流體潤滑(彈流潤滑)

潤滑的定義：將一種具有潤滑性能的物質(zhì)加入到摩擦副表面之間，以達到抗磨減摩的作用。潤滑的作用：降低摩擦，減少磨損(mósǔn)降溫冷卻：采用液體潤滑劑循環(huán)潤滑系統(tǒng)，可以將摩擦時產(chǎn)生的熱量帶走，降低機械發(fā)熱。防止腐蝕沖洗作用：隨著潤滑劑的流動，可將摩擦表面上污染物、磨屑等沖洗帶走。密封作用：防止冷凝水、灰塵及其他雜質(zhì)的侵入。減振作用：將沖擊、振動的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗?，起阻尼、減振或緩沖作用共二十二頁潤滑(rùnhuá)的分類：按潤滑劑的物質(zhì)(wùzhì)形態(tài)分液體潤滑脂潤滑固體潤滑氣體潤滑按摩擦面間的潤滑形態(tài)分

流體動力潤滑流體靜力潤滑彈性流體動力潤滑固體潤滑邊界潤滑流體潤滑共二十二頁潤滑(rùnhuá)狀態(tài)的轉(zhuǎn)化

斯特里貝克(Stribeck)曲線：德國學者斯特里貝克(Stribeck)對滾動軸承與滑動軸承的摩擦進行了試驗，研究運動速度、法向載荷和潤滑劑的粘度等參數(shù)與摩擦系數(shù)之間的關(guān)系(guānxì)，并將它們間的關(guān)系繪制成一條曲線，稱為斯特里貝克曲線。由斯特里貝克曲線可知，潤滑類型隨著轉(zhuǎn)速、裁荷和潤滑劑粘度的變化而變化，潤滑狀態(tài)可以從一種潤滑狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種潤滑狀態(tài)。共二十二頁邊界潤滑狀態(tài)，平均潤滑膜厚h與表面的復(fù)合粗糙度的比值λ趨于0(小于0.4～1)，典型膜厚在1-50nm時，摩擦(mócā)表面微凸體接觸增多，潤滑劑的粘度對降低摩擦(mócā)所起作用很小，幾乎完全不起作用，載荷幾乎全部通過微凸體以及邊界潤滑膜承擔。共二十二頁混合潤滑狀態(tài)，平均潤滑膜厚h與摩擦副表面的復(fù)合粗糙度的比值λ約為3，典型膜厚在1μm以下，此時摩擦表面的一部分被流體潤滑膜隔開(ɡékāi)，承受部分載荷，也會發(fā)生部分表面微凸體的接觸，以及有邊界潤滑膜承受部分載荷。共二十二頁流體潤滑狀態(tài)，平均潤滑膜厚h與摩擦副表面的復(fù)合粗糙度的比值λ大于3。流體動壓和靜壓潤滑狀態(tài)下，典型(diǎnxíng)膜厚約在1-100μm，對于彈性流體動壓潤滑，典型膜厚約為0.1-1μm。此時摩擦副的表面被連續(xù)流體膜隔開，因此用流體力學來處理這類潤滑問題，摩擦阻力完全決定于流體的內(nèi)摩擦(粘度)。在這個區(qū)域中工作的摩擦副表面沒有直接接觸，沒有機械磨損(磨粒、粘著磨損)產(chǎn)生，但可以產(chǎn)生表面疲勞磨損、氣蝕磨損和流體浸蝕。共二十二頁幾種(jǐzhǒnɡ)摩擦的界限常以膜厚比來大致估計：式中：hmin——最小公稱油膜厚度，

mRq1——接觸表面輪廓的均方根偏差，

mRq2——接觸表面輪廓的均方根偏差，

m

≤0.4,干摩擦

≤1，邊界摩擦；

＝1～3，混合(hùnhé)摩擦；

＞3，流體摩擦共二十二頁不同(bùtónɡ)潤滑狀態(tài)下的摩擦因數(shù)共二十二頁膜厚比對滾動軸承(gǔndòngzhóuchéng)疲勞壽命的影響共二十二頁干摩擦(mócā)——最不利邊界(biānjiè)摩擦——最低要求混合摩擦——比較好流體摩擦——最好共二十二頁流體潤滑定義：在適當條件下，摩擦副的摩擦表面由一層具有一定厚度的粘性流體完全分開，由流體的壓力來平衡外載荷，流體層中的分子大部分不受金屬表面離子、電子場的作用而可以自由地移動。這種狀態(tài)稱為流體潤滑。流體潤滑的摩擦性質(zhì)完全取決于流體的粘性，而與兩個摩擦表面的材料無關(guān)。流體潤滑的優(yōu)點：摩擦阻力低，摩擦系數(shù)低（0.001～0.008），磨損降低。流體潤滑的分類：流體靜壓潤滑、流體動壓潤滑和彈性流體動壓潤滑。1.流體靜壓潤滑

流體靜壓潤滑又稱外供壓潤滑，是用外部的供油裝置，將具有一定壓力的潤滑劑輸送到支承中去，在支承油腔內(nèi)形成(xíngchéng)具有足夠壓力的潤滑油膜，將所支撐的軸或滑動導(dǎo)軌面等運動件浮起，承受外力作用。因此運動件在從靜止狀態(tài)直至在很大的速度范圍內(nèi)都能承受外力作用，共二十二頁

靜壓潤滑軸承的軸瓦內(nèi)表面上有四個對稱的油腔，使用一臺油泵，經(jīng)過四個節(jié)流器分別調(diào)整(tiáozhěng)油的壓力，使得四個油腔的壓力相等。當軸上無載荷時，油泵使四個油腔的出口處的流量相等，管道內(nèi)的壓力相等，使軸頸與軸瓦同心。當軸受載后，軸頸向下移動，油泵使上油腔出口處的流量減小，下油腔出口處的流量增大，形成一定(yīdìng)的壓力差。該壓力差與載荷保持平衡，軸頸懸浮在軸瓦內(nèi)。使軸承實現(xiàn)液體摩擦。適用范圍廣，供油裝置復(fù)雜。共二十二頁2.流體動壓潤滑在兩個做相對運動物體的摩擦表面上，借助于摩擦表面的幾何(jǐhé)形狀和相對運動而產(chǎn)生具有一定壓力的粘性流體膜，將兩摩擦表面完全隔開，由流體膜產(chǎn)生的壓力來平衡外載荷。流體動壓潤滑膜壓力，通常由以下四個效應(yīng)決定：動壓效應(yīng)（主要）擠壓效應(yīng)伸縮效應(yīng)變密效應(yīng)平行板。板B靜止，板A以速度(sùdù)v向左運動，板間充滿潤滑油，無載荷時，液體各層的速度呈三角形分布，進油量與出油量相等，板A不會下沉。但若板A有載荷時，油向兩邊擠出，板A逐漸下沉，直到與B板接觸。FFF設(shè)計：潘存云FAB兩平形板之間不能形成壓力油膜！共二十二頁

如兩板不平行板。板間間隙呈沿運動方向由大到小呈收斂楔形分布，且板A有載荷。當板A運動時，兩端速度若程虛線分布，則必然進油多而出油少。由于液體實際上是不可壓縮的，必將在板內(nèi)擠壓而形成(xíngchéng)壓力，迫使進油端的速度往內(nèi)凹，而出油端的速度往外鼓。進油端間隙大而速度曲線內(nèi)凹，出油端間隙小而速度曲線外凸，進出油量相等，同時間隙內(nèi)形成(xíngchéng)的壓力與外載荷平衡，板A不會下沉。這說明了在間隙內(nèi)形成了壓力油膜。這種因運動而產(chǎn)生的壓力油膜稱為動壓油膜。這種由于粘性的流體潤滑介質(zhì)流入楔形潤滑收斂間隙而造成的動壓力效應(yīng)就叫流體動力潤滑的楔形效應(yīng)。

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vvh1aah2ccvvh0bbF共二十二頁3.彈性流體(liútǐ)動壓潤滑

1916年Martin將Reynolds方程用到齒輪(線接觸)中，假設(shè)為剛體等粘度，但所導(dǎo)出的最小油膜厚度比一般加工的表面粗糙度還要小。也就是說，按照流體動壓潤滑計算高副潤滑時，不能產(chǎn)生有效的油膜厚度以將兩個表面隔開，而屬于混合潤滑或邊界潤滑。但事實上并非如此。當時人們發(fā)現(xiàn)，橫渡大西洋的QueenMary號郵船在使用多年后，齒輪表面上的加工痕跡仍然可見，證明有足夠的油膜厚度。人們懷疑Martin公式，認為它只能用于輕載高速工況，不適宜于重載，并開始尋找解決問題的途徑。人們發(fā)現(xiàn)，在重載接觸(高副)情況下，由于點、線接觸的接觸面積的典型值為徑向軸承的0.1％左右，因此，在載荷相同的情況下，點、線接觸的平均應(yīng)力將比滑動軸承大1000倍左右。這樣高的壓力，必然會影響其工作性能。對此，應(yīng)用于滑動軸承的流體動壓潤滑理論已不再適用。人們發(fā)現(xiàn)，高壓會使?jié)櫥瑒┑恼扯仍龈?，從而增?zēnɡdà)油膜厚度；同時高壓還會使接觸體發(fā)生彈性變形。總結(jié)：粘壓效應(yīng)和彈性變形效應(yīng)有利于提高潤滑膜的承載能力。共二十二頁定義一：相對運動表面的彈性變形與流體動壓作用都對潤滑油的潤滑性能起著重要作用的一種潤滑狀態(tài)。定義二：彈性流體動力潤滑是指流體進入在兩個相互運動的固體摩擦接觸表面后，受到接觸表面產(chǎn)生的巨大接觸壓力而發(fā)生的性狀改變，以分割固體摩擦接觸表面，減少摩擦。從廣義上說：凡是表面彈性變形量和最小油膜厚度處在同一量級上的潤滑問題，都屬于彈流問題。彈性流體動壓潤滑理論是流體動壓潤滑理論的重要發(fā)展，可以說彈性流體動力潤滑是流體膜潤滑的一種特殊(tèshū)形式。它主要研究名義上是點、線接觸的摩擦副潤滑問題（如齒輪副、滾動軸承等）。前面所討論的流體(liútǐ)動壓潤滑理論及計算，是假定兩個潤滑表面相對運動時仍保持完全的剛性，未產(chǎn)生彈性變形，這在低副接觸時是正確的。但是，對于高副接觸，如齒輪、滾動軸承等，其比壓很大，運用流體(liútǐ)動壓潤滑理論就不再合適了。低副（面接觸）潤滑表面剛性流體動壓潤滑理論高副（點、線接觸）潤滑表面彈性變形彈性流體動壓潤滑理論共二十二頁兩個彈性圓柱的接觸，可等效于一當量圓柱和一剛性(ɡānɡxìnɡ)平面的接觸問題，因此在彈流潤滑的研究中，可以將接觸區(qū)視為平面。剛性(ɡānɡxìnɡ)平面等效圓柱共二十二頁為了分析彈性流體動壓潤滑機理，首先觀察一下對偶表面干接觸時的情況。如圖所示模型是彈性圓柱體與一剛性平面(píngmiàn)干接觸的情況。在載荷作用下，彈性圓柱體發(fā)生彈性變形，使線接觸變成了小面積接觸，載荷所造成的接觸壓力常稱為赫茲壓力，其分布情況是在接觸區(qū)域內(nèi)成拋物線形分布，中間的壓力最高而至邊緣降低為零。

潘存云教授(jiàoshòu)研制V1V2FF干摩擦接觸赫茲接觸區(qū)共二十二頁

赫茲接觸條件是彈性流體動壓潤滑的主要特點，它建立了接觸面的整個形狀：先是一個非常狹長的收斂區(qū)(進口區(qū)），緊接著是赫茲區(qū)（平面區(qū)），最后是發(fā)散區(qū)（出口區(qū)）。收斂區(qū)的作用是產(chǎn)生流體動壓力將兩對偶表面隔開，因為對偶表面是收斂的，故對偶表面能帶人潤滑劑而產(chǎn)生流體動壓力；隨著收斂區(qū)壓力增大，潤滑劑的粘度也隨之升高，粘度越高產(chǎn)生的流體動壓力也就越大。當潤滑劑到達赫茲區(qū)的前緣時，潤滑劑的粘度便增加一個數(shù)量級，流體動壓力便能達到(dádào)典型值0.14GPa。赫茲區(qū)的最高壓力可高達典型值1.4GPa，遠遠高于收斂區(qū)能產(chǎn)生的流體動壓力。盡管如此，流體動壓力還是能將兩對偶表面隔開，因為流體動壓力能克服赫茲區(qū)前緣的壓力而將前緣分開。潤滑劑一旦進入赫茲區(qū)，其粘度將迅速增加若干數(shù)量級而變成玻璃體甚至固體，同時潤滑膜又很薄，且通過赫茲區(qū)的時間又極短（以ms計），因此赫茲壓力就沒有足夠的時間與能力將潤滑劑擠壓回去，從而達到由潤滑膜將赫茲區(qū)兩對偶表面隔開的目的。共二十二頁結(jié)論：彈性變形和粘度變化的聯(lián)合(liánhé)效應(yīng)可