CN102889373B - 一种改善简单滑动下线接触流体润滑的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改善简单滑动下线接触流体润滑的方法，涉及简单滑动下线接触流体润滑，在润滑入口区运动的接触表面上设计润滑油与接触表面粘着界面，使润滑油膜在该接触表面上不发生滑移；在赫兹接触区运动的接触表面上设计润滑油与接触表面滑移界面，使润滑油膜在该接触表面上发生滑移。在润滑入口区静止接触表面上设计润滑油与接触表面滑移界面，使润滑油膜在该界面上发生滑移；在赫兹接触区静止接触表面上设计润滑油与接触表面粘着界面，使润滑油膜在该界面上不发生滑移。本发明大幅降低这种线接触流体润滑中的摩擦能耗、摩擦温升，大幅改善这种线接触流体润滑的润滑状态，显著提高这种润滑条件下传动零件的工作性能并延长其寿命。

Description

一种改善简单滑动下线接触流体润滑的方法

技术领域

    本发明涉及简单滑动下线接触流体润滑的技术领域。

背景技术

简单滑动下线接触流体润滑指滑滚比为2的线接触流体润滑，它在行星轮系传动中广泛存在。滑滚比为2的线接触流体润滑属极大滑滚比线接触流体润滑，目前工程实践中它通常有如下严重问题：（1）难以形成润滑油膜，接触区承载能力下降；（2）摩擦系数较大，摩擦能耗较大，接触区发热较严重；（3）接触区容易胶合，接触区磨损较严重。润滑问题是重载大功率行星轮系传动中的关键技术难题和技术瓶颈，它制约着行星轮系传动品质的进一步提高。因此解决行星轮系传动中的润滑问题具有极其重要的工程实际意义。

       目前，解决这种条件下润滑问题的技术手段有[1]：（1）提高齿面硬度；（2）精磨齿面，提高齿面光洁度；（3）增加润滑油粘度；（4）加抗胶合添加剂；（5）采用短齿制齿轮传动。虽然这些技术手段能减轻所提线接触流体润滑中的问题，如使形成的润滑油膜更厚些、使接触区摩擦系数降低些、使接触区摩擦能耗下降和摩擦发热减轻些、使齿面磨损减轻进而缓解齿面胶合，但是它们都没有从根本上解决所提线接触流体润滑中的问题，因此不可能克服简单滑动条件下线接触流体润滑的技术瓶颈进而大幅度提高行星轮系传动的润滑品质。

       简单滑动下线接触流体润滑面临的技术难题是[1]、[2]：（1）润滑油膜剪切率高、剪应力大；（2） 接触区摩擦系数较大；（3）接触区摩擦能耗较大、摩擦温升较高；（4）高温下润滑油粘度下降，接触区承载能力显著降低；（5）接触区高温使润滑油-接触表面界面剪切强度降低，导致润滑油膜在接触表面滑移，而使接触区润滑油膜承载能力大大下降；（6）接触区润滑油膜承载能力的大幅下降使两接触表面更易发生直接接触而使接触区摩擦系数进一步增大、摩擦温升进一步升高、润滑油膜更薄、润滑油膜界面滑移更严重。这就形成了一个恶性循环，最终导致接触区润滑油膜失效、接触区温度急剧升高，导致接触表面高温下胶合失效和接触表面严重磨损。

从根本上解决以上提到的简单滑动下线接触流体润滑中关键问题的思路是: （1）大幅降低接触区摩擦系数和降低接触区温升；（2）防止润滑油膜界面滑移使接触区润滑油膜承载能力下降；（3）提高接触区润滑油膜形成能力，提高接触区润滑油膜承载能力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是简单滑动下线接触流体润滑中关键问题，本发明提出一种运用低的界面剪切强度和界面滑移技术改善简单滑动下线接触流体润滑的方法。运用本发明提出的方法不仅可大幅降低接触区摩擦系数，还可大大地提高接触区润滑油膜承载能力，极有效地防止接触表面胶合失效发生和接触表面过度磨损。

有一圆周线速度为                                               的固体即接触体一接触表面与一静止（）的固体即接触体二接触表面形成简单滑动线接触，滑滚比为=。接触体一整个表面涂覆涂层以得到界面I，即润滑油与接触体一入口区表面上涂层形成的粘着界面，从而防止润滑油膜在接触体一入口区涂层外表面上发生滑移；润滑油与接触体一赫兹接触区表面上涂层形成滑移界面即界面II，使润滑油膜在接触体一赫兹接触区涂层外表面上发生滑移。在接触体二入口区表面上涂覆以憎油涂层以形成界面III，即润滑油与接触体二入口区表面上憎油涂层形成的滑移界面，从而使润滑油膜在接触体二入口区涂层外表面上产生滑移，所涂憎油涂层为氟碳涂层、帕杰氟硅涂层或聚四氟乙烯涂层。在接触体二赫兹接触区表面上涂覆以亲油涂层以形成界面IV，即润滑油与接触体二赫兹接触区表面上亲油涂层形成的粘着界面，防止润滑油膜在接触体二赫兹接触区涂层外表面上发生滑移，所涂亲油涂层为二氧化钛涂层或硅酸铝涂层。在两接触体的接触表面间充满润滑油。滑动速度不能过大，要求无量纲滑动速度 ，此处是大气压下润滑油粘度。这样就得到本发明设计的线接触流体润滑。与同等条件下传统线接触流体润滑相比，较低滑动速度下本发明设计的线接触流体润滑具有摩擦系数低而承载能力却增大很多的优点。

当界面III处界面剪切强度接近于零时，本发明设计的线接触流体润滑无量纲中心膜厚（=，如图1所示）由下式计算：

， for   (1)

此处，，。这里， 是线接触区的载荷线密度，是润滑油的粘度-压力指数。

为保证润滑油膜在界面II上滑移而在界面I上不滑移，界面II处无量纲界面剪切强度需满足：。此处，，是界面II处界面剪切强度。为：

       （2）

此处，，、 是与、、有关的查表可知的无量纲变量。为：

    （3）

当时，可得到线接触流体润滑最低摩擦系数。对于，该摩擦系数在接触体一接触表面和接触体二接触表面处均相等，为：

      （4）

此处，为接触体一接触表面处摩擦系数，为接触体二接触表面处摩擦系数。

本发明设计简单滑动下线接触流体润滑，在润滑入口区运动的接触表面上设计润滑油与接触表面粘着界面，使润滑油膜在该接触表面上不发生滑移；在赫兹接触区运动的接触表面上设计润滑油与接触表面滑移界面，使润滑油膜在该接触表面上发生滑移。在润滑入口区静止接触表面上设计润滑油与接触表面滑移界面，使润滑油膜在该界面上发生滑移；在赫兹接触区静止接触表面上设计润滑油与接触表面粘着界面，使润滑油膜在该界面上不发生滑移。较低滑动速度下本发明设计的线接触流体润滑比同等条件下传统线接触流体润滑具有更大的承载能力（润滑油膜厚度），但它的摩擦系数值却比传统线接触流体润滑摩擦系数值低得多。这表明了本发明设计的线接触流体润滑在重载大功率行星齿轮传动中的重要应用价值。运用本发明技术可大幅降低这种机械传动润滑中的摩擦能耗、摩擦温升，大幅改善这种机械传动的润滑状态，显著提高这种传动零件的表面抗胶合能力、耐磨能力，显著提高这种传动零件的工作性能并延长其寿命。

本发明的优点：

（1）    不采用传统线接触流体润滑技术，而是分别在两接触表面上一定区域设计润滑油膜粘着界面和滑移界面，这不仅可大幅降低接触区摩擦系数，还可显著增大接触区承载能力。运用本发明技术可大幅改善简单滑动下线接触流体润滑质量。

（2）    本发明技术实现方法简单，成本低廉。

（3）    本发明设计的线接触流体润滑结构简单紧凑。

（4）    本发明技术效果显著，对于工程实际有重要应用价值。

附图说明

图1 为本发明的简单滑动下流体润滑线接触区示意图。                                   

图2 为本发明的线接触流体润滑无量纲中心膜厚及其与同等条件下传统线接触流体润滑无量纲中心膜厚的比较图。

图3为当接近于零时本发明设计的线接触流体润滑两接触表面摩擦系数 、及其与同等条件下传统线接触流体润滑两接触表面摩擦系数、的比较图。

图中，1、接触体一；2、接触体二；3、界面I；4、界面II；5、界面III；6、界面IV；A、润滑入口区； B、赫兹接触区。

具体实施方式

如图1所示简单滑动下流体润滑线接触区，任何两个反形接触表面形成的线接触均可等效成一个半径为的弹性圆柱体与一个刚性平面的接触，其中，、分别为两配对表面曲率半径，两接触体综合杨氏弹性模量为，其中，、分别为两配对表面泊松比，、分别为两配对表面杨氏弹性模量。图1中圆柱体圆周线速度为，平板静止（），滑滚比值=，这就形成了简单滑动下线接触流体润滑。这里、分别是两实际配对的反形接触表面圆周线速度。

界面I：润滑油与接触体一入口区表面上涂层形成的粘着界面；界面II：润滑油与接触体一赫兹接触区表面上涂层形成的滑移界面；界面III：润滑油与接触体二入口区表面上憎油涂层形成的滑移界面；界面IV：润滑油与接触体二赫兹接触区表面上亲油涂层形成的粘着界面。

图2 给出本发明设计的线接触流体润滑无量纲中心膜厚及其与同等条件下传统线接触流体润滑无量纲中心膜厚的比较。，。从图中看出，本发明设计的线接触流体润滑无量纲中心膜厚比同等条件下传统线接触流体润滑无量纲中心膜厚大得多。这表明同等条件下本发明设计的线接触流体润滑比传统线接触流体润滑具有更大的承载能力。

图3给出当接近于零时本发明设计的线接触流体润滑两接触表面摩擦系数 、及其与同等条件下传统线接触流体润滑两接触表面摩擦系数、的比较。，。从图中看出，本发明设计的线接触流体润滑两接触表面摩擦系数可达到较低值，相比于同等条件下传统线接触流体润滑摩擦系数值，有很大的下降。这对于重载大功率行星齿轮传动中的线接触润滑具有重要应用价值， 能大幅降低这种机械传动润滑中的摩擦能耗、表面温升，大幅改善这种机械传动的润滑状态，显著提高这种传动零件的表面抗胶合能力、耐磨能力，显著提高这种传动零件的工作性能并延长其寿命。

图2和图3表明简单滑动下本发明设计的线接触流体润滑不仅具有较高的承载能力（润滑油膜厚度），还具有较低的摩擦系数。这表明本发明设计的线接触流体润滑在工程中具有重要的应用价值。

如图1所示，当界面I界面剪切强度较高时，接触体一入口区接触表面处润滑油膜剪应力低于该界面剪切强度，润滑油膜在接触体一入口区接触表面处不发生滑移，润滑油膜在接触体一入口区接触表面处运动速度即为接触体一圆周线速度。由于界面III的界面剪切强度低，接触体二入口区接触表面处润滑油膜剪应力大于界面III的界面剪切强度，从而使润滑油膜在接触体二入口区接触表面处发生滑移；润滑油膜在接触体二入口区接触表面处运动速度不为零，其运动方向由润滑入口区指向赫兹接触区。这就使流入线接触区的Couette流动流量增加。由于界面IV界面剪切强度较高，接触体二赫兹接触区接触表面处润滑油膜剪应力低于界面IV的界面剪切强度，润滑油膜在接触体二赫兹接触区接触表面处不发生滑移，润滑油膜在接触体二赫兹接触区接触表面处运动速度即为接触体二运动线速度，这里。由于界面II的界面剪切强度较低，接触体一赫兹接触区接触表面处润滑油膜剪应力大于界面II的界面剪切强度，从而使润滑油膜在接触体一赫兹接触区接触表面处发生滑移；在赫兹接触区，由于润滑油膜粘度较高且界面II的界面剪切强度较低，故在赫兹接触区接触体一接触表面处润滑油膜运动速度约等于接触体二运动线速度，约为零。较低滑动速度下，在线接触区的赫兹接触区，如图1所示，由于润滑油膜压力较大，润滑油膜粘度较高，从而使赫兹接触区中的油压梯度引起的润滑油的流动可忽略不计，故在赫兹接触区润滑油的流动可认为是由于接触表面牵引运动引起的Couette流动。由于在赫兹接触区两接触表面处润滑油膜的运动速度接近于零，故赫兹接触区Couette流动流量接近于零。这就使流出线接触区的润滑油流量大大减小。这样，流入线接触区的润滑油流量大于流出线接触区的润滑油流量，从而迫使赫兹接触区及润滑入口区润滑油膜压力升高以产生相应压力梯度流动来维持线接触区流体流量的平衡，这就使接触区承载能力得到提高。 

本发明中线接触区润滑入口区无量纲雷诺方程是： 

                       (5)

此处，，, , 。这里，是赫兹接触半宽，是润滑膜厚，是润滑油膜压力。求解式（5）方程可得上文中式（1）所示本发明设计的线接触流体润滑无量纲中心膜厚计算式。

滑动条件下线接触区摩擦阻力主要来自赫兹接触区，故本发明中接触体一接触表面处摩擦力为：

                                                     （6）

因此接触体一接触表面处摩擦系数为：

      （7）

此处，、 是与、、有关的查表可知的无量纲变量。较低滑动速度（）下，由于赫兹接触区润滑油膜压力分布的对称性，故赫兹接触区接触体一接触表面处摩擦力与接触体二接触表面处摩擦力接近相等，这样接触体二接触表面处摩擦系数为。

在传统线接触流体润滑中，无量纲中心膜厚由下式计算[4]:

       (8)

此处， 是最大赫兹接触压力,  是当两接触表面处均不出现润滑膜滑移时线接触流体润滑无量纲中心膜厚。

在传统线接触流体润滑中，滑动条件下润滑油膜在赫兹接触区几乎整个接触表面上均发生滑移，故两接触表面处摩擦力接近相等，均为：

         (9)

此处， 是低压下传统线接触流体润滑中润滑油膜与接触表面界面剪切强度，为一常数。 故得滑动条件下传统线接触流体润滑两接触表面摩擦系数为：

            (10)

此处 。 

对于给定的工况，比较式（1）和式（8）计算结果及本发明设计的线接触流体润滑两接触表面处摩擦系数与式（10）计算结果，可发现简单滑动下本发明设计的线接触流体润滑摩擦系数比同等条件下传统线接触流体润滑摩擦系数低得多，而本发明设计的线接触流体润滑中心膜厚（或承载能力）比同等条件下传统线接触流体润滑中心膜厚（或承载能力）要大。这表明了简单滑动下本发明设计的线接触流体润滑具有低摩擦系数和较高承载能力的优点，能克服上述行星齿轮传动中的润滑难题，具有较高的工程应用价值。

实施例：

接触体一和接触体二均由刚材制成，在界面III处的接触体二表面上涂覆以强憎油性的氟碳涂层，在界面IV处的接触体二表面上涂覆以强亲油性的二氧化钛涂层，润滑油为50号机械油，则，，，；取：（1）当、时，在接触体一整个表面上涂覆以经硅烷偶联剂改性的云母粉涂层，可获得，本发明线接触流体润滑中心膜厚为，两接触表面摩擦系数为==。如图2所示，本发明线接触流体润滑中心膜厚大于传统的线接触流体润滑中心膜厚。如图3所示，本发明线接触流体润滑接触表面摩擦系数小于传统的线接触流体润滑接触表面摩擦系数。

（2）当、时，在接触体一整个表面上涂覆以经硅烷偶联剂改性的云母粉涂层，可获得，本发明线接触流体润滑中心膜厚为，两接触表面摩擦系数为==。如图2所示，本发明线接触流体润滑中心膜厚大于传统的线接触流体润滑中心膜厚。如图3所示，本发明线接触流体润滑接触表面摩擦系数小于传统的线接触流体润滑接触表面摩擦系数。

（3）当、时，在接触体一整个表面上涂覆以经硅烷偶联剂改性的云母粉涂层，可获得，本发明线接触流体润滑中心膜厚为，两接触表面摩擦系数为==。如图2所示，本发明线接触流体润滑中心膜厚大于传统的线接触流体润滑中心膜厚。如图3所示，本发明线接触流体润滑接触表面摩擦系数小于传统的线接触流体润滑接触表面摩擦系数。

（4）当、时，在接触体一整个表面上涂覆以经硅烷偶联剂改性的云母粉涂层，可获得，本发明线接触流体润滑中心膜厚为，两接触表面摩擦系数为==。如图2所示，本发明线接触流体润滑中心膜厚大于传统的线接触流体润滑中心膜厚。如图3所示，本发明线接触流体润滑接触表面摩擦系数小于传统的线接触流体润滑接触表面摩擦系数。

Claims (3)

1.一种改善简单滑动下线接触流体润滑的方法，其特征在于，圆周线速度为                                               的接触体一的接触表面与静止的接触体二的接触表面形成简单滑动线接触，，滑滚比为=，、分别是两实际配对的反形接触表面圆周线速度；接触体一的整个表面涂覆涂层以得到界面I，即润滑油与接触体一入口区表面上涂层形成的粘着界面；润滑油与接触体一赫兹接触区表面上涂层形成滑移界面即界面II；在接触体二入口区表面上涂覆以憎油涂层以形成界面III；在接触体二赫兹接触区表面上涂覆以亲油涂层以形成界面IV；在接触体一与接触体二的接触表面间充满润滑油；要求接触体一的无量纲滑动速度：，是大气压下润滑油粘度，，、分别为两配对表面曲率半径，为两接触体综合杨氏弹性模量，其中，、分别为两配对表面泊松比，、分别为两配对表面杨氏弹性模量。

2.根据权利要求1所述的一种改善简单滑动下线接触流体润滑的方法，其特征在于，所述憎油涂层为氟碳涂层、帕杰氟硅涂层或聚四氟乙烯涂层。

3.根据权利要求1所述的一种改善简单滑动下线接触流体润滑的方法，其特征在于，所述亲油涂层为二氧化钛涂层或硅酸铝涂层。