基于多波长光干涉法的弹性流体动力脂润滑机理与实验研究

发布时间：2018-03-05 14:49

 

【摘要】 润滑是降低摩擦、减少磨损的主要手段。大概有80%以上的滚动轴承和20%的滑动轴承是脂润滑的。润滑脂的主要作用就是在轴承的摩擦界面间提供一层润滑膜，防止摩擦界面直接接触。因润滑膜变薄或破裂而导致的摩擦系数增大或摩擦磨损，是导致机械零件和设备失效的主要原因。润滑膜的厚度直接反映了脂润滑的润滑性能，所以人们通过各种方法，包括理论计算和实验测试等方法，对油润滑的润滑膜厚度及润滑性能研究。润滑脂有极其复杂的流变性能，表现出强烈的非牛顿流体性质。脂润滑的弹流润滑动压理论的实际工程计算比油润滑要复杂得多。润滑现象常常发生在毫米级的微小区域内，润滑膜的厚度常为微米级甚至纳米级，要对这么微小的区域内的复杂润滑现象进行测试，技术上是相当困难的。本课题的目的就是要在前期研究的基础上，对脂润滑理论及润滑测试技术的某些不足加以改进和完善。本文具体进行了以下几个方面的研究工作：1.研制了脂润滑弹流试验台。对油润滑的弹流试验台的机械传动装置、图像采集装置、供油及加载装置等进行了改造设计，研制出脂润滑弹流试验台，传动稳定性得到了提高，控制更加方便，采集到的图像清晰稳定，静态测量结果与理论计算结果相符合，改造与设计结果符合预期。2.对基于相对光强原理的光干涉膜厚测量法，当光干涉级次超过零级的时候，提出了一个普适的膜厚计算公式，讨论了双光束干涉应用的条件，和基于双光束干涉的真实光强——膜厚干涉曲线改进了相对光强法的测量精度，并讨论了基于数字式高速工业相机和基于交流伺服电机的膜厚动态测量技术；基于动态测量技术确定了光干涉的级次，测量了基础油的润滑膜厚度，基于普适公式计算出完整的膜厚形状。3.提出了一种无需动态标定干涉级次的多波长干涉测量润滑膜膜厚的方法，测量中只需要静态和目标工况稳定运行的的图像，能综合利用不同波长单色光在同一膜厚有不同光强分辨率的特点，提高膜厚测量精度；指出技术的关键是光强——膜厚曲线的标定和拟合。4.比较了实验测量结果与理论计算结果。实验中观察到随着卷吸速度的增大，膜厚是明显增加的，同时最小膜厚处向接触中心移动，这与点接触弹流润滑的理论计算是一致的。对比证明测量方法有较好的测量精度和稳定性，改进之后的相对光强法及动态测量的技术是可行的。将实验结果与Hamrock-Dowson膜厚公式的计算结果对比，也发现变化规律是一致的，低速时的中心膜厚和整个速度范围最小膜厚吻合得很好，说明了Hamrock-Dowson膜厚公式在轻载高速工况时候的应用局限性。对比基础油的三波长光干涉实验结果与动态测量结果，两者有很好的一致性。实验结果证明三波长光干涉法有其独特之处，方法是可行的。5.对轮毂轴承的脂润滑进行了数值分析和实验研究。汽车轮毂轴承的脂润滑因基础粘度大、非牛顿特性强烈、当量接触曲率半径小，其弹性流体动力润滑计算有很大困难。本文把球轴承形式的轮毂轴承接触类型近似线接触来求解，建立了脂润滑弹流润滑的Reynolds方程、膜厚方程及粘压方程等，并对这些方程进行无量纲化和差分数值求解。求得了轮毂轴承脂润滑弹流润滑的数值解，得到了润滑膜的压力分布和膜厚形状。结果表明：轮毂轴承脂润滑弹流润滑膜具有与油润滑类似的二次压力峰和出口膜厚颈缩现象；较小的载荷、较高的速度或较大的流变指数会形成较厚的润滑膜，相应的二次压力峰也更加明显；滚珠与滚道间的润滑状态实际处于弹流润滑和边界润滑交替变换状态。轮毂轴承润滑脂的流变性能实验结果说明它们都有明显的剪切稀化和非牛顿流体性质，而且不同稠化剂的润滑脂有不同的高温润滑性能，这主要归咎于稠化剂纤维在温度变化时不同表现和其对润滑的作用机理。

第一章  绪论

 

1.1概述

润滑剂的主要作用是润滑轴承的滚动和滑动接触面，通过防止磨损提高轴承性能。轴承的工作条件千差万别，为了给特定工作条件的轴承提供正确的、必需的润滑，润滑剂可以是润滑油，润滑脂，或者固体润滑剂等等。油润滑有较强的散热作用，设备启动时的摩擦力矩小，尤其适用于设备转速很高（DN值大于 350000）的场合；固体润滑则用于极端环境，如高温、高压和高真空等不能使用液体润滑剂或脂的场合。而脂润滑与油润滑相比，有以下优点：

润滑脂不容易流失，笔耕文化推荐期刊，防尘密封效果好；

轴承内能保留适量的润滑脂，简化了密封设计；

不需要维持油面高度，减少了维护的次数，不需要频繁更换润滑脂；

不流失和不泄露使得润滑脂对环境污染少；

润滑脂的使用温度范围比润滑油宽。

世界上最广泛使用脂润滑的的典型零部件是滚动轴承。据估计，大概有80%以上的滚动轴承和20%的滑动轴承是脂润滑的。从润滑脂的应用领域来看，各种机械设备都离不开润滑脂。

润滑脂的主要作用就是在轴承的摩擦界面间提供一层润滑膜，防止摩擦界面直接接触，从而减小摩擦，降低磨损。如果滚动轴承设计合理且润滑良好，则滚动表面可以被润滑膜隔开，处于弹性流体动力润滑状态；低速条件或者重载条件下润滑膜变薄，可能处于薄膜润滑或边界润滑状态。温诗铸概括了各种润滑状态的特征和应用情况，如图1-1所示。

 

 

 

 1.2 研究的理论基础及国内外研究现状

1.2.1 润滑膜厚度测试技术

点、线接触的弹流润滑发生在毫米级的微小区域内，润滑膜厚度则仅为微米级甚至纳米级。要求对出现在如此微小区域内的复杂润滑现象进行测试，在技术上是非常困难的。普通的机械量测试方法已经不再适用，而须采用专门的测试技术。润滑膜的测试包括润滑膜的厚度、形状、压力分布和温度分布，还有摩擦力等。本文主要讨论润滑膜的厚度和形状测试。

通过测量油膜的电阻来确定油膜厚度的电阻法是最早测量润滑膜厚度的方法。油膜厚度较厚，比如0.1 μm时，油膜电阻可高达109Ω；当油膜更薄或者金属表面直接接触的时候，油膜电阻只有几个欧姆。但是由于油膜的电气特性不稳定，电阻法无法精确测量出油膜厚度的数值。电阻法只适用于判断油膜是否存在的定性测量。

放电电压法的基本原理是：将油膜串联在电路中，通过可变电阻改变回路的电流，测出电路中电压和电流的关系曲线，延长曲线获得曲线在纵坐标上的截距，获取放电电压，而放电电压与油膜厚度是大约成正比的，从而可获得油膜厚度。但是，因为润滑剂的性质和纯洁程度以及金属的表面形貌都对放电电压有影响，所以放电电压法也不能满意地定量测出油膜的厚度。

位移法通过测量机械位移来间接测量油膜厚度。有润滑跟无润滑时候的摩擦副位移变动量即为中心油膜的厚度。此方法要注意消除实验装置振动对测量结果的影响，且只能测量中心油膜的厚度。

电容法根据电容值随膜厚增大而降低的变化关系来计算出油膜平均厚度。测量的困难是在建立电容值与油膜厚度的关系时油膜厚度是未知的。Dyson等人的线接触弹流膜厚测量结果与Dowson的计算值相当接近。Wilson等利用滚动轴承内圈和外圈间形成的电容搭建了电容电桥，可测量滚动轴承各滚动体位置的润滑膜厚度，原理如图 1-2所示。电容法的主要缺点是测量精度容易受到试样与机架及导线间产生的寄生电容的影响，需要采取严格的屏蔽措施。

 

第二章  脂润滑弹流试验台的研制

 

2.1引言

实验室原有从清华大学引进的TLT-1型光学弹性流体动力润滑试验台。其装置原理如图2-1所示。因其图像采集部分落后已经淘汰，电机控制性能差，以及摩擦轮传动部分打滑、运动不稳定等等问题，须加以改造和设计才能进行润滑膜干涉图像的采集。

 

 

 

2.2设计方法与改造措施

2.2.1 光干涉法测量润滑膜厚度的基本原理

光干涉测量膜厚的基本原理是使得光线在两个摩擦副的接触面上分别产生反射，获得两列相干光，从而获得干涉条纹，条纹的亮度、颜色和干涉的级数等反映了膜厚的大小。如图2-2所示为光干涉测量膜厚的原理示意图。

 

 

2.2.2 机械传动装置改造与设计

原传动装置为直流电动机转动，然后通过摩擦轮传动带动玻璃盘所在的轴转动。此传动装置不能带动较大的负载，低速运动不平稳，容易打滑。又因为传动比大（达到10），中心距远（约157mm），所以优先改造为同步带传动。

电动机选用了使用简单、易于调节速度的感应式单相交流电机，其最高转速为1400r/min，额定功率 25W。

 

第三章 润滑膜厚度的动态测量技术研究....... 36

3.1  引言 ...... 36

3.2  基于双光束干涉的真实光强—膜厚干涉曲线的相对光强法....... 36

3.2.1  相对光强法测量润滑膜厚度的原理 .................. 36

第四章 多波长光干涉法测量润滑膜厚度 .......... 63

4.1  引言 .................... 63

4.2  基于等效波长法的多波长膜厚测量原理 .............. 63

第五章 润滑实验测量与理论计算结果的对比............. 76

5.1  引言 .......... 76

5.2  与弹流润滑理论数值求解结果的对比 .............. 76

 

第六章  弹流脂润滑在汽车轮毂轴承中的应用

 

6.1引言

汽车轮毂轴承是技术复杂程度比较高的一种轴承，是汽车的重要部件，对汽车的舒适性和安全性起到了重要的作用。它承载了车身的重量和为轮毂的转动提供了精确的引导，它既承受轴向载荷又承受径向载荷，其在车辆中的位置如图6-1所示。

 

 

汽车轮毂轴承要求结构紧凑、节能和使用寿命长，必须保证期其有良好的润滑。为保证良好的密封性，防止外界污染物进入轴承，除了要加密封圈以外，比较适当的润滑方式应当是采用润滑脂密封和润滑。轴承内部滚动体与滚道间为弹性接触，因此应采用脂润滑的弹流润滑计算方法求解其膜厚和压力等。目前针对轿车轮毂轴承实际工况的弹流润滑求解并不多见，本课题组邓磊、于玫等人曾对脂润滑和轮毂轴承润滑进行了初步求解，本章在此基础上分析轮毂轴承的实际工况，并对求解算法作适当的修正使得算法收敛，求得实际工况下的润滑数值解。

 

本文成果、创新处与展望

一、本文成果

课题的研究目标是改进及完善润滑膜厚度的测量技术，使得测量结果的获取及处理更加方便，获得更加准确的测量结果；通过汽车轮毂轴承的脂润滑计算与实验，补充脂润滑的弹性流体动力润滑理论，把脂润滑理论计算推向工程实际应用。本文所取得的主要成果及结论如下：

1.  研制了脂润滑弹流试验台。对油润滑的弹流试验台的机械传动装置、图像采集装置、供油及加载装置等进行了改造设计，研制出脂润滑弹流试验台，传动稳定性得到了提高，控制更加方便，采集到的图像清晰稳定，静态测量结果与理论计算结果相符合，改造与设计结果符合预期。

2.  提出了基于相对光强原理的光干涉膜厚计算的普适公式，讨论了双光束干涉应用的条件，和基于双光束干涉的真实光强—膜厚干涉曲线改进了相对光强法的测量精度，并讨论了基于数字式高速工业相机的膜厚测量技术、基于交流伺服电机的厚膜测量技术；动态测量了750#基础油的润滑膜厚度，基于普适公式计算出完整的膜厚形状。

3.  提出了一种无需动态标定干涉级次的多波长干涉测量润滑膜膜厚的方法，只需要测量静态和目标工况稳定运行的的图像，能综合利用不同波长单色光在同一膜厚有不同光强分辨率的特点，提高膜厚测量精度；指出技术的关键是光强——膜厚曲线的标定和拟合。对比基础油的三波长光干涉实验结果与动态测量结果，两者有很好的一致性。实验结果证明三波长光干涉法有其独特之处，方法是可行的。

4.  将润滑实验测量结果，分别与点接触弹流润滑理论数值求解结果与Hamcrock-Dowson 膜厚计算公式的计算结果作了对比。实验中观察到随着卷吸速度的增大，膜厚增加的规律，以及最小膜厚处向接触中心移动的现象都与数值求解的结果相一致。实验结果证明有较好的测量精度和稳定性，改进之后的相对光强法及动态测量的技术是可行的。将单波长动态测量实验结果、多波长测量结果与 Hamcrock-Dowson 公式的计算结果对比发现，两种测量方法有很好的一致性，进一步说明了实验方法的可靠性，并且说明了 Hamcrock-Dowson 公式在轻载高速时候的局限性，然后根据实验数据对中心膜厚公式进行了拟合和修正。

参考文献:

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本文编号：10897