（机械设计及理论专业论文）含油轴承摩擦学性能研究.pdf

摘重 摘要 本文介绍了粉末冶金含油轴承的发展历史，制造含油轴承的材料和制造工艺，论述 了含油轴承润滑理论研究现状：提出了改进的有限宽任意壁厚含油轴承d a r c y 模型；详 细介绍了l i n 等建立的有限宽薄壁含油轴承的b r i n k m a n 模型；用数值计算方法求解了这 两种模型，绘制出了压力分布衄线、载荷曲线和摩擦系数曲线；对两种模型的计算结果 进行了分析对比。 研制了含油轴承摩擦学性能测试台，阐述了试验台的总体结构和测试原理。试验台 由智能模块、变频器、传感器和数据采集软件以及试验台的机械部分等部分组成；对试 验台的误差进行了分析。 最后对含油轴承摩擦学性能进行了试验研究。试验内容包括：润滑油粘度的影响、 润滑油添加剂的影响、渗透度的影响、表面粗糙度的影响以及温度的影响。 通过对含油轴承的理论研究和试验研究，得出如下结论： 1 ) 本文提出了一个改进d a r c y 模型，该模型与b r i n k m a n 模型相比，具有模型简单， 计算量小的特点，其计算结果比d a r c y 模型更准确； 2 ) 理论分析计算的结果表明：适当减小渗透度可以提高承载能力、减小摩擦系数； 增加含油轴承的宽度也可以提高承载能力、减小摩擦系数；随着轴承厚度的增加，含油 轴承的承载能力下降，摩擦系数增大，因此通过适当减小轴承的厚度可以提高轴承的承 载能力并减小摩擦系数； 3 ) 所研制的含油轴承摩擦学性能测试台，为开展含油轴承摩擦学性能和工作性能的 试验研究提供了新的技术手段： 4 ) 试验研究结果表明：表面改性、适当的润滑油粘度、润滑油添加剂、表面粗糙度 和渗透度对含油轴承性能均有较大的影响；对于相同的轴承，在室温高时含油轴承的摩 擦系数比室温低时低，但是温升却相反，这是因为室温高的时候不利于散热，所以温升 就大； 5 ) 提高含油轴承自身的供油能力并降低润滑油的径向泄漏是提高其性能的关键。润 滑油的粘度对含油轴承的性能影响很大，较低粘度的润滑油在轴承基体中循环快，改善 了轴承自身的供油能力。 通过本文的研究使我们对含油轴承的润滑机理有了进一步的了解。所研制的含油轴 承性能试验台对含油轴承的理论研究以及产品性能评定提供了有效的手段。 本文受国家自然科学基金项目资助( 项目批准号：5 0 3 7 5 1 4 1 ) 关键词：含油轴承：摩擦学性能；润滑理论；试验台；试验研究 a b s t r a c t a b s l r a c t t h e h i s t o r yo fp o r o u sj o u r n a lb e a r i n g ，t h em a t e r i a l sa n dm a c h i n i n gt e c h n i c s o f p o r o u sj o u r n a lb e a r i n g ，t h ep r e s e n ts t u d y ，t h et h r e eh y d r o d y n a m i ct h e o r i e sa n d t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e mh a v e b e e n f i r s t l y i n t r o d u c e di nt h e p a p e r s u b s e q u e n t l y , t h i sp a p e ra p p l i e sd a r c y m o d e lt o d e v e l o p aa m e l i o r a t i v e t h e o r e t i c a lm o d e l ，a n di n t r o d u c e st h eb r i n k m a nm o d e l d e v e l o p e db yl i n t h e n ，a f i n i t ed i f f e r e n c et e c h n i q u ei su s e dt os o l v et h e s et w om o d e l s ，a n dc o m p a r e st h e r e s u l t so fa m e l i o r a t i v e d a r c y m o d e lw i t ht h er e s u l t so fb r i n k m a nm o d e l i nt h i sp a p e rt h et e s t i n gw o r k t a b l ef o rt e s t i n gt h et r i b o l o g yp e r f o r m a n c ei s d e s i g n e d t h es t r u c t u r eo ft e s t i n gw o r k t a b l e ，t h em e a s u r ep r i n c i p l ea n dp a r t so f t e s t i n gt a b l ea r ei n t r o d u c e d e r r o ro ft e s t i n g t a b l ei sa l s oa n a l y s e d e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n s o fp o r o u s b e a r i n g s h a v eb e e nc a r r i e do u t p u r p o s eo fe x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n si st of i n de f f e c to f o i lv i s c o s i t y , a d d i t i v e o f o i l ，p e r m e a b i l i t yo fb e a r i n gm a t e r i a l ，s u r f a c er o u g h n e s s a n d t e m p e r a t u r e t h er e s u l t sa r ef o l l o w s ： 1 t h ea m e l i o r a t i v ed a r c ym o d e li nt h i sp a p e ri ss i m p l e rt h a nb r i n k m a n m o d e l ，a n dm o r ea c c u r a t et h a nf o r ed a r c ym o d e l ，i t sr e s u l t sa r ec l o s e t o b r i n k m a nm o d e l s ot h ea m e l i o r a t i v ei sv a l u a b l e 2 t h er e s u l t so ft h e o r e t i ci n v e s t i g a t i o n si n d i c a t et h a tp r o p e r l yd e c r e a s i n g p e r m e a b i l i t y o r i n c r e a s i n g t h ew i d t ho fb e a r i n g so r d e c r e a s i n g t h e t h i c k n e s so f b e a r i n g sc a no b t a i nb e t t e rt r i b o l o g yp e r f o r m a n c eo fp o r o u s b e a r i n g s 3 t h i s t e s t i n g w o r k t a b l ea f f o r d sb a s e m e n t a n dr e f e r e n c ef o rt h e e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no f p o r o u sb e a r i n g t r i b o l o g yp e r f o r m a n c e 4 a c c o r d i n gt oe x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n ，m o d i f i e de x t e m a ls u r f a c e ，o i l v i s c o s i t y , a d d i t i v e o f o i l ，r o u g h n e s sa n dp e r m e a b i l i t yh a v eg r e a t e f f e c to n t h ep e r f o r m a n c eo fp o r o u sb e a r i n g s t h et e m p e r a t u r e i s h i g h e r , t h e p e r f o r m a n c eo fp o r o u sb e a r i n g i sb e t t e r 5 a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fe x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n ，t h ek e yw a y t o i n c r e a s e p e r f o r m a n c e o fp o r o u sb e a r i n gi s t o d e v e l o ps e l f - a p p l y i n g a b s t r a c t a b i l i t yo f o i la n dd e c r e a s eo i ll e a ki nr a d i a ld i r e c t i o n t h el o w v i s c o s i t y o i li sb e r e r w ec a l lg e taf i r s ta p p r e c i a t i o no f p o r o u sb e a r i n gt r i b o l o g yp e r f o r m a n c eb y t h es t u d y ，m o r e o v e r , i ta f f o r d sb a s e m e n ta n dr e f e r e n c ef o rt h ei n v e s t i g a t i o no f p o r o u sb e a r i n g t r i b o l o g yp e r f o r m a n c e t h i s p r o j e c t i s s u p p o r t e db yag r a n t f r o mt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o no f c h i n aw h i c ht h ea u t h o r i z i n gn u m b e ri s5 0 3 7 5 1 4 1 k e yw o r d s ：p o r o u sb e a r i n g s ；t r i b o l o g yp e r f o r m a n c e ；l u b r i c a t i o nt h e o r y ；t e s t i n g w o r k t a b l e ；e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n s 第一章绪论 第一章绪论 【摘要】本章介绍了粉末冶金含油轴承的发展历史，描述了制造含油轴承的材料和制造工艺，论述了 含油轴承润滑理论研究现状。最后提出了本文的研究目标和方法。 1 1 含油轴承的概述 1 1 1 含油轴承的特点 浸渗着润滑油使其具有润滑性能的轴承叫做含油轴承。从材料方面看，主要可分为 金属烧结含油轴承和高分子的热可塑性树脂含油轴承两大类【l 】本论文主要的研究对象是 金属烧结含油轴承。金属含油轴承是用金属粉末( 主要是铜基和铁基) 和其它减磨材料 经压制、烧结、整形和浸油而成，其材料呈多孔质特征，能储存润滑油。含油轴承的最 主要特点是储存在孔隙中的润滑油在运行中从孔中渗出并在摩擦面上进行润滑，在一定 条件下，有可能在轴颈与工作表面之间建立起有一定承载能力的动压油膜，运行一停止， 油就又被吸入孔中被储存起来，故用少量的油能进行长时间的润滑。由于含油轴承不需 要添加润滑剂并且没有泄漏，因此适用于没有加油空间和不能有泄漏的场合。含油轴承 的主要特点如下1 2 j ： 优点：( 1 ) 不需要或仅需少量油补给； ( 2 ) 具有自我润滑作用，不易发热胶着； ( 3 ) 一般情况下，运行噪音低于滚动轴承； ( 4 1 适应批量生产，价廉： ( 5 ) 通常省掉了切削工艺。 缺点：( 1 ) 因轴承内有空孔，机械强度( 抗压强度) 弱； ( 2 ) 负荷容量小，多数是混合润滑或临界润滑状态下使用，与动压滑动轴承 比较，摩擦系数较大； ( 3 ) 不适应多品种、小批量生产。 1 1 2 含油轴承的发展历史嘲【4 】1 5 烧结含油轴承的历史悠久，出现于开创近代粉末冶金的1 9 世纪末，本世纪初在德国 已有专利。粉末冶金含油轴承实用化却是在1 9 1 6 年前后，由美国的e g g i l s o n 实现 的。在2 0 世纪3 0 年代，烧结青铜石墨含油轴承在美国克莱斯勒汽车公司诞生。烧结铁 基含油轴承于2 0 世纪3 0 年代末在德国出现。到5 0 年代，各国的烧结铁基含油轴承发展 第一章绪论 很快，由于它的成本低和性能佳，在国内外汽车制造等工业大量使用，并开始取代青铜 石墨轴承。4 0 年代出现了烧结金属钢材3 层金属复合轴承，它由钢材烧结铜镍合金巴 氏合金3 层金属复合而成，烧结金属复合材料由此开始发展。到了5 0 年代，出现了改性 塑料一烧结青铜- 钢背3 层复合材料轴承。英国格拉谣亚金属公司研制出这种3 层复合材 料，经下料和卷制制成薄壁复合轴承，这是干摩擦复合材料轴承技术的又一项重大突破。 6 0 年代出现了烧结铜铅合金- 钢背双金属轴承。它与3 层复合轴承相比，能承受更高的负 荷。1 9 6 6 年美国突破了铝基烧结技术的难关，研制出烧结铝基含油轴承，它具有重量轻、 性能优等特点。 日本在1 9 3 0 年开始研究含油轴承，五十年代以后开始正式生产，并对轴承的材料、 尺寸精度以及渗油方法进行了改进，扩大了适用范围。在1 9 5 1 年，铜基含油轴承的年产 量只有约2 2 吨。随着家电制品与随后的汽车及电子机器等产业的发展，含油轴承的产量 不断增加，到1 9 6 0 年，年产量增加到了约1 0 2 4 吨。到1 9 9 0 年，烧结含油轴承的年产量 达到了约9 0 3 2 吨，见表1 1 。 表1 1 用途产量比 运输机械，汽车 4 1 电气机械，家电 3 3 办公机械2 1 照相机、计量仪表等及其它用 5 美国金属粉末工业联合会于1 9 6 5 制定了( ( 粉末冶金自润滑轴承) ) 材料标准，先后 于1 9 7 4 、1 9 7 6 、1 9 8 6 、1 9 9 0 和1 9 9 8 进行了修订。其中1 9 9 8 版的是最新的一份关于粉末 冶金含油轴承的材料标准。美国金属粉末工业联合会在粉末冶金含油轴承行业中处于权 威地位。 我国在1 9 5 3 年就己开始生产粉末冶金含油轴承，到了1 9 9 9 年我国小型粉末冶金含 油轴承年销售量巳超过2 0 亿只，且大部分销住国外。全世界微小型含油轴承年产量已近 百亿只。我国虽然也制订过相应的国家标准，如：g b 一2 6 8 5 8 1 ( ( 粉末冶金筒形轴承形式、 尺寸与公差) ) 、g b 2 6 8 6 8 1 ( 粉末冶金带档边筒形轴承形式、尺寸与公差) ) 、g b 一2 6 8 7 - 8 1 ( ( 粉末冶金球形轴承形式、尺寸与公差) ) 和g b - 2 6 8 8 8 1 ( ( 滑动轴承粉末冶金轴承技 术条件) ) 。但是这些标准自制订之后就没有进行过修订，所以已经不适应当前科技发展 与生产的需要了。因此，美国金属粉末工业联合会制定的1 9 9 8 版( ( 粉末冶金自润滑轴 承) ) 材料标准对我国粉末冶金含油轴承的生产厂家和用户都具有重要的参考价值。 2 第一幸绪论 1 1 3 含油轴承的材料和制造工艺1 6 】1 7 1 粉末冶金烧结含油轴承是把金属粉末及添加物压缩成形后，放入还原性或中性介质 气体中，加热到不超过金属熔点的温度，使其烧结成多孔质体，然后渗入润滑油而制成 的。金属粉末可以是铜粉、铁粉、铝粉、铅粉、锌粉及锡粉，通常还加入一定比例的石 墨粉等减摩材料，其目的是在润滑油缺少时起到一定的润滑作用。粉末的细观形状大致 有针状、扁平状和等轴状。粉末的物理性质随粉末的比表面积而变化。即便化学成分相 同的粉末，物理性质不同，在粉末冶金d n 过程中也会发生不同的变化。粉末的物理性 质决定于粉末的形状、大小和粒度的分布。粉末冶金制品的性质则同时决定于粉末的化 学性质和物理性质。粉束冶金烧结含油轴承目前主要分为铜基轴承和铁基轴承两大类。 关于铜基含油轴承，我国基本上是以雾化6 - 6 3 青铜粉为原料粉，根据需要加入适 量的石墨粉，再加入1 左右硬脂酸锌作为成形润滑剂，于混料机中混合约3 0 分钟。成 形压力约为1 5 2 5 矿c m 2 ；成形坯密度通常不低于6 5 9 c m 3 。烧结是在保护气体氨分 解气或木炭发生炉煤气中进行的，烧结温度约为8 5 0 日本、欧美等国家生产的铜基含油轴承，绝大部分是以电解铜粉为原料粉，在其中 加入1 0 左右铅粉，根据需要有时还加入z n 、n i 、p 、p b 、石墨、m o s 2 等，此外，再 加入o 5 左右硬脂酸锌作为成形润滑剂，于混料机中混3 0 分钟。成形压力为1 3 t f c m 2 ， 压坯密度通常不高于6 4 9 c m 3 。烧结是在氨分解气。c x h y 转化气( 放热性或吸热性煤 气) 中，于7 5 0 8 0 0 下进行的。烧结保温时间为2 0 6 0 分钟。压坯烧结后尺寸多少都 会有一些偏差，同时，烧结件表面变得较粗糙。因此，烧结件必须整形，以便使之具有 适当的尺寸精度或所要求的形状。铁基含油轴承的生产过程与铜基的基本相同。关于铁 基含油轴承的化学组成，是在铁粉中加入c u 、s n 、p b 、石墨、z 等。 铜基含油轴承在中速、轻载下有稳定的工作性能，相对于铁基粉末烧结轴承，它的 缺点是成本高，优点是不易生锈。铁基含油轴承价格便宜、强度高、适用于中、低速运 转的工况。易于生锈是铁基烧结合油轴承的缺点之一。铜基含油轴承的加工过程见图1 1 。 其中“切自4 加工”不是必须的工艺，根据需要而定。铁基含油轴承的制造过程和铜基含 油轴承的制造过程基本一致，只是先“去毛刺”后“粘油”。 第一章绪论 图1 一l 含油轴承的制造过程 除了以铜基和铁基材料为主要材料以外，制造含油轴承的材料还有铝和复合材料。 1 9 6 2 年，s t o r c h e i m 和w i t t i s 提出用铝基材料作为含油轴承的基体材料。铝具有材料价 格便宜、高的热传导率等优点，但是铝也有很大的缺点，铝的加工成本比较高、磨粒磨 损特性较差，而且因为热膨胀系数的不同而带来工作温度范围不够宽。4 0 年代以后陆续 出现了烧结金属一钢材3 层金属复合轴承、改性塑料一烧结青铜一钢背3 层复合材料轴承、 烧结铜铅合金一钢背双金属轴承等复合材料轴承。z h a n g 等1 9 】研究了金属一塑料多层复合结 构的摩擦学特性，他们采用4 5 号碳钢钢衬，中间层用烧结多孔质铜，表面采用聚四氟乙 烯材料填充铅或氧化铜的粉末，试验表明，铅和聚四氟乙烯能够减小摩擦系数和磨损， 而氧化铜和聚四氟乙烯则增加了摩擦系数但是却改善了磨损。通过有无润滑油润滑的对 比试验，他们得到了在油润滑状态下摩擦磨损和p v 极限值结果都得到显著的改善。金卓 仁【1 0 1 在英国格拉西亚金属公司生产的复合轴承的基础上，提出了用s p f 自润滑材料组成 的复合轴承，外层采用高强度的烧结金属基体，中间层为含有p b o 与石墨等多种固体润 滑剂的多孔合金层，内层为氟化稀土填充的聚四氟乙烯自润滑层，其厚度为0 。0 2 卸。0 6 毫米，试验证明承载力和寿命有所提高。 1 2 含油轴承润滑理论研究现状 1 2 1 含油轴承的润滑机理【1 1 l 含油轴承工作时，存储在轴承孔隙中的润滑油通过如下三种渗出机理实现工作表面 第一章绪论 的润滑：一是热膨胀效应，轴承工作时因摩擦发热，使轴承和润滑油受热膨胀而向外渗 出；二是毛细管效应，由于毛细管作用而向外渗出孔隙中的润滑油；三是泵吸效应，即 由于轴承与轴颈之间的存在间隙，轴与颈相对转动形成负压将孔隙中的润滑油吸出至工 作表面。三种渗出机理中，起主导作用的是热膨胀效应。多孔质含油轴承中润滑油的流 动较复杂，除了有轴向、圆周方向的流动之外，还有径向流动，以及在轴承材质内部的 流动。浸渍于多孔质轴承材料中的润滑油，由于受摩擦热而膨胀产生泵效应，在滑动表 面上溢出，从无负荷区流向负荷区，形成油压。溢出的润滑油一部分参与循环，另一部 份则在最大压力点流回轴承的多孔材质并在材质内向无负荷区流动，形成润滑油的循环。 当润滑油自多孔基体中渗出，在轴颈与轴承的工作面之间积聚到一定的数量以后， 随着轴颈转速的提高。有可能在契形收敛间隙中产生流体动压，建立起有定承载能力 的动压油膜。但是，由于轴承基体是多孔结构，因此当油膜区某个部分的油压值大于该 处由基体向外的渗油压力时，该部分的动压油又有可能重新回渗到基体的孔隙中去，从 而使油膜变薄，并可能使全膜润滑转变为混合润滑或边界润滑。轴承的渗透度越大，这 种回渗现象越严重。但只要轴颈表面的速度足够高，载荷不太大，再加上各轴承参数的 匹配得当，建立全膜流体动力润滑仍是可能的。 1 2 2 润滑油在含油轴承基体内的流动 日本学者金子【2 】等人采用小直径玻璃球做成多孔质含油轴承模型，直接观察轴承内 部油的流动。首先在轴承内部事先浸渍无色的油，接着从外部注入用荧光剂染过色的油。 用紫外线对其照射，可清楚地看见轴承内部的流动。图1 - 2 和图1 - 3 分别表示了在流体 润滑状态下和临界润滑状态下( 轴和轴承直接接触的状态) 从外部注入的荧光油( 白色部分) 随时间在轴承内部移动的情况。垂直下方为负荷一侧，轴按顺时针方向运转。同时为了 保持轴承内部一定的含油量，以较小的供油压力p s 从轴承的上方补充供油。从这些图中 可看出，刚开始时在负荷一侧，从轴承间隙内流入轴承内部的油在最大油膜压力附近相 向( 轴颈的旋转方向及其相反方向) 流动。可是此后流动是不一样的，在流体润滑状态下( 图 1 2 ) ，自轴承负荷一侧朝负荷相反的- - n 流去，在临界润滑状态下( 图1 - 3 ) ，大部分油流 向最低油膜压力的位置。 图1 - 2 在流体润滑状态下的油的流动( p s = 2 4 5 k p a ) 第一章绪论 图1 3 在临界润滑状态下的油的流动( p s = 0 5 k p a ) 与图1 2 的条件相同，图l - 4 表示了安装在轴一侧( 运动面一例) 的压力传感器测定的 在轴承宽度中央的圆周方向上油膜压力分布。图1 5 表示了轴承内部的流速分布，该流 速分布是根据测定的油膜压力分布作为临界条件的d a r c y 法则数值计算求得的。图1 2 和图1 5 十分吻合，显然，油的流动在流体润滑状态下主要是油膜压力引起的泵送作用。 1 2 3 孔隙度 t f r 一童 厢 、 翕1 憋钞 t 糙撤一x l r - 图1 - 4 轴承间隙内的油膜分布 图1 5 轴承内部的流速分布 孔隙度是有关含油轴承的一项重要指标，指的是轴承中连通孔隙容积所占的百分比 1 5 1 。孔隙度的计算如下： p ：i 皇二型! 肇。1 0 0 “f b c + e 1 s 式中： 爿：无油试样在空气中的质量，g ； 占：含油试样在空气中的质量，g ： c ：悬挂与浸在水中的含油试样的质量，g ； 第一章培论 s ：在试验温度下含浸剂的密度，g c m 3 e ：浸于水中的悬挂丝的质量，膏； 几：在试验温度下蒸馏水的密度 由于含油轴承制造过程中的压制成型工艺导致了在含油轴承基体内部的孔隙率不是 均匀分布的，在轴承靠近两端的部分要致密一些，也就是孔隙率低一些，而中间的部分 要疏松一些，也就是孔隙率高一些。这样有利于减少油在含油轴承基体中的端泄。含油 轴承孔隙率沿轴向的变化见图1 - 6 【1 2 1 。 3 哇 3 3 3 2 累3 1 粤3 0 寒2 9 僻 整2 b 鬲 2 7 2 6 2 5 、 ， 00 511 bzz b 距离i a c h ( 以一端为o ) 图1 - 6 含油轴承孔隙率轴向变化图 粉末冶金含油轴承和其他滑动轴承最大的区别就是在轴承基体内有连通孔隙，就是 这些孔隙的存在使得含油轴承具有自润滑性，但也是这些孔隙使得润滑油在油压值大于 该处由基体向外的渗油压力的情况下会从孔隙中泄漏，从而使油膜变薄，含油轴承的承 载能力下降。因此很多学者探索通过改变孔隙度在基体中的分布来提高含油轴承的承载 能力。 c u s a n o 8 1 指出可以利用改变渗透度的方法减少摩擦力和提高承载力。c a p o n e 1 3 】等研 究了改变渗透度的一种模型，如图卜7 所示。 7 第一章绪语 所示。 图1 - 9 杯状变渗透度模型 这些变渗透度含油轴承的主要思想是利用低渗透度区域也就是材料致密的区域承载，利 用高渗透区域也就是材料疏松的区域存储和释放润滑油。经过试验验证变渗透度含油轴 承承载力大大提高。但是，变渗透度含油轴承的制造难度较大，而且在疏密基体的交界 面容易产生应力集中，比较容易出现裂纹。 1 2 4 粗糙度的影响 根据p r a k a s h 和6 u r u r a j a n a 1 6 1 的研究，在s l i p - f l o w 模型下，考虑粗糙度对任意壁 厚窄含油轴承摩擦学性能的影响，计算结果显示在不同厚度和渗透度下，粗糙度对含油 第一章绪论 轴承性能有相当大的影响，影响可能是正的，也可能是负的。根据n a d u v i n a m a n i 【”1 等的 研究，把粗糙度分成两种类型，如图1 1 0 所示。 ) ( ) 眨麴 时气洲 轴向租糙褒 图1 1 0 粗糙度类型 粗糙度对含油轴承的承载能力的影响如图1 1 1 所示。 图1 1 l 粗糙度一承载力曲线 图中的横坐标表示的是粗糙度，纵坐标表示的是无量纲承载能力。图中的三组曲线表示 的是不同渗透度下粗糙度一承载力曲线。可以看出，随着粗糙度的增加，承载力也有所增 加。 9 第一章绪论 粗糙度对含油轴承的摩擦系数的影响如图1 1 2 所示。 _ 。形一一 ! ，夕厂 一n _ 州。“。 。 、。 - 、 ： + i 。 ； _il j | _ 鼻j” c 。“+ 图1 1 2 粗糙度一摩擦系数曲线 图中的横坐标表示的是粗糙度，纵坐标表示的是摩擦系数。图中的三组曲线表示的是不 同渗透度下粗糙度一摩擦系数曲线。可以看出，随着轴向粗糙度的增加，摩擦系数下降， 随着周向粗糙度的增加，摩擦系数先上升后下降。 1 2 5 理论模型 目前国内外含油轴承的润滑方程，按照时间顺序分别是：d a r c y 模型、s l i p - f l o w 模 型和b r i n k m a n 模型。这三种模型采用不同的方程描述流体在含油轴承的多孔质基体内的 流动，以及在含油轴承基体和油膜的界面处使用不同的边界条件。 1 9 5 7 年，m o r g a n 和c a m e r o n 1 2 1 首先建立了窄含油轴承的润滑模型，为含油轴承的 理论研究做了奠基性的工作。c s a n o 1 副和m u f t i 1 9 卜【2 2 1 利用d a r c y 公式研究了窄含油轴承， 无限宽含油轴承及有限宽含油轴承。他们计算了压力分布、承载力和摩擦系数，分析了 偏心率、渗透度、轴承宽度和厚度对压力分布、承载力和摩擦系数的影响。 d a r c y 模型的主要特点是假定在含油轴承基体和油膜的界面没有速度的滑动并且流 体在含油轴承的多孔质基体内的流动遵循d a r c y 方程。d a r c y 方程只反映了粘性阻力而 忽略了粘性剪切力，d a r c y 方程用如下表示： 舀：一墨v ； “ 第一章绪论 式畔i ： 衫：流体在含油轴承基体中流动的速度矢量， k ：渗透度， “：润滑剂的动力粘度， p ：流体在含油轴承基体中的压力。 1 9 6 7 年，b e a v e r s 和j o s e p h p 叫通过试验证实了在含油轴承基体和油膜的界面处有 速度的滑动并提出了速度边界层滑动的条件。r o u l e a u 2 4 1 和m u r t i 2 5 】分别研究了在含油轴 承基体和油膜的界面处有滑动速度的条件下含油轴承的润滑性能。 s l i p f l o w 模型的主要特点是假定在含油轴承基体和油膜的界面处有速度的滑动并 且在含油轴承的多孔质基体内的流体流动遵循d a r c y 定理。含油轴承基体和油膜的界面 处有速度滑动的边界条件用如下方程表示： 孔矿。轰 小，0 ，矿；( 蜩，z ) 孰+ 2 斋 w ( 棚，矿品( 圳一 式中： “：流体在油膜中x 方向的流速， ；：流体在轴承基体中流速的x 方向的流速， w ：流体在油膜中z 方向的流速， 磊：流体在轴承基体中流速的z 方向的流速， 口：滑动系数， k ：渗透度， h ：轴承厚度。 在s l i p f l o w 模型中，滑动系数d 是一个经验值，对不同材料的含油轴承口取不同的 值并由试验确定。 b r i n k m a n 方程式由b r i n k m a n 在1 9 4 7 年提出，这个方程解释了粘度剪切效应和粘度 阻尼效应( d a r c y 阻力) 。n e a l e 和n a d e r 剐提出了粘度剪切在含油层和油膜之间边界上 存在b r i n k m a n 方程。l i n 等 2 6 】 3 0 1 用b r i n k m a n 方程导出了在油膜和基体界面应力连续 和速度连续条件的变形雷诺方程，并用此变形雷诺方程研究了宽、有限宽和窄含油轴承 的特性。计算了压力分布、承载力和摩擦系数，分析了偏心率、渗透度、轴承宽度和厚 第一章姥论 度对压力分布、承载力和摩擦系数的影响。此外他还研究了有挠性的宽含油轴承的摩擦 学性能。e l s h a r k a w y 和g u e d o u a r t 3 1 l 用b r i n k m a n 方程导出了在油膜和基体界面应力跳变 和速度连续条件的变形雷诺方程，并用此方程研究了有限宽含油轴承的摩擦学性能。 b r i n k m a n 模型假定含油轴承的多孔质基体内的流体流动遵循b r i n k m a n 方程。 b r i n k m a n 方程和d a r c y 方程相比不仅反映了粘性阻力还反映了粘性剪切力，b r i n k m a n 方程如下表示： v ；：一 - d + 为：西 k 式中： 矛：流体在含油轴承基体中流动的速度矢量 k ：渗透度， d ：润滑油在油膜区的动力粘度， ：润滑油在含油轴承基体中的动力粘度 p ：流体在含油轴承基体中的压力。 1 3 研究目标和方法 1 3 1 研究目标 虽然l i n 【2 建立的有限宽含油轴承b r i n k m a n 理论模型更加准确的描述了润滑油在多 孔质基体内的流体，比d a r c y 模型更接近实际情况，但是其解法比d a r c y 模型复杂，计 算量大，而且针对的是薄壁含油轴承，所以本文在前人的研究成果的基础之上，假设压 力p 沿轴承体厚度方向的变化是二次曲纠3 2 1 建立了与m u f t i l l 9 1 【2 羽不同的改进有限宽任意 壁厚含油轴承d a r c y 理论模型，并用此模型和l i n l 2 6 j 叫3 0 j 建立的有限宽含油轴承b r i n k m a n 理论模型进行比较。探索建立简单、实用新的含油轴承润滑理论模型。 探索含油轴承摩擦学性能的测试方法，研制含油轴承试验台，通过试验研究补充理 论研究的不足，完善对含油轴承的摩擦学性能的研究。 对不同参数的含油轴承进行试验，从中选出较好的参数匹配，对生产具有直接的指 导意义，并积累试验研究的经验，为以后更进一步的理论和试验研究提供参考。 1 3 2 研究方法 本文坚持理论研究和试验研究相结合的研究方法。 第一章绪论 理论上，用本文作者提出的改进d a r c y 模型和b r i n k m a n 模型进行计算对比，验证本 文建立的理论模型的合理性。通过理论研究使我们对含油轴承的摩擦学性能有一个基本 的认识，并用理论研究的结果对试验研究进行指导。 试验上，首先根据研究需要，研制了采用工控机和a d a m 模块的含油轴承摩擦学性 能测试试验台。 选取具有一定生产规模、产品生产工艺稳定、产品性能一致性好的含油轴承生产企 业，由该企业根据试验需要提供试验样品，并和企业进行联合的试验研究，对不同参数 的含油轴承进行对比试验，研究各参数对含油轴承摩擦学性能的影响。 1 4 小结 本章对粉末冶金含油轴承的发展历史进行了回顾，介绍了制造含油轴承的材料和方 法。介绍了理论研究的现状和已有的几种理论模型和这几种理论模型的不同点。最后， 提出并确定了本文研究的目标和方法：在前人理论研究的基础之上，建立改进的d a r c y 模 型，并和b r i n k m a n 模型进行比较，期望获得一个简单实用的润滑理论模型。研制含油轴 承摩擦学性能试验台，并对含油轴承进行试验研究，获得有工程应用价值的结论。 第二章含油轴承润滑理论 第二章含油轴承润滑理论 【摘要】本章提出并建立了改进有限宽任意壁厚含油轴承的d a r c y 模型，并用数值计算方法求解该模 型和l i n 等建立的有限宽薄壁含油轴承的b r i n k m a n 模型，对两种模型计算结果进行了对比分析 绘制出了压力分布曲线、载荷曲线和摩擦系数曲线。 2 1 概述 对含油轴承的研究国内外主要集中在对理论模型的研究，按时间顺序，目前主要有 三种理论模型：d a r c y 模型、s l i p f l o w 模型和b r i n k m a n 模型。在s l i p f l o w 模型中，含 油轴承基体和油膜的界面处速度滑动系数是根据试验确定的，是一个经验值，而在 b f i l f l ( n a a n 模型中则从理论上确定了含油轴承基体和油膜的界面处速度滑动系数，可以说 b r i n k m a n 模型是s l i p f l o w 模型理论的深化，所以本文只讨论d a r c y 模型和b f i n k m a n 模 型。 根据含油轴承的宽度不同，我们把含油轴承分为：无限宽轴承、有限宽轴承、窄轴 承。由于有限宽轴承最复杂，无限宽轴承和窄轴承都是有限宽轴承的某种特例，所以本 文讨论的都是对有限宽含油轴承的研究。在建立模型前有如下共同假设【l l 】： ( 1 ) 润滑剂的体积力和粘性力相比，? 可以忽略不计。 ( 2 ) 润滑剂运动时的惯性力和粘性力相比，可以忽略不计。 ( 3 ) 润滑剂为不可压缩的牛顿流体。 ( 4 ) 润滑剂的粘度保持不变，不受温度和压力的影响。 ( 5 ) 沿油膜厚度h 方向，压力p 不变。 ( 6 ) 运动副表面的曲率半径与油膜厚度h 相比要大得多，所以可以用移动速度代替转 动速度。 ( 7 ) 含油轴承基体的材料具有均匀性和各向同性。 2 2 含油轴承润滑理论模型 2 2 1 符号 b c p 轴承宽度 半径间隙一r 偏心距 第二章含油轴承润滑理论 摩擦系数 轴径上的摩擦力 油膜厚度 无量纲油膜厚度纠c = 1 + e c o s ( o ) 轴承基体厚度 渗透度 油膜内压力 轴承基体内的压力 无量纲油膜内压力i p 丽c 2 轴径半径 轴承内径 轴承外径 油膜区流体流速x 方向分量 总承载能力 总承载能力x 方向分量 无量纲总承载能力x 方向分量 总承载能力y 方向分量 无量纲总承载能力y 方向分量 旦肋 参 c w ， 移 擎 糊 摔 一 “几 默 献 啦 砒 一 舭 慨 厂 矿 h k p n 。p 月 “ 矿 暇 町 嘭 口 s 兄 第二章分油轴承润滑理论 润滑油粘度 润滑油在含油轴承基体内的粘度 h i k i 2 c x 1 2 偏位角 2 2 2 改进的d a r c y 模型 假设： ( 1 ) 流体在基体中的流动是层流。 ( 2 ) 流体在基体中的流动遵循d a r c y 定理。 ( 3 ) 润滑剂在界面上无滑动。 ( 4 ) 假定压力p 沿轴承体厚度方向的变化是二次曲线 含油轴承的几何关系见图2 - l 。 e 兰兰习、 入一一7 ，_ ? 一 图2 - 1 含油轴承的几何关系 根据n a v i e r _ s t o k e s 方程可以得出流体在油膜区的三维形式的雷诺方程 1 l 】： 去罢) + 未( 矿老 = s l u 罢+ z c 圪一v o ) q 。， 在基体内流体流动的流体遵守d a r c y 定理和不可压缩流体的连续性方程： 旷一k o p l v k 鬲o p l 卅一鲁誓 弦z ， 堕；堕；盟：0 ( 2 3 ) h 盯 吼 妒 第二章含油轴承润滑理论 并且有边界条件： y = ，k = 0 y = 0 ，k = v i ，p = p l y = 一h ，_ o p l = 0 ，p l = 0 砂 把2 - 2 代入2 3 得： ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 垫+ 垫+ 塑：0 ( 2 _ 7 ) 缸2加2a z 2 假定压力p 沿轴承体厚度方向的变化是二次曲线，设2 - 7 的一个解为： 监o y = 一f 争+ 争 = f i 苏2a z 2j 把上式对y 积分一次，得： o p l ：f y + c 洲 把边界条件2 6 代入上式，得 0 1 9 _ _ 1 = f ( y + 日) 洲 = 0 = 删一降+ 挚 由边界条件2 - 5 ，得： l 。= 一丢= o = 丢h ( 挚噜 = 丢h ( 窘+ 纠 把2 - 8 代入2 - 1 ，得变形雷诺方程： 永m 删) 卦永m 础) 井s u 差 令： 0 ：三 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 1 7 第二章分油轴承润滑理论 z = 一 b 。c 2 p2 p i 面 = 等 代入2 - 9 的无量纲方程变形雷诺方程： 刍p 蔷) + 砑1 烈a ( a 。等) = 函6 万石d h 2 2 3b r i n k m a n 模型 假设： ( 1 ) 流体在基体中的流动是层流。 ( 2 ) 流体在基体中的流动遵守b r i n k m a n 方程。 ( 3 ) 含油轴承是薄壁的。 根据l i n 2 7 1 的研究，在油膜区由n a v i e r - s t o k e s 方程，得： 加a 2 “ 表叫矿 竺：0 印 a d8 2 w 2 0 z 。萨 并有不可压缩流体的连续性方程： 丝+ 生+ 丝：0 撖咖出 在含油轴承基体区，根据b r i n k m a n 方程，得： 鲁一铷等 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 一1 6 ) 6 玩 一。 = = 旯 第二章含油轴承润滑理论 o p _ l ：0 洲 亟=一fl-wt+1。ozk争a 并有不可压缩流体的连续性方程 堕+ 盟+ 盟：o o x o y o z 边界条件为： u ( x ，h ，z ) = u v ( x ，h ，z 1 = v w ( x ，h ，z 、= 0 “。( x , - h ，z ) = 0 v ，( x , - n ，z ) = 0 w t ( x , - n ，z ) = 0 p ( x ，0 ，z ) = a ( 0 ，z ) u ( x ，0 ，z 1 = u l ( _ o ，z ) 乱2 傍l虿i v = 0 确苟l w ( x ，0 ，z 1 = w l ( x ，0 ，z ) 乱o w 确乱 “一i 2 1 _ 1 砂l 砂l 脚 v ( x ，0 ，z 1 = v l ( x ，0 ，z ) 由以上方程和边界条件可解出变形雷诺方程： 昙 c 3 4 罢 + 鲁( c 考) = e u ( t + ) 罢 把式2 - 1 0 2 1 5 代入2 - 1 7 式得到无量纲变形雷诺方程 ( 2 1 7 ) 第二章含油轴承润滑理论 刍p 等 + 击昙( 4 + 等 _ 芈等等 2 2 4 承载力和摩擦系数 ( 2 1 8 ) 根獬压力p ，米用半索默菲尔德条件处理油膜边界，司以计算轴承的承载能力。无 量纲总承载能力x 方向分量暇： 暖+ = 2 冀29 2 p * c o s o d o d z 所以总承载能力x 方向分量暇： 暇= 学孵 无量纲总承载能力y 方向分量瞳： = 2e 2 e 2 p + s i n o d o d z + 所以总承载能力y 方向分量e ： 哆= 学眄 所以索默菲尔德参量、