油润滑条件下微动接触的力学特性研究

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微动是两个相互接触表面在一定的法向载荷作用下的小幅相对往复运动,它通常存在于振动工况下“近似紧固”的机械配合之中,造成接触表面磨损,降低机械装置精度,为此润滑油被采用来降低这种磨损。本文针对诺丁汉大学研究的微动接触的实验装置,采用分形理论表征接触零件的表面粗糙形貌,建立油润滑微动接触模型,利用CEL技术进行有限元仿真,计算磨损摩擦系数,得到润滑条件下微动摩擦副的动态接触力学特性,进一步对摩擦副经过多次微动循环后的表面演化进行了模拟,主要内容及研究结论为:1)采用分形方法表征微动接触摩擦副表面形貌,建立油润滑接触的三维模型,采用VOF(流体体积分数)方法追踪和确定边界,基于耦合的欧拉-拉格朗日(CEL)技术进行有限元仿真,分析油润滑下微动接触摩擦磨损特性。2)考察接触副在油润滑条件下一个微动周期内接触力的变化情况,针对半径6mm和半径160 mm的圆柱体-平面模型,计算油润滑下的磨损系数和摩擦系数,分析接触几何对微动接触力学特性的影响,发现160 mm模型的磨损摩擦系数均接近于干摩擦条件下的数值,而6 mm圆柱体-平面微动接触的磨损系数、摩擦系数远远小于干摩擦下的数值,直观的证明了接触区域有润滑油渗入且形成润滑油膜;对比分析半径6 mm的圆柱体-平面接触模型在干摩擦条件下和油润滑条件下仿真得到的接触力,结果表明润滑油大大降低了接触副的摩擦磨损;对比振动幅值5μm和50μm下的微动磨损结果,分析得到振动幅值越大,润滑油越容易渗入接触区域,降低磨损的效果越显著。3)建立二维微动接触有限元模型,考虑塑性影响,引入动态相关法(DCM)和ALE自适应网格技术,仿真半径6 mm的圆柱-平面二维模型在干摩擦和油润滑环境下磨损形貌演变过程,经过10万个循环周期运动后,干摩擦的磨痕宽1 mm,深度有5.76μm,而油润滑的磨痕深度仅有0.2μm,说明润滑剂对微动接触提供了很好的保护作用,磨痕仿真数据和诺丁汉大学实验装置测得的实验数据结果一致。
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