油膜厚度及氣穴形態(tài)可視化試驗(yàn)研究

許成，張鵬偉，李健鋒，陳卓烈，黃鈺期

(1.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261001；2.浙江大學(xué)能源工程學(xué)院，動(dòng)力機(jī)械及車(chē)輛工程研究所，浙江 杭州 310027)

在機(jī)械運(yùn)行過(guò)程中，潤(rùn)滑能顯著減少傳動(dòng)副之間的阻力，在節(jié)約能源的同時(shí)提升機(jī)器的使用壽命。但摩擦本身是一種做功的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程往往伴隨著溫度的上升，進(jìn)一步影響潤(rùn)滑油的物理屬性，從而對(duì)潤(rùn)滑行為產(chǎn)生影響。

在以往旋轉(zhuǎn)機(jī)械摩擦及潤(rùn)滑的相關(guān)研究中，大多僅考慮試樣或零件本身因摩擦而產(chǎn)生的發(fā)熱升溫問(wèn)題，并以此為基礎(chǔ)提出散熱方案，而對(duì)零件受外界加熱的情況研究較少。但是，也有一些特殊的摩擦副，除本身的摩擦生熱外，還受到工作環(huán)境中的熱源加熱，外部熱流導(dǎo)致的潤(rùn)滑油溫度升高，可能對(duì)潤(rùn)滑狀態(tài)產(chǎn)生其他影響。這些影響可能在以往針對(duì)傳統(tǒng)摩擦潤(rùn)滑油膜的理論研究中被忽略，因此需要開(kāi)展一些基礎(chǔ)性的研究和探索工作，了解熱源影響下的油膜形態(tài)特征及變化規(guī)律，為仿真計(jì)算分析提供參考和對(duì)比。

為了使?jié)櫥驮跈C(jī)械設(shè)備中起到更好的潤(rùn)滑作用，常需要通過(guò)摩擦潤(rùn)滑試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行研究。潤(rùn)滑試驗(yàn)中的主要測(cè)量對(duì)象為潤(rùn)滑油膜本身，包括油膜的厚度、形狀、壓力、溫度、摩擦力和流變測(cè)量等。由于油膜厚度是表征潤(rùn)滑狀態(tài)和潤(rùn)滑有效程度最直接的指標(biāo)，因此油膜厚度的測(cè)量是試驗(yàn)研究最重要的方面之一[1]。從20世紀(jì)50年代起，為了精確測(cè)量油膜厚度，很多技術(shù)和方法應(yīng)運(yùn)而生，并在之后得到了極大的發(fā)展。

潤(rùn)滑油膜厚度的測(cè)量要求高分辨率與高精度、大的測(cè)量范圍與普適性、高效率與易操作、高穩(wěn)定性與抗干擾。潤(rùn)滑油膜厚度可通過(guò)電量、光程、聲波等信號(hào)變換得到[2]。學(xué)者們研究了以下油膜厚度測(cè)量方法：電阻法[3]、放電電壓法、電容法[4-5]、電容分壓法、阻容振蕩法、光干涉法[6]、X射線法、激光衍射法、激光熒光誘導(dǎo)法[7]、磁阻法、應(yīng)變儀法、超聲波法[8-9]等。其中，光干涉法測(cè)量是通過(guò)接觸處潤(rùn)滑油膜上下兩物體所反射的光線形成干涉,根據(jù)干涉條紋的級(jí)數(shù)變化確定油膜厚度。盡管因要求接觸副必須透光而受到限制，但到目前為止，光干涉法在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域仍具有以下十分顯著的優(yōu)勢(shì)：1) 可觀測(cè)到兩摩擦副之間的油膜形狀分布；2) 能完成非穩(wěn)態(tài)工況下瞬態(tài)油膜厚度和形狀的觀測(cè)；3) 測(cè)量精度高達(dá) 1 nm。由于光干涉法的高精度、可視化，其被廣泛應(yīng)用于油膜潤(rùn)滑測(cè)量領(lǐng)域，特別是基礎(chǔ)研究領(lǐng)域。因此，為了兼顧油膜厚度和油膜形態(tài)的可視化觀測(cè)，本研究選用雙光束干涉法對(duì)油膜厚度進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)簡(jiǎn)化摩擦副的構(gòu)造和運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)線接觸摩擦副，制造外部熱環(huán)境并對(duì)其加以嚴(yán)格的控制，同時(shí)探究潤(rùn)滑過(guò)程受速度、溫度等參數(shù)的影響規(guī)律及其變化，以期對(duì)潤(rùn)滑理論模型進(jìn)行一定程度的補(bǔ)充，并為理論分析與仿真模擬提供驗(yàn)證依據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)研究目標(biāo)和研究?jī)?nèi)容，設(shè)計(jì)如圖1 所示的摩擦試驗(yàn)臺(tái)。根據(jù)各個(gè)系統(tǒng)功能的不同，將其分為旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、加熱機(jī)構(gòu)和測(cè)量系統(tǒng)3個(gè)子系統(tǒng)。

圖1 可視化摩擦潤(rùn)滑試驗(yàn)裝置系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)摩擦，其中包括驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力源，受動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)主軸，進(jìn)行摩擦的摩擦副，以及對(duì)摩擦進(jìn)行潤(rùn)滑的供油裝置。該機(jī)構(gòu)以摩擦副為核心，動(dòng)力源負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)摩擦副運(yùn)動(dòng)，供油裝置負(fù)責(zé)對(duì)摩擦副進(jìn)行潤(rùn)滑。為此將摩擦副設(shè)計(jì)成圓柱面，并將摩擦副和主軸分離，即設(shè)計(jì)一個(gè)獨(dú)立的、安裝在旋轉(zhuǎn)主軸上的摩擦套筒，該套筒是整套試驗(yàn)裝置的核心部分(見(jiàn)圖2)。

圖2 摩擦軸及套筒設(shè)計(jì)圖

對(duì)于加熱機(jī)構(gòu)，其功能是對(duì)摩擦套筒進(jìn)行加熱，通過(guò)在摩擦套筒中內(nèi)嵌加熱棒來(lái)實(shí)現(xiàn)(見(jiàn)圖3)。加熱棒插入安裝孔后，縫隙用導(dǎo)熱硅膠填滿；埋入熱電偶后，對(duì)摩擦套筒表面進(jìn)行精車(chē)拋光處理。

圖3 加熱棒及熱電偶位置示意

測(cè)量系統(tǒng)同樣以摩擦副為核心，根據(jù)加熱方案和測(cè)量方案的選型，將靜止的外部設(shè)備與運(yùn)動(dòng)的摩擦副之間進(jìn)行連接(見(jiàn)圖4)。

圖4 測(cè)量系統(tǒng)示意

由于油膜出現(xiàn)在摩擦套筒和K9光學(xué)玻璃之間，故而摩擦套筒表面可能由于旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性因素或加工誤差而出現(xiàn)上下波動(dòng)，這將直接影響對(duì)油膜厚度的測(cè)量，從而增加數(shù)據(jù)的誤差。因此，旋轉(zhuǎn)軸采用動(dòng)平衡處理，具備一定的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，使摩擦套筒上下波動(dòng)誤差不至對(duì)油膜厚度產(chǎn)生可觀測(cè)的影響。

2 試驗(yàn)測(cè)量

如圖5所示，從激光器發(fā)射出來(lái)的兩束光經(jīng)由分光鏡后，分別在玻璃底面和摩擦軸表面進(jìn)行反射，由于光程差的存在，兩束反射光在傳播中相遇時(shí)會(huì)相互干涉，形成穩(wěn)定的、明暗相間的干涉條紋。雖然激光器發(fā)出的光實(shí)際上并不是平行光，而是發(fā)散角極小的發(fā)散光，所以其實(shí)大多數(shù)光線是斜射入K9玻璃盤(pán)以及摩擦軸表面，但是形成的干涉條紋和平行光形成干涉條紋的原理是一致的。

圖5 光干涉系統(tǒng)及原理圖

假設(shè)匯聚點(diǎn)光強(qiáng)為

(1)

式中：I1，I2分別為兩束光的光強(qiáng)；kΔ為相位差，k=2π/λ，λ為光在傳播介質(zhì)中的波長(zhǎng)。由于周?chē)橘|(zhì)折射率一致，所以兩個(gè)表面的反射光中有一支發(fā)生“半波損失”，應(yīng)當(dāng)再考慮由反射引起的附加光程差λ/2，此時(shí)

(2)

式中：θ2為光從玻璃進(jìn)入油膜時(shí)的折射角；h為油膜厚度；n為油膜的折射率。

設(shè)中心條紋干涉級(jí)為m0，則

(3)

m0不一定是整數(shù)，即中心不一定是最亮點(diǎn)，它可以寫(xiě)成

m0=m1+q。

(4)

式中：q為小于1的分?jǐn)?shù)。

從中心向外數(shù)，第N個(gè)亮條紋的干涉級(jí)表示為[m1-(N-1)]，其角半徑記為θ1N(條紋半徑對(duì)透鏡中心的張角)，與其相應(yīng)的θ2N滿足

(5)

式(1)與式(2)相減得

2nh(1-cosθ2N)=(N-1+q)λ。

(6)

這樣就得到了油膜厚度和條紋半徑對(duì)透鏡中心張角之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。設(shè)條紋半徑為r，tanθ2N=r/f，f為透鏡焦距(條紋成像在焦平面處)，將角度轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)度，以便于測(cè)量[10]。

3 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

圖6 干涉條紋原圖

首先固定摩擦軸轉(zhuǎn)速為300 r/min，在常溫?zé)o載荷條件下開(kāi)展油膜厚度測(cè)試，獲得如圖6所示干涉條紋。按照標(biāo)度在軸反射光中心線上取3 cm半徑內(nèi)條紋數(shù)目，得到條紋數(shù)N1=25。考慮到潤(rùn)滑油的折射率n=1.55，激光波長(zhǎng)λ=600 nm，q取0，30 mm對(duì)應(yīng)的θ值代入2nh(1-cosθ2N)=(N-1+q)λ，計(jì)算出對(duì)應(yīng)厚度為h1=22 μm，以此作為油膜基本厚度。計(jì)算出的油膜厚度與相關(guān)理論研究及試驗(yàn)研究中的油膜厚度值基本相符。圖6中條紋對(duì)比度不高，主要原因是軸的反射率低于玻璃盤(pán)反射面的反射率，最終導(dǎo)致測(cè)量出的條紋對(duì)比度較低。

在基準(zhǔn)油膜的基礎(chǔ)上，分別調(diào)節(jié)摩擦軸轉(zhuǎn)速和潤(rùn)滑油溫度，測(cè)量相應(yīng)油膜厚度，獲得固定轉(zhuǎn)速下溫度與油膜厚度和摩擦力的關(guān)系，以及固定溫度下轉(zhuǎn)速與油膜厚度及摩擦力之間的關(guān)系。

當(dāng)摩擦軸轉(zhuǎn)速固定不變時(shí)，隨著潤(rùn)滑油溫度的不斷升高，油膜厚度持續(xù)下降(見(jiàn)圖7)。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于400 r/min時(shí)，油膜厚度隨轉(zhuǎn)速增加呈持續(xù)升高趨勢(shì)；而當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)400 r/min后，油膜厚度基本保持穩(wěn)定(見(jiàn)圖8)。這些現(xiàn)象表明，在熱源影響下，潤(rùn)滑油溫度的變化會(huì)顯著影響油膜厚度，最終導(dǎo)致潤(rùn)滑效果變差；而轉(zhuǎn)速的提升在一定范圍內(nèi)有助于增加油膜厚度，保持良好的潤(rùn)滑狀態(tài)。

圖8 油膜厚度和旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系

為觀測(cè)油膜形狀，使用單反相機(jī)進(jìn)行拍攝，并對(duì)圖像進(jìn)行處理，獲得圖9所示油膜氣穴形態(tài)。從圖中可見(jiàn)，雖然摩擦軸與玻璃均水平放置并均勻加載，但氣穴形態(tài)及拖尾長(zhǎng)度并非完全相等，油膜中心位置拖尾相對(duì)較長(zhǎng)，氣穴寬度較寬；而兩端拖尾較短，且氣穴更密。這可能是由于噴油點(diǎn)靠近摩擦中心位置，使壓力、溫度分布存在一定差異；中心油膜溫度更高，且壓力更大，而兩側(cè)區(qū)域散熱強(qiáng)，油溫較低，從而出現(xiàn)短而窄的氣穴。

圖9 油膜氣穴形態(tài)

通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速發(fā)現(xiàn)，在相同溫度范圍下，隨著轉(zhuǎn)速的升高，氣穴形態(tài)有顯著變化，并且出現(xiàn)拖尾結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖10)。但轉(zhuǎn)速持續(xù)升高后，在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，氣穴形態(tài)變化較小，這一發(fā)現(xiàn)可為仿真計(jì)算時(shí)使用的氣穴模型提供修正和參考。

圖10 油膜氣穴及拖尾形狀

4 誤差分析

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)步驟以及試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行分析總結(jié)，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)的誤差主要來(lái)自如下幾個(gè)方面：

1) 光干涉法估算油膜厚度時(shí)的測(cè)量誤差

光干涉法根據(jù)激光器發(fā)出的高頻激光經(jīng)過(guò)多次反射后在光屏上形成干涉條紋的數(shù)目來(lái)估算油膜厚度，但是由于中心部分的條紋十分密集，并且對(duì)比度不高，因此想在測(cè)量中準(zhǔn)確地讀取干涉條紋的數(shù)目十分困難。不同測(cè)量者或者同一測(cè)量者在每次測(cè)量過(guò)程中觀察到的干涉條紋的情況不盡相同，條紋的數(shù)目統(tǒng)計(jì)存在差異，造成測(cè)量誤差。

由于激光位移傳感器的油膜厚度測(cè)量也依賴于光干涉法所測(cè)量的初始厚度情況，因此該誤差會(huì)對(duì)后續(xù)的油膜厚度測(cè)量造成一定的影響。

2) 摩擦盤(pán)的振動(dòng)

試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)一定的載荷加載使摩擦盤(pán)與摩擦軸緊貼，但由于摩擦軸呈高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，會(huì)使摩擦盤(pán)產(chǎn)生上下振動(dòng)，在轉(zhuǎn)速較低時(shí)，振動(dòng)影響不大，但在增大轉(zhuǎn)速的過(guò)程中，該影響會(huì)逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，最終影響油膜厚度的測(cè)量結(jié)果。

總的來(lái)說(shuō)，本試驗(yàn)臺(tái)已滿足試驗(yàn)要求，但還存在一定的優(yōu)化空間，在后續(xù)試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)優(yōu)化測(cè)量方案和試驗(yàn)裝置，可以得到更為準(zhǔn)確可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究利用基于光學(xué)原理的光干涉法測(cè)量油膜厚度，根據(jù)干涉條紋計(jì)算不同轉(zhuǎn)速、油溫下的油膜厚度及變化特性，并利用單反相機(jī)觀測(cè)油膜氣穴形態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)需要對(duì)油膜形態(tài)進(jìn)行可視化研究時(shí)，光干涉法可作為一種可靠的油膜厚度測(cè)試手段。由測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，潤(rùn)滑油厚度隨油溫升高而不斷下降，當(dāng)油溫超過(guò)70 ℃時(shí)，局部油膜厚度可能低于10 μm，將引起潤(rùn)滑狀態(tài)變差；而在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)(小于400 r/min)，潤(rùn)滑油厚度隨轉(zhuǎn)速升高而增大，但當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)一定范圍后，再提高轉(zhuǎn)速也不會(huì)引起油膜厚度的明顯變化。

在線摩擦中明顯存在氣穴，并可被相機(jī)捕捉，但是由于摩擦軸具有一定寬度，受?chē)娪秃蜏囟扔绊?，在摩擦面上氣穴并非均勻分布，中間位置的氣穴拖尾較長(zhǎng)，且氣穴更大。當(dāng)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，氣穴形態(tài)從寬扁型向細(xì)長(zhǎng)型轉(zhuǎn)變，而外部熱流的施加容易破壞氣穴形態(tài)，使油膜趨于紊亂并難以辨認(rèn)。