（机械设计及理论专业论文）微载荷含油轴承摩擦学性能研究.pdf

浙江大学博士学位论文摘要 摘要 信息技术和微型机电设备中，含油轴承的应用日益广泛。由于轴承结构的微小型化 工作载荷也趋向轻微，对轴承在微载荷下摩擦学特性的要求越来越高。微载荷下，结构， 表面特性，载荷，速度和润滑剂等引起的微小激励都将使轴承的运转状态出现不稳定。摩 擦稳定性已成为评价轴承性能的关键技术指标。通过理论分析和试验研究，探讨微载荷下 含油轴承的摩擦学特性，从材料，结构，润滑方面探索提高轴承摩擦性能的途径，将丰富 摩擦学的理论知识，并为满足日益增长的含油轴承的工程应用开拓途径。 本文运用含油轴承润滑理论和微载荷轴承摩擦试验技术，研究了多孔质材料的仿生设 计，润滑特性的理论分析，微小摩擦量的检测技术，从理论和试验上全面揭示了微载荷下 含油轴承的摩擦学特性和各种因素的影响规律。主要研究内容有： 1 ) 含油轴承的润滑机理：通过比较轴承润滑分析的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，阐明了含油轴承润滑的物理过程，揭示影响轴承摩擦性能的因素。以毛 细管效应，电磁场作用和热效应为重点，阐明了它们在含油轴承中的作用。 2 ) 微载荷含油轴承的摩擦特性：由于影响因素众多，微载荷下轴承的摩擦性能呈现 明显的不稳定性。轴承的结构，载荷，摩擦，润滑性能都出现强随机性。微载荷下含油轴 承的性能特征的追求已从以往的摩擦系数极小化转化为对摩擦参数稳定性的要求。 3 ) 多孔质材料的特性：运用s e m 技术研究天然材料的多孔结构，通过对天然材料中 多孔质的尺寸，几何构型，孔隙密度及其变化梯度的观测，划分均匀多孔质材料，梯度多 孔质材料和复合多孔质材料。根据仿生原理，为含油轴承材料提出梯度型多孔质结构优化 设计。 4 ) 含油轴承润滑的理论分析：基于b d n k m a n 模型，用e l r o d 算法计算微载荷含油轴 承的润滑状态，揭示多孔质材料中润滑油的渗透度对轴承性能的影响。发现大渗透度下， 轴承几乎丧失承载能力，而渗透度小于一极限值时，对润滑影响的差别几乎可以忽略不计。 一般渗透度条件下，摩擦系数随载荷的下降而上升，当载荷大到一极限值时摩擦系数趋向 稳定值，并与试验结果相吻合。但是，试验中惯性引起的系统误差使计算得到的摩擦系数 值小于测量值。 5 ) 微载荷含油轴承中的混沌研究：研究发现，微载荷含油轴承摩擦学系统为混沌系 统。出现混沌现象的原因是与速度有关的摩擦力和与弹性有关的粘弹性共同作用的结果。 鉴于微载荷含油轴承性能研究中摩擦稳定性的重要性，对无摩擦，无驱动，有摩擦， 无驱动和有摩擦，有驱动三种情况研究了轴承摩擦学混沌系统，得到了判别稳定性的 条件。用随机函数作驱动项得到线性化摩擦系统的混沌表现。在线性化混沌方程和随机函 数输入条件下，微载荷摩擦混沌现象表现为杂乱无章的速度与加速度关系。随着固体接触 和固体摩擦成分的增加，速度与加速度关系表现出有规律的渐进稳定状态 浙江大学博士学位论丈摘要 6 ) 研制微载荷轴承摩擦试验台：以平衡载荷方法获取微载荷，通过测量摩擦副的偏 转角，将摩擦力的测量转化为摩擦转矩和载荷平衡引起的几何角度的测量，通过平衡设计， 杠杆放大和非接触式激光p s d 传感器位移测量，提高摩擦测量的精度，并实现了摩擦系 数的动态测量。动态摩擦系数实时反映了系统真实的摩擦状态。实现了微载荷下轴承摩擦 学性能的试验研究。 试验中，通过提高电源精度和采用电磁屏蔽技术，减小了环境对微小摩擦量信号测量 的干扰。信号处理中，通过小波滤波剔除混杂成分。提高了测量和数据处理的精度。 刀轴承摩擦性能的试验研究：通过微载荷下的轴承摩擦性能试验，发现了微载荷的 动态特性。轴承在动态的微载荷作用下，润滑呈现不稳定状态，瞬态摩擦系数的测量值变 化十分剧烈。润滑剂的成分和配比对摩擦性能的影响十分显著，液晶添加剂润滑剂存在有 最佳配比( 5 c b ) 。这时轴承的平均摩擦系数最小，转速的影响呈二次曲线形式，速度提 高使使摩擦系数增大并达到峰值，继续提高的速度又使摩擦系数降低。微载荷下轴承的摩 擦系数较高，随外载荷的增加摩擦系数降低，达到极小值后又有略微上升的趋势。混合润 滑状态下轴承的摩擦系数比充分润滑状态低，但是瞬时摩擦系数的离散程度高。乏油润滑 状态会引发摩擦状态的不稳定，发生动态粘滑振荡，直至完全偏离测量位置混合润滑状 态下选用粘度大和附着力强的润滑剂能取得较好的稳定润滑状态的作用。 本文通过对微载荷含油轴承的理论分析和实验研究，全面揭示了微载荷含油轴承的摩 擦学特性，各种因素对这一特性的影响和规律。关于轴承摩擦的动态性能和稳定性的研究 拓展了摩擦学研究的新领域。提出的多孔质结构仿生设计对含油轴承材料的选择和设计具 有指导意义。本文的研究方法，也可应用于一般微载荷滑动轴承的研究中。 关键词：含油轴承，润滑，摩擦，微载荷，多孔质，仿生，e l r o d 算法，混沌 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i na p p l i a n c e so fi ta n dm e m se q u i p m e n t s ，t h et r i b o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c se s p e c i a l l ye r i c - f i o ns t a b i l i t yu n d e rm i c r o - l o a d sb e c o m ek e yf a c t o r sf o rt h ep e r f o r m a n c e so f p o r o u sb e a r i n g s ，b u t t h es t u d yo ft h e s et o p i c sh a sn o tb e e nc a r r i e do u ti nt h ep a s t t h ef r i c t i o np e r f o r m a n c eu n d e r m i c r o l o a di sd e e m e da si n s t a b i l i t yd u et ob e a r i n gc o n f i g u r a t i o n st h a ti n c l u d ec l e a r a n c e ，r o u g h n e s s ，l u b r i c a n t sa n dv e l o c i t ye t c a f t e rt h el o a di ss m a l lt os o m ee x t e n t ，a n dt h eu n s t e a d ys t a t ei s at y p i c a lt r i b o l o g yc h a r a c t e ro fb e a r i n g su n d e rm i c r o - l o a d 1 1 地g o a l so ft h i sd i s s e r t a t i o na r et o i n v e s t i g a t el r i b o l o g i c a lp e r f o r m a n c ef a c t o r s ，b i o n i cp o r o u sd e s i g n , m e a s u r e m e n to ff r i c t i o nc o e f f i c i e n t sa n dc h a o ss t a t eo ff r i c t i o no fp o r o u sb e a r i n g su n d e rm i c r o - l o a d t h ed e t a i lc o n t e n t s a n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s 1 ) t h el u b r i c a t i o nm e c h a n i s mo fp o r o u sb e a r i n gw a sd i s c u s s e d a n d ，d a r c ym o d e l ， s l i p - f l o wm o d e l ，b r i n k m a nm o d e la n do t h e rm o d e l sf o rl u b r i c a t i o nw e r ec o m p a r a t i v e l ya r i a - l y z e d t h et r i b o l o g i c a lf a c t o r sa n dt h ee x p e r i m e n t a lm e t h o d so fp o r o u sb e a r i n g sw e r er e v i e w e d t h el u b r i c a n tp r o p e r t ya n ds u r f a c et o p o g r a p h yo fb e a r i n g su n d e rm i c r o l o a dp l a yl a r g e l yi n f l u - e n c e so nt h ei r i b o l o g i c a lp e r f o r m a n c e st h a nt h o s eu n d e rg e n e r a lc o n d i t i o n s a n d ，t r i b o l o g i c a l p e r f o r m a n c e su n d e rm i c r o l o a ds h o wc o m p r e h e n s i v ec h a r a c t e r i s t i c s ，a n ds u g g e s tt h ei n v e s t i g a - l i o nn e c e s s i t yo ft h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e nl u b r i c a n t sa n df r i c t i o ns u r f a c e s ，t h el u b r i c a t i o ne a p a - b i l 毋e t c ，o f w h i c ht h er e q u i r e m e n to f l o w e s tf r i c t i o nc o e f f i c i e n ti sr e p l a c e db yf r i c t i o ns t a b i l i t y 2 1t h ep o r o u sc a p i l l a r i t y , m a g n e t i s md i s t r i b u t i o na n d o ri t st h e r m a le f f e c t sa r ef u n d a m e n - h a lp r o b l e m s t h ec a p i l l a r i t ye f f e c t so f p o r o u sb e a r i n g sw e r ea n a l y z e da n ds u m m a r i z e d ，b e c a u s e t h ec a p i l l a r i t yc a r r i e sap a r to fh y d r o d y n a m i cp r e s s u r ei nl u b r i c a t i o nf i l m t h ee l e c t r o m a g n e t i c e f f e c t so nb e a r i n gf u n c t i o n ss h o u l dn o tb en e g l e c t e du n d e rs o m ec a s e s t h u s t h ed i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r so f m a g n e f i cf i e l di n j o u r n a lb e a r i n g sa r eo b t a i n e db yf e m 。a n d ，t h er e s u l t ss h o wt h a t a ne d g ee f f e c te m e r g e sa ta x i a le n d so fb e a r i n g s a n da na g g r e g a t i o ne f f e c ta p p e a r sa tr a d i a le c e e n t r i c i t y h e n c e ，t h ea b o v ei n f l u e n c e so nb e a r i n g sa r en o ts t r u c t u r a lu n i f o r m t h ee d d yt h e r m a l e f f e c ti nt h er o t a t i n gs h a f tc a l lb en e g l e c t e da tl o ws p e e d sb u tb r i n g sat e m p e r a t u r er i s eb e y o n d 2 0 a th i 业s p e e d s ，a n dt h er i s er a n g eo f t e m p e r a t u r ea s c e n d sw i t ht h ei n c r e a s eo f s p e e d 3 、m i c r o - p o r e ss t r u c t u r e so fs o m en a t u r a lm a t e r i a l sw e r es t u d i e dw i t hs e m t h er e s u l t s s h o wt h a tt h em i c r os t r u c t u r e sc a nb ec l a s s i f i e di n t ot h r e et y p e s ，n a m e l yu n i f o r mp o r e s ，g r a d i e n t p o r e sa n dm u l t i p o r e si nt e r m so f t h ed i s t r i b u t i o nv a r i a t i o no f p o r o u sd e n s i t y ，s i z ea n dg e o m e t r y a no p t i m a ld e s i g no f p o r o u sb e a r i n g sw a sp r o p o s e db a s e do nt h eg r a d i e n tc o n f i g u r a t i o n f o rt h e s t l n c l t _ l r ed e s i g nr e q u i r i n gc o o r d i n a t i o no fs t r e n g t h , m a s sa n dv i b r a t i o n , b i o n i cd e s i g nh a ss u p e - t i o 衄t oc o n v e n t i o n a lm e t h o d s 4 ) b a s e d0 nt h eb r i n k r a a nm o d e l ，e l r o da l g o r i t h mw a su s e dt oc o m p u t et h ei u b r i c a t i o n p e r f o r m a n c e s t h er e s u l t ss h o wt h a tp e r m e a b i l i t ys i g n i f i c a n t l yi n f l u e n c e sf r i c t i o nc o e f f i c i e n tf o r l a r g ep e r m e a b i l i t y , a n dc o m p u t e dl o a di sv e r yt r i v i a l ；t h ea b o v ei n f l u e n c ed i f f e r e n c ec a nb en e - , g l e c t e da sp e r m e a b i l i t yi s s m a l l e rt h a nac e r t a i nv a l u e 。u n d e rg e n e r a lp e r m e a b i l i t ya n dm i 浙江大学博士学位论文 c r o - l o a d ，f r i c t i o nc o e f f c i e n td e s c e n d sr a p i d l y 埘ml o a di n c r e a s e ，a n dl a t e ri tk e e p ss t e a d ya ta s m a l ie x t e n t h o w e v e r , t h ec o m p u t e df r i c t i o nc o e f f c i e n ti ss m a l l e rt h a nt h a to f t h ee x p e r i m e n t s 。 b e c a u s et h ei n e r t i ao f t e s tr i gr e s u l t si ns o m el o s so ff r i c t i o n a la n g l e 5 ) c o m p a r e dt oo t h e rf a c t o r ss u c ha ss u r f a c el a y e ra n di t st e n s i o n , e x t e r i o rd i s t u r b a n c e ， r o u g h n e s sa n dp o r o u ss t r u c t u r ee r e ，h y d r o d y r m m i cl u b r i c a t i o ni si n c o n s p i c u o u s n e s sd u et o1 0 a d d e c r e a s e o fw h i c hb r i n g so u tl u b r i c a t i o ni n s t a b i l i t y t h es t a b i l i t yp r o b l e mi sm u c hm o t ei m p o r - t a n tu n d e rm i c r o i o a d t h et r i b o l o g i c a ls y s t e mu n d e rm i c r o i o a dh a sc h a o t i cc h a r a c t e r s e x c e p t f o ro t h e rf a c t o r s ，c o m b i n e de f f e c t sb e t w e e n 矗i e t i o nf o r c er e l a t e dt os p e e da n da d b e f i o nr e l a t e d t oe l a s t i c i t yc a u s et h ec h a o sp h e n o m e n o n t h et r i b o l o g i c a ls t a b i l i t yw a ss t u d i e da n dad i s e r i m i t x a t e dc a s ew a so b t a i n e d mt r i b o l o g i c a lc h a o sh a v et h r e ec a s e s ；w i t h o u tf r i c t i o na n dd r i v e f r i c t i o nc h a o sm o d e lu n d e rr a d i a la d h e s i o na n dc i r c u m f e r e n t i a le l a s t i c i t ya s s u m p t i o n sw a sd e v e l o p e db a s e do nb o w d e na n dt a b o ra d h e s i o nm o d e l w i t hf r e t i o n ，w i t h o u td r i v e ms t a - b i l i t yc o n d i t i o na n dc o m p u t a b l em o d e lw e r eo b t a i n e du n d e rm i x e dl u b r i c a t i o nw i t hl i n e a rs i m - p l i f l c a t i o i l s t h ed a m pi t e mo fc h a o sa u t o n o m o u ss y s t e m , w h i c hi n c h i d e sl u b r i c a n ta d h e s i o na n d s o l i df r i c t i o n , a r er e l a t e dt os p e e d w i mf r i c t i o na n dd r i v e t h er e s u l t ss h o wt h a tv e l o c i t yi s c h a o t i c a l l yr e l e v a n tt oa c c e l e r a t i o nb 眦i t sb e h a v i o r sa r ei nc o n f u s i o nw i t hi i n e a r i z e da u t o n o - m o u se q u a t i o na n dar a n d o mf u n c t i o n , t r i b o l o g i c a lc h a o ss h o wt h a tt h e r ei sc o n f u s i o nb e h a v i o r b e t w e e nv e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o nu n d e rf l o o d a dl u b r i c a t i o ns t a t e ，w h i c he x p l a i n st h ef r i c t i o n f o l l o wp h e n o m e n o n w i t hf r i c t i o na n ds o l i dc o n t a c t , t h eb e h a v i o rg r a d u a l l yr e a c h e sas t e a d y s t a t e ，o f w h i c hs u g g e s t st h a tn o n - l i n e a rr e l a t i o ni sak e yf a c t o r 6 、an e wt e s tr i gw a se s t a b l i s h e dt oi n v e s t i g a t ef r i c t i o nc o e f f i c i e n tw i t ht h em e a s u r e m e n t o f d i s p l a c e m e n tc a u s e db yf r i c t i o n ，o f w h i c ht h ef r i c t i o nt o r q u ei st r a n s f o r m e dt or o t a t i o na n g l e ， a n dc a no b t a i nt h ei n s t a n t a n e o u sf r i c t i o nc o e f f i c i e n t s t h ei n s t a n t a n e o u sf r i c t i o nc o e m c i e n ti s t h eo r d e rp a r a m e t e ro ft r i b o l o g i c a lp e r f o r m a n c e sa n dr e v e a l st h et r i b o l o g i c a ls t a t e t h ee o m p r e - h e n s i v ed e s i g nw a sa d o p t e dt or e s o l v et h em u l t ic o n t r a d i c t o r yf a c t o r s ，s u c ha ss t i f f n e s s f o l l o w p e r f o r m a n c ea n dp r e c i s i o n n 瞎h i g hp r e c i s i o nm e a s u r e m e n to ff r i c t i o nw a sa c h i e v a dw i t ha l e v e r - a m p l i f i c a t i o na n dal a s e r - p s ds e 】t i s o lt h et w om e a s u r e m e n tm e t h o d sa r et u m e d - a n g l e m e a s u r e m e n ta n dc o m p e n s a t e df r i c t i o nt o r q u et e c h n i q u e s e c o n d l y , m i c r o l o a dc a l lb eo b t a i n e d w i t hl o a db a l a n c i n g 乃1 1 l ee l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n ga n dt h ew a v e l e tf i l t e rm e t h o dw e r eu s e dt om i n i m i z et h e e x t e r i o rd i s t u r b a n c e so fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l d t h ew a v e l c tf i l t e rm e t h o di se f f e c t i v ef o r d a t a - o r o e e s so ff r i c t i o nt c s t si n v o n i n gs e v e r a lt r i b o l o g i c a if a c t o r s ，o fw h i c ho t h e rm e t h o d sa r e n o ta v a i l a b l e t h el o a df l u c t u a t i o n su n d e rm i c r o 1 0 a ds h o u l dn o tb en e g l e c t e d i ns o m ec a s e s m e a s u r e d1 0 a dr e a c h e s1 0t i m e so f t h en o m i n a ll o a d 1 1 l cc h a n 【g eo f i n s t a n t a n e o u sf r i c t i o nt o e f - f i c i e n t si sn o tc o n t i n u o u s 。e s p e c i a l l yu n d e rm i x e dl u b r i c a t i o n n ec o m p a r a t i v es t u d yo fd i f f e r - e n tl u b r i c a n t si n d i c a t e st h a ti u b r i c a n t si n f l u e n c et h ea v e r a g ef r i c t i o nc o g 伍c i e n t u n d e rf l o o d e d l u b r i c a t i o n ，t h el i q u i dc r y s t a la d d i t i v e ( s c b ) i nn 4 6o i le x i s ta no p d m a lp e r c e n t a g e ，a tw h i c ht h e f r i c t i o ne o e 伍c i e n ti sm i n i m u m n er e l a t i o no fs p e e dw i t hf r i c t i o nc o e f i e n ti saq u a d r a t i c c u w et h a ti sl o w - h i g h l o ww i t ht h es p e e di n c r e a s e mi n f l u e n c eo fi o a do nt h e 崩c f i o nc o e f f i c i e n ti sl a r g eu n d e rm i c r o - l o a d a n df r i c t i o nc o e f f i c i e n ti sh i g h e r 1 1 1 ef r i e f f o r tc o e f f i c i e n tr e d u c e s 塑坚查兰堡兰竺笙壅 一笪堡! 坚一 g r a d u a l l yt oac o n s t a n tv a l u ew i t hr i s i n gl o a d ，a n dt h e n i th a sat r i v i a lt e n d e n c yt oa s c e n d u n d e r m i x e dl u b r i c a t i o n , t h ef r i c t i o nc o e m c i e n ti ss m a l l e rt h a nt h a to ff l o o d e dc a s ，b u tv a r i e sa ta l a r g e rr a n g e i n s t a b i l i t yo fm e a s u r e m e n ts y s t e mo c c u r su n d e rs o m ec r s e 5o fs t a r v e di u b r i c a t i o n a ss p e e di sh i g h e rt h a n1 2 5 m s ，a n dt h e nt h el o s so f m e a s u r e m e n tp o s i t i o na p p e a r sa sr e s u l t s o fd y n a m i cs t i c k - s l i po s c i l l a t i o n n i eh i 曲v i s c o s i t ya n dl a r g ea d h e s i v ef o r c ec a ni m p r o v el u b f i 。 c a t i o ns t a b i l i t yu n d e rm i x e dl u b r i c a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e dt r i b o | o g i c a lp e r f o r m a n c e so fp o r o u sb e a r i n g su n d e rm i c r o - l o a di n d e t a i l t h ei n f i u e n c ef a c t o r s 。s u c h 嬲p o r o u ss t r u c t u r ea n dm a g n e t i cf i e l de t c ，o nf f i c f i o nw e r e i n v e s t i g a t e d ab i o n i cp o r o u ss t r u c t u r a ld e s i g nw a sp r e s e n t e d an e we x p e r i m e n tr i gw a s e s t a b 。 l i s h e dt os t u d yt r i b o l o g i c a lp e r f o r m a n c e so f p o r o u sb e a r i n g su n d e rm i c r o l o a d a n d ，s t e a d ys t a t e a n dd y n a m i cs t a t eo f p o r o u sb e a r i n g sw e r et h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d t h ee x p e r i m e n m lm e t h o d so f t h i ss t u d ya l s oc a nb ea p p l i e dt oi n v e s t i g a t eo t h e rj o u r n a ls l i d i n gb e a r i n g s k e y w o r d s ：p o r o u sb e a r i n g s ，l u b r i c a t i o n , f r i c t i o n , m i c r o l o a d ，p o r o u ss t r u c t u r e ，b i o n i cd e s i g n , e l r o da l g o r i t h m ，c h a o s 学号 l0 2 0 8 0 9 3 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，也不包含为获得逝姿盘茔或其他教育机 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。 学位沦文作者签名：弦寝盖 签字日期：2 0 0 5 年0 7 月1 8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝江盘堂有关保留、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。本人授权逝姿盘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：张堂二导师签名：马参的i 妒撂 签字日期：2 0 0 5 年7 月1 8 日签字日期：2 0 0 5 年7 月1 8 日 第一章绪论 【本章摘要】本章介绍了台油轴承的工程应用背景，轴承的润滑机理，以及描述这一现象的 d a r e y 模型，s l i p - f l o w 模型和b r i n k m a n 模型，讨论了影响含油轴承摩擦学性能的因素及其 实验研究方法，并在此基础上提出了本文的研究目的和研究内容 1 1 含油轴承的工程应用 利用烧结体多孔性的浸油特性，工作状态下能实现在自行供油的滑动支承称为含油轴 承 1 】。含油轴承的主要优点是它的自润滑性能，因而使润滑系统简化，使用方便。含油轴 承中，轴承为经浸油处理的多孔质基体，利用主轴转动形成的卷吸效应和摩擦引起的孔内 润滑油膨胀供油，形成润滑油膜。与普通有供油系统的滑动轴承相比，由于润滑油量较少， 并且有蒸发和散溢，含油轴承运行时一般处于混合润滑，或边界润滑状态，大多数情况下 很难达到完全的油膜润滑状态。由于轴承中的储油空间是用材料换取来的，因而牺牲了部 分的机械强度，含油轴承的强度比实体轴承低，不适于重载和有冲击载荷的工况。尽管如 此，含油轴承与固体润滑的轴承相比，摩擦系数低5 倍以上，并且具有工作噪音低和占用 空间小的优点。 含油轴承另外一个重要的优点是成本低廉。由于制造过程无切削，材料利用率高，适 于大批量规模化生产，从而广泛应用于各个行业。2 0 0 0 年左右，我国每年的生产量大约 为l o 至2 5 亿件，年人均占有量约2 件，产值数亿元。日本，年产量约4 0 亿件，年人均 含油轴承使用量为1 0 件。 含油轴承的粉末冶金烧结工艺出现在1 9 世纪后期，1 9 1 6 年，g i t s o n 实现了规模化生 产【1 1 2 j 。在汽车工业的带动下，含油轴承得到了较大的发展。2 0 世纪中期，由于家电制品 的兴起，含油轴承应用领域得到拓宽，制造快速发展。 1 9 8 0 年后，信息技术的发展开拓了含油轴承新的应用领域，对轴承的使用也提出更 高的要求。相关设备的微小型化，要求大大缩小轴承空间。现代含油轴承的重量已比早期 平均减小了2 0 倍左右。虽然含油轴承的载荷要求有所降低，但对轴承的运行稳定性，尤 其是摩擦系数的稳定性要求提高。现代含油轴承己广泛应用于包括音响设备、办公设备、 农业机械、精密机械、i t 业等各种工业制品，成为一类不可或缺的基础零件。含油轴承的 应用行业分布列表示于表1 1 。 国际上，通用的含油轴承制造标准为美国粉末冶金协会的m p i f 标准( 2 孙。国内的含 油轴承设计制造标准是1 9 8 3 年由北京有色金属研究院制定。含油轴承的设计和应用在摩 擦学设计领域也得到了一定的规范 4 】 随着含油轴承向微小型化的发展，它的应用环境随之发生改变。相应地，对含油轴承 性能的要求也不断提高，如对精度、转速、寿命、可靠性，承载能力、噪音、稳定性等。 浙江大学博士学位论文微载荷下舍油轴承摩擦学牛事能研究 同时推动着对含油轴承的理论和应用研究的进一步深化。 表1 1 含油轴承应用行业分布 1 ，3 应用领域占有率( 质量比) 运输机械、汽车 4 1 家电制品( 如空调，音响、洗衣机、电 3 3 风扇、吸尘器、电动工具、缝纫机等等) 办公机械( 复印机、打印机等) 2 1 照相机、计量仪表及其它应用 5 1 2 研究及发展概况 1 2 1 含油轴承的理论研究概况 关于含油轴承的研究涉及材料、设计、制造工艺和应用技术各个领域。润滑理论的研 究需要揭示轴承的工作机理，它是指导轴承设计和应用的理论基础，并对材料设计提供指 导。 由于含油轴承工作状态的复杂性，润滑理论的研究必须对三个区域，即油膜区，基体 区和配合界面区，分别展开含油轴承的润滑主要依赖于卷吸效应和热胀效应。到且前为 止，理论上主要考虑泵出效应，而对热泵效应的研究较少。在对雷诺方程作出修正的同时， 研究中也考虑了润滑剂的非牛顿体效应和零件表面粗糙度的影响。同时，对含油轴承动态 性能的研究日渐增多 需要指出，含油轴承的润滑剂并不限于液体润滑油。工程应用和科学研究中，有时也 使用润滑脂和固体润滑剂。再如静压气体含油轴承也是一种含油轴承限于本文内容，如 无特别说明，润滑剂均为润滑油。 本研究中，对象为径向含油轴承。由于轴承材料为多孔质基体，与普通滑动轴承相比， 研究工作的特点在于：由于没有供油系统，含油轴承的正常状态为混合润滑或边界润 滑；润滑剂的来源为主轴转动的卷吸效应和摩擦产生的热膨胀效应，丽防止润滑剂散 失的机理却是毛细作用和表面张力；微载荷状态，含油轴承载荷属于微载荷，如微型 马达用含油轴承的质量普遍在0 1 l g 之间。不可能有很大的载荷，相应地，摩擦力的不 稳定性却十分显著。 含油轴承理论研究的主要内容和进程如表1 2 所示从时间上看，含油轴承计算模型 的发展是一个计算精细化的过程。以下分别介绍这一研究的主要理论模型。 1 2 1 1d a r e y 模型 d a r c y 模型认为，在润滑油膜区域，控制方程为普通的r e y n o l d s 方程，在多孔质基 体中润滑剂流动服从d a r c y 定律，在油膜和多孔质表面之间的界面，压力相同。由于润滑 方程本身的假设条件，界面压力也就是油膜压力。事实上，由于润滑方程本身的假设条件， 2 绪论 界面压力也就是油膜压力。 表1 2 含油轴承理论发展历程 著者时间内容及意义 m o r g a n 1 9 5 7 提出压力连续边界条件，由r e y n o l d s 方程建立含油轴承 c a m c t o n 的动压润滑理论；随后，r o u l e a u t s j 、m u m 6 t7 】、k r i v o n o s o v 8 】 等分别从无限短( 无限长) 假设、考虑偏心率、渗透度变化、 轴端密封，以及外界施加压力等情况，计算含油轴承的压力 分布、承载力、摩擦系数、偏心率和偏位角 b e a v c r s1 9