（机械制造及其自动化专业论文）光弹流润滑实验中智能速度伺服控制的研究与应用.pdf

摘要 摘要 弹性流体动力润滑( 简称弹流润滑) 为点、线接触机械零部件的主要润滑形 式，其油膜厚度与形状是决定机械零部件润滑效率的主要因素。受各种因素的影 响，机械零部件的弹流润滑油膜形状和厚度在工作期间通常是动态多变的。近年 来，弹流润滑的实验研究，特别是动态条件下的油膜测量，已成为提高机械零部 件润滑效率的研究热点。目前在非稳态条件和自旋条件下的弹流润滑实验中，尚 存在测量装置的伺服控制手段简单和实际运动控制效果与实验设计存在较大差别 等问题。为此，对现有变速变载等非稳态条件和自旋条件下的弹流润滑油膜测量 装置的控制系统和控制算法进行改进，对于提高弹流油膜测量系统的测量精度， 以及进一步探索苛刻条件下弹流润滑的基础实验研究和理论分析有较好的实际意 义。 现代数控技术的发展，为高精度弹流润滑油膜测量系统的研制提供了强有力 的软硬件支持。在回顾弹流润滑研究现状的基础上，分析总结了目前国内外学者 主要采用的弹流润滑实验研究方法。根据弹流润滑油膜测量系统对速度控制的特 殊精度要求，结合现代数控技术提出了一种基于智能运动控制理论的弹流润滑实 验伺服运动控制方法，对光干涉弹流油膜测量仪和光干涉自旋弹流油膜测量仪的 运动控制系统进行改进，以探索非稳态和自旋条件下弹流润滑的真实工作状况， 并在预定运动方式下开展弹流油膜厚度和形状随速度、载荷和旋滑比等因素变化 的实验研究。 在光干涉弹流油膜测量系统中，速度伺服系统的控制参数和结构参数是影响 速度伺服系统性能的主要因素，且具有时变性和不确定性，采用单一的控制策略 很难达到提高速度伺服系统的动态性能的目的。在综合自适应控制、模糊控制以 及常规p i d 控制算法优点的基础上，按照模块化设计原则设计出自适应模糊 p i d ( s e l f - a d a p t i v ef u z z yp i d ，s a f p i d ) 智能双模伺服控制算法，对在不同工作状态 下的模糊控制比例因子和规则因子利用m a t l a b 仿真软件进行优化选择调整，使得 整个控制器能够根据系统在不同的响应阶段和性能指标，自动调整控制参数、自 动切换控制算法，以适应速度伺服系统在不同的工作状态下的动态性能要求。 为验证本研究设计的s a f p i d 智能双模速度伺服控制算法的有效性，首先利 j i 光弹流润滑实验中智能速度伺服控制的研究与应用 用m a t l a b 仿真软件对速度伺服系统在实际工况下的性能进行模拟分析：通过仿真 智能双模控制器的阶跃响应曲线和误差响应曲线验证整个控制算法的快速性、稳 定性和准确性；通过人为在不同时间段加若干不同程度的干扰信号模拟控制结构 参数和负载质量等主要参数的时变性和不确定性，以此验证整个控制器在不同响 应阶段的控制参数自动调整、控制算法切换、系统的跟随精度和速度伺服系统的 抗干扰能力。将此智能速度伺服控制算法用于控制纯滑动条件下的弹流润滑启动 过程，以期与经典的实验结果和数值分析结果相比较，初步验证算法的有效性。 将s a f p i d 智能双模控制算法用于光干涉弹流油膜测量仪，在周期间歇卷吸 条件下开展了弹流润滑的实验研究，发现了以下问题：周期性的间歇卷吸运动导 致弹流接触区存在明显的封油现象；启动过程的速度干扰效应可产生局部增厚油 膜，该局部油膜以卷吸速度通过赫兹接触区；在动态间歇卷吸条件下界面滑移仍 可产生入口凹陷：入口凹陷的出现与速度和一个周期的高速段的持续时间有关； 间歇卷吸运动中滑移产生的凹陷不随表面移动。 在光干涉自旋弹流油膜测量仪上应用s a f p i d 智能速度伺服控制算法，研究 了自旋对油膜形成过程的影响并得出以下结论：通过实验验证了在传统滚动滑动 弹流润滑研究时钢球玻璃盘接触条件下的自旋运动可以通过调节球盘接触中心与 旋转中心间的偏心距的大小来进行抑制，并且旋滑比的大小亦由偏心距来控制； 当旋滑比增大时，传统弹流润滑研究所观测到的经典马蹄型油膜形状发生了严重 扭曲，并且旋滑比越大，油膜厚度越薄；油膜厚度对卷吸速度的依赖关系在很大 程度上受旋滑比的影响，较低侧的油膜厚度具有较大的速度指数，并且随着旋滑 比的减小，两侧的速度指数趋于相近，高速时，垂直于卷吸速度方向两侧的油膜 厚度的差别也越大：实验结果表明，在弹流润滑接触条件下载荷的增加会加重旋 滑的效果，导致两侧的油膜厚度差别加大，油膜厚度减小，马蹄型外观更加扭曲。 关键词：光干涉弹性流体动力润滑界面滑移周期间歇卷吸 自旋 自适应模糊p i d 控制 智能双模速度伺服 a b s t r a c t a b s t r a c t e l a s t o h y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o n ( e h l ) i st h em a i nl u b r i c a n ts t y l ef o rt h o s ep a r t s h a v i n gp o i n to rl i n ec o n t a c t s i nt h i sc a s e ，f i l mt h i c k n e s sa n ds h a p ea r et h em a j o rf a c t o r s a f f e c t i n gt h el u b r i c a t i n ge f f i c i e n c yo fm a c h i n e r yc o m p o n e n t s i n f l u e n c e db ys o m e f a c t o r s ，t h ef i l ms h a p ea n dt h i c k n e s si ne h lf o rm a n ym a c h i n e r yc o m p o n e n t sa r e d y n a m i cc h a n g e d i nr e c e n ty e a r s ，r e s e a r c h e so ne l a s t o h y d r o d y n a m i cl u b r i c a t e d c o n t a c t su n d e rd y n a m i cc o n d i t i o n sh a v eb e e nf o c u s e d f o rm o s to p t i c a le h lt e s tr i g s ， t h ec u r r e n tu s e ds e r v oc o n t r o lm e t h o d sa r es os i m p l et h a tt h ee r r o rb e t w e e nt h e r e f e r e n c ea n dt h ea c t u a lm o t i o ni sl a r g et os o m ee x t e n t t h e r e f o r e ，t h em o t i o nc o n t r o l s y s t e m ，a sw e l la st h ec o n t r o la l g o r i t h m ，i si m p r o v e df o rt h es u b s i s t e n tt e s tr i g su s e d u n d e ru n s t e a d yo rs p i n n i n gc o n d i t i o n s a sar e s u l t ，t h em e a s u r i n ga c c u r a c yo ff i l m t h i c k n e s sa n ds h a p ec o u l db ei m p r o v e d , a n dt h ef o l l o w i n gr e s e a r c ho ne h l p r o b l e m s u n d e rm o r er i g o rc o n d i t i o n sc o u l db ec a r r i e do ni nf u t u r e t h ea d v a n c e m e n to fm o d e r nn u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n i q u e ，f u l l y s u p p o r tt h e d e v e l o p m e n to fh i g h a c c u r a c ye h l t e s tr i gi nb o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r e b a s e do nt h e r e v i e wo fe h lr e s e a r c h e s ， m a n yc u r r e n t l yu s e de h le x p e r i m e n t a lm e t h o d sa r e a n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h es p e c i a la c c u r a c yo fs p e e dc o n t r o li ne h le x p e r i m e n t ，a n u m e r i c a lc o n t r o l l e ds p e e ds e r v om e t h o di sp r o p o s e d ，w h i c hi sb a s e do nt h ei n t e l l i g e n t m o t i o nc o n t r o lt h e o r y b o t hm u l t i b e a mo p t i c a li n t e r f e r e n c ee h lt e s tr i g sw i t h o u to r w i t hs p i na r er e d e s i g n e du s i n gt h i sn e ws c h e m e ，i no r d e rt or e v e a lt h er e a ln a t u r eo f e h lp h e n o m e n au n d e ru n s t e a d yo rs p i n n i n gc o n d i t i o n s ，a n dt op e r f o r mt h ec o r r e l a t i v e e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nt h ef i l mt h i c k n e s sa n ds h a p eb yc h a n g i n gs p e e d ，l o a da n d s p i n n i n g s l i d i n gr a t i o i nt h ef i l mt h i c k n e s sm e a s u r e m e n ts y s t e m ，p a r a m e t e r so fc o n t r o la n ds t r u c t u r eo f t h es p e e ds e l - v os y s t e ma r et h em a i nf a c t o r st h a ta f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m ， a n da r eo ft i m ev a r i a t i o na n du n c e r t a i n t y a sar e s u l t ，as i m p l ec o n t r o lm e t h o dc a nn o t i m p r o v et h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fs p e e ds e r v os y s t e m i n t e g r a t e dt h ea d v a n t a g e so f s e l f - a d a p t i v ec o n t r o l ，f u z z yc o n t r o la n dp i dc o n t r o l ，a ni n t e l l i g e n td u a lm o d u l en c s e r v oc o n t r o l l e r , c a l l e ds e l f - a d a p t i v ef u z z yp i d ( s a f p i d ) c o n t r o l l e ri sd e s i g n e d i v 光弹流润滑实验中智能速度伺服控制的研究与应用 a c c o r d i n gt ot h em o d u l a rd e s i g np r i n c i p l e b o t hf u z z yp r o p o r t i o na n dr u l eg e n ec a n b e a d j u s t e da u t o m a t i c a l l yb ym a t l a bs o f t w a r e u n d e rd i f f e r e n tw o r k i n gs t a t e s ot h e s a f p i dc o n t r o l l e rc a l lc h a n g ep a r a m e t e r sa n ds w i t c hc o n t r o lm e t h o d sa u t o m a t i c a l l y f o rt h es a k eo fa d a p t i n gt h es y s t e md y n a m i cp e r f o r m a n c e si nt h ed i f f e r e n tw o r ks t a t u s t ov a l i d a t et h ep r o m o t e ds a f p i dc o n t r o l l e r , m a t l a bi su s e dt os i m u l a t et h es p e e d s e r v oc o n t r o lf i r s t l y t h es t e pr e s p o n s ea n de r r o rr e s p o n s eo fs a f p i dc o n t r o l l e rc a n i n d i c a t et h ep e r f o r m a n c eo fr a p i d ，s t e a d ya n da c c u r a c y s o m ed i s t u r b a n c e sa r ei m p o r t e d r a n d o m l yt os i m u l a t et h et i m ev a r i a t i o na n du n c e r t a i n t yo fm a i np a r a m e t e r s ，s u c h 簦 c o n t r o la n dl o a d s ot h ei n t e r f e r e n c ek i l l i n gf e a t u r e so fs p e e ds e r v oc o n t r o lc a nb e v a l i d a t e d ，s u c h 嬲t h ea u t oa d j u s t m e n to fc o n t r o lp a r a m e t e r s ，a u t os w i t c ho fc o n t r o l a r i t h m e t i c ，a n dt h et r a c k i n gp r e c i s i o no fs e r v es y s t e m t h e nt h ep r o p o s e ds a f p i d c o n t r o l l e ri su s e dt oc o n t r o lt h es t a r tu pp r o c e s so fe h li np u r es l i d i n gc o n d i t i o n ，i n o r d e rt oc o m p a r ew i t ht h et r a d i t i o n a lr e s u l t so fe x p e r i m e n ta n dn u m e r i c a la n a l y s i s ，a n d t ot e s tt h i ss m a r tc o n t r o l l e rp r e l i m i n a r i l y e x p e r i m e n t a lo b s e r v a t i o no fe h l f i l m su n d e rc y c l i ci n t e r m i t t e n te n t r a i n m e n ti s c a r r i e do u tt ov a l i d a t et h ep r o m o t e ds a f - p i dc o n t r o l l e r , a n dt h r e ek i n d so fl o c a lf i l m d i m p l e sh a v eb e e ni d e n t i f i e d i ti sd i s c o v e r e dt h a ti n t e r m i t t e n ts t o p so ft h eb o u n d i n g s u r f a c e sg e n e r a t ec l e a rl u b r i c a n te n t r a p m e n ta n dt h e nf i l md i m p l ed u et os q u e e z ee f f e c t ， a n dp u r er o l l i n gp r o d u c e dl a r g e re n t r a p m e n tt h a nt h a tb yp u r es l i d i n g a n o t h e rl o c a l f i l md i m p l ep r o d u c e di nt h es t a r t u pp r o c e s sh a sa l s ob e e nd e m o n s t r a t e d , w h i c hi s a t t r i b u t e dt ot h ev e l o c i t yp e r t u r b a t i o n t h ep e a kv e l o c i t yi nt h ev e l o c i t yo s c i l l a t i o n r e s u l t si na l li n s t a n t a n e o u sl a r g e rl u b r i c a n te n t r a i n m e n ta n dt h e r e f o r el o c a lf i l md i m p l e t h er e s u l t a n tc r e s c e n t - s h a p e df r i n g em o v e st h r o u g ht h eh e r t z i a nc o n t a c tr e g i o na tt h e e n t r a i n m e n ts p e e d w h e np u r ed i s cs l i d i n gi se m p l o y e d ，ac y c l i ci n l e td i m p l ea p p e a r s d u et ob o u n d a r ys l i p p a g ee f f e c t t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eg e n e r a t i o no ft h ei n l e t d i m p l eh a ss t r o n gd e p e n d e n c eo nt h es p e e d sa n dt h et i m ei n t e r v a lb e t w e e nt w os t o p s u n l i k et h o s et w od i m p l e s ，t h ei n l e td i m p l eb yt h eb o u n d a r ys l i p p a g ed o e sn o tm o v e t h r o u g ht h e c o n t a c tr e g i o nw i t ht h em o v i n gs u r f a c e i na d d i t i o n ，t h ee x p e r i m e n t s d i s p l a y e dt h a tt h ev e l o c i t yp e r t u r b a t i o ne f f e c t f r o mas u d d e ns t a r t u pw a sl a r g e l y d e p r e s s e du n d e rc o n d i t i o n so fp u r ed i s cs l i d i n g t h eo b s e r v e dp h e n o m e n ac a nb e a b s t r a c t v e x p l a i n e db yt h es q u e e z ee f f e c t ，t h ee n t r a i n m e n te f f e c ta n dt h ew a l ls l i p p a g e a p p l i e dt h es a f p i di n t e l l i g e n ts p e e d s e r v oc o n t r o lt e c h n o l o g y , t h ef i l mt h i c k n e s s o fas l i d i n ge h lc o n t a c tw i t hs p i nh a sb e e nm e a s u r e db yo p t i c a li n t e r f e r e n c e ，a n dt h e e f f e c t so ft h es p i no nt h ef i l mb u i l d i n gu pa r es t u d i e d t h em a i nr e s u l t sa r es u m m a r i z e d a sf o l l o w s i ti sd e m o n s 仃a t e dt h a ti nab a l l - o n - d i s cc o n f i g u r a t i o ns p i nm o t i o nc a nb e s u p e r i m p o s e do nt h ec o n v e n t i o n a lr o l l i n g s l i d i n ge h lj u s tb ya l lo f f s e to ft h ec o n t a c t c e n t e rw i t hr e s p e c tt ot h ed i s cr o t a t i o nc e n t e r , a n dt h es p i nl e v e li sc o n t r o l l e db yt h e o f f s e t t h ee h lf i l ms h a p ei so b v i o u s l ys k e w e dw h e ns p i nm o t i o ni si n c r e a s e d ，a n dt h e s y m m e t r yo ft h ec o n v e n t i o n a ls i d el o b e sg e t sl o s t o b v i o u sf i l mt h i c k n e s sr e d u c t i o nc a l l b eo b s e r v e dw h e ns p 访l e v e li sh i g h t h ef i l mt h i c k n e s sd e p e n d e n c e so ne n t r a i n m e n t s p e e d sa l es i g n i f i c a n t l yi n f l u e n c e db yt h es p i nr a t i o 岛t h ef i l mt h i c k n e s sa tt h el o w s i d el o b eh a st h el a r g e s ts p e e di n d e x w i t hd e c r e a s i n gs p i nm o t i o n ，t h es p e e di n d i c e so f t h et w os i d el o b e sg e t sc l o s e a th i g hs p e e d s ，t h ef i l mt h i c k n e s sd i f f e r e n c eo ft h et w o s i d el o b e si s l a r g e i nt h ep r e s e n te x p e r i m e n t s ，i n c r e a s i n gl o a d sc a ni n d u c em o r e e f f e c t i v es p i ne f f e c tw i t h i nt h ee h lc o n t a c t ，a n dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h et w os i d e l o b ef i l mt h i c k n e s s e sg e t sl a r g ea n dt h eh o r s e s h o ef i l ms h a p ei sm o r ed i s t o r t e d t h e s p i nr a i s e db yl o a dd e c r e a s e st h eo v e r a l lf i l mt h i c k n e s s k e y w o r d s ：o p t i c a li n t e r f e r e n c ee l a s t o h y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o n w a l ls l i p p a g e c y c l i ci n t e r m i t t e n te n t r a i n m e n ts p i ns e l f - a d a p t i v ef u z z yp i dc o n t r o l i n t e l l i g e n td u a lm o d u l es p e e ds e r v o 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：酬 日期 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名： 导师签名： 日期三“ 日期翌翌：堑 j 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 机械设备是工业生产中最重要的物质基础之一。机械设备中的有害摩擦将严 重影响机械设备运行的精度与稳定性。研究表明目前世界使用的能源大约有 1 3 1 2 消耗于摩擦。由于摩擦，物体的运动过程和系统动态特性受到影响，机械 所传递的一部分能量因克服摩擦阻力而消耗，同时引起机械发热；由于摩擦，机 械零部件的表面磨损损坏和材料损耗，机械产品的易损零件大部分是由于磨损超 过限度而报废和更换的，如果能控制和减少磨损，则既减少设备维修次数和费用， 又能节省制造零件及其所需材料的费用。摩擦的难以控制性曾被这样形象的描述： t h eg o dm a d es o l i d s ，b u tt h es u r f a c e sw e r em a d eb yd e v i l 。如果能够尽力减少无用 的摩擦消耗，便可节省大量能源，减少大量的机械零部件损耗。润滑技术通过在 相互摩擦表面之间施加润滑剂而形成润滑膜，藉以避免摩擦表面直接接触，构建 具有较高法向承载能力和尽可能低的切向阻力的界面层，达到减少摩擦磨损的目 的。同时，润滑膜还具有散热、除锈、减振和降噪等作用。因此，润滑设计对于 节约能源和原材料，延长机械设备使用寿命和提高工作可靠性具有重要意义。 人类很早以前就学会了在生产实践中利用润滑技术，西汉淮南子中最早 出现了“润滑 一词。早期人们采用动植物油脂作为润滑剂，中国在春秋时期已 经普遍地应用动物脂肪来润滑车轴，但长久以来有关摩擦、磨损与润滑的研究进 展缓慢，直到1 5 世纪，意大利的列奥纳多达芬奇才开始把摩擦学引入理论研究 的途径。1 7 8 5 年，法国库仑继前人的研究，用机械啮合概念解释干摩擦，提出摩 擦理论。后来又有人提出分子吸引理论和静电力学理论。1 9 世纪中叶随着油井开 发和石油炼制技术的进步，石油润滑剂得到了广泛的应用，从而推动了润滑理论 和应用技术的发展。关于润滑的研究，英国的雷诺于1 8 8 6 年继前人观察到的流体 动压现象，总结出流体动力润滑理论【l - 3 】。1 9 3 5 年，英国的鲍登等人开始用材料 粘着概念研究干摩擦，1 9 5 0 年，鲍登提出了粘着理论【4 】。2 0 世纪5 0 年代普遍应 用电子计算机之后，线接触弹性流体动力润滑的理论开始有所突破。1 9 6 5 年首次 提出t r i b o l o g y ( 摩擦学) 一词，简要地定义为“关于摩擦过程的科学 。1 9 6 6 年， j o s t 报告1 5 】的发表标志着摩擦学作为- 1 7 独立学科的形成。此后，它作为- - 1 7 独 立的学科受到世界各国普遍重视，摩擦学理论与应用研究进入了一个新的时期。 作为研究相对运动的物体相互作用表面间的摩擦、润滑和磨损，以及三者间 相互关系的理论与应用的边缘学科，摩擦学是- - fj 实践性很强的技术基础科学， 2 光弹流润滑实验中智能速度伺服控制的研究与应用 它的形成和发展与社会生产要求和科学技术的进步密切相关1 4 6 。7 1 。摩擦学涉及 许多学科，如物理、化学、材料、机械工程和润滑工程等。随着科学技术的发展， 摩擦学的理论和应用必将由宏观进入微观，由静态进入动态，由定性进入定量， 成为系统综合研究的领域。1 8 世纪的特点是以实验为基础的经验研究模式。1 9 世纪末，开创了基于连续介质力学的研究模式。到了2 0 世纪2 0 年代以后，发展 成为涉及力学、热处理、材料科学和物理化学等的边缘学科，从此开创了多学科 综合研究的模式。 摩擦、磨损和润滑三者之间有着密切联系，有效的润滑可以减少机械零部件 的摩擦、磨损，减少传递能量耗损。按润滑油膜形成机理不同，润滑可分为流体 动力润滑、流体静压润滑、弹性流体动力润滑、边界润滑和固体润滑五种基本类 型 8 - 1 0 】，各种润滑类型在自然界中广泛存在。弹性流体动力润滑 ( e l a s t o h y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o n ，缩写为e h l ) ，简称弹流润滑，是广泛存在于高 副接触零部件( 如轴承和齿轮) 的润滑中点、线接触中弹性表面间的流体动力润 滑【4 ，1 1 - l ”。弹流润滑油膜的形成与两接触表面的相对运动参数( 如卷吸速度等) 、 物理参数( 如润滑剂粘度、密度，极限剪应力等) 、接触表面几何与化学特性、接 触区温度分布及润滑剂的化学特性等情况密切相关，如一般情况下两固体表面相 对滑动会诱发热效应，对润滑油膜的形成产生不利影响。 1 9 世纪8 0 年代，在机械学科领域几乎同时出现了两个重要理论：r e y n o l d s 流体润滑理论和h e r t z 弹性接触理论。长期以来，这两个理论分别被应用于处理 不同接触表面的摩擦学设计问题，其中r e y n o l d s 理论被应用于面接触摩擦副如滑 动轴承的润滑设计；而h e r t z 理论被应用于集中载荷作用的点、线接触摩擦副， 如齿轮、滚动轴承的接触疲劳磨损设计。经过长期的探索，直到二十世纪四十年 代末期，e r t e l 和f p y 6 n n 首次将r e y n o l d s 方程与h e r t z 接触两个理论相耦合，在 考虑表面弹性变形和润滑剂粘压效应的前提下，相继获得了线接触问题的弹流润 滑近似解，即弹性流体动力润滑理论( 简称弹流润滑理论) 。此后，弹流润滑研究 在理论和实验方面都迅速得到了发剧乳1 0 】，并且弹流润滑理论分析与实验研究相 互促进、相互依赖、相互制约：理论分析的正确性及其预言需要实验研究来证实， 实验研究的新现象需要发展的理论来解释【l4 1 。 弹流润滑油膜存在于集中载荷作用下的微小接触区，其厚度小、压力大、剪 切率高，以及润滑剂通过接触区的时间短，处于这种状态的润滑问题显然与理想 模型的条件相差很大，其中热效应、润滑剂的非牛顿性、表面粗糙度以及非稳态 工况等对弹流润滑的影响成为不可忽略的因素。至今，综合考虑热效应、表面形 貌效应、时变效应、润滑剂流变特性等因素的现代弹流润滑理论基本形成，并在 进一步完善的基础上向着更接近实际工况的方向发展。通过对各种工况下弹性流 体动力润滑进行理论分析和实验研究，找出影响弹性流体动力润滑的因素和机理， 第一章绪论 对于减小有害摩擦、降低磨损、提高机械零件的使用寿命和生产效率具有重大的 现实意义1 1 5 - 2 1 】。 1 2 弹流润滑的研究现状 1 2 1 稳态，准稳态弹流润滑的研究现状 二十世纪五十到六十年代，d o w s o n 等i ”通过线接触数值分析获得弹流油膜 的经典特征中央扁平接触区，出口颈缩和二次压力峰，如图1l ( a ) 所示。稍 后c r o o k 的电容法实验证明了d o w s o n 等理论分析的正确。2 0 世纪6 0 年代， c m n e r o n 等2 3 ，2 ”首次利用光干涉技术成功观测到典型的点接触弹流油膜的经典 马蹄形特征，如图1 1 ( b ) 所示。1 9 7 2 年，c h i u 和s i b l 一2 8 用粘性聚丁烯润滑油 ( a ) 沿卷吸方向的压力和油膜变化图( b ) 干涉图 图11 弹流油膜的经典特征瞄圳 在光学弹流测量仪上进行了超低卷吸速度试验，发现纯滚动条件形成经典的马蹄 形油膜，而玻璃盘纯滑动形成接触区中心凹陷的油膜，如图l _ 2 ( a ) 所示。2 0 世纪 9 0 年代以后k a n e t a 等i “- 27 i 用不同型号的润滑油完成了类似的实验，都得到了中 央凹陷，如图12 ( b ) 所示，但其选用了粘度较低的润滑油和中等滑动速度。c h i u 和s i b l e y 用法向应力对油膜凹陷进行了定性解释，而k a n e t a 等最初认为是挤压效 应的作用，后来又认为是由于润滑油固化和界面滑移效应，但他们都没有具体的 数值结果加以证实。其后，l o r d t ”i 、e h r e t 和b a u g e t 2 9 1 也进一步实验证实了这 种凹陷。近几年，杨沛然等m ”】同时考虑粘度沿膜厚方向变化的r e y n o l d s 方程 和能量方程，得到了反向滑动零卷吸条件下点接触热弹流问题的数值解，其理论 结果与实验干涉图像的良好吻合( 图13 ) 表明热粘度楔是形成凹陷的主要机理。 光弹流润滑实验中智能速度伺服控制的研究与应埘 值得注意的是，早期的讨论认为c h i u 和s i b l e y 的实验与k a n e t a 等的实验来源于 同一机理i 她”删。但若对两个实验中的粘性发热进行比较，不难发现在c h i u 和 s i b l e y 的实验中，油膜的剪切发热量仅为k a n e t a 等人实验的约1 ，很难产生有 效的热粘度楔因此c l a i u 和s i b l e y 的实验中的反常油膜应当另找原因。 ( a ) 盘纯滑动时c h i u 和s i b c l y 的凹陷干涉图 巾) 盘纯滑动时k a n e t a 的凹陷干涉图 图12 实验发现的带有凹端的油膜 在2 0 世纪9 0 年代早期，弹流数值分析中也出现了一类反常的带有入口凹陷 的油膜形状。这种入口凹陷的出现是由于在数学模型中考虑了润滑油的极限剪应 力和由其引起的界面滑移效应。1 9 9 0 - 1 9 9 2 年，h a m r o e k 的研究小组利用提出的 c i r c u l a r 极限剪应力流变模型( 图i4 ) 进行了一系列的弹流数值分析1 3 4 , 3 5 i ，揭 一 。麓 ? 翁 ( a 1k a n e t a 的实验结果 ihuhihq 1ii曼嗣蝴 第一章绪论 ( b ) 杨沛然的数值分析结果 图13 扬沛然等的数值解与k a n e t a 等的实验结果之比较0 0 图14 基tc ir c u l a r 极限剪庸力流变模型的弹流数值解 示出随着滑滚比的增加，压力峰将消失，入口压力梯度变大而产生凹陷，接触区 6 光弹流润滑实验中智能速度伺服控制的研究与应用 油膜形状不再是平行的。此后，人们用不同的极限剪应力流变模型也都得到了相 似的入口凹陷，如e h r e t 3 6 1 ，z h a n g 和w e n t 3 7 1 及s t a h l 和j a c o b s o n 38 】的分析。这 些结果还显示，当滚滑比增大时，中央接触区会出现凸出现象，即油膜厚度大幅 度减小，使最小油膜厚度的位置由传统的颈缩处转到中心区。在上述理论分析中， 反常的油膜形状来自于润滑油的极限剪应力和由其引起的界面滑移，而在经典的 理论分析中，雷诺方程的求解使用速度边界条件，即润滑油与固体表面不存在滑 移。该类反常的油膜形状的提出对经典弹流理论中油膜形状的唯一性提出了挑战。 在实际工程中，苛刻条件下弹流润滑并不少见，如重载和高滑动1 3 妯。基 于摩擦力的测量，s m i t h 6 2 】推测极端工况下弹流接触区内润滑油极限剪应力界面 滑移的存在。s h i e h 和h a m r o c k 3 5 1 ，z h a n g 和w e n 3 7 1 以及s t a h l 和j a c b s o n 3 8 1 等人 在弹流计算中考虑了润滑油极限剪应力界面滑移特性，提出了一种带有入口凹陷 的理论弹流油膜，这与经典的弹流理论相矛盾。常规弹流润滑实验很难实现工程 中的高压和高滑动等极端条件，从未显示出此类油膜形状的存在。 在与c h i u 和s i b l e y 相似的超低速条件下，g u o 和w o n g 6 3 朋】完成了特别设 计的实验，成功观测到了带有入1 3 凹陷的弹流油膜( 图1 5 ) 。与c h i u 和s i b l e y 的法向应力机理不同，g u o 等认为此入口凹陷是由于界面滑移引起，即前述理论 分析中的入i ：l 凹陷实际上是存在的。近期g u o 与w o n g 又成功地观测到了在大滑 滚比条件下中央油膜的下凸现象【6 5 】( 图1 6 ) 。分析中，g u o 与w o n g 提出了等 效粘度楔的概念【6 3 ，6 5 】，即由于润滑油的极限剪应力性质引起的等效粘度在邻近 固体界面处的迅速下降造成入1 3 凹陷的形成。v a g i 和v e r g n e 叫在实验中使用十 二烷醇也得到了油膜的入口凹陷，上述实验的油膜都是在准稳态弹流条件下测得。 x p m 图1 5 带有入口凹陷的弹流油膜1 6 3 6 7 1 ul毒sso立u_若暑il 第一章绪论 7 喜 蔷 图1 6 中央油膜的下凸现象【6 5 】 1 2 2 非稳态弹流润滑的研究现状 实际工程中，由于载荷和速度的波动或润滑表面的微观不平等其它各方面原 因，实际的弹流润滑本质上为一非稳态过程，研究非稳态工况的弹流润滑同样非 常重要的。受各种非稳态工况的影响，动态弹流润滑表现形式多样，其中的一类 是润滑表面的非稳态运动引起的润滑油膜形状和厚度的变化，如机器的启动与停 止过程和周期运动等都会产生油膜厚度和形状的改变【6 8 ，6 9 】。数值计算方法促进 了动态弹流的理论发展【7 鸺3 1 ，而数值计算的核心技术是多重网格法【8 4 9 1 ，多重 网格法可以解决综合考虑多种因素的点、线接触弹流润滑问题。删 9 0 l 在g r u b i n 近似值的基础上推导出非稳态弹流润滑方程。许