不同潤滑狀態(tài)下游離水對(duì)點(diǎn)接觸油潤滑潤滑性能的影響*

郭光福 劉曉玲 李 磊

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

水污染作為潤滑系統(tǒng)污染的常見形式，對(duì)潤滑油本身以及機(jī)械系統(tǒng)都有危害。水分對(duì)油品及齒輪箱的影響主要表現(xiàn)在4個(gè)方面；(1)影響潤滑油膜的形成，當(dāng)油中含水時(shí)，易造成油品的乳化，乳化會(huì)破壞潤滑油膜，降低油品的潤滑性能；(2)當(dāng)油中僅含有少量水分或雜質(zhì)時(shí)，油品的劣化度較慢，而當(dāng)有金屬顆粒存在時(shí)，油品的氧化速度迅速增加，生成一系列的酸性物質(zhì)，油品黏度隨之增加[1]；(3)引起齒輪表面銹蝕，當(dāng)油中某些酸性或含硫物質(zhì)溶解到水中時(shí)，會(huì)加速對(duì)齒面的腐蝕；(4)當(dāng)油中水分達(dá)到一定程度后，會(huì)造成齒輪表面的疲勞剝落。

潤滑油中水的存在形態(tài)有3種：溶解水、乳化水和游離水[2]。溶解水是水分子和油分子發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，從而以分子形式均勻地分散在潤滑油中；乳化水是在特殊工況下(高溫、攪拌等)水跟潤滑油發(fā)生乳化后以乳化狀態(tài)存在；游離水是當(dāng)進(jìn)入潤滑油中的水量繼續(xù)增加，水會(huì)從潤滑油中析出而以游離狀態(tài)存在。

水分對(duì)油潤滑潤滑性能影響的理論研究，主要集中在油水兩相流體。TAYLOR[3]提出了油水兩相混合模型，并指出油水兩相混合流體的黏度同油和水的含量存在一定關(guān)系。AL-SHARIF等[4]通過兩相流體連續(xù)性理論建立了油水兩相流體的雷諾方程，并用該模型分析了油水兩相流體的潤滑特性。江延明和李傳憲[5]對(duì)油包水型(W/O)兩相流體的流變性進(jìn)行了研究，指出在含水率較低時(shí)，W/O乳化液為牛頓流體；當(dāng)含水率增加到一定值時(shí)，乳化液變?yōu)榉桥ｎD流體，而且含水率越高，非牛頓性越強(qiáng)；W/O乳化液的黏溫關(guān)系與原油類似，其黏溫曲線可分為放射段和直線段，但非牛頓性強(qiáng)于原油，反常點(diǎn)升高；乳化液的表觀黏度隨時(shí)間延長而增加。陳家瑯[6]提出了一個(gè)適合求解油包水流型的流體黏度公式。嚴(yán)升明和房風(fēng)浩[7]研究了油水兩相流體的當(dāng)量黏度系數(shù)，推算出一種計(jì)算油水兩相流體的當(dāng)量黏度系數(shù)方程。 SHANG和SARICA[8]建立了一種預(yù)測(cè)油水兩相分層流動(dòng)溫度分布的數(shù)學(xué)模型，并基于控制體積的能量平衡，給出了解析解，用于預(yù)測(cè)管流中油水兩相分層流態(tài)的溫度分布。

對(duì)于水分對(duì)油潤滑潤滑性能影響的實(shí)驗(yàn)研究，MACDONALD[9]實(shí)驗(yàn)證明潤滑油中介入水會(huì)使軸承生銹，從而影響軸承的使用壽命。NAKAHARA等[10]利用光學(xué)原理觀察到了水包油型兩相流體的潤滑薄膜，進(jìn)一步分析了影響油包水型流體潤滑性能的參數(shù)。夏守浩和安琦[11]建立了在含油水兩相流體工況下測(cè)量滑動(dòng)軸承壓力的裝置，并研究了潤滑油中介入水后潤滑膜的壓力變化。胡志華等[12]在前人研究的基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)得到了一種計(jì)算油水兩相流體黏度的新模型，并指出油包水流型向水包油流型轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn)在含水率30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))處。HARIKA等[13]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在一定含水率范圍內(nèi)，潤滑油中水的介入對(duì)流體的黏度影響較大，與傳統(tǒng)的純油潤滑相比，油包水型兩相流體的潤滑效果更好。陳波水等[14]采用四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)和環(huán)-塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)定了不同含水量下艦用汽輪機(jī)油的潤滑性能，并分析了磨斑表面形貌和元素組成。

綜上所述，目前水分對(duì)油潤滑潤滑性能影響的實(shí)驗(yàn)研究，主要針對(duì)水分與潤滑油發(fā)生乳化后產(chǎn)生的油水乳化液(水包油型乳化液和油包水型乳化液)，而針對(duì)游離水對(duì)潤滑油潤滑性能影響的研究較少，且主要是在充分供油條件下進(jìn)行的。為此，本文作者采用自主搭建的球盤點(diǎn)接觸光干涉膜厚測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)，研究在充分供油、輕微乏油及嚴(yán)重乏油條件下，游離水對(duì)油潤滑潤滑特性的影響規(guī)律，以期為水污染的防護(hù)及潤滑油的換油標(biāo)準(zhǔn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置及方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用自主搭建的球盤點(diǎn)接觸光干涉膜厚測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)，如圖1所示，玻璃盤由伺服電機(jī)通過帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)，鋼球做純滾動(dòng)，通過加載裝置施加載荷使鋼球與玻璃盤接觸，潤滑油通過卷吸進(jìn)入接觸區(qū)后形成彈流潤滑。雙色入射光對(duì)準(zhǔn)接觸區(qū)并做適當(dāng)調(diào)整后可形成干涉圖樣，干涉圖樣經(jīng)顯微鏡放大后由Basler相機(jī)傳至計(jì)算機(jī)圖像采集系統(tǒng)。

圖1 試驗(yàn)裝置示意

1.2 試驗(yàn)材料及條件

試驗(yàn)用潤滑油為PAO40基礎(chǔ)油，游離水為去離子水，兩者的性能參數(shù)見表1。玻璃盤購自上海未普光電科技有限公司，采用冕牌K9玻璃制作而成，直徑為150 mm，厚度為15 mm，與鋼球接觸一側(cè)鍍有分光鉻膜，公稱厚度為20 nm，表面粗糙度小于5 nm。鋼球采用NSK公司生產(chǎn)的G5級(jí)鋼球，直徑為25.4 mm。玻璃盤和鋼球的綜合彈性模量為E′=1.17×1011Pa。

表1 試驗(yàn)材料性能參數(shù)

試驗(yàn)時(shí)控制環(huán)境溫度為(23±1) ℃，相對(duì)濕度為(50±5)%；施加載荷為30 N，對(duì)應(yīng)最大赫茲壓力為0.48 GPa，卷吸速度分別為100、300、450 mm/s。PAO40基礎(chǔ)油體積為100 μL，利用移液器控制蒸餾水體積，使進(jìn)水量分別為0、2、4.2、6.3、8.7、11.1 μL，即控制含水率分別為0、2%、4%、6%、8%、10%(體積分?jǐn)?shù)，下同)。圖像采集頻率為100 fps。

1.3 試驗(yàn)方法

以u(píng)e=300 mm/s、含水率為4%為例。啟動(dòng)電機(jī)，將100 μL的潤滑油均勻涂敷在玻璃盤上，加載至30 N，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速ue=300 mm/s，待接觸區(qū)油池以及膜厚穩(wěn)定后，利用移液器將4.2 μL的蒸餾水滴在球盤接觸軌道上，隨著玻璃盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，水滴被玻璃盤攜帶以相同的速度向接觸區(qū)移動(dòng)，利用攝像機(jī)采集水滴與接觸區(qū)油池接觸后的光干涉圖像，利用DIIM軟件處理光干涉圖像得到相應(yīng)的膜厚曲線，進(jìn)而分析游離水滴對(duì)潤滑油潤滑性能的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

文中主要研究游離水在充分供油、輕微乏油及嚴(yán)重乏油狀態(tài)下對(duì)接觸區(qū)油潤滑潤滑特性的影響。定義SD為乏油程度：

SD=Lca/a

(1)

式中:Lca為氣穴區(qū)到接觸區(qū)中心的距離;a為接觸區(qū)半徑，且a=130 μm。

根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容，定義SD>1.33時(shí)為充分供油，1

2.1 充分供油條件下游離水滴的影響

圖2所示為ue=100 mm/s的點(diǎn)接觸光干涉圖像，控制含水率分別為0、2%、4%、6%、8%、10%。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，含水率為0時(shí)，氣穴區(qū)距接觸區(qū)仍有113 μm，SD=1.87>1.33，說明接觸區(qū)處于充分供油狀態(tài)；加入游離水滴之后，水滴隨玻璃盤的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)入氣穴區(qū)，由于水滴比PAO40基礎(chǔ)油的黏度小，潤滑性能差，因此水滴被卡在氣穴區(qū)，無法進(jìn)入到接觸區(qū)內(nèi)。由于卷吸的存在，水滴與潤滑油會(huì)發(fā)生摩擦、混合，使得氣穴區(qū)邊界變得不再清晰，且游離水滴的加入使得氣穴區(qū)與接觸區(qū)之間的距離縮小。

圖2 充分供油條件下不同含水率下的油膜光干涉圖

圖3所示為充分供油條件下不同含水率對(duì)中心膜厚和最小膜厚的影響，圖4所示為不同含水率工況下與圖2對(duì)應(yīng)的沿x方向的膜厚曲線。

由圖3可知，在充分潤滑條件下，不同含水率工況下最小膜厚、中心膜厚值均圍繞純油工況下的最小膜厚、中心膜厚值上下浮動(dòng)，且最小膜厚的浮動(dòng)范圍明顯小于中心膜厚的浮動(dòng)范圍。究其原因，由于充分潤滑狀態(tài)下，游離水無法進(jìn)入到接觸區(qū)內(nèi)，游離水滴與最小膜厚區(qū)之間的距離較中心膜厚區(qū)大，所以游離水滴對(duì)最小膜厚區(qū)的影響較中心膜厚區(qū)小。

由圖4可知，在充分潤滑條件下，不同含水率工況下的膜厚曲線與純油工況下的膜厚曲線相比，其出口油膜頸縮處膜厚幾乎相等，而中心膜厚則上下浮動(dòng)，這與圖3所示結(jié)果相吻合；圖4所示膜厚曲線中，含水率為8%和10%的膜厚曲線在接觸區(qū)中部的波動(dòng)程度與其他含水率的膜厚曲線相比明顯較大。可見，隨著含水率的增加，游離水滴對(duì)點(diǎn)接觸潤滑膜厚的影響變大。

圖3 充分供油條件下不同含水率下的中心膜厚、最小膜厚

圖4 充分供油條件下不同含水率下的膜厚形狀曲線

充分供油條件下，接觸區(qū)附近的穩(wěn)定油池是回流補(bǔ)給和滾壓造成流失動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)果[15]。隨著游離水的加入以及含水率的提高，滾壓運(yùn)動(dòng)使得潤滑油的流失量增大，所以氣穴區(qū)與接觸區(qū)之間的距離縮小?；亓餮a(bǔ)給主要由氣穴區(qū)內(nèi)的回流以及滾壓軌道內(nèi)的回流兩部分組成，游離水進(jìn)入氣穴區(qū)，嚴(yán)重影響了氣穴區(qū)內(nèi)的回流，由于滾壓運(yùn)動(dòng)使得潤滑油大量流失，所以滾壓軌道內(nèi)的回流補(bǔ)給量提高，進(jìn)而形成了新的動(dòng)態(tài)平衡。

2.2 輕微乏油條件下游離水滴的影響

當(dāng)ue=300 mm/s時(shí)，光干涉圖像發(fā)生扭曲，接觸區(qū)油膜厚度比充分潤滑狀態(tài)下的膜厚略低，氣穴區(qū)距離點(diǎn)接觸區(qū)只有20 μm，1.33>SD=1.15>1，此時(shí)接觸區(qū)處于輕微乏油潤滑狀態(tài)?？刂朴坞x水滴的體積分?jǐn)?shù)依次為0、2%、4%、6%、8%、10%，游離水滴進(jìn)入氣穴區(qū)后的點(diǎn)接觸光干涉圖像如圖5所示?？梢姡尤胗坞x水滴之后，水滴隨著玻璃盤的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)入到氣穴區(qū)；由于接觸區(qū)處于輕微乏油潤滑狀態(tài)，進(jìn)入氣穴區(qū)后的游離水滴距接觸區(qū)只有20 μm的距離，因此在球盤轉(zhuǎn)動(dòng)的影響下，游離水滴被碾碎分布在氣穴區(qū)中；而氣穴區(qū)的邊界在潤滑油和游離水2種不同的流體作用下迅速模糊，且含水率越高，氣穴區(qū)邊界越不明顯，如含水量達(dá)到8%、10%時(shí)，已經(jīng)無法觀察到氣穴區(qū)的邊界(無法明顯觀察到的邊界用虛線表示)。

圖5 輕微乏油條件下不同含水率下的油膜光干涉圖

圖6所示為輕微乏油條件下不同含水率對(duì)中心膜厚和最小膜厚的影響，圖7所示為不同含水率工況下沿x方向的膜厚曲線。

由圖6可見，與含水率為0(純油)的工況相比，含水率為2%、4%、6%、8%、10%時(shí)的中心膜厚與最小膜厚均有所增加，最小膜厚值至少增加了30 nm，中心膜厚值至少增加了60 nm；在相同的含水率下，由于游離水滴到中心膜厚區(qū)的距離明顯小于到最小膜厚區(qū)的距離，所以游離水滴對(duì)中心膜厚的影響明顯大于對(duì)最小膜厚的影響。隨著含水量的增加，中心膜厚緩慢增加，而最小膜厚在含水量為6%時(shí)增加到峰值，隨后呈現(xiàn)下降態(tài)勢(shì)。究其原因：含水量達(dá)到10%時(shí)，游離水滴對(duì)中心膜厚的影響并沒有達(dá)到極限，隨著含水量的增加，游離水滴對(duì)中心膜厚的影響更加明顯；而當(dāng)含水量達(dá)到6%時(shí)，游離水滴對(duì)最小膜厚的影響便已達(dá)到極限，隨著含水量的增加，游離水滴對(duì)最小膜厚的影響明顯降低。

圖6 輕微乏油條件下不同含水率下的中心膜厚、最小膜厚

由圖7中可見，加入游離水的膜厚明顯大于純油的膜厚。與圖6相對(duì)應(yīng)，加入游離水后，中心膜厚與最小膜厚明顯增大；與純油相比，加入游離水后油膜頸縮位置移向出口區(qū)，原因在于游離水滴的加入，致使?jié)櫥黧w含量增加，接觸區(qū)增大，最小膜厚區(qū)后移；而含水率為2%、4%、6%、8%、10%的膜厚曲線則近乎于重合，可見不同含水率對(duì)膜厚的影響差別不大。

圖7 輕微乏油條件下不同含水率下的膜厚形狀曲線

輕微乏油條件下，由于球盤之間的卷吸速度較高，使得滾壓運(yùn)動(dòng)造成潤滑油大量流失，而回流補(bǔ)給無法及時(shí)地對(duì)接觸區(qū)內(nèi)的潤滑油進(jìn)行補(bǔ)充，所以接觸區(qū)圖像發(fā)生扭曲。隨著游離水的加入以及含水率的提高，游離水進(jìn)入到接觸區(qū)內(nèi)，潤滑劑含量增加，對(duì)處于輕微乏油潤滑狀態(tài)下的接觸區(qū)起到了一定的補(bǔ)給作用，光干涉圖像趨于穩(wěn)定，干涉級(jí)次相對(duì)于純油工況時(shí)有所增加，進(jìn)而影響到接觸區(qū)的膜厚。

2.3 嚴(yán)重乏油條件下游離水滴的影響

當(dāng)ue=450 mm/s時(shí)，氣穴區(qū)到達(dá)點(diǎn)接觸區(qū)，光干涉圖像嚴(yán)重扭曲，SD=1，此時(shí)接觸區(qū)處于嚴(yán)重乏油潤滑狀態(tài)。游離水滴進(jìn)入氣穴區(qū)后的油膜光干涉圖像如圖8所示。加入游離水滴之后，水滴隨著玻璃盤的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)入氣穴區(qū)，由于接觸區(qū)處于嚴(yán)重乏油潤滑狀態(tài)，游離水滴直接進(jìn)入接觸區(qū)，在卷吸作用下，游離水滴被碾碎、混合，氣穴區(qū)邊界在潤滑油和游離水2種流體的作用下迅速模糊，且含水率越高，氣穴區(qū)邊界越不明顯。

圖9所示為嚴(yán)重乏油條件下不同含水率工況的中心膜厚和最小膜厚，圖10所示為不同含水率沿x方向的膜厚曲線。

圖9 嚴(yán)重乏油條件下不同含水率下的中心膜厚、最小膜厚

由圖9中可見，與純油相比，加入游離水后的中心膜厚與最小膜厚均有所增加，最小膜厚值增加了60 nm左右，中心膜厚值增加了80 nm左右，且最小膜厚與中心膜厚總體上都隨含水率的增加而增加；與輕微乏油工況相比，游離水對(duì)嚴(yán)重乏油工況的影響要明顯大于對(duì)輕微乏油工況的影響。

從圖10中可以看出，加入游離水后的膜厚曲線明顯高于純油工況下的膜厚曲線，中心膜厚與最小膜厚明顯增大，油膜頸縮向接觸區(qū)出口移動(dòng)，原因在于游離水滴的加入，使?jié)櫥瑒┖吭黾樱菇佑|區(qū)增大，最小膜厚向出口區(qū)移動(dòng)；含水率為2%、4%、6%的膜厚形狀曲線近乎重合，可見，這3種含水率對(duì)膜厚的影響差別不大；含水率為8%、10%的膜厚相對(duì)于含水率為2%、4%、6%的膜厚明顯增加，因此，含水率越大，游離水對(duì)膜厚的影響越大。

圖10 嚴(yán)重乏油條件下不同含水率下的膜厚形狀曲線

嚴(yán)重乏油條件下，由于球盤之間的卷吸速度較高，使得滾壓運(yùn)動(dòng)造成潤滑油大量流失，而回流補(bǔ)給無法及時(shí)地對(duì)接觸區(qū)內(nèi)的潤滑油進(jìn)行補(bǔ)充，所以接觸區(qū)圖像發(fā)生嚴(yán)重扭曲。隨著游離水的加入以及含水率的提高，游離水進(jìn)入到接觸區(qū)內(nèi)，游離水滴的加入對(duì)處于嚴(yán)重乏油潤滑狀態(tài)下的接觸區(qū)起到了補(bǔ)給作用，游離水滴以潤滑劑的形式介入到接觸區(qū)內(nèi)，由于存在2種潤滑劑，潤滑劑含量增加，光干涉圖像趨于穩(wěn)定，干涉級(jí)次相對(duì)于純油工況時(shí)有所增加，進(jìn)而影響到接觸區(qū)的膜厚。

3 結(jié)論

(1)在充分供油狀態(tài)下，由于球盤之間的卷吸速度較低，游離水滴被卡在潤滑油氣穴區(qū)中，無法進(jìn)入到接觸區(qū)，故游離水對(duì)點(diǎn)接觸潤滑膜厚的影響不大，主要影響中心膜厚，且隨著含水率的增大，游離水對(duì)中心膜厚的影響增大。

(2)在乏油潤滑狀態(tài)下，由于球盤之間的卷吸速度較高，氣穴區(qū)與接觸區(qū)的距離較短甚至直接接觸，潤滑油膜形狀不穩(wěn)定，故膜厚較低，而游離水滴進(jìn)入氣穴區(qū)后對(duì)接觸區(qū)油池進(jìn)行補(bǔ)充，使得潤滑油膜形狀趨于穩(wěn)定，干涉級(jí)次增加，進(jìn)而增大膜厚，所以游離水對(duì)乏油條件下油潤滑的潤滑性能有一定的增益效果。

(3)無論是何種潤滑狀態(tài)下，游離水的加入都會(huì)因?yàn)橛坞x水與潤滑油之間的摩擦、混合導(dǎo)致氣穴區(qū)邊界變得模糊不清；在輕微乏油潤滑狀態(tài)下，不同比例的游離水對(duì)接觸區(qū)油潤滑的膜厚影響差別不大；而在嚴(yán)重乏油狀態(tài)下，隨著含水率的增加，游離水對(duì)接觸區(qū)潤滑油膜的影響增大。