首页 >> 技术文章

（一）流体润滑
        在摩擦副对偶表面之间，有一层一定厚度（一般在1. 5~2μm以上）的粘性流体润滑膜，由这层润滑膜的压力平衡外载荷，使两对偶表面不直接接触，在两对偶表面作相对运动时，只在流体分子间产生摩擦，这就是流体润滑。
        在流体润滑中，根据润滑膜压力产生的方法，润滑方式可分为以下几种。
        1.流体动压润滑
        流体动压润滑，系由摩擦副对偶表面的几何形状和相对运动，并借助粘性流体的内摩擦力作用而产生润滑膜压力，从而平衡外载。
        雷诺在1886年应用流体力学中纳维一斯托克斯方程推导出计算流体润滑膜压力分布的方程，以后称为雷诺方程，该方程成功地揭示了润滑膜压力的形成机理，从而为流体动压润滑奠定了理论基础。
        流体动压润滑膜压力，通常由以下四个效应决定。
        (1)动压效应  图1a可说明流体动压润滑膜的形状特征及所产生的动压效应。当下表面相对上表面以速度u运动时，沿运动方向的间隙逐渐减小，剪切流动引起的润滑剂从大口流向小口的流量也逐渐减小，不符合流量连续条件，只有产生如图所示的润滑膜压力分布，由压差流动减小大口流入流量和增大小口流出流量，才能保证流过各断面的流量相等，从而满足流量连续条件。
        (2)伸缩效应  图1b可以说明伸缩效应。当对偶表面由于弹性变形或其它原因使其速度沿运动方向逐渐减小时，剪切流动引起的流量沿运动方向也逐渐减小，因流量连续必然会产生如图所示的润滑膜压力分布（在通常的润滑间题中，伸缩效应并不显著）。
        (3)变密度效应  图1c可以说明变密度效应。当润滑剂密度沿运动方向逐渐降低时，即使各断面的体积流量相同，其质量流量沿运动方向仍是逐渐减小的，因质量守恒，则必然产生如图所示的润滑膜压力分布。密度的变化可以是润滑剂通过间隙时由于温度逐渐升高而造成的，也可以是外加热源使表面温度变化而产生的。虽然变密度效应产生的润滑膜压力并不高，但是这种作用可以使相互平行的对偶表面具有一定的承载能力。
        (4)挤压效应  图1d表示两个平行表面在法向力作用下相互接近，使润滑膜厚度逐渐减小而产生压差流动，此称挤压效应。当两个表面相互分离时，将导致润滑膜破坏和产生空穴现象。动压效应和挤压效应通常是形成润滑膜压力的两个主要因素。

  图1 润滑膜压力形成机
      a)动压效应b)伸缩效应c)变密度效应d)挤压效应

        2.弹性流体动压润滑
        弹性流体动压润滑理论是流体动压润滑理论的重要发展，它主要研究名义上是点线接触的摩擦副润滑问题（如齿轮副、滚动轴承等）。名义上点线接触摩擦副的接触应力是非常高的（可达1～4GPa )，在这样苛刻的高压条件下，按照经典的润滑理论，很难想象润滑剂能存在于对偶表面之间并将它们隔开来，然而多年的实践却证明了润滑良好的齿轮、滚动轴承即使经过长时间的工作以后，其工作表面仍无磨损痕迹（如“玛丽皇后号”经过多年横渡大西洋的航行后，其上的齿轮加工痕迹仍然清晰可见），这说明两对偶表面确实已被润滑膜所隔开。出现上述观测结果与理论分析不一致的原因是，经典的润滑理论未考虑粘压效应和弹性变形效应，这两个重要效应都有利于提高润滑膜的承载能力。
        为了分析弹性流体动压润滑机理，首先观察一下对偶表面干接触时的情况。图2a所示模型是弹性圆柱体与一刚性平面干接触的情况。在载荷作用下，弹性圆柱体发生弹性变形，使线接触变成了小面积接触，载荷所造成的接触压力常称为赫兹压力，其分布情况是在接触区域内成抛物线形分布，中间的压力最高而至边缘降低为零。。
        赫兹接触条件是弹性流体动压润滑的主要特点，它建立了接触面的整个形状：先是一个非常狭长的收敛区(进口区），紧接着是赫兹区（平面区），最后是发散区（出口区）。收敛区的作用是产生流体动压力将两对偶表面隔开（如图2b所示），因为对偶表面是收敛的，故对偶表面能带人润滑剂而产生流体动压力；随着收敛区压力增大，润滑剂的粘度也随之升高，粘度越高产生的流体动压力也就越大。当润滑剂到达赫兹区的前缘时，润滑剂的粘度便增加一个数量级，流体动压力便能达到典型值0.14GPa。赫兹区的最高压力可高达典型值1.4GPa，远远高于收敛区能产生的流体动压力。尽管如此，流体动压力还是能将两对偶表面隔开，因为流体动压力能克服赫兹区前缘的压力而将前缘分开。润滑剂一旦进入赫兹区，其粘度将迅速增加若干数量级而变成半固体甚至固体，同时润滑膜又很薄，且通过赫兹区的时间又极短（以ms计），因此赫兹压力就没有足够的时间与能力将润滑剂挤压回去，从而达到由润滑膜将赫兹区两对偶表面隔开的目的。弹性流体动压润滑膜的压力，除赫兹区前缘和后缘外，润滑膜的压力分布非常类似赫兹压力分布，后缘的局部高压和局部颈缩是保持流量连续的结果。

        3.流体静压润滑
        流体静压润滑的特点：
        1)由于摩擦副对偶表面是依靠外来压力润滑剂分开的，润滑膜的形成与对偶表面的几何形状、相对运动无关，因此，两对偶表面可以在各种相对运动速度下得到润滑，且具有较高的承载能力。
        2)流体静压润滑能始终保持摩擦副处于流体润滑状态，因此，其摩擦力始终较小，当然也就不会产生严重磨损和大的功率消耗。这对于需要经常起动、停车、逆转和速度变化的摩擦副而言，可以大大延长其使用寿命。
        3)精度高，精度保持性好，刚度也较高。
        4)对摩擦副对偶表面的要求不高（如材料的抗磨性等）。
        5)具有较高的抗振性，静压润滑膜具有良好的吸振性，运动均匀平稳。
        6)流体静压润滑的缺点是需要一套供油系统，并且应对润滑剂进行严格过滤，因此，其结构复杂，制造和使用成本较高。
        4.流体动、静压润滑
        流体动、静压润滑是近代出现的较先进的润滑方式，其原理是综合利用动压和静压润滑的优点，避免两者的缺点。
        它的工作原理是：当摩擦副起动、制动、正反转、载荷变化等动压润滑条件不能满足时，投入静压润滑，以保证流体润滑条件；而当摩擦副已进入稳定运行并形成动压润滑膜时，就停止供给压力润滑剂（即停止静压润滑）。这样既避免了静压系统能量的消耗，同时也保证了起动、制动等情况下的流体润滑条件，从而达到降低成本，延长机械寿命的目的。