边界润滑状态下往复摩擦磨损的数值仿真研究

武汉理工大学

硕士学位论文

边界润滑状态下往复摩擦磨损的数值仿真研究

姓名：陈怀松

申请学位级别：硕士

专业：载运工具运用工程

指导教师：严新平

20051101

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式中，ｗ代表微凸体所承受的载荷，ｏＳ代表较软材料的受压屈服极限，考虑到实际磨损率小几个数量级，故引进了磨损系数ｋ，用来解释形成两微凸体相遇形成磨粒所需要的次数（ｎ＝ｌ／ｋ）。由于软材料的布氏硬度Ｈ与屈服极限ｏ。之间的关系，一般也用式（２－２）表示：

矿：☆丝（２—２）

日

２．２．２．２修正的粘着磨损模型

现实中组成摩擦副表面的并不是纯金属，而是覆盖了一层润滑油膜或其它表面膜（如氧化膜或污染膜），Ｃ．Ｎ．Ｒｏｗｅ等人对简单的粘着理论加以修正，并从Ａｒｃｈａｒｄ的磨损方程出发研究，引入了考虑与金属间接触面积有关的滑动金属特性参数‰，以及与润滑剂有关的特性数１３，得到Ａｒｃｈａｒｄ磨损的修正模型：

矿＝ｋｍ∥（１＋掣２）等（２—３）

门

其中盯、‰为常数，ｐ为摩擦系数，ｐ为与润滑油有关的特性。虽然该公式中并没有说明ｐ具体与什么有关，但是根据大量的分析结果表明，润滑油的粘度系数对磨损程度有一定影响。在边界润滑状态下，润滑油中其他元素的成分也在很大程度上决定了∥的值的变化，如含ｓ、ｃｌ的浓度或者是否含极压添加剂等。

２．３缸套一活塞环往复磨损的仿真模型

２．３．１磨损模型的基本假设

根据缸套一活塞环摩擦副运动特性及边界磨损的特点，提出以下四种假设

１）摩擦副表面的接触是

粗糙表面弹性接触过程，微凸

体高度呈高斯分布，应力满足

赫兹接触理论；

２）边界润滑中的绝大部

分载荷都由峰元承担，润滑油

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第３章缸套一活塞环往复磨损试验及结果

由于柴油机活塞一活塞环，缸套系统是往复摩擦磨损运动中最复杂也极具有代表性的摩擦系统，以其作为研究对象，不仅对于研究边界润滑与磨损具有重要的理论意义，而且为摩擦学仿真提供数据支持，确定和修正仿真模型参数起到决定性作用。本次研究正是以该系统中的缸套．活塞环摩擦副为研究对象，在ＭＷ－２型往复磨损试验机上进行了一系列的摩擦磨损试验。

３．１试验目的

通过对比试验探索缸套一活塞环摩擦副在试验条件下随载荷、往复速度等外摩擦因素的磨损规律，为磨损仿真模型提供数据支持，确定和修改模型的参数。采集伴随着磨损过程的摩擦学信息，包括摩擦系数、磨损量、表面形貌、温度的变化规律，探索它们之间的内在联系。

３．２试验系统简介

本次试验在ＭＷ－２型高速往复磨损试验机上进行，试验机是在本校自制的ＷＭＪ一１５００试验机的基础上改装而成，集可变压力、可变速度、可变供油量、可测温度、可测摩擦力于一体的多功能摩擦磨损试验设备，其外观照片如图３－１所不。

图３－１ＭＷ－２型高速往复磨损试验机外观图

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表４．５缸套．活塞环表面形貌特征

磨损试验外摩擦条件试件描述

类型载荷往复速度缸套活塞环缸套活塞环（Ｎ）（ｒ／ｍｉｎ）

１００３００有少量黑色氧表面布满细小

干摩擦化物的条纹，夹杂少

量黑色氧化物５００３００黑色和红色氧表面有较深鞍

化物增多宽的划痕

３００２００网格数变少。布满小的麻点，

表面有少许黑表面有撕脱的

色的小孔洞痕迹

１００３００网格较为密布满均匀细密

集，深度变化的划痕

不大

３００３００网格变浅，表表面有大量黑

面均匀分布有色麻点，还有少

凹坑和撕脱的量较深的划痕

痕迹

边界润滑

５００３００网格较浅处被瞎痕十分密集，

磨平，表面有尺寸较宽较深

微裂纹出现

３００１００

网格变得较为出现细密的划

密集，深度变痕

浅

３００５００表面有蓝色回表面有细密的

火色，网格变划痕，附着有少

稀最氧化物

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表４－６磨损试验的润滑油油样铁谱分析所获得的典型磨粒特征

磨损试验编外摩擦条件铁谱图像磨粒特征类型号

载荷往复速度

（Ｎ）（ｒ／ｒａｉｎ）

１１００３００大量为小尺寸颗粒，有少量表面有

凹坑的大磨粒。

干摩擦

２５００３００大的滑动磨粒，表面有平行的划

痕，大部分磨粒里暗黑色

３３００２００磨粒以细长的切削磨粒为主

４ｌＯＯ３００均匀的小尺寸磨粒

５３００３００磨粒呈薄片状，表面较光滑

６５００３００大尺寸的切削磨粒，表面有划痕，边界润滑且有直的棱边。

７３００１００表面粗糙，有擦痕，形状不规则

８３００５００小片状磨粒，局部出现黑色氧化

物

通过对比分析可知，不同试验条件下摩擦副表面的形貌变化和磨粒形貌存在藿一定程度的相关性。对于干摩擦磨损，在高载、高速和低速条件下都发生

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５．３．３．２载荷条件下的应力分析

根据试件在实验条件下的工况，限制模型的自由度，同时施加３００Ｎ和６００Ｎ两组载荷，求解。进入ＡＮＳＹＳ后处理器，即可获得接触区域的压力、接触应力及应变。由于活塞环和缸套配合情况较好，故接触面所受压力比较均匀，在３００Ｎ外加载荷作用下试件１／２截面的应力分布如图５－２所示。

图５－２机械负荷下接触应力分布云图

通用后处理功能中一个强大的功能就是能够把任何计算结果数据映射到模型的任意路径上。在指定的路径上可以进行各种数学运算和微积分运算，从而可以得到有用的计算结果。

５．３．３．３ＡＰＤＬ语言

由于施加一次载荷和边界条件只能获得一组仿真数据，这样对于计算相同模型不同摩擦状态下的接触应力场非常繁琐，ＡＮＳＹＳ参数化设计语言（ＡＰＤＬ，ＡＮＳＹＳＰａｒａｍｅｔｒｉｃＤｅｓｉｇｎＬａｎｇｕａｇｅ）为计算提供了方便。

改变材料参数和试验载荷、速度就能获得不同的应力应变结果，部分代码如下：