流体润滑的基本原理
之
弹性流体动力润滑
弹性流体动力润滑
2. 1 定义
弹性流体动力润滑是指流体进入在两个相互运动的固体摩擦接触表面后，受到接触表面产生的巨大接触压力而发生的性状改变，以分割固体摩擦接触表面，减少摩擦。
弹性流体动力润滑是利用流体受到高压时,流体的物理特性及形态发生变化的特性来分隔高压下的摩擦副,从而达到润滑的目的.
2.2 弹性流体动力润滑原理
所谓弹性流体是指流体在高压下会从流体的形态转变成固体的形态。但当压力去掉后，就会恢复到原来的形态。流体变形的过程随着压力的变化而变化，压力升高，流体的粘度变大，当压力达到一定高度时，流体的形态开始变化，而流体的粘度不再变化，流体形态开始从液体向玻璃体转化，当压力继续升高，流体完全会转化为玻璃体（固体）；当压力下降时，玻璃体又会回到液体状态。弹性流体动压润滑就是利用流体的弹性随压力变化而变化的特性，来实现分割量高压表面而达到润滑的目的，弹性流体动压润滑也特别适合滚压摩擦副。
2.3 弹性流体动力润滑理论是流体动压润滑理论新的重要发展。
在弹性流体动压润滑理论中，主要研究在两个具有相互运动的固体表面相互接触(一般是点或线接触)过程中，固体的弹性变形和流体粘度变化对流体动压润滑的作用。 弹性流体动力润滑有两个重要特点，一是油膜极薄，仅为接触区宽度的千分之一以上；另一个特点是接触压力极大，可达几千个兆帕(MPa)的压力峰值，因而在表面间的润滑油粘度比正常室温下的粘度大许多倍。同时，引起弹性体很大的局部变形，它能急剧地改变润滑膜几何形状，而润滑膜形状又能决定油膜压力的分布，因此，—个弹性流体动力学问题的解必须同时满足弹性力学和流体力学润滑的基本方程式。
当滚动轴承、齿轮、凸轮等高副接触时，名义上是点、线接触，实际上受载后产生弹性变形，形成一个窄小的承载区域。弹性变形引起的接触区域增大和接触区表面形状的改变，都有利于润滑膜的形成。
２０１７年９月 第４２卷第９期 润滑与密封 ＬＵＢＲＩＣＡＴ１０Ｎ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｓｅｐ．２０１７ Ｖｏ１．４２ Ｎｏ．９ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５４—０１５０．２０１７．０９．０２０ 表面织构对人工膝关节流体动力润滑性能的影响 杨厚廷华子恺洪跃 （上海大学机电工程与自动化学院上海２０００７０） 摘要：为探究表面织构对人工膝关节流体润滑性能的影响，对加入表面织构的人工膝关节进行流体动力润滑分 析．推导 适合该模型的雷诺方程，并基于有限差分法对雷诺方程进行求解，通过借助ＭＡＴＬＡＢ软件进行编程计算， 得到表面织构参数对本模型的摩擦润滑性能的影响规律。结果表明：随着表面织构深度的增大，摩擦因数先增大后减 小．在研究的表面织构半径范围内，摩擦因数随着表面织构半径的增大而减小，因此在一定范围内，适当增加表面织 构半径和表面织构深度有利于改善该模型的摩擦润滑性能。 关键词：人工膝关节：雷诺方程；流体动力润滑；表面织构 中图分类号：ＴＨ１ １７．１ 文献标志码：Ａ 文章编号：０２５４—０１５０（２０１７）０９—０９８—０５ Ａｎａｌｙｓｉｓ ０ｆ Ｅｆｆｅｃｔ ０ｆ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｔｅｘｔｕｒｅ ０ｎ Ｆｒｉｃｔｉ０ｎ ａｎｄ Ｌｕｂｒｉｃａｔｉ０ｎ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｋｎｅｅ Ｊｏｉｎｔ ＹＡＮＧ Ｈｏｕｔｉｎｇ ＨＵＡ Ｚｉｋａｉ ＨＯＮＧ Ｙｕｅ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００７０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｘｔｕｒｅ ｏｎ ｔｈｅ ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｋｎｅｅ ｉｏｉｎｔ．ｔｈｅ ｌｕｂｒｉ— ｃａｔｉｏｎ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｋｎｅｅ ｉｏｉｎｔ ｗｉｔｈ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｘｔｕｒｅ ｗａｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ Ｒｅｙｎｏｌｄｓ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ａｒｔｉ— ｆｉｅｉａｌ ｋｎｅｅ ｉｏｉｎｔ ｗｉｔｈ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｘｔｕｒｅ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ａｎｄ ｓｏｌｖｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｆｉｎｉｔｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｍｅｔｈｏｄ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｉｄ ｏｆ ＭＡＴＬＡＢ ｓｏｆｔｗａｒｅ．ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ Ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｘｔｕｒｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｎ ｔｈｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｘｔｕｒｅ ｄｅｐｔｈ．ｔｈｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｃｏｅｍｃｉｅｎｔ ｉｓ ｉｎｅｒｅａｓｅｄ ｆｉｒｓｔ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ． Ｉｎ ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｘｔｕｒｅ ｒａｄｉｕｓ ｓｔｕｄｉｅｄ．ｔｈｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｅｏｅｍｃｉｅｎｔ ｉｓ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｅｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｘ— ｔｕｒｅ ｒａｄｉｕｓ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒ ｒａｎｇｅ，ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｘｔｕｒｅ ｒａｄｉｕｓ ａｎｄ ｄｅｐｔｈ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｋｎｅｅ ｉｏｉｎｔ ｗｉｔｈ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｘｔｕｒｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｋｎｅｅ ｊｏｉｎｔ；Ｒｅｙｎｏｌｄｓ ｅｑｕａｔｉｏｎ；ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ；ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｘｔｕｒｅ 膝关节是人体最大、结构最复杂的关节，同时也 是人体承受载荷最大的生物摩擦副，它对运动功能有 很高的要求。运动损伤或者关节炎等疾病会导致膝关 节的功能性障碍。人工膝关节置换可以作为治疗严重 膝关节疾病的有效方法。人工膝关节置换ｌ０年以上 的存活率已达９０％～９５％［１－２］。摩擦磨损性能是影响 人＿丁膝关节寿命的重要因素。在人工膝关节的众多磨 损形式中，关节表面间的摩擦性能在延长人工膝关节 的使用寿命方面起着至关重要的作用［３－７］。通过临床 观察和分析发现，ＵＨＭＷＰＥ胫骨假体的磨损是制约 膝关节寿命的主要因素 基金项目：上海市自然科学基金项目（１６ＺＲ１４Ｉ１８００）． 收稿日期：２０１６—１０—２４ 作者简介：杨厚廷（１９９Ｏ一），男，硕士研究生，研究方向为表 面织构技术在人工膝关节假体上应用．Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｏｕｔｉｎｇｌ１１７＠ Ｊ６３．ｔｏｍ． 人工膝关节置换后，关节滑液会存在于关节腔 中，能够最大限度地为关节支撑表面提供润滑保护。 从流体膜润滑的角度看，在股骨髁和胫骨平台之间会 形成润滑膜，可以减缓两表面之间的摩擦。表面织构 技术可以改善存在相对滑动的机械组件表面间的摩擦 性能 。表面织构可以在人造关节上应用［１ ，在胫 骨平台上加入表面织构可以减缓两表面之间的摩擦。 因此，研究加入表面织构的人工膝关节的摩擦润滑性 能变得尤为重要。 本文作者将基于流体动力润滑理论对加入表面织 构的人工膝关节的摩擦润滑性能进行分析。建立适合 该模型的雷诺方程并进行数值求解，从而分析不同表 面织构参数对摩擦润滑性能的影响。 １模型的建立 股骨、胫骨在矢状面上的屈伸运动是膝关节的主 要运动．当胫骨的轴线在股骨轴线的延长线上时为参 照位或０伸直位
ＨＥＢＥｌＮＯＮＧＪ 圃
摘要：以某四缸汽油机为研究对象，对曲轴轴承系统进行了考虑流体动力润滑的曲轴轴心轨迹分析。在ＡＶＬ
ＥＸＣＩＴＥ中建立曲柄连杆机构系统的多体动力学模型，从而对各档主轴承进行流体动力润滑计算。通过对各档轴承的轴
心轨迹以及摩擦功耗进行分析，了解到不同工况下各档主轴承的润滑情况，并能精确预测轴承性能，同时也为进一步对轴
承的优化设计奠定了基础。
关键词：ＡＶＬ ＥＸＣＩＴＥ；动力润滑；曲轴轴承；轴心轨迹
山西中北大学机电工程学院 郭媛 崔志琴 吴迪 徐海龙 李学民
ｊ吾
发动机８０％的功率损失部来自于内
外部的摩擦，而有一大部分是南于摩擦副
部件ｒｊｌ起的， 这其中，发动机曲轴及轴
颈是主要摩擦副之一， 发动机曲轴轴承
摩擦学性能研究『ｆ１，获得轴承轴心轨迹等
特性参数是主要内容之～一。本文以某直列
四缸发动机作为研究对象，建立多体动力
学润滑仿真模型，通过埘相应轴承的轴心
轨迹进行监测和分析来预测轴承的润滑
性能＿ｌＩ
１流体 压 汾
甫诺方程是汁算流体动压润滑的基
本润滑方程，捕述了流体动压润滑的机
理．奠定＿ｌｒ现代流体动力润滑理论的基
础 依据流体力学的基本力学方法得到了
雷诺方程：
（ｈ百３ １＋ （ｈ÷ ｕｔ＋Ｕｃ３ ：） ａ ｘ＼ ａ ｘ｝’ ｚ、１１ ｚ｝
ｃ３ ｈ．１，ａ ｈ ａ ｃ３ｔ
其中：ｈ为油膜厚度， 为流体动力
粘度，Ｐ为油膜压力，Ｌ Ｊ】为第一个表面的
速度，ｕ 为笫二个表面的速度．Ｘ、Ｚ分别
代表两个垂直油膜的方向，ｔ为时间，盟
． ｘ 代表｝ｆ｝１膜厚度的变化， 代表油膜相对
离开的速度『 Ｉ
２仿 ． ５１：－７ 拍
埘于曲轴润．卅 题的研究，大多采取
有限兀模型，由于有限元模型有栩应节点
耦合的需求，如轴瓦 轴颌、曲柄销与连
杆大头轴承的耦合，Ｈ．计算量比较大，故
一般需划分成六面体单元，这样不仅能在
同样的单元数与节点数上比四而体单元
第１１卷第２０期２０１１年７月 １６７１—１８１５（２０１１）２０－４７７０—０５ 科学技术与工程 Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏ１．１１ Ｎｏ．２０ Ｊｕｌｙ ２０１１ ⑥２０１ １ Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｎｇ．
动力技术
双缸柴油机曲轴主轴承弹性
流体动力润滑分析
张建刚 毕玉华 雷基林 申立中
（昆明理工大学内燃机实验室，昆明６５０２２４）
摘要运用ＡＶＬ ＥＸＣＩＴＥ ＰＵ软件建立双缸机柴油机曲轴主轴承弹性流体动力润滑计算模型，计算分析了发动机最大扭矩 转速下主轴承受力、最小油膜厚度、最大油膜压力、轴心轨迹等。结果表明，该双缸柴油机主轴承润滑良好，最小油膜厚度、最 大油膜压力均在限值以内，符合设计要求。 关键词双缸柴油机 主轴承 ＥＨＤ２计算 中图法分类号ＴＫ４１４．１１； 文献标志码Ａ
内燃机轴承的润滑性能直接影响着内燃机工
作寿命。良好的润滑，能够有效地降低燃油消耗、
降低摩擦损失、提高输出功率，最终提高内燃机工
作的可靠性。因此，对内燃机轴承进行流体润滑研
究就尤为重要。目前发动机轴承润滑分析使用较
多的是ＡＶＬ公司的ＥＸＣＩＴＥ ＰＵ软件，ＥＸＣＩＴＥ ＰＵ
软件结合有限元弹性动力润滑，完全考虑了曲轴、
各支承部位和机体的弹性变形，以及轴承间隙等非
线性因素对轴承载荷的影响。本文以某两缸柴油
机为例，利用ＥＸＣＩＴＥ ＰＵ对曲轴主轴承进行了弹性
流体动力润滑分析计算 。
１基本理论
从力学角度来说，多缸内燃机的曲轴及其支承
是一个复杂的系统，多拐曲轴作为连续弹性体，并
在多弹性支点（轴颈和轴承）上，是三维的静不定系
统。曲轴轴承的润滑理论为Ｒｅｙｎｏｌｄ方程阐述述了
建立动压力的机理，奠定了现代流体力学滑动理论
２Ｏｌ１年４月２ １３收到 第一作者简介：张建刚，甘肃临洮人，硕士研究生，研究方向：内燃 机结构设计与优化。 基础。Ｒｅｙｎｏｌｄ方程基于了以下假设：
