發布時間：2020-03-28所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：采用多光束干涉技術觀察往復運動條件下潤滑油膜的滑移及黏彈特性，研究振幅和頻率對往復動態潤滑彈流油膜的影響。結果表明：往復運動過程中，在特定時刻氣穴的出現使油膜厚度逐漸減小，削弱了滑移程度;因潤滑油的黏彈性而引起的運動滯后導致了油膜的非
摘要：采用多光束干涉技術觀察往復運動條件下潤滑油膜的滑移及黏彈特性，研究振幅和頻率對往復動態潤滑彈流油膜的影響。結果表明：往復運動過程中，在特定時刻氣穴的出現使油膜厚度逐漸減小，削弱了滑移程度;因潤滑油的黏彈性而引起的運動滯后導致了油膜的非對稱性;頻率增大時，正行程末端時膜厚明顯增大，油膜輸送速度也隨著增大;而負行程末端油膜受氣穴的影響膜厚增大較慢;振幅(輸入位移)增大時，正行程末端時油膜整體平移，而負行程末端人口凹陷呈現先變明顯而后消失的現象。
關鍵詞：往復運動;界面滑移;入口凹陷;氣穴;光干涉
在實際工程中，彈性流體動力潤滑(彈流潤滑)是一種重要的潤滑形式。任何帶有齒輪、凸輪和軸承的高副接觸零部件在相對運動時都包含了流體在潤滑間隙中的流動。隨著運動速度的增加和接觸間隙的減小，潤滑油油膜問的剪應力明顯增加，這對潤滑油膜內滑移的產生創造了條件。另一方面，由于機械設備的啟動、停止、步進運動和往復運動又改變了潤滑油的流變特性，如急停導致封油而使得潤滑油的局部固化，往復運動使得潤滑油在反復剪切下引起潤滑油黏彈性的變化等。
常壓條件下各種精密的測量儀器已經證實了界面滑移的存在…。Guo和Wong等“則對高應力條件的界面滑移及摩擦力特性進行實驗觀察，發現了帶有入口凹陷的油膜外形。但上述的研究限于穩態工況，并沒有對時變條件如往復運動條件下的潤滑油滑移特性進行研究。另外，Guo等在一項研究中表明零卷吸預跑合引起界面性質變化而導致了滑移程度的改變。所以有必要對往復運動條件下的滑
移特性進行考察。
研究人員已經對往復運動條件下彈流潤滑進行了實驗研究和數值模擬。如Sugimura和Spikes研究了低速的加減速和往復運動條件下彈流油膜的測量技術和方法。Nishikawa等實驗研究表明，由于楔形及擠壓效應在運動中的不同步，油膜呈現出周期性的卷入和排除;在高頻率和短沖程的條件下，受氣穴的影響彈流油膜很難保持穩定性。Wang等則對點接觸純滾動條件下短沖程的往復運動問題進行了數值模擬，分析了不同往復運動頻率在充分供油和乏油條件下的油膜特征，并與實驗測量結果進行了比較，取得了較好的一致性。
本文作者在球滑動條件下，對往復運動狀態下彈流油膜的響應特性進行了研究，分析了封油的位置及油膜厚度的變化，并分析了往復運動中潤滑油膜的滑移和黏彈特性，以期對界面滑移和潤滑油流變特性研究有啟示意義。
1實驗部分
實驗在自制的動態光干涉彈流油膜測量儀上進行，測量裝置示意圖和測量步驟如圖1所示。為了便于定量比較往復運動過程中潤滑油膜厚度的變化，需要在往復運動前在接觸區封閉適量的潤滑油作為參考膜厚。因此，每組實驗分兩步進行：(l)封油，即預先施加一定的卷吸速度，待達到穩態后急停，形成初始封油，封油量的多少根據施加的卷吸速度調整;(Ⅱ)往復運動，即待封油達到準穩態，給鋼球施加橫向的往復卷吸速度，實現潤滑油膜的往復運動。油膜的整個運動過程可以實時采集，所連續捕獲的圖像用自行開發的MBI0]軟件進行數據處理。實驗中，玻璃盤固定，交流伺服電機驅動鋼球旋轉，電機的正反轉脈沖由VB程序編寫實現。玻璃盤與鋼球接觸的一側鍍有分光鉻膜，公稱厚度為20nm;鋼球的直徑為25.4mm，精度等級為G5，表面粗糙度Ra=11nm。接觸副綜合接觸半徑R，=0.0127m，綜合彈性模量E'=1.17×10Pa。使用的潤滑油是聚異丁烯PB1300，其特性參見表1。
圖中，往復運動振幅為(365±2.6)p,m，周期是1.0S。實驗中以曲線上的特定點作為研究對象，如往復運動行程中心點1一A6(曲線上這些點處斜率的絕對值即往復運動的輸入速度);三次正行程末端點B1一B3，前三次負行程末端點c1一c3。這些點對應的于涉圖像如圖2(b)所示。
2結果分析與討論
2.1單個特定X-況下的油膜響應特性
圖3示出了載荷為4N，往復運動周期為0.9S，振幅為(325.6±2.6)m，輸入速度為1182txm/s工況下第一個行程末端1(油膜運動方向的轉折點)以及左右時刻對應的油膜形狀，左側兩時刻為D1和D2，右側為D3和D4，如圖2(a)所示。時間間隔均為1/15S。從油膜運動的速度上來看，在相同的卷吸速度條件下，當卷吸由左至右時(D1一曰1)，人口處的壓力梯度為負，不利于潤滑油的卷入;而當卷吸變為從右至左時(B1一D4)，原來的入口區變為出口區，此時的壓力梯度為正，有利于潤滑油的運動，即該條件下油膜的運動距離應更大。然而圖3的結果表明油膜在從左到右的卷吸作用下推進的距離要大于反方向卷吸運動的距離，即，J1一日1時間內油膜運行距離大于B1一D4時間內的距離。這表明潤滑油的黏彈性使得潤滑油的運動滯后。另外，隨著潤滑油進入接觸區滑移效應增強，油膜在B1處因滑移出現人口凹陷，如2(b)干涉圖日1入口處的月牙形凹陷。在反向卷吸后，由于潤滑油的黏彈性引起的潤滑油運動減緩及右側潤滑油的卷入，潤滑油在出口處形成擠壓而使凹陷變得明顯，盡管如此，凹陷處的油膜厚度還是因為潤滑油的排出而明顯下降;隨著潤滑油的排出，『Lq陷也開始減小。這樣在凹陷在B1一D4時間內呈現出現到明顯再到減小的趨勢。
圖4示出了前三次正行程末端對應的油膜形狀。隨著往復運動的進行，受到兩側氣穴的影響，在同一位置油膜厚度有逐漸減小的趨勢。另外，人口凹陷現象變得越來越不明顯，最后趨于消失，說明滑移效應逐漸減弱。滑移效應的減弱，一方面由于氣穴的出現引起了供油量的減小，削弱了滑移產生的條件;另一方面，在到達這三次正行程末端之前氣穴已經消失，在恢復充分供油時入口凹陷仍然衰減，說明往復運動引起了界面性質的改變，也對滑移效應產生了不利的影響。從圖2(b)中的干涉圖可以直觀地看出人口凹陷的消失過程。從干涉圖中可以看出左側的最小膜厚hminL隨卷吸運動迅速向出口區移動。h…的位移量在三次正行程末端時刻變化不大，驗證了往復運動的穩定性。
為了進一步比較氣穴對膜厚和滑移產生的影響，圖5給出了正行程末端B1和負行程末端c1對應的油膜外形圖。顯然，B1時刻的入口區膜厚要高于cl時刻的人口區膜厚。從A1一l的卷吸過程中，入口區一開始沒有氣穴，在充分供油的條件下，Bl的入口區膜厚較大;而在1一cl的反向卷吸過程中，人口區存在氣穴，由于供油量的減小，CI時刻的人口區膜厚明顯減小，而且入口凹陷也沒有日1時刻明顯，表面滑移程度減小。另外，截止1時刻，接觸區原有的封閉潤滑油已經完全排除;而在與之對應的c1時刻接觸區內仍殘留了部分封油，如圖2(b)c1干涉圖中的虛線區域。從滑移角度來看，滑移效應較大時，接觸區內潤滑油的運動速度較快，cl時刻存留的封油也說明了滑移程度的減小。
圖6示出了行程中心不同時刻的油膜形狀曲線�？梢�，隨著往復運動的進行，受接觸區內封閉的潤滑油逐漸減小。事實上，在A1時刻的初始封閉潤滑油已經處于固化狀態，當其全部排出后并沒有完全空化，這一點可以從日l時刻大氣穴區內部存在小氣穴區可以看出。從B1到A2時刻，剛剛被排出的仍處于固化狀態的潤滑油又重新回到接觸區，只是因為部分發生空化消耗掉一部分封油，如此反復地運動使得初始封閉潤滑油逐漸減少。另外，隨著往復運動封閉的潤滑油外形不再保持原有的對稱性，而是潤滑油集中到一段呈現出一個“尖峰”。而且尖峰的一端恰好與卷吸速度方向相反。以3時刻的膜厚為例，此時的卷吸方向為從左向右，即封閉潤滑油并沒有全部以卷吸速度運行，否則尖峰將出現在靠近出口方向的一側。這同樣說明了潤滑油的黏彈性使得部分潤滑油的運動滯后。
2.2不同頻率(卷吸速度)對油膜特性的影響
圖7給出了振幅為(252±2.6)txm時不同頻率(卷吸速度)條件下日l和c1時刻的油膜外形圖。隨著卷吸速度的增大，B1時刻入口區油膜厚度逐漸增加，人口凹陷處的膜厚也明顯升高并且有向出口區平移的趨勢。同時，接觸區內的封閉潤滑油的排出量也隨速度的增加而增大。而在c1時刻右側人口區的膜厚小于B1時刻。盡管膜厚隨速度增加也呈現增加趨勢，但是增加程度明顯沒有Bl時刻大，這是因為速度越大在出口區產生的氣穴越多，當反向運動時越容易引起供油不足，從而減小了膜厚增加的趨勢。另外，與口l時刻不同的是c1時刻封閉潤滑油排出量并沒有隨卷吸速度的增加而明顯改變，這說明潤滑油的黏彈特性并沒有隨速度的改變而改變。
2.3不同振幅對油膜特性的影響
圖8給出了不同振幅條件下曰1和c1時刻的油膜外形圖。在曰1時刻，隨著振幅的增大，潤滑油膜整體向出口區平移，入口凹陷并沒有太大變化，并且接觸區被封閉的潤滑油被完全排出。而在c1時刻，右側的人口區油膜厚度明顯降低，而且入口凹陷呈現出出現到明顯再到消失的過程。小振幅對應著小沖程，當方向卷吸時剛排出的固化潤滑油可以較容易地返回接觸區，但同時氣穴對小振幅的影響也較大，即方向沖程結束時可能氣穴尚未完全消失。當振幅增大時，方向沖程沒有結束氣穴已經消失并回復充分供油，從而使入口凹陷變得明顯。當振幅再增大時，原有的封閉潤滑油被輸運到離出口區較遠的位置并發生空化，此時再進行反向沖程，固化的潤滑油不能被重新卷入接觸區，而且由于原有封閉潤滑油的空化，使得氣穴存在時間較長，所以即便反向沖程較大，但受氣穴的影響時間也較長，從而使膜厚降低并且無人口凹陷產生。
3結論
(1)往復運動過程中，受氣穴的影響潤滑油膜厚度逐漸減小。
(2)氣穴的出現和往復運動中界面性質的變化削弱了滑移程度，使得人口凹陷逐漸變得不明顯。
(3)潤滑油黏彈作用使得潤滑油的運動滯后，并導致油膜形狀發生變化。
(4)頻率增大時，正行程末端時膜厚明顯增大，油膜輸送速度也隨著增大;而負行程末端油膜受氣穴的影響膜厚增大較慢。
(5)振幅(輸入位移)增大時，正行程末端時油膜整體平移，而負行程末端人口凹陷呈現先明顯而后消失的現象。
相關期刊推薦：《潤滑與密封》(月刊)創刊于1976年，是中國機械工程學會摩擦學分會會刊，由中國科學技術協會主管，中國機械工程學會、廣州機械科學研究院主辦。主要介紹摩擦、磨損、潤滑、密封的基礎理論研究、試驗成果及應用情況。內容包括：摩擦學領域(摩擦、磨損、潤滑、密封)的試驗研究、理論探討、科研成果以及摩擦學的科研成果(新材料、新技術、新工藝、新設備)在工業界的實際應用報道;摩擦學基礎知識、主題綜述、技術講座;摩擦學國內外發展動態的報道及摩擦學會議相關專業學會活動的報道。
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