純滑動(dòng)橢圓接觸條件下急停對(duì)彈流潤(rùn)滑表面凹陷現(xiàn)象的影響*

(青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 山東青島 266520)

在實(shí)際應(yīng)用中，絕大多數(shù)的機(jī)械零部件是處于非穩(wěn)態(tài)彈流潤(rùn)滑狀態(tài)。在制動(dòng)情況下，動(dòng)壓效應(yīng)與擠壓效應(yīng)對(duì)油膜形狀與厚度大小有較大的影響。目前已有多位國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)制動(dòng)條件下彈流油膜的變化進(jìn)行了研究。1988年，AI和YU等[1]發(fā)現(xiàn)急停之后，在等溫線接觸彈流潤(rùn)滑問(wèn)題中，擠壓效應(yīng)作用下封閉在接觸區(qū)內(nèi)的潤(rùn)滑油可以停留相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。GLOVNEA等[2-4]對(duì)啟動(dòng)與制動(dòng)條件下的彈流油膜變化進(jìn)行了研究，他們將急停過(guò)程分為2個(gè)階段，即速度急劇減小的過(guò)程和速度為0的過(guò)程，并研究了速度、加速度、載荷、黏度等對(duì)油膜厚度的影響。2007年，宋懷文[5]對(duì)等溫牛頓流體橢圓接觸急停問(wèn)題進(jìn)行了動(dòng)態(tài)彈流潤(rùn)滑分析，發(fā)現(xiàn)在一定載荷作用下大部分潤(rùn)滑油很快會(huì)被擠出接觸區(qū)。王鵬等人[6]采用光干涉方法實(shí)驗(yàn)研究了急停沖擊對(duì)滾子副油膜變化的影響，并使用數(shù)值分析方法對(duì)急停過(guò)程進(jìn)行了分析。

2000—2001年，YANG等[7-9]使用理論分析驗(yàn)證了KANETA等[10-11]在光干涉實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的表面凹陷現(xiàn)象，并通過(guò)“溫度-黏度楔”效應(yīng)解釋了該現(xiàn)象。王珊珊等[12]實(shí)驗(yàn)研究了點(diǎn)接觸條件下在急停過(guò)程中，“溫度-黏度楔”凹陷向純擠壓凹陷的轉(zhuǎn)化過(guò)程。本文作者將王珊珊等[12]的實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展到橢圓接觸，采用黏度較高的潤(rùn)滑油，以有利于形成“溫度-黏度楔”凹陷，研究在急停作用下，該凹陷向純擠壓凹陷的轉(zhuǎn)變過(guò)程。

1 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)在滾子-盤(pán)光干涉試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)冕盤(pán)K9玻璃盤(pán)與被固定在下夾具中的鋼滾子(如圖2所示)形成接觸。玻璃盤(pán)直徑為150 mm，與鋼滾子接觸的一面鍍有厚度為20 nm的鉻膜。鋼滾子與玻璃盤(pán)的參數(shù)如表1所示。為了獲得清晰的光干涉條紋，實(shí)驗(yàn)前將滾子進(jìn)行拋光。實(shí)驗(yàn)研究純滑動(dòng)橢圓接觸條件下急停對(duì)油膜變化的影響，即滾子固定不動(dòng)，玻璃盤(pán)做純滑動(dòng)，然后突然停止，觀察急停后的膜厚變化情況。實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為24 ℃。

圖1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)照片

圖2 鋼滾子尺寸圖

表1滾子和玻璃盤(pán)性能

Table1Propertiesofthesphericalsteelrollerandtheglassdisc

實(shí)驗(yàn)中所使用的潤(rùn)滑油為聚丁烯PB950，其性能參數(shù)如表2所示。PB950具有很高的黏度，在玻璃盤(pán)做純滑動(dòng)時(shí)，如果速度適中，接觸區(qū)中很容易形成“溫度-黏度楔”凹陷。實(shí)驗(yàn)后油膜厚度由實(shí)驗(yàn)室自行開(kāi)發(fā)的DIIM軟件測(cè)量。

表2 PB950潤(rùn)滑油性能參數(shù)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將觀察到減速現(xiàn)象的前一幀圖像作為急停的開(kāi)始，即t=0。通過(guò)改變載荷和玻璃盤(pán)速度來(lái)研究油膜變化過(guò)程。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 不同載荷條件下急停過(guò)程的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖3給出了載荷為50 N，玻璃盤(pán)滑動(dòng)速度ud=0.03 m/s條件下的光干涉圖像及對(duì)應(yīng)的油膜中截面曲線圖。圖3(a)所示為t=0時(shí)的結(jié)果，圖3(b)—(f)為急停條件下速度急劇降低為0階段的圖像，圖3(g)—(i)為速度為0階段的圖像。在圖3(a)所示的光干涉圖中并沒(méi)有形成凹陷油膜，這是因?yàn)镻B950的黏度比較大，在接觸區(qū)中形成了較厚的彈流油膜，此時(shí)因?yàn)閺椓鳚?rùn)滑狀態(tài)更接近于流體動(dòng)壓潤(rùn)滑，兩接觸固體的彈性變形較小。孟祥華[13]通過(guò)純滑動(dòng)光干涉實(shí)驗(yàn)、張彬彬[14]通過(guò)兩表面作零卷吸運(yùn)動(dòng)的數(shù)值分析，指出“溫度-黏度楔”凹陷的發(fā)生，既與潤(rùn)滑油的高黏度有關(guān)，又與運(yùn)動(dòng)條件即純滑動(dòng)或反向滑動(dòng)有關(guān)，還與兩接觸表面的彈性變形有關(guān)。如果沒(méi)有彈性變形的發(fā)生，即使是使用高黏度的潤(rùn)滑油，在玻璃盤(pán)純滑動(dòng)或者鋼-鋼反向滑動(dòng)時(shí)，也不會(huì)出現(xiàn)“溫度-黏度楔”凹陷。在急停50 ms后，即圖3(e)中形成了明顯的油膜凹陷，在t=83 ms左右，該凹陷移動(dòng)到接觸區(qū)中心，如圖3(g)所示。在急停過(guò)程中，速度的減小降低了流體動(dòng)壓效應(yīng)，因此在圖3(b)—(d)中可看到接觸區(qū)中油膜厚度的降低，兩固體接觸表面的彈性變形增加。在急停的最后階段，如圖3(e)、(f)所示，左側(cè)出口頸縮之前已出現(xiàn)了一個(gè)明顯的“溫度-黏度楔”凹陷，在圖3(g)、(h)中，雖然玻璃盤(pán)表面速度為0，但是凹陷仍繼續(xù)向左移動(dòng)，在圖3(i)中已處于接觸區(qū)中心位置，造成左側(cè)原出口頸縮基本消失，僅在沿橢圓長(zhǎng)軸方向保留了2個(gè)“耳垂”。在此過(guò)程中，油膜厚度逐漸降低，原因是接觸區(qū)中的潤(rùn)滑油逐漸向壓力為0的接觸區(qū)外排出。凹陷的變化體現(xiàn)為整體膜厚的降低、面積的擴(kuò)大和長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)。此時(shí)擠壓效應(yīng)占主導(dǎo)地位，油膜凹陷主要由擠壓作用形成。此后，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，凹陷變長(zhǎng)，接觸區(qū)整體膜厚進(jìn)一步降低。

圖3 光干涉圖像和中截面油膜曲線(w=50 N,ud=0.03 m/s)

圖4給出了在載荷80 N、盤(pán)速0.03 m/s工況下的油膜光干涉圖像與中截面曲線，可看出油膜變化的整體趨勢(shì)與圖3一致。由于載荷的增加，圖4(a)中急停前兩表面的彈性變形要大于圖3(a)中的彈性變形；在急停16 ms后，即圖4(c)中形成了明顯的油膜凹陷，在58 ms左右，該凹陷移動(dòng)到接觸區(qū)中心，如圖4(f)所示。與圖3相比，該凹陷到達(dá)接觸區(qū)中心的時(shí)間變短。在凹陷油膜到達(dá)接觸區(qū)后由于載荷較大，擠壓效應(yīng)較強(qiáng)，封油量明顯增加，中心凹陷處的油膜厚度要大于圖3中對(duì)應(yīng)時(shí)刻的油膜厚度。圖4中，急停后隨著時(shí)間的增加，接觸區(qū)潤(rùn)滑油逐漸向四周排出，整體油膜厚度下降趨勢(shì)與圖3一致。

圖4 光干涉圖像和油膜曲線(w=80 N,ud=0.03 m/s)

圖5所示為載荷分別為50 N與80 N，玻璃盤(pán)速為0.03 m/s時(shí)中心膜厚隨時(shí)間的變化?？梢钥闯?，2種載荷下在250 ms之前的油膜厚度變化較快，主要因?yàn)樗俣鹊慕档蛯?dǎo)致動(dòng)壓效應(yīng)減小。隨著凹陷油膜向接觸區(qū)中心移動(dòng)，中心膜厚會(huì)有小幅度的升高，在擠壓效應(yīng)的作用下，中心膜厚會(huì)急劇下降。在進(jìn)入恒載荷純擠壓階段之后，中心油膜厚度變化較為平緩。

圖5 不同載荷下中心膜厚對(duì)比(ud=0.03 m/s)

2.2 不同速度條件下急停過(guò)程的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在載荷為80 N條件下，分別研究玻璃盤(pán)速度為0.02、0.01 m/s工況下急停過(guò)程的膜厚變化。圖6給出的是載荷為80 N，玻璃盤(pán)速度為0.02 m/s工況下的光干涉圖及中截面膜厚曲線圖。在純滑動(dòng)的穩(wěn)態(tài)過(guò)程中，由于卷吸速度適中，載荷又比較大，接觸區(qū)已有明顯的半橢圓形狀的“溫度-黏度楔”凹陷存在(如圖6(a)所示)。急停之后，該凹陷也逐漸向接觸區(qū)中心移動(dòng)，同時(shí)面積增大，長(zhǎng)度變長(zhǎng)，整體油膜厚度下降。

圖6 光干涉圖像和油膜曲線(w=80 N，ud=0.02 m/s)

圖7所示為載荷為80 N，玻璃盤(pán)速度為0.01 m/s工況下的光干涉圖與中截面膜厚曲線圖，在圖7(a)中，接觸區(qū)中存在3個(gè)凹陷，一個(gè)是靠近接觸區(qū)中央的長(zhǎng)凹陷，另外兩個(gè)是沿橢圓長(zhǎng)軸方向的小凹陷，像兩只眼睛。這種低速條件下出現(xiàn)的3凹陷現(xiàn)象與YANG等[15]的發(fā)現(xiàn)吻合。在速度降為0的過(guò)程中，2個(gè)眼狀凹陷首先消失，但長(zhǎng)凹陷面積基本不變(如圖7(b)—(d)所示)。隨后，長(zhǎng)凹陷的面積增加，長(zhǎng)凹陷中心形狀基本一致。隨純擠壓作用的延長(zhǎng)，油膜整體厚度下降，接觸區(qū)中潤(rùn)滑油不斷向周圍泄漏，油膜凹陷變?yōu)榧償D壓凹陷。

圖7 光干涉圖像和中截面油膜曲線(w=80 N,ud=0.01 m/s)

圖8給出的是載荷為80 N，3種玻璃盤(pán)速條件下最小膜厚隨時(shí)間的變化曲線，可以看出，速度越大，初始膜厚越高，但是在速度急劇下降過(guò)程中的最低膜厚減小速度均很快。

圖8 3種速度條件最小膜厚的變化曲線(w=80 N)

3 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究橢圓接觸在滾子-盤(pán)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上急停過(guò)程中的彈流潤(rùn)滑現(xiàn)象，得到以下結(jié)論：

(1)載荷增加時(shí)，中心膜厚在急停初始階段會(huì)有所升高隨后急劇下降，油膜形狀變化的整體趨勢(shì)沒(méi)變，接觸區(qū)內(nèi)封油量增加，“溫度-黏度楔”凹陷出現(xiàn)的時(shí)間與凹陷到達(dá)接觸區(qū)中心的時(shí)間均變短。

(2)速度不同時(shí)，急停過(guò)程中“溫度-黏度楔”凹陷的產(chǎn)生過(guò)程不同，但都會(huì)向接觸區(qū)中心移動(dòng)。速度增加時(shí)，在速度急劇降低為0的階段，初始油膜厚度高，油膜厚度下降較快；在速度為0的恒載荷純擠壓階段，油膜厚度下降均較慢。