發(fā)布時間：2018-03-05 14:49

 

【摘要】 潤滑是降低摩擦、減少磨損的主要手段。大概有80%以上的滾動軸承和20%的滑動軸承是脂潤滑的。潤滑脂的主要作用就是在軸承的摩擦界面間提供一層潤滑膜，防止摩擦界面直接接觸。因潤滑膜變薄或破裂而導致的摩擦系數增大或摩擦磨損，是導致機械零件和設備失效的主要原因。潤滑膜的厚度直接反映了脂潤滑的潤滑性能，所以人們通過各種方法，包括理論計算和實驗測試等方法，對油潤滑的潤滑膜厚度及潤滑性能研究。潤滑脂有極其復雜的流變性能，表現出強烈的非牛頓流體性質。脂潤滑的彈流潤滑動壓理論的實際工程計算比油潤滑要復雜得多。潤滑現象常常發(fā)生在毫米級的微小區(qū)域內，潤滑膜的厚度常為微米級甚至納米級，要對這么微小的區(qū)域內的復雜潤滑現象進行測試，技術上是相當困難的。本課題的目的就是要在前期研究的基礎上，對脂潤滑理論及潤滑測試技術的某些不足加以改進和完善。本文具體進行了以下幾個方面的研究工作：1.研制了脂潤滑彈流試驗臺。對油潤滑的彈流試驗臺的機械傳動裝置、圖像采集裝置、供油及加載裝置等進行了改造設計，研制出脂潤滑彈流試驗臺，傳動穩(wěn)定性得到了提高，控制更加方便，采集到的圖像清晰穩(wěn)定，靜態(tài)測量結果與理論計算結果相符合，改造與設計結果符合預期。2.對基于相對光強原理的光干涉膜厚測量法，當光干涉級次超過零級的時候，提出了一個普適的膜厚計算公式，討論了雙光束干涉應用的條件，和基于雙光束干涉的真實光強——膜厚干涉曲線改進了相對光強法的測量精度，并討論了基于數字式高速工業(yè)相機和基于交流伺服電機的膜厚動態(tài)測量技術；基于動態(tài)測量技術確定了光干涉的級次，測量了基礎油的潤滑膜厚度，基于普適公式計算出完整的膜厚形狀。3.提出了一種無需動態(tài)標定干涉級次的多波長干涉測量潤滑膜膜厚的方法，測量中只需要靜態(tài)和目標工況穩(wěn)定運行的的圖像，能綜合利用不同波長單色光在同一膜厚有不同光強分辨率的特點，提高膜厚測量精度；指出技術的關鍵是光強——膜厚曲線的標定和擬合。4.比較了實驗測量結果與理論計算結果。實驗中觀察到隨著卷吸速度的增大，膜厚是明顯增加的，同時最小膜厚處向接觸中心移動，這與點接觸彈流潤滑的理論計算是一致的。對比證明測量方法有較好的測量精度和穩(wěn)定性，改進之后的相對光強法及動態(tài)測量的技術是可行的。將實驗結果與Hamrock-Dowson膜厚公式的計算結果對比，也發(fā)現變化規(guī)律是一致的，低速時的中心膜厚和整個速度范圍最小膜厚吻合得很好，說明了Hamrock-Dowson膜厚公式在輕載高速工況時候的應用局限性。對比基礎油的三波長光干涉實驗結果與動態(tài)測量結果，兩者有很好的一致性。實驗結果證明三波長光干涉法有其獨特之處，方法是可行的。5.對輪轂軸承的脂潤滑進行了數值分析和實驗研究。汽車輪轂軸承的脂潤滑因基礎粘度大、非牛頓特性強烈、當量接觸曲率半徑小，其彈性流體動力潤滑計算有很大困難。本文把球軸承形式的輪轂軸承接觸類型近似線接觸來求解，建立了脂潤滑彈流潤滑的Reynolds方程、膜厚方程及粘壓方程等，并對這些方程進行無量綱化和差分數值求解。求得了輪轂軸承脂潤滑彈流潤滑的數值解，得到了潤滑膜的壓力分布和膜厚形狀。結果表明：輪轂軸承脂潤滑彈流潤滑膜具有與油潤滑類似的二次壓力峰和出口膜厚頸縮現象；較小的載荷、較高的速度或較大的流變指數會形成較厚的潤滑膜，相應的二次壓力峰也更加明顯；滾珠與滾道間的潤滑狀態(tài)實際處于彈流潤滑和邊界潤滑交替變換狀態(tài)。輪轂軸承潤滑脂的流變性能實驗結果說明它們都有明顯的剪切稀化和非牛頓流體性質，而且不同稠化劑的潤滑脂有不同的高溫潤滑性能，這主要歸咎于稠化劑纖維在溫度變化時不同表現和其對潤滑的作用機理。

第一章  緒論

 

1.1概述

潤滑劑的主要作用是潤滑軸承的滾動和滑動接觸面，通過防止磨損提高軸承性能。軸承的工作條件千差萬別，為了給特定工作條件的軸承提供正確的、必需的潤滑，潤滑劑可以是潤滑油，潤滑脂，或者固體潤滑劑等等。油潤滑有較強的散熱作用，設備啟動時的摩擦力矩小，尤其適用于設備轉速很高（DN值大于 350000）的場合；固體潤滑則用于極端環(huán)境，如高溫、高壓和高真空等不能使用液體潤滑劑或脂的場合。而脂潤滑與油潤滑相比，有以下優(yōu)點：

潤滑脂不容易流失，筆耕文化推薦期刊，防塵密封效果好；

軸承內能保留適量的潤滑脂，簡化了密封設計；

不需要維持油面高度，減少了維護的次數，不需要頻繁更換潤滑脂；

不流失和不泄露使得潤滑脂對環(huán)境污染少；

潤滑脂的使用溫度范圍比潤滑油寬。

世界上最廣泛使用脂潤滑的的典型零部件是滾動軸承。據估計，大概有80%以上的滾動軸承和20%的滑動軸承是脂潤滑的。從潤滑脂的應用領域來看，各種機械設備都離不開潤滑脂。

潤滑脂的主要作用就是在軸承的摩擦界面間提供一層潤滑膜，防止摩擦界面直接接觸，從而減小摩擦，降低磨損。如果滾動軸承設計合理且潤滑良好，則滾動表面可以被潤滑膜隔開，處于彈性流體動力潤滑狀態(tài)；低速條件或者重載條件下潤滑膜變薄，可能處于薄膜潤滑或邊界潤滑狀態(tài)。溫詩鑄概括了各種潤滑狀態(tài)的特征和應用情況，如圖1-1所示。

 

 

 

 1.2 研究的理論基礎及國內外研究現狀

1.2.1 潤滑膜厚度測試技術

點、線接觸的彈流潤滑發(fā)生在毫米級的微小區(qū)域內，潤滑膜厚度則僅為微米級甚至納米級。要求對出現在如此微小區(qū)域內的復雜潤滑現象進行測試，在技術上是非常困難的。普通的機械量測試方法已經不再適用，而須采用專門的測試技術。潤滑膜的測試包括潤滑膜的厚度、形狀、壓力分布和溫度分布，還有摩擦力等。本文主要討論潤滑膜的厚度和形狀測試。

通過測量油膜的電阻來確定油膜厚度的電阻法是最早測量潤滑膜厚度的方法。油膜厚度較厚，比如0.1 μm時，油膜電阻可高達109Ω；當油膜更薄或者金屬表面直接接觸的時候，油膜電阻只有幾個歐姆。但是由于油膜的電氣特性不穩(wěn)定，電阻法無法精確測量出油膜厚度的數值。電阻法只適用于判斷油膜是否存在的定性測量。

放電電壓法的基本原理是：將油膜串聯在電路中，通過可變電阻改變回路的電流，測出電路中電壓和電流的關系曲線，延長曲線獲得曲線在縱坐標上的截距，獲取放電電壓，而放電電壓與油膜厚度是大約成正比的，從而可獲得油膜厚度。但是，因為潤滑劑的性質和純潔程度以及金屬的表面形貌都對放電電壓有影響，所以放電電壓法也不能滿意地定量測出油膜的厚度。

位移法通過測量機械位移來間接測量油膜厚度。有潤滑跟無潤滑時候的摩擦副位移變動量即為中心油膜的厚度。此方法要注意消除實驗裝置振動對測量結果的影響，且只能測量中心油膜的厚度。

電容法根據電容值隨膜厚增大而降低的變化關系來計算出油膜平均厚度。測量的困難是在建立電容值與油膜厚度的關系時油膜厚度是未知的。Dyson等人的線接觸彈流膜厚測量結果與Dowson的計算值相當接近。Wilson等利用滾動軸承內圈和外圈間形成的電容搭建了電容電橋，可測量滾動軸承各滾動體位置的潤滑膜厚度，原理如圖 1-2所示。電容法的主要缺點是測量精度容易受到試樣與機架及導線間產生的寄生電容的影響，需要采取嚴格的屏蔽措施。

 

第二章  脂潤滑彈流試驗臺的研制

 

2.1引言

實驗室原有從清華大學引進的TLT-1型光學彈性流體動力潤滑試驗臺。其裝置原理如圖2-1所示。因其圖像采集部分落后已經淘汰，電機控制性能差，以及摩擦輪傳動部分打滑、運動不穩(wěn)定等等問題，須加以改造和設計才能進行潤滑膜干涉圖像的采集。

 

 

 

2.2設計方法與改造措施

2.2.1 光干涉法測量潤滑膜厚度的基本原理

光干涉測量膜厚的基本原理是使得光線在兩個摩擦副的接觸面上分別產生反射，獲得兩列相干光，從而獲得干涉條紋，條紋的亮度、顏色和干涉的級數等反映了膜厚的大小。如圖2-2所示為光干涉測量膜厚的原理示意圖。

 

 

2.2.2 機械傳動裝置改造與設計

原傳動裝置為直流電動機轉動，然后通過摩擦輪傳動帶動玻璃盤所在的軸轉動。此傳動裝置不能帶動較大的負載，低速運動不平穩(wěn)，容易打滑。又因為傳動比大（達到10），中心距遠（約157mm），所以優(yōu)先改造為同步帶傳動。

電動機選用了使用簡單、易于調節(jié)速度的感應式單相交流電機，其最高轉速為1400r/min，額定功率 25W。

 

第三章 潤滑膜厚度的動態(tài)測量技術研究....... 36

3.1  引言 ...... 36

3.2  基于雙光束干涉的真實光強—膜厚干涉曲線的相對光強法....... 36

3.2.1  相對光強法測量潤滑膜厚度的原理 .................. 36

第四章 多波長光干涉法測量潤滑膜厚度 .......... 63

4.1  引言 .................... 63

4.2  基于等效波長法的多波長膜厚測量原理 .............. 63

第五章 潤滑實驗測量與理論計算結果的對比............. 76

5.1  引言 .......... 76

5.2  與彈流潤滑理論數值求解結果的對比 .............. 76

 

第六章  彈流脂潤滑在汽車輪轂軸承中的應用

 

6.1引言

汽車輪轂軸承是技術復雜程度比較高的一種軸承，是汽車的重要部件，對汽車的舒適性和安全性起到了重要的作用。它承載了車身的重量和為輪轂的轉動提供了精確的引導，它既承受軸向載荷又承受徑向載荷，其在車輛中的位置如圖6-1所示。

 

 

汽車輪轂軸承要求結構緊湊、節(jié)能和使用壽命長，必須保證期其有良好的潤滑。為保證良好的密封性，防止外界污染物進入軸承，除了要加密封圈以外，比較適當的潤滑方式應當是采用潤滑脂密封和潤滑。軸承內部滾動體與滾道間為彈性接觸，因此應采用脂潤滑的彈流潤滑計算方法求解其膜厚和壓力等。目前針對轎車輪轂軸承實際工況的彈流潤滑求解并不多見，本課題組鄧磊、于玫等人曾對脂潤滑和輪轂軸承潤滑進行了初步求解，本章在此基礎上分析輪轂軸承的實際工況，并對求解算法作適當的修正使得算法收斂，求得實際工況下的潤滑數值解。

 

本文成果、創(chuàng)新處與展望

一、本文成果

課題的研究目標是改進及完善潤滑膜厚度的測量技術，使得測量結果的獲取及處理更加方便，獲得更加準確的測量結果；通過汽車輪轂軸承的脂潤滑計算與實驗，補充脂潤滑的彈性流體動力潤滑理論，把脂潤滑理論計算推向工程實際應用。本文所取得的主要成果及結論如下：

1.  研制了脂潤滑彈流試驗臺。對油潤滑的彈流試驗臺的機械傳動裝置、圖像采集裝置、供油及加載裝置等進行了改造設計，研制出脂潤滑彈流試驗臺，傳動穩(wěn)定性得到了提高，控制更加方便，采集到的圖像清晰穩(wěn)定，靜態(tài)測量結果與理論計算結果相符合，改造與設計結果符合預期。

2.  提出了基于相對光強原理的光干涉膜厚計算的普適公式，討論了雙光束干涉應用的條件，和基于雙光束干涉的真實光強—膜厚干涉曲線改進了相對光強法的測量精度，并討論了基于數字式高速工業(yè)相機的膜厚測量技術、基于交流伺服電機的厚膜測量技術；動態(tài)測量了750#基礎油的潤滑膜厚度，基于普適公式計算出完整的膜厚形狀。

3.  提出了一種無需動態(tài)標定干涉級次的多波長干涉測量潤滑膜膜厚的方法，只需要測量靜態(tài)和目標工況穩(wěn)定運行的的圖像，能綜合利用不同波長單色光在同一膜厚有不同光強分辨率的特點，提高膜厚測量精度；指出技術的關鍵是光強——膜厚曲線的標定和擬合。對比基礎油的三波長光干涉實驗結果與動態(tài)測量結果，兩者有很好的一致性。實驗結果證明三波長光干涉法有其獨特之處，方法是可行的。

4.  將潤滑實驗測量結果，分別與點接觸彈流潤滑理論數值求解結果與Hamcrock-Dowson 膜厚計算公式的計算結果作了對比。實驗中觀察到隨著卷吸速度的增大，膜厚增加的規(guī)律，以及最小膜厚處向接觸中心移動的現象都與數值求解的結果相一致。實驗結果證明有較好的測量精度和穩(wěn)定性，改進之后的相對光強法及動態(tài)測量的技術是可行的。將單波長動態(tài)測量實驗結果、多波長測量結果與 Hamcrock-Dowson 公式的計算結果對比發(fā)現，兩種測量方法有很好的一致性，進一步說明了實驗方法的可靠性，并且說明了 Hamcrock-Dowson 公式在輕載高速時候的局限性，然后根據實驗數據對中心膜厚公式進行了擬合和修正。

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本文編號：10897