（机械设计及理论专业论文）异常弹流润滑油膜的实验研究.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 为了实现超薄润滑油膜及油膜局部微小变化的精确测量，对玻璃盘铬润滑油 一钢球构成的4 层系统进行了完全光学分析，使用了多光束干涉理论，提出了简单 有效的条纹级次判定方法，并设计制造了专用的光干涉测量实验机。 对点接触弹流润滑的气穴现象进行了实验观察。实验中，点接触分别通过钢 球玻璃盘和椭圆滚子一玻璃盘接触实现。通过实验结果分析，比较了不同滑滚比、 卷吸速度、载荷等对气穴形成与发展的影响。观察到了纯滑动条件下点接触片状 气穴区的形成，得到了片状气穴在速度一载荷坐标下的存在域。同时对片状气穴现 象的形成原因给出了初步的理论分析。 对点接触弹流润滑入口凹陷的形成和消失进行了实验研究。观察了钢球玻璃 盘和椭圆滚子一玻璃盘接触条件下入口凹陷的形成与发展过程。分析比较了滑滚比、 卷吸速度、载荷等对入口凹陷形成与发展的影响。并对凹陷的形成机理进行了初 步的理论分析。 利用极限剪应力模型，对入口凹陷现象进行了数值模拟。就滑滚比、速度、 载荷等对入口凹陷的影响与实验结果进行了定性比较。 关键词弹性流体动力润滑；光干涉油膜测量：极限剪应力；凹陷；气穴 青岛理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t f o ra c c u r a t em e a s u r e m e n t so fu l t r a - t h i ne 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 ( e h l ) f i l m so rt i n yf i l mt h i c k n e s sv a r i a t i o n s ，af u l lm u l t i b e a mi n t e r f e r e n c eo p t i c a la n a l y s i s h a sb e e nc a r r i e do u tf o raf o u r - l a y e ro p t i c a ls y s t e m ，c o n s i s t i n go fg l a s s ，c h r o m i u m ， l u b r i c a n ta n ds t e e l a no p t i c a le h lt e s tr 谵w a sd e s i g n e da n db u i l tu p as i m p l e c o u n t i n gs t r a t e g yw a ss u g g e s t e di no r d e rt oe f f i c i e n t l yd e t e r m i n et h ef r i n g eo r d e rr a n g e o fm e a s u r e dp o i n t s a ne x p e r i m e n t a lo b s e r v a t i o no fc a v i t a t i o nw a sc a n i e do u tu n d e rp o i n tc o n t a c t e h lc o n d i t i o n s ，w h i c ha r ef o r m e d b yb a l l d i s ca n ds p h e r i c a l r o l l e r - d i s cc o n t a c t r e s p e c t i v e l y v a f i m i o n so fc a v i t a t i o nw i t hl o a d s ，e n t r a i n m e n ts p e e d sa n ds l i d e - r o l lr a t i o s w e r es t u d i e d a ne x i s t e n c ez o n eo f “s h e e t c a v i t a t i o nw a sd e t e r m i n e db ye n t r a i n m e n t s p e e dv s 1 0 a dr e l a t i o n s h i p ap r e l i m i n a r yt h e o r e t i c a la n a l y s i sw a sf i n i s h e dt oa c c o u n t f o rt h ea p p e a r a n c eo ft h e “s h e e r c a v i t a t i o n e x p e r i m e n t sh a v eb e e nf i n i s h e dt og a i ns o m ei n s i g h t si n t ot h ef o r m a t i o no ft h e i n l e td i m p l e v a r i a t i o n so fi n l e td i m p l ew i t hl o a d s ，e n t r a i n m e n ts p e e d sa n ds l i d e r o l l r a t i o sw e r es t u d i e du n d e rb a l l d i s ca n ds p h e r i c a lr o l l e r - d i s cc o n t a c tc o n d i t i o n s ， r e s p e c t i v e l y an u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sf i n i s h e dt ot h e o r e t i c a l l yc o n f i r mt h ee x p e r i m e n t a l d i m p l e ac i r c u l a rl i m i t i n gs h e a rs t r e s sm o d e lw a sc h o s e na st h er h e o l o g i c a lm o d e li n t h ep r e s e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n v a r i a t i o n so ft h ei n l e td i m p l ew i t hl o a d s ，e n t r a i n m e n t s p e e d sa n ds l i d e r o l lr a t i o sw e r ec o m p a r e dw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t sq u a l i t a t i v e l y k e yw o r d s ：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 ，i n t e r f e r o m e t r y f o rf i h nt h i c k n e s s m e a s u r e m e n t ，l i m i t i n gs h e a rs t r e s s ，d i m p l ef i l m ，c a v i t a t i o n 青岛理工大学工学硕士学位论文 a ，b d d q f e q 一 一 h o l 一 ，一 ，一 k 。 k q n 一 月口一 n n p p p h p 一 物理量名称及符号表 h e r t z 接触半径短、长轴，m 沿卷吸中心线气穴发生点与接触中心的距离，m 介质q 的厚度，m 综合弹性模量为，p a 光波在介质q 中的电向量 油膜厚度，m 无量纲膜厚，石= h r x a 2 0 级油膜厚度，m 减速比 干涉光强度，w m 2 相对光干涉强度 椭圆比，= b a 介质口的消光系数 光的折射率；电机转速，r r a i n 介质q 的实折射率 介质g 的复折射率，瓦= 一脯。 油膜压力，p a 无量纲压力，p = p p h 最大h e r t z 压力，p a 半径，m v i 青岛理工大学工学硕士学位论文 一介质q 和q + 1 分界面上的菲涅耳反射系数 r a 表面粗糙度，m 风。一坡度，r a d 尺。一介质q 和q + 1 分界面上的当量菲涅耳反射系数 r x ，r y x 与y 方向的曲率半径，n i s 一 凹陷发生点与接触中心距离，r n s 一滑滚比，s = ( h 1 一h 2 ) h 。 “o 一参考速度，m s u 1 ，“2 一固体1 、2 沿工方向的速度，m s 一钢球线速度，呦= u 2 ，m s 粕一玻璃盘线速度，u d = u l ，m s “。一 卷吸速度，e = m 1 + u 2 ) 2 ，m s u 1 ，踢一固体l 、2 沿z 方向的无量纲速度，u l = u l u o ，u 2 = u j u o 巩一无量纲卷吸速度，u 。= u j i 。( e r 。) v 一线速度，m s w 一载荷，n w 一无量纲压力，w 。w ( e r ：) x ，y ，z 一坐标，r n 工一无量纲坐标，x = x a y 一无量纲坐标，y = y a z 一无量纲坐标，z = z h f 一初相位 a 一粘压系数，m 2 n 口一亮干涉级次 v t i 青岛理工大学工学硕士学位论文 ，一剪应变率，1 s d 叩 叩 叩o ，7 c h 口 尢 “ _ | d p p o o i ，( r 2 ，仍 _ r _ r f l 巩 暗干涉级次 润滑油粘度，p as 无量纲低剪切率粘度，o - = r r 。 润滑油的环境粘度，p as 等效粘度，r t 。- r ， 椭圆接触区短轴与卷吸速度方向的夹角，度 波长，m 压剪应力系数 润滑油密度，k g m 3 润滑油无量纲密度，万= p i p 。 润滑油环境密度，k g m 3 主应力，p a 剪应力，p a 无量纲剪应力，f = 吖p 。 极限剪应力，p a 反射率 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。 青岛理工大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，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，也不包含为获得青岛理工大学或其它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 说明并表示了谢意。 研究生签名：墨迹日期：2 墅：! ：z 青岛理工大学学位论文使用授权声明 青岛理工大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电予文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅 可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权青岛理工 大学研究生处办理。 1 1 引言 第1 章绪论 摩擦学是研究相对运动的相互作用表面间的摩擦、润滑和磨损，以及三者问 相互关系的理论与应用的一门边缘学科1 1 j 。 摩擦是自然界中最普遍的现象之一，几乎无处不在。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。 另外，机械产品的易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废和更换的，如果能 控制和减少磨损，则既减少设备维修次数和费用，又能节省制造零件及其所需材 料的费用。 人类对摩擦现象早有认识，并能用来为自己服务，如史前人类的钻木取火等。 但长久以来摩擦学的研究进展缓慢，直到1 5 世纪，意大利的列奥纳多达芬奇才 开始把摩擦学引入理论研究的途径。1 7 8 5 年，法国库仑继前人的研究，用机械啮 合概念解释干摩擦，提出摩擦理论。后来又有人提出分子吸引理论和静电力学理 论。1 9 3 5 年英国的鲍登等人开始用材料粘着概念研究干摩擦，1 9 5 0 年，鲍登提 出了粘着理论f ”。关于润滑的研究，英国的雷诺于1 8 8 6 年继前人观察到的流体动 压现象，总结出流体动力润滑理论哦2 0 世纪5 0 年代普遍应用电子计算机之后， 线接触弹性流体动力润滑的理论开始有所突破。1 9 6 6 年，j o s t 报告1 3 l 的发表标志着 摩擦学作为一门独立学科的形成。 润滑是摩擦学的三个组成部分之一。通过对润滑机理的研究，找出运动参数 ( 如卷吸速度等) 、物理参数( 如润滑剂粘度、密度，极限剪应力等) 、接触表面几 何与化学特性、接触区温度分布及润滑剂的化学特性等对润滑的影响，对于减小 有害摩擦、降低磨损、提高机械零件的使用寿命、提高生产率具有重大的实践意 义。按照机理不同，润滑可分为流体动力润滑、流体静压润滑、弹性流体动力润 青岛理工大学工学硕士学位论文 滑、边界润滑和固体润滑五种基本类型f 4 】o 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 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。弹流润滑的研 究开始于二十世纪四十年代末期，e r t e l 和f p y 6 h h 首次将r e y n o l d s 方程与h e n z 接触理论相结合，在考虑表面弹性变形和润滑剂粘压效应的前提下，相继获得了 线接触问题的弹流润滑近似解。此后，弹流润滑研究迅速发展。至今，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 基本形成，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 二十世纪五十到六十年代，d o w s o n 等【5 1 通过线接触数值分析获得弹流油膜的 ( a ) p m s s u ma n df i l mt h i c k n e s sa l o n ge n t r a i n m e n t ( b ) i n t e f f e r o g r a m f i g 1 - 1t y p i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fe h l f i l m s 6 1 图1 - i 弹流油膜的经典特征【6 l 2 经典特征扁平接触区，出口颈缩和二次压力峰，如图1 - 1 ( a ) 所示。稍后c r o o k 的电容法实验证明了d o w s o n 等理论分析的正确。2 0 世纪6 0 年代，c a m e r o n 等【7 粤i 首次利用光干涉技术成功观测到典型的点接触弹流油膜的经典马蹄形特征，如图 1 - 1 ( b 1 所示。1 9 7 2 年，c h i u 和s i b l e y l 9 l 用粘性聚丁烯润滑油在光学弹流测量仪上进 行了超低卷吸速度试验，发现纯滚动条件形成经典的马蹄形油膜。而玻璃盘纯滑 动形成接触区凹陷的油膜，如1 - 2 ( a ) 所示。2 0 世纪9 0 年代以后k a n e t a 等 t o , n 悃不 同型号的润滑油完成了类似的实验，且都得到了凹陷，如图1 - 2 ( b ) 所示，但其选用 ( a ) c h i na n ds i b e l y sd i m p l ei n t e r f e r e n c ep a t t e r na ts i m p l ed i s cs l i d i n g ( b ) k a n e t a sd i m p l ei n t e r f e r e n c ep a t t e r na ts i m p l ed i s cs l i d i n g f i g 1 - 2d i m p l ef o r m a t i o ni no p t i c a le h le x p e r i m e n t s 【6 j 图1 2 实验发现的带有凹陷的油膜【6 1 青岛理工大学工学硕士学位论文 f i g 1 - 3c o m p a r i s o nb e t w e e ny a n g sn u m e r i c a lr e s u l t sa n dk a n e t a se x p e r i m e n t s 1 2 i 图1 ，3 杨沛然等的数值解与k a n e t a 等的实验结果之比较”1 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 了粘度较低的润滑油和中等滑动速度。c h i u 和s i b l e y 用法向应力对油膜凹陷进行 了定性解释，而k a n e t a 等最初认为是挤压效应的作用，后来又认为是由于润滑油 固化和壁面滑移效应，但他们都没有具体的数值结果加以证实。其后，l 0 r d i l “、 e h r e t 和b a u g e t l l 4 1 也进一步实验证实了这种凹陷。近几年，杨沛然等【“l 同时考虑粘 度沿膜厚方向变化的r e y n o l d s 方程和能量方程，得到了反向滑动零卷吸条件下点 接触热弹流问题的数值解，其理论结果与实验干涉图像的良好吻合( 图l 一3 ) 表明热 粘度楔是形成凹陷的主要机理。值得注意的是，早期的讨论认为c h i u 和s i b l e y 的 实验与k a n e t a 等的实验来源于同一机理 1 0 , 1 5 , 1 6 , 1 7 1 。但若对两个实验中的粘性发热 进行比较，不难发现在c h i u 和s i b l e y 的实验中，油膜的剪切发热量仅为k a n e t a 等人实验的约1 ，很难产生有效的热粘度楔。因此c h i u 和s i b l e y 的实验中的 反常油膜应当另找原因。在2 0 世纪9 0 年代早期，弹流数值分析中也出现了一类 反常的带有入口凹陷的油膜形状。这种入口凹陷的出现是由于在数学模型中考虑 了润滑油的极限剪应力和由其引起的界面滑移效应。1 9 9 0 1 9 9 2 年，h a m r o c k 的研 究小组利用提出的c i r c u l a r 极限剪应力流变模型( 图1 4 1 进行了一系列的弹流数值 分析 i s , 1 9 ，揭示出随着滑滚比的增加，压力峰将消失，入v i 压力梯度变大而产生 图1 4 基于c i r c u l a r 极限剪应力流变模型的弹流数值解f 6 1 青岛理工大学工学硕士学位论文 c e n t r a le n t r a i n m e n td i r e c t i o nx ，i x m f i g 1 - 5f i l mw i t hi n l e td i m p l e l 2 0 l 图l - 5 带有入口凹陷的弹流油膜【捌 a l o n gt h ec e n t r a le n t r a i n m e n t x ，瞰n f i g 1 6c e n t r a lc o n v e xf i l m 【2 1 | 图l 一6 中央油膜的卜凸现象口1 】 6 昌tf避们o_【diu皇_昌岛山 liij莲舅qii_【ii_【一阻 童璺堡三查堂三皇塑主主堡笙塞 凹陷，接触区油膜形状不再是平行的。此后，人们用不同的极限剪应力流变模型 也都得到了相似的入e l 凹陷，如e h r e t l 2 甜，z h a n g 和w e n 2 3 】及s t a h l 和j a c o b s o n 2 4 】 的分析。这些结果还显示，当滚滑比增大时，中央接触区会出现凸出现象，即油 膜厚度大幅度减小，使最小油膜厚度的位置由传统的颈缩处转到中心区。并且， h s i a o 和h a m r o c k 2 5 】指出热效应可能会修正接触区内部润滑油的流动从而使入口凹 陷消失。因此，必须设法排除热效应的影响而只进行极限剪应力和界面滑移条件 下油膜形成的实验研究。对此，在与c h i u 和s i b l e y 相似的超低速条件下，g u o 与 w o n g 2 6 l 完成了特别设计的实验，成功地观测到了带有入口凹陷的弹流油膜f 图 1 5 ) 。与c h i u 和s i b l e y 的法向应力机理不同，g u o 与w o n g 认为此入口凹陷是由 于界面滑移引起，即前述理论分析中的入口凹陷实际上是存在的。近期g u o 与 w o n g 又成功地观测到了在大滑滚比条件下中央油膜的下凸现象1 2 1 】( 图1 - 6 ) 。分析 中，g u o 与w o n g 提出了等效粘度楔的概念( 2 1 2 “，即由于润滑油的极限剪应力性质 引起的等效粘度在邻近固体界面处的迅速下降造成入口凹陷的形成。 1 3 油膜厚度测量方法简述 油膜厚度测量是弹流实验研究的重要内容之一。 点接触弹流润滑的接触区域通常在毫米级以下，油膜厚度通常为纳米至亚微 米量级。在如此微小的空问内对复杂的润滑现象进行测量，必须采用特殊的测量 手段。 在弹流润滑油膜厚度测量实验中，人们提出了多种方法，主要包括：电阻法、 电容法、放电电压法、位移法、x 射线法及光干涉法等【2 7 _ 3 3 1 。 1 3 1 电阻法 通过测量润滑油膜间的电阻来推断油膜厚度的方法称为电阻法。由于接触区 内部特性非常复杂且不稳定，因此电阻法只适用于定性地判定油膜存在与否，而 不能精确地测定出接触区油膜厚度的具体数值。 1 3 2 电容法 7 重璺堡三查室三皇塑主堂堡堕塞 电容法主要是根据油膜的电容值随油膜厚度增大而减小的关系来计算平均油 膜厚度。但是，由于实验前油膜厚度是未知的，所以电容值与油膜厚度的关系难 以建立，而假设的油膜形状与实际油膜形状的差别是产生计算误差的原因之一。 同时，机电元器件的寄生电容也会影响测量精度，因此需采取严格的屏蔽措施。 1 3 3 放电电压法 度。 此方法主要根据两金属表面问的放电电压随油膜厚度的变化来测定油膜厚 1 3 4 位移法 位移法主要是通过测量机械位移来确定油膜厚度。测量开始时，摩擦元件间无 润滑油，从位移传感器得到此时的位移量，然后加入润滑油，再由位移传感器得 到个位移量，通过此两个位移量之差即可得到油膜厚度。 位移法主要用来确定中心油膜厚度。 1 3 5 x 射线法 一般地，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。因此，实验时可以沿卷吸方向用x 光照射润滑油膜，并用计数器记录穿透油膜的x 射线量，再与相应的标定曲线比 较即可得到油膜厚度。 1 3 6 光干涉法 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。 青岛理工大学工学硕士学位论文 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l 一7 。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1 + ，：+ z 厄c o s ( 半叫 ( 1 _ ) 这里，l 和，是光线i 和光线i i 的强度，n 是润滑油的折射率，a 是光的波长，f 是系统的初相位并等价于( f 2 z x a 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 0 n 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。 。弋l 、：， h 一。：v i - h + 1 ：。 g l a s sd i s c c r f i l m l u b r i c a n t f i g 1 - 7t 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 【6 】 图1 7 双光束干涉测量法1 6 1 随着弹性流体动力润滑( e h i _ ) 研究的深入，各国研究人员提出了些具有纳米 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 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 等提出的附加垫层法、g u s t a f s s o n 等i 鲐l 提出的h s i 方法及g l o v n e a 等【3 6 】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1 3 7 _ 3 9 1 提出的相对光强法达到了0 5 n m 的分辨率。由于单 色光干涉条纹清晰度高，可测最大油膜厚度达4 巧帅，远大于彩色干涉图像。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1 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。 1 4 本文的主要研究内容及意义 1 4 1 主要研究内容 由于g u o 与w o n g 对入口凹陷的实验观察只进行了初步研究，许多现象还没 有深入全面地考察，各种实验参数对实验结果的影响尚未完全弄清楚，特别是椭 圆接触尚未涉及，因此，实验中将以输运条件对油膜形状的影响为主线，考察圆 接触与椭圆接触两种情形，比较载荷、速度、滑滚比等实验参数对油膜形状的影 响，并对实验现象进行相应理论解释。具体分为以下四个部分： ( 1 ) 根据多光束干涉理论，设计、制造一种大量程高分辨率纳，微米弹流油膜 厚度测量系统，包括实验机硬件系统及其相关图像获取、处理软件等，为顺利完 成后面的实验工作建立物质基础。 ( 2 ) 利用建立的光弹流实验机对球一盘接触及椭圆滚子一盘接触的气穴形成和发 展过程进行实验观察，研究纯滚动和纯滑动条件下气穴区的差异。同时还研究滑 滚比、压力及卷吸速度等对气穴的影响。并对实验观察到的现象给出初步的理论 分析。 f 3 1 利用建立的光弹流实验机对球盘接触及椭圆滚子盘接触的凹陷现象进行 实验观察，研究滑滚比、载荷及卷吸速度等对凹陷的影响；研究凹陷的产生条件 与存在条件。最后对实验观察到的现象给出初步的理论分析。 ( 4 1 利用数值分析方法，对凹陷现象进行数值模拟。通过数值分析，研究滑滚 1 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 比、载荷及卷吸速度等对凹陷的影响，同实验结果进行定性对比，建立凹陷现象 产生的理论基础，弄清其机理。 1 4 2 本文研究工作的意义 机械设备是工业生产中最重要的物质基础之一。随着国民经济的飞速发展， 产业结构必然会经历由劳动密集向技术密集的转变。而国际竞争的压力也迫使企 业改变低附加值产品数量扩张的策略，转向对高技术、高附加值产品的追求。这 些都对机械设备的综合指标提出了更高的要求，其中最重要的指标之一便是机械 设备运行的精度与稳定性。 机械设备中有害摩擦的存在是引起发热与振动的重要原因，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， 提高了生产成本。 高副接触的机械零件，如：滚动轴承，凸轮及齿轮等，在机械传动中应用极 为广泛，而弹性流体动力润滑是高副接触机械零件的主要润滑形式，因此进行弹流 的研究，分析其油膜的形状特点、形成原理，探讨速度、粘度、温度、接触表面 及润滑油的特性对油膜的影响对于减小摩擦、降低磨损、提高机械零件的使用寿 命、提高生产率具有重大的实践意义。 青岛理工大学工学硕士学位论文 第2 章实验设备 光干涉测量技术应用于弹流润滑实验研究开始于1 9 6 2 年，k i r k l 3 3 l 采用有机玻 璃制造交叉圆柱实验机的上圆柱，并在其上部安装一屋脊形透明块以补偿干涉条 纹图像的变形，从而成功的完成了弹流润滑油膜形状的初步测量。1 9 6 3 年，c a m e r o n 等p 2 j 也采用光干涉法测量弹流润滑油膜形状并首次揭示了点接触弹流润滑油膜的 马蹄形特征，其弹流接触由钢球与高折射率的透明盘相接触而得到。此后，研究 人员设计制造出了各种不同的光弹流实验设备。这些设备大多仍采用球、盘接触 的工作形式，但作了某些改进，如用宝石盘或镀有半透明半反射膜( 析光膜) 的玻璃 图2 - 1 光弹流润滑薄膜测量实验机 1 2 f i g 2 - 2a s s e m b l yo ft h em a i nu n i t 图2 - 2 实验机主单元装配图 1 3 童里矍三丕兰三兰塑主堂篁堡塞 盘代替高折射率的透明盘及采用不同的球支撑方式和加载方式等，以提高实验精 度和扩大测量范围。 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。 为了实现弹性流体动力润滑的多光束干涉测量( 第三章将论述) 、获得满意的实 验结果，在综合分析各种影响因素和比较常见的光弹流实验设备后，设计、制造 了专用的光弹流润滑薄膜测量实验机，如图2 - 1 所示。其主单元装配图如图2 2 所 示。整个实验机主要由玻璃盘回转系统、钢球回转系统、加载系统、调速系统、 光源系统、图像采集系统及图像处理软件等部分组成。 2 1 玻璃盘回转系统 玻璃盘回转系统的结构参见图2 - 2 ，主要由零件1 、1 2 1 4 组成，其作用是 将调速系统的输出扭矩通过同步带轮1 2 、轴3 等零件传递到玻璃盘并使之转动。 为了提高实验精度，选用了p 4 级( c 级) 向心角接触球轴承，替换曾经使用过的深 沟球轴承，以提高轴承承受轴向载荷的能力。预紧螺母1 3 可以用来调节角接触球 轴承的轴向预紧，从而起到调节玻璃盘端面跳动的作用。调速系统的扭矩通过同 步带传递到同步带轮1 2 上，具有比普通带传动形式更高的精度。实验前，调整螺 母2 和预紧螺母1 3 ，检查玻璃盘最大回转半径处的端面跳动，如图2 3 所示，将 其调整到弘m 以内。 2 2 钢球回转系统 钢球回转系统的结构参见图2 - 2 ，主要由零件4 、6 - 1 1 组成，其作用是将调速 系统的输出扭矩通过同步带轮1 1 、轴1 0 、弹性联轴器7 及球保持杆6 等零件传递 到钢球并使之转动。与玻璃盘回转系统相似，此处也选用了一对向心角接触球轴 承和同步带轮。钢球4 与球保持杆6 为刚性连接。弹性联轴器的作用在于补偿加 载系统与钢球回转系统的安装误差，使钢球具有一定的自我调整能力。 青岛理工太学工学硕士学位论文 2 3 加载系统 f i g 2 - 3a x i a lr u n o u to ft h eg l a s sd i s c 图2 - 3 检测玻璃盘端面跳动 球盘接触载荷的施加是通过如图2 - 4 所示的加载系统完成的，此加载系统在 实验机上的位置参见图2 2 中的球支承单元5 。工作时，钢球在球托中。图2 - 4 中， 右下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，如图2 - 5 所示。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f 在钢球与玻璃盘接触前将数字测力计 读数置零) 。p 1 1 砸材料的自润滑能力使得球托与钢球之间保持较好的润滑。球托沿 钢球转动方向的凹槽可以避免钢球回转直径上的润滑油被刮掉，从而保证润滑油 的充分供应。右下边螺纹孔与数字测力计之问的弹簧可以消除工作时产生的振动。 1 5 童璺堡三查堂三堂塑主里焦堡塞 通过数字测力计施加载荷可以获得在其测量范围内连续变化的载荷范围，从而克 服了使用砝码加载带来的可选载荷不连续的限制，更容易选取与实验相适应的速 度离散点。 除了球盘接触方式外，弹流点接触的形成方式还选用了椭圆滚子盘接触的方 式，其结构如图2 - 6 所示，与球一盘接触方式形成的圆形接触区不同，其形成一个 椭圆接触区。由于在椭圆滚子盘接触方式下仅仅考虑纯滑动r 玻璃盘转动，椭圆滚 子静止1 的情况，因此，不需要对椭圆滚子进行驱动。在结构上，图2 - 6 所示椭圆 滚子盘接触方式加载系统模型与图2 - 4 所示球盘接触方式加载系统模型的差别在 于：前者去掉了球托，修改了压板的结构，使压板与滚子支架相连，而椭圆滚子 被螺柱夹紧后固定在滚子支架上。滚子支架通过其下端的轴颈与压板上的孔定位 ( 图中未显示) 并可自由转动。而滚子支架与压板的连接是通过螺拴实现的，且压板 上制作了一组螺纹孔。这样，滚子支架可选择适当的位置与压板相连，以便使椭 圆接触区长轴( 或短轴) 与卷吸速度方向形成不同的夹角。此实验中可以实现四个夹 角。定义0 为椭圆接触区短轴与卷吸速度方向的夹角，则有0 = 0 0 、3 0 。、6 矿、9 0 。 f i g 2 - 4l o a d i n gs c h e m eo ft h es t e e lb a l la g a i n s tt h et h eg l a s sd i s c 图2 4 球盘接触加载系统模型 1 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 图2 - 5 钢球玻璃盘之点接触 f i g 2 - 6l o a d i n gs c h e m eo ft h es p h e r i c a lr o l l e ra g a i n s tt h et h eg l a s sd i s c 图2 - 6 椭圆滚子盘接触加载系统模型 1 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 4 调速系统 为了获得较大的速度调节范围和低的接触副运行速度，使用蜗轮蜗杆减速器 组将伺服电机的输出转速大幅度减小后再分别输出到玻璃盘回转系统和钢球回转 系统，其布置如图2 7 。各减速器的减速比不都相同。减速器的数量可根据需要进 行调整，这样便可以获得几种减速比组合并与伺服电机配合产生不同的调速范围。 选用蜗轮蜗杆减速器可以使调速系统的布置更紧凑。选用的伺服电机具有较大的 速度输出范围( 0 5 0 0 0 r p m ) 、较高的低速稳定性( 使用了高分辨率编码器) 和自动消除 振动的能力。此处仍使用同步带传动方式，以防止相对滑动并提高传动精度。 f i g 2 - 7u n i to fs p e e da d j u s t m e n t 图2 - 7 调速系统 钢球与玻璃盘在接触点的线速度计算如下： 1 8 兀石r 3 0 j ( 2 - 1 ) 其中 v ：钢球或玻璃盘的线速度( n v s ) n ：伺服电机转速( r p m ) r ：钢球或玻璃盘在接触点处的回转半径( m ) i ：调速系统对钢球回转系统或玻璃盘回转系统的减速比 实验中，伺服电机转速可由伺服驱动器显示屏读出；钢球的回转半径为已知 ( 1 2 7 r a m ) ；玻璃盘回转半径可以根据显微镜光斑照射在刻度板上的位置直接读出， 如图2 - 8 所示，或先在实验机上选一参考点，根据参考点对应的回转半径及玻璃盘 相对于参考点的位置求出玻璃盘回转半径。调速系统可实现的最大减速比分别为： 玻璃盘i a = 1 0 3 3 1 6 ，钢球i b = 4 1 1 4 。伺服电机输出转速为0 - 5 0 0 0 r p m 。假设玻璃盘 回转半径为5 0 m m ，则系统在最大减速比下能够获得的线速度分别为：玻璃盘 v d - 0 5 - 2 5 3 4 t m s ，钢球- 0 3 2 - 1 6 1 6 # m s 。 f i g 2 - 8d e t e r m i n a t i o no ft h er o t a t i o nr a d i u so ft h eg l a s sd i s c 图2 - 8 玻璃盘回转半径测量 1 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 5 光源系统 为了清楚的观测到明暗相间的干涉图样，需要使用合适的光源照射弹流接触 区，以产生明显的干涉条纹。实验中采用单色光作为光源。实验时，1 2 v 、1 0 0 w 的冷光源产生的白光直接照射到一个窄带滤波片( 中心波长：6 0 0 n m ，半幅全宽： 1 0 n m ) 上，经滤波后的准单色光射入显微镜中经分光镜后射向弹流接触区，从而产 生明暗相问的干涉图样。 2 6 图像采集系统 图像采集系统主要由显微镜( i n f i n i t y ，i n f i n i t yp h o t o o p t i c a lc o m p a n y ， u s a ) 、c c d ( 电荷耦合器件图像传感器，s o n yx c s t 5 0 ) 、图像卡( p c i l 4 0 8 ) 及相关 图像处理软件组成，主要作用是俘获弹流接触区的干涉图样并传输到计算机中。 显微镜系统景深为1 4l l m ，视域为1 2 8 0i x m x 9 6 0i x m 、空间光学分辨率为2o m p i x e l 。 弹流接触区的干涉图样被显微镜放大后由c c d 俘获，再传送至图像卡。图像卡能 够将获得的模拟信号转换成数字信号，其可被图像处理软件接收，即获得了数字 化的干涉图样。其图像采集流程如图2 - 9 所示。 由图像膏转换为数字信息 f lc c 。俘获干涉图样 f 显微镜放大干涉图样 f i g 2 - 9i m a g ec a p t u r ep r o c e d u r e 图2 - 9 图像采集流程 2 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 7 图像处理软件 由图像采集系统获得的干涉图样传到计算机后即可被图像处理软件接收。该 图像处理软件为实验室自行开发的基于l a b v l e w 环境的专用图像处理软件： u t l f c 和m b i 。 u t l f c 软件的工作界面如图2 1 0 所示，其主要功能在于实现对弹流接触区干 涉图样的动态监控，截取所需图片并存储为磁盘文件备用。 f i g 2 - 1 0u s e rg r a p h i ci n t e r f a c eo fu t l f c 图2 1 0u t l f c 软件的工作界面 m b i 软件的工作界面如图2 1 1 所示，其主要用来处理u t l f c 软件截取后存 储于磁盘的干涉图样图片文件，获取干涉图样上各点的数据并保存为数据文件。 由于不同实验机的配置及实验材料的差异，m b i 软件的光学参数必须进行整 体配置。配置方法为：点击m b i 软件主界面上的o p t p a r 按钮( 参见图2 一1 1 ) ，在 青岛理工大学工学硕士学位论文 f i g 2 - 1 1u s e rg r a p h i ci n t e r f a c eo fm b i 图2 1 1m b i 软件的工作界面 f i g 2 - 1 2c o n f i g u r a t i o no f o p t i c a lp a r a m e t e r s 酗2 1 2 光学参数配置 青岛理工大学工学硕士学位论文 弹出的o p t i c a lp a r a m e t e r s 窗口中修改有关光学参数，如图2 1 2 所示。直到得到的 静态点接触膜厚曲线与根据h e n z 接触理论计算出的弹性变形相一致。图2 一1 3 为 本次实验光学参数配置后的球一盘接触静态膜厚曲线图，作为比较，图中还给出了 根据h e r t z 接触理论得出的变形曲线。由图可见，当前光学参数配置得到的实测曲 线与根据h e n z 接触理论得出的变形曲线具有较好的一致性。 f i g 2 - 1 3s t a t i cc o n t a c tg a po fas t e e lb a l ia g a i n s tag l a s sd i s c ，p b 2 4 0 0 , l o a d = 4 n 图2 - 1 3 球盘接触的静态膜厚曲线，p b 2 4 0 0 ，载荷4 n 2 8 实验材料 实验用润滑油为聚( 异) 丁烯p b 2 4 0 0 、p b l 3 0 0 、p b 4 5 0 及h 1 5 0 0 ，其特性参见 表2 - 1 。 玻璃盘由冕牌k 9 玻璃制成，其与球接触一侧先镀有分光铬膜，公称厚度为 2 0 n m ，再镀有s i 0 2 层，公称厚度为1 0 0 n m ，其表面粗糙度r a = 4 n m 。钢球直径为 2 5 4 r a m ，表面租糙度r a = l l n m 。椭圆滚子拆自于椭圆滚子轴承并进行了手工抛光， 其示意图参见图2 1 4 ，其中曲率半径r x = 9 6 9 3 7 m m 、r y = 6 1 2 1 4 4 m m ，表面粗糙 _暑跪oh殳u_1口it 青岛理工大学工学硕士学位论文 度r a = 1 2 2 n m ，其检测报告参见图2 1 5 。 表2 - 1 实验所用润滑油的特性 t a b l e 2 - 1p r o p e r