（机械设计及理论专业论文）变速条件下弹流油膜的瞬态响应(1).pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 本文通过光干涉技术和多重网格算法分别实验研究及数值模拟了弹流油膜随 速度的瞬态响应特性。 为了对弹流油膜的瞬态响应特性进行准确测量，分别利用非编图像采集系统 c a n o p u se d i u s 和o k 系列图像采集卡与实验测量系统连接，实现了对油膜的运动 状态实时追踪及离线分析。 建立了弹流接触区冲击封油的形成和排出过程的数学模型，并对该过程进行 了数值模拟。结果表明：在纯滚动条件下，存在一临界位移，当封闭润滑油核心 位移小于该临界位移时，封油核心运动速度等于卷吸速度，且封油深度基本保持 不变。当封闭润滑油核心位移大于该临界位移，其移动速度小于卷吸速度，核心 处油膜厚度下降。数值计算还表明卷吸速度增大以及初始间隙减少都会导致临界 位移增大。针对上述计算结果的实验验证，表明了数学模型的合理性。 本文第二部分对点接触条件下弹流油膜加速及急停过程中的瞬态响应建立了 数学模型，进行了数值分析。计算结果表明：弹流油膜在达到稳态之前会经历一 段时间的衰减震荡。并分析了影响震荡的多种参数，如加速度、卷吸速度、接触 体质量、粘压系数和综合弹性模量等。加速过程中油膜厚度整体增加，并且从入 口到出口油膜呈楔形状。弹流油膜在急停过程中则会出现封油现象，而且封油形 状与急停的速度和加速度有关。数值计算结果同作者的实验结果及以往的实验研 究结果进行了定性比较，取得了较好的一致性。 关键词弹流润滑；启动及急停响应；震荡；数值分析 青岛理工大学工学硕士学位论文 a bs t r a c t t h ep r o j e c tm a i n l ya i m st os t u d yt h et r a n s i e n tr e s p o n s eo fe h lf i l l ss u b j e c t e dt o e n t r a i n m e n ts p e e dv a r i a t i o n se x p e r i m e n t a l l ya n dt h e o r a t i c a l l y t om e a s u r ee h lf i l mt h i c k n e s su n c l e rt r a n s i e n tc o n d i t i o n s ，t h er e l a t e d i n t e r f e r o g r a m sa td i f f e r e n tt i m ei n s t a n t sw a sc a p t u r e db yo ki m a g ec a r da n dt h ei m a g e s w e r ep r o c e s s e do f f - l i n eu s i n gan o n l i n e a re d i t i n ga n da c q u i s i t i o ns y s t e m 一c a n o p u s e d i u s ” am a t h e m a t i c a lm o d e lw a se s t a b l i s h e dt od e s c r i b et h ei m p a c te n t r a p m e n to f l u b r i c a n t sa n di t sl a t e r a lm o v e m e n ta f t e ri m p a c ti na ne l a s t o h y d r o d y n a m i cc o n t a c t , a n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n sh a v eb e e nc a r r i e d o u tt ot r a c et h em o v e m e n to ft h ed i m p l ec o r e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e r e e x i s t e dac r i t i c a lv a l u ef o rt h ed i s p l a c e m e n to ft h ee n t r a p p e dl u b r i c a n tc o r e 、7 v h e nt h e d i s p l a c e m e n tw a sl o w e rt h a nt h ec r i t i c a lv a l u e ，i tm o v e da tt h ee n t r a i n m e n ts p e e da n d t h ed i m p l ed e p t hk e p tu n c h a n g e d b u tt h es p e e do ft h ec o r eb e c a m el o w e rt h a nt h e e n t r a i n m e n ts p e e da n dt h ec o r ef i l mt h i c k n e s sd e c r e a s e da ss o o na si tm o v e db e y o n dt h e c r i t i c a lp o s i t i o n i tw a sf o u n dt h a t 埘廿lt h ee n t r a i n m e n ts p e e di n c r e a s i n ga n dt h ei n i t i a l g a pr e d u c i n g ，t h ec r i t i c a ld i s p l a c e m e n ti n c r e a s e d t h ea b o v en u m e r i c a lr e s u l t sw e r e c o r r e l a t e dt ot h ee x p e r i m e n tm e a s u r e m e n t s i nt h es e c o n dp a r t , i no r d e rt os i m u l a t et h er e s p o n s eo fe h lf i l m sd u r i n gt h e p r o c e s s e so fs t a r t - u pa n ds h u t d o w nam a t h e m a t i c a lm o d e lw a sd e v e l o p e d n u m e r i c a l r e s u l t ss h o w e dt h a tf i l mt h i c k n e s se x p e r i e n c e dd a m p e do s c i l l a t i o n sb e f o r er e a c h i n g s t a b l es t a t e t h ed a m p e do s c i l l a t i o nt i m ed e p e n d e do ns o m ep a r a m e t e r s ，s u c ha s e n t r a i n m e n tv e l o c i t i e s ，m a s s e so fl u b r i c a t i o nc o u p l e ，p r e s s u r e v i s c o s i t yi n d i c e sa n d r e d u c e de l a s t i cm o d u l u s d u r i n gt h es t a r t - u p ，t h ef i l mt h i c k n e s si n c r e a s e dg r a d u a l l ya n d aw e d g ef i l mp r o f i l ew a sf o r m e d s o m el u b r i c a n tw a se n t r a p p e di nt h ec o n t a c tr e g i o n a n dad i m p l ew a sf o r m e dd u r i n gt h es h u t d o w n t h ed i m p l es h a p ed e p e n d e do nt h e e n t r a i n m e n ts p e e da n dt h ea c c e l e r a t i o ns p e e d t h ep r e s e n tn u m e r i c a ls o l u t i o n sw e r e c o m p a r e dq u a l i t a t i v e l yw i 廿1e x p e r i m e n t sb yt h ea u t h o ra n dp r e v i o u sr e s e a r c h e r sa n d i i i 青岛理工大学工学硕士学位论文 a g r e e m e n tw a so b t a i n e d k e y w o r d se 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 ；s t a r t - u p a n ds h u t - - d o w n r e s p o n s e ； o s c i l l a t i o n ；n u m e r i c a la n a l y s i s i v 青岛理工大学工学硕士学位论文 b 疵哦 磊 岛 毛 h h 办o b o o ( 0 厅c o 佗 h i n i d i m h i n i h m i n i h m i n o h o i l i i k q n p 物理量名称及符号表 h e r t z 接触半径，m 封闭润滑油核心油膜位置，p m 封闭润滑油的临界位移，g m 综合弹性模量，p a 光波在介质g 中的电向量 油膜厚度，m 无量纲膜厚，日= h r o b 2 无量纲膜厚参考量，h o = b 2 r o 接触中心处钢球的位置，m 封闭润滑油核心油膜厚度，n n l 封闭润滑油中心凹陷初始油膜厚度，p m 钢球下落的初始位置，g m 接触区入口区最小油膜厚度，n l l l 接触区出口区最小油膜厚度，n n l 润滑油油层厚度，岬 干涉光强度，w m 2 相对光干涉强度 介质g 的消光系数 光的折射率 介质g 的实折射率 介质q 的复折射率，瓦= 一电 油膜压力，p a v 青岛理工大学工学硕士学位论文 p p n ， r o r a & 岛 n o u c i w w z ，y x 】， 口 ，7 ，7 刁o p 无量纲压力，尸= p t m 最大h e r t z 压力，p a 偏心距，m 介质g 和q + 1 分界面上的菲涅耳反射系数 钢球半径，m 表面粗糙度，m 介质g 和q + 1 分界面上的当量菲涅耳反射系数 旋滑比，岛= b r 参考速度，m s 中心卷吸速度，m s 无量纲速度，u o = u o r l 。( e 次。) 钢球下落线速度，m s 钢球下落初始速度，m s 载荷，n 无量纲压力，w = w ( e r , x ) 坐标，m 无量纲坐标，= x b 无量纲坐标，r = y ：b 粘压系数，m 2 n 润滑油粘度，p a s 润滑油的无量纲粘度，万= r r 。 润滑油的环境粘度，p as 润滑油密度，k g m 3 v l 歹一润滑油无量纲密度，p 一= p i p o p o 一润滑油环境密度，k g m 3 说明：本表所列为文中出现次数较多的符号，出现次数较少并在正文中己作 说明的符号未列入其中。 v i i 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 在世界工业化进程不断加快的同时，世界生态遭到严重破坏，资源环境面临 严峻形势。我国人口多，资源少，人均资源占有量大大低于世界平均水平，环境 污染严重，温室效应导致全球变暖，海平面上升，土壤沙漠化，因此节能减排势 在必行。各种节能措施可归结为直接节能和间接节能，其中间接节能是指通过调 整牛产工艺结构，减少生产中间环节、优化工艺流程、提高产品性能和寿命等措 施达到的节能效果。间接节能可以降低原材料消耗，提高资源综合利用效率。世 界上使用的能源大约有1 3 - - - 1 2 消耗于摩擦。如果能够尽力减少无用的摩擦消耗， 便可大量节省能源，达到间接节能的效果。那么摩擦学的研究对于提高零部件的 工作效率和节能显得尤为重要。 摩擦学研究的对象很广泛，在机械工程中主要包括动、静摩擦，如滑动轴 承、齿轮传动、螺纹联接、电气触头和磁带录音头等；零件表面受工作介质摩 擦或碰撞、冲击，如犁铧和水轮机转轮等；机械制造工艺的摩擦学问题，如金 属成形加工、切削3 nr 和超精加工等；弹性体摩擦，如汽车轮胎与路面的摩擦、 弹性密封的动力渗漏等；特殊工况条件下的摩擦学问题，如宇宙探索中遇到的 高真空、低温和离子辐射等，深海作业的高压、腐蚀、润滑剂稀释和防漏密封 笙i l 】 可。 润滑是摩擦学研究的重要内容。改善摩擦副的摩擦状态以降低摩擦阻力减缓 磨损的技术措施。一般通过润滑剂来达到润滑的目的。在循环的润滑过程中，润 滑油可将磨损的颗粒和摩擦产生的热量传递出接触区，对零部件其到保护作用。 另外，润滑剂还有防锈、减振、密封、传递动力等作用。充分利用现代的润滑技 术能显著提高机器的使用性能和寿命并减少能源消耗。根据摩擦副之间摩擦状态 的不同，润滑分为：流体摩擦润滑。用流体( 厚度在1 5 - - 2 微米以上) 将摩擦 表面隔开的润滑方式。根据润滑膜压力的产生方式不同又可分为流体动压润滑 ( s t 摩擦表面的几何形状和相对运动由粘性流体的动力作用产生压力平衡外载 荷) 和流体静压润滑( 由外部将一定压力的流体送入摩擦表面间，靠流体的静压 1 青岛理工大学工学硕士学位论文 平衡外载荷) 两种。边界摩擦润滑。摩擦表面间存在一层薄膜( 边界膜) 时的润 滑状态；它可分为吸附膜( 润滑剂中的极性分子吸附在摩擦表面所形成的膜，包 括物理吸附膜和化学吸附膜) 和化学反应膜( 润滑油中的添加剂与金属表面起化 学作用生成能承受较大载荷的表面膜) 两类。润滑可以延长机器设备的寿命，提 高精度、节约能源【2 1 。 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，它主要研究点、线接触中弹性表面间的流体动力润滑问题。作为润滑理论 中的重要分支，弹流润滑揭示了高副接触条件下的润滑机理。经过六十多年多位 杰出研究人员( d o w s o n 和h i g g i n s o n e 3 j ，h a m r o c k 和d o w s o n 4 1 ，g o h a r 5 】等等) 从不同 角度的研究，奠定了弹流理论研究的基础，此后弹流理论取得长足发展和完善， 弹流油膜形状和厚度的计算和测量也日渐准确。至今，人们对弹流油膜的形成已 经有了深入理解。随着计算机性能的提高和各种先进计算方法的推出，以及测量 方法的发展，越来越多影响因素引入到弹流理论中，如综合考虑热效应、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，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。 弹流润滑研究主要从理论分析和实验研究两方面展开。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。理论分 析与实验研究相互促进、相互依赖、相互制约。 1 2 研究现状及水平 。 弹性流体动力润滑广泛存在于高副接触的机械零部件中，如齿轮、凸轮及轴 承等。由于接触副表面的弹性变形以及粘度随压力升高而迅速变大，润滑油被运 动表面带进接触区而形成润滑油膜将两运动表面分开。组成机械系统的大部分的 润滑部件由于受到载荷、速度和轴向曲率随时间的变化而处于时变状态。尽管实 际工况如此，由于在数值和实验方面模拟和观察零部件的工作状态十分困难，所 以早期的理论和实验研究主要致力于稳态工况。在过去的几十年中，对非稳态润 滑问题的研究逐渐增多，这主要归因于实验技术和实验装置的进步，以及计算方 法和计算软件的发展。 实际上，润滑零部件处于时变状态主要来源于两个方面。一方面在宏观上， 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 由于机械系统的本身性质或间歇性的工作状态( 如启动、急停、周期性启动- 停止) 导致了系统的工作条件随时间变化；另一方面在微观上，取决于接触区内的局部 时变( 如表面缺陷、表面粗糙度、固体颗粒等) 。在影响弹流油膜的各个参数中，速 度对油膜厚度的影响最为明显，因此速度随时问的变化成为研究时变问题热点， 也是本文研究的重点。 d i f b e a r 图1 1 处于时变工作状态的润滑部件 f i g 1 - 1e x a m p l e so fl u b r i c a t e dp a i r su n d e rt r a n s i e mc o n d i t i o n s 在实际工程中，速度的变化既会沿接触副的法线方向，也会沿接触副的切线 方向，即卷吸速度方向。当零部件振动时，速度会沿法线方向变化，接触副表面 会发牛冲击和挤压运动，导致接触内封油现象的产生，从而对润滑产生影响。当 机械系统启动、停止和步进运动时，零部件会经历加速、减速和周期性速度变化 过程，这时运动速度会沿运动方向发生变化，从而引起油膜厚度的局部减小或增 加，产生油膜震荡现象。绝大数的零部件工作时速度的变化会沿两个方向同时发 生，因此弹流油膜对速度变化的动态响应是本文研究的主要内容。 1 2 1 挤压及冲击问题 早在二十世纪六十年代，d o w s o n 和j o n e l 6 j 的实验就表明两弹性表面相互挤压 时会产生明显的封油，形成表面弹性凹陷，如图1 2 所示。c h r i s t e n s e n 7 , 8 】给出了圆 柱体挤压油膜的数值解，指出挤压会诱发高的压力值。l e e 和c h e n g 9 1 1 9 7 3 年的理 论研究证明两个圆柱体冲击会在中心接触区形成封油现象，如图1 3 所示。实际上， 在1 9 8 6 年，s a r a 和g o h a r 1 0 】对落球冲击和反弹问题进行了实验研究，实验发现中 心接触区的压力随时间变化存在两个极值，第二个压力峰值发生在球反弹即将离 3 一i 一 青岛理工大学工学硕士学位论文 一o ，o o oo + io 2 o 3 r o d u i _ 而、i 图1 - 2 封闭润油干涉图及油膜外形f 6 j f i g 1 - 2i n t e r f e r o g r a ma n dp r o f i l eo fe n t r a p p e dl u b r i c a n t t 6 】 r2 图l - 3 两圆柱体靠近过程中的封油f 9 f i g 1 - 3e n t r a p p i n gp r o c e s sd u r i n ga p p r o a c ho ft w oc y li n d e r s 【9 】 开润滑表面的位置，如图1 - 4 所示。9 0 年代杨沛然和温诗铸【l l ，1 2 】给出了球体的运动 方程，得到了纯挤压问题的完全数值解，研究了落球问题的下降过程，但是他们 只研究了冲击的初始阶段，并没有对反弹过程没有进行深入地研究。1 9 9 5 年， l a r s s o n 和h o g h m d 1 3 l 做了系列的数值分析模拟了落球问题的下降和反弹的全 过程，理论结果与s a r a 和g o h a r 的实验结果吻合良好，如图卜5 所示。同年，l a r s s o n 和l u n d b e r 9 0 4 1 用光干涉法研究了粘度和冲击速度对冲击和反弹过程的影响。1 9 9 5 年，n i s h i k a w a 等人【1 5 】通过多光束干涉法研究了弹流油膜的循环挤压行为，他们发 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 足 d q1 l l j - 1 j - i 扎上jl i _ u - lj l - 图1 - 4 冲击中的第- - n 力峰1 0 】 f i g 1 - 4t h es e c o n dp r e s s u r es p i k e si ni m p a c t 【1 0 】 图1 5 理论结果与实验结果对比【l 列 f i g 1 51 1 1 ec o m p a r i s o nr e s u l t so ft h e o r ya n de x p e r i m e n t 现循环过程中中心封油区的油膜厚度是不变的。1 9 9 8 年，s u g i m u r a 等人【l6 】用光干 涉法测量了各种非稳态情况下的油膜厚度，证实了动态下的油膜与稳态下的油膜 是有区别的。最近几年，研究者对冲击封油动态问题有了更加深入和细微的研究。 2 0 0 4 年，s a k a m o t o 等人【17 】也对封油的排出过程进行了研究，得到了封油的移动速 度与卷吸速度相等的结论。2 0 0 6 年，g u o 和k a n e t a 1 s 】的理论结果与s a k a m o t o 的实 验结果得到了较好的一致，当初始冲击间隙很小的时候他们也在边缘而不是中心 发现了凹陷。2 0 0 7 年，g u o 和n i s h i k a w a 1 9 1 在理论上研究了弹流油膜循环挤压行为， 发现理论结果与实验结果吻合的很好。同年，k a n e t a 等人 2 0 1 也研究了冲击载荷对 点接触弹流油膜的影响。他们得到了三种类型的凹陷：大初始间隙的中心凹陷、 小初始间隙的平项中心凹陷和小初始间隙的边缘凹陷。 5 chci、d一譬iumu曩磊呈20nl 青岛理工大学工学硕士学位论文 图1 - 6 纯滑条件下封油核心位移随时间变化图【2 2 1 f i g 1 - 6v a r i a t i o no fd i s p l a c e m e n t so fd i m p l ec o r ew i t hi n s t a n t su n d e rp u r es l i d i n gc o n d i t i o n s 【2 2 】 除了纯挤压和周期性挤压问题，研究人员对挤压卷吸联合作用的润滑行为也 进行了研究。1 9 9 0 年，k a n e t a 等人【2 l 】用光干涉法研究了弹流油膜的非牛顿响应。 他们的实验表明，在玻璃盘纯滑动条件下，冲击封油的运动速度比卷吸速度要小。 而按照经典的弹流润滑理论，封油的移动速度与卷吸速度一致。由于实验技术的 限制，k a n e t a 等并没有给出定量的分析。最近，g u o 等人【2 2 1 使用高粘度的润滑油 测量了冲击封闭润滑油核心在纯滑动条件下的移动，表明界面滑移导致封油核心 移动速度不等于卷吸速度，如图1 - 6 所示。同时，马文娟【2 3 】等实验研究了纯滚动 条件下的冲击封油核心在接触区卷吸排出的过程，初步给出了封油核心运动速度 和油膜厚度的变化规律。本文在此基础上，对弹流接触区封油运动过程做了更深 入和系统的研究。 1 2 2 加速及急停问题 早期的对卷吸速度随时间的动态变化，主要集中于数值模拟。例如h o o k e 2 4 】， d o w s o n , t a y l o r 和z h u 2 5 】对凸轮及从动时变弹流润滑问题的分析，给出了运动表面 逆转时润滑油膜的特征。后来，s i g m u l a r 等人【l6 】采用光干涉技术观察了油膜厚度 在加速减速、启动停止时的变化特征，他们的研究指出正加速度会导致油膜厚度 减小，而负加速度反而有助于油膜厚度的增加。g l o v n e a 等人的实验及理论研究方 面也得出了类似的结果。 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 o 1 4 0 莒 ： 三 暑 兽 柚 0 八 p 譬盘印_ 帮m 譬- 。叨 v ， - 矿 行一 + 5 0 m ，0 - - 2 0m ，i 1 0 m ，i 5 - 0 - 5m 1 8 t 钟 ”o 柏 1 柏 朋 _ | m 8 1 图1 7g l o v n e a 和s p i k e s 的不同加速度的实验结果【2 6 】 f i g 1 - 7v a r i a t i o no f f i l mt h i c k n e s sw i t hd i f f e r e n ta c c e l e r a t i o nr a t e s i ng l o v n e aa n ds p i k e s e x p e r i m e n t s t 2 6 】 图1 8g l o v n e a 和s p i k e s 的不同卷吸速度的实验结果幽】 f i g 1 8v a r i a t i o no ff i l mt h i c k n e s s w i t hd i f f e r e n te n t r a i n m e n tv e l o c i t i e s i ng l o v n e aa n ds p i k e s e x p e r i m e n t s 2 8 】 2 0 0 1 年，g l o v n e a 和s p i k e s 2 6 】对启动过程中弹流油膜的形成进行了研究。实验 结果显示了不同加速度在油膜的形成过程中会出现不同程度的震荡，如图1 7 所 示。2 0 0 2 年，g l o v n e a 和s p i k e s 2 7 j 对往复运动的弹流油膜行为进行了研究，研究表 明最小油膜厚度不会像理论预测的那样在零卷吸速度处，而是有一个延迟，这种 延迟和最小油膜厚度在很大程度上依靠卷吸速度的改变率。2 0 0 3 年，g l o v n e a 和 s p i k e s 2 8 】实验表明了卷吸速度的阶跃增加能导致弹流油膜厚度的震荡( 图1 8 ) 。在 g l o v n e a 和s p i k e s 的一系列实验中，他们认为观察到的油膜震荡是与图1 - 9 类似的， 但是实验设备中的油膜震荡系统更复杂，因为它包含了接触以及加载系统的弹性 和衰减特征。这可能解释了为什么油膜没有显示一个理想的，谐波的衰减震荡。 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 图1 - 9 谐波的衰减震荡口8 】 f i g 1 - 9h a r m o n i cd a m p e d o s c i l l a t i o n 【2 8 1 弹流油膜的运动启动响应的实验研究还需要理论的进一步验证，如e h r e t 等人 1 2 9 数值模拟了纯滑动条件下，封油在接触区的瞬时排出过程。2 0 0 1 年，z h a oj x 等人【3 0 】也对无封油的运动启动进行了数值模拟，研究发现启动过程中油膜只是单 调增加，并没有发现震荡的油膜。同年，h o l m e s 等人【3 l 】对g l o v n e a 和s p i k e s 的实 验也进行了理论计算，但是在他们的理论中也没有计算出震荡。2 0 0 7 年，俄罗斯 人u s o v l 3 2 1 提出一种数学模型对线接触的运动启动进行了数值分析。 综上所述，大部分学者对动态润滑行为在实验研究方面取得了一系列的成果， 但是在理论方面还有待迸一步的研究和探讨，尤其是弹流油膜的运动启动响应方 面。本文重点分析了弹流油膜对上述两种时变过程的动态响应，进行了一系列的 实验观察和数值模拟，旨在探讨动态弹流油膜特征的影响因素。现有的实验结果 和数值计算结果与已有的实验结果进行了对比。该课题的研究有助于加深时变弹 流润滑的认识并对工程实际提供数据支持。 1 3 油膜厚度的光干涉测量方法 弹流油膜厚度测量是弹流实验研究的重要内容之。 点接触弹流润滑的接触区通常在毫米级以下，油膜厚度通常为纳米至亚微米 量级。在如此微小的接触区内对复杂的润滑现象进行测量，必须采用精确的测量 手段。 在弹流润滑油膜厚度测量实验中，人们提出了很多方法，主要包括：电阻法( 通 过测量油膜间的电阻来推断油膜厚度的方法) 、电容法( 根据弹流油膜的电容值随油 8 青岛理工大学工学硕士学位论文 膜厚度增大而减小的关系来计算平均油膜厚度) 、放电电压法( 根据两金属表面间的 放电电压随油膜厚度的变化来测定油膜厚度) 、位移法( 通过测量机械位移来确定油 膜厚度) 、x 射线法( x 射线几乎完全被金属吸收掉，但却可以穿透润滑油，且透过 润滑油的x 射线量在一定条件下与油膜厚度成正比) 及光干涉法等【3 3 3 9 。而光干涉 法是弹流研究中最有效的油膜厚度测量方法之一。 光干涉法应用于测量弹流润滑接触区的油膜厚度与形状开始于二十世纪六十 年代。它是将光源透过透明的光学平板( 如玻璃等) 照射到接触区，经不同界面反射 后形成光的干涉，再根据干涉条纹与油膜厚度的对应关系计算得出接触区各点的 油膜厚度。由于此法易于实现点接触或椭圆接触，并能同时测定润滑油膜的厚度 与形状，因此得到了广泛的应用并被不断地完善和发展。 1 3 1 双光束光干涉测量法 在传统的光学e h l 实验中，干涉图样是由双光束干涉理论来解释并推断出油 膜形状的，如图1 1 0 。此时，干涉条纹是来自于铬膜和钢表面反射的相干光线i 和光线i i 的干涉。干涉强度，与膜厚h 遵循以下余弦关系： 川川：+ 2 瓜c o s ( 等+ 妒) m ， 这里，和厶是光线i 和光线i i 的强度，7 2 是润滑油的折射率，a 是光的波长，西 是系统的初相位并等价于科2 刀聊2 ) 的光学厚度差。由于白色光源具有比单色光 源更高的分辨率( 约为3 0 5 0r i m ) ，所以常常采用校准彩色e h l 干涉测量法。近 来，e h l 实验研究向超薄膜润滑、微e h l 及混合e h l 发展，并且许多非传统 油膜形状不断被提出，如：传统e h l 油膜的扁平部分有了明显的厚度变化即中央 凹陷。 在超薄膜润滑时膜厚可达到纳米级。而在微e h l 和非传统的e h l 中，油膜 厚度基本为微米级，局部膜厚波动为纳米级。显然，由于测量范围和分辨率的局 限，传统的光学e h l 干涉测量法并不适应这些新特性的研究。 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 劳j 谚? f ? v 刚 夕 h 一广l h ： 图1 1 0 双光束干涉测量法h o 】 f i g 1 10t w o b e a mo p t i c a le h li n t e r f e r o m e t r y 图1 1 0 中只考虑玻璃盘分光铬膜界面反射光束i 和入射光在钢球- 润滑油界面 一次反射光束i i 形成的干涉，此时干涉强度和油膜厚度为余弦函数关系。然而实 际上光束在分光铬膜和油膜内发生多次反射，最终的干涉条纹是多束光干涉的结 果，光干涉强度与油膜厚度的关系偏离了余弦关系。在测量超薄油膜厚度和微小 局部油膜厚度变化时，这种双光束干涉强度余弦关系的近似可导致较大的偏差， 如图1 1 1 。 ( a ) 干涉图 ( a ) i n t e r f e r e n c ef r i n g e s ( b ) 实测干涉强度 ( b ) m e a s u r e di n t e n s i t y 1 0 垂垂重蠢蓥羹垂羹錾藿羹垂垂垂霉羹鬈垂垂羹羹垂 青岛理工大学工学硕士学位论文 g ( c ) 不同测量方法油膜厚度比较 ( c ) r e c o n s t r u c t e dg a pp r o f i l e 图1 1 1 镀铬玻璃盘和高精度钢表面形成的楔形空气膜的测量【4 1 】 f i g 1 - 1 1m e a s u r e m e mo fa na i rf i l mb e t w e e naw e d g e dc r - c o a t e dg l a s sp l a t e 锄ah i g hp r e c i s i o n s t e e ls u r f a c e d l 】 随着弹性流体动力润滑( e h l ) 研究的深入，各国研究人员提出了一些具有纳米 级分辨率的润滑油膜测量技术。在这些方法中，一类是基于彩色干涉条纹的计算 机光谱分析或色度学分析，如j o h n s t o n 等【4 2 】提出的附加垫层法、g u s t a f s s o n 等d 3 提出的h i s 方法及g l o v n e a 等【4 4 】提出的u t f i 方法。第二类是基于单色光干涉 图像的强度分析，如雒建斌等【4 。7 j 提出的相对光强法达到了0 5n n l 的分辨率。单 色光干涉条纹清晰度高，可测最大油膜厚度远大于彩色干涉图像。 1 3 2 多光束光干涉测量法 为了克服双光束干涉理论的缺陷，g u o 等对弹流油膜光学测量系统进行了详 细的光学理论分析，说明了其多光束干涉的特征，提出了m b i ( 多光束干涉强度法) 方案。基于该方案，建立了一种新的大量程高分辨率纳微米弹流油膜厚度测量系 统。开发了一种基于多光束干涉原理的油膜厚度测量方法【4 8 】，达到了更加精确的 测量精度和较大的测量范围。在该方法中，所有的反射光被考虑在计算当中，而 不是以前方法中只考虑两束最主要的光束。此外，镀层和钢球的光吸收特性在图 像处理中也被考虑进来( 图1 1 2 ) 。实验结果和理论分析之间的吻合性在文献【4 8 】 和 4 1 】中都有所述。 青岛理工大学工学硕士学位论文 i n c i d e n tl i g h t s t e e lb a l l , ，岛- i k 3 图1 1 2 多光束干涉测量法 f i g 1 12m u l t i b e a mo p t i c a le h li n t e r f e r o m e r y 4 0 】 1 4 本文主要研究内容及意义 1 4 1 本文主要研究内容 朋f 勋 d 2 = i , 陀 目前，对弹流油膜的瞬态响应的理论分析还不是很完善，已有的研究主要集 中于弹流油膜的非稳态的实验研究，理论分析与实验研究吻合的还不是很好，这 说明理论分析还存在很多问题，尤其是弹流油膜的运动启动响应部分的理论分析， 据作者所知，尚未有与实验相吻合的研究报告发表。因此，本文将对滚动条件下 弹流接触区中心封油的排出过程进行了数值模拟，并对弹流油膜的运动启动响应 部分进行了理论分析，具体分为以下几个方面： ( 1 ) 建立了纯滚动条件下封油排出过程的数值模型，理论分析了不同卷吸速度 及不同初始间隙对封油核心临界位移的影响；观察了中心油膜及入口和出口两侧 最小油膜的位置和厚度的变化规律。 ( 2 ) 针对滚动条件下弹流接触区中心封油的排出过程的数值模拟结果，进行了 相对应的实验观察，研究结果与理论分析进行了对比，得到了较一致的结果。 ( 3 ) 对弹流油膜的运动启动过程建立了数学模型，模拟了启动过程中不同加速 度和卷吸速度中心油膜厚度的影响，分析了不同参数对油膜震荡过程的影响。与 g l o v n e a 和s p i k e s 的实验结果进行了定性比较，油膜变化趋势一致。 ( 4 ) 实验观察了启动过程对弹流油膜厚度的影响，并与数值计算结果进行了定 性比较，以验证数学模型的可行性。 1 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 ( 5 ) 对弹流油膜的急停过程进行了实验研究和数值计算，并对其进行了比较。 1 4 2 本文研究工作的意义 由摩擦引起的磨损、润滑、材料与能源消耗等一系列摩擦学问题普遍存在， 并对社会、经济的发展产生了巨大影响。由于摩擦学科学所涉及的问题与节约能 源、节约材料、减少磨损、提高资源利用率和保护环境等密切相关，其已成为我 国走新型化工业道路和发展循环经济必须面对的科学问题，已受到科技界的高度 重视。 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。同时，由摩擦引起的磨损会使得机械零件 迅速失效，增加了生产成本，动态过程对机械的磨损尤其严重，而每个机械系统 都不可避免要经历启动、加速过程，因此研究弹流油膜的启动、加速过程中不同 参数对时变中心油膜的动态响应非常具有现实意义，若应用于生产则可减少摩擦、 提高机械零件的使用寿命，将会有巨大的经济效益和社会效益。 1 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 1 总述 第2 章实验设备及实验技术 为实现对弹性流体动力润滑的动态测量，观察弹流油膜对时变卷吸速度的瞬 态响应，利用多光束干涉法原理对油膜进行测量。根据实验要求，对现有的弹流 油膜测量系统进行改进，使用运动控制卡控制电机运行，可实现控制方便、快捷， 并实现精确的位置、速度控制。 实验在自制的光弹流实验机上进行，实物图如图2 1 所示，实验装置主单元装 配图如图2 2 所示。整个实验台丰要由玻璃盘回转系统、加载系统、运动控制系统、 光源系统、图像采集及处理系统等部分组成。由于弹流润滑的接触区域小( 通常为 毫米级) ，油膜厚度薄( 通常为纳米至亚微米量级) ，油膜形状对振动的干扰极为敏 感，因此提高设备的传动精度、运动稳定性及减小振动干扰是获得可靠的实验结 果的重要保证。 图2 1 光弹流润滑薄膜测量实验装置 f i g 2 1o p t i c a le h l t e s tr i g 1 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 2 实验装置 图2 2 实验装置主单元装配图 f i g 2 - 2a s s e m b l yo f t h em a i nu n i t 2 2 1 玻璃盘回转系统及加载系统 l j ：轴 2 压紧盘 3 压紧片 4 藏璃盘 5 上扣盖 6 轴承外套 7 轴承 8 内窿筒 9 外套筒 1 0 下扣盖 1 1 顶紧螺母 1 2 同步帝轮 图2 - 3 玻璃盘回转系统 f i g 2 - 3u n i to fg l a s sr o t a t i o n 其结构参见图2 3 、2 - 4 。玻璃盘由冕牌k 9 玻璃制成，其与球接触一侧镀有分 光铬膜，公称厚度为2 0i l r n ，表面粗糙度为r a = 4h i l l 。球盘接触载荷的施加是通 1 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 过如图2 - 4 所示的加载装置完成的。工作时，钢球由滚子支撑。图2 - 4 中，右上边 的螺纹孔与一个弹簧相连，然后再连接到一个数字测力计上，通过一个固定支架 给数字测力计一个竖直方向的拉力。这样，弹簧通过压板托起球托将钢球压紧到 玻璃盘下表面上形成弹流点接触。图2 - 4 中压板的几何尺寸使得接触区的载荷是数 字测力计读数的两倍( 在钢球与玻璃盘接触前将数字测力计读数置零) 。 2 2 2 运动控制系统 图2 _ 4 加载装置 f i g 2 4l o a d i n g u n i t 运动控制系统采用的是运动控制卡p c i 1 2 4 0 ，其工作界面如图2 5 所示。研 华的p c i 1 2 4 0 t 4 9 1 是一款轴步进脉冲型伺服电机控制卡，专门应用于常规的精确运 动。运动控制卡的功能是发送所需脉冲给伺服放大器( 型号m r j 2 s 4 0 a ) ，经由伺 服放大器放大，驱动伺服电机( 选用三菱交流伺服电机h c k f s4 3 ，额定输出功率 4 0 0 w ) 运行，然后再通过同步带轮驱动实验台的主轴实现多种运动。运动控制卡与 伺服放大器接线图如图2 6 所示，使用运动控制卡控制电机比手动速度控制模式更 精确。原来的手动控制模式只是能够实现对速度的控制，并且电机主轴的最低转 速为l r e v m i n ，有漂移不稳定现象( 在1 r e v m i n - - 5 r e v m i n 之间浮动) ，使电机的主 轴转速不能准确稳定运转，要达到实验要求的玻璃盘钢球的转速需要经过多级减 速器减速，这降低了系统的准确性，不能实现位置控制。采用运动控制卡后电机 主轴最低转速可达0 0 1 5 r e v m i n ，而且速度稳定，不需要经过多级减速器减速即可 达到实验要求；采用运动控制卡还可实现对位置的精确控制，使伺服电机模仿步 进电机的运行。钢球与玻璃盘在接触点的线速度计算如下： 1 6 其中 b r o i - 1j6 i o 岬2ib l o 岬31g r o 岬4l h o m e p 曩硼e l e | p + e x o p o u t p u tm o d e dr i v es p e e dp = e n 戗e rr a n g er e f e m r c e + 。 三叫删o 州m 咄 h 岫s 蜘n 一5 0 0 j 1 p , 蛔, o i e c l k mo u t p u tm o d e 。一 “drives p e e d r a n g e d v l ：f1 一b 0 0 0 e x o p + , , e x ：0 p p u l s e0 u q ；u il e 、, e l a c c e i e a b o nr 胪c j1 2 5 “1 0 0 0 0 0 0 三竺。0 竺竺鬯 r , n eo l a c cr w o e i - 妹 9 5 4 9 5 4 6 2 5 0 0 0 0 0 一m ”o “j a c t l 赢 d r i v es p e e dp = a e n e t s e l l r 叼 粤? d 竺黑? d 竺l 黑， i r a i a l s p e e d ( s v ir p p s ：l w f h 叫h 小h 叫 1