变速点、线接触副弹流润滑油膜的观测

应用光干涉方法,在自制的光弹流试验机上分别对纯滚动条件下点接触和线接触形成的弹流油膜进行变卷吸速度实验,并进行油膜测量。结果表明,在卷吸速度为零时都有封油现象的出现。随着卷吸速度的增加,油膜厚度增加,点接触形成的弹流油膜具有典型的马蹄形特征,线接触形成的弹流油膜在接触区端部有类似点接触的马蹄形收缩。要达到同样的最大赫兹接触压力,施加在线接触实验上的载荷要比施加在点接触实验上的载荷大40倍左右。     

定量供油条件下面接触油膜润滑特性的数值分析

建立定量供油条件下的面接触流体润滑理论模型,数值分析面接触副的膜厚-速度特性以及各工况参数对接触区润滑的影响。研究结果表明:供油量一定时,乏油现象会在某个卷吸速度下出现,并随卷吸速度增加逐渐恶化,而出口膜厚则随着卷吸速度的增加先增加后逐渐达到稳定,且其值接近于供油膜厚,与实验的结果具有良好一致性;供油量越小,或润滑油黏度越大,出口膜厚随卷吸速度的改变量越小。     

卷吸速度为任意方向的椭圆接触弹流润滑分析

以往的点接触弹流润滑研究往往局限于分析卷吸速度方向与接触椭圆短轴相重合的工况。但在实际工程问题中,有时卷吸速率方向与接触椭圆长轴相重合,有时卷吸速度方向与接触椭圆的对称轴成一夹角,针对这一问题,本文提出了一种独特的解决方法,压力和膜厚分析分别采用多重网格和多重网格积分法,无论卷吸速度的方向如何,总让Ｘ轴与速度方向一致,而Ｙ方向速度永远等于０。这样任意卷吸速度方向的工况和卷吸速度与接触椭圆短轴相重合     

线接触零卷吸弹流条件下的急停分析

对滚珠丝杠、滚珠蜗杆、无保持架滚柱轴承中常见的零卷吸状态下的急停问题进行热弹性流体动力润滑模拟;采用不同的初始零卷吸表面速度和急停时间,探讨线接触零卷吸条件下发生急停时油膜压力、膜厚和温升的变化。结果表明：相同急停时间下,中心压力和中心膜厚在急停过程中逐渐增大,随初始零卷吸表面速度的增加而轻微减小;初始零卷吸表面速度相同时,中心压力和中心膜厚均随急停时间的增加而逐渐增加;油膜的温度峰在急停前期缓慢下降,而在急停后期急剧下降。零卷吸工况下的急停会造成运动过程中接触区中心压力的急剧增加,会导致两接触固体间的应力远超过材料的屈服极限,使两接触表面会发生塑性变形,造成表面损伤。     

重载变速工况下弹流润滑的实验研究

为了揭示重载变速工况下的弹流润滑特性,在自行开发的光干涉弹流实验装置上,开展了相关的实验研究。实验主要针对钢球点接触,在重载(0.83GPa)和超重载(1.44GPa)两种载荷和变卷吸速度工况条件下,对弹流油膜进行了测量,获得了有效的实验数据。结果表明:重载和超重载条件下形成的弹流油膜都具有马蹄形特征。但超重载的没有重载的马蹄形特征明显。卷吸速度为零时有明显的封油现象,随着卷吸速度的增加,由卷吸速度产生的流体效应使得膜厚增加。另外,在进行超重载实验时,随着实验时间的延长,镀铬膜玻璃表面会有较多划痕,甚至出现玻璃表面被压溃的现象。     

具有中央凸起的点接触弹流润滑特性研究

建立具有中央凸起的点接触弹流润滑控制方程,并采用多重网格法及多重网格积分法进行数值求解;比较有凸起表面和光滑表面下的压力及膜厚曲线,讨论载荷及卷吸速度对压力分布及油膜形状的影响。结果表明：具有中央凸起时在接触中心附近,压力经历了急剧升高、骤然下降、再升高的一个波动过程;最小膜厚出现在接触中心,且接触中心前面产生了一个凹陷;增大卷吸速度或减小载荷都使得膜厚曲线整体升高,最小膜厚随着卷吸速度的增大而增大,载荷几乎不影响最小膜厚;载荷增大使得最大压力增大,但中心局部压力波动范围变化很小;增大卷吸速度使得最大压力和中心局部压力波动范围都减小。     

多工况滚子摩擦副弹流润滑实验装置的设计

为了更好地观测滚子摩擦副在不同卷吸速度下的弹流润滑现象,开展有限长线接触弹流润滑油膜成膜机制的实验研究,对原有的线接触光干涉实验装置进行改进,将原有的曲柄滑块机构设计成丝杠推杆,从而将旋转运动转变成直线运动。实验表明:改进后的实验装置可以有效地实现滚子卷吸运动速度大小和运动规律的变化,可以观测到非常清晰的油膜干涉图像,在滚子接触区域油膜呈现出较为明显的弹流特征,可为线接触弹流的理论研究提供可靠的实验数据。在改进后的实验装置上,对滚子在突然加速的工况下进行了实验研究,由于步进电机的特点,在突然加速的瞬间有极短的停顿,导致挤压效应较为明显,油膜被封在滚子的接触区域内形成凹陷,出现封油现象,当滚子卷吸速度增加时,油膜厚度也会随之增加。     

变卷吸速度的点接触热弹流润滑分析

非稳态热弹流润滑一直是研究的热点和难点,针对变卷吸速度的点接触热弹性流体动力润滑问题,利用多重网格积分法,得到变卷吸速度的点接触热弹性流体动力润滑完全数值解。结果表明:卷吸速度的变化会引起油膜压力、膜厚和温度的变化;当卷吸速度变化到一定值时,在接触区会产生油膜的凹陷;凹陷的产生可用“温度-粘度楔”机制解释。     

界面滑移条件下弹流油膜的试验观察

在极低速纯滑动条件下完成高粘度聚丁烯弹流油膜的光干涉测量试验,观察到明显的油膜入口凹陷现象。试验结果表明,入口凹陷的深度随载荷的增加而增加,随卷吸速度的增加存在一个极大值。试验中润滑剂的粘度越高,入口凹陷越容易出现。纯滑动条件下,油膜厚度对速度和载荷的依赖关系明显偏离了经典的弹流理论。试验中观察到的入口凹陷证明了已有入口凹陷弹流数值分析的正确性。     

表面粗糙对乏油条件下非牛顿点接触热薄膜润滑的影响

假设运动表面为光滑表面,静止表面上有一个垂直于卷吸速度方向的横向划痕,采用Ree-Eying本构关系求解表面单一粗糙对纯滑动点接触热薄膜润滑的影响,分析处于接触区中心的表面划痕在不同的乏油程度下对油膜压力、膜厚及温度的影响。结果表明:在乏油条件下,处于静止表面上接触中心的横向划痕前后的压力和温度都有尖锐的升高,且这种升高幅度随乏油程度的严重而增加;在乏油条件下,表面粗糙的存在更不利于润滑,易于造成润滑失效。     

等温条件下非牛顿流体的弹流特性分析

为研究弹流润滑的非牛顿效应,对稳态和时变条件下等温点接触牛顿流体与非牛顿流体的弹流特性差异进行分析。假设润滑剂为Ree-Eyring非牛顿流体,研究卷吸速度、滑滚比、最大赫兹接触压力以及特征剪应力对弹流润滑性能的影响,分析时变条件下非牛顿流体的弹流特性,并与牛顿流体进行比较。结果表明,等温、轻载工况下,速度的增加导致牛顿流体产生较为尖锐的第二压力峰,导致非牛顿流体的接触区入口膜厚增加,且滑滚比越大增加越明显;高速、大滑滚比条件下,载荷越轻非牛顿效应越明显;时变条件下,速度波动对牛顿流体和非牛顿流体都产生较大影响,非牛顿流体的第二压力峰在各个瞬时始终小于牛顿流体。因此,等温点接触弹流润滑条件下,动态效应和非牛顿效应不应忽视。     

卷吸速度为任意方向的椭圆接触弹流润滑复合迭代解法

在重载情况下,卷吸速度为任意方向的椭圆接触弹流润滑问题,目前尚无高效稳定的数值求解算法。针对这一难题,提出将复合迭代解法思想应用于此类问题的求解。建立此类问题Reynolds方程的离散格式,运用Gauss~Seidel迭代方法求解方程组,采用快速傅里叶变换(Fast Fourier transform,FFT)算法计算点接触弹性变形,最后得到卷吸速度为任意方向的椭圆接触弹流润滑问题的完全数值解,并分别对轻载和重载问题进行算例分析。结果表明:在轻载情况下,油膜分布与前人的研究成果具有很好的一致性;在重载条件下,该算法很成功地求解出卷吸速度为任意方向的椭圆接触弹流润滑问题,随着卷吸速度与椭圆短轴夹角的增大,中心膜厚和最小膜厚都将减小,油膜形状将由对称于x轴逐渐变成对称y轴。     

零卷吸点接触热弹流润滑的反常现象分析

应用Ree-Eyring流体，求得了零卷吸工况点接触热弹流润滑的完全数值解，分析了凹陷深度随表面速度的变化规律。结果表明，在低速工况下，Ree-Eyring非牛顿流体模型能更合理地解释此种润滑现象的特征，固体内沿X、Y方向的热传导不容忽视。     

零卷吸条件下滚子摩擦副弹流特性的实验研究

采用线接触光弹流实验装置,在摆动工况下研究滚子在零卷吸速度条件下的弹流特性,探讨不同周期同一载荷下滚子摩擦副在零卷吸速度时油膜厚度的变化情况,以及载荷对零卷吸速度下滚子弹流特性的影响。结果表明:在滚子转速近零卷吸速度时,挤压效应起主导作用,油膜被封在接触区内,形成凹陷,并且该处油膜较为稀薄;在往复运动工况下,滚子周期性运动的次数影响零卷吸速度时滚子的油膜厚度,在起动瞬间滚子中部的油膜厚度最小,随着摆动次数的增加,滚子中部的油膜厚度逐渐增加,多次摆动后,油膜将达到相对稳定的厚度;载荷对滚子零卷吸速度下的弹流特性影响较大,随载荷的增大接触区增大,滚子端部最小油膜厚度变小,滚子端部边缘效应增大。     

等温点接触弹流的润滑特性研究

针对改善点接触高副接触零件润滑状况的现实问题,对赫兹接触区内的润滑油膜进行了研究。耦合了接触力学和流体动力润滑方程,采用多重网格法,使用Fortran语言编程求解,对等温点接触弹流润滑方程组进行了数值计算,从而得到了不同椭圆率Ke、载荷w、卷吸速度u和粘度η_0等参数影响下的膜厚和压力变化曲线;通过研究膜厚和压力变化过程中最小膜厚和二次压力峰的位置,以及膜厚和压力的变化程度,得到了影响赫兹接触区内油膜变化规律的因素,并进行了分析和阐述。研究结果表明:接触椭圆随着椭圆率、载荷、卷吸速度和粘度等参数的改变而发生变化,接触椭圆的改变不同程度上影响着润滑油的膜厚和压力;在一定范围内增大椭圆率、卷吸速度和粘度及减小载荷,有利于改善润滑性能。     

界面滑移条件下点接触Stribeck曲线的实验研究

采用高黏度聚异丁烯润滑油,在光学弹流实验机上考察球-盘接触纯滑条件下的摩擦因数随卷吸速度和载荷的变化。结果表明,随着卷吸速度的增加,球-盘接触副进入弹流润滑并向流体动压润滑转变的过程中,摩擦因数并不像传统的Stribeck曲线一样,随着卷吸速度的增加而单调增加,而是呈现先上升、后下降、再上升的趋势,其中摩擦因数下降时的起始速度大致为凹陷出现的速度,摩擦因数再上升时的速度大致是润滑进入动压润滑的速度。初步论证界面滑移为产生上述波动的主要原因。     

微量润滑供给下润滑材料迁移特性的试验研究

通过对微量润滑下油池轮廓的研究,探讨了围绕点接触区内润滑材料的迁移特性。以钢球与玻璃盘为摩擦配副,通过微量注射器将不同供给量的润滑材料注入到点接触区内,采用荧光技术研究其油池的变化规律。结果表明,围绕点接触区内始终存在一个封闭油池。随着卷吸速度的增大,微量供油下油池经历圆形、扁圆形、两个瓣膜、入口处凹陷等变化,而充足供油下油池仅经历圆形和扁圆形的变化;减速时油池与加速时油池呈非对称变化;油池产生瓣膜的临界速度与润滑材料的供给量成正相关。油池的形状反映了围绕点接触区润滑材料的迁移特性,与润滑材料的供给量、卷吸速度、表面张力和离心力等因素有关。      

异向卷吸作用下润滑剂回填增强效应试验研究

试验研究了异向卷吸作用对润滑剂回填增强效应和成膜特性的影响。采用球-盘点接触光干涉油膜测量仪,通过控制钢球运动方向产生卷吸速度与滑动速度呈夹角的异向卷吸作用。试验发现,限量供油条件下异向卷吸与同向卷吸相比,接触区入口供油状态得到明显改善,其特征是在入口区产生了与经典乏油工况不同的充盈油池,该油池的出现使油膜厚度接近于充分供油下油膜厚度。试验观察了不同角度、速度、供油量和黏度下的入口油池外形及非对称性油膜特征。接触副表面上侧带与滚道重叠并被卷吸到入口区,是入口油池形成的主要机制;热黏度楔效应是诱发油膜外形非对称性的原因;入口剪切热、侧泄、接触区热量向入口区迁移和剪稀效应,是润滑油膜厚度随角度减小的原因。试验结果表明,将经典的乏油边界条件应用于异向卷吸工况具有局限性。     

基于电容法与光干涉法相结合的油膜测量方法

通过将电容法膜厚测量仪耦合在球-盘点接触光干涉试验台上,搭建油膜厚度测量装置。通过对目标球-盘接触副采取合理的导电措施以及台架绝缘设施来保证润滑油膜电信号的提取,该装置可实现相同工况下膜厚度值及其相应的电信号(如油膜分压值和电容值)。在纯滚动接触情况下,分别对油润滑和脂润滑下的油膜进行测量,得到光干涉膜厚、油膜分压值和电容值随随卷吸速度的变化规律,并分析接触副电容随膜厚的变化。结果显示,随卷吸速度的增加光干涉膜厚升高而油膜分压值和电容值减小,电容值随着膜厚的增加而逐渐降低。实验结果初步验证了该测量系统的可行性,可为后续实际接触副内润滑状态的评估提供方案。     

面向典型工况的四点接触球轴承接触状态分析

四点接触球轴承在实际服役环境下易出现三点、四点接触现象，复杂时变的接触特征导致其建模分析及试验研究的难度较大。首先，建立四点接触球轴承力学模型，对其接触受力及运动状态进行分析；然后，利用刚体动力学分析轴承各零件之间的瞬态几何关系；最后，利用赫兹接触和润滑理论建立力学模型，通过GSTIFF I3求解器获取轴承组件在各个时刻相互之间作用所产生的状态信息，从而得到四点接触球轴承的多点接触特征。基于上述模型开展了转速、径向载荷等工况参数对四点接触球轴承动态接触的影响分析，结果表明：当转速较高时，轴承在离心力的作用下容易出现三点接触现象，副接触对的接触力随着转速的提高而逐渐增加；当径向载荷与轴向载荷比值增加到一定程度时，轴承易出现四点接触现象。