单面界面滑移对阶梯轴承润滑性能的影响研究

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第 10期2013年 1O月机械设计与制造Machinery Design & Manufacture l67单面界面滑移对阶梯轴承润滑性能的影响研究李 刚，张勇斌，蒋学东(常州大学 机械工程学院，江苏 常州 213016)摘 要：由界面滑移理论模型可知，在传统阶梯轴承固体和液体交界处，如果界面处应力达到极限剪应力时，润滑剂就会发生界面滑移，此时润滑膜会失效，这将大大降低润滑膜的承载力。因此，很有必要研究界面滑移对轴承润滑性能的影响。考虑润滑油膜在阶梯轴承入口区静止接触表面上滑移而避免润滑油膜在轴承其他表面上滑移，给出了阶梯轴承润滑油膜承载能力和摩擦系数分析结果。算例得出，在一定工况下这种轴承的承载能力因界面滑移而提高，而其摩擦系数却因界面滑移而下降。

关键词：界面滑移；阶梯轴承；承载能力；摩擦系数中图分类号：TH16；TH133．3；T117．2 文献标识码：A 文章编号：1001—3997(2013)10—0167—04Research of the Efectof Single Interface Slip on the Propertiesof Ladder Bearing LubricationLI Gang，ZHANG Yong-bin，JIANG Xue-dong(Changzhou Colege of Mechanical Engineering，Changzhou University，Jiangsu Changzhou 213016，China)Abstract：The hydrody narnic lubrication theory with the boundary slippage indicates that，if the interfacial shear stressexceeds the inteoCacid shear strength，the boundary slippage may occur and it may result in the lubrication lm colapse orevenfailure．Thus， an example，it is necessary to explore the efect ofthe boundary slippage in a hydrodynamic sliderbearing．Consideringthe boundary slippage atthe staionary surface inthe bearinginlet zone butthe aJbsent boundary slippageat other bearing su~eaces，it presents the andytical results of the load-carrying capacity and friction coefficient of ahydrodynam ic step bearing．Exemplary calculations show that in certain operating conditior~，because of the boundaryslippage，the load-carryingcapacityofthe bearingwill be improved butthefriction coeficientofthe bearingwill be reduced.

Key W ords：Boundary Slippage；Step Bearing；Load-Carrying Capacity；Friction Coeficient1引言流体流动的边界条件是决定流体动力学效应的主要因素之一
。 经典流体力学和润滑力学均基于一个相同的重要假设：在固体和液体的交界面上没有滑移，即所谓的无滑移边界条件。然而，随着科技知识和实验条件的进步，越来越多的研究结果表明当界面剪应力小于界面剪切强度时不会发生界面滑移，但当界面剪应力达到界面剪切强度时就会发生界面滑移。

文献【 】j生熔凝石英玻璃管实验中，发现水和水银产生了界面滑移，滑移长度随着温度的升高而缩短。文献 研究了半润湿滑动轴承的润滑性能，发现界面滑移能降低摩擦力，但润滑压力随之降低。文献 l贝lJ使用修正的滑移长度模型发现具有不同滑移性质的滑块轴承的承载能力获得提高。文南幞 验研究了微球—平面接触亚微米间隙条件下液体膜的摩擦力，揭示了不同界面润湿胜的影响。文献唯 高速轻载条件下测量了环块接触的摩擦系数 ，结果表明光滑的非润湿表面可以产生低的流体润滑摩擦系数。文献 研究得出，轴承表面一定区域界面滑移对轴承承载能力有增强作用但使轴承摩擦系数下降。

分析研究了阶梯轴承人口区静止接触表面上表面滑移对轴承承载能力和摩擦系数的影响。界面滑移仅在轴承入口区静止接触表面上发生，轴承其它接触表面处均不发生界面滑移。将相同工况下本滑移轴承承载能力和摩擦系数分别与(无界面滑移)传统阶梯轴承承载能力和摩擦系数进行比较。结果发现，一定工况下本轴承的承载能力因界面滑移而提高，提高量可达(133—441)％；而其摩擦系数却因界面滑移而减小，减小量可达(18～74)％。

2分析模型研究发生界面滑移的阶梯型滑块轴承，轴承人口区静止接触表面处界面剪切强度具有较低值，以使该界面处剪应力最先达到界面剪切强度，发生界面滑移。轴承入口区运动接触表面处和轴承出口区静止接触表面、运动接触表面处界面剪切强度均具有较高值 ，以使这些接触表面处都不发生界面滑移。因此根据上述分析，需要两种不同的涂层18 ol。(1)涂层与流体间相互作用较弱，使轴承人口区静止接触表面处剪应力达到界面剪切强度，发生界面滑移。(2)涂层与流体问相互作用较强，使接触表面处的界面剪来稿日期：2012—12—06基金项目：国家 自然科学基金主任基金项目(51145016)；常州市科技局应用基础研究项 目(CJ20120033)作者简介：李 刚，(1983一)，男，河南周口人，硕士研究生，主要研究方向：摩擦学；张勇斌，(1971一)，男，浙江仙居人，教授，博士，主要研究方向：摩擦学，工程表面技术，微纳米力学168 李 刚等：单面界面滑移对阶梯轴承润滑性能的影响研究 第10期切强度大于界面剪应力，不发生界面滑移。

所研究的轴承，如图 1所示。轴承上接触表面静止，该接触表面与润滑膜界面称为上表面。轴承下接触表面以速度运动 ，它与润滑膜的界面称为下表面。设滑块尺寸分布及油膜厚度，如图1所示。

不滑移界面切强度为图 1人 口区静止表面界 面滑移阶梯轴承Fig．1 A Hydrodynamic Step Bearing with the Boundary Slippageat the Stationary Surface in the Inlet Zone3分析推导分析基于以下常用假设 ：(1)忽略体积力的作用；(2)两接触表面为刚性且光滑；(3)流体不可压缩且等粘度；(4)流体一接触表面的界面剪切强度不依赖于流体压力；(5)流体流动为一维流动且为层流；(6)沿膜厚方向压力为常值；(7)流体的惯性忽略不计；(8)工况为等温和稳态。

3．1轴承“B”子区润滑分析在“B”子区，界面滑移仅在上表面发生，上表面界面剪切强度为Ts ；当上表面界面剪应力超出界面剪切强度时，润滑油膜在上表面滑移。

在“B”子区上、下表面处，剪应力分别为：Ta,B=T
s。 (1)一 (2)式中：P—润滑膜压力； 人 口区的润滑膜厚度； 坐标；剪应力；剪应力中下标 a,b分别代表上 、下表面处，下标 A、分别代表轴承出口区、人口区。

“B”子区上、下表面处的流体滑移速度?吩别为：Au s = 一 誓：^ (3)“B”子区界面滑移条件It1~：Aum

根据雷诺方程 粤 =12Fuph一1 [11,此处， = 1 f?h
"一
rl ClX ‘ Z ? ^2 则有：粤：A (5)式中：A．： 3 肮
。
一 3u 一3q 71／h ，P一流体密度；g -单位接触长度上通过接触区的流体体积流量，q =q／p。

根据式(5)和边界条件pIx=L
2
=0，可得“B”子区的润滑膜压力为：p=A ( —z ) (6)式中：2厂 “B”子区的宽度，且在x-O处润滑膜压力p =-A．z 。

3．2轴承“A”子区润滑分析在轴承“A”子区上、下表面处和润滑膜内均不发生滑移。则在“A”子区上、下表面处，剪应力分别为：tr = +争誓 (7)r¨ ：叩 一 誓h (s)“A”子区上、下表面处流体滑移速度?吩别为：△ =0 △ =^0 (9)“A”子区上、下表面处不发生滑移l】1的条件是：I ． I< 1r l订 (1o)此处，“A”子区上、下表面和“B”子区下表面用的为同一种涂层，则“A”子区上、下表面处界面剪切强度均为。

“A”子区雷诺方程[11为 ：誓=12f“p 12g ?)此处， 一u12。由式(11)得：=A， (12)此处，A2=-6url／h~-12q 帆：。

根据式(12)和边界条件p =0，可得“A”子区的润滑膜压力为：p=A2(x+l。) (13)式中：z广 “A”子区的宽度，且在 x=0处润滑膜压力P 。=-A z。。

3．3轴承承载能力和摩擦系数根据 x=0处润滑膜压力的连续性条件，可知本轴承的最大压力为：Pmax,slip-pl _-A112=A2 Z1 (14)式中：下标 slip一所研究的轴承。定义 -2。／／ 和rh=hJh 。由式(14)解得单位接触长度上通过接触区的流体体积流量为：： 噍 (15)2r／(1+ )润滑膜的最大压力为：p ．p-pIx_-O=G( ) ( - ) (16)其中，G( )=一6 ：(rh+km-2k rh)／(1 )(1+ )及k =。
h
。 ；参数 km．q,、1"h和 G( )都是无量纲的。

本轴承单位接触长度上承受的载荷为：~Pmax,slip -G( ) (1+12) )No．10Oct．2O13 机械设计与制造 169面处摩擦系数分别为：一 [ + ] ．s _ I J ¨
fb,slip=0~[揣 ％ 1其中，a=h ／(f．+f：)。

3．4无量纲化将以上求得的结果无量纲化，定义无量纲参数 为：箍 萧 ，本轴承单位接触长度上无量纲载荷为：备 ) (21)无量纲最大润滑膜压力为：P
max,slip 裔 )_ (2)通过分析可得，当~op,=2 -rh一丁时
，G( )达到最大值；此时，轴承承载能力达到最大。故：黼1- (23) ( +)(1+2 )3．5本轴承流体润滑条件由于轴承下表面运动速度方向与 轴的正方向相反，故单位接触长度上通过接触区的流体体积流量 g <0，由式(15)可得：k
m
>上 (24)2+4qtrh>』L (25)2rh一1定义 ： ，由式(4)可得：= >1+G( )(1 ) (26)由式(10)可得：'T
sa
>k
m
rh+ 1 (27)1 (28)使本轴承产生流体润滑的条件是式(25)、(26)、(27)。

3．6传统阶梯轴承分析结果传统阶梯轴承是入口区和出口区的上、下表面处都没有发生界面滑移。在“B”子区和“A”子区运用雷诺方程并根据边界条件，可得出润滑膜最大压力和接触区单位接触长度上承受的载荷分别为『9】：‰ ．? ha (· r +1)Or 凡0 I +J J(29)(30)此处 ，F标 cony代表传统 阶梯轴 承 ，式 中的其它相关参数定义见上文。根据式(20)所定义的无量纲参数，将式(29)、(30)无量纲化，得 ：? 萧 ，l ： 3 1 一’ ( + ) +)(1 )?传统阶梯轴承上、下表面处摩擦系数分别为 ：，： f!： ： [!： ： ： ! 】_1( 3)【 W
一 【1 ) J，?
： f!： =： [!：r^： =： ： 圭¨ ( 4)【 W (1 ) J4结果和讨论根据以上分析结果，轴承润滑膜压力分布，如图2所示。在“B”子区和?A’子区，润滑膜压力均为线性分布，润滑膜最大压力出现在两个子区的边界位置。 值如图3所示。

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2图2所研究轴承润滑膜压力分布简图Fig．2 Schematic Picture of the Fluid Film PressureDistribution in the Present Bearing图3 — 关系曲线Fig．3 The Versus CurveNo．10第二种工况： =2，咖 ：4·9；第三种工况： ，咖 =1 1．5。

这所示。一定工况下，本轴承承载量因界面滑移显者增 ’ 八阻”达(133-441)％。

5导一种奄生界面滑移的阶梯轴承c轴承入口区静止? 接触表面处发生界面滑移，轴承其它接触表回处列1、反土钟’叫羹 滑移显著 (1)相比传统阶梯轴承，本轴水_取车曳再笆，]刚闪开到很增大’承
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同时，本轴承上、下表面摩擦系数 (2)在获得高 同时，本轴承上、r农 、却因界面滑移而减小，减小~ t(18 74)％。

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w 1oad c0ntacts[J]．Proc．1nstn·M。 h·Engr ‘ n ’ ??’[4]Salant,R．F．andF。rtier，A．E．Numericalanalysis ofa 。rh。aringw hahetemgene s幽 slip surface【J_． b．Trans．,204(47)：328—334·r ]Fnrt Pr，A．E，and salant，R．F—Numerical analysis of a j。umaI bea门 g?
wIlha e【)us slip／n s曲 ：e EJ3．ASME J· ，2005(127)：．
w．，哪 z，A．。sch r，J．A．,eta1．The efect。f wening oI1 thmicrohvdr0dynamics。f surfaces lubricmed with w T and。iI[j]．Wear,f71 ch0。，J．H．，GI。vnea，R．P．，F0rrest，A．K·， A l0w㈨ i。nbeanngbased。nliquid slip thewaI1 ．Trib． 2007，129(3)：611-62o·f81 zhang，Y．B—B。u丌dary slippage f0r generating hydrodynam 。l。ad一帆 ca ty叭 App1．Math．Mech． 2008，29(9)： 5 川 4·『91 zhang，Y．B．B。undary slippage f0r improving h。1。．ad明d frictio
、
“。erfo ance。f a st印beaTing[J]-Tr卸s．can．s叭Mech．Eng，2om 4g73 —387.

f 1O]张焕，周里群，刘亚．涂层界面结合力的滑移线场的计算与分析【Jj·机械设计与制造，2009(10)：27—29·(zhang Huan，zh0u _qun，IJiu Ya-The calcu1a‘i “ “d “ ly byslj。-1ine矗eld f0r interfaci al adhesi。n。f e1ectr。dep0sited nick l 。at1ng『I]．Machinery Design&Manufacture，2009(10)：27—29·)f l1 1 Zh帅g，Y．B．and Wen，s．z-An a丌alysis。f elast。hydr0dynamic
．
1ubrieationwith mmng sheaT stTess：P I—The。ry and s0】ut|ons[j]·TribologyrTansacti0ns，2002(45)：135-144.

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