含油结合面的接触特性研究

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结合面间的接触特性是影响机床性能的重要因素。当前的机械设备及零件表面都会有油膜存在,机械固定结合面间也会存在油膜,油膜具有一定的承载力,因此结合面间油膜刚度也将对结合面接触刚度产生一定的影响。而现有文献中基本都是对纯净无油表面进行研究,与实际情况不符,因此得到的结果会与实际结果有所差距。本文在对结合面接触特性的研究中考虑了润滑油的影响,主要从以下几个方面对接触特性进行了研究:(1)真实加工表面轮廓数据进行统计特征及分形特征研究。主要研究了在不同膜厚下含油结合面的状态,分析了不同状态下结合面接触刚度的分配方式。不同加工方式所对应的真实加工表面轮廓是完全不同的,因此结合面特性也完全不同。本文通过用非接触测量法获得真实磨削样本表面数据,之后用Matlab建立在不同采样间隔下的三维模型,并计算了三维表面统计参数数值,主要是高度参数及部分功能参数的数值,分析得到不同分辨率下磨削表面高度均符合正态分布从而得到功能参数数值。随后对两表面通过快速傅里叶变换Fast Fourier transform(fft)得到二维轮廓图及频谱曲线。根据WM函数及功率谱密度法Power Spectral Density(PSD)获得了表征在双对数坐标中的分形维数D和分形粗糙度G。分析得到在磨削加工工艺下,不同样本表面上分形特征以及统计特征是一致的,为之后的接触理论建模研究奠定了基础。(2)应用了分形理论、微凸体连续变形理论及油膜部分两种不同模型建立含油结合面的法向接触刚度模型。对处于该状态下的结合面接触特性进行了分析,分析得知处于此种状态时,结合面的接触刚度由固体与油膜两部分共同承担,且为并联连接。应用微凸体连续变形理论对微凸体部分建立了包含弹性,弹塑性,塑性阶段的模型并将其扩展至整个结合面上,得到固体部分的接触刚度。之后应用油膜共振模型与弹簧模型对油膜部分进行建模,得到该部分接触刚度。将两部分进行耦合之后进行数值仿真分析,得到刚度与分形参数、不同介质等影响因素的关系。(3)应用改进分形理论及平均雷诺方程对结合面进行建模。在前文的基础上改进了分形理论,并对固体部分进行建模。由于粘度是润滑油很重要的一个参数,因此应用平均雷诺方程对油膜部分进行建模能更好的预测机床动态特性,之后依据上章的刚度分配思想得到结合面总刚度,并分析了流体的粘度及其它因素对总刚度的影响规律。(4)通过实验及有限元方法进行对比对模型进行验证。通过含有结合部的实验装置,利用锤击法获得振型及固有频率。并用虚拟材料的方法对试验装置模型进行建模,得到前三阶固有频率,与试验结果有比较好的吻合。从对比结果可以看出在不同拧紧力矩下的含润滑油结合面的固有频率大于无润滑油结合面。这也从侧面反映了结合面间含有润滑油可以提高结合面的接触刚度,说明了本文模型的正确性。
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