边界润滑动态特性及其实验研究

发布时间：2020-11-01 22:24

　　 重大技术装备是国之重器。高可靠性、高精密度基础零部件应用于航空航天、高速铁路、风电等重要领域,直接决定了重大技术装备的工作性能和可靠性。我国的基础零部件产业大而不强,制约着我国从工业大国向工业强国迈进。随着现代机械装备向小型化、轻量化发展,对基础零部件的运行工况提出愈来愈高的要求。运行于高速重载下的基础零部件常常处于边界润滑状态,此时摩擦副的接触表面不再由流体膜分离;润滑剂与表面间发生摩擦化学反应生成纳米级摩擦化学反货膜,简称摩擦膜。摩擦膜能够有效地防止重载、高速、高温下的摩擦表面发生胶合失效。边界润滑设计是基础零部件摩擦学设计中的重要一环。任何机械零件在发生最终失效之前都要经历边界膜的破裂,因此,边界润滑是保护摩擦副免受胶合失效的最后一道防线。但是目前的边界润滑研究,特别是摩擦化学研究却遇到许多瓶颈问题:1)边界润滑动态特性包括了微凸体接触、表面温升、微观胶合的瞬时性以及摩擦膜的动态生长和去除过程,如何理解微观尺度下的瞬态边界润滑机制、微观胶合发生和动态扩展机制、边界膜破裂机制,这是亟待解决的问题之一;2)摩擦化学反应过程复杂,摩擦膜的形成、去除以及膜的突然崩溃为动态过程,如何实时地捕捉摩擦膜在微观尺度下的动态生长和去除一直是摩擦化学研究的难题;3)缺乏摩擦化学反应的定量研究,如何定量分析摩擦膜动态生长以及研究摩擦膜对摩擦系统的作用机制是迫切需要解决的问题;4)摩擦过程中,摩擦膜在不断生长的同时又不断地被磨损与去除,其润滑效果取决于生长和去除的动态平衡;然而如何预测摩擦化学的动态平衡状态一直是边界润滑设计迫切需要解决的难题。本论文从以下几部分提供了解决上述困境的研究思路。本文第一部分阐述了边界润滑动态特性研究的背景和工程意义,概述了边界润滑的基本理论和研究现状,介绍了摩擦化学反应机理、摩擦化学实验研究以及摩擦化学理论模型的国内外研究进展,明确了摩擦化学反应理论及其实验研究中存在的瓶颈问题和面临的实验技术挑战。最后,确立了粗糙表面模拟、弹塑性接触和闪温、摩擦膜动态生长和去除的实验研究、摩擦膜动态生长模型和边界润滑摩擦预测,这四个主要研究内容,并阐述了本文的研究意义。第二部分建立了粗糙表面模拟与表征的小波模型。提出的模型能够模拟任意尺度的各向同性、各向异性高斯粗糙表面。小波模型与Johnson转换系统结合,可生成给定偏态、峰态的非高斯粗糙表面。提出的三维支承面曲线能够更加准确反映表面真实信息。定义的微凸体接触率曲线和粗糙表面非接触率曲线为未来研究粗糙表面微观接触、微观摩擦、微观磨损以及微观胶合提供理论基础。第三部分建立了考虑结点增长的粗糙表面弹塑性接触和表面温升数值模型。基于共轭梯度法和快速傅立叶变换方法,数值求解了接触应力、真实接触面积、结点增长率以及微凸体塑性变形。数值求解了瞬态表面温升,并考虑了结点增长和微观边界膜破裂对表面温升的影响。综合载荷作用下结点增长率随摩擦系数呈指数型上升;模型中Tabor常数与材料塑性指数有关,是影响结点增长率的重要因素;表面剪切作用使得最大Mises应力值升高以及最大Mises应力距离表面深度减小,疲劳裂纹发生源向表面靠近,这增加了表面失效发生的可能性。数值模拟结果证明了由微凸体塑性变形引起的微观接触区域聚集是形成表面温度峰的主要原因。第四部分基于拉曼光谱和原子力显微镜表面分析技术,实验探究了二硫化钼(MoS2)摩擦膜动态生长机制及其对摩擦系数的影响。利用拉曼光谱面扫描成像技术,得到了时变MoS2摩擦膜的生成量和空间分布;采用原子力显微镜技术,测量了球表面磨痕处摩擦膜膜厚的演变。建立了 MoS2摩擦膜动态生长与边界润滑摩擦系数的数值关系。提出了一种边界润滑摩擦膜的减摩机制:局部生成的MoS2摩擦膜将导致微观摩擦系数的降低,当MoS2摩擦膜生成量达到阈值后,微观摩擦系数停止降低。宏观边界润滑摩擦系数取决于MoS2摩擦膜的表面覆盖率。第五部分实验研究了 MoS2摩擦膜去除行为的影响因素。油温、载荷、摩擦膜形成阶段以及润滑油成分对接触区MoS2摩擦膜的去除以及随之引起的摩擦系数上升均有影响。设计了原位拉曼光谱实验,并测量得到了接触区MoS2摩擦膜的去除率,其去除率远高于等效的ZDDP摩擦膜去除率。摩擦初始阶段,MoS2形成率远大于其去除率,这导致摩擦系数的不断降低,而在摩擦系数的稳定阶段,MoS2形成与去除之间达到动态平衡状态。第六部分构建了 MoS2摩擦膜动态生长模型和边界润滑摩擦预测模型。提出了一种理论模型与实验测量耦合的方法,求解了微观尺度MoS2摩擦膜动态生长率。数值模拟了接触区MoS2摩擦膜动态生长过程,并预测了宏观摩擦系数。摩擦系数的数值模拟结果与实验测量结果吻合较好,证明了理论模型的准确性和可行性。本文提出的实验方法和理论模型研究框架为微观尺度研究摩擦化学反应机理提供了有效途径。第七部分总结了本文的研究工作和主要结论、论文创新点,对今后边界润滑动态特性的实验技术以及理论研究发展提出进一步的规划和展望。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH117.2
【部分图文】：

至关重要的作用。??提高燃油经济性和减少温室气体排放是全球性挑战，边界润滑摩擦化学研究对于节能??减排和发展绿色经济具有重要意义。图１．１表明当前各国都致力于减少二氧化碳排放。乘??用车中普遍使用低粘度润滑油以提高燃油经济性，但也导致摩擦副运行于边界润滑状态，??如何减小边界润滑状态下的摩擦损耗是提高燃油经济性的关键问题。此外，润滑剂中硫和??磷元素的限制性使用使得对“绿色”添加剂的需求更为迫切，摩擦化学研究有助于设计绿??色环保的新型润滑添加剂。??￥?２２０??Ｖ％?９??Ｓ?２００??毛：１４０?＾?Ｖ?６?＾??３?ｉ??监?Ｈ?２０２２：?１１３?５?°??ｆ?！００?３??ＥＵ?２０２１?９５?ｕｓ?２０２５?９９?４??＾?８０?谣??乂?３硪??｜?６０?痒??＾?４０?２?５??一?ｈｉｓｔｏｒｉｃａｌ?ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ?—?ｅｎａｃｔｅｄ?ｔａｒｇｅｔ??｜?２０?１??Ｏ?０?????０??°?２０００?２００５?２０１０?２０１５?２０２０?２０２５?２０３０??图１．１各国乘用车（：０２历史排放量和现行标准ｗ??重大技术装备是国之重器，其核心基础零部件应用于航空航天、轨道交通和能源等重??要领域，直接决定了重大技术装备的工作性能和可靠性。边界润滑设计是基础零部件摩擦??学设计的重要一环

［２］将航空装备列为未来１０年的重点突破目标。作为飞机“心脏”的航空发动机被誉为现??代工业“皇冠上的明珠”，是一国工业基础、科技水平和综合国力的集中体现。与航空发??动机配套的高可靠性、高精密度的高端轴承（如图１．２）是关键部件之一，常常运行于高??速重载、高温和受力复杂条件下，导致航空发动机主轴承运行于边界润滑状态。而主轴承??工作性能直接影响航空发动机的性能、寿命和可靠性。我国轴承产业大而不强，国产航空??发动机中的主轴承寿命有限。民用的航空发动机轴承尚可依赖进口，但是军用高端轴承技??术却被西方牢牢把控。因此，出于国家安全和地区的和平稳定考虑，必须自力更生，打破??核心基础零部件受制于人的局面。??＊＞？？＊？（?｛ｃｊｒｓｙｔｔｔｍ??（ａ）?Ｐｒａｔｔ?＆?Ｗｈｉｔｎｅｙ公司Ｖ２５００－Ｅｎｇｉｎｅ?（ｂ）航空发动机内轴承布置??图１．２航空发动机及主轴承??高端轴承的“短板”并不仅仅存在于航空发动机领域。过去十年我国迎来了高速铁路??建设的巨大发展，建成了?一批设计时速３５０公里、具有世界先进水平的高速铁路，形成了??比较完善的高铁技术体系，成为地区经济发展的强大推动力，为国家长期繁荣昌盛提供保??障。高铁动车组使用的轴承运行于复杂恶劣的工况条件下，对轴承润滑性能提出相当高的??要求。然而目前我国高铁轴承长期依赖于进口

１．２边界润滑理论国内外研究现状??１．２．１边界润滑基本理论??归纳滑动轴承在不同载荷、速度以及粘度下的摩擦系数，得到如图１．３所示的Ｓｔｒｅｉｂｅｃｋ??曲线［５］，该曲线表示了润滑状态的转化关系。图中横坐标表征粘度ｘ速度／载荷，即流体??润滑中的索莫菲尔德数（Ｓｏｍｍｅｒｆｅｌｄ?ｎｕｍｂｅｒ）；纵坐标为摩擦系数。图１．３中Ｉ区属流体??润滑（Ｆｕｌｌ－ｆｉｌｍ?Ｈｙｄｒｏ－ｄｙｎａｍｉｃ，ＦＨＤ），摩擦阻力产生于流体内摩擦；ＩＩ区统称混合润滑??（Ｍｉｘｅｄ?ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ），这时摩擦表面之间的间隔接近于表面微凸体的高度，摩擦阻力是由??润滑流体的剪切以及微凸体的变形和剪切共同产生；区域ＩＩＩ工况下，摩擦面的间隙进一步??减小，微凸体相互作用加强，边界膜膜厚远小于粗糙峰高度，此时表面层物理化学作用和??微凸体接触力学显著影响系统的摩擦特性，即摩擦界面处于边界润滑机制（Ｂｏｕｎｄａｒｙ??ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ?ｒｅｇｉｍｅ）。??￣￣ｊ一一；——｜????Ｉ：?全膜润滑?微弹流润滑??ｒａ?ｉ?ｉ?固体，?．??ｇ?
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本文编号：2866189