流体动力润滑资料
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第五章 流体动压润滑
§5-1 概 述 §5-2 流体动力学方程 §5-3 Reynolds方程 §5-4 推力轴承 §5-5 径向轴承
§5-1 概 述
减少两个摩擦副的摩擦和磨损最有效的方法， 是在摩擦副表面之间引入润滑剂形成润滑膜。该 润滑膜把两个接触表面全部或局部隔开，由润滑 膜承受部分或全部载荷。由于摩擦产生在润滑膜 或部分接触微凸体之间，润滑膜的剪切强度较低， 因而摩擦、磨损较小，并使摩擦副运转平稳，从 而提高设备的效率和寿命。
体积力：作用在整个质量（质心）上，如：重力、磁场 力等。以X、Y、Z表示沿坐标轴的体积力，则微元体上体积 力的分量为：
Xdxdydz
惯性力的分量为：
du dxdydz
dt
Ydxdydz Zdxdydz
du dxdydz
dt
du dxdydz
§5-1 概 述
在图中，以简化的方式将Stribeck曲线的形状绘成 摩擦系数随参数(η，v，1／N)而变化的曲线。现在普 遍承认，Stribeck曲线代表以润滑剂粘度η、速度v和法 向载荷N为函数的有润滑运动表面的通用特性曲线(注： 图中，ηv／N与Sommerfeld数 s 的倒数有关)。
§5-1 概 述
§5-1 概 述
(2)触变性 触变性是指流体受到剪切时
随着时间的延长，其稠度会逐步 降低的性能，如图所示。有些流 体当剪切力卸除后，经过充分的 复原时间，其粘度又恢复到原始 值，这种现象称为暂时粘度损失。 另有一些流体，其粘度永远不能 恢复到原始值，则称其为永久粘 度损失。
§5-2 流体动力学方程
一、连续方程 二、微元体受力平衡条件 三、应力应变关系
一、连续方程
一、连续方程
该微区D点坐标为（x,y,z），边长为dx,dy,dz,在 某一瞬时，沿三个方向的分速度分别为u,v,w。沿x方 向流入和流出的流量为：
udydz
u u dx dydz dx
x x
一、连续方程
存留在该区域内的的质 量为：
Rq1 , Rq2
分
别为两摩擦表面的轮廓均方根偏差。
§5-1 概 述
本章主要介绍流体动压润滑的基本原理及其 应用，而有关弹性流体动压润滑、混合润滑及边 界润滑的内容将在下一章介绍。
依靠摩擦副两个表面的形状，在相对运动时 产生收敛油楔。收敛楔与速度和粘度相结合就产 生压力油膜，将两表面分隔开，这种润滑状态称 为流体动压润滑。
§5-1 概 述
在收敛间隙内形成的油膜压力将两个表面分 隔开，这时摩擦阻力主要来自流体的“内摩擦”， 也就是流体在外力作用下的流动过程中，流体分 子之间的内摩擦，即流体膜剪应力(剪切阻力)或 称“粘度”。
§5-1 概 述
对于牛顿流体，剪 应力与剪切率成正比， 其比例常数即粘度η，无 上述特性的流体为非牛 顿流体。
§5-1 概 述
润滑剂的承载作用和摩擦副的结构与润滑 类型有着密切的关系。例如，在流体润滑状态 下，摩擦表面可以完全由具有足够压力的油膜 分隔开，磨损极小；在混合润滑状态下，油膜 较薄．有部分微凸体接触，而在边界润滑状态 下，起润滑作用的只是极薄的边界润滑膜，磨 损较大。
§5-1 概 述
德国学者Stribeck于1900~1902年间曾经对滚 动轴承和滑动轴承进行了全面试验，测出了随工 作变量(载荷N、速度η、粘度η)而变化的摩擦因数 （f ）。为了消除粘度与温度的关系对试验结果的 影响，Stribeck重新计算了使油温恒定在25℃时测 得的以载荷和速度为函数的摩擦因数。Stribeck的 精确试验测量结果为Sommerfeld的理论工作以及 流体动压润滑轴承理论的建立奠定了基础。
两个表面是否完全被油膜隔开或有部分微凸
体接触，与油膜厚度h及两个表面的综合粗糙度R
有关。一般用膜厚比λ来判断润滑状态，其表达
式为：
hR
式中：h——两摩擦表面粗糙峰中线间的距离，即平均
油膜厚度，或称中线油膜厚度；如果两表面系曲面，则
h指最小缝隙处的中线油膜厚度；
Rq ——两表面的综合粗糙度。Rq
， Rq21 Rq22
§5-1 概 述
油膜压力的产生过程可用右图 来解释。在图 (a)中，上表面为一固 定的倾斜楔块，下表面向右方运动 并将粘性油带入与固定表面之间的 间隙内。从图中可以看出，油被带 入间隙后并向右方流动时，它所面 临的空间愈来愈小。润滑油是不可 压缩的，所以其压力必然增加。
§5-1 概 述
同时，压力具有使流体 从高压向低压流动的特性， 从而可以限制油从大的间隙 进入，同时也迫使油通过小 的间隙流出，以达到流量连 续的目的，其压力及速度分 布如图 (b)所示。
u
y
§5-1 概 述
对于非牛顿流体，常用表观粘度或相似粘度 η0来表示，η0是在规定的剪切率下剪应力与剪切 率之比。润滑脂属于非牛顿流体，具有以下主要 特性：
§5-1 概 述
(1)塑性或Bingham流体特性 这种流体在开始流动之
前需要加一剪应力τ0，但超 过此剪应力后，剪应力就 与剪切率成正比关系(即牛 顿流体)。
§5-1 概 述
Tower在1883年首先观察到，采用润滑油的 火车轮轴承在运动时产生的流体动压力足以将 轴承壳体油孔中的油塞顶掉。此后，1886年 Reynolds应用流体力学中的Navier-stokes方程推 导出计算流体润滑油膜压力分布的微分方程， 称为Reynolds方程，从而为流体动压润滑理论 奠定了基础。
dtudydz dxdydz
t
t
一、连续方程
这两个增量是相等的，既：
u x
u
x
v y
v
y
w z
w
z
dxdydz
t
dxdydz
整理得：
u v w 0 ——三维连续方程
t x y z
二、微元体受力平衡条件
微元体受力包括表面力、体积力和惯性力。 表面力如图所示
二、微元体受力平衡条件
udxdydz u u dx dydz dx u u dxdydz
x x x x
同理，在其余两方向 为：
v y
v
Hale Waihona Puke Baidu
y
dxdydz
w w dxdydz
z z
一、连续方程
则存留总质量为：
u x
u
x
v y
v
y
w z
w
z
dxdydz
另一方面，随时间增加，流体密度的变化为：
§5-1 概 述 §5-2 流体动力学方程 §5-3 Reynolds方程 §5-4 推力轴承 §5-5 径向轴承
§5-1 概 述
减少两个摩擦副的摩擦和磨损最有效的方法， 是在摩擦副表面之间引入润滑剂形成润滑膜。该 润滑膜把两个接触表面全部或局部隔开，由润滑 膜承受部分或全部载荷。由于摩擦产生在润滑膜 或部分接触微凸体之间，润滑膜的剪切强度较低， 因而摩擦、磨损较小，并使摩擦副运转平稳，从 而提高设备的效率和寿命。
体积力：作用在整个质量（质心）上，如：重力、磁场 力等。以X、Y、Z表示沿坐标轴的体积力，则微元体上体积 力的分量为：
Xdxdydz
惯性力的分量为：
du dxdydz
dt
Ydxdydz Zdxdydz
du dxdydz
dt
du dxdydz
§5-1 概 述
在图中，以简化的方式将Stribeck曲线的形状绘成 摩擦系数随参数(η，v，1／N)而变化的曲线。现在普 遍承认，Stribeck曲线代表以润滑剂粘度η、速度v和法 向载荷N为函数的有润滑运动表面的通用特性曲线(注： 图中，ηv／N与Sommerfeld数 s 的倒数有关)。
§5-1 概 述
§5-1 概 述
(2)触变性 触变性是指流体受到剪切时
随着时间的延长，其稠度会逐步 降低的性能，如图所示。有些流 体当剪切力卸除后，经过充分的 复原时间，其粘度又恢复到原始 值，这种现象称为暂时粘度损失。 另有一些流体，其粘度永远不能 恢复到原始值，则称其为永久粘 度损失。
§5-2 流体动力学方程
一、连续方程 二、微元体受力平衡条件 三、应力应变关系
一、连续方程
一、连续方程
该微区D点坐标为（x,y,z），边长为dx,dy,dz,在 某一瞬时，沿三个方向的分速度分别为u,v,w。沿x方 向流入和流出的流量为：
udydz
u u dx dydz dx
x x
一、连续方程
存留在该区域内的的质 量为：
Rq1 , Rq2
分
别为两摩擦表面的轮廓均方根偏差。
§5-1 概 述
本章主要介绍流体动压润滑的基本原理及其 应用，而有关弹性流体动压润滑、混合润滑及边 界润滑的内容将在下一章介绍。
依靠摩擦副两个表面的形状，在相对运动时 产生收敛油楔。收敛楔与速度和粘度相结合就产 生压力油膜，将两表面分隔开，这种润滑状态称 为流体动压润滑。
§5-1 概 述
在收敛间隙内形成的油膜压力将两个表面分 隔开，这时摩擦阻力主要来自流体的“内摩擦”， 也就是流体在外力作用下的流动过程中，流体分 子之间的内摩擦，即流体膜剪应力(剪切阻力)或 称“粘度”。
§5-1 概 述
对于牛顿流体，剪 应力与剪切率成正比， 其比例常数即粘度η，无 上述特性的流体为非牛 顿流体。
§5-1 概 述
润滑剂的承载作用和摩擦副的结构与润滑 类型有着密切的关系。例如，在流体润滑状态 下，摩擦表面可以完全由具有足够压力的油膜 分隔开，磨损极小；在混合润滑状态下，油膜 较薄．有部分微凸体接触，而在边界润滑状态 下，起润滑作用的只是极薄的边界润滑膜，磨 损较大。
§5-1 概 述
德国学者Stribeck于1900~1902年间曾经对滚 动轴承和滑动轴承进行了全面试验，测出了随工 作变量(载荷N、速度η、粘度η)而变化的摩擦因数 （f ）。为了消除粘度与温度的关系对试验结果的 影响，Stribeck重新计算了使油温恒定在25℃时测 得的以载荷和速度为函数的摩擦因数。Stribeck的 精确试验测量结果为Sommerfeld的理论工作以及 流体动压润滑轴承理论的建立奠定了基础。
两个表面是否完全被油膜隔开或有部分微凸
体接触，与油膜厚度h及两个表面的综合粗糙度R
有关。一般用膜厚比λ来判断润滑状态，其表达
式为：
hR
式中：h——两摩擦表面粗糙峰中线间的距离，即平均
油膜厚度，或称中线油膜厚度；如果两表面系曲面，则
h指最小缝隙处的中线油膜厚度；
Rq ——两表面的综合粗糙度。Rq
， Rq21 Rq22
§5-1 概 述
油膜压力的产生过程可用右图 来解释。在图 (a)中，上表面为一固 定的倾斜楔块，下表面向右方运动 并将粘性油带入与固定表面之间的 间隙内。从图中可以看出，油被带 入间隙后并向右方流动时，它所面 临的空间愈来愈小。润滑油是不可 压缩的，所以其压力必然增加。
§5-1 概 述
同时，压力具有使流体 从高压向低压流动的特性， 从而可以限制油从大的间隙 进入，同时也迫使油通过小 的间隙流出，以达到流量连 续的目的，其压力及速度分 布如图 (b)所示。
u
y
§5-1 概 述
对于非牛顿流体，常用表观粘度或相似粘度 η0来表示，η0是在规定的剪切率下剪应力与剪切 率之比。润滑脂属于非牛顿流体，具有以下主要 特性：
§5-1 概 述
(1)塑性或Bingham流体特性 这种流体在开始流动之
前需要加一剪应力τ0，但超 过此剪应力后，剪应力就 与剪切率成正比关系(即牛 顿流体)。
§5-1 概 述
Tower在1883年首先观察到，采用润滑油的 火车轮轴承在运动时产生的流体动压力足以将 轴承壳体油孔中的油塞顶掉。此后，1886年 Reynolds应用流体力学中的Navier-stokes方程推 导出计算流体润滑油膜压力分布的微分方程， 称为Reynolds方程，从而为流体动压润滑理论 奠定了基础。
dtudydz dxdydz
t
t
一、连续方程
这两个增量是相等的，既：
u x
u
x
v y
v
y
w z
w
z
dxdydz
t
dxdydz
整理得：
u v w 0 ——三维连续方程
t x y z
二、微元体受力平衡条件
微元体受力包括表面力、体积力和惯性力。 表面力如图所示
二、微元体受力平衡条件
udxdydz u u dx dydz dx u u dxdydz
x x x x
同理，在其余两方向 为：
v y
v
Hale Waihona Puke Baidu
y
dxdydz
w w dxdydz
z z
一、连续方程
则存留总质量为：
u x
u
x
v y
v
y
w z
w
z
dxdydz
另一方面，随时间增加，流体密度的变化为：