（机械制造及其自动化专业论文）基于面接触的颗粒流润滑试验研究及颗粒破坏过程数值模拟.pdf

基于面接触的颗粒流润滑试验研究及颗粒 破坏过程数值模拟 摘要 论文针对国内外颗粒流润滑研究的状况、提出利用端面摩擦实验机对颗粒 润滑方式开展摩擦学研究，并采用离散元数值分析技术，以颗粒为研究对象， 对其破坏过程进行模拟。 首先，在完成对端面接触摩擦副的结构进行改进设计后，利用该实验机开 展了以下几个方面的实验研究：颗粒的介入性、颗粒润滑与其它润滑方式的比 较、不同物性的颗粒、不同粒径的同种颗粒和不同工况对粉末颗粒膜的影响等。 结果表明：粉末可以在一定工况范围内动态进入摩擦副，实现润滑膜补偿和修 复，体现出与固体润滑膜、自润滑材料类似的无油固体润滑效果。但是粉末颗 粒的结构和粒径大小对颗粒的润滑效果有很明显的影响，层状结构和粒径大的 粉末颗粒的润滑效果更好。并在实验数据范围内建立粉末的润滑和失效准则。 其次，为了能直观的观察到润滑中颗粒的破坏情况，本文基于离散单元法 建立颗粒破坏模拟模型，实现对颗粒破坏过程的动态模拟。并重点考察了边界 粗糙度、边界速度、边界下压位移和颗粒内部粘接强度对颗粒破坏的影响。模 拟结果表明，颗粒在一定条件下可以出现破坏，且破坏形式是从颗粒中间开裂 逐渐形成一倾斜的剪切带。通过边界条件变化和粘接强度的变化对颗粒破坏影 响的讨论分析，确定几个关键因素对颗粒破坏的影响程度和实现颗粒破坏参数 范围的确定，以期对颗粒的破坏做出准确的预测并能对粉末润滑时边界条件的 确定提供指导。 关键词：颗粒流润滑面接触离散元仿真颗粒破坏 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho np a r t i c l ef l o w l u b r i c a t i o n i np l a n ec o n t a c ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no f particle d a m a g e a b s t r a c t t h e p r o p e r t i e so fp a r t i c l el u b r i c a t i o ni ss t u d i e db a s e do ne n d 。f a c et r i b o t e s t e ri n t h i st h e s i s ，a n dt h ep r o c e s so ft h ep a r t i c l ed a m a g ei ss i m u l a t e db yu s i n gt h ed i s c r e t e e l e m e n tn u m e r i c a la n a l y s i st e c h n i q u e s f i r s t ，t h es t r u c t u r ed e s i g no fs a m p l ef o rt h ep l a n ec o n t a c tt r i b o p a i ri sc a r r i e d o u t t h ee f f e c to ft h ei n t r o d u c t i o no fp a r t i c l e s 、p a r t i c l e sp r o p e r t i e s 、p a r t i c l es i z e a n dp o w d e rf i l mo nl u b r i c a t i o np r o p e r t i e si ss t u d i e d c o m p a r i s o nb e t w e e np a r t i c l e l u b r i c a t i o na n do t h e rl u b r i c a t i o ni sa l s op e r f o r m e d t h er e s u l t ss h o wt h a tp a r t i c l e c a nr e a l i z et h ec o m p e n s a t i o na n dr e h a b i l i t a t i o no fl u b r i c a t i o nf i l mb ye n t e r i n gt h e t r i b o p a i rd y n a m i c a l l ya n ds h o wt h es i m i l a rl u b r i c a t i o ne f f e c tw i t ht h a to fs o l i d l u b r i c a t i o nf i l ma n ds e l f - 1 u b r i c a t i n gm a t e r i a l t h es t r u c t u r ea n ds i z eo ft h ep a r t i c l e h a v ea no b v i o u s l yi m p a c to nt h el u b r i c a t i n ge f f e c t ，a n dl a y e r e ds t r u c t u r ea n dl a r g e s i z ep o w d e rh a v eab e t t e rl u b r i c a t i o n a tl a s t ，t h el u b r i c a t i o na n df a i l u r ec r i t e r i o n o fp o w d e ri se s t a b l i s h e db a s e do ne x p e r i m e n t a ld a t a s e c o n d l y ，i no r d e rt od i r e c t l yo b s e r v et h ep a r t i c l ed a m a g ei nt h el u b r i c a t i o n r e g i o n ，ap a r t i c l ed a m a g em o d e lb a s e do nd i s c r e t ee l e m e n tm e t h o di se s t a b l i s h e d a n dt h ed y n a m i ct h ed a m a g ep r o c e s so fp a r t i c l ei ss i m u l a t e d t h ei n f l u e n c eo f b o u n d a r yr o u g h n e s s 、b o u n d a r ys p e e d 、b o u n d a r yd i s p l a c e m e n ta n dp r e s s u r ea n dt h e i n t e r n a lb o n d i n gs t r e n g t ho fp a r t i c l eo np a r t i c l ei ss t u d i e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h ep a r t i c l ed a m a g ep r o c e s sb e g i n sw i t ht h ef o r m a t i o no fag r a d u a l l ys l o p i n g s h e a rb a n di nt h em i d d l eo ft h ep a r t i c l e t h r o u g hd i s c u s s i o noft h ee f f e c to f v a r i a t i o n so ft h eb o u n d a r yc o n d i t i o n sa n db o n d i n gs t r e n g t ho nt h ep a r t i c l ed a m a g e ， s e v e r a lk e yf a c t o r so nt h ep a r t i c l ed a m a g ea r ei d e n t i f i e d ，a n dt h ep a r a m e t e rr a n g e o fp a r t i c l ed a m a g ei sd e t e r m i n e d ，t h er e s u l t sc o u l dp r o v i d ef o u n d a t i o nf o rf o r e c a s t s t h ep a r t i c l ed a m a g ea n db o u n d a r yc o n d i t i o nf o rp a r t i c l el u b r i c a t i o na n a l y s i s k e y w o r d ：p a r t i c l ef l o w ，l u b r i c a t i o n ，p l a n ec o n t a c t ，d i s c r e t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ， p a r t i c l ed a m a g e 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图2 1 5 图2 1 6 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 插图清单 m q 8 0 0 端面摩擦磨损试验机测试软件主测试界面7 试样结构图7 端面接触示意图8 粉末介入摩擦副的验证1 2 变载和变速工况下摩擦系数的变化曲线1 2 变载和变速工况下温度曲线1 3 下试样表面原始图片和微观照片1 4 三种粉末的润滑特性1 4 三种不同粉末的磨损表面形貌图：1 5 不同粒径石墨粉末的润滑特性1 6 四种不同粒径的石墨粉末磨损表面形貌1 6 载荷对粉末膜破坏的影响1 7 不同载荷的粉末膜1 7 转速对粉末膜破坏的影响1 8 不同转速的粉末膜1 9 工况对粉末润滑影响的状态图1 9 颗粒和颗粒的接触2 5 颗粒和墙体的接触2 5 颗粒墙接触单位法向量的确定2 6 颗粒接触点的本构关系3 3 颗粒间平行连接模型j 3 4 颗粒模型3 7 颗粒不平衡力曲线3 7 p f c 模型3 8 一维质点弹簧体系3 9 无限序列的质点一弹簧体系4 0 颗粒破坏过程图4 1 摩擦力和承载力随时步的变化4 2 摩擦系数随时步的变化4 2 监控颗粒在x 和y 方向的不平衡力变化4 2 平均接触力随时步的变化4 2 孔隙率随时步的变化4 3 接触颗粒数随时步的变化4 3 图4 1 3 图4 1 4 图4 15 图4 1 6 图4 1 7 图4 18 图4 2 0 图4 2 1 图4 2 2 图4 2 3 图4 2 4 图4 2 5 图4 2 6 图4 2 7 图4 。2 8 图4 2 9 图4 3 0 图4 3 1 图4 3 2 图4 3 3 图4 3 4 图4 3 5 图4 3 6 图4 3 7 图4 3 8 图4 3 9 图4 4 0 颗粒在不同粗糙度下的破坏过程图4 6 不同粗糙度下摩擦力和承载力的变化4 7 不同粗糙度下摩擦系数的变化4 7 不同粗糙度下接触摩擦功的变化4 7 不同粗糙度下平均接触力的变化4 7 不同粗糙度下孔隙率的变化4 8 不同边界速度下颗粒的破坏过程图5 0 不同速度下摩擦力和承载力的变化5 0 不同速度下摩擦系数的变化5 0 接触摩擦功随速度的变化5 1 平均接触力随速度的变化5 1 孔隙率随速度的变化5 l 颗粒接触数随速度的变化5 l 不同下压位移时颗粒的破坏过程5 3 不同下压位移下摩擦力和承载力的变化5 4 不同下压位移下摩擦系数的变化一一5 4 接触摩擦功随下压位移的变化5 4 平均接触力随下压位移的变化5 4 平均颗粒接触数随下压位移的变化5 5 孔隙率随下压位移的变化5 5 不同粘接强度下颗粒的破坏过程5 7 不同粘接强度下摩擦力和承载力的变化5 7 不同粘接强度下摩擦系数的变化5 7 接触摩擦功随粘接强度的变化5 8 平均接触力随粘接强度的变化5 8 孔隙率随粘接强度的变化5 8 颗粒接触数随粘接强度的变化5 8 表2 1 表2 2 表4 1 9 o o 1 4 单 一 清 格 表 豇 设 一数 质 参性置的的设中料案程材方过末验算粉试计 符号清单 模型试样面积 颗粒的总面积 接触弹性模量 法向力 颗粒单元上外部合 力 弹性剪切模量 角动量 颗粒单元主惯性矩 弹簧刚度 法向接触刚度系数 切向接触刚度系数 颗粒单元合力矩 重力加速度 1 1 1颗粒质量 聘试样孔隙率 珥接触单位法向量 r颗粒的半径 0 角速度 u n颗粒体接触重叠量 v i接触速度 x 、y横向和纵向直角坐标 &计算时步 摩擦系数 y 泊松比 以法向强度 t切向强度 么4 c 巧 g m。k疋k戤 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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 金胆王些太堂 或其他教育机构的学位或 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作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：彳乒鳓 签字日期：叼年伊月驴日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权金世王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名孝翻瓠 签字日期：一年伊月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 名：宏r 奶 导师签名：御i 奶 签字日期：07 1 年妒肜汐日签字日期：年够肜日 l 一 电话： 邮编： 致谢 在此论文即将完成之际，对我的导师刘煜老师表示深深的感谢。三年来， 导师渊博的学识、严谨的治学、平易近人的性格和高尚的人格魅力使我终身受 益。在此谨向导师刘煜老师致以最崇高的敬意和最衷心的感谢，感谢导师给予 我学术、学习方面的培养与指导；感谢导师给予我生活方面无私的关怀、帮助 和指导。 感谢硕士学习期间给予我指导与帮助的王伟老师。王老师创造性的思维方 式，严密的理论分析、认真的工作态度给我留下了深刻的印象，感谢王老师在 课题开展和论文撰写方面给予的指导与帮助。 感谢摩擦学研究所提供了良好的学习环境，为我学业课题的顺利完成提供 了很大的帮助；感谢刘小君老师、俞建卫老师、胡献国老师、尹延国老师、解 挺老师、田明老师、焦明华老师等全所老师给予我指导与帮助，在此向他们致 以崇高的敬意和诚挚的谢意。 在摩擦所学习期间各位同学：王家军、赵永春、李敦桥、程文虎、刘伟、 高东海、邴雷刚、魏庆森、万筱恰、黄红等同学在课题开展、研讨以及学习、 生活方面给予的帮助；感谢柏厚义、赵小虎、姚巍、黄荣林、杨文娟等同学在 近三年的学习、生活中，相互关心、帮助、共同进步；在此表示感谢。我将永 远珍藏在摩擦学研究所度过的美好时光。 衷心感谢在合肥工业大学求学期间所有给予我帮助、鼓励的领导、老师、 同学和好友。 最后，感谢我的父母和家人，是他们不断的鼓励和关怀支持着我度过了人 生中每一个阶段，取得每一份收获。 作者：李红献 2 0 0 9 年0 4 月 第一章绪论 1 1 导言 针对严酷工况条件下如高温、高负荷、超低温、超高真空、强氧化或还原 气氛、强辐射等环境条件下，传统的油脂已不能实现有效地润滑，甚至失去润 滑能力的情况，一些专家学者提出了固粉末润滑剂。粉末材料是大量离散固体 粒子的聚集，颗粒流指的就是粉末材料在外力作用和内部应力状况变化时发生 的类似于流体的运动状态【1 2 】。一般地讲，颗粒的间隙充满气体或液体物质，因 此，严格说，颗粒流是多相流。但是，如果粒子是密堆积的或比间隙流体稠密 得多，则描述流动时可以忽略间隙流体效应( 非流态化) ，颗粒材料流通常指 这种狭义上说的颗粒流动【l 】。当摩擦间隙中存在大量的颗粒态固体物质发挥润 滑介质作用时，借鉴颗粒学中的颗粒流概念定义其为颗粒流润滑可以较好的体 现其润滑机理的内涵。粉末润滑就是将固体材料以颗粒( 粉末) 状态直接导入 摩擦副，使摩擦间隙中处于充满固体颗粒状态利用微小颗粒的摩擦、变形、碰 撞、挤压和滑滚等微观运动，减小相对运动两表面的接触，从而保护摩擦表面 【3 】。几乎所有种类的固体粉末都可以根据实际情况选择作为颗粒介质，传统使 用较软的固体润滑剂干粉，通过与表面的粘附、承载变形和低的剪切应力实现 润滑【4 8 】。但是与固体润滑材料不同的高剪切强度、高硬度的固体粉末材料也可 用于颗粒流润滑，通过硬质、不粘附的微球形颗粒的碰撞、弹性变形、滑滚实 现润滑【9 1 2 】。当然使用高硬度颗粒的前提是它产生的磨粒磨损远远小于不使用 时摩擦副可能产生的磨损，这与固体润滑剂干粉润滑在颗粒材料物性、润滑机 理上有较大不同。粉末不完全类似于固体、液体、或者气体，不像传统的动力 学流体，即使当没有夹带流、平行几何结构或没有楔影响时，干微粒在静态接 触时也能承受负荷。粉末的以下几个特性决定了粉末的润滑性能【l 3 】：( 1 ) 当 挤压不是很厉害时它可以阻止一定的变形，( 2 ) 在某种情况下或被压缩到一定 程度时仍可以流动，( 3 ) 粉末作为第三体能存在于两表面之间以减小磨擦和摩 损。第三体微粒间的附着力能使它们聚合并提供减小摩擦磨损和速率适应的润 滑能力。 一些晶体化合物，如硒化锡和硒化镓具有很好的润滑能力【1 4 1 。另外，粉末 如石墨、二硫化钼、二氧化钛和二硫化钨的层状性质也使它们成为固体润滑剂 的可行侯选。其它片状粉末包括氮化硼 15 1 ，氮化硅 1 5 a 6 ，硼酸粉【17 1 ，是一种对 环境无害粉末润滑剂。由于层状粉末材料是天生具有低剪切强度的固体润滑剂， 它们提供速度调节、减小界面间摩擦、和承载能力。 1 2 粉末润滑的国内外研究现状及发展应用 1 2 1 粉末润滑的应用 固体润滑剂干粉的润滑现象早已为人们所知，近年来，越来越多的学者开 始研究和应用固体颗粒来解决些传统润滑方式无法克服的极端工况润滑难题 1 3 , 1 8 】。针对传统的切削液大量使用造成的环境污染问题，印度的r e d d y 4 】和 g o p a l 1 9 】分别将2 微米和1 微米的石墨粉连续的导入磨削加工面，与传统的油或 水基切削液进行了对比，结果证明粉末润滑在磨肖u a i s i1 0 4 5 钢和s i c 陶瓷的过 程中，可以实现更好的加工性能，并减小了摩擦和切削液对环境的污染，改善 了工件表面质量。日本的k i m u r a 2 0 】等研发了一套利用粉末润滑取代传统水基和 油基润滑的封闭腔式压铸系统，在工厂的应用表明：除了实现润滑的功能外， 固体粉末的无挥发性和绝热性很好的改善了工作环境并减少了铸造中的局部固 化。他们使用的是二元组分的颗粒，包括滑石或a 1 ( 0 h ) 。和聚乙烯腊剂。 加拿大的p i n h e i r o 【2 1 】也研究了粉末润滑对铸造钢坯的热效应和表面质量 的影响，并与油润滑进行了对比，粉末润滑使模具的热传导降低了5 0 。周爱 民【l8 】利用细煤粉润滑电厂螺旋输粉机中间轴承，结果不但阐明了固体粉末润滑 方式在螺旋输粉机中间轴承上使用的可行性，还解决了原来使用滚动轴承易坏 损坏或卡死的问题。 1 2 2 粉末润滑的实验研究 一些研究人员已经完成对粉末润滑特性的实验研究。h e s h m a t 【2 2 】是最早在 粉末润滑机制研究中涉及到粉末薄膜，这层粉末薄膜存在于粉末流润滑中并且 类似于流体力学中存在的液流薄膜。在试验中，他发现一种压实粉末的剪切层 产生的压力分布与用流体油膜润滑的轴承的压力分布相似。h e s h m a t 2 3 】进行了 第一次记录试验来研究粉末润滑剂在轴承间隙空间里流动时的润滑特性，试验 结果显示：粉末润滑剂在随后产生的压力分布与液体润滑剂产生的压力分布非 常相似。另外，他还用粉末润滑剂在速度3 0 0 0 0r p m 和载荷2 3 6n 在和达到的情 况下进行了一系列的径向轴承实验，结果证明了粉末的类流体润滑的原理和可 行性。 h e s h m a t 和b r e w e 使用m o s 2 【2 4 】和w s2 【2 5 】粉末在三瓦径向轴承上进行了喷 粉润滑实验，结果表明：随着载荷和转速的增加，摩擦系数和摩擦转矩保持在 一个稳定的值；特定工况下的摩擦副可以达到热平衡：测试1 8 个小时后，摩擦 副表面未见明显的磨伤。因为颗粒特性的不同，m o s 。和w s ：的摩擦系数有轻微 的差别。h e s h m a t 还实验研究了滑滚条件下n i o ，t i o 。，z n m 0 0 。s 。，m o s 。 四种 粉末的喷粉牵引特性，摩擦副是两个s i 。n 。材料的圆盘。实验证明粉末的导入降 低了牵引系数和磨损。测量结果还表明牵引系数随颗粒种类的不同而变化明显， 同时随滑滚比和负载的增加而减少，温度从7 0 。f 到1 2 0 0 。f 范围的变化对实 验结果影响很小【26 1 。 i o r d a n o f f 用平均粒径为0 1 “m 的金红石二氧化钛粉末作为第三体进行了 实验，讨论了粉末的类固体性能；他们还用金红石二氧化钛粉末作为第三体在 2 三对不同的第一体钢测试表面进行实验，并对三种情况下产生滑动的极限剪切 应力进行比较【2 7 , 2 8 】。c f h i g g si i i 和e y a w o r n y o h 采用了分别由粒径 为7 4g m 和1 5i i m 的m o s 。粉末压实的圆柱销在滑动磨损装置上进行销盘实验， 结果显示销和圆盘接触面间的摩擦系数和磨损率均随着接触压力的增加是增大 的，但前者的摩擦系数在1 3 7 8k p a 时稍微偏离整体趋势眩引。 e l k h o l y 和k h o n s a r i 3 0 】用粒径为31 1 1 1 3 1 的钢球在一个环形剪切装置中进行 试验，结果证明：钢球颗粒在上磁盘旋转带动及通过下磁盘为其加载的情况下 可以产生垂直抬升力，此抬升力推动上磁盘产生一个垂直位移。此外，他们还 研究了旋转速度、法向载荷、表面粗糙度对颗粒间的摩擦系数及抬升力的作用 1 2 3粉末润滑的理论研究 过去二十年多年来，人们就已经对颗粒材料的润滑特性有了重大的兴趣。 尽管历史不长，但它在摩擦学领域已经获得相当大的关注。 粉末润滑的首次研究成果应归于h e s h m a t 2 3 1 ，他测出了粉末润滑剂在滑动 轴承实验中的压力分布。他发现粉末颗粒能产生常见的流体动力型压力分布和 表现出作为类流体动力润滑的性能。 在颗粒材料领域，理论发展具有悠久的历史。s a v a g e 和j e f f r e y p l j 发展 了一个理论，以确定颗粒材料在快速简易剪切流中的应力张量，他们假定动力 传递的大部分是基于光滑理想球体间的二元碰撞。j e n k i n s 、s a v a g e p2 】和l u n 等人 3 3 】结合能量耗散推广了s a v a g e 和j e f f r e y 的理论。h a f f 3 4 】把颗粒流当 作一个连续体，将致密气体理论应用到颗粒碰撞，但是在他的模型中有一些参 数是未知的。j o h n s o n 和j a c k s o n 3 5 】利用l u n 3 3 】等人的本构方程提出了一个更 为现实的模型，尽管问题的表达公式非常复杂，但是与h a f f 的方法相反，体积 分数分布被确定为解决方案的一部分。c a m p b e l l 【3 6 】研究了边界条件的影响并发 现详细的分布图受到颗粒和边界间碰撞的强烈影响。j e n k i n s 和r i c h m a n p ，j 通过采用统计平均的方法为弹性颗粒流推导了一套边界条件。后来，j e n k i n s f 3 驯 用摩擦力为一平板导出了适当的边界条件。在h u i 3 9 j 的工作之后，j e n k in s 和 r i c h m a n 3 7 】，m c k e a g u e 和k h o n s a r i 4 0 】把他们的注意力都集中到了在爱库特 流中边界条件的研究，他们通过考虑颗粒滑动得出了关于流动速度和流动温度 的边界条件。后来，他们【4 l 】研究了基于滑动轴承的粉末润滑并把结果和h e s h m a t 【2 3 】的实验结果进行比较。上面的大部分研究都忽略了持续接触。为了让颗粒动 力学理论是合适的，他们的模型的开发都基于了这样的假设：在动力学工况下 材料是流动的。在这些模型中，应力是通过瞬间的二元碰撞产生的，其表征则 是通过恒回弹系数。但是，在致密工况下颗粒的滑动和摩擦方面起着重要的作 用。为此，j o h n s o n 和j a c k s o n 3 5 l 提出了一个更现实但很复杂的模型，其模 型包括使用摩擦库伦定律的持续接触。 由于颗粒流的固有特性，粉末润滑性能的理论分析是相当复杂的。 l o r d a n o f f 4 2 】等人描述了近来一些模拟干接触第三体行为的方法。他对现有模 型的分析表明粉末的数学建模分成两个基本类别：离散模型和连续模型。根据 i o r d a n o f f 的观点，离散模型存在着对相互作用定律的理解不足、颗粒尺度的可 疑定义和过多计算时间。相比之下，连续模型计算效率更高，但一般只限于二 维动力学。因此，i o r d a n o f f 建议发展三维连续模型模拟边泄漏，从而达到对磨 损的更好理解。 h a f i c 【3 4 】根据宏观变量推导了一套简化的控制方程用来描述颗粒流。他将颗 粒流当作流体力学问题来处理，将颗粒的波动用来预测虚拟温度，其中虚拟温 度需要引用虚拟能量方程。这个模型没有考虑颗粒间的内聚力，但特别注意了 h a f f 3 4 】提出的颗粒流理论和在摩擦学中e l r o d 4 3 】总结的颗粒流的理论和实验背 景。 d a i 等人 4 4 1 和m c k e a g u e 与k h o n s a r i 4 1 】用h a f f 的颗粒流理论分析了颗粒 在滑动轴承中的流动特性，他们的试验结果基本上和h e s h m a t 【2 列的实验观察一 致。l u n 等人【3 3 】为颗粒材料的应力和能量流发展了一个更全面的本构关系。z h o u 和k h o n s a r i 4 5 】利用这些本构关系研究了平行板间的粉末润滑机理。上述情况， h a f f 用来联系微观特性和宏观守恒定律关系的动力学模型完全和h e s h m a t 的试 验结果一致。 由于颗粒物质和颗粒流的复杂性【46 1 ，人们对颗粒流介质润滑机理的掌握还 没有获得质的突破，还不能准确的预测和控制它的摩擦学特性，研究的滞后也 阻碍了这项技术在工程上的推广和使用。当一定量的固体颗粒存在于摩擦间隙 中时，它的承载机制、速度适应机制、本构方程与传统的流体润滑理论和固体 摩擦理论既相似又不同。那么，在颗粒流润滑机制下，如何去确定合适的工况， 如何进行摩擦副的机械设计以更好的实现粉末颗粒的润滑性能。 因为对摩擦动态过程中颗粒流润滑介质润滑特性的试验非常困难p 】， h e s h m a t 2 3 】利用连续介质模型对颗粒流润滑的机理和颗粒微观行为进行了一定 的探讨，推动了颗粒流润滑理论的发展。但这些理论忽略了颗粒个体性质，过 分依赖于高度简化的、规定性质的本构方程。事实上颗粒体本身是散体，它不 连续、种类多、各向异性，与连续体力学理论的均匀、连续等假定冲突，导致 理论与实际的偏离。 从以上对粉末润滑的理论研究和实验研究来看，粉末润滑在国外已经有了 一定程度的发展，但是在国内还尚未见到有这方面的报导。况且，目前的研究 主要还是从理论上对颗粒流润滑机理进行解释和仿真，缺乏试验研究和对理论 的验证。这与目前还没有专门用于研究粉末润滑特性的试验机和模拟颗粒流润 滑的商业软件不健全有关。所以，本文针对目前的现状通过对摩擦副的设计在 端面摩擦磨损试验机上对粉末润滑特性进行试验研究，并用离散元的方法对其 内部单个颗粒的破坏过程进行模拟分析。试验主要考察了转速、载荷等工况的 4 影响和颗粒种类、粒径等对颗粒流润滑的影响；观察颗粒流润滑的动态行为和 特性，建立粉末润滑合理的使用和失效的准则，并利用颗粒流程序对影响颗粒 的破坏的一些关键因素进行了分析。 1 3 课题的来源 本课题来源于国家自然科学基金项目“非流态化颗粒流润滑机理研究 ( 项 目编号：5 0 7 7 5 0 6 0 ) 。 1 4 本论文的主要内容及意义 本论文主要内容包括以下几个部分： 第一章绪论部分，主要对粉末润滑的出现及其目前对粉末润滑的试验研 究、理论研究、实际应用作了简要的概述，并对本课题的研究来源进行了介绍。 第二章主要为对粉末润滑特性的试验研究，首先对试验装置、试验试样设 计和试验方案进行了简单的介绍，然后从粉末的介入性、粉末润滑与其它润滑 方式的比较、不同物性和不同粒径的粉末对润滑特性的影响以及转速和载荷对 粉末膜破坏的影响几个方面进行了试验研究分析。 第三章介绍了颗粒流的一些基本理论和算法，以及p f c 中细观参数的定义 和计量方法，并对颗粒细观接触本构模型重点做了介绍。 第四章对颗粒的破坏过程进行数值模拟，并对其破坏过程进行了分析，以 及其破坏对颗粒一些参数的影响。另外还研究了边界条件的变化( 边界粗糙度、 边界运动速度和边界下压位移) 对颗粒破坏的影响和颗粒内部粘接强度对颗粒 破坏的影响。 第五章结论与展望，就本文的研究结果及存在的不足进行总结，并对未来 工作做出展望。 本文的研究结果将会对以后粉末润滑特性的研究积累试验数据和试验设计 依据，并对粉末的选择提供指导意义。 第二章粉末润滑特性的试验研究 2 1 导言 本章拟采用m q - 8 0 0 型端面摩擦磨损试验机进行试验，为了能让粉末更好的 进入摩擦副间隙，对上试样的结构形状进行了设计，并拟订从以下几个方面对 粉末润滑的特性进行试验研究：、( 1 ) 粉末的介入性；( 2 ) 粉末润滑与其他几 种固体润滑方式的比较；( 3 ) 不同物性的粉末对润滑特性的影响；( 4 ) 粒径 对粉末润滑特性的影响：( 5 ) 转速和载荷对粉末膜破坏的影响。根据试验结果， 作出分析评价，并建立粉末润滑合理的使用和失效准则。以期对以后粉末润滑 特性的研究积累试验数据和提供试验设计依据，并对一些采用粉末润滑的场合 对粉末介质的选择提供指导。 2 2 试验设备及试验方案 2 2 1 试验设备 本次试验使用的是合肥工业大学摩擦学研究所m q 一8 0 0 型端面摩擦磨损试 验机。该机摩擦副为两端面紧密接触运转方式，上试样( 圆环接触面) 旋转， 下试样由夹具压紧止动静止，在干摩擦或油润滑条件下，对试样的摩擦磨损性 能进行试验检测。该试验机特别适合于评定自润滑轴承材料、表面薄层或层状 复合材料、固体润滑材料的减摩耐磨特性和综合使用性能。在实际使用中，可 以在很宽的范围内通过对负荷、转速、时间、温度以及摩擦副配偶材料等参数 进行调整，考察试验材料的摩擦学特性及其综合使用性能。这个试验装置的特 点是能测得温度、线速度、压强、摩擦力矩和摩擦因数这些参数。本试验机测 量温度的试样为下试样，由于下试样是固定不动的，采取接触式测温方法，选 用热电偶温度计。摩擦因数的获取是通过摩擦力、载荷的测量来实现的。对于 摩擦力的获取，试验机通过一个力的传递机构来得到当量摩擦力。下试样静止， 上试样旋转，同时上试样给其施加一个轴向压力，并在摩擦副上产生摩擦力矩。 通过力的传递机构，产生一个当量摩擦力作用于测量摩擦力传感器上，来得到 摩擦力的信息。试验中要上试样和下试样产生摩擦，必须施加一个压力使上下 试样相互接触。这就是产生摩擦力需要的正压力，即试验中的载荷。本试验机 采用液压加载、卸载系统来完成试验的加载、卸载。 试验机整个系统由计算机控制，通过两个拉力传感器可以自动测量、显示、 打印摩擦系数以及加载载荷、摩擦力大小。测试软件从计算机串口读取数据， 并对数据进行处理，可实现试验过程中信号的测量、保存、动态显示和数据处 理以及载荷、转速和温度进行自动测量等，同时通过通讯链路控制外部设备按 设定参数动作，最后将结果通过计算机和打印机等设备呈现出来。测试软件主 测试界面如图2 1 示。 6 l i ! 目 口! ! 目 i 谴6 时目： 日5 a 1 5 # 型二竺! u 竺! u 竺! 苎j 剑! ! ! 刖 面广+ _ 1 丽画；一i 断i 万一f _ 1 瓣i 冠一一厂面i i 面if 戚n 蕊女 图2 l m 08 0 g 端面摩擦磨损试验机测试软什主测试界面 2 2 2 试件设计段试件装灾 试验是在端面摩擦磨损试验机上进行的，上试件是外径2 4m m 内径1 6m m 材料为4 鞘淬火钢的环形压头，其硬度为h r c 5 2 ，由于此试验机不是专用粉末 润滑特性研究试验机，没有专用的进粉装置，导致粉末进入摩擦副间隙存在一 a ) 上试样 生匕 d1 。z 1 f 口 c ) 上试样实物照片 图2 - 2 试样结构图 定的困难。为了能让粉末很好的进入_ 唪擦副间隙，故对上试样的结构进行了改 毒 霉一 专i |筹 撕 一 器 爨一 哮碜 造，沿周边开四个槽口( 5m m 3r a m ) ，槽口边缘导圆角，以利于粉末进入摩擦 副。( 如图2 - 2 所示) 下试样为3 2m m x3 2m m 3m m 的片状粉末冶金铜合金( 8 0 铜一1 0 锡一1 0 铅) 试件。采用上试件旋转，下试件固定，轴向加载方式进 行试验。 每次试验前用水砂纸打磨上试件，并用丙酮清洗上下试件，然后将下试件 装卡在夹具盒内，通过液压泵推动夹具盒向上运动使上下试件在夹具盒内形成 图2 3 所示的端面接触。试验时让夹具盒内始终充满石墨粉末，以确保试验时 有足够的粉末存在。同时为了防止试验启动时摩擦副处上下试样直接接触出现 擦伤或严重磨损，试验开始前先在摩擦副间预铺少许粉末。试验中记录摩擦系 数和温度两个主要参数的变化情况，其中温度的测试是通过安装在夹具盒底部 中间的热电偶获取，利用热电偶的测点与下试件紧密接触测量出下试样的下表 面中心点的温度。试验后对试件摩擦表面不做任何处理的情况下用光学显微镜 对其表面形貌和粉末膜进行观察分析。 图2 - 3 端面接触示意图 2 2 3 试验材料 本试验研究中用到石墨粉、p t f e 粉、二硫化钼粉三种末材料，其性质如表 2 - i 所示： 表2 - 1 粉末材料的性质 平均粒径比重 名称用途来源 ( p m )( g c m 3 ) 润滑油、润滑脂的添加剂，干润滑 上海亚杜润 剂；印刷油墨、涂料、脱模剂的添 p t f e42 j2 滑材料有限 加剂：不粘抗磨喷射剂，防粘耐磨 公司 清漆添加剂。 4 耐高温耐腐蚀润滑基材，金属合金 1 5 粉末冶金原料，橡胶塑料的填料，上海胶体化 石墨2 2 5 3 0 制作碳膜电阻，润滑，导电干膜与 工厂 4 0 导电液，石墨阳极和触媒的载体 广泛用于汽车工业和机械工业，可 作为良好的固体润滑材料。在高 温、低温、高负荷、高转速、有化 学腐蚀以及现代超真空条件下对 设备有优异的润滑性能。添加在润 济南历城区 二硫化铝 44 8 滑油、润滑脂可起到提高润滑和降 撵丰化工 低摩擦的功效。延长润滑周期，降 低费用，改善工作条件，还可作为 有色金属的脱模剂和锻模润滑剂。 改善磨合运转状态，防止表面损 ， 伤。 2 2 4 试验方案 本试验利用端面摩擦磨损试验机对粉末润滑特性进行研究，并拟订从以下 几个方面对其润滑特性进行了探讨。各试验计划如表2 - 2 所示： 9 表2 - 2 试验方案设置 试验名称试验条件 润 干摩擦 转速3 8 2r m i n 。室温，载荷 粉末介入性试验滑 石墨粉润滑 i 0 0 0n ，摩擦时间i 0m i n 方 p t f e 粉润滑 式 m o s z 粉润滑 配 石墨涂层 转速3 8 2r m i n ，室温，初始载 粉末润滑与其它固 体润滑方式的比较 偶 荷5 0 0n ，每五分钟加载3 0 0n ， 材 聚四氟乙烯三层复合材料 摩擦时间4 0m i n ：试验进行前 试验 料 铜铅合金 在摩擦副之间铺一层粉末。 粉 石墨粉 转速3 8 2r m i n ，室温，初始载 不同物性粉末对润末荷1 0 0 0n ，每五分钟加载5 0 0n ， 滑性能的影响种 m o s 2 粉 摩擦时间2 5r a i n ；试验进行前 类 p t f e 粉 在摩擦副之间铺一层粉末。 石 4 墨 转速3 8 2r m i n ，室温，初始载 不同粒径粉末对润粉 1 5 荷1 0 0 0n ，每五分钟加载5 0 0n ， 滑性能的影响粒 3 0 摩擦时间2 5 皿i n ：试验进行前 径在摩擦副之间铺一层粉末。 4 0 1 0 0 0 转速3 8 2r m i n ，室温，摩擦时 载荷对粉末润滑膜 载 1 5 0 0 间1 0m i n ；试验进行前在摩擦 荷 影响的试验 2 0 0 0 副之间铺一层粉末，但不用小载 n 荷磨合。 3 0 0 0 0 2 载荷1 5 0 0n ，室温，摩擦时间1 0 载荷对粉末润滑膜 转 o 4 m i n ；试验进行前在摩擦副之间 速 影响的试验0 6铺一层粉末，但不用小载荷磨 m s 合。 0 8 2 2 5 试验步骤 ( 一) 端面试验机试验步骤： l o 1 上试样处理：选择上试样为4 5 钢( h r c 4 8 一- 5 3 ，d - 2 4 m m ，d 一1 6 m m ) ，用水砂 纸打磨： 2 下试样处理：将上下试样用泡过丙酮溶液的棉球擦拭干净，上下试样分别 装夹好，插入温度传感器，将力传感器固定在下试样夹具外圈，固定时需要注 意保证力传感器在加载后为水平状态； 3 预加载：将载荷和转速清零，选择手动加载，加载至上下试样轻微接触； 4 项目参数设置：打开计算机配套的测控系统软件，分别设置上下试样的参 数和试验过程中的相关参数； 5 载荷控制：选择自动加载，按试验方案设置载荷实现逐级加载； 6 速度控制：选择恒速谱，按试验方案设置实现定速运动方式； 7 设置报警时间和报警温度；t = 1 5 0 m i n ，t = 1 7 0 ； 8 建立数据库：选择开始测量，在弹出的对话框里建立试验数据库，确定之 后开始试验； 9开始试验：试验过程中如果出现剧烈振动或噪声，立刻变频器停机，否 则等待试验结束，记录试验数据； 1 0 数据生成：试验达到预定结束状态时停止检测，由数据库中保存的数据生 成数据图表和曲线图表； 1 1 结束试验：选择结束试验，卸下力传感器，取下温度传感器，减载后用隔 热手套取下下试样夹具盒，卸下下试样卡紧螺母，取出下试样保存。 ( 二) 显微拍照步骤： 1 装夹一：将相机固定到显微镜相机接口处，装上目镜和物镜，装上试样； 2 测量：打开电源，调节物镜和试样之间的距离，至清晰看到图像为止，观 察图像磨损纹理，拍照保存记录，记下所拍照片编号，移动载物台，换不同位 置拍照； 3 拍照完毕：调低载物台，取下试样，取下目镜和物镜 2 3 试验结果与讨论 2 3 1 验证粉末的介入性 粉末润滑过程中，粉末与表面之间没有采取任何附着手段，那么粉末是否 可以进入摩擦间隙就成为首要的问题。为了验证粉末的可介入性，在摩擦间隙 清洁无粉的条件下，将摩擦副的上下试件压紧至设定的载荷( 6m p a ) ，然后添 加粉末将接触摩擦副完全覆盖，启动试验机( 0 4m s