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1、1998年6月东北大学学报(自然科学版)Jun.1998第19卷第3期JournalofNortheasternUniversity(NaturalScience)Vol.19,No.3混合润滑状态下边界膜失效机理①②杨文通张风和丁津原马慧(东北大学机械工程与自动化学院,沈阳110006)(沈阳汽车工业学院,沈阳110003)摘要依据化学反应膜生成速度低于磨损速度就会发生边界膜失效这一论点,通过理论分析和实验手段建立其数学模型,形成用化学反应膜生成速度判断边界膜失效的方法.关键词边界润滑,化学反应膜,胶合.分类号TH117.
2、2在摩擦副的润滑中,随着载荷的加大,流体膜Vw=KWbL(2)由于表面的微观不平而最先遭到破坏,一部分载式中,Wb边界膜承担载荷;L滑动距离;荷开始由边界膜承担,形成混合润滑状态.边界膜K磨损系数;Vw磨损体积.包括吸附膜和化学反应膜,在承载过程中,吸附膜以图1所示圆盘摩擦学系统为例.在此摩擦很容易失效,起主要作用的是化学反应膜.载荷的学系统中,小圆盘上一点在单位时间内的磨损量进一步增大,在表面接触区由摩擦产生的瞬时高较大,可认为当小圆盘上化学反应膜失效时,则整温使吸附膜破坏,最终对表面起保护作用的就是个系统失效,故以小圆盘
3、为研究对象,对整个摩擦表面上的化学反应膜,故可认为化学反应膜失效系统进行研究.小圆盘旋转一周时化学反应膜的即导致边界膜失效.一旦反应膜失效,大多数情况磨损总体积为下会发生胶合,但在低速时则不一定会发生胶合,而是发生严重的磨损.有许多实验证实了这一[1～3]点,但现有的理论主要是关于胶合失效的,而且不能够全面地描述实验结果.本文试图通过理论分析和实验手段建立数学模型,从而能够比较完整地描述混合润滑状态下边界膜失效机理.1化学反应膜失效模型设两表面接触处的每个微凸体碰撞都产生一定的化学反应膜磨损,在单位时间内,磨损体积为图1圆盘
4、试件工作简图Vwi,则磨损总体积为Vw=∑Vwi;同时,由于摩擦化学反应产生新的化学反应膜,其总体积为Vp4πs=∑Vpi,所以得化学反应膜不失效的条件为Vw=KWbr2(3)1-sVw≤Vp(1)式中,r2小圆盘半径;s滑滚比,s=(v1-从宏观上看,可认为化学反应膜的生成及磨损是v2)/(v1+v2);v1大圆盘圆周速度;v2小圆连续进行的,以后的理论推导就是基于这个观点盘圆周速度.进行的.1.2化学反应膜的生成1.1化学反应膜的磨损化学反应速度公式为根据Holm理论和Archard理论,化学反应E[4]v=kc0=c0
5、Bexp-算的(4)膜磨损量可由下式计算RT1996-06-04收到.①男,43,教授;②男,62,教授,博士生导师.国家自然科学基金资助项目(编号:59475034).第3期杨文通等:混合润滑状态下边界膜失效机理307式中,c0反应物浓度;B反应速度常数;E因此,混合膜承载能力为化学反应活化能;R气体常数;T反应W=Wb+Wh=温度.k24.9veρredηk11-exp-+=式中的B,R都是常数,E,c0在整个过程中+vvsRtc也可以认为是常数.因此,化学反应膜的生成速度k2学位k11-exp-+k3vs(9)可认为在
6、外界条件不变时只与温度有关.圆盘运vs[5]转过程中的温度变化过程如图2所示.为了采2试验分析用数学方法对化学反应膜生成量进行推导,对小圆盘上一点在一周期内的温度变化曲线进行简试验是在圆盘实验机上进行的.用高精密天化.由于降温的速度是很快的,可以认为在时间平测量圆盘的磨损量,以判断试件是否产生剧烈t0时温度已降至本体温度Tm.由t=0至t=t0磨损.试件材料为45钢,小试件的表面硬度为42这段曲线可用倒数曲线近似,即认为～47HRC,大试件表面硬度为22～25HRC.表面粗糙度为Ra=0.5±0.1μm.滑滚比s=0.68.
7、r1=18mm,r2=44mm,工作宽度8mm.试验中采用油品为含有添加剂的320号工业齿轮油,添加剂类型为二烷二硫代磷酸锌(ZDDP),含量(质量2分数)为1.0%.测试粘度为ν40=291mm/s,ν1002=25.5mm/s.油温控制在60℃±3℃.实验时图2试件表面温度随时间变化曲线逐级加载,在每级载荷下运转40min,直至边界膜失效为止.bT=a+t(5)在实验过程中,试件的磨损量是用高精密天式中,a,b与初温及试件材料等有关的系数.平来测量.在每次增加载荷时,都对试件的重量进行测量,据其磨损量的大小判断边界膜是否
8、已在本体温度Tm下,化学反应的速度是十分失效.取磨损量剧增的载荷与前一级载荷之平均缓慢的,可以忽略,从而得到小圆盘旋转一周生成值为失效载荷.图3是判断边界膜失效的一组典的化学反应膜体积为t型数据,大圆盘转速为80r/min,V为单位时间磨EVp=∫VtBc0exp-dt=胶合0RT损质量.
