如前所述,摩擦学是研究相对运动表面之间相互运动的有关理论与实践的一门科学技术,它是研究相对运动表面摩擦、磨损和润滑三者相互关联的科学与技术总称。润滑是摩擦学研究的重要内容。润滑就是用润滑剂减少承载表面之间的摩擦和磨损或其它形式的表面破坏。
润滑剂可以是气体、液体或固体,总之是加入到两个相对运动表面之间,能减少其摩擦和磨损的任何物质。使用润滑剂主要作用是把静摩擦和动摩擦减小到最小和防止磨损。润滑剂的其他作用还有:
1)控制摩擦在摩擦副之间加入润滑剂,形成润滑膜,使外摩擦变为内摩擦,从而降低摩擦因数,减少摩擦阻力,减少功率消耗。
(2)减少磨损润滑剂在摩擦表面间,可以减少磨料磨损、表面锈蚀、金属间的咬合与表面撕脱等造成的磨损。
(3)降低温度润滑剂能够降低摩擦因数、减少摩擦热的产生,可以吸热、传热、散热。起到降温冷却作用,使机械在正常温度下工作。
(4)防止腐蚀润滑剂一般均对金属无腐蚀作用,能隔绝潮湿空气中水分及有害物质侵蚀,保护金属表面免受腐蚀。
(5)冲洗作用润滑剂在润滑过程中的不断流动,可把摩擦表面间的磨粒带走,减少磨料磨损。
(6)密封作用润滑剂不但能起到减摩耐磨作用,还能增强密封效果,使其在运转中提高工作效率,可防止水、杂质侵人。
(7)减少振动润滑剂能使机械能转变为液压能,减缓冲击,吸收噪声与振动。
在1900—2023年间德国学者斯特里贝克( stribeck)曾经对滚动轴承与滑动轴承的摩擦进行试验,**运动速度、法向载荷和润滑剂的黏度等参数与摩擦系数之间的关系,并绘制了描绘著名的斯特里贝克( stribeck)曲线(如图1 所示),stribeck用摩擦系数作纵坐标,以为横坐标来说明几种润滑方式。利用这条曲线可将润滑状态划分为三种主要类型:
图1 斯特里贝克曲线与润滑类型。
1)流体动压润滑;
2) 弹性流体润滑。
3)混合润滑(或称半液膜润滑);
4)边界润滑(或称薄膜润滑)。
由此曲线可知,润滑类型随着转速、载荷和润滑剂黏度的变化而变化,可以从一种润滑状态转变到另一种润滑状态。
除了这种分类方法以外,还可按润滑介质分类:
1.气体润滑。
2.液体润滑。相互摩擦表面可以由一层具有一定厚度的黏性液体完全分开,由液体的压力平衡外载荷,流体及摩擦面间可以自由移动,称为液体润滑。
3.固体润滑。利用本身具有良好减磨性和耐磨性的固体材料,在两个相互作用的相对运动表面间起润滑作用,减少摩擦与磨损。
随着摩擦学理论和技术的发展,目前润滑领域的研究趋势是:流体润滑理论已由经典润滑理论发展到工程流体润滑理论、纳米薄膜润滑理论;润滑性能由静特性到动特性、稳定性、且动特性由线性到非线性;运行工况由一般工况到极端工况;润滑介质由一般润滑剂到特种介质。随着上述润滑研究的深化、拓展,不仅对润滑维护提出了高的要求,也使传统的润滑管理越来越不能适应当前工业生产的需求,为此寻求更有效的管理方式,开发相应的润滑专家系统,已日益为人们关注。
依靠运动副两个滑动表面的形状,在相对运动时产生收敛型油楔,形成具有足够压力的流体膜,从而将两个表面分隔开,这种润滑状态称为流体动压润滑。
流体动压润滑系统主要有如下两个特性:
1)运动阻力主要来自流体的“内摩擦”;
2)两个滑动表面的几何形状在相对运动时产生收敛型油楔,形成足够的承载压力,从而将两个表面隔开,降低摩擦与磨损。
滑动轴承中连续油膜形成的过程如图2所示。
图2 滑动轴承中连续油膜的形成。
a)轴处于静止状态位置 b)轴开始缓慢移动时的位置
c)转速增大,但油膜中的压力尚不足以支持负荷时轴的位置
d)油膜中压力与轴上负荷平衡,轴和轴承表面完全被油膜隔开的位置。
加有负荷的轴承,在静止状态下轴与轴承的表面间在h点(图a)发生金属的直接接触。开始转动时,由于表面的摩擦作用,轴爬向轴承的左上方,接触位置移到m点(图b).这时的油膜可分为两部分来看,**段ml上方的是收敛形油膜,在ml下方的是扩散形油膜。由于润滑油的粘附性很强,轴旋转时,就将润滑油携带进轴与轴承的缝隙间,润滑油就象一个楔子一样嵌进轴与轴承当中,使轴与轴承间形成一连续的油膜,这种作用称为“油楔”作用.润滑油被旋转的轴携带进两表面时,由于间隙是收敛形的,随着间隙的缩小,润滑油的压力增大。
也就是说在收敛形间隙中,进入的润滑油产生的压力推动轴承向右(图c).随着转速的增加,润滑油的压力也增大,当大到一定程度,所产生的压力总和足以支持轴上的负荷时,就使轴和轴承的表面分开,使轴浮在油膜上旋转(图d).油膜的最小厚度是在轴承的右下方s点处。
滑动轴承中油膜压力,已被托尔2023年著名的试验所证实。2023年雷诺在托尔实验的基础上,用数学分析的方法、阐明了在收敛形油膜中产生压力的现象,提出了著名的雷诺方程。在推导雷诺方程时,须将实际轴承的情况加以简化,以便于分析问题。
因此,提出了一些假设.这些假设是:
1)略去外力场(重力或磁力对润滑油的作用。除去磁流体外,这项假设对结果影响不大;
2)整个油膜中的黏度都是一样的;
温度和压力是影响润滑油黏度的主要因素。这个假设在高压和高速的情况下计算结果是有影响的,但一般情况下对结果的影响不大。
3)油膜中的流动是层流;
4)油膜中的惯性力很小,对油膜中产生压力的影响可忽略不计;
5)润滑油与轴承表面间无滑动;
6)流体服从牛顿定律,即润滑油应属于牛顿液体;
7)流体是不可压缩的;
8)轴承间隙很小,贯穿油膜的压力变化可忽略不计;而且可忽略弯曲面对油膜的影响,可将油膜摊平来分析。
根据以上假设,取收敛形油膜中的一个单元进行分析。
图3 收敛油膜中的单元受力图。
三维雷诺方程如下:
式中,各符号的含义参见图3。此方程式可根据使用的具体情况加以简化。
首先考虑等式右边头两项,它们表示在x轴和z轴方向上速度梯度和油膜厚度的变化。实际上油模只在一个方向形成,可舍去其中一项,如。由于轴承上表面各点的速度相同,u不是x的函数。
故可书为。此外,两表面仅作相对运动,则(vh—v0)可变为。因此,雷诺方程变为:
13b)右边第一项表明油楔的作用。第二项称为挤压膜项。
挤压膜项在轴承受到交变载荷时,它的影响较大,在稳定运转的轴承中则=0。 在实际应用的多数径向轴承中,的计算很复杂,因此常略去。再假设黏度在各方向均不变,则可将移到微分符号外,雷诺方程就进一步变为:
13c)如果是一无限长(沿z轴)的径向轴承,则上式左边第二项为零,故得:
(13d)此式为一维雷诺方程式。
积分(13d)式得:。
由于在油楔中压力最大处有:(即油压最大处的油膜厚度),将此条件代入上式得:。最后得:
(13e)式(13d)及(13e)是无末端泄漏的动压润滑的雷诺方程。
对机器零件,例如滑动轴承,的流体膜润滑,在20世纪上半世纪就可以进行有效的分析。然而同时期,对于高应力润滑的机器零件例如齿轮和滚动轴承的分析却发现很不成功。在20世纪中期,产生了流体弹性动力学润滑的很多著名机理的新发现。
2023年grubin报告了一种非常简洁和有效的近似解析解法。他推导出了**齿轮副油膜厚度的方程,推导的结果比用流体动力学解析得到的结果至少大一个数量级。在研究中同时考虑弹性变形和压黏效应的方法很快得到广泛的认可。
在20世纪中期以后,进行了一些著名的试验工作包括电容膜厚测量技术和光学干涉测量技术,其结果验证了**的弹性流体动力学(ehl)线接触的典型特性。
在20世纪中期以后,对线接触的弹性流体动力学本质特性的试验和理论方面得到充分发展。在20世纪50年代和60年代主要研究名义线接触问题,在20世纪70年代以后,扩展的ehl分析应用于对应于球轴承等的点接触问题。在20世纪80年代,由于采用功能强大的计算机,从而能够获得对名义点接触的数值解。
扩展的ehl分析应用于广泛的机械零件。在这一时期后期,barwell(36)说道:“对弹性流体动力学润滑机理的揭示,可以认为是自从reynolds的研究以来,润滑科学发展中的最重要事件。
” 目前,这些发现被认为对保护极限条件工作的机器零件具有重要的作用。
图6 弹性变形的油膜厚度。
弹性流体动压润滑基本方程主要是考虑了压—粘效应的雷诺方程和油膜厚度计算方程。
(1)考虑压粘效应的雷诺方程。
等温润滑油压力—黏度关系式为:
其中,为高压下油的动力黏度;为常压下油的动力黏度;为油的压黏系数,对于一般的矿物油和合成油=(5~30)×10-4cm2/kgf。例如:38℃时汽轮机油(黏度为30厘泊)19.
5×10-4cm/kgf。
将上式代入一维雷诺方程。
如果令经变换得:
这是考虑了压粘效应的一维雷诺方程,0是完全确定的,p0是经折算压力的参数,用p0代替p便于方程求解。
2)油膜厚度计算方程。
主要是求解压力分布、油膜形状、油膜厚度,最主要的是油膜最小厚度应大于两表面微凸体的高度,才能实观有效的弹性流体动压润滑。
在弹性流体动压润滑中,由于在很高压力下表面被压平和油的黏度增大的联合作用,产生了对润滑有利的增益效应,使摩擦表面间仍保持足够的油膜,油膜中产生较大的承载压力和赫兹力平衡,保持油膜不被挤出,防止磨损。
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