高副接触弹流润滑条件下的油膜厚度分析

第3期(总第232期)2022年6月机械工程与自动化MECHANICAL ENGINEERING & AUTOMATION No. 3Jun.文章编号；1672-6413(2022)03-0020-03风电机组主轴承滚道应力和润滑特性分析*王岳峰，黄虎，李达(太原重工股份有限公司技术中心，山西 太原030024)摘要：以兆瓦级风电机组圆锥滚子主轴承为研究对象，综合考虑轴、轴承、润滑介质和环境温度之间的热力耦合传导效应，研究滚动轴承滚道应力和滚道油膜润滑效果。

研究结果表明：内、外圈滚道均在滚子中心区 域接触应力达到最大值，内圈滚道应力要略微大于外圈滚道应力；油膜厚度分布规律与滚道接触应力分布基本一致；轴承转速对油膜厚度影响最大，润滑温度和轴向载荷的影响逐渐减小，径向载荷的影响最小；增大轴承转速，降低润滑温度，减小轴向和径向载荷有助于增大油膜厚度。

研究结果为改善风电机组主轴承的润滑性能提供了应用参考。

关键词：主轴承；风电机组；滚道应力；润滑特性中图分类号：TP391. 7 文献标识码：A0引言主轴承作为风力发电机组核心部件之一，其可靠性对机组的稳定运行起到至关重要的作用口勺。

风电 机组主轴承长期在低速重载工况下运行，轴承滚子和 滚道之间形成的润滑油膜是避免滚子滚道摩擦损伤、 确保轴承正常运行的关键⑷。

王亚彪等皈基于弹流理论研究了主轴承在极限工 况的点接触情况下的润滑油膜性能。

周江敏等页通过 计算平均雷诺流体润滑方程，研究了轴承滚子与滚道 表面纹理和硬弹比对滚子轴承混合润滑油膜的影响。

华希俊等［呦研究了激光微织构滚动轴承表面的润滑 特性和弹流动压性能。

王文中等［如研究了润滑接触中弹性变形快速数值计算方法和激光织构化GCrl5 轴承钢配副在脂润滑条件下的摩擦学性能。

许多学者 对轴承的润滑理论进行了研究，而针对风力发电机组 圆锥滚子轴承基于不同输入交变载荷、摩擦因数、润滑 温度和轴承转速下的滚道接触应力和滚道油膜润滑效 果的分析，以及对轴承滚道油膜润滑厚度与滚道接触 应力、轴承转速等参数的耦合量化关系研究还相对较 少,而轴承滚道应力和油膜润滑厚度对各工况下轴承 稳定运行至关重要。

第三章 磨擦、磨损及润滑（一）教学要求掌握摩擦副分类及基本性质、磨损过程和机理及润滑的类型及润滑剂类型。

（二）教学的重点与难点摩擦副基本性质和典型磨损过程（三）教学内容§3—1 摩擦摩擦——两接触的物体在接触表面间相对滑动或有一趋势时产生阻碍其发生相对滑动的切向阻力，——这种现角叫磨擦磨损——由于摩擦引起的摩擦能耗和导致表面材料的不断损耗或转移，即形成磨损。

使零件的表面形状与尺寸遭到缓慢而连续破坏→精度、可靠性↓效率↓直至破坏润滑——减少摩擦、降低磨损的一种有效手段。

摩擦学（Tribology ）——包含力学、流变学、表面物理、表面化学及材料学、工程热物理学等学科，是一门边缘和交叉学科。

摩擦 内摩擦——发生在物质内部外摩擦——两个相互接触表面之间的摩擦接运动状态——摩擦 静摩擦——仅有相对滑动趋势时的摩擦动摩擦本节只讨论金属摩擦副的滑动摩擦根据摩擦面间存在润滑剂的状况，干摩擦 ——最不利滑动摩擦 边界摩擦（边界润滑） ——最低要求流体摩擦（流体润滑） ——如图3-1所示混合摩擦（混合润滑） ——最理想各种状态下的摩擦系数见表3-1，图3-2为摩擦特性曲线p v f /ηλ=-的关系。

一、干摩擦——两摩擦表面直接接触，不加入任何润滑剂的摩擦而实际上，即使很洁净的表面上也存在脏污膜和的氧化膜，∴实际f 比在真空中测定值小很多。

摩擦理论：①库仑公式 n f fF F =（n F —法向力）——至今沿用机理：②机械摩擦理论→认为两个粗糙表面接触时，接触点相互啮合，摩擦力为啮合点问切向阻力的总和，表面越粗糙，摩擦力就越大。

但不能解释光滑表面间的摩擦现象——表面愈光滑、接触面越大，f F 越大，且与滑动速度V 有关。

③新理论：分子—机械理论、能量理论、粘着理论—常用简单粘着理论：如图3-3所示，摩擦副真实接触面积Ar 只有表现接触面积A 的百分之一和万分之一，)10000~100/(A Ar =，∴接触面上压力很大，很容易达到材料的压缩屈服极限sy σ→产生塑性流动→接触面↑，∴n F ↑应力并不升高 ∴sy nF Ar σ= （3-1）接触点塑性变形后→脏污膜遭破坏，容易使基本金属产生粘着现象→产生冷焊结点→滑动时，先将结点切开，设结点的剪切强度极限为B τ，则摩擦力为B sy nB r f F A F τστ== （3-2） ∴金属摩擦系数syB n fF F f στ== （3-3） B τ 两接触金属中较软者的剪切强度——剪切发生在软金属站界面的剪切强度极限B f f B ττττ<<=,（脏污表面）——剪切发生在结点金属上 sy σ——较硬的基本材料的压缩屈服极限∵大多数金属sy B στ/很相近，∴f 很相近∴降低摩擦系数的措施：在硬金属基体表面涂覆一层极薄的软金属（使）sy σ取决于基体材料，B τ取决于软金属。

2008年9月第33卷第9期润滑与密封LUBR I C A TI ON EN GI N EER I N GSe p.2008V ol 133No 193基金项目:国家自然科学基金项目(50605060)1收稿日期53作者简介曹一,男,硕士研究生,从事设备可靠性分析研究2y 6@611基于点接触的凸轮机构润滑油膜分析3曹　一　杨咸启　常宗瑜(中国海洋大学工程学院　山东青岛266100)摘要:将几种常用弹流润滑最小油膜厚度公式进行了比较,并在点接触模型的基础上给出了新的计算方法。

对油膜几个重要参数的影响进行了分析,计算了从动件不同运动规律下凸轮机构的最小油膜厚度。

结果表明:凸轮的基圆半径和转速对于最小油膜厚度有较大影响,基圆半径越大、转速越高,则油膜越厚,因此设计时应尽量采用较大的基圆半径。

关键词:凸轮机构;点接触;最小油膜厚度中图分类号:T H11712　文献标识码:A 文章编号:0254-0150(2008)9-035-4L ubr i ca t i on F il m Ana lysis of Ca m M echan ism Ba sed on Poi n t C on tactC ao Yi Ya ng X ianq i Cha ng Zongyu(Enginee ring Colleg e ,Ocean Univ e rsity of China,Qingdao Shandong 266100,China)A bstr ac t:S ever al c ommon used min i mum fil m th ickness f o r mu las of elasto 2hydr odyna m ic lub ricati on were c omparedand a new f o r mu la based on poin t contact model was given out .The influence of several i mportant p ara meters was ana 2lyzed,and the m in i mu m fil m th ickness of the cam w ith differen t f o ll ower mo tion la ws was calculated .The results show that the basic circle r adius and rotate speed aff ect the min i mum fil m thickness clearly .The bigger the basic circle radiu s is and the higher the r o tate speed is,the thicker the fil m is .When design ing the cam mechanis m,b igger basic cir cle r adiu s should be cho sen to i mp r ove the lubricati on eff ect .Keyword s :ca m mechan is m;po int c on tact;m ini m u m fil m th ickness　凸轮机构在工业领域应用非常广泛。

点接触弹流润滑的数值求解方法摘要：本文以球轴承为研究对象，并简化钢球与滚道为球与平板，基于弹性流体动力润滑理论建立点接触弹流润滑数值模型。

编写Fortran程序并通过有限差分法实现点接触弹流润滑数值模型的快速求解，探究了不同卷吸速度下的弹流润滑性能演变规律。

结果表明：卷吸速度影响油膜厚度的分布，油膜厚度随卷吸速度的增大而增大，在一定范围内较大的卷吸速度有利于球轴承的润滑。

关键词：点接触；弹性变形；润滑；数值求解1.点接触弹流润滑模型球轴承具有承受载荷能力强、服役周期长等优点，被广泛应用于车辆、工程机械等领域。

为研究球轴承的弹流润滑性能，将球轴承滚动体与滚道简化为弹性钢球与平板的接触模型，并建立点接触弹流润滑的数值计算模型。

以下是点接触弹流润滑模型的控制方程。

（1）Reynolds 方程(1)式中，x（m）表示计算域横坐标，y（m）表示计算域纵坐标，p（Pa）表示油膜压力，h（m）表示油膜厚度，u s（m/s）表示卷吸速度，η（Pa·s）表示润滑油粘度，ρ（kg/m3）表示润滑油密度。

（2）油膜厚度方程弹流润滑中的油膜厚度方程由上下接触表面的间隙和弹性变形构成：(2)式中，h0是刚体中心膜厚，用于调节载荷平衡的待定常数；R x=R y（m）是当量主曲率半径，ν（m）是表面弹性变形。

（3）粘压、密压方程在球轴承的运行中，润滑油的粘度并不是稳定的，在高压时其粘度会增加，润滑油密度受到压力的影响。

(3)(4)式中，η0（Pa·s）是润滑油初始粘度，z是实验常数，本文取0.68；ρ0（kg/m3）是润滑油初始密度。

（4）载荷平衡方程弹流润滑问题是在已知外载荷的情况下求解的，所以Reynolds方程求解出的压力需要必须满足载荷平衡条件，即求解域内压力的积分应该等于外载荷，w （N）是外载荷，载荷平衡方程如下：(5)2.求解方法本文采用有限差分法求解点接触弹流润滑模型，首先根据罗剑等[1]的方法对控制方程进行无量纲处理，此举是为了提高数值的收敛性。

大滑滚比条件下非牛顿流体线接触热弹流润滑分析唐洪伟; 王静; 孙楠楠; 朱建荣【期刊名称】《《润滑与密封》》【年(卷),期】2019(044)009【总页数】6页(P31-36)【关键词】大滑滚比; 线接触; 非牛顿流体; 热弹流润滑; 油膜温度【作者】唐洪伟; 王静; 孙楠楠; 朱建荣【作者单位】青岛理工大学机械与汽车工程学院山东青岛266520; 潍柴动力股份有限公司内燃机可靠性国家重点实验室山东潍坊261061【正文语种】中文【中图分类】TH117.2当两表面反向运动，滑滚比S>2时即为大滑滚比工况，广泛见于无保持架轴承、滚珠丝杠、凸轮-平底挺杆副等工业应用中。

如果两个表面运动方向相反，而速度大小相等时，则形成了滑滚比为无穷大并且卷吸速度为0的工况，一般称为零卷吸工况。

在大滑滚比及零卷吸工况下，热效应起着至关重要的作用，最为典型的就是形成“温度-黏度楔”凹陷[1]，也就是形成凹陷油膜形状并对两接触表面进行保护。

杨沛然和常秋英[1]进行了超大滑滚比条件下的线接触热弹性流体动力润滑分析，得到了完全数值，并获得了经典的大凹陷油膜形状。

GUO等[2]研究了稳态点接触热弹流润滑问题，并获得了经典的大凹陷形状。

YAGI等[3]使用红外测温技术，实验测得了大滑滚比下油膜、球表面及玻璃盘表面温度场分布。

零卷吸下，随着两表面滑动速度的增加，接触区内椭圆形凹陷的短轴由与速度方向重合变至垂直于速度方向，中心凹陷深度呈先增大后减小的趋势，凹陷处温度可达400 K，凹陷的形成受“温度-黏度楔”效应的影响。

YAGI等[4]后来使用拉曼光谱研究了不同滑滚比下油膜压力分布，发现大滑滚比下出现表面凹陷时，油膜局部压力增加，滑滚比大小影响油膜压力分布。

WANG等[5]数值研究了大滑滚比对存在表面波纹度的线接触热弹流润滑的影响，发现表面波纹度的弹性变形、压力和温度的波动随着滑滚比的增加而减小，随着波纹度波长的增加，弹性变形变大。

摩擦学原理复习题整理1. 简述摩擦种类及机理2. 简述磨损种类及机理1. 答：摩擦的分类:按摩擦副的运动状态：动摩擦，静摩擦按摩擦副的运动形式：滚动摩擦，滑动摩按摩擦副的润滑状态：干摩擦，流体摩擦，边界摩擦，混合摩擦摩擦产生机理：1）机械啮合理论：摩擦力源于接触面的粗糙程度。

相互接触的两物体粗糙的峰相互啮合、碰撞以及产生的塑性或弹性变形，特别是硬的粗糙峰嵌入软表面后在滑动过程中产生的形变会引起较大的摩擦力。

2）分子作用理论：这种理论认为由于分子的活动性和分子作用力使固体粘附在一起而产生滑动阻力。

被称为粘着效应。

3）粘着理论：人们从机械——分子联合作用的观点出发建立了粘着理论。

2. 答：磨损种类：点蚀磨损、胶合磨损、擦伤磨损、粘着磨损、疲劳磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损、磨料磨损。

磨损产生机理：1）磨粒磨损机理：微观切削、挤压剥落、疲劳破坏2）粘着磨损机理：通常摩擦表面的实际接触面积只有表观面积的 0.1~0.01%。

对于重载高速摩擦副，接触峰点的表面压力有时可达 5000MPa，并产生1000度以上的瞬现温度。

而由于摩擦副体积远大于接触峰点，一旦脱离接触，峰点温度便迅速下降，一般局部高温持续时间只有几个毫秒。

摩擦表面处于这种状态下，润滑油膜、吸附膜或其他表面膜将发生破裂，使接触峰点产生粘着，随后在滑动中粘着结点破坏。

这种粘着、破坏、再粘着的交替过程就构成粘着磨损。

弹性流体动力润滑和流体动压润滑分别适用于什么情况。

两个作相对运动物体的摩擦表面,用借助于相对速度而产生的粘性流体膜将两摩擦表面完全隔开,由流体膜产生的压力来平衡外载荷, 称为流体动力润滑。

所用的粘性流体可以是液体(如润滑油) ,也可以是气体(如空气等), 相应地称为液体动力润滑和气体动力润滑。

流体动力润滑的主要优点是,摩擦力小, 磨损小,并可以缓和振动与冲击。

流体动力润滑通常研究的是低副接触受润零件之间的润滑问题,把零件摩擦表面视作刚体,并认为润滑剂的粘度不随压力而改变。

用油全方位Application Guides 在轴承上使用极其广泛的润滑脂对改善轴承的润滑、降低噪声、降低轴承温升、延长轴承寿命等具有重要的作用。

润滑脂的润滑状态与润滑脂的结构、流变特性、剪切安定性、分油率等有很大关系，因此对轴承润滑脂油膜的形成及其作用机理进行深入研究显得越来越重要。

润滑脂在轴承中的润滑状态在轴承点接触区，润滑脂的润滑状态分为4种类型，即动压润滑、弹流润滑、薄膜润滑、边界润滑。

不同的润滑状态对轴承寿命、振动值等产生不同的影响。

在实际使用过程中，润滑脂通常几种润滑状态同时存本文介绍了润滑脂在轴承中的润滑状态及其在，或相互转化。

在滚动轴承中，润滑脂的润滑状态可根据其形成的油膜润滑机理，阐述了与轴承润滑脂油膜形成机理及厚度、膜厚比、摩擦系数进行分类。

影响因素相关的研究成果，同时给出了对润滑脂据文献介绍，润滑脂在滚动轴承中理油膜厚度的测量及计算方法。

想的润滑状态是弹性流体动压润滑2013 April （EHD），润滑膜是由摩擦表面相对运动所产生的动压效应形成的流体润滑膜13。

Harris T A考虑到摩擦副表面的粗糙度，认为润滑脂在轴承中的轴承润滑脂油膜的润滑状态存在边界润滑、部分弹性流体动压润滑和全膜弹性流体动压润滑第二3种状态45 。

通常用膜厚比λ来判断期形成及其影响因素润滑的类型，即：37探讨式中：hmin——接触面最小油膜厚度，μm；李涛郭小川蒋明俊σ——两接触表面综合粗糙度，中国人民解放军后勤工程学院μm；熊小龙σ1、σ2——2个接触表面轮廓的成都军区联勤部油料监督处均方根偏差，μm。

范衡波研究发现：中国人民解放军76155部队◇当膜厚比λlt1时，轴承属于边界润滑状态，会产生粘着；用油全方位Application Guides ◇当1ltλlt3时，轴承属于部分成的，它们共同起到对轴承的润滑滑脂形成的油膜厚度刚开始大于基弹性流体润滑状态，有可能发生粘作用1011 ；础油油膜厚度，随着时间的增加、着磨损；◇最近有一些新的研究指出，润滑脂结构的破坏等，润滑脂油膜◇当λgt3时，轴承属于全膜弹性在一定情况下，随着稠化剂被剪切厚度会逐渐小于等于基础油油膜厚流体动压润滑状态，可认为不会发成短纤维，其沉积在摩擦副表面，度2128。