（机械设计及理论专业论文）基于油膜测量的面接触润滑中几何形貌效应的研究.pdf

青岛理二大学工学博士学位论文 摘要 本文围绕面接触流体动压润滑中的几何形貌效应，开展了相关的试验和理 论研究。使用课题组研发的微型滑块面接触润滑油膜测量系统，研究了表面凹 槽等几何形貌效应对固定倾角滑块产生的流体润滑油膜厚度的影响，并对试验 过程中产生的气穴现象进行了直接观测。同时，开发了考虑气穴效应的润滑数 值计算程序，对试验结果进行了理论分析。，完成的工作包括： ( 1 ) 常见的面接触摩擦学试验装置主要针对摩擦力和磨损进行测量。为了 研究面接触条件下的油膜厚度及其影响因素，课题组自主研发了能实现倾角固 定的面接触润滑油膜测量系统。该系统以固定倾角的静止滑块和旋转玻璃盘平 面组成润滑副，使用光干涉方法实现油膜厚度的精确测量。应用该系统试验研 究了界面润湿性对油膜润滑的影响，初步验证了系统膜厚测量的可靠性。通过 理论分析，说明了油膜厚度仅与滑块中心的滑动速度相关，不受圆盘旋转的影 响，为试验中滑块定位和速度选取的简化提供了理论依据。 ( 2 ) 采用普通的高斯赛德尔迭代和多重网格法对面接触流体动压润滑问 题进行了求解。结果表明，对于理想光滑表面滑块和带有表面凹槽的滑块，可 以使用普通的高斯赛德尔迭代。但在分析具有表面波度的平行阶梯轴承时，高 斯一赛德尔迭代在收敛方面遇到问题，必须采用多重网格法求解。 ( 3 ) 针对不同形状的表面凹槽，通过测量油膜厚度与速度、油膜厚度与载 荷关系曲线，揭示了它们对油膜厚度的影响。特别地，低膜厚条件下凹槽并非 总对润滑有利。将表面凹槽滑块试样的试验结果与基于c h r i s t o p h e r s o n 算法的 r e y n o l d s 数值解进行对比，发现当气穴发生时，经典r e y n o l d s 解的误差偏大。 ( 4 ) 采用满足质量守恒原理的v i j a y a r a g h a v a n k e i t h 气穴模型，编制了润 滑数值分析程序，研究了表面凹槽对滑块润滑性能的影响。通过与他人解析解 的比对，验证了算法的正确性。通过对比试验膜厚与数值膜厚，提出了确定体 积弹性模量和气穴负压值的新方法。结果表明，该方法可估算出合理的体积弹 性模量和气穴负压值，并用于v i j a y a r a g h a v a n k e i t h 模型的计算。与基于 c h r i s t o p h e r s o n 算法的经典r e y n o l d s 解相比较，v i j a y a r a g h a v a n - k e i t h 数值解在 处理气穴问题时，更接近实测结果。 i 青岛理工大学工学博士学位论文 ( 5 ) 在阶梯型平行滑块润滑油膜测量中，发现了低速时油膜厚度一速度曲 线偏离经典润滑理论的反常现象。基于气穴观察，把该反常现象归因于加工表 面形成的不平度诱发的局部流体动压效应而产生的结果。该不平度效应和传统 的滑块阶梯效应在膜厚一速度曲线上对应不同的区域。低膜厚时，表面不平度起 重要作用；高膜厚时，滑块的阶梯发挥作用。在两区域之间存在明显的过渡区， 不平度效应和滑块的阶梯效应均产生作用。通过正弦形式的表面不平度，对试 验现象进行了数值计算，理论结果和试验有较好的一致性，从而证实了理论推 测。 关键词面接触；流体动压润滑；几何形貌效应；光干涉；气穴 青岛理工大学工学博士学位论文 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ni sf o c u s e do nt h es u r f a c ei r r e g u l a r i t ye f f e c t so nt h e h y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o no fc o n f o r m a lc o n t a c t s ，i n c l u d i n ge x p e r i m e n t a ls t u d i e sa n d n u m e r i c a la n a l y s e s b yac u s t o m m a d et e s ta p p a r a t u s ，e x p e r i m e n t sh a v eb e e n c a r r i e do u tt om e a s u r et h ef i l mt h i c k n e s so faf i x e d i n c l i n es l i d e rb e a r i n gu n d e r d i f f e r e n ts u r f a c eg r o o v e sa n do t h e ri r r e g u l a r i t i e s a tt h es a m et i m e ，c a v i t a t i o n sw e r e o b s e r v e dd u r i n gt h et e s t s o nt h eo t h e rh a n d ，n u m e r i c a ls o l v e r s ，w i t hc a v i t a t i o n i n c o r p o r a t e d ，h a v eb e e nb u i l tt os i m u l a t et h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h em a i nw o r k i n c l u d e s ： 1 ) t r i b o l o g yt e s tr i g s u n d e rc o n f o r m a lc o n t a c t sa r em a i n l yd e s i g n e df o r m e a s u r e m e n t so ff r i c t i o nf o r c ea n dw e a r f o rt h ep u r p o s eo fo b t a i n i n gt h ef i l m t h i c k n e s so fc o n f o r m a lc o n t a c t sa n da s s e s s i n gi t si n f l u e n c i n gf a c t o r s ，af i x e d i n c l i n e s l i d e rb e a r i n gt e s tr i gh a sb e e ns u c c e s s f u l l yb u i l tb yt h er e s e a r c hg r o u p i nt h et e s t r i g ，t h el u b r i c a t e dc o n t a c tc o n s i s t so fas t a t i o n a r yf i x e d - i n c l i n es l i d e ra n dar o t a t i n g d i s c ，a n dt h ef i l mt h i c k n e s si sm e a s u r e db yi n t e r f e r o m e t r y s o m ee x p e r i m e n t a l s t u d i e sa b o u tt h e i n f l u e n c e so fl i q u i d s o l idw e t t a b i l i t yo nt h i nh y d r o d y n a m i c l u b r i c a t i o nf i l mt h i c k n e s sw e r ec a r r i e do u t ，a n dt h ec r e d i t a b i l i t yo ft h et e s tr i gw a s t h u sv a l i d a t e d t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s e s ，i tw a ss h o w nt h a tt h ef i l mt h i c k n e s si s u n i q u e l yd e t e r m i n e db yt h es l i d i n gv e l o c i t yo ft h es l i d e rc e n t e r , a n di n d e p e n d e n to f t h ed i s cr o t a t i o n ，w h i c hp r o v i d e st h e o r e t i c a ls u p p o r tf o rt h es l i d e rv e l o c i t ys e l e c t i o n 2 ) h y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o np r o b l e m sf o rc o n f o r m a lc o n t a c t sw e r es o l v e db y b o t hg a u s s s e i d e l ( g s ) m e t h o da n dm u l t i g r i d ( m g ) m e t h o d t h er e s u l t ss h o w e d t h a tf o rs m o o t hs u r f a c es l i d e r sa n ds l i d e r sw i t hs u r f a c eg r o o v e s ，as i m p l eg sc o u l d g e ts a t i s f y i n gs o l u t i o n s h o w e v e r , f o rs l i d e r sw i t hs u r f a c ew a v i n e s s ，t h eg sm e t h o d f a i l e dd u et oc o n v e r g e n c ed i f f i c u l t i e sa n dl o wa c c u r a c y , a n dm gm e t h o dh a st ob e u s e d 3 ) f o rd i f f e r e n ts u r f a c eg r o o v e s ，m e a s u r e m e n t sh a v eb e e nd o n ef o ro b t a i n i n gt h e c u r v e so ff i l mt h i c k n e s sv s s p e e da n df i l mt h i c k n e s sv s 1 0 a d ，i n d i c a t i n gt h e i r 青岛理工大学工学博士学位论文 i n f l u e n c e so nt h ef i l mt h i c k n e s s e s p e c i a l l y , t h es u r f a c eg r o o v e sm a yb en e g a t i v et o l u b r i c a t i o nu n d e rt h i nf i l m s n u m e r i c a lw o r k sb a s e do nc h r i s t o p h e r s o na l g o r i t h m w e r ec a r r i e do u t ，a n dd e m o n s t r a t e do b v i o u sd e v i a t i o nf r o mt h ee x p e r i m e n t sw h e n c a v i t a t i o no c c u r r e d 4 ) f o rf u r t h e ru n d e r s t a n dt h eg r o o v ee f f e c t so nt h es l i d e rl u b r i c a t i o n ，n u m e r i c a l s o l v e r sb yt h ev i ja y a r a g h a v a n k e i t hm o d e l w h i c he n a b l e sm a s sc o n s e r v a t i o n ，h a v e b e e nb u i l t b yc o m p a r i s o nw i t hac l o s e d f o r ms o l u t i o n ，t h es o l v e r sw e r ev a l i d a t e d a n e wm e t h o df o re s t i m a t i n gt h et w ok e yp a r a m e t e r s ，i e t h eb u l km o d u l u sa n dt h e c a v i t a t i o np r e s s u r eo ft h el u b r i c a n t ，h a sb e e np r o p o s e d ，m a k i n gu s eo ft h ec o r r e l a t i o n b e t w e e nt h em e a s u r e df i l mt h i c k n e s sa n dt h ec a l c u l a t e df i l mt h i c k n e s s i th a sb e e n s h o w nt h a tt h i s a p p r o a c h c a ng i v er e a s o n a b l ev a l u e so fb u l km o d u l u sa n dt h e c a v i t a t i o np r e s s u r ef o rt h ec a l c u l a t i o nw i t hv i i a y a r a g h a v a n - k e i t hm o d e l c o m p a r e d t oc h r i s t o p h e r s o na l g o r i t h m ，t h ev i j a y a r a g h a v a n k e i t hm o d e lc a ng i v ep r e d i c t i o n m o r ec l o s et ot h ee x p e r i m e n t sw h e nc a v i t a t i o na p p e a r s 5 ) a na n o m a l o u sf i l mt h i c k n e s sv s s p e e dw a sf o u n dw h e nt h ef i l mt h i c k n e s s w a sl o wi nt h em e a s u r e m e n t so fa p a r a l l e ls t e ps l i d e r , w h i c hd e v i a t e dl a r g e l yf o rt h a t i nt h ec l a s s i c a ll u b r i c a t i o nt h e o r y d u et ot h ec a v i t a t i o no b s e r v e d t h i sa n o m a l o u s p h e n o m e n o nw a sa t t r i b u t e dt ot h el o c a lh y d r o d y n a m i ce f f e c tb ys u r f a c ei r r e g u l a r i t y i nm a c h i n i n gp r o c e s s t h ei r r e g u l a r i t ye f f e c ta n dt h e s t e pe f f e c ta r el o c a t e di n d i f f e r e n tr e g i o n si nt h ef i l mt h i c k n e s sv s s p e e dc u r v e w h e nt h ef i l mt h i c k n e s si s l o w , t h es u r f a c ei r r e g u l a r i t yd o m i n a t e st h el u b r i c a t i o n ，w h il ea th i g hf i l mt h i c k n e s s t h es t e pe f f e c tw o r k sm o s t f u r t h e r m o r e ，t h e r ee x i s t sam a r k e dt r a n s i t i o nb e t w e e n t h e s et w or e g i o n s ，w h e r et h ei r r e g u l a r i t ya n dt h es t e pc o e x i s t s f o rv a l i d a t i n gt h e t h e o r e t i c a lp o s t u l a t i o np r e s e n t e d ，s o m en u m e r i c a lw o r k sw i t hs i n u s o i d a l s u r f a c e i r r e g u l a r i t yh a v eb e e nf i n i s h e d ，a n dt h er e s u l t sw e l lr e p r o d u c e dt h ee x p e r i m e n t s q u a l i t a t i v e l y k e yw o r d s ：c o n f o r m a lc o n t a c t s ；h y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o n ；s u r f a c e i r r e g u l a r i t y e f f e c t s ；i n t e r f e r o m e t r y ；c a v i t a t i o n i v 物理量名称及符号表 巩口，一表面织构的凸台宽度，m 6 ，b j 一表面织构的凹槽宽度，1 t i b 一滑块的宽度，m c 一 表面织构出口侧的凸台宽度，m 只。一加速因子 g 一开关函数 h 一油膜厚度，1 t i h d 一表面凹槽的深度，1 t i h 。一无量纲膜厚参考变量，1 t i h ，一接触区入口侧的膜厚，1 t i h d 一接触区出口侧的膜厚，即最小膜厚，1 t 1 日一无量纲膜厚，1 4 = 乃h 。 胁一无量纲最小膜厚，h o = h o h 。 i ，j x 、y 方向的节点数 ，一干涉光强度，w m 2 k 一楔形间隙的收敛比 疋一收敛比参考变量 三一滑块的长度，m 聆一光的折射率 一干涉条纹的数量 p 一油膜压力，p a p 。一周围环境压力，p a i x 青岛理工大学工学博士学位论文 p c p e p q x 吼， r 尺a 甜 u c u e u v w w p w w a 哌 x y 。z a x ，知 x 】， 口 b 8 眦 气穴压力，p a 压力参考变量，p 。= 6 u r l b 噬，p a 无量纲压力，p = p i p 。 y 单位长度内的x 向流量，m 3 s x 单位长度内的y 向流量，m 3 s 滑块中心到圆盘中心的偏心距，m 表面粗糙度，m x 方向的卷吸速度，m s 滑块几何中心沿x 方向的卷吸速度，m s 参考速度，m s 无量纲速度，u = u u 。 少方向的卷吸速度，m s 外载荷，n 载荷参考变量， 1 4 ，。= p 。毗，n 无量纲载荷，= w ，t 。 粘附功，j 无量纲设定载荷 坐标变量，m x 、y 方向均匀等分成步长，i l l 无量纲坐标，x = x b 无量纲坐标，y = y l 粘压系数，m 2 i n ；织构比例系数 体积弹性模量 正割体积弹性模量 x 比。正切体积弹性模量 万一无量纲体积弹性模量，歹= 愿 腕一 勉g 扮l s s ， 毛，一 l 一 7 7 一 r i o 。 7 7 曰一 九 o p c p o 。 0 k 一 ，一 c o 一- - 固体的表面张力，n m 润滑液体的表面张力，n m 固液界面的张力，n m 收敛精度 f 的收敛精度 载荷的收敛精度 在气穴区表示油膜的占空比；在全膜区表示砌。 润滑液的动力粘度，p a s 润滑液的环境粘度，p as 润滑液的无量纲粘度，矿= 叩叩。 滑块与玻璃盘之间的倾角，r a d 光的波长，m 润滑液密度，k g m 3 气穴区的润滑液密度 润滑液环境密度，k g m 3 润滑液无量纲密度，万= p i p 。 x 方向的剪应力，n m 二 液体在固体表面的接触角，。 压力的低松弛因子 的松弛因子 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已 作说明的符号未列入其中。 x l 青岛理工大学工学博士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景、意义和来源 凡是有相对运动的地方就存在摩擦和磨损。国外统计资料表明：摩擦消耗掉 全世界1 3 的一次性能源，约有8 0 的机器零部件都是因为磨损而失效，而且5 0 以上的机械装备的恶性事故都是起因于润滑失效和过度磨损。国外的经验表明， 大力开展摩擦学研究与应用可显著地节约能源和资源，改善生态环境，消除安全 隐患，提高生命质量。因此，在全球面临f j 益加剧的资源、能源和环境问题的严 峻形势下，摩擦学的研究和工业应用受到发达国家的高度重视l l ，2 | 。 近五十年来，摩擦学研究者在耐磨材料、表面改性、润滑剂，以及减摩添加 剂等方面的研究均已取得重大进展，但在摩擦副表面的结构设计方面仍旧相对薄 弱。传统观点认为，摩擦副表面越光滑减摩性能也越高。但受材料性质和加工手 段的影响，对表面进行抛光、研磨等表面精加工技术获得的表面粗糙度始终受到 限制。同时，表面的精加工也大大提高了型! 产成本。近代摩擦学的理论研究与工 程实践表明，并非表面越光滑耐磨性越好，一些特殊的表面形貌，如表面微观凸 起、表面波度，甚至一些比较窄的凹槽，都可以显著的提升摩擦副的润滑性能。 因此，为了减少摩擦和磨损，研究者们投入了大量的精力去人工制造这些表面形 貌。近些年来，表面织构已成为摩擦学研究领域的一大热点。 一般而言，表面织构或表面纹理( s u r f a c et e x t u r i n g ) 技术是指在相对光涓 的摩擦副表面上精确的制造出各种表面几何形貌进而改善润滑肿i i 厶匕1 t 匕的技术。这类 表面织构通常具有规则的分布，一般是微小的凹陷或凸起；但在一些场合，如气 体动压轴承中的螺旋槽和人字槽设训3 3 】( 图1 1 所示) ，发动机气缸工作面的蜂 窝状微坑设计6 ，7 1 ，以及化学机械抛光挚的沟槽设计【8 】等应用中，也可以是尺寸 偏大的表面凹槽，其深度为4 3 0 p m ，宽度为3 0 0 - 1 5 0 0 p m 。 目前有关表面织构润滑效应的研究，不同研究小组报道的结果之问分散性较 大，大多数基础研究停留在理论假设和摩擦力的试验测量。由于缺少有效的试验 手段对表面织构形成的润滑膜进行直接地观察与测量，一些理论假设无法得到验 证。此外，基础研究数据的不完善在一定程度上也导致了表面织构设计的盲目性。 青岛理工大学工学博士学位论文 鉴于此，本课题将丌展相关的试验和基础理论研究，为推动对微纳表面织构润滑 效应的深入理解提供必要的基础数据和理论支持。 本课题的研究源于教育部高等学校博士学科点专项科研基金面接触润滑油 膜测量及表面织构效应的机理研究，项目编号：2 0 0 9 3 7 2 1 1 1 0 0 0 1 。 ( a ) 螺旋槽 ( a ) s p i r a lg r o o v e ( b ) 人字槽 ( b ) h e r r i n g b o n eg r o o v e 图1 1 气体轴承中的螺旋槽和人字槽设计【3 】 f i g 1 1d e s i g no fs p i r a lg r o o v ea n dh e r r i n g b o n eg r o o v ei ng a sb e a r i n g s t 3 1 1 2 表面织构的研究历史及现状 早在1 9 6 6 年，h a m i l t o n 等人【9 j 就利用光刻蚀的办法在旋转轴的平行密封端 面上人工制造出如图1 2 所示的表面微观凸起，并发现这些微观凸起能够有效地 改善密封端面的润滑性能，即明显增强摩擦副的承载能力并降低摩擦系数。为了 解释这一试验现象，他提出了一种基于表面微观凸起和伴随气穴现象的流体动压 润滑机制，并通过理论分析进行了验证：图1 - 3 ( a ) 表示在较低滑动速度下，微凸 体的形状和气穴效应不明显时的压力分布情况；图1 3 ( b ) 表示滑动速度较高时的 气穴效应。在后一种情况下，正压的增量要大于负压效应，因而可以产生一个净 的承载力。这样以来，总体的润滑效果是由图1 2 中成百上千个这样的微凸体的 气穴作用的宏观表现。此外，他的理论和试验的综合研究表明，对于单个不同的 微凸体几何尺寸，都存在一个最佳的密集度使得单位面积上的承载力最大。 2 青岛理工大学工学博士学位论文 图1 - 2h a m i l t o n 等人利，l f 光刻蚀方法获得的表面微观凸起【9 】 = 兰兰= = 7 若- = = = = r = o t o r = = = 尹= 一= 适墨墨= = = = = = = = = 7 昌= = = = = = = = = = 厂、1 q 正k 一 s t a t o r s t a t o r c a v i t y ( a ) 无气穴发生( b ) 有气穴发生 ( a ) n oc a v i t a t i o no c c u r s( b ) c a v i t a t i o no c c u r s 图1 3h a m l i t o n 等人【9 提出的微凸体气穴承载机制 f i g 1 3l o a d c a r r y i n gc a p a c i t yb a s e do ns u r f a c em i c r o i r r e g u l a r i t ya n da s s o c i a t e df i l mc a v i t y h a m i l t o n 等人【9 1 提出的表面微凸起气穴承载机制逐渐被业内公认为一种改 善润滑性能的有效方式。在接下来的3 0 年中，受表面织构加工技术的限制，表 面织构技术的发展比较缓慢。近十五年来，随着表面工程技术的日臻成熟，有关 表面织构的理论和试验研究越来越多，研究范围也越来越广。 e t s i o n 领导的研究小组使用激光表面织构技术( l a s e rs u r f a c et e x t u r i n g ， l s t ) ，采用试验和理论相结合的方式，研究了不同表面织构在轴承1 、端面 密封协15 1 和活塞环 掩1 9 1 等零部件的设计中对润滑性能的影响。在他们的研究中， 气 青岛理工大学工学博士学位论文 控制方程普遍采用的是经典r e y n o l d s 方程 20 1 ，而边界条件早期在分析半球形表 面凹坑对机械密封性能的影响时【1 5 1 使用了半s o m m e r f e l d 边界条件，后来川大多 采用r e y n o l d s 边界条件。b r i z m e r 等人【l i 提出了基于l s t 技术的两种不同的平 行轴承承载机制：一种是基于单体效应( 伴随每个凹坑出现的气穴效应) 的完全 织构化技术，另一种是基于群集效应的部分织构化技术；群集效应较单体效应能 更有效地增加流体动压效应。r y k 等人【2 2 在能够作往返滑动的平行轴承的静止表 面上，使用l s t 技术均匀加工出一些半球形的微凹坑( 图1 4 所示) ，发现摩擦 力可以降低4 0 。 图1 4e t s i o n 采用l s t 技术加工得到的规则排列的表厩微凹坑【2 1 1 f i g 1 4r e g u l a rm i c r o d i m p l e so b t a i n e db ye t s i o nw i t hl s tt e c h n o l o g y 1 2 1 1 w a n g 等人【2 3 j 设计了一套试验装置( 如图1 - 5 ( a ) 所示) ，用于测量面接触条件 下由表面凹坑引起的摩擦力减小量。试验中，他们观测到了稳定的气泡( 如图 1 - 5 ( d ) 所示) ，并且发现气泡的数量与凹坑的深度，以及润滑油的供油量有关。凹 坑越深，供油量越小，发生气穴现象的概率也就越大。 ( a ) 试验装置 4 l o a d s u p p o r t ( ；l a s g s a m p l c m o v a b l c t a b l e ( b ) 所州试样 ( b ) u s e ds a m p l ew i t hd i m p l e s 青岛理工大学工学博士学位论文 竺=。盥0二竺 一一一，。搿一。_ 一 ( c ) 初始状态下的气泡分布( d ) 凹坑处的稳态气泡( e ) 接触副内无气穴 ( c ) i n i t i a ld i s t r i b u t i o no fg a s( d ) s t a b l eg a si nad i m p l e( e ) n og a sb e t w e e ns u r f a c e s 图1 - 5w a n g 等人的试验装置、所州试样，以及观测到的气穴演变过程2 3 】 f i g 1 5e x p e r i m e n t a ls y s t e m ，u s e ds a m p l e ，a n do b s e r v e dc a v i t a t i o ne v o l u t i o n a r yp r o c e s sb yw a n g p ，臼，【1 1 1 c o s t a 和h u t c h i n g s 【2 4 研究了往复滑动条件下线接触织构化钢表面的动压润 滑性能。对于表面凹槽，在试验研究时选取了三种方向( 横向、纵向和4 5 。斜 向) 和两种宽度的试样。研究结果表明，与光滑表面试样相比，三种方向的表面 凹槽试样均可得到更高的油膜厚度。 s u h 等人 2 5 研究发现：交叉状表面凹槽( 如图1 - 6 所示) 可以降低滑动摩擦 力；摩擦力的减小与凹槽织构比的减小呈。j f 比，但与凹槽长度的增大呈反比。 0 。ji 一 图1 - 6s u h 等人的交义状凹槽【2 5 1 f i g 1 6m i c r o g r o o v e dc r o s s h a t c hp a t t e mu s e db ys u he ta 1 【2 5 】 南京航空航天大学的袁思欢 2 6 2 7 1 采用光刻及微细电解加工技术在硼铜铸铁 材料表面加工出如图1 。7 所示的微小沟槽阵列，使用往复式摩擦磨损试验机研究 其在面面接触时的减摩性能。以往复行程的平均摩擦因数作为评价指标，分别研 究了沟槽宽度、深度、面积密度和方向各因素在不同接触压强和曲柄转速条件 5 麟 青岛理工大学工学博士学位论文 一 图1 7 袁思欢使用的试件表面微沟槽光学显微照片【2 6 j f i g 1 7o p t i c a lm i c r o s c o p ei m a g eo fs p e c i m e n sw i t hm i c r o g r o o v e sb ys i h u a ny u a n 【2 6 1 下对摩擦副摩擦性能的影响规律。使用a n s y sf l u e n t 软件分析了润滑油膜的 压力分布及流动情况。研究结果表明，只有参数合适的微沟槽才能够起到减摩作 用：其中方向因素是最重要的一个因素，不同方向的微沟槽其作用机理不尽相同。 具有人字形凹槽的径向滑动轴承拥有比普通轴承更高的刚度和稳定性，因而 得以广泛应用。这是因为该轴承在工作时斜槽可以泵出润滑剂，使得在中心处得 到更高的压力场，进而减小气穴区和侧泄量【2 8 】。在具有螺旋状凹槽推力轴承的传 统设计中，必须给出负压即非零气穴压力的参考值；较窄槽轴承，这一点对宽槽 轴承显得更为重要。但是人们对气穴负压值的选取有着较大争议，这也给轴承的 承载力和转速设计带来许多不确定性，因为气穴的存在不利于承载力的提高。 b r o m a n 【2 9 对螺旋状凹槽推力轴承的设计方法进行了改进，在设计时无须再考虑 非零气穴压力值，即不再依靠入口吸入机制将润滑剂输送到轴承工作区，而是依 靠轴承工作面的旋转运动建立起流体动压润滑，这种设计方法较传统设计方法更 为稳定和可靠。 有关表面织构引起动压润滑效应的作用理论研究也在不断深入进行中3 0 - 3 3 。 t o n d e r 针对轴承、密封和活塞环的设计，提出了一种入口粗糙化( i n l e tr o u g h n e s s ) 的设计理念p ”j ，其基本原理是在润滑副的入口处通过去除材料的方式加工出众 多形状不规则的表面微织构。这些微织构的个体可以充当微阶梯轴承或微楔形轴 承的角色，在其周围会产生局部的流体动压效应，以此为基础通过成千上万个微 6 蒸瓣瀵一辫慧誓 一 青岛理工大学工学博士学位论文 织构白j 的群集效应产生宏观上的流体动压润滑，这一机制在宏观尺度上与 r a y l e i g h 阶梯轴承有着几乎相同的作用效果( 如图1 8 所示) 。 l1l2 u 书 图1 - 8t o n d e r 的入口粗糙化设计理念 3 3 3 5 f i g 1 8i n l e tr o u g h n e s sc o n c e p ta d v a n c e db yt o n d e r 3 3 _ 3 5 】 f o w e l l 等人 3 2 _ 3 6 ，3 7 1 从流动的连续性出发，使用一阶r e y n o l d s 方程，在固定 最小油膜厚度并保持面接触润滑副的两表面平行和近乎平行的小倾角条件下，研 究了入v i 吸入( i n l e ts u c t i o n ) 机制对内部j 旰槽的无限长轴承承载力的影响：( 1 ) 当润滑剂经入口流入表面凹槽所在的发散区域时，会产生一定程度的负压，而环 境压力是大气压；这一压力差的存在会使得更多的润滑剂被吸入到轴承的有效承 载区，进而产生显著的流体动压效应以提高轴承的承载力；( 2 ) 气穴压力越低， 真空度越大，正的压力峰值越高( 图1 - 9 所示) ，单位长度上的承载力也越大；( 3 ) 对等温牛顿流体，入口吸入机制是平行l 、自j 隙条件下的唯一承载机制，而且气穴负 压的大小和卷吸方向上的出1 5 1 i x 口长度之比是影响承载力大小的两个关键因 素。 d i s t a n c e - 、_ ( m ) 图】一9f o w e l l 等人 3 2 】给出的气穴负压值对油膜压力分布的影响 f i g 1 91 n f l u e n c e 。fc a v i t a t i 。np r e s s u r e 。nt h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i 。n 。b t a i n e db yf 。w e l le ta ， 3 2 】 7 青岛理工大学工学博士学位论文 上述研究表明，特殊的表面形貌对润滑副的性能有着显著的影响。因此，有 必要通过更多的试验来验证现有的几种承载机制。 在己报道的试验研究中，有几种不同的润滑副的配置方式，如球一盘接触副 38 1 ，销盘接触副3 9 1 和块盘接触副4 0 1 。在这些试验装置中，织构化表面可以是圆 盘或对应的其它部件。在b r i z m e r 等人l l l j 的试验研究中，圆盘相对于若干静止的 织构化滑块作旋转运动，如图1 1 0 所示。而在k o v a l c h e n k o 等人【39 j 测量销盘接 触副问摩擦系数的试验装置中( 图1 1 1 所示) ，被织构化的部件是圆盘而非销子。 p r e d e s c u 等人【4 i 】使用了一个部分织构化的静止销子，使其与一个旋转圆盘产生相 对滑动( 图1 1 2 所示) ：销子通过一个夹持装置固定，从而在试验过程中油膜厚 度可以保持不变；膜厚使用一个精度为1 u m 的电容传感器进行测量；试验装置 的输出参数为摩擦力和法向承载力。 蛊0 j 3 k 8 i ” 礞 b s 翱玉麟褰i ；霪翔。 幽1 1 2p r e d e s c u 等人的销一盘润滑副卜u f i g 1 12p i n o n d i s cl u b r i c a t i n gc o n t a c tu s e db yp r e d e s c ue ta 1 【4 1 】 最近，p a s c o v i c i 等人【4 2 1 在销盘试验机上，通过将销子做成r a y l e i g h 阶梯状， 以便研究阶梯轴承在两个方向上的承载能力。在r a y l e i g h 阶梯的f 刚隙处，在反向 运动时观测到了气穴现象。尽管如此，目前的试验研究主要放在与摩擦力有关的 测量上，关于油膜承载区的直接观测测量鲜有报道。 1 3 气穴的研究历史及现状 普通润滑副在一般运转条件下，在运动方向上经常遇到油膜间隙的收敛与发 散，润滑表面的趋近和分离，这些变化将引起沿润滑表面油膜压力分布的正负变 化；其中所发生的油膜负压，将会在油膜中引起气穴现象【4 3 。由此可见，表面织 构润滑中的气穴现象应是普遍存在的，它势必影响润滑油膜的压力分布以及相关 的力学性能，因而同益受到研究者的普遍重视和深入研究畔1 。 有关润滑油膜里的气穴效应研究，主要包括以下两个问题：一是气穴型式， 二是气穴边界条件。 1 3 1 气穴型式 气穴型式常有两种含义4 5 】：一是气穴的形状，有指状( 亦称作条状) 气穴、 蕨状气穴、泡状气穴和梳状气穴( 图1 - 1 3 昕示) ；二是气穴的性质，即空气气穴 和蒸汽气穴。例如，h a m i l t o n 等人 9 1 在使月】光学透明转子试验密封装置对分界面 9 青岛理工大学工学博士学位论文 处的油膜进行直接观测时，拍摄到如图1 1 4 所示的条状气穴，它们将连续的油 膜区域打断。 ( a ) 指状气穴( b ) 蕨状气穴 ( a ) f i n g e r - l i k ec a v i t a t i o n ( b ) f e m l i k ec a v i t a t i o n ( c ) 泡状气穴( d ) 梳状气穴 ( c ) b u b b l e - l i k ec a v i t a t i o n( d ) c o m b - l i k ec a v i t a t i o n 图1 13 各种气穴形状 4 5 - 4 7 】 f i g 1 13d i f f e r e n tc a v i t a t i o nt y p e s 【4 5 _ 4 7 】 图1 - 1 4h a m i l t o n 等人【9 在透明密封端面上观测到的气穴流 晦1 14c a v i t a t i o ns t r e a m e r si nt r a n s p a r e n ts e a lo b s e r v e db yh a m i l t o ne ta 1 【9 1 0 q i u 和k h o n s a r i 4 8 】在利用l r i 1 a 型的摩擦磨损试验机测试图1 - 1 5 所示推力 轴承的润滑性能时，观测到了如图1 1 6 所示的气穴现象。结果表明：( 1 ) 气穴 负压与卷吸速度有关，转速越高负压越低：( 2 ) 转速低于4 0 r p m 时无气穴；转 a c i ，l 1 、c 1 l l i s k 、l t h d i m p l e s 图1 15q i u 和k h o n s a r i 4 9 的气穴观察试验装置 il p p cx s p i n d l e r c s c l 1 i i i p p c l d i s k 1m 、“e l d i s k f7 i ；“。s t l c c i i i i 。i i l , i d o l 。 f i g 1 15t e s ts e t 。fc a v i t a t i 。n 。b s e r v a t i 。nu s e db yq i ua n d k h 。n s a r i 【4 9 b d 图l - 1 6q i u 和k h o n s a r i 4 8 】在4 0 0 r p m 运行( a ) 和停i 卜( b ) 与8 0 0 r p m 运行( c ) 和停止( d ) 过程中的观 察到的气穴现象 f i g 1 16c a v i t a t i o no b s e r v a t i o nu n d e rc o n