微量供油条件下润滑油液滴的生长与脱附_豆照良.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.02540150.2023.02.012文献引用:豆照良，宋安佳，周刚，等微量供油条件下润滑油液滴的生长与脱附 J 润滑与密封，2023，48(2):8388Cite as:DOU Zhaoliang，SONG Anjia，ZHOU Gang，et alGrowth and desorption of lubricating oil droplets under the condition of micro oilsupply J Lubrication Engineering，2023，48(2):8388*基金项目:国家自然科学基金项目(52005010);北京市自然科学基金项目(3204037);清华大学摩擦学国家重点实验室开放基金项目(SKLTKF19B04)收稿日期:20211201;修回日期:20220105作者简介:豆照良(1983)，男，博士，副教授，研究方向为工程摩擦学和表面功能化技术。Email:dzl 。微量供油条件下润滑油液滴的生长与脱附*豆照良1宋安佳1周刚2，3张韶华2，3阎红娟1刘峰斌1(1.北方工业大学机械与材料工程学院北京 100144;2.北京控制工程研究所空间轴承应用试验室北京 100094;3.精密转动和传动机构长寿命技术北京市重点实验室北京 100094)摘要:润滑油液滴的生长与脱附性能对于微量供油过程和微量润滑效果有重要影响。采用试验和数值仿真相结合的方法，研究微量供油条件下、在重力环境中的润滑油液滴在毛细管出口端的生长与脱附行为，考察毛细管管径和表面润湿特性变化对润滑油液滴脱附性能的影响。结果表明，润滑油液滴的生长与脱附是毛细力、黏性力、表面张力和重力等共同作用的结果;减小毛细管管径或增大润滑油液滴在毛细管表面的接触角，均可有效减弱毛细效应，降低润滑油液的爬移高度和脱附粒径，改善液滴脱附性能;毛细管管径由 1.2 mm 减小至 0.7 mm 过程中，液滴脱附粒径减小了 4.5%;接触角由 5逐渐增加至 90的过程中，液滴脱附粒径减小了 9.3%;通过选用低表面能材料制作微量供油的毛细管可以显著增大接触角。关键词:微量供油;润滑油液滴;毛细管;接触角;脱附性能中图分类号:TH117.2Growth and Desorption of Lubricating Oil Droplets underthe Condition of Micro Oil SupplyDOU Zhaoliang1SONG Anjia1ZHOU Gang2，3ZHANG Shaohua2，3YAN Hongjuan1LIU Fengbin1(1.School of Mechanical and Materials Engineering，North China University of Technology，Beijing 100144，China;2.Space Bearing Application Laboratory，Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100094，China;3.BeijingKey Laboratory for LongLife Technology of Precision otation and Transmission Mechanism，Beijing 100094，China)Abstract:The growth and desorption performance of lubricating oil droplets has an important influence on the microlu-brication process and the microlubrication effectThe growth and desorption behavior of lubricating oil droplets at the cap-illary outlet under the condition of micro oil supply and gravity environment were studied by means of experiment and nu-merical simulation，and the effects of capillary pipe diameter and surface wetting characteristics on the desorption perform-ance of lubricating oil droplets were investigatedThe results show that the growth and desorption of lubricating oil dropletsare the result of capillary force，viscous force，surface tension and gravity，and by reducing the capillary diameter or increas-ing the contact angle of lubricating oil droplets on the capillary surface，the capillary effect can be effectively reduced，theclimbing height and desorption particle size of lubricating oil can be reduced，and the desorption performance of lubricatingoil droplets can be improvedWhen the capillary tube diameter is reduced from 1.2 mm to 0.7 mm，the droplet desorptionparticle size decreases by 4.5%While the contact angle is gradually increased from 5 to 90，the droplet desorption parti-cle size decreases by 9.3%By using low surface energy materials to make microsupplied capillaries，the contact anglecan be significantly increasedKeywords:micro oil supply;lubricating oil droplets;capillary;contact angle;desorption performance长寿命、高可靠性的卫星平台是我国日益增长的空间战略需求。动量飞轮是空间执行机构的重要组件。目前，受限于空间条件下轴承组件的润滑技术瓶颈，长期服役的轴承组件在润滑状态恶化后，往往会出现摩擦性能下降、摩擦力矩不稳定等问题，使得动量飞轮的设计寿命距离满足卫星长寿命需求仍有一定差距。动量飞轮的润滑问题已成为制约卫星平台技术提升的关键因素1。空间精密轴承组件作为动量飞轮的核心部件，其长寿命润滑技术，是空间摩擦学领域亟待开展的重要研究内容之一2。开展主动微量供油技术研究，实现润滑油的持续微量供给，使轴承组件得到及时、有效的润滑，改善其服役期间的摩擦学性能，满足产品高精度、长寿命的应用需求，对我国空间技术发展具有重要价值3。润滑油液在供油微通道出口端的生长与脱附过程是主动微量供油的关键环节，对轴承实现长期微量润滑和长寿命运行至关重要。此外，微液滴的生长与脱附还在医疗、喷涂、喷墨打印、冷却系统等领域中发挥着重要作用47。对于微液滴的生长与脱附行为，早期研究主要采用力平衡分析方法，从流体属性及流量等角度来预测较低流量下的液滴体积。HAYWOTH 和 TEYBAL8 发现出口端直径和表面张力的增加会导致液滴直径的增加，并采用两个阶段模型来预测液滴从毛细管顶端形成时的体积特征:第一个阶段是液滴生长，为静态过程，第二个阶段是液滴脱离，为动态过程。除早期试验研究外，人们还致力于寻找液滴形成的动力学理论。PAN 等9 研究了颗粒悬浮液中液滴的形成，杨玉军等10 通过二维轴对称模型研究了液滴形成的动力学，并解释了缩颈现象的机制。在高速摄像机及数值模拟等新技术的辅助下，人们针对液滴的形成过程与机制问题开展了较为深入的试验及仿真研究1115。刘友菊16 通过图像处理技术研究了非牛顿流体液滴形成的各种现象，如颈缩、毛细管压力引起的流体涡旋和卫星液滴。HUANG 等17 使用高速摄像机研究了液滴在低流速下的形成过程，包括接触角、缩颈线长度、液滴直径等。润滑油液在供油微通道出口端的生长与脱附过程是主动式微量供油的关键环节，对轴承实现长期微量润滑和长寿命运行至关重要，但目前对于空间润滑油的脱附过程及脱附大小尚缺乏系统性的分析与研究。本文作者采用试验与数值模拟仿真相结合的方法，对微量供油条件下、在重力环境中的润滑油液滴在毛细管出口端的生长与脱附行为进行研究，考察毛细管管径和表面润湿特性变化对润滑油液滴脱附性能的影响，并初步探讨采用数值模拟方法研究无重力环境下的液滴脱附行为的技术可行性。1试验原理及装置图 1 所示为润滑油液滴生长与脱附过程的观测装置示意图。试验过程中，润滑油液由微量泵中的注射器经橡胶软管泵送至金属毛细管，润滑油液在毛细管出口端生长成液滴并最终脱附;利用氙灯光源进行补光照明，由 KEYENCE 高速摄像机记录油液生长与脱附过程，并将图像数据传输至计算机，利用图像处理与分析软件进行试验数据处理。图 1试验装置示意Fig.1Schematic of test device试验所用润滑油液为 PAO10 型航天润滑油，其基本物性参数如表 1 所示。所用金属毛细管材质为SUS304 不锈钢，规格分别为:1.2 mm 0.1 mm，1.0 mm0.1 mm，0.7 mm0.1 mm。试验过程中，润滑油液在金属毛细管内的流速由微量泵流量控制，所设定的试验流速为 0.4 mm/s。表 1PAO10 润滑油基本物性参数Table 1Basic physical property parametersof PAO10 lubricating oil项目数值运动黏度/(mm2s1)100 1040 66密度/(gcm3)08352数值模拟采用 Ansys Fluent 软件，对重力环境下由压力驱48润滑与密封第 48 卷动的润滑油液在毛细管内的生长与脱附过程进行数值模拟，考察毛细管管径、表面润湿特性等对润滑油液生长与脱附性能的影响，并探讨采用数值模拟方法研究无重力环境下液滴生长与脱附问题的可行性。2.1物理模型的构建求解润滑油液滴生长与脱附过程的物理模型为:在重力环境下，在 1 atm(0.1 MPa)的大气环境中，竖直放置一根毛细管，PAO10 型润滑油液在压力驱动下由毛细管入口端向下流动，油液在入口端的初速度为 0.4 mm/s，润滑油液在毛细管出口端逐渐生长并最终脱附。在考察毛细管管径的影响时，管径取值分别为1.2 mm0.1 mm、1.0 mm0.1 mm、0.7 mm0.1 mm，润滑油液在毛细管表面的接触角设为 5;在考察毛细管表面润湿特性的影响时，以接触角 表征，接触角取值依次为 5、15、20、25、30、40、60、75和 90，毛细管管径的取值为 1.0 mm0.1 mm。2.2计算模型的选取Fluent 中的 VOF(Volume of fluid model)模型能够使流体与流体间共用一组动量方程，并计算每