轴承内部润滑油分布及回流的试验观察与研究

润滑是轴承良好工作性能和长寿命的重要保证，而球-滚道接触区外润滑油层的分布直接决定了接触区内润滑油膜的形成. 本文作者搭建了基于轴承模型的试验台，将轴承外圈替换成玻璃环，从而利用光学方法实现对钢球与外圈滚道形成的接触区及其附近润滑油层分布的直接观测和测量. 本文作者重点探究了供油量、速度等工况参数和润滑油黏度等物化特性对接触区附近润滑油分布和回流的影响规律，结果表明气穴变化与回流特征均受供油量、速度和润滑油黏度影响.      

固体表面润湿性对滑块-盘接触润滑供油的影响

基于荧光技术，研究了固体表面润湿性对滑块-盘面接触供油的影响. 试验中以静止滑块和旋转玻璃盘构成摩擦副，润滑油围绕该面接触区构成一个供油油池. 结果表明:充分供油条件下，滑块表面的润湿性影响油池润滑剂的分布，但仍能保证接触区润滑剂的充分供给. 限量供油条件下，接触区外滑块表面润湿性影响了油池分布以及入口润滑剂的供给，低润湿性加剧接触区乏油程度，直接导致膜厚的降低. 润滑剂的高表面张力及在盘表面的低粘附都会改善润滑剂在润滑轨道上的回流；润滑剂在盘表面的反润湿现象导致了离散分布的微液滴，对润滑轨道上的回流和润滑油膜的形成起到了正面作用.      

定量供油下近接触区油池形态试验观察

采用球-盘点接触光干涉润滑油膜测量装置,观察了纯滚条件下近接触区油池形态随供油量和卷吸速度的变化过程. 结果表明,油池在低速、中速和高速下分别呈现出闭合态、半开放态和分离态3种状态. 闭合态油池内气穴长度随卷吸速度增加而增加,且存在使尾部油池分离的临界速度. 气穴区表面张力作用使气穴长度预测值和测量值出现差别;卷吸作用和压差作用是油池变形的原因;供油量和卷吸速度决定了润滑剂的供-失平衡态,影响了油池侧宽的变化趋势.      

球盘点接触区外润滑油分布的试验研究

利用激光激发荧光技术对球-盘弹流接触区附近以及自由表面上的润滑油分布进行了试验观察,探究了离心力作用下接触区附近以及自由表面上润滑油分布的变化规律. 结果表明:随着速度增大,内外两侧油池及自由表面上的油量分布均有所减少,其中外侧油池及自由表面上外侧油带的变化较明显;在一定工况条件下,外侧油池的大小存在极限,因此速度较大时外侧油池宽度对供油量变化不显著,而该极限由离心力作用和毛细力作用共同决定;在离心力作用下,自由表面上的油带有向外侧铺展的趋势,而接触区周围的油池分布对自由表面上的油带分布起决定作用.      

考虑滚道表面油层分布的滚动轴承润滑分析

研究表明供油量对弹流润滑性能产生显著影响.滚动轴承中由于离心力和滚动体的反复滚压,滚道表面上的润滑剂呈现出非均匀分布的特点.大多数润滑剂被推挤到滚道的两侧,致使接触区的入口间隙不能被完全充满,导致乏油润滑,滚动体与滚道间接触压力接近于赫兹压力分布,膜厚较全膜润滑有明显的减小.本文基于润滑剂的流量连续建立滚道表面油层厚度分布模型,考虑润滑接触压力的影响,计算滚道上的侧流量以预测轴承滚道上补给油层厚度及形状随时间的变化规律;进而以此作为滚动体和滚道接触区的入口油层厚度,采用统一Reynolds方程法数值模拟计算每个时刻轴承滚道与滚动体之间的润滑油膜厚度,压力分布等参数,分析轴承在点接触乏油条件下运行的润滑性能.     

低速下润滑接触区补充供油机制的研究

在滚动轴承运行的过程中,滚道上的润滑剂在滚动体的反复碾压下,厚度不断减小,轴承最终进入乏油润滑状态.为了解释长期工作在乏油条件下的轴承依旧能够保持较长时间的良好工作状态,有必要研究在轴承中是否存在某种自发的补充供油机制.本文作者基于球盘接触模型,分别考虑毛细力和分离压力在润滑油迁移过程中的作用,建立赫兹接触区附近油层分布模型,并以此修正弹流计算中的入口供油条件,采用统一Reynolds方程法计算在静止或低速条件下的润滑油膜厚度和压力分布,研究毛细力和分离压力的补充供油机制对润滑条件的改善作用.     

供油温度对润滑状态影响的试验观察与数值模拟

采用球-盘点接触光干涉润滑油膜测量装置,观察了不同供油温度下的接触区润滑状态.结果表明,随着供油温度的升高,润滑油黏度降低,润滑油成膜能力整体下降,接触区润滑状态在较大速度范围内处于边界润滑和混合润滑区间;温度升高还将导致膜厚曲线斜率增大,壁面温差是其诱因,通过数值模拟证实了壁面温差的影响;速度增加使接触区润滑状态向等黏度-刚性区间转化;温度和载荷使接触区润滑状态趋向于压黏-弹性区间.系统散热也会对油膜厚度产生影响.     

定量定时供油方式下润滑剂分布及润滑状态试验观察

采用球-盘点接触光干涉润滑油膜测量仪，观察定时定量供油方式下润滑剂分布状态和接触区润滑状态.结果表明，相对于以往的油滴单次定量供油方式，定时定量供油可有效改善接触区润滑状态，并分析其内在机制.供油时间是主要影响因素，在供-失平衡状态下供油间隔和卷吸速度对润滑状态的影响较弱.试验还观察到当供油位置偏离滚道中心时，润滑剂的回填量降低，润滑状态变差.     

微油滴供油条件下弹流润滑行为的数值分析

油气润滑条件下润滑油以微油滴形式供给摩擦副,基于此建立了简化的单个微油滴供油弹流润滑模型,模拟了微油滴通过弹流接触区的全过程.结果表明:卷吸速度和润滑油黏度会影响微油滴的扩展距离,进而使接触区油膜的形成产生差异.卷吸速度越高,或润滑油黏度越大,微油滴的扩展距离就会越小,油膜仅在接触区中部区域产生,微油滴类似硬质颗粒般在接触表面挤压出凹坑穿过接触区.理论结果和实验结果对比,具有良好的一致性.     

RV减速器主支撑角接触球轴承混合润滑分析

针对RV减速器角接触球轴承承受预紧力、轴向力和径向力等联合外载荷作用的工况,分析得出了内、外圈滚道接触界面的接触区几何参数和接触载荷.在此基础上,综合考虑了角接触球轴承的接触区宏观几何、接触载荷、真实表面粗糙度、瞬态效应等因素,建立了角接触球轴承混合润滑数学模型,分析了在不同工况下角接触轴承的润滑状况及表面以下应力分布.结果表明:随着载荷的不断增加,钢球与内圈沟道之间的油膜厚度会不断减少,导致干接触面积迅速扩大,接触点表面以下最大应力增大;转速的增加会使油膜变厚,干接触面积缩小.该结果对角接触球轴承的实际工程应用具有重要借鉴意义.     

定量供油下球-环/球-盘接触形式润滑特性对比

采用球-环接触和球-盘接触形式的光干涉润滑油膜测量仪,在定量供油条件下观察两种接触形式下的不同润滑特性,分析了润滑差异性的内在机制. 结果显示:在低速条件下球-盘接触膜厚始终高于球-环接触膜厚,由接触几何特性差异导致的不同动压效应、侧泄效应和润滑剂流动是其主要原因;在高速条件下球-盘接触形式易出现入口乏油,而球-环接触在整个测试速度范围内未出现乏油,不同的离心力作用方向是导致这种差异的诱因. 试验还观察与分析了黏度对两种接触方式下润滑特性的影响:低速条件下,高黏度润滑剂易导致球-环接触出现乏油;高速条件下,高黏度润滑剂能够推迟球-盘接触时乏油状态的出现.      

微量第二润滑介质辅助的增强水润滑研究

研究了一种微量第二润滑介质辅助的增强水润滑方案. 在水润滑环境下,测量了丁腈橡胶块-不锈钢环接触入口区短时(10 s)注入微量乳化油(100 μL)时的摩擦力特性. 结果表明:在试验工况下短时注入微量乳化油降低了橡胶块磨损. 低速时,摩擦副处于混合润滑状态,短时注入的乳化油减摩效果明显;速度升高时,短时注入的乳化油使轴承特性系数增加,会引起摩擦力增加. 此外,在水环境下利用线接触光干涉技术揭示了乳化油以离水展着的方式形成承载润滑膜. 研究工作为应对短时恶劣工况下的水润滑失效提供新的思路,为水环境下微量乳化油的辅助润滑调控提供数据支持.      

含油轴承表面供油行为与自润滑机理分析

含油轴承是一类重要的减摩自润滑零件,轴承基体中油液的渗流特性对表面润滑性能有重要影响. 建立含油轴承孔隙渗流与表面油膜润滑的耦合力学模型,分析含油轴承系统中油液的渗流特性,探讨轴承表面油液的供油行为与自润滑机理. 结果表明:在含油轴承的收敛区内同时存在周向旋转流、径向伸缩流和法向渗析流,油液在各方向上的流动状况由该向流体压力梯度决定;受油膜压力影响,油液在接触区向多孔基体渗入,在接触区入口部位向多孔表面析出,由此构成了油液渗入和析出的闭环速度流线,增强摩擦界面间的泵吸效应. 油液在法向上的渗析速度随中心膜厚增加而减小,随转速升高而增大,渗析速度越大,对泵吸效应的增强作用越显著,接触区入口的油液也更易进入摩擦界面,保障含油轴承的良好自润滑效果. 研究结果对揭示含油轴承的供油自润滑机理具有重要意义.      

空间扫描电机油润滑轴承寿命试验验证

为验证红外地球敏感器扫描电机轴承油润滑设计寿命是否满足5年的指标要求. 首先，通过理论计算扫描电机轴承润滑油初始油量能否满足电机运行寿命需求. 其次，通过扫描电机1:1地面寿命试验验证此油润滑方式的可靠性，寿命试验结束后对滚动轴承进行了显微观测，并对轴承进行了剖解分析. 扫描电机在寿命试验期间运转正常，常温条件下电机电流稳定在20~40 mA，扫描电机累计运转时间已超过8年. 轴承显微分析结果表明:内、外圈滚道和滚珠表面状态良好，轴承内圈运动副表面的面粗糙度从0.416 μm变化为0.512 μm，无明显点蚀、磨损现象产生，润滑状态良好. 扫描电机寿命试验结果验证了含油保持架外加储油器供油的油润滑方式可满足电机轴承5年寿命要求，为其他处于边界润滑工况下的空间运动部件长寿命设计提供参考依据.      

高压微间隙下4010航空油的润滑特性研究

在自制的新型膜厚测量仪上,测量4010航空油在不同接触压力、温度和卷吸速度下的干涉图像,分析接触区的润滑特性。结果表明：在低温高速区主要表现为弹流润滑,中心膜厚与接触压力呈负相关;而在低温低速、高温区主要表现为薄膜润滑,中心膜厚受接触压力的影响较小。在弹流润滑区内高接触压力下油膜形状呈平坦状分布,而薄膜润滑区内油膜形状总体上比较平滑。随着载荷的增加,弹流润滑区内由Hamrock-Dowson理论算得的膜厚值和实测值逐渐偏离,理论公式中卷吸速度和载荷的指数需要调整;而薄膜润滑区的膜厚值基本上保持平稳。     

条状润湿表面对面接触限量润滑油膜的影响研究

利用面接触油膜润滑测量系统，研究了条状润湿表面对有限量供油条件下入口区供油分布及润滑油膜厚度的影响. 对玻璃盘润滑轨道两侧进行疏油化处理，形成中央条状润湿区域，在有限量供油条件下测量不同速度下的油膜厚度. 结果表明在表面力驱动下，润滑油向中央条状亲油区域集中，改善了入口区供油，促进了限量供油条件下的油膜形成. 相对油膜厚度随速度的增加呈“S”型变化，同时研究了润滑油黏度及供油量等工作参数对条状润湿轨道作用的影响.      

4106航空润滑油拖动特性研究

采用高速球-盘式拖动力试验装置测定了4106航空润滑油在不同载荷、滚动速度、入口油温及滑滚比下的拖动系数,分析了润滑油的拖动特性,建立了拖动系数的简单计算公式.结果表明:4106航空润滑油的拖动系数随着载荷变化出现转折;在高速和高压条件下,4106航空润滑油呈现非牛顿特性;当入口油温较低时润滑油的热效应较显著;随着载荷增大,入口油温和滚动速度对拖动系数的影响减小;理论计算结果同实测值吻合良好.