弹性和纯塑性变形基础上,建立整个结合部法向力与切向接触摩擦能量耗散的理论模型。以北京机电院高技术股份有限公司直线电机驱动Linear MC6000普莱诺五面体加工中心上的龙门横梁-导轨螺栓结合部为研究对象,分析法向预紧力、表面粗糙轮廓分形维数、切向力、分形粗糙度、相关因子、单轴向屈服应变及静摩擦因数等7个相对独立参数对切向接触摩擦能量耗散的影响规律。可视化的数值分析结果表明:切向接触摩擦能量耗散随着法向预紧力的增大先增大后减小;表面粗糙轮廓分形维数在较小范围内,切向接触摩擦能量耗散随着表面粗糙轮廓分形维数或分形粗糙度的增大而增大;表面粗糙轮廓分形维数在较大范围内,切向接触摩擦能量耗散随着表面粗糙轮廓分形维数或分形粗糙度的增加而减小;切向接触摩擦能量耗散随着切向力、相关因子、单轴向屈服应变的增加而加大;切向接触摩擦能量耗散随着静摩擦因数的增加而降低与经典结论完全相反,这是因为当静摩擦因数较大时,根据近代分形几何理论可知法向预紧力越大,微滑趋势将更小,导致较小切向接触摩擦能量耗散。     

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。     

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。     

高速轮轨水介质存在下的黏着特性数值研究

为了获得高速轮轨在水介质存在时的黏着特性,该文建立了三维轮轨间存在水介质时考虑表面粗糙度的轮轨黏着计算模型。该模型以部分弹流理论及弹性微观固体接触模型为基础,借助于多重网格作为数值计算工具。研究了水介质存在时列车运行速度、轴重及轮轨表面粗糙度对轮轨黏着系数的影响,并从数值角度揭示了其影响机理。计算结果表明,随着速度的提高,黏着系数逐渐降低;随着轴重的增大,黏着系数逐渐降低;适当地增加轮轨表面粗糙度有利于增加轮轨黏着特性。     

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。     

深沟球轴承运转过程动态特性有限元分析

综合考虑轴承径向载荷及转速的影响,应用ANSYS/LS-DYNA软件建立了深沟球轴承多体动力接触有限元模型;以显式动力学有限元法为基础,采用全积分单元算法控制沙漏,设置质量缩放系数缩减计算时间,对内圈施加不同转速时的深沟球轴承进行动力接触分析,得出了深沟球轴承运转过程的动态响应及滚动体的应力分布。滚动体的最大和最小线速度分别出现在与内、外圈接触点上,各转速下滚动体与内圈接触的应力基本相同,滚动体与外圈接触的应力随转速增高而相应增大,滚动体与外圈间接触力的波动大于内圈,而滚动体与保持架间的作用力较小。研究表明,ANSYS/LS-DYNA是分析轴承运转过程动力接触问题十分有效的工具。     

轮轨油污染黏着特性的研究

运用数值算法研究了轮轨在油污染时的黏着特性。以部分弹流理论为基础借助于多重网格作为数值计算工具建立了二维轮轨在油污染状态下考虑表面粗糙度的轮轨黏着计算模型。研究了在有油污染情况下轮轨间接触压力分布以及列车运行速度和接触压力对轮轨黏着系数的影响。给出了轮轨介质接触时的固体承载及液体动压分布。计算结果表明:随着速度的提高,黏着系数逐渐降低,最后基本上趋于稳定;随着接触压力的增大,黏着系数逐渐增大。     

The influence of surface roughness on the starved lubrication of ball bearings

Abstract

A theoretical analysis is made for starved lubrication of a rigid point contact under the influence of surface roughness. The results show that both the directional property and the standard deviation of the combined surface roughness can affect the load carrying capacity of the lubricant film as well as the friction on the solid surfaces. The combined effects of speed ratio of the contiguous surfaces and the roughness on starved lubrication are also obtained. The results show that the effects of surface roughness may improve the starvation a little, but that they are not remarkable. A regression equation is found for determining the critically starved lubricant inlet level. Such an inlet level can indicate the minimum limit of lubricant supplied quantity, and, beyond this limit, the load carrying capacity of the lubricant film will decrease sharply. In addition, experiments have been carried out to observe the starved lubrication of a ball rolling on a flat glass disc. It is shown that higher surface speeds may make the starved condition much worse.     

摆线针轮传动接触热弹流润滑特性

针对摆线针轮行星传动啮合过程中啮合齿面摩擦行为影响系统动态特性、传动效率及接触疲劳特性等问题,基于牛顿流体及指数率、Ree-Eyring模型建立摆线针轮线接触时变热弹流润滑数值分析模型,获得理想安装的摆线针轮副完整啮合周期内摩擦力、摩擦系数及摩擦损失功率变动。结果表明,基于牛顿流体及指数率流体模型所得摩擦系数与工程实际不符;基于Ree-Eyring模型纯滚动啮合产生的热效应在重载下对啮合过程中膜厚、摩擦损失功率影响较大,对压力、摩擦系数影响较小。研究非牛顿流体特征参数与摆线针轮传动设计参数对啮合中摩擦系数、摩擦损失功率影响规律表明,流体特征应力增加摩擦系数及损失功率均减小;短幅系数取较大值时大部分啮合区间摩擦系数增加、摩擦损失功率减小。     

直线滚动导轨的Hertz接触建模及接触刚度的理论求解

直线滚动导轨是数控机床的重要功能部件,对导轨系统进行解析建模可以有效分析导轨的特性参数对导轨力学性能的影响。该文基于Hertz接触原理,对直线滚动导轨进行了Hertz接触建模及接触刚度求解。首先,推导了导轨系统中单个滚珠-沟槽的接触刚度解析表达式。在此基础上,系统地分析了滑块与导轨之间的变形关系,完成了整个导轨的法向接触建模。最后,以NSK直线导轨为对象,分别求解了单个滚珠及4种预紧力等级作用下整个导轨系统的接触刚度,并绘制了载荷-弹性变形以及刚度-弹性变形之间的关系曲线。进一步,利用所创建的模型,分析了外载荷及预紧力对导轨接触刚度的影响。