[发明专利]一种润滑粗糙接触面摩擦系数快速预测方法

说明书

本发明提供了一种润滑粗糙接触面摩擦系数快速预测方法，首先，采集接触副表面粗糙度数据，经滤波处理得到修正后的表面粗糙度数据；其次，定义Hertz接触区域为有效预测区域；然后，在每个有效预测区域内，基于AR理论，采用功率频谱密度法在频域内计算接触副接触面粗糙度幅值在服役状态下的形变量，通过粗糙度幅值形变量获得压力增量，再将频域内的粗糙度形变量与压力增量利用傅里叶逆变换转换到空间域，依据润滑状态下的摩擦力计算公式，计算润滑粗糙接触与润滑光滑接触情况下的摩擦系数之比；最后，结合试验测得的润滑光滑状态下摩擦系数数据，得到所求工况下润滑粗糙接触面的摩擦系数。本发明能够快速有效预测润滑粗糙接触面在重载服役状态下的摩擦系数。

技术领域

本发明涉及摩擦学与润滑技术领域，特别是涉及一种润滑粗糙接触面摩擦系数快速预测方法。

背景技术

机械零部件如滚动轴承、齿轮、凸轮等通常处于弹性流体动力润滑接触状态，接触体的接触面并非绝对光滑，往往具有在加工零部件时产生的表面粗糙度，粗糙度形貌对润滑接触副摩擦状态的影响是工程设计与实际应用中必须考虑的重要因素。摩擦系数的大小是评判接触状态好坏的重要指标，摩擦系数的预测一直是摩擦学领域的关键问题。研究发现接触面粗糙度形貌对润滑接触面的摩擦状态有严重的影响：接触面微观形貌的变化会改变接触压力分布，接触压力的改变影响润滑介质的粘度与密度以及润滑油膜的厚度,从而导致摩擦状态发生变化，同时润滑状态反过来影响接触面微观形貌，形成粗糙度与摩擦润滑特性的复杂耦合。

目前，获得接触副摩擦状态的方式有试验法和理论模拟法两种，其中试验法费时费力成本高，理论模拟主要采用的是全数值模拟。然而全数值模拟法在处理粗糙接触问题时为确保粗糙度信息的完整表达会选取较小的计算网格，计算代价大，此外在数值模拟的过程中由于粗糙度的介入使得普通算法不容易收敛，需开发更稳健的算法。AR理论(Amplitude Reduction,表征接触面粗糙度弹性变形后与变形前的幅值之比)表明重载(非协调性接触)接触情况下表面粗糙度在服役条件下会发生形变，其形变量与粗糙度形貌、工况以及润滑参数相关，通过计算粗糙度幅值的变化，得到压力增量，获得润滑油粘度与膜厚的变化情况，从而实现粗糙与光滑接触面摩擦系数之比的快速预测。

发明内容

本发明的目的是提供一种润滑粗糙接触面摩擦系数快速预测方法，基于AR理论，采用功率频谱密度法，快速有效预测润滑粗糙接触面在重载服役状态下的摩擦情况，为接触副服役性能与使用寿命的设计提供理论支撑。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种润滑粗糙接触面摩擦系数快速预测方法，包括如下步骤：

S1，采集接触副表面粗糙度数据，对原始表面粗糙度数据进行滤波，过滤工件轮廓几何，得到修正后的表面粗糙度数据；

S2，定义Hertz接触区域为有效预测区域，以2倍Hertz半宽区域2a_h×2a_h在修正粗糙度区域内提取N个有效预测区域，有效预测区域内的粗糙度形貌标记为rr_n；

S3，在每个有效预测区域内，基于AR理论，采用功率频谱密度法在频域内计算接触副接触面粗糙度幅值在服役状态下的形变量，通过粗糙度幅值形变量获得压力增量，再将频域内的粗糙度形变量与压力增量利用傅里叶逆变换转换到空间域，依据润滑状态下的摩擦力计算公式，计算润滑粗糙接触与润滑光滑接触情况下的摩擦系数之比；

S4，分析修正所有有效预测区域的摩擦系数比值，结合试验测得的润滑光滑状态下接触面的摩擦系数数据，得到所求工况下润滑粗糙接触面的摩擦系数。

进一步的，步骤S2中，Hertz半宽计算公式为：

式中，w为法向载荷，R_x是当量曲率半径，E′为等效弹性模量。