流體潤(rùn)滑(彈流潤(rùn)滑)

潤(rùn)滑的定義：將一種具有潤(rùn)滑性能的物質(zhì)加入到摩擦副表面之間，以達(dá)到抗磨減摩的作用。潤(rùn)滑的作用：降低摩擦，減少磨損(mósǔn)降溫冷卻：采用液體潤(rùn)滑劑循環(huán)潤(rùn)滑系統(tǒng)，可以將摩擦?xí)r產(chǎn)生的熱量帶走，降低機(jī)械發(fā)熱。防止腐蝕沖洗作用：隨著潤(rùn)滑劑的流動(dòng)，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(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗?，起阻尼、減振或緩沖作用共二十二頁(yè)潤(rùn)滑(rùnhuá)的分類：按潤(rùn)滑劑的物質(zhì)(wùzhì)形態(tài)分液體潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑固體潤(rùn)滑氣體潤(rùn)滑按摩擦面間的潤(rùn)滑形態(tài)分

流體動(dòng)力潤(rùn)滑流體靜力潤(rùn)滑彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑固體潤(rùn)滑邊界潤(rùn)滑流體潤(rùn)滑共二十二頁(yè)潤(rùn)滑(rùnhuá)狀態(tài)的轉(zhuǎn)化

斯特里貝克(Stribeck)曲線：德國(guó)學(xué)者斯特里貝克(Stribeck)對(duì)滾動(dòng)軸承與滑動(dòng)軸承的摩擦進(jìn)行了試驗(yàn)，研究運(yùn)動(dòng)速度、法向載荷和潤(rùn)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(rùn)滑類型隨著轉(zhuǎn)速、裁荷和潤(rùn)滑劑粘度的變化而變化，潤(rùn)滑狀態(tài)可以從一種潤(rùn)滑狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種潤(rùn)滑狀態(tài)。共二十二頁(yè)邊界潤(rùn)滑狀態(tài)，平均潤(rùn)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(shí)，摩擦(mócā)表面微凸體接觸增多，潤(rùn)滑劑的粘度對(duì)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(rùn)滑膜承擔(dān)。共二十二頁(yè)混合潤(rùn)滑狀態(tài)，平均潤(rùn)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(shí)摩擦表面的一部分被流體潤(rùn)滑膜隔開(ɡékāi)，承受部分載荷，也會(huì)發(fā)生部分表面微凸體的接觸，以及有邊界潤(rùn)滑膜承受部分載荷。共二十二頁(yè)流體潤(rùn)滑狀態(tài)，平均潤(rùn)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(dòng)壓和靜壓潤(rùn)滑狀態(tài)下，典型(diǎnxíng)膜厚約在1-100μm，對(duì)于彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑，典型膜厚約為0.1-1μm。此時(shí)摩擦副的表面被連續(xù)流體膜隔開，因此用流體力學(xué)來(lái)處理這類潤(rùn)滑問題，摩擦阻力完全決定于流體的內(nèi)摩擦(粘度)。在這個(gè)區(qū)域中工作的摩擦副表面沒有直接接觸，沒有機(jī)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(yè)幾種(jǐzhǒnɡ)摩擦的界限常以膜厚比來(lái)大致估計(jì)：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(yè)不同(bùtónɡ)潤(rùn)滑狀態(tài)下的摩擦因數(shù)共二十二頁(yè)膜厚比對(duì)滾動(dòng)軸承(gǔndòngzhóuchéng)疲勞壽命的影響共二十二頁(yè)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(yè)流體潤(rùn)滑定義：在適當(dāng)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(lái)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(chǎng)的作用而可以自由地移動(dòng)。這種狀態(tài)稱為流體潤(rùn)滑。流體潤(rùn)滑的摩擦性質(zhì)完全取決于流體的粘性，而與兩個(gè)摩擦表面的材料無(wú)關(guān)。流體潤(rùn)滑的優(yōu)點(diǎn)：摩擦阻力低，摩擦系數(shù)低（0.001～0.008），磨損降低。流體潤(rùn)滑的分類：流體靜壓潤(rùn)滑、流體動(dòng)壓潤(rùn)滑和彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑。1.流體靜壓潤(rùn)滑

流體靜壓潤(rùn)滑又稱外供壓潤(rùn)滑，是用外部的供油裝置，將具有一定壓力的潤(rùn)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(rùn)滑油膜，將所支撐的軸或滑動(dòng)導(dǎo)軌面等運(yùn)動(dòng)件浮起，承受外力作用。因此運(yùn)動(dòng)件在從靜止?fàn)顟B(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(yè)

靜壓潤(rùn)滑軸承的軸瓦內(nèi)表面上有四個(gè)對(duì)稱的油腔，使用一臺(tái)油泵，經(jīng)過四個(gè)節(jié)流器分別調(diào)整(tiáozhěng)油的壓力，使得四個(gè)油腔的壓力相等。當(dāng)軸上無(wú)載荷時(shí)，油泵使四個(gè)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(dāng)軸受載后，軸頸向下移動(dòng)，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(shí)現(xiàn)液體摩擦。適用范圍廣，供油裝置復(fù)雜。共二十二頁(yè)2.流體動(dòng)壓潤(rùn)滑在兩個(gè)做相對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的摩擦表面上，借助于摩擦表面的幾何(jǐhé)形狀和相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(lái)平衡外載荷。流體動(dòng)壓潤(rùn)滑膜壓力，通常由以下四個(gè)效應(yīng)決定：動(dòng)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(yùn)動(dòng)，板間充滿潤(rùn)滑油，無(wú)載荷時(shí)，液體各層的速度呈三角形分布，進(jìn)油量與出油量相等，板A不會(huì)下沉。但若板A有載荷時(shí)，油向兩邊擠出，板A逐漸下沉，直到與B板接觸。FFF設(shè)計(jì)：潘存云FAB兩平形板之間不能形成壓力油膜！共二十二頁(yè)

如兩板不平行板。板間間隙呈沿運(yùn)動(dòng)方向由大到小呈收斂楔形分布，且板A有載荷。當(dāng)板A運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩端速度若程虛線分布，則必然進(jìn)油多而出油少。由于液體實(shí)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(jìn)油端的速度往內(nèi)凹，而出油端的速度往外鼓。進(jìn)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(jìn)出油量相等，同時(shí)間隙內(nèi)形成(xíngchéng)的壓力與外載荷平衡，板A不會(huì)下沉。這說(shuō)明了在間隙內(nèi)形成了壓力油膜。這種因運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的壓力油膜稱為動(dòng)壓油膜。這種由于粘性的流體潤(rùn)滑介質(zhì)流入楔形潤(rùn)滑收斂間隙而造成的動(dòng)壓力效應(yīng)就叫流體動(dòng)力潤(rùn)滑的楔形效應(yīng)。

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vvh1aah2ccvvh0bbF共二十二頁(yè)3.彈性流體(liútǐ)動(dòng)壓潤(rùn)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(shuō)，按照流體動(dòng)壓潤(rùn)滑計(jì)算高副潤(rùn)滑時(shí)，不能產(chǎn)生有效的油膜厚度以將兩個(gè)表面隔開，而屬于混合潤(rùn)滑或邊界潤(rùn)滑。但事實(shí)上并非如此。當(dāng)時(shí)人們發(fā)現(xiàn)，橫渡大西洋的QueenMary號(hào)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(rèn)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(diǎn)、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(diǎn)、線接觸的平均應(yīng)力將比滑動(dòng)軸承大1000倍左右。這樣高的壓力，必然會(huì)影響其工作性能。對(duì)此，應(yīng)用于滑動(dòng)軸承的流體動(dòng)壓潤(rùn)滑理論已不再適用。人們發(fā)現(xiàn)，高壓會(huì)使?jié)櫥瑒┑恼扯仍龈撸瑥亩龃?zēnɡdà)油膜厚度；同時(shí)高壓還會(huì)使接觸體發(fā)生彈性變形?？偨Y(jié)：粘壓效應(yīng)和彈性變形效應(yīng)有利于提高潤(rùn)滑膜的承載能力。共二十二頁(yè)定義一：相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面的彈性變形與流體動(dòng)壓作用都對(duì)潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑性能起著重要作用的一種潤(rùn)滑狀態(tài)。定義二：彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑是指流體進(jìn)入在兩個(gè)相互運(yùn)動(dòng)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(shuō)：凡是表面彈性變形量和最小油膜厚度處在同一量級(jí)上的潤(rùn)滑問題，都屬于彈流問題。彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑理論是流體動(dòng)壓潤(rùn)滑理論的重要發(fā)展，可以說(shuō)彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑是流體膜潤(rùn)滑的一種特殊(tèshū)形式。它主要研究名義上是點(diǎn)、線接觸的摩擦副潤(rùn)滑問題（如齒輪副、滾動(dòng)軸承等）。前面所討論的流體(liútǐ)動(dòng)壓潤(rùn)滑理論及計(jì)算，是假定兩個(gè)潤(rùn)滑表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)仍保持完全的剛性，未產(chǎn)生彈性變形，這在低副接觸時(shí)是正確的。但是，對(duì)于高副接觸，如齒輪、滾動(dòng)軸承等，其比壓很大，運(yùn)用流體(liútǐ)動(dòng)壓潤(rùn)滑理論就不再合適了。低副（面接觸）潤(rùn)滑表面剛性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑理論高副（點(diǎn)、線接觸）潤(rùn)滑表面彈性變形彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑理論共二十二頁(yè)兩個(gè)彈性圓柱的接觸，可等效于一當(dāng)量圓柱和一剛性(ɡānɡxìnɡ)平面的接觸問題，因此在彈流潤(rùn)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(yè)為了分析彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑機(jī)理，首先觀察一下對(duì)偶表面干接觸時(shí)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(yè)

赫茲接觸條件是彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑的主要特點(diǎn)，它建立了接觸面的整個(gè)形狀：先是一個(gè)非常狹長(zhǎng)的收斂區(qū)(進(jìn)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(dòng)壓力將兩對(duì)偶表面隔開，因?yàn)閷?duì)偶表面是收斂的，故對(duì)偶表面能帶人潤(rùn)滑劑而產(chǎn)生流體動(dòng)壓力；隨著收斂區(qū)壓力增大，潤(rùn)滑劑的粘度也隨之升高，粘度越高產(chǎn)生的流體動(dòng)壓力也就越大。當(dāng)潤(rùn)滑劑到達(dá)赫茲區(qū)的前緣時(shí)，潤(rùn)滑劑的粘度便增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，流體動(dòng)壓力便能達(dá)到(dádào)典型值0.14GPa。赫茲區(qū)的最高壓力可高達(dá)典型值1.4GPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于收斂區(qū)能產(chǎn)生的流體動(dòng)壓力。盡管如此，流體動(dòng)壓力還是能將兩對(duì)偶表面隔開，因?yàn)榱黧w動(dòng)壓力能克服赫茲區(qū)前緣的壓力而將前緣分開。潤(rùn)滑劑一旦進(jìn)入赫茲區(qū)，其粘度將迅速增加若干數(shù)量級(jí)而變成玻璃體甚至固體，同時(shí)潤(rùn)滑膜又很薄，且通過赫茲區(qū)的時(shí)間又極短（以ms計(jì)），因此赫茲壓力就沒有足夠的時(shí)間與能力將潤(rùn)滑劑擠壓回去，從而達(dá)到由潤(rùn)滑膜將赫茲區(qū)兩對(duì)偶表面隔開的目的。共二十二頁(yè)結(jié)論：彈性變形和粘度變化的聯(lián)合(liánhé)效應(yīng)可