材料的表面形貌和力学性能对混合润滑的影响

发布时间：2020-07-07 05:02

【摘要】：现代机械要求结构紧凑、传动精确和承担较大的载荷，这使得机械内大部分零件工作在混合润滑区域。混合润滑时在零件相对运动的表面间，流体动压润滑与微凸体直接接触同时存在，形成相互作用的流固耦合系统，使得混合润滑成为摩擦学研究的重点和难点。本文通过建立反映混合润滑过程的数学模型并结合实验，研究材料的表面形貌和力学性能对混合润滑的影响，具体内容包括： 1.根据表面形貌的特征参数，研究利用测量数据重构表面的方法。通过对精加工金属表面的实验测量和对数据在频域内幅频特性的分析，提出在频域内选择合适的信息点的方法，将所选信息点转换到空间域进行表面重构。通过重构表面和测量表面的对比，表明重构表面能够较好地反映测量表面的基本特征，同时滤掉了测量过程中的随机噪声。 2.针对混合润滑的特点，在流体动压润滑区域和微凸体接触区域分别考虑压力对润滑油黏度、密度和流变特性的影响以及局部的微凸体接触，研究建立了求解混合润滑问题的数学模型。根据流体润滑区域和微凸体接触区域内剪切应力的成因不同，分别基于Bair and Winer流变模型和Rabinowicz接触方程建立了摩擦系数计算模型。 3.从粗糙度幅值、密度和纹理方向等方面，系统地研究表面形貌对混合润滑的影响。利用建立的混合润滑模型，计算不同表面形貌时的油膜和压力分布，通过分析混合润滑参数和摩擦系数，研究表面形貌对混合润滑摩擦性能的影响。结果表明：表面形貌会改变摩擦副的运行状态。摩擦副表面粗糙度幅值越大，其摩擦系数越大；粗糙度密度越大，形成的压力和油膜波动越剧烈，其摩擦系数也要大于粗糙度密度较小的工况；纹理方向也会影响润滑效果，特别是纹理方向与润滑油流动方向平行时，粗糙度对油膜的阻碍作用降低，其摩擦系数也要小于其它工况。 4.以钢、铜、铝和复合材料等四种材料为样本，研究材料的弹性力学性能对混合润滑的影响。针对理想光滑表面和粗糙表面两种工况，通过混合润滑模型计算四种材料形成的油膜和压力分布，分析不同载荷、不同转速下四种材料呈现出的摩擦性能。结果表明：材料的弹性力学性能影响接触区域、油膜和压力分布。对于理想表面，随着润滑油卷吸速度的增加，最大压力由接触区域的中心转移到接触区域的出口处，弹性模量越大的材料对应的压力位置转换的临界速度值越小；而对于粗糙表面，弹性模量较大的摩擦副对应的从混合润滑过渡到流体润滑的临界速度较高。 5.针对摩擦副的承载特点，研究材料的塑性力学性能对混合润滑的影响。通过拉伸试验机测量摩擦副材料的应力-应变关系，利用接触体内节点应力张量的计算方法，确定接触体内节点的应变张量，再根据互等定理计算塑性变形，最后将塑性变形耦合到混合润滑模型中计算油膜和压力分布。结果表明：当考虑塑性变形时，整体接触区域变大，压力的波动趋于平稳，油膜厚度略有减小，而摩擦系数则有所增加。 6.以聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料为样本，研究软材料混合润滑时的摩擦性能。根据软材料的特点修改了混合润滑模型和摩擦系数模型，用已有实验数据验证了模型的有效性。基于这两个模型，分析了软材料形成油膜的特点；并根据摩擦力的形成原理，研究了微凸体接触和润滑油动压效应对摩擦系数的影响；采用压力增量原理分析了粗糙度影响摩擦系数的原因。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TH117.2
【图文】：

偏斜度,高度分布,概率密度,博士学位论文

吉林大学博士学位论文M N2q1 11RMNi ji jZ= == ∑∑ …………斜度。对于参考基准平面的对称性，由式 2-3 计M N3sk31 11RMNi ji jqZR= == ∑∑ …………分布关系如图 2.1 所示。零件表面在低于若零件在高于基准面一侧有较大的微凸

示意图,示意图,轮廓,微观不平度

第 2 章零件表面的三维参数表征及表面数值重构N11NiiS S== ∑ ………………………廓微观不平度平均间距。度内，轮廓峰值的平均距离。其中，计算中应用的轮廓峰值基准线两侧，由式 2-6 计算：N11Nm miiS S== ∑ ……………………… 直观地表示出参数 S 与 Sm之间的区别与联系。

轮廓测量仪,镜头,试验台

件沿探针运动轨迹上的高度分布；原子力显微镜侧重于测量材料的微观结构荷时、纳米尺度下的摩擦磨损，最大扫描范围是 8×8μm；Wyko 光学表面轮廓是采用白光干涉检测法和晶体扫描技术对试样表面进行非接触测量，测量精到 0.1nm[4]。Wyko 配有不同放大倍数的物镜镜头（本文所用实验台配有 5 倍 50 倍的物镜），不同放大倍数对应不同的测量范围，测量范围比原子力显微可针对不同的样本要求选择适合的镜头。Wyko 在测量表面数据时有两种模式hase-shifting interferometry）和 VSI（Vertical scanning interferome。两种技术都是基于干涉原理来进行测量，VSI 技术要比 PSI 更先进，在 VS白光源经过中性密度过滤器过滤，这样可以保留白光的短相干长度和测量系调制精度。Wyko 测量系统配有 Vison32 软件，可以对数据进行实时分析，并据由仪器测量到电脑数据输出的同步转化[105]。本文所用表面测量实验oNT1100 如图 2.3 所示。

【参考文献】