（机械设计及理论专业论文）齿轮传动中气液两相润滑机理分析与实验研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 i li ii i l i 摘要 齿轮传动的胶合失效是齿轮失效的一种主要形式，齿轮润滑是防止齿轮 失效的有效手段。随着齿轮传动向高速、重载方向发展，对齿轮润滑的要求 越来越高。气液两相流体润滑是一种新型润滑技术，它具有润滑效能高，适 用范围广，节能环保等优点。开展齿轮传动中气液两相流体润滑技术研究对 改善齿轮润滑效果、提高齿轮寿命、减少滑油消耗量具有重要的工程意义与 学术价值。 论文对闭式齿轮传动中气液两相流体润滑技术进行了深入研究；对气液 两相流体润滑系统的润滑机理和润滑特点进行了分析，完成气液两相流体润 滑装置的设计，给出了齿面摩擦系统模型，从理论上分析了齿面磨损与齿面 润滑的相互关系。 论文在分析了齿轮润滑试验准稳定状态相似准则的摹础上，设计了试验 方案，推导出存m 一2 0 0 0 g 型摩擦磨损试验机上模拟齿面润滑的模拟试验准 则与模拟试验条件。按模拟实验条件设计了试验工况( 转速、载荷) ，设计 加工了试件，研究了试验指标参数的测试方法。 齿面润滑的模拟试验研究，主要以试件摩擦区温升、摩擦系数、试验前 后试件表面粗糙度r a 值为评判指标，完成了气液两相流体润滑与润滑油润 滑这两种润滑方式多种方案的润滑效果对比模拟试验。在试验中，气液两相 流体润滑的滑油供油量远远低于油润滑的滑油供油量；而且在试件温升达到 稳定时，可以使试件摩擦区温升降低2 6 以上；试验过程中，摩擦震动小， 达到热平衡时间短：试验前后试件表面粗糙度r a 值小，说明试件有效接触 面积增加，抗胶合能力增强。 关键词：气液两相流体：齿面润滑；试验研究 哈尔滨工程大学硕十学何论文 a b s t r a c t a g g l u t i n a t ei n v a l i d a t i o ni st h ep r i m a r yi n v a l i d a t i o ni ng e a rt r a n s m i s s i o n g e a rl u b r i c a t i o ni sa ni m p o r t a n tm e t h o dt op r e v e n ti t a st h ed e v e l o p m e n to fg e a r t r a n s m i s s i o nt oh i g h - s p e e d ，h e a v y l o a d ，t h ed e m a n do fg e a rl u b r i c m i o ni se v e n h i g h e r b u b b l yo i ll u b r i c a t i o ni san e wl u b r i c a t i o nt e c h n o l o g y i ti sc h a r a c t e r i s t i c f o rh i g he f f i c i e n c y ，w i d e l yu s e d ，s a v i n ge n e r g y ，l e s sp o l l u t i o na n ds oo n i th a s e n g i n e e r i n gs i g n i f i c a n c ea n da c a d e m i cv a l u et or e s e a r c hb u b b l yo i ll u b r i c a t i o ni n c l o s e dg e a rt r a n s m i s s i o na st oi m p r o v el u b r i c a t i o ne f f e c t ，g e a rl i f ea n dr e d u c et h e c o n s u m p t i o no fg e a ro i l t h i sp a p e rl u c u b r a t e sb u b b l yo i ll u b r i c a t i o nt e c h n o l o g yi nc l o s e dg e a r i t a n a l y s e st h et h e o r ya n df e a t u r eo fb u b b l yo i ll u b r i c a t i o ns y s t e m ，d e s i g n sb u b b l yo i l l u b r i c a t i o ne q u i p m e n t i ta l s og i v e sam o d e lo fg e a rs u r f a c ef r i c t i o na n da n a l y s e s r e l a t i o n sb e t w e e ng e a rs u r f a c ew e a r i n ga n dl u b r i c a t i o ni nt h e o r y t h e p a p e ra n a l y s e s s i m i l a r g u i d e l i n e s o f q u a s i - - s t e a d y - - s t a t e o fg e a r l u b r i c a t i o ne x p e r i m e n t a l s t u d i e s ，g i v e st h ee x p e r i m e n tb l u ep r i n t ，d e d u c e st h e s i m u l a t es i m i l a rg u i d e l i n e sa n ds i m u l a t et e s tc o n d i t i o ni nt h em - - 2 0 0 0 gt e s t i n g m a c h i n e a c c o r d i n g t ot h eb e h a v i o u ro fs i m u l a t et e s tc o n d i t i o n ，id e s i g ns a m p l e s a n ds t u d yt e s tm e t h o do fe x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r s i ng e a rs u r f a c el u b r i c a t i o nt e s t ，t h ee v a l u a t i v ei n d i c a t o r sa r et h er i s i n go f t e m p e r a t u r ei nf r i c t i o na r e a , f r i c t i o nc o e f f i c i e n t ，r ao fs p e c i m e nb e f o r ea n da f t e r t e s t s ，c o n t r a s tt h es i n g l ef l u i d ( 1 u b r i c a n t ) a n dt h eb u b b l yo i li nl u b r i c a t i o ne f f e c t t e s t t h er e s u l t so ft e s ti n d i c a t et h a tt h es u p p l yo fb u b b l yo i li sf a rl e s st h a nt h a to f s i n g l ef l u i d ，a n dw h e nt h er i s i n go ft e m p e r a t u r ei ss t e a d y ，i tc o u l dl o w e r t e m p e r a t u r ei nf r i c t i o na r e ab ym o r et h a n2 6 s m a l lv i b r a t i o n ，l o wn o i s e ，l e s s t i m et oa r r i v et oh e a tb a l a n c ea n dl o w e rr ao fs p e c i m e nb e f o r ea n da f t e rt e s ta l l 哈尔滨t 程大学硕士学伊论文 s h o wt h a tt h em o r ec o n t a c ta r e a , t h es t r o n g e ra n t i - a g g l u t i n a t ea b i l i t yt h es p e c i m e n h a s k e yw o r d s ：b u b b l yo i l ：g e a rl u b r i c a t i o n ：e x p e r i m e n t a ls t u d y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中己 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 硅么型 日期：矽孵j 月1 2 - 日 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 i ili - -i_ i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 每i i i i i i 宣 第1 章绪论 1 1 概述 齿面各种磨损形式( 疲劳点蚀、磨粒磨损、腐蚀磨损、胶合磨损) 之中， 胶合磨损( 又称胶合) 危险性最大，且与润滑效果的关系最为直接。两摩擦 齿面的微观不平度使其间的真实接触而并非与表观名义接触面积( 赫兹弹性 变形面积) 等同，而是许多离散的微凸体接触斑点之总和。在润滑不良工作 条件下，接触斑点处形成粘性而引发胶合磨损，其机理可简述为：( 1 ) 接触微 凸体变形：( 2 ) 表面膜破损；( 3 ) 两摩擦元素表面接触斑点形成粘结；( 4 ) 粘结点断裂和局部材料的转移，形成胶合磨损表面形态。可见，宏观润滑油 膜未完全分割两表面从而出现微凸体接触，是发生胶合的i j i 提；表面膜破损， 使两表面微凸体之间产生原了接触，从而形成粘结则是发生胶合的关键。一 般认为，摩擦表而的微凸体有三种抵抗表面破坏的保护膜：紧靠基体金属的 薄氧化膜；在氧化膜上的吸附或反应的表面膜；以及刚好可以防止微凸体发 生接触的薄油膜( 微弹流油膜) 。当三层膜相继地或同时破裂时，滑动微凸 体之间发生粘着破坏。胶合磨损完全可以通过有效润滑技术保持微凸体的表 面膜与宏观油膜的稳定性，即可防止胶合失效i i 】。气液两相流体润滑是一种 新型润滑技术，它具有润滑剂用量少、润滑效果好、适用范围广、环保等优 点，其应用面正在迅速扩展。 1 2 齿轮弹流润滑研究的历史及现状 齿轮润滑研究经历了从古典润滑理论到弹流动力润滑理论的发展过程， 并在此基础上形成了- - f j 跨学科的理论研究体系。人们研究齿轮润滑是从试 验丌始的，直至u 1 9 1 6 年m a r t i n 把齿轮齿条的啮合视为圆柱在平面上的滚动来 求解雷诺方程【2 1 ，才把齿轮润滑的研究上升为理论研究，但忽略了由于轮齿 接触区的压力对润滑油的粘度影响和弹性变形对油膜厚度影响。前苏联学者 l 哈尔滨丁程大学硕七学位论文 g r u b i n ( f p y 6 n a ) 于1 9 4 9 年给出了第一个可以接受的线接触油膜厚度公式，即 著名的c w u b i n 入口区简化分析解【3 】，开创了弹流润滑理论研究的新纪元，但 g r u b i n 简化解是粗糙的【4 1 。前苏联学者p e t r u s e v i c h 【i ( 1 9 5 1 年) 在其博士论文中 求得了第一个线接触等温全膜弹流润滑问题的数值解，获得了弹流润滑的典 型特征：在h e r t z 接触区内油膜基本平行，但在油膜出口处有一“颈缩”，且在 压力分布的对应位置出现明显的二次压力峰。接着m c e w e e n l s t 5 j 在研究中忽 略了表面的弹性变形、粘温效应和粘压效应、接触区的热效应以及齿面趋近 的挤压效应情况下，求得了齿面间既有滚动又有滑动情况下的油膜厚度。 a d k i n s t 6 】在考虑真实齿轮的齿廓形状、齿面弹性变形和实际运动条件的前提 下，运用包含时间变量的雷诺方程，探究了润滑油膜厚度沿齿轮传动啮合线 的变化。1 9 6 1 年，d o w s o n 和h i g g i s o n 应用“逆解法”求得了等温线接触稳态弹 流润滑问题的完全数值解并归纳出了著名的最小膜厚公式1 7j ，至此，人们对 稳态线接触弹流润滑理论的研究己经有了一个比较完整的认识。 1 9 7 1 年，v i c h a r d l8 】最先涉猎非稳态弹流润滑问题的研究，他在论文中采 用g r u b i n 简化解探讨了载荷、卷吸速度和综合曲率半径沿啮合线的变化，g u a 1 9 】通过研究强调，所谓的准稳态假设只能在接触时间比润滑剂流过接触区 的时问大许多的条件下成立，并基于此结论计算了油膜厚度和赫兹压力沿齿 轮传动啮合线的变化。接着，p e t r o u s e v i t e h l l 0 1 在g r u b i n 假设下，研究了动载效 应的直齿轮热弹流润滑问题，分析了动载荷、油膜厚度和齿而温度的相互影 响；w a n g 并i w a d a 1 2 1 提出的准稳态完全数值解法标志着齿轮润滑进入了一 个新阶段。这期间，p e t e r o n 1 3 】根据大量统计数据归纳出齿轮传动不同润滑状 态的摩擦系数规律，b a g l i n 等人也针对磨合过程中表面形貌改变而提出：如 果表面改进可以和润滑膜变薄的速率一致，胶合将不会发生，表面在高负荷 下仍可保持完好【1 4 】的结论。 1 9 8 4 年，严升明【1 5 】给出了几组准稳态数值解，该法具有一定的合理性， 但还没有抛开“接触表面挤压速度相同”的假设；同年，o h 1 6 】彻底摈弃了上述 假设，采用n e w t o n r a p h s o n 法求解了外载荷按正弦规律变化的非稳态弹流问 哈尔滨工程大学硕士学伊论文 题，并给出了两组数值解。 之后，任宁f 1 7 】应用直接迭代法，获得了正弦载荷作用下线接触弹流润滑 问题的完全数值解；艾晓岚【l8 】利用超松弛迭代法对凸轮机构的非稳态弹流润 滑问题进行了计算，发现了挤压过程中的压力“双峰现象；杨沛然【l 刿对点 接触非稳态弹流润滑问题进行了完全数值解，并给出了当油膜出现明显不同 于稳态解特点时挤压速率和卷吸速率之比的变化范围：华东耘【2 0 l 采用 n e w t o n r a p h s o n 法在随机载荷作用下研究了油膜厚度沿齿轮传动啮合线的变 化，发现单双齿啮合转换点处的油膜变化是平稳的；v e n n e r 2 1 】等人用多重网 格法计算了在恒载下有缺陷表面的非稳态弹流润滑问题：张和豪1 2 2 1 等综合考 虑了齿轮在啮合过程整个时间历程中变曲率和变速度的瞬态效应并作了数值 解，但没有考虑润滑流体的可压缩性。 在文献【2 2 ) 的基础上卢立别2 3 】等在r e y n 0 1 d s 方程中计及流体的可压缩 性，并引入齿轮传动的实际t 况参数，求得了一组瞬念弹流润滑的完伞数值 解。之后，他们【2 4 】又在文献【2 3 】的基础上综合考虑了齿轮传动重合度对轮齿 载荷的影响。章易程【2 5 】等人考虑了齿轮传动中的动载荷特性，采用梅雪松和 谢友柏1 2 6 】提出的快速求解法，分析了齿轮传动的非稳态等温弹流润滑问题。 之后，卢立新和张和豪【27 1 在综合考虑了实际齿轮传动中系统振动引起的动载 荷、卷吸速度和曲率半径随时问和坐标的变化等非稳态效应以及流体的可压 缩性后，沿整个啮合线进行了直齿轮传动弹流润滑完全数值分析，指出研究 齿轮润滑时应考虑动载荷的影响，但文中没有考虑热效应和非牛顿效应。 r o l a n dl a r s o n t 2 s 】在雷诺方程中引入有效粘度和齿轮传动的非稳态项，对直齿 轮传动的弹流润滑作了分析，但在研究中没有考虑热效应。 在2 0 0 0 年，s n i d l e 等人【2 9 】提出齿轮弹流润滑的研究应综合考虑热效应、瞬 时非稳态效应、润滑剂的非牛顿特性和表面粗糙度以及端泄等因素。从而得 出齿轮润滑应该是三维非稳态热弹流润滑问题【3 0 l 的重要结论。2 0 0 5 年，曲庆 文等人【3 l 】总结了齿轮啮合时油膜厚度分析计算的方法一般机械工业中重合 度 1 ，即存在两齿啮合的普遍情况的油膜厚度进行了分析计算。2 0 0 6 年， 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 周长江等人【3 2 】从理论和实验2 个方面对复杂润滑状态下齿面摩擦因数的计算 方法作了深入的系统研究，综合研究了啮合周期内交变出现的完全弹流、混 合润滑和边界润滑状态下齿面摩擦因数计算方法及其应用条件等。同年，李 玉龙，刘煜【3 3 】基于渐开线直齿圆柱齿轮传动中功率输入和输出的关系进行了 齿轮传动基于摩擦学性能的效率最佳化研究。 1 3 气液两相流体润滑研究的历史及现状 气液两相流体润滑( 也叫油气润滑) 简单地说就是将单独间歇供送的润 滑油和连续供送的压缩空气进行混合，形成紊流状的油气混合流，并供送到 润滑点。油气润滑技术是2 0 世纪6 0 年代德国r e b s 公司开发的一种全新的润滑 技术m 1 ，与油雾润滑相似，但因其润滑油不需雾化，故又不同于油雾润滑。 气液两相流体润滑技术具有润滑效果好、耗油量低、精确定量给油、易实现 自动控制、适用的润滑油粘度范围大、润滑部位始终保持诈压和无污染等优 点引。该技术首先在工况恶劣的领域应用，随后在欧洲推广并逐步在世界各 地应用m 1 。目前，国外舳以上的高速线材轧机滚动导卫轴承和新投产的合 金钢生产线轧机轴承的润滑均采用油气润滑n 引。气液两相流体润滑技术在我 国的应用是从2 0 世纪8 0 年代的进口设备上【3 8 1 丌始的。到目前为止，主要应用 于冶金行业。如：冷轧和甲整机组中【3 9 】、板坯连铸机、板坏连铸机、 棒材【4 2 】、高线风冷线、热矫直机【4 5 】、铝热连轧【4 6 】、吊车车轮及轨道【4 7 】、铝 板带轧机【4 8 j 以及高温区域低转速设备上【4 9 】。 2 0 世纪9 0 年代，哈尔滨工程大学闰通海教授m 1 进行了气液两相流体润滑 技术方面的研究，分析了气液两相流体润滑机理，提出了气液两相膜的润滑 理论。2 1 世纪初，王军进行了混合陶瓷球轴承油气润滑与预紧力的实验研究 【5 1 1 ；蒋书运等人5 2 1 对高速滚动轴承油气润滑进行了试验研究，测试了油气 润滑供油量、润滑油粘度、油气压力和转速对被试轴承温升的影响；安琦等 人在油气润滑滚动轴承试验装置的研制【53 】的基础上进行了油气润滑滚动轴 承最佳供油量试验研究1 54 1 ，油气进i z i 位置和迸气量对气液两相流体润滑滚动 4 哈尔滨工程大学硕士学何论文 ii_iii i 宣i i 育i | i i i 轴承性能影响【5 5 1 。 1 4 课题研究的目的、内容及意义 由于润滑油工艺技术及新型添加剂技术的发展，滑油润滑一直统治闭式 齿轮传动的润滑，尤其是船用大功率齿轮箱的齿轮润滑。探索气液两相流体 润滑在齿轮传动中应用，防止齿轮胶合失效，提高齿轮传动的可靠性，延长 齿轮使用寿命是论文的宗旨。 论文的主要工作分为以下几个部分： ( 1 ) 进行了气液两相流体润滑的机理研究和气液两相流体润滑装置的设 计方法研究； ( 2 ) 深入分析了齿轮润滑的理论基础和齿面润滑的特点，给出了齿面润 滑试验研究的准稳态准则： ( 3 ) 进行了试验方案设计、试验工况的设计和试件设计加工，研究了试 验指标参数的测试方法； ( 4 ) 丌展了单相流体( 润滑油) 润滑与气液两相流体润滑的对比试验， 气液两相流体润滑供油量优化试验，并进行了试验结果的分析。 气液两相流体润滑技术在高效、节能、环保等方面的优势，必将扩展其 在润滑领域的应用而。在我国，设备的低效率、高能耗、高污染是现状，高 效、节能、环保是今后主要发展方向。目前我国气液两相流体润滑技术的应 用还处于起步阶段。大力开展气液两相流体涧滑技术的应用研究符合我们的 国情。这方面的工作必将为我国工业的发展做出大的贡献。 1 5 本章小结 本章介绍了齿轮润滑技术的研究历程，回顾了前人在这方面所做的工作， 介绍了论文研究的内容和方法，以及研究工作的意义。 哈尔滨工程大学硕十学何论文 第2 章齿轮润滑的理论分析 2 1 单相流体( 润滑油) 润滑理论分析 2 1 1 齿轮润滑的特殊性 齿轮与其它机械零件的润滑条件相比，有如下特殊性： ( 1 ) 一对啮合轮齿之间的接触压力非常高，如大型船舶齿轮可达 1 2 0 0 m p a 以上，而一般滑动轴承的压力不超过数十兆帕。 ( 2 ) 啮合齿面之间除相对滚动之外，还有相对滑动存在，而且滑动速 度方向与大小都不断变化。 ( 3 ) 各对啮合齿的润滑都是断续性的，每次啮合都需重新建立油膜， 轮齿啮入与啮出时润滑边界条件差。 如此，给全膜弹流润滑状态的存在造成很大困难。掘统计，实际工程中 齿轮传动的f 常运行期多数处于部分膜弹流润滑。 2 1 2 齿面摩擦磨损与润滑分析 润滑的目的在于改善摩擦副的摩擦磨损特性。针对齿面摩擦磨损特性研 究齿面润滑，才是有的放矢的。摩擦磨损许多有关现象，都是由于摩擦系统 的运动元件之问的动态相互作用而产生。所以，最适宜系统分析的方法建立 齿面摩擦技术系统。摩擦学的相互作用发生在如图2 1 所示有工作变量输入 的系统结构各元素之间，图中示出相互作用的方式与关系。其中润滑剂( 3 ) 以宏观润滑油膜的形式施加润滑作用于两摩擦元素( 即齿面) 之间，改变其 接触、摩擦与磨损状况；空气( 4 ) 、润滑剂( 3 ) 都与齿面相互作用，有可 能形成各种表面膜( 又称边界润滑膜) ，对两摩擦元素形成隔离，也可改善 摩擦、磨损特性。 6 哈尔滨工程大学硕士学1 _ 7 ：论文 摩擦系统的构成 工作变量 电荷 l a g 李 3 速度 i飞c 旷三i 4 有用输出 温度- 工作时间 ( 1 ) 擦元素( 2 ) 摩擦元素 ( 3 桶滑剂 ( 4 ) 空气( 环境介质 吸扩：；c 、附 。么，吸( 釜吸釜。动 摩擦引起能两损失 磨损引起材料损失 图2 1 齿面摩擦技术系统 齿面各种磨损形式( 疲劳点蚀、磨粒磨损、腐蚀磨损、胶合磨损) 之中， 胶合磨损( 又称胶合) 危险性最大，且与润滑效果的关系最为直接。如图2 2 所示摩擦表面的润滑模型中，摩擦元素两齿面的微观不平度使其间的真实接 触面并非与表观名义接触面积( 赫兹弹性变形面积) 等同，而是许多离敞的 微凸体接触斑点之总和。在润滑不良工作条件下，接触斑点处形成粘结而引 发胶合磨损，其机理可简述为：( 1 ) 接触微凸体变形；( 2 ) 表面膜破损；( 3 ) 两摩擦元素表面接触斑点形成粘结；( 4 ) 粘结点断裂和局部材料的转移，形 成胶合磨损表面形态。可见，宏观润滑油膜未完全分割两表面从而出现微凸 体接触，是发生胶合的前提；表面膜破损，使两表面微凸体之间产生原子接 触，从而形成粘结则是发生胶合的关键。一般认为，摩擦表面的微凸体有三 种抵抗表面破坏的保护膜：紧靠基体金属的薄氧化膜：在氧化膜上的吸附或 7 哈尔滨工程大学硕十学位论文 反应的表面膜；以及刚好可以防止微凸体发生接触的薄油膜( 微弹流油膜) ， 如图2 2 所示。当三层膜相继地或同时破裂时，滑动微凸体之间发生粘着破 坏。胶合磨损完全可以通过有效润滑技术保持微凸体的表面膜与宏观油膜的 稳定性，即可防止胶合失效。 图2 2 摩擦表面的润滑模型 2 1 3 准稳定状态准则 具有1 0 0 多年历史的经典流体动力润滑理论，是以摩擦副为刚体、润滑 油粘度不变的假设条件为前提而建立的。它适用于接触压力较低的摩擦副， 例如滑动轴承的流体动压润滑。齿轮的啮合齿廓之l 只j 为名义线接触，形成赫 兹接触区。赫兹接触区的弹性变形，油膜几何形状及压力分布如图2 3 所示。 图2 3 赫兹接触区模型 现有的弹流润滑膜厚计算公式都是在稳定流体状态下建立的，即认为各 个物理量不随时间而变化。然而齿轮啮合接触区的油膜几何形状、界面速度 和压力都随时间而变化，因而油膜厚度也是变化的。如何把现有的稳定状态 8 哈尔滨丁稃大学硕士学位论文 弹流理论应用于渐开线齿轮的不稳定运动过程? g u a 提出一个准稳态准 则。这个准则是建立在比较齿轮系统内两个时间物理量大小的基础之上。一 个量是建立稳定状态的时间，即润滑油流经h e r t z 接触区所需时间z 厂；另一 个是一对轮齿完成一个啮合循环过程所需时间，称之为接触持续时间z d 。如 果f d r 厂，则局部的稳定状态实际上已沿实际啮合线建立起来了。这时接触 状态的变化可认为缓慢，可以假设为准稳定状态。如果乃f ，l ，则准稳定 状态的假设无效，而必须考虑到瞬变的或非稳定状念的影响。 所谓准稳定状态，是指沿着齿轮实际啮合线上任一接触点都能够充分地 用该瞬时参数( 曲率、滚动速度和接触负荷) 来表达，而与这些参数的变化 率无关。根据这一假设，可以把轮齿整个接触过程转化成一系列两个当量圆 柱( 其半径分别等于一对齿廓在啮合点处的瞬时曲率半径岛、, 0 2 ) 局部稳定 状态的弹流润滑接触。如图2 4 示出一对齿廓在k 点啮合点处的润滑状态， 均可依准稳定状态准则，以一对当量圆柱体的线接触稳定状态进行计算或模 拟实验。论文进行的实验研究就是以准稳定状念准则为理论根据的。模拟试 验在m 2 0 0 和m 一2 0 0 0 g 型摩擦磨损试验机上，以一对具有相对滚滑运动的 短圆柱滚子模拟齿轮某一点啮合状态。 u ：j “ “粤 j 峰 毒 a ，电 i c i hp 0 1 ：r ib p k 人 h ， x p i 确s jr _ ， 图2 4 齿轮瞬时运动模型 9 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 2 2 气液两相流体润滑的基本原理 2 2 1 气液两相流体技术概述 气液两相流体技术是将定量的润滑剂定压、定时的喷入到高速连续流动 的定压的压缩空气中，并在定长的管道中形成紊流状的两相油气混合流，两 相流中的油和压缩空气并不真正融合，也不雾化，而是在压缩空气的高速流 动作用下，润滑油沿管道内壁不断的螺旋状前进。起初，由于润滑剂具有一 定的粘度，加上离心力及附壁效应的影响以较大的颗粒呈间断状地粘附于管 壁四周，如图2 5 所示。 函三蠢同 唑：苎到 墟 一 眉塔再鬲 图2 5 油气两相混合示意图 随后，油滴逐渐被吹散、变薄，并经过一定管道长度后最终形成一层均 匀的、连续的环状油膜，实现以精细的、连续的、缓慢的、均匀的、微量的 油流方式喷到润滑点进行润滑【4 1 。 2 2 2 油气润滑系统的组成 气液两相流体润滑系统大体上可划分为三大部分：供油部分；供气部分； 油气混合部分。 供油部分有油箱、油泵、递进式分配器等主要元件，都是根据系统的供 油量选定的。因耗油量比较少，油泵的排量一般都比较低。油泵有多个系列 和多种规格，以满足不同的供油量需要。从结构类型上来看有气动泵( 用压缩 空气驱动) 、齿轮泵( 电动) 、电磁泵( 电动) 等，选用时应根据工况及需要配置， l o 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 i i i i i i i i i i - - - i i i i 泵的排量一般比较小。 油气润滑方式最显著的特点之一是能够按需精确定量的供油，而这一精 确定量过程亦是油气润滑方式的关键技术。因此，实现这一目的的元件也即 为该系统的核心部件。目前，此类元件在国内虽己大量应用，但大都是国外 进口产品或是其转化件。我们就其种类大体归为两类：( 1 ) 间歇式计量注油器； ( 2 ) 递进式分配器。因递进式分配器的工作压力一般在0 2 0 4 m p a ，故油泵的 压力较低，递进式分配器是由片式给油器组合而成，有多种规格的排油量可 供选用。 供气部分供给的空气应该是清洁而干燥的，必须先经过油水分离及过滤。 当油气润滑系统启动时，压缩空气由电磁阀接通，经过减压，使排出的气压 为0 2 5 0 4 m p a ，并在排气管线上装有压力监测器，以保证工作中有足够的 气压。油气润滑系统中一定压力的压缩空气在各种实际工况下主要起到如下 作用： ( 1 ) 承担润滑剂的输送载体作用。 ( 2 ) 速度较高的连续气流经摩擦点可带走大量的摩擦热，起到冷却降温 作用。 ( 3 ) 一定压力的压缩空气在轴承座内形成过压，阻止冷却水及污染物进 入，有效地起到密封作用。 ( 4 ) 高速流动的气体形成大量分散的空气小气泡混合于固体表面的润滑 液中，形成比单相膜具有较强承载能力的气液两相膜，两相流的粘度及厚度 明显提高，起到优良的减摩作用。 ( 5 ) 一些滚动轴承的转速很高，在滚珠周围形成空气边界层，一定压力 的压缩空气可使润滑剂形成射流，将空气边界层打破，即利用其产生的喷射 作用实现润滑。 油气混合部分也可称油气混合器，其作用是使油和压缩空气在其中进行 混合并使油能很好的分散成油滴，均匀的分散在管道的内表面，油滴随着空 气在管道中流动逐渐形成油气两相环状流。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 油气混合器有多种型号、规格，可适用于不同的油气润滑系统。 2 2 3 气液两相流体润滑基本原理 泵将油直接或通过一个递进式分配器输送到与压缩空气相连接的混合 块。在混合块中，油和压缩空气被准确计算，并被分配到多个油气管道中， 通过油气管道，使气液两相混合流体连续稳定地输送到润滑区，实现有效的 润滑与冷却，而油液并不需雾化。气液两相流体是在油气混合块中生成的， 它的原理如图2 6 所示，应用定量活塞式分配器，每隔一定时间，将微量的 润滑油送至与润滑部位相连通的压缩空气的管路中。 在油气管道中，借助压缩空气可使以脉冲形式输送的油逐渐形成一个连 续油膜，如图2 7 所示，该油膜以波浪状在通往润滑点的油气管道内壁移动， 并以滴状脱离油气管道内壁和喷嘴，润滑点因此而得到润滑，并由于压缩空 气的作用而被冷却。同时，脏物也无法进入润滑部何。 压缩空气 润滑油 图2 6 油气混合器原理图 1 2 油气 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 在管道始端在管道末端 图2 7 油气管道中的油膜状态 由此可见，气液两相流体润滑是用一股高压气流与极少量的油液混合， 成为气、液两相混合流体，向机械摩擦部位输送，对作相对运动的固体壁面 进行润滑和冷却降温。在两相流体混合过程中，油并不被雾化，只形成油滴。 因此，油和气不是一体，输送的动力则是空气的压力。 图2 8 管中气油混合旋转流 气液两相流体润滑系统中，如果气、油两相混合流体的输送距离较长， 为了防止在管道产生附壁效应，需要使压缩空气成为旋转气流( 可利用一个 涡流管来实现) 。当油混入后，旋转气流把油液吹散成为油滴，由于存在着 离心悟性力的作用，油滴基本上都分散在管道的外周，如图2 7 所示。气液 两相流体在管道中旋转流动，因其中油滴的粘度较大，再加上离心力的作用， 它们很快便粘附于管壁壁面，形成一个连续的很薄的油膜层。油膜层呈环状， 在旋转气流的带动下具有一定的前进速度。不过，由于油液是根据润滑的实 际需要，采取步进式定量供给的，故油膜层的厚度将沿程逐渐减少，最后喷 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 i i l l i h i i i i h ii ii iii i i i i i i i i 到润滑点上的是一股精细和连续的油流，图2 9 为其示意图，也可参照图2 7 所示。 油气混台端润滑点端 图2 9 油层流动示意图 气液两相流体润滑系统中，如果气液混合后的输送距离很短，也可不必 使气流旋转，只要把微量的油液混入，高速气流将油吹散成为油滴，直接向 润滑部位输送就行了。此时，主要是设计计算气流的压力、流量和油液的流 量，对于短距离的气液两相流，没有必要进行定量描述。 对于输送距离较长的气液两相流，可以认为是一种单纯的环状两相流动。 所谓单纯的环状气液两相流，是指四周均为液体，气流核心部分不头带液滴 或微小的液粒，并且气、液界面是光滑的。环状流动是气液两相流中比较简 单的一种流动形式，对它的分析主要是摩阻压降梯度、平均液膜厚度和空隙 率( 截面含气率) 等的计算。对于气液两相坏状流，根据文献气液两相流 体冷却润滑技术及其应用，在忽略旋转运动的影响和不考虑管道断面变化 的情况下，油膜层的厚度可按下式( 2 1 ) 计算： 万= 式中：万二一油膜层的平均厚度，m - r 油液的动力粘度，p a s g ，油液的质量流量，k g s ( 2 1 ) 哈尔滨t 稃大学硕十掌位论文 p r 油的密度，k g m 3 d 管径，m 氅沿管道压降梯度，p a m 叱 知道了平均油膜层厚度6 ，便可从下式( 2 2 ) 算出空隙率( 截面含气率) ： 缈= ( 1 2 三) 2 ( 2 2 ) 式中：卜空隙率 卜油膜层厚度，m 扣管径，m 在气液两相流体力学中，一般均采用分气相折算系数。2 来衡量摩阻压降 梯度。当界面液流速度远远小于气流核心速度和万d 时，则气相折算系数 。2 的计算公式为： 以2 = 等掣 协3 ， 式中：为空隙率( 截面含气率) 由9 2 分气相折算系数 气液两相流体沿输送管道到达润滑部位附近，通过安装的喷嘴射进腔内， 成为气油两相流体射流。射流在润滑腔巾透渐扩散，由于圆体壁面的阻滞， 其中的大量动能都转化为压力势能。因而，润滑腔内的压强增高，高于腔内 原来的压强( 一般为大气压) 。压强增高的数值，可由下式( 2 - 4 ) 计算，即： 乞一e o = i 1 “v 0 2 ( 2 - 4 ) 式中：己一昂增高的压强，m p a 只润滑腔原来的压力，m p a y 。射流从喷嘴喷射出的速度，m s 成混合流体的密度，k g m 3 在实际中，因为油液量很小，也可近似的用气体的密度肛来代替岛。 哈尔滨t 稃大学硕士学何论文 2 3 本章小结 本章主要是对齿轮传动中单相流体( 润滑油) 润滑下的胶合失效形式进 行了分析，给出了用于计算和实验的准稳定状态准则。对气液两相流体润滑 系统的润滑原理进行分析。 1 6 第3 章齿轮润滑的试验研究 31 试验方案论证与参数选择 311 润滑油润滑的试验模拟准则与模拟试验条件 如前21 节所述，粟用摩擦磨损试验机上一列滚滑接触的短圆柱滚子摩 擦副求实现齿m 摩擦副模拟。这种模拟方案钧台图2 , 4 所目：齿轮瞬时运动模 掣。为保证模拟试验结果刺r 实际齿轮传动装管的使用价值，就需要根据币 同试验h 的，选择一个或儿个模拟准则，实现模拟试验摩擦系统与真宴齿面 摩擦系统完全棚i , i j 的摩擦学过柯或几项十r l j 的摩擦学特性， c ，- l j 1 l 。一 卜 ，一ijj ，u jl f - i ，i j h 川 l= 一1 i ”_ i | r t _ ? 、 ，：二i i 圈31 调整与控制模拟条件步骤示意 实现模拟准则的方法与步骤可概括如图31 所示。同种( c ) 栏中所列 各项摩擦学特性均有相同的检测参数。例如摩擦力( 或摩擦力矩) 、试件温 哈尔滨工程大学硕十学何论文 萱i i i ji ii i l i i i i i i 薯 度、滑油温度、试件线性磨损量、油膜厚度等，均可分别或同时作为“试验指 标”参数，用以表征或评定试验过程与试验结果。包括对摩擦副润滑状态的评 定，“试验因素”与“试验指标”的项目与“因素水平”可以随试验内容而异。 模拟准则的具体实施，则需要依靠正确选择模拟试验条件。如图2 1 所示， 齿面摩擦技术系统的结构参数及工作运转变量之中，任一参数的变化都将引起 摩擦学特性的变化，因而这两类参数可供选作实施模拟准则的模拟条件。 在附录a 所列各种型号齿轮中，选附录a 1 的二级传动齿轮，作为软齿 面模拟试验所参照的真实齿面系统；选附录a 5 的一对传动齿轮( 齿数比 3 1 6 4 ) ，作为硬齿面模拟试验所参照的真实齿面摩擦系统。另外，再参照润 滑状态实际使用情况调查，选择典型啮合点位置，详见4 2 节。 根据试验目的，采用二项模拟准则及相应模拟试验条件如下： 1 模拟试验系统与齿面摩擦系统具有相同的接触运动特性。此项准则针 对( 局部或瞬时) 有无润滑情况，可造就相同的摩擦磨损条件。实施此项准 则的模拟试验条件为：令试验系统的试件摩擦副与实际齿轮副的材料、表面 形貌及表层结构相同：据相似准则取两系统只有相同的接触应力作为载荷模 拟条件；相同的滚动速度与滑滚比作为运动模拟条件。 2 模拟试验系统与齿面摩擦系统具有相同的润滑状态。此项准则针对有 润滑接触的正常工作情况，与上准则共同造就了相同的摩擦磨损条件。实施 此项准则需要控制与调整影响油膜厚度及摩擦温度的诸因素：环境温度、载 荷、速度、摩擦副材料( 热处理) 及表面形貌，试件尺寸，润滑油品( 基础 油与添加剂) ，供油参数( 油温、油压、油量、润滑方式等) 等。须注意： 并非要求两系统的上述诸因素完全相同，而是予以调整控制，达到润滑状态 相同的效果。例如，本文研究对象均为大型齿轮，试验系统的摩擦副尺寸( 曲 率半径、接触宽度) 无法与之相同，而要小得多，这也正式模拟试验的优点 之一；再如，即使两系统产生的摩擦热相同，但由于两系统的热容量、散热 条件( 包括结构，摩擦面上任一接触线的工作频次，散热空间环境等) 不同， 从而造成两系统的热状态差异；等等。而通常情况下，润滑系统各供油参数 易于调整和控制并达到预期效果。 哈尔滨t 稗大学硕士学何论文 如图2 1 所示，有一个“工作时间”( 或“试验延时”) 参数，首先，任何摩 擦学系统结构参数都有显著的时变特征，因而其摩擦学特性也随时间历程而 变化；这就使“试验延时”参数的重要性远远超出了单纯的时间延续含义。其 次，它与摩擦表面的“工作频次”模拟相关，当需要实施两系统摩擦副表面滚 动速度相同的模拟条件时，则有 试件尺试件= t o ( r s i n a x ) ( 3 - 1 ) 式中：& 卜_ 齿轮角速度，s - 1 d 试一式件角速度， s - l ( 尺s i n a x ) 是齿面啮合点处的曲率半径，1 1 1 r - 一是齿轮节圆半径，m 通常，试件半径尺试件 。这意味着，在 相同时间内，圆柱滚子试件上任一条母线的接触工作频次高于实际齿廓，因 而有可能缩短模拟试验延时而保证与真实齿面相同的工作频次。总之，需综 合考虑上述“首先”与“其次”两方面因素，尤其是摩擦系统状态的时变特性因 素。因润滑状态( 连同相应摩擦磨损性能) 转化与热效应密切相关，故本文 各试验延时均至试验系统达到热平衡之后。 综上所述，两项模拟准则所需模拟试验条件，几乎要求对全部工作运转 变量及系统结构参数加以控制与调整，使这些参数成为系列模拟试验的“试验 因素”。调整与控制模拟条件而实施模拟准则。 3 1 2 气液两相流体润滑试验方案 由于要考察气液两相流体润滑在齿轮传动中应用的可行性，所以首先采 用单相流体( 润滑油) 润滑试验模拟准则与模拟试验条件进行对比试验。以 摩擦系数、摩擦区温度和试件表面粗糙度为评判指标，考察采用气液两相流 体润滑方式对齿轮润滑的效果。然后在单相流体( 润滑油) 润滑试验模拟准 则与模拟试验条件下，用摩擦区温升为评判指标找出齿轮某啮合点气液两 相流体润滑最佳供油量。 1 9 哈尔滨丁孔凡j 彤十j ? 2 上 32 试验指标参数的测试方法研究 如前所述，本专题模拟试验可以用一系列摩擦学特性参数( 摩拣力矩、 试件表面粗糙度、试件温度) 作为表征或评定试验过程或试验结果的试验指 标，它们的测试精度与操作方便性成为试验技术的关键，凼此把这些指标参 数的测试方法研究列入本号题研究内容。此研究包括卜述各项： 32 1 提高摩擦力矩测试精度 将幽内定型生产的m 2 0 0 摩擦髓损试验机所酉已置的低精度机械式测量 与读数装置，改进为高精度转矩传感器( z j 一1 0 ) 及配套数宁显1 i 仪表系统。 322 试件表面粗糙度测量 使片j2 2 0 5 型表面粗糙艘测量仪，测量被测试什试验6 h 后的表而粗糙度 r a 值，考察不刚的润卅方式刈其影i 驯。 323 试件温度测量 向行研制试件测温用红外线删温系统。陔系统山红外线传感器、次仪 表、数执；传输线、p c 机等组成。删节试什摩擦陋温艘。系统p c 机部分采川 v i s u a lb a s i c 编程，, f l jj4 j 串| 1 通讯控件m s c o m m 实现数据的采集，外生成实 时的温度曲线。，传感辨为北m 博达吕正科技发联有限公r t j 公司牛j 。的 i r t t c0 7 型红外线温度化感器，传感器和仪表如图3 2 所币。 图32 连接好的传感器和仪表 。回互弩 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 i i i i i i i i | i i宙i t i i 1i i i 应用v i s u a lb a s i c6 0 程序编写了数据从传感器采集到p c 机的程序，实 现数据的读入和记录。实时曲线的绘制一般借助于t i m e r 控件来完成，使用 t i m e r 控件，定期将传感器采集的温度数据送往p i c t u r e b o x l ，而曲线的绘制 一般画成折线图，采用p i c t u r e b o x l 的l i n e 方法绘制。程序如下： d i mx ia si n t e g e r d i m y ia si n t e g e r d i my ja si n t e g e r d i mwa si n t e g e r d i mma si n t e g e r d i mna si n t e