高压微间隙润滑成膜特性及温度场分布的研究

论文摘要

随着纳米技术的迅速发展,特别是航天航空、超精密机械以及巨型操作机等领域中许多关键部件的运动精度和制造精度需要已达到亚微米甚至纳米量级,同时伴随高压力、高剪切率等复杂情况。而高剪切率会导致润滑材料分子链断裂,高压力会导致润滑膜破裂,这些行为都会引发摩擦副润滑失效,严重时将会导致整个系统瘫痪。因此,探索润滑材料在高压力、高剪切率、微间隙中的行为规律、尺度效应,对保障系统稳定性、可靠性、经济性具有重要的理论意义和应用价值。本文的主要工作和结论如下:首先,研制了高压微间隙润滑测试系统,可以应用于苛刻工况条件下（高压力、高剪切率、微间隙）润滑薄膜厚度、摩擦力和温度的实时测量。本文的高压微间隙润滑测试系统采用相对光强原理,其垂直方向上膜厚分辨率达到0.5nm,水平方向的分辨率可达1.0μm。利用高精度扭矩仪,对球与盘间的摩擦力进行实时测量,测量精度为0.1N。运用计算机实现了加载、设定转速的自动化。该系统为研究高压微间隙点接触成膜特性等问题奠定了基础。然后,在进行高压实验时,选用了蓝宝石盘和GCr15球作为摩擦副。主要研究了不同粘度和分子量大小的润滑材料,在不同压力和速度下的成膜特性。结果表明:在速度较高,膜厚较大时,实验测量膜厚的曲线与Hamrock-Dowson公式的理论曲线基本吻合,润滑处于弹流润滑状态。在速度较低,膜厚较小时,用Hamrock-Dowson公式计算的膜厚值准确性明显下降,实验数据偏离理论曲线;高粘度和高分子量的润滑剂,实验曲线高于Hamrock-Dowson公式理论曲线;而低粘度和低分子量的润滑剂,实验曲线低于Hamrock-Dowson公式理论曲线。最后,根据热辐射理论和红外热像仪的测温原理,利用红外热像仪实现了对点接触赫兹接触区温度的测量,得到点接触区的温度分布规律,并与摩擦力进行了对比分析。结果表明:在速度不变的条件下,温升随载荷的增加而增加;分析摩擦力的变化趋势与接触区温度的分布规律,发现接触区温度与摩擦力之间存在一个滞后的关联。首先,初始阶段温度上升,而摩擦力下降,但是摩擦力的数值较大,导致此时接触区内温度持续上升;随摩擦力趋于平稳,接触区温度出现小幅回落后出现第二次小幅度上升;当速度较大时,油膜厚度较大,此时带走热量开始增大,温度有所下降。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题的科学依据
• 1.1.1 课题的提出
• 1.1.2 课题的来源
• 1.2 课题的研究目的与意义
• 1.3 润滑状态的划分
• 1.4 油膜厚度的实验研究
• 1.4.1 油膜厚度的测量方法
• 1.4.2 薄膜光学干涉仪
• 1.5 薄膜润滑理论研究现状
• 1.6 本文的主要工作
• 2 测试系统机械结构设计及原理
• 2.1 总体结构
• 2.2 机械系统整体结构
• 2.2.1 主轴部分结构设计及原理
• 2.2.2 加压部分结构设计及原理
• 2.2.3 摩擦力测试系统结构设计及原理
• 2.2.4 温控系统
• 2.2.5 球座的设计
• 2.3 光干涉法测量膜厚原理-相对光强原理
• 2.4 测试膜厚系统原理
• 2.5 典型的干涉图像及其膜厚曲线
• 2.6 本章小结
• 3 高压下润滑薄膜厚度与速度、压力的变化规律
• 3.1 摩擦副的选取
• 3.2 实验准备
• 3.2.1 摩擦副的表面形貌
• 3.2.2 实验相关参数
• 3.2.3 实验方案
• 3.2.4 实验基本步骤
• 3.3 载荷变化过程中接触区半径的变化
• 3.4 压力变化对油膜厚度的影响
• 3.5 润滑剂粘度的变化对油膜膜厚的影响
• 3.6 润滑剂分子量的变化对油膜膜厚的影响
• 3.7 润滑失效
• 3.8 本章小结
• 4 点接触Hertz区温度分布及其变化规律的实验研究
• 4.1 试验设备原理与研究方法
• 4.1.1 红外测温的基本原理
• 4.1.2 实验条件及参数
• 4.2 点接触纯滑动条件下的接触区温度分布
• 4.3 载荷与速度对温度的影响
• 4.4 不同转速下摩擦力与温度的关系
• 4.5 弹流润滑温升规律
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢