（机械制造及其自动化专业论文）激光微精处理对零件耐磨性能的影响.pdf

摘要 妒 【”o j z7 3 3 8 本文运用弹流理论，对高副零件的磨损机珲进行了探讨，得出 条件恶劣是导致高副零件易被磨损的直接原因。l 运用激光微精处理 法，在零件表面产生横向的( 或网纹状) 有规律的图案，可以明显 其润滑状况，获得良好的抗磨损效果。? 皋文分析了其抗磨损机理， 图谱参数进行了优化。 体文对发动机汽缸与活塞环组间的润滑状况进行了综述，分扩 动机汽缸y a g 网纹淬火的抗磨损机理，通过模拟试验得出了发到 缸网纹淬火的最佳形貌参数，阐明了摩擦副间的相对速度对最佳死 数的重要影响，得出了随着速度增加，激光淬硬的面积可以适当铡 。 结论。；结合实验，分析了激光处理的各种工艺参数对处理后零件绣 能的影响，优化了y a g 激光淬火的工艺参数。 关键词：激光微精处理弹性流体动力润滑网纹状激光 形貌参数抗磨损 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r , w h ym e c h a n i s mo fb i l ； lp a i rp a n si s w o r bw a ss t u d i e d ， u s i n ge l a s t o h y d r o d y n a m i c l u b r i c a t i o n t h e o r y t h c s e r i o u s l u b r i c a t i n g c o n d i t i o ni st h em a i nc o u r s e t h et h e o r yo f a n t i - w e a ro f h i g hp a i rp a r t sw i t h s p e c i f i e dt r a v e r s e ( o rn e t w o r k ) p a t t e r n sb y l a s e rm i c r o p r e c i s i o nt r e a t m e n t w a ss t u d i e d ，a n dt h eo p t i m u mp a r a m e m r so ft h ep a t t e r nw e r es e l e c t e do u t t h el u b r i c a t i n gc o n d i t i o nb e t w e e ni cc y l i n d e ra n dp i s t o nr i n g s 、a n d t h ea n t i w e a rt h e o r yo ft h ec y l i n d e rt r e a t e dw i t hn e t w o r kp a r e r nb yy a g l a s e r , w a sd i s c u s s e d t h eo p t i m u mp a r a m e t e r so f t h en e t w o r kp a t t e r nw e r e s e l e c t e do u tw i 也i m i t a t i v ee x p e r i m e n t s t h ei m p o r t a n ti n f l u e n c eo fv e l o c i t y o nt h eo p t i m u m p a r a m e t e r sw a s s t u d i e d ，t h er e s u l t so b t a i n e ds h o w e d t h a tt h e q u e n c h e d a r e ab yy a gl a s e rs h o u l db er e d u c e dw i t ht h ei n c r e a s eo f v e l o c i t y w i t ht e s t sa n da n a l y s i s ，t h ee f f e c to ft h ey a gl a s e rt e c h n o l o g i c a lp r o c e s s0 1 1 t h e c o m p r e h e n s i v es p e c i a l t y o ft r e a t e dc o m p o n e n t sw a ss t u d i e d ，a n dt h e o p t i m u mp a r a m e t e r so f t e c h n o l o g i c a lp r o c e s sw e r e s e l e c t e do u t k e y w o r d s ：l a s e rm i c r o p r e c i s i o nt r e a t m e n t s ，e l a s t o h y d r o d y n a m i cl u b f i c a i o n ， n e t w o r kq u e n c h i n go fy a g l a s e r ，p a r a i n e t e ro f s u r f a c et o p o g r a p h y , a n t i w e a r 第一章前言 1 1 激光处理的特点及其应用的意义 在工农业生产的各个部门都存在着零部件( 或材料) 的严重磨损心 题，它给国民经济造成巨大的损失，所以，采用表面处理技术提高金属 材料的耐磨性是当前一个很重要的领域。 激光处理是表面处理技术的一种，它在提高金属的耐磨性及改善其 它表面性能方面有着一些独特的优点( 与常规热处理、电子束处理、刷 镀、热喷涂等相比) 。激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干 性，这是普通光源所无法比拟的“】。在激光热处理过程中，激光可视为 一个高密度能量束。当它与材料相作用时，会以比常规热传导大得多的 速度将高密集的能量传给材料表面，使其温度快速升高到其相变点或熔 点( 以上) ，并迅速冷却，因此处理速度非常快。激光光斑可以很小， 因此可以实现微小部位的选择性局部处理，而不会造成整体部件的严重 热变形( 变形很小，可忽略) 。激光处理区的深度和宽度可通过对激光 光斑的大小、能量密度和照射时间的改变进行调节，以达到不同的应用 目的。另外，根据需要可以在真空、大气或特殊气氛中进行处理，不会 产生烟雾及有害辐射，无噪音及环境污染，且易于实现自动化，降低劳 动强度和提高效率。正因为如此，激光加工得到了广泛的应用。 金属材料的激光表面处理按输入功率密度和作用时间的不同形成了 不同的处理规范，按功率密度由小到大的顺序依此分为激光相交硬化 ( 1 a s e rt r a n s f o r m a t i o nh a r d e n i n g ) 、激光熔覆( 1 a s e rc l a d d i n g ) 、 激光合金化( 1 a s e ra l l o y i n g ) 、激光上釉( 1 a s e rg l a z i n g ) 和激光冲击 硬化( 1 a s e rs h o c kh a r d e n i n g ) 。目前，关于激光相变硬化的研究日趋 完善，已广泛应用于工业生产。大功率c o ，激光器在汽车工业生产中的 应用，国内外均有报导o “1 。在工业发达国家中，激光加工已被大量应 用于电子、汽车、钢铁、机械、航空等t 业部门，被誉为“未来制造系 统的共同加r ：手段” 7 10 激光加丁技术发展很快，需求不断增长。据 i n d u s t r i a ll a s e rr e v i e w 1 9 9 8 年初发布的对世界工业激光器及激光 加工系统销售情况的统计，1 9 9 7 年激光加工系统销售额比1 9 9 6 年增长 2 6 ( 见表1 ) ，而在1 9 9 8 年仍保持较快的增长。对工业激光器销售台 数年增长率的统计表明，近几年一赢有2 0 左右的增长率 7 。 表l激光加工系统销售状况单位：百万美元 激光器类型1 9 9 6 年1 9 9 7 年1 9 9 8 笠 c 0 2 1 2 1 01 5 2 01 7 6 0 吲体3 9 l5 0 l5 6 4 准分子 3 54 55 0 l合计1 6 3 62 0 6 62 3 7 4 1 2 基于摩擦学方面的研究 以上讨论了激光加工在提高金属材料的耐磨性方面( 主要是在改变 处理区的金相组织等方面) 具有一些突出的优越性。但是仅仅改变金相 组织是不够的。随着近代机械的发展，对机械零件表面性能提出了愈来 愈高的要求。按照传统的做法，为了适应这些高要求，就要对零件表面 的加工精度及表面的粗糙度提出更高的要求。然而这种高精及超高精加 工会提高其加工成本，而对于零件表面性能的提高却有着局限性，特别 是对于负荷重、润滑条件较差的高副接触( 点、线接触) 零件尤为如此。 近代摩擦学的研究成果向人们展示，零件表面形貌的诸因素，如表 面粗糙度及纹向对于零件表面性能( 如润滑性及抗擦伤能力) 有着重要 影响哺 。摩擦学的研究与应用给社会带来了巨大的经济效益。本世纪摩 擦学领域的一项主要成就，就是对于弹流的认识和理解口】。弹流是弹十牛 流体动力润滑的简称( e l a s t oh 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 ) ， 属于摩擦学领域的一个学科，它研究的主要对象是高副接触零件( 即名 义卜的点接触和线接触零件) 的润滑问题。典型弹流的特点是在研究流 体动力润滑的过程中考虑了润滑面的弹性变形及接触区润滑剂粘度的变 化。 弹流成功的解释了许多机械零件，特别是高副零件在相对运动中润 滑剂的作用，如油膜厚度及接触区的压力分布等。弹流的发展分为三个 阶段：第一阶段为理想弹流阶段，它的特点是将接触表面假设为理想 的光滑表面，其润滑剂为理想的牛顿型，润滑过程被认为是等温的。这 一阶段的成果是，在宏观上，它揭示了高副接触中弹流润滑区中压力分 布及油膜厚度。目前我们在齿轮、滚动轴承等计算中所采用的d o * s o n 公式( 油膜厚度计算公式) 在般情况下能够反映它们的工作状态。 弹流发展的第二阶段，是在理想弹流的基础上，考虑了诸方面的实际影 响因素，如考虑了表面粗糙度的影响、润滑剂的非牛顿特性( 流变学) 及温度效应等。这也是目前阶段的弹流研究的特征。作为弹流发展的第 三阶段，将是把表面粗糙度、非牛顿特性流体及温度影响等综合起来， 来考虑实际表面的弹流问题。它是个系统研究课题，目前尚在酝酿阶段。 在考虑表面粗糙度的弹流研究方面已获得了较大进展。1 9 7 3 年斯 塔弗( s t a p h ，h e ) 、顾( k u ，p m ) 和卡泊( c a r p e r ，h j ) 通过实验发 现粗糙度纹向与弹流润滑效果密切相关，横纹的承载能力明显高于纵纹 8 。1 9 7 6 年，邹( c h o w ，l s h ) 和郑( c h e n g ，h s ) 相对不同纹向( 横 纹和纵纹) 的粗糙滚子与光滑滚子的承载能力迸行了对比，其试验是在 保持油膜厚度恒定的情况下( h 。r = 5 1 0 1 ) 进行的，如幽卜l 所示“。 图1 - 1 纹向对承载能力的影响 图中的横坐标为最大峰高r 。，与中心线膜厚h 。之比，纵坐标是粗 糙滚子的承载能力w ，与光滑滚予承载能力w 。之比。图中曲线 都是横纹，只有是纵纹。在五条曲线中是纯滚动情况；是动面 光滑、静面粗糙：是快面光滑、慢面租糙，滑滚比为s = o 2 ：与 相反，慢面光滑、快面粗糙，s = 2 ：与相反，静面光滑、动面粗 糙。由此可见粗糙度及纹向对承载能力的影响是很大的。 1 9 7 8 年佩特( p a t j r ，n ) 和郑绪云( c h e n g ，h s ) 对于两表面处于 纯滚动条件下，对两维的平均雷诺方程求解。图卜2 绘出了典型结果 i 。 图中表示了在不同的图谱参数j ，时，粗糙面间的弹流中心油膜厚度h ， 与光滑面的对应值h 。之比( h ，h ：) 随h 。0 的变化曲线( 0 为均方根粗 糙度) ，由图中可以看出： 警 一 一 咐噩j睁l斫麓 o b z _ 7 = 3 3 3 3 ； 形 iliii - = 等 图卜2表面粗糙爱的图谱参数对中心油膜厚度的影响 ( 1 ) 横向的( r 1 ) 的平均油膜厚度一般比光滑面时的 值稍有降低。 ( 3 ) 粗糙度对油膜厚度的影响仅从h 。佑小于2 以下才开始显著起 来。 以上的研究表明了表面形貌的重要作用，揭示了表面彤貌影响润滑 和磨损的一些基本机理和规律，然而这些研究都是针对一般已加工表面 进行的，尚未进行人为改变润滑条件的研究。 其实，人们已试图在已加工的零件表面进行再加工，即在“宏观” 的机械加工表面的基础上进行表面形貌的改造，创造出一一人造的、有利 于零件间润滑的及抗擦伤的表面，”1 。对于低副零件，如机床导轨面在 刨磨加工之后再进行的“刮花”处理就是个很典型的例子，它是成功 的，已为人所共识。对于高副( 点、线接触) 零件，人们也曾试用过机 图圜圈 械精细加工1 、电火花自u 工及化学腐蚀的方法等进行改变表面形貌的处 理，当这些处理方法( 参数选择) 合理时，零件间的摩擦系数、抗擦伤 负荷就有显著的改善。然而用以上方法所获得的表面形貌仅能在较短的 时间内发挥作用。而在较长时间运行之后，由于高副零件表面的单位i 丽 积负荷较重，润滑条件极为恶劣，摩擦副通常处于边界润滑或混合润滑 状态，因而被改变的形貌很容易被“磨平”，而失去作用。 1 3 激光徽精处理 基于表面形貌对改善润滑和磨损的重要作用，以及激光加工的特 殊优势，1 9 8 2 年，美国的b e l k e ，w h 等人在轴承的端面上用激光处理 出不同形状的微凸体，使其润滑性能和承载能力有很大的提高“3 1 。但该 研究是对低副( 面接触) 零件的处理，处理斑块面积较大，属于“宏观” 或“亚宏观”的加工范围，涉及零件的润滑状态属于流体动力润滑。 1 9 8 6 年林子光和高作斌用大功率的c o ，激光器对标准的t i m k e n 试 环进行激光微精处理( 如图卜3 所示) ，通过对参数的控制而产生横向 的、断续的微凸体图案( 图谱参数y = l l o l 。将激光徼精处理后的 t i m k e n 试环，放在t i m k e n 试验机上进行实验。结果发现，不同表面形 貌参数的t i m k e n 试环，其润滑及抗擦伤能力有着巨大的差别，当参数 较佳时，其o k 负荷可为光滑的标准试环的5 6 倍。以上实验表明，通 过可控的激光束在已加工的机械零件表面形成人造的微凸体横纹向图 案，对于改善零件的弹流润滑效果是行之有效的【1 “。1 9 8 9 年林子光等 在汽车的凸轮挺杆副上进行了激光微精处理实验，将c 0 ：激光器( 激光 波长为1 0 6 励和y a g 激光器( 激光波长为1 0 6 一用) 的处理效果进 行了对比，实验结果再次验证激光微精处理后产生的合理的表面形貌对 于改善润滑状况的有利作用，并且发现y a g 激光比c o ：激光有着更好的 处理效果“。 图1 3 经激光处理的t i m k e n 试环 激光微精处理技术的研究虽然取得了实验的成功，但其抗摩擦机 理尚需进一步研究，图谱及激光处理参数尚需进一步优化，为把该技术 更好的应用于生产还需要进行理论完善。 1 4 本文的主要工作 综合上面的分析，本文将要进行的工作是在以前研究的基础上进一 步探讨表面形貌诸因素对摩擦学特性的影响及其内在的联系。本文的研 究是清华大学摩擦学国家重点实验室资助课题“激光微精处理对零件表 面抗擦伤性能的影响”的一部分，目的是为激光微精处理后的良好抗擦 伤效果找出理论依据，并做相关的计算与理论分析，通过对比实验( 不 同材质、不同形貌参数、不同工艺及处理方法所产生的结果会有什么差 异及其原因) ，优选激光微精处理的图谱参数并对其抗磨损机理作理论 上的探讨，从而进一步验证理论。 所采用的试验设备，是清华大学摩擦学幽家重点实验室的s r v 摩擦 磨损试验机( 德国制造) ，以及中国科学院兰州化学物理研究所开放实 验室的r t f 一1 i i 型试验机( 日本制造) 。在这两台试验机上进行抗擦伤性 能的试验，并在这两个实验室的表面形貌仪进行测定。其金榴分析、硬 度测定在我院的激光应用研究室进行。通过这一系列的试验研究，得出 对不同材质零件采用不同参数进行激光处理后效果的差异，为激光处理 实际应用于发动机汽缸及凸轮一挺杆( 凸轮一摇臂) 的生产提出参考数 据，因此该项研究工作对生产有着现实指导意义。 本文进行了以下工作：( 1 ) 对点、线接触零件的磨损机理进行了理 沦分析，得出激光微精处理可以有效的提高高副零件的抗磨损性能； ( 2 ) 通过实验研究了激光微精处理后的点、线接触零件的抗磨损性能， 对图谱参数进行了优化；( 3 ) 对汽缸一活塞环的工作状态进行了综述， 提出y a g 激光淬火是改善其润滑性能的最佳手段，并优化了y a g 激光处 理的形貌参数：( 4 ) 通过正交试验设计优化了y a g 激光淬火工艺参数， 并进行了综合分析。 第二章高副零件磨损机理的分析一问题的提出 2 1 前言 一对做相对运动的摩擦副间的完整油膜是由边界油膜和流动浊膜两 部分组成的。这两种油膜的形成原理完全不周。边界油膜是靠润滑油中 的极性分子吸附于金属表面。在两边界油膜之阊的油膜叫做流动油膜， 其内部的润滑油分子可以自由流动，它靠润滑油本身运动( 摩擦副间的 相对运动) 来产生动压，承受一定的负荷而不被挤出，所以也叫做动压 油膜。正是这两部分油膜形成流体动力油楔，将一对摩擦副表面分开。 在实际运转的机构中，特别是低速重载的高副零件，有时会出现边界润 滑状态，即基本上不存在流动油膜，靠边界油膜将摩擦副隔丌，这时会 出现油膜破裂及干摩擦。处于流体润滑与边界润滑之间的润滑状态为混 合润滑。这也是高副零件经常遇到的润滑状态。当摩擦副处于边界润滑 状态时，摩擦副表面的峰顶就会产生碰撞。这种碰撞是弹性的还是塑性 非常重要。如果是弹性碰撞，弹性变形的峰顶有利于形成动压油膜，对 润滑有利。如果是塑性碰撞，根据粘着理论，其塑性变形峰顶容易导致 粘着，即所谓冷焊现象，是摩擦面望性变形所形成的新鲜表面原子间吸 附力所造成的结果。两摩擦表面的粘结点因相对运动晶粒或晶粒群受 剪或受拉而被对方带走，造成磨损。所以摩擦副间油膜厚度的大小，直 接影响零件表面的磨损程度。 2 2 润滑状态分析 2 z 1 压力分布和油膜形状分析 鉴于润滑状态对于高副零件的正常运转和使用寿命的重要作用，长 期以来，许多学者在这方面进行了大量研究。1 9 5 9 年道森( d o w s o n ，d ) 和希金森( h i g g n s o n g r ) 利用电子计算机成功的对弹流油膜进行了分 析计算，提出了在等温、线接触条件下最小油膜厚度计算公式，以及光 滑表面的压力分布和油膜形状，如图2l 所示： 图2 1道森理论的弹流压力分布和油膜形状 ( 1 ) 压力分布：在入口区，由于流体动压作用压力逐渐增加，在 进入接触区后，在某点与赫兹压力分布合拢，在接触区中部基本上按赫 兹分布。在出口区，往往会出现一个二次压力高峰，然后压力迅速下降。 ( 2 ) 油膜形状：在大部分接触区，油膜接近于平行；在出口区对 应于二次高峰处，油膜开始收缩，形成“颈缩”，在这里构成了最小油 膜厚度h 。 1 9 6 1 年，他们又作了进一步补充，给出了无因次的油膜厚度计算 公式，该公式作为理想状态下弹流的里程碑，已广泛应用于齿轮、轴承 的设计计算中。 2 2 2 线接触润滑状态分析 润滑理论在不断的发展，各种理论都有假设和简化，各有其适用范 围。如果超出一定的界限使用，就会有较大的误差。如道森一希金森公 式只适用于重载、高弹性模数及高粘压系数的情况，对于轻载( w ( 1 0 。1 ) 低材料参数( g ( 1 0 0 0 ) 就不适应了。为了将各种理论的膜厚计算公式 概括在一张图中，并划出各种公式适用范围，1 9 7 0 年约翰逊( j o h n s 。n k j ) 曾绘制了一张弹流润滑状态图。1 9 7 7 年虎克( h o o k e ，c j ) 又 在约翰逊图的基础上进步改进和发展，将润滑区域划分得比较准确， 这就是图2 - 2 所示的润滑状态图m 】。 r 压黔 1 飘彳 | ? ， i l ， e 一， ”i 1 i i il 帅 咖， f 一 图2 2 等温线接触润滑区域图 运用该图，结合s r v 试验机模拟的线接触摩擦副的运行状况，进行 油膜厚度的计算，并分析其润滑状态。 在线接触实验中，其冲程取i 5 m m ，频率取5 0 h z ，总负载w 取值为5 1 0 0 0 n ，试件长度i = 0 o li m ，计算后其它参数分别为： 综合弹性模量：e 、= 2 3 i o t n 一 表面速度：u = o 0 7 5 m s 润滑油大气压下的动力粘度：n = o 0 9 p a s 润滑油的粘压系数：a = 2 4 1 0 “m 2 n 粘性系数g 。和弹性系数g 。的计算由下式给出： 粘性系数g v = 岩面w ) = 旦r ( 马r lo u 必 1 ) 弹性系数： 。=匕=兰可(2-2)g 弹性系数：。= b = 匕 l ( q 。u e 、r ) 力( t 1 。u e r ) “ 无量纲膜厚参数： 、仉h m “, o r w z = 瓦h m 面i n w ( 2 3 ) 将上述参数代入，得在不同载荷下g v g 。结果如表2 - l 所示。 由等温线接触润滑区域图可知，当w = 1 2 0 n 时，g 。，g 。数值都很小， 接触处于剐性一等粘度状态，压力使粘度无明显变化，表面弹性变形甚 微，因此粘压效应和弹性变形均可忽略不计。油膜厚度计算公式如下： 膜厚参数：h 1 = 4 9 ( 2 - 4 ) 最小油膜厚度：h m i n = r l o 矽v r _ _ _ 坠l q o w v r 矗( 2 - 5 ) 当w = 1 2 1 1 0 0 0 n 时，接触处于弹性一变粘度状态，g ，g 。数值都 较大，压力使润滑油粘度发生变化，同时接触表面产生较大的弹性变形， 油膜厚度受粘压效应和弹性变形的综合影响，公式如下： 膜厚参数：h 1 6 5 9 。07 5 9 。“2 5 ( 2 6 ) 最小油膜厚度计算公式： 同公式2 - 5 。 最后计算结果如表2 - 2 所示。由计算结果可知，在低速重载的情况 下，线接触摩擦副的润滑状况非常恶劣，油膜厚度仅为0 1 um 数量级， 摩擦副基本上处于边界或混合润滑状态。润滑状况的恶劣必然导致试件 的快速磨损。 表2 - 1 ：线接触状态下gv g 。计算结果 w ( n )g j 0 00 0 u 0 1 0 0 d 0 0 0 0 1 5 口0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 2 5 o 0 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 0 0 3 5 o 0 0 0 0 0 4 0 0 0 0 0 0 0 4 5 o 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 0 0 5 5 0 0 0 0 0 0 6 0 o o o 0 0 0 6 5 0 0 0 0 0 0 7 0 0 0 0 0 0 0 7 5 o o 0 0 0 0 8 0 0 0 0 0 0 0 8 5 0 0 0 0 0 0 9 0 o o 0 0 0 0 9 5 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 5 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 2 5 0 0 0 0 0 0 0 3 0 0 o 0 0 0 0 0 3 5 0 0 0 0 0 0 0 4 0 0 0 0 0 0 0 0 4 5 0 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 0 0 0 5 5 0 o o o 0 0 0 6 0 0 0 0 0 0 0 0 6 5 0 0 0 0 0 0 0 7 0 0 0 0 0 0 0 0 7 5 0 o 0 0 0 0 0 8 0 0 o 0 0 0 0 0 8 5 0 0 0 0 0 0 0 9 0 0 0 0 0 0 0 0 9 5 0 o 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 u d 2 8 3 ( 埘】 0 0 8 0 0 7 0 l 0 14 7 0 9 8 0 2 2 6 47 2 0 3 1 6 5 0 5 0 4 1 6 0 5 6 0 5 2 42 9 l 0 6 4 0 5 6 l 0 7 6 4 3 4 4 0 8 9 5 2 1 1 1 0 3 2 8 1 1 7 6 7 9 1 3 2 6 9 1 1 4 8 2 9 2 1 6 4 4 6 1 1 8 1 1 7 8 1 9 8 4 2 6 2 1 6 1 8 9 2 3 4 4 5 3 2 5 3 2 0 j 4 6 5 1 6 5 7 1 6 1 6 9 1 0 0 0 8 8 1 3 15 6 9 16 5 7 9 5 2 0 2 5 6 3 2 4 1 7 0 i 2 8 3 0 9 l 3 2 6 5 9 9 3 7 2 1 3 2 1 9 6 0 5 4 6 8 9 4 5 2 0 0 7 】 5 7 2 9 3 5 6 2 7 4 7 8 6 8 3 6 5 7 4 14 0 5 8 0 0 7 0 1 g 。 u 03 6 j 8 1 ) 6 00 7 2 9 6 1 1 0 ，l0 9 4 - 4 2 d 14 5 9 2 2 0 1 8 ：如3 i j 2 1 8 8 8 3 0 25 5 3 6 4 o 2 9 1 8 4 4 0 3 2 8 3 2 5 0 3 6 4 8 0 6 0 0 1 2 8 6 0 4 3 7 7 6 7 0 4 7 4 2 4 7 0 5 1 9 7 2 8 0 5 4 7 2 0 8 0 5 8 3 6 8 9 0 6 2 0 1 7 0 f 3 5 6 6 5 0 1 5 9 3 1 3 1 0 7 2 9 0 1 l t 0 9 4 4 2 1 4 5 9 2 2 1 8 24 1 9 3， z 1 8 8 8 3 2 5 5 3 0 4 2 9 1 8 4 4 3 2 8 3 2 5 3 6 4 8 0 6 4 f ) l2 8 6 4 3 7 7 6 7 4 7 4 2 4 7 5 10 7 2 8 5 7 2 0 8 5 8 3 0 8 9 6 2 0 1 7 6 5 5 6 9 3 1 3 1 7 2 9 6 1 1 表2 2线接触状态_ 卜最小油膜厚度计算结果 w ( n ) j 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 5 0 0 0 0 0 0 2 g 0 0 0 0 0 0 2 j 0 0 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 0 0 3 5 0 0 0 0 0 0 4 0 0 0 0 0 1 0 4 5 0 0 0 0 0 0 , 5 0 0 0 0 0 0 0 5 5 0 0 0 0 0 0 8 0 0 0 0 0 0 1 】 0 5 0 0 0 0 0 0 7 0 0 0 0 0 0 0 7 5 0 0 0 0 0 0 8 0 0 0 0 0 0 0 8 5 0 0 0 0 0 0 9 0 0 0 0 0 0 0 9 5 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 5 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 2 5 0 0 0 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 d o o 3 5 0 0 0 0 0 0 0 4 0 0 0 0 0 0 0 0 4 5 0 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 0 0 0 5 5 0 0 0 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 0 0 7 0 0 0 0 0 0 0 0 7 5 0 0 0 0 0 1 1 0 8 0 0 0 0 0 0 0 0 8 5 0 0 0 0 0 0 0 9 0 0 0 0 0 0 8 0 9 5 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 九 4 9 9 4 9 4 9 4 9 9 4 9 4 9 4 9 4 9 4 9 4 9 9 4 9 4 9 9 4 9 4 9 4 9 4 9 4 9 6 5 7 2 2 0 7 9 8 9 3 5 9 3 7 1 1 9 1 0 7 2 1 4 1 2 0 5 3 6 1 3 3 6 2 l 1 4 0 5 2 5 1 5 9 2 0 9 1 7 1 8 0 8 1 8 4 3 3 7 1 9 6 0 8 7 2 0 8 9 2 6 2 2 1 0 0 4 2 3 3 1 0 7 2 4 5 0 8 2 2 5 6 9 3 4 2 8 8 7 2 9 h ( 1 1 1 ) 7 2 7 6 5 e0 r 3 6 3 8 2 5 n 一06 2 4 2 5 5 e 一0 6 1 8 1 9 l2 e d 6 1 4 5 5 3 e 一0 b 1 2 l2 7 5 e 一0 0 1 0 3 0 5 e 一0 6 9 0 9 5 6 2 e 一0 7 8 0 8 5 e 一0 7 7 2 7 6 5 e 一0 7 6 6 1 5 e 一0 7 0 0 6 3 7 5 e 一0 7 5 5 9 9 3 1 e - 0 7 5 1 9 7 5 e 0 7 4 8 5 l e - o t j 5 4 7 8 1 e - 0 7 4 2 8 0 2 9 e 一0 7 4 0 4 2 5 e 一0 7 3 8 2 9 7 4 e 一0 7 3 0 3 8 2 5 e 一0 7 2 4 2 5 5 e 一0 7 2 4 3 9 9 5 e 一0 7 2 3 7 2 8 4 e 一0 7 2 3 1 9 3 7 e - 0 7 2 2 7 5 1 l e 一0 7 2 2 3 7 4 5 e - 0 7 2 2 0 4 7 5 e 一0 7 2 1 7 5 9 e 一0 7 2 1 5 0 1 3 e - 0 7 2 1 2 6 8 7 e 一0 7 2 1 0 5 7 e - 0 7 2 0 8 0 2 8 e 一0 7 2 0 6 8 3 7 e 一0 7 2 0 5 1 7 5 e 一0 7 2 0 3 6 2 8 e 一0 7 2 0 2 1 7 0 e - 0 7 2 0 0 8 1 4 e 一0 7 1 9 9 5 3 l e 一0 7 2 2 3 点接触润滑状态分析 下面我们对s r v 试验机模拟的点接触摩擦副运行状况，进行油膜厚 度的计算，并分析其润滑状态。其冲程取1 5 r a m ，频率取5 0 h z ，经计算其 基本参数如下： 有效曲率半径：r 。= r 。= r = o 0 0 5 m 综合弹性模量：e 、= 2 3x1 0 “n m 2 表面速度：u = o 0 7 5 m s 椭圆率：k = l ( 圆接触) 润滑油大气压下的动力粘度：n 。= 0 0 9 p a s 润滑油的粘压系数：c t = 2 4 1 0 “m a n 总载荷：w t = l l o o n 点接触情况下的润滑也有着不同的润滑状态，图3 4 为h a m r o c k 给 出的椭圆接触的弹流润滑区域图( k = 1 时) f l g o 可根据对粘性系数g 。和 o i 心s l l s se t k $ 1 1 c i h p u m e 研生 图2 3理想型点接触弹流润滑区域图 弹性系数g 。的计算，由弹流润滑区域图上g ，g 。交点所在的润滑状态区得 a1矗芒_u矗8”；n譬舌蒜重五 出对应的油膜厚度计算公式。g v g 。由下式给出 粘性融g 。= 等 0 6 w t q 0 2 u2 r 、4 弹性微铲簪= c 志 无量纲膜厚参数：瓦。 ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) 弘器 。， 将上述参数代入，得在不同载荷下g v g 。结果如下表所示( 表2 3 ) 表2 3 ：点接触状态下g v g 。计算结果 w t ( n ) 1 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 0 4 0 0 0 0 0 0 5 d o d 0 0 0 6 0 0 0 0 0 0 7 0 0 0 0 0 0 8 0 0 0 0 0 0 9 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 d 1 5 d 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 2 5 0 0 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 0 0 3 5 0 0 0 0 0 0 4 0 0 0 0 0 0 0 4 5 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 0 0 5 5 0 0 0 0 0 0 6 d 0 0 0 0 0 0 6 5 0 0 0 0 0 0 7 0 0 0 0 0 0 0 7 5 0 0 0 0 0 0 8 0 0 0 0 0 0 0 8 , 5 0 0 0 0 0 0 9 0 0 0 0 0 0 0 9 5 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 g 。 3 4 2 7 9 8 e + 0 7 6 7 4 2 3 9 e + 0 8 - 2 2 7 5 5 6 e + 0 9 5 3 9 3 9 l e + 0 0 1 0 5 3 5 e + 1 0 1 8 2 0 4 4 e + 1 0 2 8 9 0 8 e + 1 0 4 3 1 5 1 3 e + 1 0 0 1 4 4 e + 1 0 8 4 2 7 9 8 e + 1 0 2 3 4 4 4 4 e + 6 7 4 2 3 9 e + l l 1 3 1 6 8 7 e + 1 2 2 2 7 5 5 6 e + 1 2 3 6 1 3 5 e + 1 2 5 3 9 3 9 1 e + 12 7 6 8 e + 1 2 1 0 5 3 5 e + 1 3 1 4 0 2 2 1 e + 1 3 1 8 2 0 4 4 e + 1 3 2 3 1 4 5 3 e + 1 3 2 8 9 0 8 e + 1 3 3 5 5 5 5 6 e + 1 3 4 3 1 5 1 3 e + 1 3 5 1 7 5 8 4 e + 13 6 1 4 4 e + 1 3 i 2 2 5 9 4 e + 1 3 8 2 7 9 8 e + 1 3 g 。 2 7 3 5 3 1 0 1 7 3 6 8 2 e + 0 7 j 1 2 0 7 1 e + 0 7 1 1 0 2 8 1 e + 0 8 1 9 9 9 5 3 e + 0 8 3 2 5 1 4 5 e + 0 8 4 9 0 4 5 8 e + 0 8 7 0 0 2 4 e + 0 8 9 5 8 6 3 6 e + 0 8 1 2 6 9 6 2 e + 0 9 3 7 4 3 2 0 e + 0 9 8 0 6 1 5 9 e + 0 9 1 4 6 1 6 6 e + 1 0 2 3 7 0 8 3 e + 1 0 3 5 8 5 2 7 e + 1 0 5 1 1 8 7 9 e + 1 0 7 0 0 7 6 7 e + 1 口 9 2 8 1 9 8 e + 1 u 1 1 9 1 5 6 7 e + 1 1 1 5 0 9 1 9 e + l l 1 8 6 8 2 8 e + 1 1 2 2 7 6 5 1 e + 1 1 2 7 3 1 ；3 4 e + 1 l 0 2 5 0 2 3 e + l l 3 8 2 0 5 4 e + l l j 4 4 9 6 e + l l j 1 3 9 6 9 e + 1 1 j 8 9 3 0 6 e + l 】 由点接触弹流润滑区域图( 图2 3 ) 可知，接触处于弹性7 等粘区 该区无量纲膜厚参数计算如下 霄。= 8 7 0 9 。0 6 7 ( 卜o 8 5 e 。”。) 由公式( 2 - 9 ) 进而可以得出最小油膜厚度 。学 计算结果如表2 - 4 所示： 表2 - 4点接触状态下最小油膜厚度计算结果 w t ( n ) 1 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 0 4 o 0 0 8 0 0 5 0 0 0 0 0 1 6 0 0 0 0 0 0 7 0 0 0 0 0 0 8 0 0 0 0 0 0 9 0 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 0 0 1 5 0 ( 0 9 0 0 2 d 0 0 0 0 0 0 2 5 0 0 0 0 0 0 3 0 。0 0 0 0 0 0 3 5 0 0 0 0 0 0 4 0 0 0 0 0 0 0 4 5 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 8 0 0 5 5 0 0 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0 0 0 6 5 0 0 0 0 0 0 7 d 0 0 0 0 0 0 7 5 0 0 0 0 0 0 8 0 0 0 0 0 0 0 8 5 o 0 0 0 d o 9 0 0 0 0 0 0 0 9 5 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 日。 6 7 3 2 2 4 2 3 2 2 7 4 4 7 9 3 1 0 8 0 1 3 8 4 1 l9 3 9 5 0 16 5 3 7 0 0 2 l7 8 0 5 0 2 7 6 4 0 1 0 3 4 1 2 5 0 0 4 1 1 9 3 3 0 8 5 0 0 4 7 0 1 4 2 l2 4 e + 0 7 2 1 1 7 4 5 e + 0 7 2 ，, 9 3 2 8 1 e + 0 7 3 8 5 2 7 3 e + 0 7 4 9 0 3 5 i e + 0 7 6 0 5 2 0 1 e + 0 7 7 3 0 5 5 5 e + 0 7 8 6 6 1 8 e + 0 7 1 0 1 1 8 7 e + 0 8 1 1 6 7 4 3 e - 0 8 1 3 3 2 7 1 e + 0 8 1 5 0 7 5 4 e 1 0 8 1 6 9 1 7 9 e + 0 8 1 8 8 5 3 3 e + 0 8 2 0 8 8 0 5 e + 0 8 2 2 9 9 8 1 e + 0 8 2 5 2 0 5 4 e 4 8 8 h ( 1 1 1 ) 7 6 6 8 4 5 e 0 7 6 6 1 4 3 8 e 0 7 6 0 6 6 2 7 e 一0 7 5 7 0 5 i 6 e 一0 7 5 4 3 9 9 4 e - 0 7 5 2 3 2 4 l e 一0 7 5 ，0 8 3 1 4 e 一0 7 4 9 2 0 9 4 e - 0 7 4 7 9 8 8 3 e - 0 7 4 6 9 2 e 一0 7 3 0 3 3 6 e - 0 7 4 0 , t 7 2 e - 0 7 3 。8 5 9 0 5 e 一0 7 3 ，7 1 1 8 3 e 一0 7 3 5 9 1 7 5 e - 0 7 3 4 9 0 8 8 e 一0 7 3 0 4 2 8 e - 0 7 3 3 2 , 9 e 一0 7 3 2 6 1 6 6 - 0 7 3 2 0 1 6 1 e - 0 7 3 。l ? 4 e - 9 7 3 0 9 8 0 4 e 一0 7 3 0 5 2 7 7 e - 0 7 3 0 1 l c 3 e - 0 7 2 9 7 2 3 4 e 一0 7 2 9 3 5 3 l e 一0 7 2 , 9 0 2 8 4 e 一0 7 2 8 i 0 5 e u ( 2 1 0 ) 由计算结果可知，点接触弹流润滑的名义油膜厚度也很小，仅为0 1 u 丌1 数量级，润滑状况非常恶劣，难以形成动压油膜，摩擦副基本上处 下边界或混合润滑状态。 2 3 表面粗黻及纹向对油膜厚度的影响 2 3 1 表面粗糙度的影响 以上计算都是在不考虑摩擦表面粗糙度，即假定其为光滑表面的条 件下进行的。但任何实际工作表面都不可能是绝对光滑的，表面粗糙度 对于弹流润滑油膜有着重要影响，w e b s t e r 等人给出了典型的结果( 图 2 4 ) “。由图中可见，零件表面的凸凹对于摩擦副见间的压力分布和 油膜形状有着规律性影响。 ： 暑： 。 三： 蓦。 船“ 蚕。 圣“ 妄： 基。 uj m n ；i u h l e s sxc o o r d n a t e ：f a 图2 - 4 粗糙表面的压力分布与油膜形状 林子光、谢辉等人在研究过程中发现，表面参数r 。( 轮廓偏斜度 】“ ”) ，即轮廓分布的不对称性) 为负值是很关键的心“l ，图2 - 5 给出了 其工作原理示意图。当r 。为正值时，承载面积较小，可以看作数个凸 峰与平面接触。以赫兹接触区有一个凸峰存在为例：在凸峰接触处，赫 兹压力骤然增大，形成高峰。微凸体的存在明显的改变了压力分布和油 膜形状，微凸体周围局部压力较高，且凸峰越高，局部压力变化越大， 警烛一 裂礁警般 所以各种高度的微凸体在润滑区内均有不同程度的压平，对应凸峰的接 触区的油膜厚度有所下降，其