润滑结构分类及特性分析

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：即使状态相同，根据负重等不同，也可将润滑结构分为边界润滑、混合润滑式和油膜润滑三种。图9-2 轴颈轴承和滑动轴承的润滑状态润滑是液体的流动，因此应符合下述牛顿黏性定律。此领域的润滑特性可以采用黏性液体相关问题，称为油膜润滑领域。边界润滑在发动机起动或停止时活塞和活塞环等发动机各部分中发生。往复式内燃机的各部件润滑在正常状态下进行油膜润滑。

即使状态相同，根据负重（或油膜状态、摩擦系数）等不同，也可将润滑结构分为边界润滑、混合润滑式和油膜润滑三种。对于这些方面通过对内燃机的最常见的两种润滑状态，即对轴颈轴承和滑动轴承进行分析。轴颈轴承和滑动轴承的润滑状态如图9-2所示。

图9-2 轴颈轴承和滑动轴承的润滑状态

润滑是液体的流动，因此应符合下述牛顿黏性定律。

式中，U为油膜厚度h之间的速度差。通常，轴颈轴承的一侧为停止状态，另一侧为以速度N旋转，即以圆周速度U_b旋转。如果轴颈的半径为r，则可以用下述公式表示圆周速度：

如果轴颈轴承间隙内压力为p，摩擦系数f可以定义为

通过此公式可以推导出：

在上述公式中，如果间隙（油膜厚度）h和轴颈轴的半径r一定，则可以表示为

式中，C为比例常数；μ、N、p分别为润滑油的黏度、轴的旋转速度、油膜内的压力。上述公式右侧无量纲变量μN/p对于滑动轴承是μU/（pb）。其中U为速度；b为滑动轴承的运动方向宽度（垫）；μ、p分别为润滑油的黏性系数（黏度）和单位投影面积的负重（或压力）。

实际轴承测量摩擦系数f和无量纲变量μN/p之间的关系，表现为图9-3所示的倾向。这是轴颈轴承的斯特里贝克（Stribeck）线图。其中，摩擦系数f的最小点B的右侧为μN/p随f的增加成正比增大的领域，可以适用式（9.3）。此领域的润滑特性可以采用黏性液体相关问题，称为油膜润滑领域。

图9-3 轴颈轴承的斯特里贝克线图

另一方面，如果黏性系数μ非常小，或者轴承压力（单位面积的负重）p非常大，无量纲变量μN/p的值会到点B的左侧领域。此领域的润滑油油膜非常薄，以微量的分子层支撑，处于金属之间发生相互接触的状态，称为边界润滑。

斯特里贝克线图的摩擦系数f可以表示为

f=αf_S+（1-α）f_L （9.4）

式中，f_S为固体表面直接接触的干燥摩擦系数；f_L为液动摩擦系数；α为物体之间的接触常数，是0～1范围内的值。

1.边界润滑

在式（9.4）中，如果物体之间的接触常数为α→1，摩擦系数为f→f_S，摩擦为接近固体摩擦的边界润滑，边界润滑膜厚度非常小，仅为几个或1个分子层（几百埃～10^-3mm）左右的厚度，无法防止固体凹凸表面之间金属的摩擦。因此，边界润滑中，润滑的同时部分固体之间产生摩擦，导致摩擦面的磨损。

在边界润滑条件下，两个固体表面之间的摩擦（或摩擦系数）在本质上与速度无关，与固体表面的性质和润滑油的性质有关。固体表面有粗糙度、硬度、弹性、塑性、剪切强度、热传导等物理特性和润滑油的固体润湿能力。在边界润滑状态，如果摩擦力（负重）下降，会转移到混合润滑领域。

边界润滑在发动机起动或停止时活塞和活塞环等发动机各部分中发生。此时燃烧压力（或负重）高或滑动速度低，或气缸壁表面的温度高，润滑油的黏度降低，可能会发生固体摩擦，从而导致摩擦面之间的黏附。因此在边界润滑条件下应使用黏性较高的润滑油。

2.油膜润滑

在式（9.4）中，如果物体之间的接触常数为α→0，摩擦系数为f→f_L，处于油膜润滑状态。此时，油膜厚度很充分，不存在金属之间的接触。因此，在油膜润滑中对负重均由通过油压支撑，因而形成理想的润滑状态。

在油膜润滑条件下，没有金属之间的接触，摩擦系数与固体表面的性质无关，仅与润滑油的黏性系数μ有关。因此，固体表面的磨损非常小，摩擦损失也仅存在与润滑膜内。但是，如果相对运动速度较大，油膜的切应力就会增大，摩擦系数会重新增加。

油膜润滑中摩擦力F_t通过油膜的剪切力τ产生，因此应符合下述牛顿定律：

式中，A为油膜的液动面积；μ为润滑油黏度；dU/dh为滑动速度斜率；U为滑动速度；h为油膜厚度。

往复式内燃机的各部件润滑在正常状态下进行油膜润滑。但是，如果出现突然的负荷或速度变化，或机械性振动，因油膜厚度变薄，可能会脱离油膜润滑状态进入混合润滑式或边界润滑状态。

3.混合润滑式

混合润滑式是边界润滑与油膜润滑之间的状态。在混合润滑式状态，油膜润滑和金属之间发生摩擦的边界润滑间歇地出现，会伴随接触面之间的少量的磨损。因此，摩擦系数不仅与润滑油的黏度有关，还与表面粗糙度、固体材质、滑动速度、单位面积的负荷等有关。混合润滑式中，如果负重高，则会成为边界润滑状态，会出现金属的弹性变形和金属之间的接触摩擦，化学因素会成为重要影响因素。

润滑结构分类及特性分析

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