（机械设计及理论专业论文）界面滑移条件下弹性流体动力润滑摩擦系数的研究.pdf

r。一 c f a s s i f i e dl n d e x ：t h l17 2 u d c ： 删 y 18 0 3 d 4 岑 d i s s e r l a t i o nf o rt h em a s t e rd e g r e ei ne n g i n e e r i n g s t u d yo nt h ef 埘ct i o n co e f f i c i e n to f e l a s t o h y d r o d y n a i cl u b c a t i o n w i t hw a i 。ls l i p p a g e c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a i 够： s c h o o l ： d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： u n i v e r s i t v ： j l ac h a o p r o g u of e n g m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m e c h a m c a id e s i g na n d1 1 1 e o 巧 m e c h a 血c a le n g i n e e r i n g j u n e2 0 l o q i n g d a ot e c h n 0 1 0 9 i c a lu n i v e r s 埘 硕士学位论文 界面滑移条件下弹性流体动压润滑 摩擦系数的研究 学位论文答辩日期 指导教师签字 答辩委员会成员签字： 沙lo 6 、ly 青岛理工大学工学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 物理量名称及符号表i 第1 章绪论1 1 1引言l 1 2 摩擦力与摩擦系数研究发展史2 1 3s t r i b e c k 曲线3 1 4 摩擦力摩擦系数的国内外研究现状及水平7 1 5 本文的主要研究内容及意义8 1 5 1本文的研究内容8 1 5 2 本文的研究意义1 0 第2 章光学弹流摩擦力测量系统1 1 2 1总述1 1 2 2 摩擦力测量系统1 2 2 2 1 采集程序1 2 2 2 2 传感器的选择1 5 2 2 3 数据采集卡的选择1 6 2 2 4 传感器采集卡计算机的连接1 9 2 3 运动控制系统2 0 2 3 1 伺服电机与伺服驱动器2 0 2 3 2 运动控制卡的选择2 2 2 4 油膜图像采集系统2 4 2 4 1 图像采集卡和c c d 的选择2 4 2 4 2 显微镜的选择2 4 2 4 3 光源的选择2 5 2 4 4 油膜干涉图像的处理2 6 2 5 实验台主要机械部件2 7 2 5 1 玻璃盘回转系统2 7 2 5 。2 钢球回转系统2 9 2 5 3加载系统2 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 6 实验条件3 1 2 7 本章小结3 1 第3 章轴承转动副对摩擦力测量的影响3 2 3 1总述3 2 3 2 爬行现象研究3 3 3 2 1试验方法3 3 3 2 2 试验仪器及设备3 4 3 2 3 试验结果及讨论3 4 3 3 轴承转动副的影响研究3 7 3 3 1 试验仪器及设备3 7 3 3 2 试验模型l 3 7 3 3 3 模型1 实验结果及讨论3 8 3 3 4 试验模型2 3 9 3 3 5 模型2 试验结果及讨论4 0 3 4 结论4 3 3 5 本章小结4 3 第4 章封闭润滑油纯滑摩擦特性的实验研究4 4 4 1 总述4 4 4 2 实验条件及实验方法4 4 4 3 实验结果与讨论4 4 4 4 结论4 8 4 5 本章小结4 8 第5 章界面滑移条件下点接触蜘b e c k 曲线的研究4 9 5 1 总述4 9 5 2 实验装置及实验条件5 0 5 3 实验结果与讨论5 1 5 3 1卷吸速度对摩擦系数的影响5 1 5 3 2 载荷对摩擦系数的影响5 5 5 4 结论5 6 5 5 本章小结5 6 第6 章界面滑移条件下摩擦系数的数值分析5 7 6 1总述5 7 6 2 基于c i r c u l a r 模型的弹流数值计算5 8 6 2 1 数学模型- 5 9 i i 青岛理工大学工学硕士学位论文 6 2 2 c i r c u l a r 模型的引入6 1 6 3 数值分析结果与分析6 3 6 3 1润滑油特性和初始输入参数6 3 6 3 2 数值计算结果6 3 6 4 结论6 8 6 5 本章小结6 9 结论7 0 参考文献7 2 攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作7 7 致谢7 8 青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 本课题主要对界面滑移条件下弹流接触副的摩擦力特性进行了研究。 为了实现界面滑移条件下弹流接触副摩擦系数的精确测量，对实验室已有的 设备进行升级，开发了专用的摩擦力测力系统。通过机器视觉系统实时跟踪观察 发生界面滑移时的油膜形状变化，同时采集摩擦力。 针对实验系统玻璃盘支撑轴承转动副对摩擦力测试的影响进行了系统的研 究，结果表明轴承转动副的阻力对摩擦力测试有不可忽视的影响，通过实验得到 了摩擦力测量的修正公式。 实验研究了封闭润滑油对弹流润滑点接触副启动过程中的纯滑摩擦系数的影 响。实验中，点接触通过钢球玻璃盘接触实现。分析比较了有封油、无封油及不 同封油量等各种条件下，点接触副启动过程中的摩擦系数。 实验研究了入口凹陷的产生与消失过程中，点接触润滑副摩擦系数的变化规 律。通过实验揭示了卷吸速度、载荷以及不同润滑油对摩擦系数变化趋势的影响。 此外，将实验所得摩擦系数曲线与经典s t r i b e c k 曲线进行了对比，并且对比较结果 给出了初步的理论分析。 利用c i r c u l a r 极限剪应力模型，对摩擦系数进行了数值模拟计算。就速度、载 荷等对摩擦系数变化趋势的影响进行了分析。 关键词界面滑移；s t r i b e c k 曲线；入口凹陷：弹性流体动力润滑 a b s t r a c t t h i s p r o j e c tf 0 s e so dl h e 缸c t i o nc h a r a c t 舐s t i c so fa n e l a s t o h y d r o d y n m a i c l u b 五c 枥蚀肋妇c t 砒e n 删s 蛳a g eo c c 粥。 f o r 纵眦a t em e a s u r 锄黜o f 缸c t i o nc o e 伍c i e n t s 谢也w a us l i p p a g e ，a n o p t i 嘲 t e s t 五gw a sr e 、，i s e d a 缸c t i o nm e a u s l l r e m e n ts 蹲e mh a sb e e nd e h b 锄e l vd e v e l o d e d a r e m 咖a eo b s e r v 撕o no f 也ec h a n g eo f 丘h ns h a p ew i 也w a l ls h p p a g ew a s c a 砸e do m 丘o mam 幽e 、，i s i o ns y s t 锄a n d 血e 缸c t i o nw 2 l sc 0 1 1 e c t e da t 也es 锄e 血e d e t 猫e d 咖d i e sh a sb e e nc a 西e do u tt oi n v e s t a 磐e 也ei 衄u e n c e so f 也e r e s i s t a n c e w h i c hi sf o 髓也e g u p i ) 0 r tb e a r 洫gs y s t e mo f 也e 舀a sd i s c ，o nt 1 1 e 伍c t i o nf o r c e m e 娜m e n e t t h er e s u l t ss b o w e d h a tm e r e s i s t a c eo fm es u p p o r tb e a 血gc a 血o tb e m 孕o r e dw h e nm e a 汕血g 也e 缶c t i o nf o r c e f r o m 也et e s td 峨a r e 罗e s s i o nf o m 【u l ah a s b e e n0 b t a i n e dt oc 撕b - a t et 1 1 em e a 翻】r e d 缸砸o nf 。r c e e x p e 曲e n t sh a v eb e e nc a r r i e d。u tt 0 s t u d y 也es t a 工t u p箭c t i o no fa n e l a l s t o h y d r o d y n a 血c1 u b r i c 撕0 nc o m a c tw i 也a ne n 仃a p p e d1 u b 五c a n tu n d e rs p u r es l i d i n g c o n s l t l o n s i ne x p 咖e n t s 也ep 。i 1 1 tc o n 觚w a sf o r 1 e d b yb a l l d i s cc o n t a c t n e 缸舐o nc o e 伍c i e n t sw e r em e a s u r e dw i 也e n 仃a p p e d1 u b c a n c s a n d 、) l ，i t h o u te 1 1 廿a d d e d l u b 打c a n t s f u 渤e r i n o r e ，也ei n f l u e n c eo fe n t r a p p e dl u b d c a n tq u a l l t i t i e so nt h ef i r c i t o n h a sa l s ob e e ns h o w e d v 撕a t i o n so f 伍e 缸c t i o nc o e 丘c i e n t sh a v eb e e no b t a i l l e de x p e 衄l e n t a l l 、，i n 也e o c r r e n c ea n dd i s 印p e a r a n c eo fa n 瑚e t ( p l ei na ne l a s t o h y d 印d y n a m i c1 u t 埔c 撕o n c o n t a c t n ei n 丑u e n c e so fe n 妇e n t s p e e d s ，1 0 a d sa n do i l d so nt h e 缸c t i o nh a v ea l s o b e e nd i s c 0 v e r e d f u m l e 黝o r e ，c o m p 撕s o nw a l sm a d eb 咖e e l l 也e 白c t i o nc o e 伍c i e n t c u r v e 拍me x p 咖e n t sa n dt h ec 1 2 l s s i c a ls 哟e c k c l l e ，a n dap r e l i n l i n a r y 也e o r e t i c 越 a n a l 、，s i sw a s 垂v e nt oa c c 。u n tf o r 也ed i 鼢e n c eb e 觚e e nt h e m af 曲n u m 酾c 乱s 0 1 u 石o nw a s 缸i s h e dt o 也e o r e 石c a l l yc o n 缸m 也ee x p e 池e n t a l 箭“o nc o e 伍c i e n t s ac i r a r1 血i 如呈s h e 敲s 仃e s sm o d e lw a sc h o s e na st h e r h e 0 1 0 自c 出 m o d e l 试t h ep r e s e n tn u m 萌c ms 血u l a t i o n 、砀a t i o n 。f 也e 缸西o n c o e 伍c i e n t sw i 也 1 0 a d s 印矗池e n ts p d sw e r ec o m p a r e dw i 也e x p e 曲丑e n t a lr 。s u l t sa u a l i t a 小，e 1 、j _ _ 。1 。1 。1 。_ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ 。_ 。1 。1 。1 。 一 鸶岛建工大学工学硕士学位论文 yw 6 r d s ： w a us l i p p 每g e ；涮b e c kc i l 】e ；i i l p u t d i i n p l e ；e l a s t o h y d r o d y n 锄i c l u b r i 咖o n 物理量名称及符号表 口，6 一h e n z 接触半径短、长轴，m 配打一电桥输入电压，v 埘一电桥输出电压，v r 1 2 3 4一r 2 3 4 的增量，q f - 一 静摩擦阻力，n f 动一 动摩擦阻力，n ，动一 摩擦力，n 一弹簧弹性系数，n m f 1 一传感器1 示值，n 砣一传感器2 示值，n s 一玻璃盘参考点、封油核心移动距离，m w 一载荷，n f 一综合弹性模量为，p a 五一油膜厚度，m 万一无量纲膜厚，万= j l l r x 口2 一椭圆比，= 6 口 p 一 油膜压力，p a p 一无量纲压力，尸= p 仞h 瑚一 最大h e r t z 压力，p a 尺a 一 表面粗糙度，m r x ，r y x 与y 方向的曲率半径，m s 滑滚比，s = ( “1 一“2 ) “。 青岛理工大学工学硕士学位论文 “1 ，“2 一固体1 、2 沿x 方向的速度，m s “一 阢，醍一 【，一 w 形一 尺一 x y z x 一 】，一 z 一 口一 y 一 叩一 7 7 7 7 0 一 叩e f r 一 一 p p 一 户。一 四，砚，一 f 一 卷吸速度，“= ( + “2 ) 2 ，州s 固体l 、2 沿工方向的无量纲速度，u ：= “1 2 ，7 。伍r 。) 无量纲卷吸速度，u = “刁。仁傻。) 载荷，n 无量纲压力，形= w 伍霹) 钢球半径，m 坐标，m 无量纲坐标，x = 砒 无量纲坐标，】，= 肋 无量纲坐标，z = 砒 粘压系数，m 2 n 剪应变率，1 s 润滑油粘度，p as 无量纲低剪切率粘度，万= 刀 润滑油的环境粘度，p as 等效粘度，7 酊= 衫户 压剪应力系数 润滑油密度，k g m 3 润滑油无量纲密度，万= 户风 润滑油环境密度，k g m 3 主应力，p a 剪应力，p a 一塾墼兰呈童兰兰垒圭兰些篁乙一 f 一无量纲剪应力，亍= 衫p f l 一 极限剪应力，p a f 一无量纲摩擦力，f = 州p 厂一摩擦系数 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。 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 1 9 6 6 年2 月英国教育科学部关于摩擦学教育和研究的报告，即著名的j o s t 报 告，首次提出了摩擦学( h b 0 1 0 9 ) ，) 一词，并对其进行了定义【1 ：“摩擦学是关于作相 对运动的相互作用表面及其有关理论和实践的一门科学技术。 摩擦学包括摩擦、润滑和磨损等课题。 然而人类对于摩擦现象的关注也许早在史前就开始了，钻木取火，利用圆木 来运输等等人类的早期活动，无一不体现着人类的聪明才智。可以说在地球上， 摩擦是我们所能见到的最普遍的现象之一。但是，让人遗憾的是，人类从科学的 角度对摩擦现象进行研究却仅仅只有近百年，而摩擦学作为一门独立学科出现也 只有五六十年的时间。为什么? 相关研究人员给出了三个主要原因1 2 】： ( 1 ) 这是一门边缘学科，它涉及机械工程、物理学、冶金学和化学等学科； ( 2 ) 只是随着近来生产方法在技术上的改进，才把注意力集中到这门边缘学科 的重要性及其各组成部分的相互依赖性上； ( 3 1 “润滑”一词在狭义上使用时，不仅防碍了许多人充分认识这门学科的经 济意义，而且用它来说明“力从一个运动表面传到另一个表面”这样的方位时是 用词不当的( 不管传递这种力的目的是增加摩擦，例如在制动器、离合器、输送机 上：还是减少摩擦，例如轴承、滑轨等) 。 当然了，随着工业水平的整体提高，不同学科研究人员之间越来越需要互相 合作才能顺利完成同一工作，摩擦学作为一交叉学科，其研究的意义也就日益彰 显出来。作者所查到的诸多文献都提到了摩擦学对国民经济天文数字的贡献和它 潜在的贡献。相关研究人员依据长期的研究成果，给出以下数据，全世界工业部 门产生的能量，大约有3 0 最后消耗在摩擦过程中，而在英国、日本或德国等高 度工业化国家里，每年约有2 0 亿美元由于磨损而损失掉，日本统计设备故障7 0 0 例中，因润滑不良造成故障有2 5 3 例，占3 6 以上【3 1 。正因为如此，也吸引了越来 越多的研究人员加入到摩擦学的研究队伍里来，为人类合理有效的利用好摩擦坚 青岛理工大学工学硕士学位论文 持并努力着。 1 2 摩擦力与摩擦系数研究发展史 所有运动过程的共同特点是存在“运动阻力”作用，由于这个阻力的作用， 使一部分能量被无形的消耗掉了。据说车轮是人类历史上最伟大的发明之一，事 实上，正是利用这一发明，大大减少了克服摩擦所作的功。然而，古人们除了用 滚动取代滑动来减小阻力外，润滑剂的使用也体现了灵长类生物的聪明才智，让 地球上其他生物望其颈背。中国在春秋时期已经普遍应用动物脂肪来润滑车轴， 用矿物油作润滑剂的记载最早见于中国西晋张华所著博物志。根据考古学研究 人员报道，5 0 0 0 年前的古亚述人和古埃及人也已经知道利用润滑剂润滑滑橇，帮 助运输大型雕像或建筑石块。 但是对于动力学和摩擦现象的科学研究，则要比上述的这些早期应用晚的多。 据了解，一直到3 0 0 多年前，才由伽利略开始着手这方面的研究。伽利略结合试 验发现了著名的“惯性定律”如果运动着的物体未被扰动，即未受摩擦力的 干扰，则它将继续沿一直线做等速运动。伽利略的研究引起了许多学者的关注， 其中最有代表性的就是牛顿的工作。牛顿在伽利略的研究基础上进一步深入探索， 提出了著名的经典力学基本定律，从而在动力学的科学发展上完成了第二步工作。 后来的阿蒙顿( g a m o n t o n s 一1 6 9 9 年) 与库伦( c o u l o m b 1 7 8 5 年) 根据大量的实验先后 制定了有关固体摩擦的一些法则，提出a m o n t o n s _ c o u l o m b 理论，即古典的摩擦 理论，也称库伦定律【4 】。他们的工作对伽利略和牛顿在理想运动力学方面的定律作 了重要的补充。 阿蒙顿和库伦的实验结果都表明，摩擦力与法向载荷成正比。他们把摩擦力 与法向载荷之比定义为“摩擦系数”，即厂= 耳r ，式中，斥为摩擦力，n 未 法向载荷。另外，通过实验结果他们还发现，摩擦系数的大小与几何接触面积无 关。但值得注意的是，他们对于这些结论的解释是基于假设相接触的两表面凹凸 不平，而摩擦则起因于接触表面上微凹体的互嵌作用。因此，他们的理论也被称 为“摩擦的凹陷假说 。 库伦为进行摩擦力、摩擦系数测试实验，专门设计了被称为“磨擦仪”的试 验设备。如图所示为库仑研制的“摩擦仪”： 2 f 图1 1 库伦测量摩擦力用的摩摞仪 除了“摩擦的凹陷假说”外，库伦还研究了d e s a g u l i e r 于1 7 2 4 年提出的关于 摩擦时可能存在粘附过程的假设。d e s a g u l i e r 在进行实验研究时发现两个铅球在相 互压紧时会发生牢固的粘附，因此他推断摩擦时也会产生类似的力。但是，值得 遗憾的是，库伦并没有在这方面做更多的工作，在解释摩擦过程时也否定了这种 粘附假说。 其实早在阿蒙顿和库伦之前，十五世纪中叶的利奥纳德达芬奇就已经发 现摩擦力与载荷成正比。他在总结自己的实验结果后得出，摩擦力的大小为载荷 的四分之，而且与材料无关( 即厂= 0 2 5 为一常数) 。这些发现似乎解答了机械工 程的某些基本问题，但从物理观点看，摩擦的起因仍不能用古典的刚体力学加以 解释。因此，阿蒙顿和库伦的发现只能是近似的经验法则。 二十世纪二十年代，著名学者h 盯d y 和t 0 m l i n s o n 在摩擦时可能存在粘附过程 这一假设的基础上深入研究，提出摩擦的“粘附理论”作为固体摩擦起因的另一 种解释【5 1 。在这个理论中h a r d y 和t o m l i i l s o n 认为摩擦起因于接触表面之间的粘附 作用。这个理论看似比较清楚，但是在这个理论中，摩擦力的大小与接触面积成 正比，这与实验中得到的摩擦力与接触面积无关的结果相违背。 根据实验研究和理论分析，古典摩擦理论已经不能满足于现代科技发展的需 要。许多研究人员十几年如一日致力于摩擦现象及其机理的研究，现在这方面的 工作已日臻成熟，遗憾的是至今仍未形成统一的理论。 1 3s t r i b e c k 曲线 摩擦学领域中，流体润滑研究起步比较晚，却是相对发展最快的领域。润滑 3 一 的目的就是用一层流体膜把两个相对运动的表面隔开，避免了运动表面的直接接 触，因此大大减小了运动表面间的摩擦系数，减少了磨损量。润滑在近1 0 0 多年 来取得了突飞猛进的发展，形成了比较完善的理论和技术体系，是目前用于减少 磨损，提高能量利用率的最重要的手段。 早期关于润滑的研究大多数是基于径向轴承的。1 8 8 3 年，彼得洛夫提出公式： 耳2 毒愠酬 用于表示两个同轴圆柱体之间的摩擦力。式中砰为摩擦力，印为润滑剂粘度，v 为轴的表面速度，五平均为平均有效油膜厚度。这是完全流体润滑导出的第一个表达 式吼 1 8 8 6 年，r e y n 0 1 d s 在t o w e r 的机车车轮轴承实验的基础上，提出了r e 0 1 d s 方程，建立了流体动压润滑的理论基础翻。二十世纪四十年代末五十年代初，人们 将机械学领域的又重要理论h e 泡接触理论与r e y i l o l d s 方程相结合，综合考 虑了压力对润滑介质的粘度、密度及接触表面弹性变形的影响，形成了润滑理论 的新分支弹性流体动力润滑( e l a s t o h y d r o d y n 锄i cl ，u b u r i c a c i o n ，简写为e h l ) f 7 】， 简称弹流润滑，该理论成功解释了刚体润滑理论不能说明的高副接触表面的润滑 现象。 弹流润滑作为流体润滑状态的一种特殊形式，在近五十年来得到了迅速发展， 弹流研究人员d o w s o n 根据线接触弹流润滑的计算结果，将流体动力润滑和弹流润 滑中油膜厚度五和摩擦系数厂组成一组曲线，如下图所示。 搏泷润 旨 卜流体动力：羔一一 八 边界耩滑 程台x 形 黼il 夕 l 1 杉 7 、 ： 弹流润滑 流体动力涸芹 l，一 图l - 2 动力、弹流流体润滑膜厚状态图 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 o 1 o 0 1 混弹 边界润滑合 流 动压润滑 润 润 、 滑 滑 。 特j 眭参数彩 图1 3 经典s 砸b e c k 曲线 a ) ( e ) h l b ) m l c ) b l 图1 - 4 三种润滑状态：( a ) 流体润滑( h l 或e h l ) ，( b ) 混合润滑( m l ) ：( c ) 边界润滑 5 j籁峨鞲避 青岛理工大学工学硕士学位论文 正如我们上面所提到的，在润滑理论研究方面，1 8 8 6 年，r e y n o l d s 提出了 r e y n o l d s 方程，建立了流体动压润滑的理论基础。在润滑实验研究方面，s t r i b e c k 于1 9 0 0 1 9 0 2 年间对滚动轴承和滑动轴承进行了全面的实验，建立了著名的关于 润滑剂粘度叩、滑动速度v 、单位面积负荷p 与摩擦系数的关系曲线，即著名的 s t r i b e c k 曲线引，其精确的实验结果为以后的研究者们奠定了基础。为了避免由于 温升而引起的粘度变化对实验结果的影响，s t r i b e c k 将实验温度恒定在2 5 ，如图 1 3 所示为经典s t r i b e c k 曲线。 s t 曲e c k 曲线上，大致可分为三种主要润滑状态：流体润滑( ( e ) h l ) 、混合润滑 ( m l ) 以及边界润滑( b l ) ，其中流体润滑包括弹性流体动压润滑( e h l ) 和动压润滑 ( h l ) 【9 】。 如图1 ( 4 ) a 所示在流体润滑阶段，油膜厚度足以淹没运动表面微凸体，油膜 承载力也足以将两表面彻底分开，形成动压润滑；当承载区压力足够大，致使接 触区域发生弹性变形时，则被称为弹性流体动压润滑，简称弹流润滑。 流体润滑的主要特点为： ( 1 ) 运动阻力来自流体的“内摩擦”； ( 2 ) 当两表面有相对运动时，若形成油膜的承载能力足以完全隔开两表面，则 可消除磨损。 如图1 4 ( b ) 所示为混合润滑阶段，对于混合润滑来说，有一种既简单又精炼的 解释：假定系统承受的载荷一部分由润滑油膜的流体动力作用承担，而另一部分 由微凸体触点承担。因此，总摩擦力应该是一部分由粘性摩擦力产生，而另一部 分由微凸体产生。由于混合润滑是边界润滑和流体润滑的过渡阶段，因此具有边 界润滑与流体润滑的双重特点。 如图1 4 ( c ) 所示为边界润滑阶段，边界润滑系统涉及到的相互作用种类繁多， 因此这种系统的摩擦学特性也很是复杂。边界润滑多产生在低速、重载运行情况 下，它基本决定了整个运转系统的寿命。 边界润滑的主要特点为： ( 1 ) 两固体表面上的微凸体之间发生明显的接触； ( 2 ) 两固体表面间几乎没有流体动压效应和流变效应； ( 3 ) 摩擦学特性决定于薄层边界润滑剂与固体表面之间的相互作用。 6 1 0 0 多年过去了，时至今日，在实际工程应用中，s t r i b e c k 曲线依然是预测摩 擦系数、区分或判断润滑状态简便而有效的方法。 1 4 摩擦力与摩擦系数的国内外研究现状与水平 应该说是摩擦力保证了人们的正常生活，首先没有摩擦力，我们就不能行走。 摩擦力的应用充斥着社会周围的方方面面，工程应用中有时候需要较大的摩擦力， 如汽车刹车、汽车制动以及离合器的应用等等。但是有时候较大的摩擦力与摩擦 系数又会让工程人员十分的头疼，如零部件的过多磨损，机器设备的寿命由于磨 损而急剧下降，工程中常用的传动零部件轴承、齿轮以及蜗轮蜗杆机构等等都需 要较小的摩擦力与摩擦系数，又如军工方面，对鱼雷等水下武器而言，减小表面 阻力可以提高其速度，使鱼雷具有更大的动能，提高其威力，也减小敌方实施防 御的时间，提高命中率等等，当然这里面又涉及到固液相面之间的摩擦等等一些 复杂问题。总之，作为一把双刃剑，如何合理利用好摩擦力与摩擦系数，长期以 来国内外无数学者十几年如一日做出了巨大的努力。 下面为作者查阅到的部分相关文献： 1 9 0 2 年s t r i b e c k 给出经典s t r i b e c k 曲线，由于其在工业应用中的巨大作用，引 起了无数学者对摩擦力与摩擦系数的关注【9 】。2 0 世纪3 0 年代，混合润滑这个概念 首次正式出现在科学杂志上【l o 】。1 9 6 6 年g r e e d w o o d 和、聊l l i 锄s o n 在“c o n t a c to f n o m i n a l l vf l a ts w f - a c e s ”一文中，对粗糙表面接触作了系统的分析，这一年弹流润 滑研究也引起了很多科研人员的关注【1 1 】。近些年，g e l i n c k 、s c h i p p e r 和f a r a o n 等研究人员对线接触工况下的s t r i b e c k 曲线作了一些研究，指出：载荷一定，速度 增加，粗糙率大于6 时，摩擦系数几乎没有变化；粗糙率在o 7 到6 之间时，摩擦 系数下降的很明显；粗糙率低于0 7 时，摩擦系数变化不大【1 2 1 3 】。此外，l ux i a o b i n 和k h o n s 撕等也作了关于s t r i b e c k 曲线的研究，建立了一个混合弹流的模型f 】o 】， 此模型包含了表面粗糙度、受压粘度以及温度粘度对摩擦系数的影响。2 0 0 2 年， l i uq i a i l g ( s c h i p p e r 的学生) 的博士论文【1 4 】中关于混合润滑和弹流润滑条件下的摩 擦研究。2 0 0 5 年，fa r l o n 的博士论文【9 1 中对粗糙表面的s t r i b e c k 曲线也作了大量 的研究。2 0 0 9 年，k a l i n 、v e l k a 1 1 等关于非全膜条件下的s t r i b e c k 曲线研究与润 滑设计【1 5 】。 2 0 0 4 年，王慰祖和黄平研究了不同表面粗糙度的摩擦副润滑状态的s t r i b e c k 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 曲线，指出在s t r i b e c k 曲线上可以划分出薄膜润滑状态，位于摩擦系数谷底附近， 当粗糙度较小时，更易形成薄膜润滑状态【1 6 1 。2 0 0 6 年，王顺、胡元中等作了关于 点接触粗糙表面滑动摩擦因数的实验研究，得到了包括流体润滑、混合润滑、和 边界润滑完整的s t r i b e c k 曲线，试验结果指出：表面越粗糙，从混合润滑向流体润 滑转换的临界速度越大；表面越光滑，涮b e c k 曲线的谷底 越明显【1 7 1 。2 0 0 7 年，付忠学等研究了盘滑条件下的弹流摩擦实验，指出了在弹流润滑阶段，随速 度变化，摩擦系数的变化趋势不同于经典s t r i b e c k 曲线【1 引。2 0 0 8 年，刘煜和邴雷 刚等作了大滑滚比工况下的弹流摩擦实验，结果指出：大滑滚比工况下，摩擦因 数随滑滚比的变化幅度不大；摩擦因数随载荷增大而减小，且减小幅度随载荷增 大而减小；摩擦因数随转速增大而减小，且减小幅度随转速增大而减小1 9 1 。2 0 0 8 年，任靖日、赵德金等人关于混合及流体动力润滑下规则微小凹痕图型表面的摩 擦特性研究，研究结果表明：试样表面具有规则微小凹痕图型时，其减磨效果比 无微小凹痕图型表面更佳，而且在不同载荷作用下，规则微小凹痕存在着最佳的 密度分布【2 0 】。 1 5 本文的主要研究内容及意义 1 5 1 本文的研究内容 界面滑移也称边界滑移或壁面滑移，是指固体表面上的流体分子与固体表面 之间存在相对切向速度，是近年来在流体润滑研究领域中的一个热点。数百年来， 在经典流体力学和润滑力学的所有教科书和技术论文中，几乎都有一个相同的重 要假设：在固体和液体的交界面上没有滑移，即固体和液体在交界面上没有相对 运动，这就是所谓的非滑移边界条件。这在物理概念上就是假设固液交界面上的 剪应力可以达到无穷大，然而近年来的研究发现这个假设是不成立的【1 7 1 。 经研究人员试验观察，发现界面滑移与界面剪切强度密切相关。同固体力学 的塑性流动一样，液体在固体表面上受力以后，如果界面剪力达到某一临界值， 液体分子就会沿表面发生滑移。由于滑移问题对经典理论的巨大冲击以及对微纳 米尺度下流体系统流体动力学行为的重要影响，滑移问题的研究也因此受到关注 和重视。 如图1 5 所示：假设两表面平行，上表面以速度矿运动，下表面静止，流体 8 青岛理工大学工学硕士学位论文 与上表面的结合强力远大于下表面，因而界面滑移仅仅发生在下表面。设当速度矿 y = 阮时下表面刚刚达到界面滑移的临界状态( 对应于界面极限剪应力或极限剪应 变) ，此时的临界剪应力吒= 叩五，其中刀为流体粘度，矗为两表面之间的距离。 上表面运动速度继续增大时，下表面就发生了界面滑移，滑移速度珞= y 一。 z 图1 5 界面滑移产生机理示意图 本文“界面滑移条件下弹流摩擦系数的研究 完成的主要工作有以下几项内 容： ( 1 ) 完成了光学弹流摩擦力测量系统的开发及特性分析。在实验室原有的实 验台上进行改进，加入摩擦力测量系统，所开发的摩擦力测量系统操作简单，方 便快捷，测量精度高，花费少。选用的传感器为北京正开仪器有限公司生产的 m c l - l 型传感器( 拉用) ，数据采集卡选用的是北京阿尔泰公司生产的p c i 2 3 1 9 多 功能数据采集卡。 ( 2 ) 对试验过程中存在的爬行现象进行了分析，同时，对轴承转动副对摩擦 力测试的影响进行了研究。 ( 3 ) 实验研究钢球一玻璃盘高副接触、球转动盘静止条件下，油膜出现入口凹 陷( 凹陷由界面滑移产生，己被证实 2 0 】) 时，接触副摩擦系数的变化规律，并完成 对应的油膜厚度测量。 ( 4 ) 实验研究钢球一玻璃盘高副接触、球静止盘转动条件下，油膜出现入口凹 陷时，接触副摩擦系数的变化规律。 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 ( 5 ) 对观察到的实验现象进行理论分析，比较理论与实验结果的一致性，以 便对实验结果进行更加合理的解释。 1 5 2 本文的研究意义 在设备研发的过程中，摩擦系数与润滑状态的预判、摩擦力的设计不可避免， 然而在工程设计中，还没有形成类似于皮带及皮带轮设计选型、润滑油的使用等 等的一个标准的参考准则。工程师们在进行摩擦设计时，往往更多的是凭自己多 年的行业经验，因此不同公司、不同行业之间难以形成默契的配合。到目前为止， 经典s 仃i b e c k 曲线依然是预测摩擦系数、区分或判断润滑状态简便而有效的方法。 但是，在某些工况下，经典s t r i b e c k 曲线又是不合适的。本课题作为一项基础研究， 旨在对经典s t r i b e c k 曲线做一点小小小的补充，和广大研究人员一块，对摩擦现象 进行无尽的探索，同时也希望本课题中的理论与实验结果能够给工程中的摩擦力 与摩擦系数的应用，提供一点参考。 l o 青岛理工大学工学硕士学位论文 第2 章光学弹流摩擦力测量系统 2 1 总述 本文实验中所搭建的光学弹流摩擦力测量系统总体框图： 传 感 器 数 据 采 集 卡 显c 光 微c 源 镜d 图2 1 光学弹流摩擦力测量系统总体框图 随着工业的飞速发展，摩擦力、摩擦系数对工业应用的重要性日益彰显出来。 因此，对摩擦力、摩擦系数展开研究的学者也日益增多，各式各样的摩擦力测试 系统也因此被不断开发出来。但是能够同时观察到油膜，通过油膜形状直观的判 断出润滑状态，专注于s t r i b e c k 曲线上某一阶段的摩擦力测试系统并不多。在作者 自行搭建的光学弹流摩擦力测量系统上，就可以通过机器视觉系统实时跟踪观察 油膜形状的变化，通过油膜形状的变化就可以直观的判断出润滑状态，进而专注 于某一特定润滑状态下的摩擦力、摩擦系数测量研究，并且可以拍摄油膜图片， 通过试验室自主研发的油膜测量方法( 多光束干涉法) 进行不同载荷、速度下的油膜 玻璃盘回转系统 钢球酗转系统 加载系统 图像处理软件 图像采集卡 一匿动控制卡伺服驱动器 伺服电机 采集程序 厚度测量。 图2 2 光学弹流摩擦力测量系统实物图 2 2 摩擦力采集系统 摩擦力采集系统主要由3 部分组成：传感器、数据采集卡和采集程序。 2 2 1 采集程序 以n i 公司的l a b v i e w 软件为开发环境，编写了摩擦力采集软件。l a b v i e w 语言又称g ( 研a p h i c s ) 语言，图形化编程决定了它入门快，开发周期短的优点。通 过n i i m a q 及库函数节点，编写了p c i 2 3 1 9 的通讯模块，在该模块基础上实现 了以下功能：采集初始的自动置零；摩擦力的连续采集；文件的保存；摩擦力的 提取。 用户界面在l a b v i e w 中被称为前面板，程序框图被称为后面板，本试验中所 用的采集程序前面板和后面板如图2 3 所示： 1 2 ( a ) 第三章中所用程序前面板 ( b ) 第三章中所用程序后面板 一f 譬 青岛理工大学工学硕士学位论文 ( c ) 第五章中所用程序前面板 堡里三垄兰呈墅坠曼垒旦圣一 2 2 2 传感器的选择： 传感器的好坏可以直接影响到最终实验结果，因此一款精度高的传感器是必 需的。经过全方位的考虑，我们选择了北京正开仪器有限公司生产的m c l l 型传 感器( 拉用) ，其主要技术指标如下： 量程：1 0 n 输 出：o 5 v 非线性：0 1 f s 滞后：0 1 f s 不重复性：0 1 f s 温漂：0 0 1 f s 零位输出：- 2 f s 激励电压：1 2 v 工作温度：2 0 8 0 过载能力：1 5 0 f s 传感器实物图如图2 4 所示： 图2 - 4 m c l l 型传感器 m c l l 型传感器属于电阻应变传感器，采用了全等臂电桥。其工作原理如图 2 5 所示： 1 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 图2 - 5 传感器原理接线图 如图2 5 所示，在电桥相邻两臂接入电阻应变片r l 、r 2 、r 3 、，两片受压， 两片受拉，给一个输入电压，则电桥输出电压为： u 叫- ( 熹篡五一篡蒜虹 陋， 当应变片相同时，歙。= 丝2 ，欲3 = 欲。，则： u 删= u 加等 ( 2 - 2 ) 等：s 。占 ( 2 3 ) r “ 、 由式2 2 、2 3 得 u 州= u 加s 。占 ( 2 - 4 ) 其中s 。为应变片的灵敏度，它只与应变片的种类、材料等因素有关，一旦种 类和材料确定后，s 。= 常数；当应变片随被测体变形而变形时，式