表面磨损对润滑性能的影响研究

• 作 者: 王文中 胡元中
• 机 构: 北京理工大学机械与车辆工程学院 100081 清华大学摩擦学国家重点实验室,100084
• 出 处: 2008全国青年摩擦学与表面保护学术会议
• 发表日期: 2008年8期
• 关键词: 表面磨损 润滑性能 零部件 表面粗糙度

表面磨损是零部件工作表面在相对运动过程中的必然结果。当表面磨损量大于表面粗糙度时，磨损将显著影响零部件的性能，甚至寿命。因而在设计阶段有效地评估零件在工作过程中的磨损是非常重要的。然而由于磨损机理的复杂性、多样性以及有效混合润滑模型的缺乏，目前仍缺乏有效的磨损润滑耦合预测模型。近年来，混合润滑问题的理论建模和数值求解取得了显著的进步，其中最成功的模型之一是Hu和Zhu提出的统一Reynolds方程系统模型。统一Reynolds方程系统模型可模拟从全膜润滑到边界润滑的不同润滑状态和转变，能有效地处理润滑中的接触现象。该模型可确定性地给出接触区的压力分布，油膜厚度，微凸体的变形，表层应力和界面温度，同时能准确预测表面的直接接触和发生位置，为模拟润滑接触中的表面磨损提供了有效的手段。本文基于确定性混合润滑模型和Archard型磨损规律，数值模拟了润滑接触中的磨损过程及其对润滑性能的影响。
润滑接触问题主要是联立求解Reynolds方程，弹性变形方程，膜厚方程和力平衡方程。当表面直接接触时，表面将经历磨损过程。考虑表面磨损后的膜厚方程为：h=h0(t)+BxX2+ByY2+δ1(x,y,t)+δ2(x,y,t)+V(x,y,t)+W1(x,y,t)+W2(x,y,t) (1)其中W1,W2为表面1和2的磨损量。目前在文献中存在约180个磨损方程，涉及300多个变量。经系统研究存在的磨损方程，发现表面磨损量基本和表面接触压力、相对滑动速度以及材料硬度等量相关，可写成如下的形式：dW/dt=k Pauβ/Hy其中dW/dt为磨损率，k为磨损系数，与不同配对材料和工况条件相关；p，u，H分别为接触压力，相对滑动速度和表面硬度。α，β和γ为常数，不同的磨损公式中取值不同，本文基于Archard公式预测磨损量，因而α=β=γ=1。
在模拟过程中，首先进行润滑计算，获得表面压力和接触信息；然后计算接触点磨损量，获得新的磨损后的表面，重新进行润滑计算，直到设定的磨损过程结束。经以上模拟过程，可获得表面磨损对零件润滑性能的影响规律，其典型结果如图1所示。由图可见，在磨损初期，表面粗糙度有剧烈变化，光滑表面Ra值显著增大，正弦表面Ra值显著减小；接触区平均膜厚有明显增大。当进入正常磨损后，磨损量线性增大，接触区平均膜厚变化趋稳。比较磨损前后，接触面积有明显减小，接触区承担的载荷也相应地减小，平均膜厚有明显增大，表明经过适当的磨损后，两接触表面趋于相互适应，有利于有效润滑膜的建立。