精密滚动轴承薄膜润滑的跨尺度摩擦学设计

In the lubrication system of rolling bearings, the thin film lubrication parameters, surface contact parameters, bearing clearances, bearing elements and bearing-rotor system consist of a cross scale sophisiticated system. But the isolation between the bearing lubrication technology and the material and bearing analysis technology make it difficult to distinguish the results and the causes during analyzing the failure bearings. In this study, through modeling interaction between the lubricant property change and tribological state change, the relation between the measured operation parameters of tribological pairs and silmuation results can be set up, and the tribological design rules of the solid thin film and composited lubrication of solid and liquid lubricants can be obtained. Applying the bearing dynamic analysis and 3-D cross scale finite element method,the lubrication parameters cross the scale among contact surface, bearing elements and bearing-rotor system can be connected. The cross scale analysis method from the micrometer scale of the contact surface to the bearing-roter system can be established, and the working condition oriented tribological design of all scale system for the precision bearing system can be realized.

滚动轴承摩擦界面润滑薄膜参数、接触表面参数、轴承内部游隙、轴承元件及转子-轴承系统尺寸共同构成多尺度复杂系统，但轴承润滑与材料技术和轴承分析技术的相互独立，导致关键机械部件轴承失效后难以判断轴承为"受害者"或"作案者"。项目通过建立润滑材料物性变化与系统摩擦状态转变的交互作用模型，实现界面摩擦配副测试与仿真分析的闭环对接，获得轴承固体薄膜润滑或固液复合润滑界面设计准则；结合轴承动力学分析技术与三维多尺度有限元方法，实现界面润滑参数与轴承元件乃至轴承-转子全系统的跨尺度连接，构建覆盖轴承-转子宏观系统到摩擦界面纳微体系的跨尺度分析方法，实现精密机械核心轴承部件润滑设计的面向工况全系统摩擦学工程设计方法。

滚动轴承摩擦界面润滑薄膜参数、接触表面参数、轴承内部游隙、轴承元件及转子-轴承系统尺寸共同构成多尺度复杂系统，但轴承润滑与材料技术和轴承分析技术的相互独立，导致关键机械部件轴承失效后难以判断轴承为“受害者”或“作案者”。项目旨在构建覆盖轴承宏观系统到摩擦界面纳微体系的跨尺度分析方法。首先，研究了轴承的滚动体-套圈摩擦副润滑薄膜滑滚接触性能，建立了轴承滚动体和套圈摩擦副在滑滚试验中的设计方法，对4050油润滑下TiN，WS2等轴承固体润滑改性材料进行了滑滚接触状态下的摩擦和失效行为试验研究。研究了轴承保持架和引导面之间摩擦副固体润滑薄膜冲击滑动摩擦性能，考察了PTFE、TiN、Ag等常用固体润滑材料在冲击滑动接触状态下的摩擦磨损性能表现和失效行为。进行了薄膜润滑的膜基体系界面力学分析，采用复变理论的镜像法建立了固体薄膜表面受集中单元力与分布力作用时的二维和三维界面力学分析模型，获得了固体薄膜-基底双材料系统不同表面受载形式下界面应力和变形的解析解。测试了固体润滑薄膜的膜基体系性能，采用球-盘配副摩擦磨损和纳米/微米划痕摩擦学测试方法，对二硫化钼薄膜和类金刚石碳膜这两类分别代表层状和硬脆性的固体薄膜进行了膜-基体系性能测试。结合膜-基体系界面力学计算模型，分析评价了两种固体薄膜测试中的界面应力响应规律、承载能力及磨损失效特性，获得了轴承固体薄膜润滑界面设计准则。针对空间应用的固体薄膜润滑密珠轴系，进行了轴承的薄膜润滑跨尺度设计，建立了弯矩与转矩复合工况的重载下轴系力载分析模型，结合密珠轴系内部载荷分析与固体薄膜界面力学分析，根据试验得到的固体薄膜界面力学极限性能，实现了轴系的跨尺度固体薄膜润滑设计，并通过热真空系统台架进行了试验验证。