定量定時(shí)供油方式下潤(rùn)滑劑分布及潤(rùn)滑狀態(tài)試驗(yàn)觀察

劉文哲, 栗心明, 楊 萍, 金旭陽, 白清華, 種 賀

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

潤(rùn)滑油膜有助于將軸承滾動(dòng)體和內(nèi)外圈彼此分開，以最大限度地減小摩擦并防止磨損.潤(rùn)滑不良是導(dǎo)致軸承失效的常見原因之一.在實(shí)際工程中，往往采用過量的外部供油以確保油膜的充分建立.但潤(rùn)滑劑量供給過多會(huì)造成攪油溫升和摩擦力矩增大[1-2].實(shí)際上，一定量潤(rùn)滑劑進(jìn)入軸承內(nèi)部后存在一個(gè)流失的過程，即滾動(dòng)體將潤(rùn)滑劑推擠到滾動(dòng)兩側(cè)，在該過程中軸承的潤(rùn)滑狀態(tài)也發(fā)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)化，當(dāng)滾道兩側(cè)的潤(rùn)滑劑回填量低于流失量，將會(huì)造成乏油潤(rùn)滑.嚴(yán)重的乏油潤(rùn)滑同樣會(huì)造成軸承溫升和摩擦力矩增加.處于高速[3]、低溫[4]和脂潤(rùn)滑[5]等工況下的滾動(dòng)軸承乏油現(xiàn)象尤為突出.

為了增強(qiáng)潤(rùn)滑劑的回填效果緩解乏油程度，已有的研究從表面修飾的角度入手，通過增大表面張力梯度來促進(jìn)潤(rùn)滑劑自發(fā)回填.例如，Li等[6]和李哲等[7]采用通過表面化學(xué)修飾的方式，增強(qiáng)了潤(rùn)滑劑向潤(rùn)滑軌道的回填；劉成龍等[8]則采用表面物理修飾的方式，觀察到了油滴向滾道的遷移輸運(yùn)效果.此外，接觸副運(yùn)動(dòng)方式和接觸特征也會(huì)對(duì)潤(rùn)滑劑回填產(chǎn)生影響，例如江楠等[9]研究了定量供油條件下，滑滾比對(duì)定量潤(rùn)滑劑回填的影響；李桂枝等[10]觀察了球-環(huán)/球-盤兩種接觸形式下的不同潤(rùn)滑特性，并分析了潤(rùn)滑劑回填和潤(rùn)滑差異性的內(nèi)在機(jī)制.

實(shí)際上，除了增強(qiáng)軸承內(nèi)部潤(rùn)滑劑回填補(bǔ)充，軸承外部供油方式也可對(duì)潤(rùn)滑狀態(tài)產(chǎn)生明顯影響.傳統(tǒng)的手動(dòng)補(bǔ)油(脂)方式，因潤(rùn)滑劑量難以準(zhǔn)確把握，往往造成潤(rùn)滑過度或潤(rùn)滑不足的風(fēng)險(xiǎn).若在合適的時(shí)間間隔內(nèi)向軸承供給合適的潤(rùn)滑劑量，則可避免因潤(rùn)滑劑過量或不足造成的問題，使軸承處于最佳潤(rùn)滑區(qū)間內(nèi).因而，定時(shí)定量潤(rùn)滑逐漸替代傳統(tǒng)潤(rùn)滑方式，成為軸承潤(rùn)滑的優(yōu)選方案，例如油氣潤(rùn)滑和微量脂潤(rùn)滑已在工程中得以應(yīng)用.當(dāng)潤(rùn)滑劑被定量定時(shí)輸送到軸承內(nèi)部后，將會(huì)對(duì)近接觸區(qū)油池形態(tài)、入口供油狀態(tài)以及滾道潤(rùn)滑劑分布產(chǎn)生影響.但目前針對(duì)定時(shí)定量潤(rùn)滑的內(nèi)在機(jī)制研究仍不充分，也不能明確潤(rùn)滑狀態(tài)與供油參數(shù)之間的關(guān)系.

本文作者在前期研究中，已對(duì)單次定量供油條件的油池形態(tài)和乏油潤(rùn)滑狀態(tài)進(jìn)行了研究[11]，觀察到單次供給量較低時(shí)易產(chǎn)生乏油，而全膜潤(rùn)滑條件下的潤(rùn)滑劑量又較大.因此，本文中嘗試采用高精度注射泵多次微小量定時(shí)定量供油方式，觀察該供油方式對(duì)潤(rùn)滑狀態(tài)的增強(qiáng)效果，重點(diǎn)觀察供油參數(shù)和方式對(duì)近接觸區(qū)油池形態(tài)、入口區(qū)供油狀態(tài)以及潤(rùn)滑油膜厚度影響，并分析定時(shí)定量供油方式對(duì)潤(rùn)滑狀態(tài)影響機(jī)制.

1 試驗(yàn)部分

采用如圖1所示的球-盤點(diǎn)接觸光干涉潤(rùn)滑油膜測(cè)量裝置，觀察油池形態(tài)和潤(rùn)滑狀態(tài).為了實(shí)現(xiàn)定量定時(shí)供油，試驗(yàn)采用了型號(hào)為L(zhǎng)SP01-2A的高精度注射泵，可精確調(diào)節(jié)供油時(shí)間和間隔時(shí)間，實(shí)現(xiàn)供油條件的控制.試驗(yàn)在純滾動(dòng)工況下進(jìn)行，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)玻璃盤，玻璃盤帶動(dòng)鋼球?qū)崿F(xiàn)純滾動(dòng).試驗(yàn)用玻璃盤為K9玻璃，直徑為150 mm，與鋼球接觸一側(cè)接觸盤面鍍有析光Cr膜；鋼球?yàn)镚5精度，直徑為25.4 mm.玻璃盤與鋼球的表面粗糙度分別為20和14 nm.接觸區(qū)附近潤(rùn)滑劑分布及接觸內(nèi)油膜干涉圖，經(jīng)顯微鏡放大后被CCD相機(jī)捕獲并儲(chǔ)存，采用雙色光調(diào)制光強(qiáng)技術(shù)對(duì)干涉圖進(jìn)行離線處理[12].

Fig.1 Structure of apparatus and measurement scheme圖1 測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)圖及測(cè)量原理

試驗(yàn)條件列于表1中.其中ue為卷吸速度，ue= (ud+ub)/2，ud和ub分別為玻璃盤和鋼球接觸點(diǎn)線速度.試驗(yàn)采用的潤(rùn)滑油為PAO10，其性質(zhì)列于表2中.試驗(yàn)采用油滴和微量注射泵兩種布油方式，對(duì)于油滴布油方式，首先對(duì)球盤表面進(jìn)行清潔處理，再將定量的潤(rùn)滑油滴于鋼球上，隨后施加小載荷后轉(zhuǎn)動(dòng)玻璃盤，使油滴經(jīng)過接觸區(qū)并在速度ue= 0.5 mm/s下使玻璃盤轉(zhuǎn)動(dòng)4~5圈，直至潤(rùn)滑油被均勻布在玻璃盤上；而注射泵布油方式，是對(duì)球盤表面進(jìn)行清潔處理并進(jìn)行加載，再將注射器針頭放置于接觸區(qū)入口處，設(shè)置注射泵供油參數(shù)后驅(qū)動(dòng)玻璃盤旋轉(zhuǎn)，同時(shí)開始供油，即將潤(rùn)滑油定時(shí)定量地布于球、盤表面上.定義注射泵供油的時(shí)間為τ，供油間隔時(shí)間為T，供油次數(shù)為n.圖2所示為單次供給量為0.5 μl條件下的供油周期示意圖.若設(shè)單次供油量為qμl，則采用n次的總供油量Q=nq.改變?chǔ)?，T，n和q，可以獲得不同的供油條件.若供油時(shí)間τ足夠長(zhǎng)，則可以視為連續(xù)供油.本文中將觀察上述供油參數(shù)對(duì)潤(rùn)滑狀態(tài)的影響，并對(duì)比不同供油方式下的潤(rùn)滑效果.

表1 試驗(yàn)條件Table 1 Experimental conditions

表2 試驗(yàn)用潤(rùn)滑油性質(zhì)Table 2 Properties of lubricants used in experiments

Fig.2 Diagram of periodical oil supply with a syringe pump圖2 注射泵周期性供油示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同供油時(shí)間下油池形態(tài)與潤(rùn)滑狀態(tài)

圖3(a)所示為相同時(shí)間間隔、不同供油時(shí)間條件下的油膜干涉圖.每個(gè)周期內(nèi)，在不同供油時(shí)間τ內(nèi)的供油量均為0.5 μl，供油的時(shí)間間隔T恒為10 s.以τ= 4 s為例，注射泵在4 s內(nèi)向接觸副勻速注射0.5 μl潤(rùn)滑油，此后停止供油10 s，則在t= 14 s開始第2次供油，按照該方式供油10次，總供油量為5 μl.在每次試驗(yàn)中，均在第一次供油0.5 μl低速下跑勻后，再升速到ue= 250 mm/s，并將升速后的時(shí)刻作為初始時(shí)刻t= 0 s.圖3(a)中定義了入口距離、入口油氣混合邊界和入口接觸區(qū)邊界.由圖3(a)可見，盡管不同供油參數(shù)下總供油量相同，但隨著供油時(shí)間的增加和供油次數(shù)的增加，接觸外的油池形態(tài)和接觸區(qū)的油膜厚度均呈現(xiàn)出明顯的變化.具體地，當(dāng)τ= 2 s時(shí)，隨著供油次數(shù)的增加，接觸區(qū)外圍油池形狀逐漸增大，但始終在入口區(qū)未合并，使接觸區(qū)始終處于完全乏油狀態(tài)下.當(dāng)供油時(shí)間τ增加至4 s時(shí)，在第4次供油時(shí)兩側(cè)油池在入口區(qū)呈現(xiàn)合并的趨勢(shì)，并在n= 6時(shí)接觸區(qū)入口出現(xiàn)潤(rùn)滑油，相應(yīng)地，油膜厚度增加.隨著供油時(shí)間進(jìn)一步增加，入口區(qū)供油狀態(tài)和接觸區(qū)潤(rùn)滑狀態(tài)明顯改善.

為了量化入口供油狀態(tài)，定義無量綱入口距離[13]為λS：

式中，s為入口距離，a為赫茲接觸半徑.圖3(b)所示為不同供油時(shí)間下無量綱入口距離λS隨供油次數(shù)的變化曲線.由式(1)可知，λS= 1表示入口油氣混合邊界與接觸區(qū)邊緣重合或交叉，該條件對(duì)應(yīng)于完全乏油狀態(tài).可見，在當(dāng)τ= 2 s時(shí)λS恒為1，表示該供油時(shí)間下接觸區(qū)始終處于完全乏油狀態(tài)下.隨著供油時(shí)間增加，使無量綱入口距離增加的臨界供油次數(shù)數(shù)值逐漸減小，且當(dāng)供油次數(shù)大于其臨界值后，入口距離整體增加.其中，τ= 12 s和τ= 16 s時(shí)在第1次供油后入口距離便開始增加，且兩種供油時(shí)間下的入口距離接近，表明再增加供油時(shí)間將不會(huì)對(duì)供油距離產(chǎn)生明顯影響.顯然，入口距離的增加將使接觸區(qū)油膜厚度增加.圖3的試驗(yàn)結(jié)果表明，在總供油量相同的條件下，在一定范圍內(nèi)增加單次的供油時(shí)間，可使?jié)櫥瑺顟B(tài)得到明顯改善.

2.2 不同供油間隔下油池形態(tài)與潤(rùn)滑狀態(tài)

圖4所示為相同供油時(shí)間(τ= 8 s)、不同時(shí)間間隔條件下，油膜干涉圖、入口距離和中心膜厚隨供油次數(shù)的變化.從圖4(a)的干涉圖中可以看出，隨著供油次數(shù)的增加，油池的尺寸和入口距離增大，潤(rùn)滑狀態(tài)從完全乏油狀態(tài)向全膜潤(rùn)滑狀態(tài)轉(zhuǎn)化.但隨著供油間隔時(shí)間的增加，在每個(gè)供油周期內(nèi)的潤(rùn)滑油池及入口距離變化并不明顯.

Fig.4 Lubrication states over time at different oil supply intervals (τ = 8 s, ue = 250 mm/s) 圖4 不同供油間隔下潤(rùn)滑狀態(tài)隨時(shí)間的變化(τ = 8 s, ue = 250 mm/s)

為了定量分析3種供油時(shí)間間隔下潤(rùn)滑狀態(tài)的差異，圖4(b)所示為無量綱入口距離隨時(shí)間的變化曲線.圖4(b)中還同時(shí)標(biāo)出了對(duì)應(yīng)的供油次數(shù).可以看出，在相同的供油次數(shù)下，供油間隔為T= 10 s時(shí)的入口距離整體大于其他2種供油間隔工況，即縮短供油間隔時(shí)間可以使?jié)櫥瑺顟B(tài)在較短的時(shí)間得到改善.但是，在相同的供油量(相同的供油次數(shù)n)下，供油間隔增大延長(zhǎng)了潤(rùn)滑持續(xù)時(shí)間.圖4(c)中進(jìn)一步對(duì)比了3種供油間隔下，中心膜厚(hcen)隨供油時(shí)間和供油次數(shù)的變化規(guī)律.可以看出，3種供油間隔下中心膜厚均隨著供油次數(shù)的增加趨向定值(圖中水平虛線)，且達(dá)到定值所對(duì)應(yīng)的臨界供油次數(shù)均為n= 4 (圖中豎直虛線)，此后增加供油次數(shù)對(duì)潤(rùn)滑狀態(tài)無明顯影響.圖4(c)的結(jié)果表明當(dāng)接觸區(qū)達(dá)到穩(wěn)定的潤(rùn)滑后，采用較大的供油間隔可延長(zhǎng)潤(rùn)滑時(shí)間；或者在相同的潤(rùn)滑時(shí)間下，所需的潤(rùn)滑劑量減少.

2.3 不同供油方式下油池形態(tài)與潤(rùn)滑狀態(tài)

為了觀察供油方式對(duì)潤(rùn)滑狀態(tài)的影響，圖5所示為單個(gè)油滴供油、連續(xù)供油和周期性供油條件下的油池形態(tài)和潤(rùn)滑狀態(tài).圖5中之所以與單個(gè)油滴供油進(jìn)行對(duì)比，是因?yàn)橐延械亩抗┯投嗖捎眠@種供油方式[6, 8-9, 11].由圖5(a)的干涉圖可以看出，采用單個(gè)液滴供油方式I時(shí)，接觸區(qū)外的油池呈分離態(tài)，接觸區(qū)內(nèi)始終處于完全乏油狀態(tài).采用微量注射泵布油方式II時(shí)，該方式是在小載荷下將1 μl的潤(rùn)滑劑連續(xù)性注射到球盤入口間隙內(nèi)，然后加載進(jìn)行試驗(yàn).由圖5(a)可見采用供油方式II在運(yùn)行時(shí)間為30 min時(shí)，入口乏油邊界到達(dá)入口接觸邊緣，與方式I的初始潤(rùn)滑狀態(tài)接近，表明其潤(rùn)滑狀態(tài)優(yōu)于方式I.采用周期性布油方式III時(shí)(0.5 μl/次，2次)，潤(rùn)滑狀態(tài)進(jìn)一步得到改善，且在運(yùn)行時(shí)間為30 min時(shí)仍具有較好的潤(rùn)滑狀態(tài).為了考察達(dá)到供油方式III的潤(rùn)滑效果所需的單液滴供油潤(rùn)滑劑量，圖5(a)中還示出了單液滴供油13 μl時(shí)的油膜干涉圖，可見該供油方式下接觸區(qū)外的油池尺寸明顯增大，但接觸內(nèi)潤(rùn)滑狀態(tài)與供油方式III相當(dāng).這說明周期性小劑量供油可大幅減小潤(rùn)滑劑的使用量.

Fig.5 Comparisons of lubrication states under different lubricant supply forms (ue = 250 mm/s, I.single droplet, 1 μl; II.single charge with springe pump, 1 μl; III.periodically supply, 1 μl; IV.single droplet, 13 μl) 圖5 不同供油方式下潤(rùn)滑狀態(tài)對(duì)比(ue = 250 mm/s，I.單液滴供油1 μl；II.微量泵單次布油1 μl；III.周期性供油 1 μl；IV.單液滴供油 13 μl)

圖5(b)所示為4種供油條件下的油膜外形圖.可見，在相同的總供油量條件下，周期性供油方式III具有最大的油膜厚度，微量注射泵布油方式II的潤(rùn)滑效果次之，單液滴供油方式I最差.要達(dá)到與供油方式III類似的潤(rùn)滑狀態(tài)，供油方式I潤(rùn)滑油消耗量是III的13倍.因而，供油方式III具有潤(rùn)滑狀態(tài)好、潤(rùn)滑時(shí)間長(zhǎng)和潤(rùn)滑劑消耗量低的優(yōu)勢(shì).

在實(shí)際潤(rùn)滑過程中，乏油產(chǎn)生的周期具有不確定性.為了觀察乏油產(chǎn)生后即時(shí)補(bǔ)油下潤(rùn)滑狀態(tài)恢復(fù)過程，圖6所示為非周期性即時(shí)補(bǔ)油的油膜干涉圖和膜厚曲線圖.以圖6(a)中第I種供油方式為例，當(dāng)入口氣穴邊界到達(dá)接觸區(qū)邊緣時(shí)，便對(duì)接觸區(qū)進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)油，以使?jié)櫥瑺顟B(tài)恢復(fù).如圖6(a)中t= 812 s時(shí)刻，此時(shí)入口距離為零，接觸區(qū)進(jìn)入完全乏油狀態(tài)，此時(shí)刻開始對(duì)接觸區(qū)供油.從圖6(b)中可以看出，在t= 812 s時(shí)刻供油后，油膜厚度迅速反彈.類似地，圖6(b)中還標(biāo)識(shí)了在t= 52 s和t= 179 s時(shí)刻也進(jìn)行了兩次即時(shí)補(bǔ)油，均使膜厚瞬時(shí)增加.圖6(b)中結(jié)果表明，在同樣的卷吸速度ue= 250 mm/s條件下，單次供油量為0.5 μl時(shí)，僅需2次供油便可達(dá)到穩(wěn)定的良好潤(rùn)滑狀態(tài)；而單次供油量為0.25 μl時(shí)，則需要6次供油才可達(dá)到與單次供油量為0.5 μl接近的潤(rùn)滑狀態(tài)，且消耗的潤(rùn)滑油量較多，說明了單次供油量將會(huì)對(duì)潤(rùn)滑狀態(tài)波動(dòng)和總潤(rùn)滑油消耗量產(chǎn)生影響.

Fig.6 Comparisons of lubrication states under aperiodic instant lubricant supply (I.micro-dose pump supply, 0.25 μl×6;II.micro-dose pump supply, 0.5 μl×5) 圖6 非周期性即時(shí)供油條件下潤(rùn)滑狀態(tài)對(duì)比(I.微量泵供油0.25 μl×6；II.微量泵供油0.5 μl×5)

圖6還對(duì)比了相同單次供油量下，卷吸速度對(duì)潤(rùn)滑過程的影響.由圖6(a)中第II種的供油方式可見，當(dāng)卷吸速度增加到ue= 384 mm/s時(shí)，需要供油5次才可以達(dá)到穩(wěn)定的潤(rùn)滑狀態(tài)，且供油次數(shù)主要集中在初始階段.相對(duì)于圖5所示的第III種供油方式，卷吸速度增加后供油次數(shù)增加了3次，表明了卷吸速度升高不利于潤(rùn)滑油的回填，需要更多的潤(rùn)滑劑量來補(bǔ)充損失掉的潤(rùn)滑劑.

2.4 供油位置對(duì)油池形態(tài)和潤(rùn)滑狀態(tài)的影響

除了圖4~圖6所示的供油參數(shù)和供油方式會(huì)對(duì)潤(rùn)滑油池及潤(rùn)滑狀態(tài)產(chǎn)生影響，供油位置是影響因素之一.圖7所示為供油位置位于滾道側(cè)部時(shí)潤(rùn)滑油池和潤(rùn)滑狀態(tài)隨供油時(shí)間的變化.如圖7(a)中t= 1 min時(shí)刻干涉圖所示，供油位置位于接觸區(qū)側(cè)部.試驗(yàn)過程中，注射泵持續(xù)供油時(shí)間為15 min，總供油量為5 μl.由干涉圖可見，接觸區(qū)兩側(cè)油池在初始階段被接觸區(qū)隔離，且呈現(xiàn)出明顯的非對(duì)稱性.隨著供油時(shí)間和供油量的增加，右側(cè)的油池形狀逐漸變大.當(dāng)1 ≤t≤ 3 min時(shí)，右側(cè)油池僅尺寸變大，其邊界未向接觸區(qū)入口擴(kuò)展，接觸區(qū)內(nèi)油膜厚度較低; 當(dāng)4 ≤t≤ 6 min時(shí)，右側(cè)的油池邊界向接觸區(qū)入口擴(kuò)展，并引起了接觸區(qū)內(nèi)局部膜厚發(fā)生變化(圖中黑色虛線區(qū)域)，即油池邊界擴(kuò)展到的位置膜厚相應(yīng)增加，在t= 6 min時(shí)刻左右兩側(cè)的油池連接，整個(gè)接觸區(qū)的膜厚增加；在此后的6

Fig.7 Variation of oil reservoirs and contacts with time under oil supply vicinity to the rolling track (ue = 250 mm/s)圖7 滾道側(cè)部供油下潤(rùn)滑油池和潤(rùn)滑狀態(tài)隨供油時(shí)間的變化(ue = 250 mm/s)

為了量化左右油池大小的變化過程，定義左、右側(cè)油池?zé)o量綱寬度λL和λR：

式中，a為赫茲接觸半徑，lL為左側(cè)油池寬度，lR為右側(cè)油池寬度，如圖7(a)所示.圖7(b)所示為左右兩側(cè)無量綱油池寬度隨供油時(shí)間的變化.可以看出，左側(cè)油池在1 ≤τ≤ 5 min階段略有下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)樵谠撾A段右側(cè)潤(rùn)滑劑尚未遷移過來，左側(cè)潤(rùn)滑劑會(huì)逐漸在鋼球和玻璃盤表面上會(huì)隨著時(shí)間消耗，這種消耗可能由于潤(rùn)滑劑向接觸區(qū)外側(cè)流動(dòng)引起；在6 ≤τ≤ 15 min階段，由于兩側(cè)油池相連，右側(cè)潤(rùn)滑劑不斷向左側(cè)遷移補(bǔ)充，曲線逐漸上升且趨于平緩.右側(cè)油池在1 ≤τ≤10 min階段呈上升趨勢(shì)；在τ= 10 min后曲線趨于平緩；在τ= 14 min時(shí)刻左右側(cè)油池寬度近似相等.圖7中的試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)供油位置偏離滾道中間位置時(shí)，達(dá)到穩(wěn)定的潤(rùn)滑狀態(tài)，將消耗較長(zhǎng)的潤(rùn)滑時(shí)間和較多的潤(rùn)滑劑量.

3 機(jī)理分析

試驗(yàn)過程中，潤(rùn)滑劑在壓力梯度作用下被擠壓到滾道兩側(cè).理論上，潤(rùn)滑劑在表面張力作用下向滾道回填，其回填量可表示為

式中，C0為回油系數(shù)，其大小由接觸半徑a和接觸區(qū)兩側(cè)油脊高度hside(供油量)的比值決定.油脊高度越高，C0的數(shù)值越大，回油量越多.l和ue分別為滾道周長(zhǎng)與卷吸速度，其比值為潤(rùn)滑劑的回填時(shí)間.γ和η0分別為氣液界面的表面張力和潤(rùn)滑劑的環(huán)境黏度.顯然，hrep的數(shù)值越大，入口區(qū)的乏油程度越低.在給定潤(rùn)滑劑，載荷和玻璃盤回轉(zhuǎn)半徑的條件下，式(3)中的γ，η0，a和l為定值，因而hrep的數(shù)值由hside和ue決定.當(dāng)固定ue時(shí)，hrep的數(shù)值僅由hside決定，而hside的大小取決于供油方式.

為了分析不同供油方式下的潤(rùn)滑劑回填機(jī)理，圖8所示為液滴供油和微量泵供油條件下的潤(rùn)滑劑分布示意圖和干涉圖.圖8中標(biāo)識(shí)了油脊高度hside和潤(rùn)滑油分布的寬度L.如圖8(a)所示，采用油滴供油方式，因油滴的初始體積較大，在預(yù)跑合過程中較多的潤(rùn)滑劑分布到滾道兩側(cè)，潤(rùn)滑油分布寬度L較大.因潤(rùn)滑油體積固定，油脊高度hside較低，抑制了潤(rùn)滑劑的回填，導(dǎo)致該供油方式下乏油程度較嚴(yán)重，如圖5的結(jié)果所示.該供油方式下，可通過化學(xué)[6-7]或物理[8]表面處理的方法，制備出潤(rùn)濕性梯度表面，增強(qiáng)兩側(cè)潤(rùn)滑劑的回填來降低乏油程度.

Fig.8 Lubricant distributions under droplet supply and micro-dose pump supply: (a) droplet supply;(b) micro-dose pump supply; (c) interferometry圖8 液滴供油和微量泵供油條件下的潤(rùn)滑劑分布：(a)液滴供油；(b)微量泵供油；(c)干涉圖

在采用如圖8(b)所示的微量泵供油方式下，供油時(shí)間τ、供油間隔T、單次供油量和供油次數(shù)n，均會(huì)對(duì)油脊高度hside和分布寬度L產(chǎn)生影響.其中，供油時(shí)間τ對(duì)潤(rùn)滑劑回填的影響，可視為單位時(shí)間內(nèi)潤(rùn)滑劑的補(bǔ)充量或供給率，其主要作用是實(shí)時(shí)補(bǔ)充從滾道流失的潤(rùn)滑劑.當(dāng)供油時(shí)間τ較小時(shí)(τ= 2 s或τ= 4 s)，盡管可在短時(shí)間內(nèi)補(bǔ)充加大量的潤(rùn)滑劑，但潤(rùn)滑劑流失得也較快，在供油時(shí)間間隔T內(nèi)潤(rùn)滑劑的自發(fā)回填不足以與其流失量相平衡，仍會(huì)造成乏油潤(rùn)滑，如圖3所示.當(dāng)供油時(shí)間τ較大時(shí)，雖然潤(rùn)滑劑的供給率下降，但微量的潤(rùn)滑劑可以實(shí)時(shí)補(bǔ)充潤(rùn)滑劑的流失，該現(xiàn)象與脂潤(rùn)滑中微量基礎(chǔ)油的析出并參與潤(rùn)滑類似.從圖3中可以看出，潤(rùn)滑劑的供給率存在一個(gè)平衡點(diǎn)，即潤(rùn)滑劑達(dá)到供-失平衡狀態(tài)，如圖3中τ= 12 s或τ= 16 s所示.同時(shí)，供油時(shí)間τ增大也促進(jìn)了潤(rùn)滑劑分布均勻性和集中性.如圖8(b)和圖8(c)所示，在微量泵供油方式下，潤(rùn)滑劑主要集中在滾道兩側(cè)，分布寬度L較小，相應(yīng)的油脊高度hside較大，促進(jìn)了潤(rùn)滑劑的回填.與液滴供油下恒定油脊高度hside相比，微量泵供油下隨著供油次數(shù)的增加，油脊高度hside越來越高，回填效率也逐漸增強(qiáng).可見，在微量泵供油條件下，潤(rùn)滑劑的回填一部分來自潤(rùn)滑劑的自發(fā)回填；一部分來自外部的潤(rùn)滑劑補(bǔ)充.外部供油時(shí)間越長(zhǎng)，潤(rùn)滑油的分布越集中，又進(jìn)一步增強(qiáng)了潤(rùn)滑劑的自發(fā)回填.供油時(shí)間τ增大對(duì)潤(rùn)滑狀態(tài)的改善表明了，實(shí)際參與潤(rùn)滑劑的量極少，其關(guān)鍵在于潤(rùn)滑劑的有效補(bǔ)充.

在潤(rùn)滑劑停止供給的間隔時(shí)間T內(nèi)，潤(rùn)滑劑的回填僅來自于自發(fā)回填.如上所述，自發(fā)回填由油脊高度hside決定，在供油次數(shù)n較小時(shí)，hside較低，潤(rùn)滑劑的回填量小于流失量，接觸區(qū)處于乏油狀態(tài)，如圖4中n= 2時(shí)所示.隨著供油次數(shù)的增加hside升高，潤(rùn)滑劑的回填量可與流失量相平衡，增大供油次數(shù)n和增加供油時(shí)間間隔T，對(duì)潤(rùn)滑狀態(tài)的影響不大，如圖4中n> 5時(shí)的情況.由此可見，在選定合理的供油時(shí)間τ和供油次數(shù)n后，供油間隔T是影響潤(rùn)滑狀態(tài)的次要因素.但供油間隔T的增大，意味著在相同的潤(rùn)滑時(shí)間t內(nèi)減小了潤(rùn)滑劑的使用量.

類似地，單次供油量的降低也將導(dǎo)致油脊高度hside較低和回填量不足，易造成接觸區(qū)乏油.隨著供油次數(shù)n的增加，達(dá)到供-失平衡后，接觸區(qū)趨向穩(wěn)定的潤(rùn)滑狀態(tài)，如圖6所示.

對(duì)于卷吸速度ue對(duì)潤(rùn)滑劑回填和供油狀態(tài)的影響，若采用油滴供油方式，油脊高度hside幾乎為定值，則依據(jù)公式(3)卷吸速度ue增大將導(dǎo)致回填量降低，進(jìn)而增大乏油程度.若采用微量泵供油，隨著供油次數(shù)增加油脊高度hside將逐漸增加，使?jié)櫥瑒┑幕靥钅芰υ鰪?qiáng).如圖9所示，當(dāng)供油次數(shù)達(dá)到n= 6后，入口距離基本達(dá)到恒定狀態(tài)，油池面積隨著供油次數(shù)增加呈增大趨勢(shì).隨著速度的增加，入口距離略有減小，但接觸區(qū)潤(rùn)滑膜厚仍隨速度增加而增大且保持良好.圖9的結(jié)果表明，在微量泵周期性供油條件下，由油脊高度hside的逐漸增加引起的潤(rùn)滑劑回填增加量，可以與卷吸速度增加導(dǎo)致的潤(rùn)滑劑回填減小量相抗衡，進(jìn)而使接觸區(qū)始終保持較好的潤(rùn)滑狀態(tài).

Fig.9 Oil reservoirs and contacts under different speeds(τ = 8 s, T = 10 s) 圖9 不同速度下潤(rùn)滑油池及接觸區(qū)狀態(tài)(τ = 8 s, T = 10 s)

此外，潤(rùn)滑劑的供給位置對(duì)潤(rùn)滑劑回填和供油狀態(tài)存在較大影響.顯然，將潤(rùn)滑劑直接布置到滾道上是有效的供給方式.由公式(3)可知，潤(rùn)滑劑從滾道外側(cè)自發(fā)回填需要時(shí)間(即l/ue)，且受到油脊高度hside的影響，潤(rùn)滑劑的回填效率較低.另一方面，當(dāng)供油位置偏離滾道時(shí)，相對(duì)于圖8所示的對(duì)稱油脊，潤(rùn)滑劑的回填量將更低.因而，圖7中供油位置在滾動(dòng)右側(cè)時(shí)將消耗較多的供油量和較長(zhǎng)的供油時(shí)間.

4 結(jié)論

試驗(yàn)觀察了定時(shí)定量供油方式下，供油參數(shù)和供油位置對(duì)油池形態(tài)和潤(rùn)滑狀態(tài)的影響，并與已有的液滴供油方式進(jìn)行了對(duì)比，分析了其內(nèi)在機(jī)理，得到如下結(jié)論：

a.供油時(shí)間是油池形態(tài)和潤(rùn)滑狀態(tài)的主要影響因素，隨著供油時(shí)間的增加，入口區(qū)供油狀態(tài)和接觸區(qū)潤(rùn)滑狀態(tài)得到改善.存在一個(gè)臨界供油時(shí)間使?jié)櫥瑒┨幱诠?失平衡狀態(tài)，超過該臨界時(shí)間后，供油時(shí)間增加對(duì)潤(rùn)滑狀態(tài)幾乎無影響.在供-失平衡狀態(tài)下，供油時(shí)間間隔和卷吸速度，對(duì)潤(rùn)滑狀態(tài)的影響也較弱.

b.相對(duì)于以往的液滴單次供油方式，采用微量泵周期性供油或即時(shí)供油，可有效改善潤(rùn)滑狀態(tài)，主要是由于微量泵供油方式潤(rùn)滑劑集中，易形成較高的油脊促進(jìn)潤(rùn)滑劑回填.

c.當(dāng)供油位置位于滾道右側(cè)時(shí)，因潤(rùn)滑劑的回填受到抑制，達(dá)到供-失平衡狀態(tài)所需的潤(rùn)滑劑量和潤(rùn)滑時(shí)間均增加.隨著供油量的增加，右側(cè)油池逐漸左側(cè)遷移并最終達(dá)到左右對(duì)稱，毛細(xì)力是其主要影響因素.

d.試驗(yàn)結(jié)果初步驗(yàn)證了采用定時(shí)定量供油方式，可抑制潤(rùn)滑劑的流失，有效改善和維持潤(rùn)滑狀態(tài).