球轴承启停过程的瞬态热混合润滑分析

建立了角接触球轴承的几何和数学模型,通过求解考虑了热效应和时变效应的Reynolds方程,对启动和制动过程中的球轴承瞬态热混合润滑问题进行了分析,考虑了不同加速度启动工况下的瞬态热混合润滑情况.结果表明:启动过程中,随转动速度的增大,最小膜厚增大,轴承逐渐由边界润滑进入弹流润滑状态;不同滑滚比下进入弹流润滑状态的时间有所不同,随着滑滚比的增大,进入弹流润滑的时刻有所推迟,轴承处于同一转速条件下的油膜厚度变小;随着转速的增大,油膜温度升高,最高油膜温度增长幅度减小;加速度的增大使边界润滑消失的时间提前,随着转速的增加,油膜温度增大,且在同一时刻加速度越大油膜温度越高;油膜减小过程中的挤压膜作用导致轴承制动过程中的油膜厚度大于启动过程中的油膜厚度;由于在相同转速下轴承在启动时处于边界润滑状态,而在制动时处于弹流润滑状态,润滑状态的不同导致制动过程中的最高油膜温度较启动过程较小.     

聚乙烯醇水凝胶/钛合金摩擦磨损特性的正交试验研究

利用冷冻-解冻法制备聚乙烯醇(PVA)水凝胶,运用正交试验法在球-盘摩擦磨损试验机上研究滑动速度、载荷和润滑状态对PVA水凝胶/钛合金摩擦副摩擦系数的影响及在不同载荷下的磨损性能.结果表明:滑动速度、载荷和润滑状态3种因素对PVA水凝胶/钛合金球摩擦副的摩擦系数影响显著程度由高到低依次为载荷＞滑动速度＞润滑状态;在干摩擦和水润滑状态下,摩擦系数变化甚微,平均摩擦系数随滑动速度的增加而下降,随着载荷增加而升高;当转速从110 r/min升至220 r/min时,平均摩擦系数从0.038降至0.031,降幅达19.4%;当载荷从5 N增至10 N时,平均摩擦系数从0.027增至0.042,增幅达51.8%;PVA水凝胶的磨损率随载荷增加而降低且载荷对磨损率影响的显著程度逐渐降低;当载荷从5 N增至10 N时,磨损率降幅高达2.6倍,当载荷从10 N增至15 N时,仅下降35%.     

运动黏度在FLC薄膜-白油固液复合润滑体系中的作用

利用直流等离子体沉积技术制备了含氢类富勒烯碳膜(FLC),在工业级白油润滑条件下考察了FLC薄膜润湿性、摩擦学特性和白油运动黏度对整个固液复合润滑体系的影响。研究结果表明:在5~150 mm~2/s的考察范围内,白油的运动黏度越小,其对FLC薄膜的润湿性越好;随着运动黏度的增大,白油分子量增加且分子链变长,在薄膜表面油膜吸附增强,油膜厚度增加,FLC薄膜摩擦系数逐渐减小,于32 mm~2/s时达到最小值(0.114),随着黏度进一步增大,过高的运动黏度增加了黏性阻力和摩擦阻力,FLC薄膜摩擦系数反而上升;同时,FLC薄膜的磨损率随黏度增大而减小,当黏度超过26 mm~2/s之后,变化幅度趋缓。     

双级孔含油轴承油压扩散与表面渗析特性分析

为探究含油轴承基体渗流及压力扩散对接触面间油膜润滑性能的影响，建立双级孔含油轴承系统的渗流润滑模型，研究轴承摩擦面上油膜分布规律与双级孔隙中压力扩散行为，分析摩擦副倾角与轴承表层渗透率变化对油膜润滑性能的影响.结果表明，流体动压力产生于摩擦界面的收敛区，并逐渐由摩擦界面向轴承基体扩散，在油压扩散过程中流体压力的作用面积增大，压力数值降低.油膜的润滑性能随倾角增大或表层渗透率减小而得到改善，相比单层含油轴承，具有致密表层的双级孔含油轴承具有较好的润滑性能.不同表层渗透率下，倾角对油膜摩擦系数的影响差异显著：在本文中计算参数下，当表层渗透率小于7×10^-15 m²时，油膜的摩擦系数随倾角增大而减小；当表层渗透率高于7×10^-15 m²时，油膜的摩擦系数随倾角增大而增大.倾角和表层渗透率影响含油轴承基体中的油液渗流和压力扩散行为，最终使油膜的润滑性能发生改变.研究工作为明晰含油轴承润滑机理提供一定理论依据.     

不同表面粗糙度的摩擦副润滑状态的 Stribeck曲线研究

利用Stribeck润滑曲线理论分析和薄膜润滑试验考察了不同表面粗糙度的钢球与圆盘点接触及钢滑块与圆盘面接触摩擦副的润滑状态，通过改变圆盘转速获得了包含薄膜润滑状态的Stribeck曲线．结果表明：在Stribeck曲线上可以划分出薄膜润滑状态，其位于摩擦系数谷底附近；薄膜润滑的产生及其区间大小同圆盘表面粗糙度密切相关；圆盘表面粗糙度较小时更易形成薄膜润滑状态，而圆盘表面粗糙度较大时薄膜润滑状态不明显；光滑表面对应的Stribeck曲线谷底较宽，相应的薄膜润滑区间亦较宽．     

平行运动的粗糙表面润滑承载性能研究

分析了微米级润滑膜条件下,光滑表面在静止粗糙表面上平行运动时的润滑状态及其承载机制,利用Reynolds流体润滑方程分析粗糙度对油膜压力、载荷及摩擦系数的影响,采用有限差分法计算在正弦和随机粗糙峰条件下油膜的压力分布曲面图,通过改变正弦粗糙度的峰高和波长分析油膜承载能力和摩擦系数随粗糙度变化的规律,同时分析了最小油膜厚度对润滑状态的影响.结果表明:两光滑平行运动的平面无法承载,而粗糙表面微粗糙峰的收敛楔形部分可以形成流体动压润滑膜并承受一定载荷;在给定最小油膜厚度的条件下,随着正弦波峰值增加,承载能力达到最大值后缓慢降低,摩擦系数达到最小值后缓慢增大;除了粗糙峰波长很小时摩擦系数很大以外,波长对摩擦系数的影响很小,而承载能力随波长以二次曲线变化并出现最大值;在给定粗糙度幅值条件下,当最小膜厚在1～100 μm时,随着最小油膜厚度的增加,承载能力减小,摩擦系数逐渐增大.     

黏度、极性及配副因素在DLC薄膜固液复合设计中的影响

本文中系统研究了类金刚石(Diamond-like carbon,简称DLC)固体润滑薄膜与一系列不同黏度的烷烃、醇类液体润滑介质的复合润滑性能,并深入探讨了介质黏度、极性及摩擦配副在固液复合设计中的影响规律.我们发现所用DLC薄膜在所考察润滑介质中均表现出较好的稳定性及亲和性,而摩擦行为则呈现较大的差异:在非极性烷烃化合物润滑环境下,DLC/DLC和钢/钢摩擦副的摩擦系数随介质黏度的增加改变不大,钢/DLC摩擦副的摩擦系数则随着介质黏度的升高而逐渐降低;在极性的醇类介质中,钢/钢摩擦副的摩擦系数随着介质黏度的增大先下降后急剧上升,而钢/DLC和DLC/DLC摩擦副的摩擦系数随介质黏度的升高而降低.总之,介质黏度、极性和摩擦配副对体系润滑行为有很大影响,在进行固液复合润滑体系设计时,需综合考虑三者的相互作用关系.     

氮化钛硬质薄膜在不同种类润滑油下的摩擦学性能研究

采用球-盘摩擦试验机分别考察了氮化钛硬质薄膜与轴承钢和氮化硅陶瓷组成的摩擦副在不同种类润滑油条件下的摩擦学性能,并表征了其磨痕表面形貌与元素成份.结果显示:与Ti N硬质薄膜干摩擦性能相比,润滑油可显著降低摩擦系数,延长磨损寿命,且具有较长烷基碳链的润滑油性能较优;当上试球材料不同时,其油润滑条件下的性能亦不同.相同润滑油条件下,氮化硅球作为摩擦副时,其润滑性能优于轴承钢球.磨痕表面形貌及能谱分析结果表明:具有较长烷基碳链的润滑油在摩擦副研磨滑动过程中起到油性剂的作用,而短碳链硅油分子结构中含有氯元素,虽通过摩擦化学反应生成边界润滑膜,但不完整致密,以致短时间内润滑失效.     

硬脂酸吸附对限量供油润滑影响的试验研究

在限量供油条件下利用球-环点接触油膜润滑测量系统对PAO10 (聚α-烯烃)和PAO10S (聚α-烯烃添加质量分数为0.2%硬脂酸)进行膜厚和摩擦系数的测量.结果表明：随卷吸速度增大,油膜厚度先升高后降低.对应膜厚转折点PAO10S具有比PAO10高的临界速度,相应地当卷吸速度高于PAO10的临界速度时,PAO10S的膜厚明显提高.摩擦系数随卷吸速度增加先下降后上升,供油量低时硬脂酸的吸附使得整体摩擦系数明显降低.硬脂酸的作用随供油量的增加而变弱.润滑效果的增强归因于硬脂酸吸附膜降低润滑轨道的表面能,润滑油因“反润湿”呈离散条状分布,在一定条件下有利于润滑轨道的自集油.     

CVD TiC—TiN复合涂层球／Pb基固体润滑盘摩擦学性能的研究

本文对球(包括CVD TiC-TiN复合涂层球和GCr15钢球)盘(包括纯Pb与Pb-Sn-Cu电刷镀层盘)滑动摩擦副进行了摩擦与磨损试验。结果表明,真空下的摩擦系数比大气下的低,涂层球的摩擦系数比钢球的低,Pb-Sn-Cu涂层盘的摩擦系数比Pb涂层盘的低。磨损表面的扫描电镜观测发现,在CVD涂层破裂区的后沿形成了固体润滑转移膜,这有助于降低摩擦和磨损。磨损表面的俄歇电子能谱分析表明,在油润滑及干摩擦下,盘的磨痕处仍有可起润滑作用的固体润滑膜存在。这种膜含有Fe元素,表明它是摩擦表面作用后产生的。     

不同滑滚比下润滑油膜流变特性试验观察与数值模拟

通过在原有的球-盘接触光干涉润滑油膜测量装置上增设摩擦力测量单元,实现了任意滑滚比下油膜厚度和摩擦系数的同步测量与润滑状态的直观识别. 采用FVA3参考油,分析了不同滑滚比、速度和载荷下的摩擦系数变化规律,并结合油膜干涉图明确了润滑状态与热效应机制,推断出摩擦系数曲面在较低速工况存在混合润滑区域;通过采用基于恢复时间的流变模型对FVA3油品的流变润滑进行数值模拟,并与同等工况下的试验结果进行定量对比,两者取得了良好的吻合性,验证了试验测量的准确性和流变模型的适用性.      

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。     

聚合物刷水润滑条件下水膜厚度和摩擦学行为的相关性研究

利用表面引发原子转移自由基聚合技术(SI-ARTP)在钢球和玻璃盘摩擦副表面分别接枝亲水性聚合物刷-聚甲基丙烯酸-3-磺酸丙酯钾盐(PSPMA),去离子水作为润滑剂,在球-盘式摩擦试验机和纳米级薄膜厚度测量装置上开展了其宏观摩擦学性能研究,探讨了流体动压效应介入下的聚合物刷水润滑机理. 利用光干涉技术观察了低卷吸速度下(4 mm/s)接触区域水膜分布情况,发现滚道两侧水膜的形状由初始状态的圆形随着时间逐渐沿着卷吸方向分布,证实了聚合物刷通过不断捕获周围的水分子形成了1层稳定的水膜;通过控制卷吸速度从1 mm/s连续增加512 mm/s实现了润滑状态的转变,低卷吸速度时处于薄膜润滑状态,膜厚不依赖于速度且稳定在35 nm左右,接触区内有效水膜的建立归功于聚合物刷的水合效应;当速度大于32 mm/s时处于弹流润滑状态,膜厚的测量值高于等黏弹膜厚公式的预测值(2~12 nm)和水合效应促成的膜厚值(约35 nm)之和,这意味着在流体动压润滑作用下聚合物刷表现出了优异的润滑增强作用, 是水合效应和流体动压效应协同作用的结果.      

粗糙度纹理对有限长线接触混合润滑影响

采用统一Reynolds方程建立有限长线接触混合润滑模型,研究横向、纵向和二维规则表面粗糙度的波长、幅值及工况变化对润滑影响.结果表明:波长、幅值与工况对三种表面粗糙度接触副的润滑影响类似;随着载荷增大,平均膜厚降低,摩擦系数、接触载荷比与接触面积比均增大;随着转速升高,平均膜厚增大,摩擦系数、接触载荷比与面积比均降低,其中摩擦系数随转速进一步增大而小幅升高.在润滑状态转换区域润滑特征参数变化显著,而其他润滑区域变化平缓.沿卷吸速度方向的压力与膜厚波动分布存在相位差,垂直方向则同相位;相同的工况和粗糙度参数时,纵向粗糙度分布更有利于接触润滑.     

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.     

谐波减速器柔性轴承混合润滑分析

以谐波减速器FB815型柔性球轴承为研究对象,基于赫兹接触理论和弹流润滑理论,建立了柔性球轴承的混合润滑数学模型,并对滚珠和内圈滚道的接触区进行了摩擦学性能分析.通过研究承载区滚珠在额定工况下的油膜厚度、压力、膜厚比等润滑参数,得到了危险点分布位置,并研究了载荷、转速、温度等因素对危险点润滑性能的影响.研究结果表明:在一定范围内,适当提高转速和降低温度能够有效减小疲劳点蚀,提高柔性轴承的可靠性和使用寿命.     

考虑动力学特性的航空发动机主轴球轴承热弹流分析

本文中以476728航空发动机主轴球轴承高速重载典型工况为算例,提出一种将轴承动力学分析和热弹流润滑分析相集成的数值算法,打破传统分析中二者在各自领域独立进行的局限性,提高了轴承数值计算的精确度.对比了传统拟动力学分析、集成分析和实验实测的最小膜厚,结果表明:集成分析结果与试验获得数据更为一致,证明本文的算法可行,能够更为准确地判断航空发动机主轴球轴承的润滑状态.探讨了航空发动机主轴球轴承结构参数曲率系数、初始接触角和滚动体数目对轴承接触应力、相对滑动速度、弹流润滑膜压力、膜厚和温度性能的影响,为航空发动机主轴球轴承的结构设计及优化提供重要理论依据.     

预紧方式对弹流润滑下角接触球轴承内部力学特性的影响

油膜厚度预测在评估弹流润滑(EHL)下角接触球轴承的性能和耐久性方面发挥着重要的作用. 耦合拟静力学理论和自旋下椭圆接触弹流模型,以干接触角接触球轴承拟静力学分析方法为基础,建立了定压和定位预紧方式下考虑弹流润滑和钢球自旋运动的角接触球轴承的拟静力学分析模型. 采用快速傅里叶变换(FFT)计算椭圆接触的弹性变形,运用Gauss-Seidel迭代方法求解Reynolds方程,得到自旋弹流模型的完全数值解,将其代入轴承拟静力学模型中迭代,得到轴承内部接触载荷、三维接触压力及三维膜厚分布. 对采用不同预紧方式的SKF7210型角接触球轴承进行分析,结果表明:富油润滑下,当轴承转速从0增大到15 000 r/min时,定压预紧时内圈轴向位移减小17.83%,而定位预紧时内圈承受的轴向载荷增大23.17%;定压预紧方式下球与内外滚道间膜厚均略大于定位预紧. 此外,不同预紧方式下,外圈上的中心膜厚大于内圈10%. 与干接触相比,定压下考虑弹流润滑内圈上接触载荷略大0.64%.