加载条件下零卷吸凹陷油膜分布的试验研究_谢伟东.pdf

2023 年 2 月第 48 卷 第 2 期润滑与密封LUBICATION ENGINEEINGFeb.2023Vol.48 No.2DOI:10.3969/j.issn.02540150.2023.02.009文献引用:谢伟东，张锐，韩一鸣，等加载条件下零卷吸凹陷油膜分布的试验研究 J 润滑与密封，2023，48(2):6269Cite as:XIE Weidong，ZHANG ui，HAN Yiming，et alExperimental study on the dimpled oil film distribution under zero entrainment ve-locity motion in a loading process J Lubrication Engineering，2023，48(2):6269*基金项目:上海市科委外专项目(21WZ2501400);国家自然科学基金项目(51875298)收稿日期:20211124;修回日期:20211216作者简介:谢伟东(1997)，男，硕士研究生，研究方向为光干涉弹流实验研究。Email:253462147 。通信作者:王静(1975)，女，教授，主要研究方向为润滑理论和实验研究。Email:jingwang 。加载条件下零卷吸凹陷油膜分布的试验研究*谢伟东1张锐1韩一鸣2王静1(1.东华大学机械工程学院上海 201620;2.中国科学院兰州化学物理研究所，固体润滑国家重点实验室甘肃兰州 730000)摘要:为探究加载过程中零卷吸工况下油膜的变化情况，使用球盘光干涉试验机进行 PAO100 润滑油润滑下的摩擦实验。实验过程中通过伺服电机驱动钢球和蓝宝石盘以等值反向速度稳定转动，同时匀速加载;采用工业相机拍摄球盘之间的油膜图像，实验后使用双光干涉法测量接触区中截面油膜厚度。实验发现:在加载情况下，当表面速度较低时且载荷较小条件下，油膜规律性不强，只有当载荷增加到一定程度，“温度黏度楔”效应才会起作用，形成中央凹陷油膜;中央凹陷出现的时间随着表面速度的增加而提前;在速度较高条件下，中央小凹陷会迅速演化为大凹陷;与稳态结果的对比显示，时变效应会延迟“温度黏度楔”效应的作用。关键词:零卷吸速度;加载;弹流润滑;凹陷油膜;温度黏度楔中图分类号:TH117.2Experimental Study on the Dimpled Oil Film Distribution under ZeroEntrainment Velocity Motion in a Loading ProcessXIE Weidong1ZHANG ui1HAN Yiming2WANG Jing1(1.College of Mechanical Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China;2.State Key Laboratoryof Solid Lubrication，Lanzhou Institute of Physics，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou Gansu 730000，China)Abstract:In order to explore the change of elastohydrodynamic lubrication(EHL)oil film under zero entrainment ve-locity(ZEV)in a loading process，friction experiment with PAO100 lubricating oil was carried out using a balldisk opti-cal interference testing rigDuring the experiment，the servo motor drives the steel ball and sapphire disc to rotate reverselyat equal speed，and the contact was loaded linearlyThe oil film images between the ball and disk were captured by an in-dustrial camera，and the oil film thickness at the middle section of the contact in the entraining direction after the experi-ment was measured by a dichromatic interference intensity modulation(DIIM)softwareThe results show that the regularityof oil film is not strong when the surface speed is relatively low and the load is relatively small under the loading conditionOnly when the load increases to a certain value，the“temperatureviscosity wedge”effect starts to play a role and a cen-tralized dimple is formedThe occurrence of the centralized dimple becomes earlier when the surface speed is increasedUn-der the condition of higher speed，the small centralized dimple rapidly evolves into a large dimpleThe comparison with thesteadystate results shows that the transient effect holds back the effect of“temperatureviscosity wedge”Keywords:zero entrainment velocity;loading;elastohydrodynamic lubrication;dimpled oil film;temperatureviscositywedge零卷吸是工程中常见的较为恶劣的工况，即两表面速度大小相等、方向相反，滑滚比为无穷。零卷吸工况常见于无保持架滚珠轴承、滚珠蜗杆、滚珠丝杠、滚珠升降台等部件的相邻滚子之间。零卷吸工况下两表面间承载油膜厚度依赖于表面速度和载荷，受“温度黏度楔”效应12 所控制。在低速条件下接近干接触，易造成磨损。工程实际中，大多数的运动副都要承受冲击载荷。冲击载荷随时间的剧烈变化，导致温度、压力和润滑油黏度等的剧烈变化，并引起金属亚表层内的交变应力，从而影响润滑的可靠性，严重时会造成疲劳磨损失效。1951 年，CAMEON34 实验发现钢盘和铜盘在零卷吸的条件仍具有承载力，并通过数值分析研究了零卷吸条件下的成膜机制，认为零卷吸下的油膜成膜原因是两接触表面热物性不同，膜厚运动方向上存在温度和黏度差异，并且提出了“黏度楔”机制。DYSON 和 WILSON5 发现膜厚随着载荷的增加而增加。杨沛然和常秋英12 数值模拟了线接触零卷吸热弹流问题，使用“温度黏度楔”机制成功解释了在零卷吸过程中成膜原因。ZHANG 等67 建立 Ey-ring 流体模型并采用多重网格方法进行了数值模拟，探究了表面速度逐渐降低过程中，油膜形状由经典大凹陷向中央小凹陷转化并逐渐消失的过程，指出热效应是维持零卷吸工况下有效油膜的决定性因素。金旭阳8 通过球盘点接触探究了往复运动形式、载荷、冲程与最大表面速度对表面凹陷与油膜形状的影响。朱建荣等9 研究认为零卷吸往复运动条件下的油膜分布受表面速度和乏油的影响。也有很多学者从边界滑移 等 方 面 来 进 行 相 关 研 究。ZHAO 和 WONG等1011 提出了一种使用边界滑移促进零卷吸速度(ZEV)接触的流体动力润滑的新思路，并通过实验验证了该想法，从而设计出一种包含交替滑动和不滑动滚动体的新型无保持架轴承，新轴承能在更宽的速度范围内运行。MENG 等12 同时研究了滚动/滑动接触中边界速度滑移和热滑移对油膜厚度的影响。结果表明，在纯滚动接触条件下，速度滑移使油膜厚度减小，而在 ZEV 接触条件下，速度滑移和热滑移使油膜沿滑动方向形成移动的凹陷。以上关于零卷吸弹流润滑问题的研究，不管是采用实验手段还是数值分析方法，都是研究的载荷恒定的问题。在工程实际中，变载问题是比较常见的。纯挤压问题是一种典型的变载问题，历年来研究者比较多。例如 KANETA 等13 通过数值计算模拟了实验中观察到的两类纯挤压凹陷现象。滚滑工况下的冲击载荷问题也有学者研究，如张彬彬和王静14 采用二阶差分格式离散 eynolds 方程和能量方程中的一阶微分项，可以较精确地模拟油膜中压力、膜厚和温升的变化。但零卷吸工况下变载的影响尚未见报道。本文作者采用 PAO100 润滑油，在球盘光弹流试验机上探究零卷吸条件下，在加载过程中润滑油膜分布和膜厚的变化情况。1实验设备及材料实验在球盘光干涉试验台上进行。钢球直径为25.4 mm，材料为 GCr15 钢，蓝宝石玻璃盘直径为150 mm，盘与钢球接触表面的镀铬层厚度为 20 nm。钢球和蓝宝石的物性参数如表 1 所示。环境温度为(240.5)，环境湿度为 60%5%。图 1 和图 2 分别给出了球盘光弹流试验机结构示意图和实物图。实验机由驱动装置、运动控制装置、图像采集装置和机械本体等组成，其中驱动装置包括球驱、盘驱和加载驱动。在充分供油情况下采集到的光干涉图片，使用基于双色光干涉强度调制技术15 开发的 DIIM 软件处理，可获得中截面油膜曲线图。所采用的 PAO100润滑油的性能参数如表 2 所示。表 1钢球和蓝宝石盘的参数Table 1Properties of the steel ball and sapphire disc性能参数钢球蓝宝石盘弹性模量 E/GPa210380泊松比 03027密度/(kgm3)7 8503 950热传导系数 k/(Wm1K1)4630比热容 c/(Jkg1K1)470761图 1球盘试验机结构示意Fig.1Schematic of the balldisk test rig图 2球盘接触照片Fig.2Photo of the balldisc contact362023 年第 2 期谢伟东等:加载条件下零卷吸凹陷油膜分布的试验研究表 2PAO100 油参数Table 2PAO100 oil properties性能参数数值密度/(kgm3)085运动黏度(40)/(mm2s1)9275运动黏度(100)/(mm2s1)10342实验结果与分析2.1稳态零卷吸在稳态条件下采集了载荷分别为 30、60 和90 N，表面速度分别为 0.2、0.3、0.4 m/s 下的光干涉油膜图像，并测量得到了沿卷吸速度方向的中截面油膜曲线，如图 3 所示。ZHANG 等67 指出随着表面速度的降低，经典中央大凹陷会转化成中央小凹陷。中央凹陷是由“温度黏度楔”效应的减弱所导致，中央凹陷膜厚较高，两侧膜厚较低。图 3 中结果与 ZHANG等67 的结论一致。随着载荷和速度的增加，接触区中的凹陷变大变深。大凹陷和中央小凹陷都是由“温度黏度楔”效应控制。需要指出的是，在速度为 0.2 m/s 条件下，接触区内，中央凹陷四周的油膜已经接近于边界润滑状态，显示润滑工况已经比较恶劣。图 3点接触稳态零卷吸油膜干涉图Fig.3Point contact steadystate ze