零卷吸往復運動下的彈流潤滑實驗研究*

朱建榮 孫楠楠 郭靈燕 王加林 金旭陽 王 靜

(1.濰柴動力股份有限公司內燃機可靠性國家重點實驗室 山東濰坊 261061;2.青島理工大學機械與汽車工程學院 山東青島 266520；3.東華大學機械工程學院 上海 201620)

乏油是工程潤滑問題中的一種常見的現象,目前已有很多研究者對各種不同的工程乏油問題作出探討。蒲偉等人[1]建立了乏油狀態下重載卡車的準雙曲面齒輪傳動界面任意速度矢量潤滑分析模型，綜合考慮了嚙合區接觸幾何、粗糙形貌、入口區供油量、嚙合界面速度矢量任意性等因素。韓一鳴等[2]使用光干涉技術，在球盤點接觸試驗臺上，在零卷吸速度條件下，觀察不同乏油程度下，接觸區凹陷的變化情況；通過球-盤磨損試驗機，研究反向滑動工況下45 鋼在干接觸和不同乏油程度條件下的表面損傷行為以及時間、速度和載荷對磨損的影響。易蒙等人[3]利用銷/盤摩擦磨損試驗機，研究了作為軸承保持架的PEEK 材料和GCr15金屬盤磨損表面形貌，分析了摩擦磨損機制，發現在乏油潤滑下，PEEK復合材料的摩擦磨損特性不僅與材料本身的性能有關，也與對偶面表面形貌有關，具有一定粗糙度并且表面相對規整的對偶件可以有效地減少材料的磨損。崔順等人[4]采用光干涉實驗技術，在球-盤實驗機上觀測了表面具有一與運動方向垂直的劃痕的靜止鋼球與玻璃盤形成的接觸中，乏油效應的影響。

零卷吸工況即兩表面速度大小相等、方向相反，滑滾比為無窮的工況，廣泛存在于工程實際中，如無保持架滾珠軸承、滾珠蝸桿、滾珠絲杠、滾珠升降臺的相鄰滾子之間。另外，該工況也有可能發生在凸輪-挺桿副之間。 迄今為止， 關于零卷吸潤滑問題的研究很多是基于穩態假設。YANG等[5]研究了線接觸零卷吸熱彈流問題，使用“溫度-黏度楔”原理成功解釋了在零卷吸過程中接觸區內存在潤滑油膜的原因。MENG等[6]實驗分析了在反向滑動條件下乏油對表面凹陷的影響，發現接觸區存在3種乏油潤滑狀態：雙側乏油、左側乏油以及右側乏油;雙側乏油的作用與卷吸速度的下降類似，使接觸區經典的大凹陷變為接觸區中央小凹陷；隨著接觸區雙側乏油程度的嚴重化，橢圓形凹陷先變為圓形再變為橢圓形，最終消失。ZHAO等[7]對玻璃盤與鋼球表面進行親油與疏油處理，對零卷吸條件下的有效潤滑進行了實驗研究，認為親油與疏油潤滑之間的差異是由邊界滑移引起的。WONG等[8]提出了一種利用邊界滑移對無保持架軸承進行優化的新方法。

在實際接觸中，運動條件往往是非穩態即速度隨時間做迅速變化的。因此，研究非穩態零卷吸運動是很有必要的。ZHANG等[9-10]建立了Ree-Eyring流體的數值模型，揭示了在零卷吸條件下凹陷油膜的變化規律：隨速度的降低，線接觸以及點接觸彈流油膜凹陷逐漸由經典的大凹陷向中央小凹陷轉化。WU等[11]對凸輪-挺桿線接觸進行了理論分析，研究了零卷吸凹陷的變化。WANG等[12]探討了在零卷吸往復運動下潤滑脂膜厚的變化規律，研究了表面凹陷隨最大表面速度、潤滑脂濃度和乏油程度的變化規律。

本文作者采用發動機油，研究了零卷吸往復運動條件下的油膜分布受表面速度和乏油的影響。

1 實驗設備及材料

實驗在自主研發的球-盤點接觸試驗臺上進行(如圖1所示)，選用鋼球和藍寶石構成接觸副。鋼球材料為GCr15鋼，直徑為25.4 mm，精度為G5級；藍寶石盤直徑為150 mm，厚度為15 mm，盤與鋼球接觸一側鍍有厚度20 nm的Cr膜，盤表面粗糙度Ra<5 nm。鋼球與藍寶石參數如表1所示。采用CK-4 15W40型潤滑油進行實驗，具體參數如表2所示。

圖1 實驗裝置示意

表1 藍寶石盤和鋼球的參數

表2 CK-4 15W40油參數

實驗臺的驅動裝置包括盤驅和球驅2種，都是由交流伺服電機、高精密減速器和聯軸器等零部件組成。電機選用三菱伺服電機，額定輸出功率為400 W，減速器減速比為40。實驗臺的雙色光干涉采用紅綠(Red-Green，簡稱RG)雙色光源，利用光干涉原理測量潤滑油膜厚度，其干涉原理示意圖如圖2所示。通過PLC控制系統使鋼球與藍寶石盤進行往復三角波運動，鋼球與藍寶石玻璃盤的表面運動速度范圍為0～0.5 m/s，運動形式如圖3所示。定義往復運動沖程為l，則：

圖3 往復運動形式

圖2 雙光束干涉測量法示意

l=0.25vmaxT

(1)

式中：T為運動周期；vmax是往復運動過程中的最大表面速度。

滑滾比的定義為

S=2(vb-vd)/(vb+vd)

(2)

式中:vb和vd分別是運動過程中的球速與盤速。

除了沖程末端鋼球與藍寶石盤的速度為0，其余時刻鋼球與藍寶石處于零卷吸工況。在環境溫度為24～26 ℃的條件下進行實驗，實驗后將獲得的光干涉圖像使用DIIM軟件[13-15]測量中截面油膜厚度。

2 實驗結果與討論

反向運動的兩固體的入口和出口關系如圖4所示。在接觸區左側，鋼球攜帶油進入接觸區，是鋼球的入口，藍寶石盤的出口。接觸區的右側是鋼球的出口和藍寶石盤的入口。對任何一個表面來說，入口處的油是冷的，黏度高；出口的油是熱的，黏度低。一個表面出口處的黏度低的熱油受到對偶表面入口處的黏度高的冷油的阻礙，導致在接觸區中央形成潤滑油的堆積，壓力和溫度升高。這就是反向運動凹陷油膜形成的“溫度-黏度楔”機制[5]。對于反向運動，目前學界形成的共識是，良好潤滑油膜的建立離不開反向運動所產生的溫升。如果溫升不夠高，則不可能維持良好的潤滑狀態[6]。

圖4 球盤的入口和出口示意

為探究時變條件下零卷吸油膜的形成和分布，首先在載荷為50 N的穩態條件下，進行了表面速度vb=-vd=0.4、0.2、0.1、0.01 m/s的實驗，結果如圖5所示。

圖5 穩態零卷吸條件下點接觸光干涉圖像和中截面油膜厚度曲線(w=50 N)

從圖5(a)中可看出，表面速度vb=-vd=0.4 m/s時接觸區中存在一個橢圓形的中央凹陷，橢圓的短軸與表面速度方向一致，凹陷的深度約為0.4m,凹陷的兩側存在著厚度約為60 nm的油膜。此現象與ZHANG等[9-10]發現的中央凹陷現象一致，是由 “溫度-黏度楔”效應所形成。從圖5(b)中可看出，表面速度vb=-vd=0.2 m/s時，凹陷變淺，橢圓形凹陷在垂直于表面速度方向變短，凹陷左右兩側的油膜也變薄，在接觸區的下方出現干接觸部分(即呈現紅色的部分)。從圖5(c)中可看出，vb=-vd=0.1 m/s時，接觸區中凹陷進一步變小、變淺，形狀變得不規則，說明了“溫度-黏度楔”效應的明顯降低。從圖5(d)中可看出，vb=-vd=0.01 m/s時，球和盤之間形成干接觸，僅有少部分存在潤滑油。圖5的結果表明，隨著兩表面速度的降低，由于溫升逐漸下降，潤滑狀況逐漸變差。

圖6給出了w=50 N,vbmax=vdmax=0.1 m/s，T=0.4 s，充分供油條件下一個沖程內的油膜光干涉圖。 盡管供油條件充分，圖6(g)中的兩表面速度vb=-vd=0. 1 m/s，與圖5(c)中一致。但圖5(c)中有凹陷形成，而圖6(g)中的接觸區中大部分為干接觸，沒有凹陷形成，僅有局部存在油膜。圖6所示的每一幅光干涉圖中，接觸區的絕大部分都是干接觸，僅有少量潤滑油殘存，潤滑成膜遠不如圖5(c)，而是與表面速度為vb=-vd=0.01 m/s的圖5(d)相似。 圖6與圖5(c)的比較說明了在零卷吸工作條件下， 往復運動工況比對應的穩態條件下的潤滑條件惡劣。

圖6 充分供油時油膜干涉圖(w=50 N ,vmax=0.1 m/s ,T= 0.4 s)

圖7所示為載荷50 N、運動周期0.2 s、最大速度vmax=0.4 m/s 工況下的油膜光干涉圖像及油膜中截面曲線。圖7(a)中，中截面油膜曲線呈現一個楔形，圖7(b)中，油膜呈現馬蹄形形狀，圖7(c)—(e)中，油膜呈現馬蹄形，并在出口區形成一個向上的小凹陷，顯示兩表面的速度絕對值存在差異，具體地，即vb>︱vd︱。在圖7(d)、(e)中，凹陷左側的油膜開始降低；在圖7(f)中，一個較深的凹陷在接觸區右側形成；此后該凹陷向接觸中心移動，在圖7 (h)中，凹陷移動到接觸區中心，形狀也變得規則；在圖7(i)中，凹陷也移動到接觸區左側，其右側薄膜變得極薄；在圖7 (j) 中，凹陷進一步變小并最終消失；圖7 (l) 中的油膜厚度略厚于圖7(a)。 將沖程中心(見圖7(g))的油膜形狀與圖5(a)相比，可以發現有明顯的差別，油膜凹陷變小變淺，且接觸區出現干接觸區域。圖7(d)和圖5(b)的名義表面速度也相同，但油膜形狀有顯著不同。圖7(b)—(f)中的油膜形狀，都不是零卷吸條件下的油膜形狀，說明界面上發生了速度滑移，導致實際上滑滾比遠小于無窮。

圖7 充分供油時油膜干涉圖和中截面油膜厚度曲線(w=50 N ,vmax=0.4 m/s ,T =0.2 s)

圖8所示為在相同條件下，運動進行200周期后自然發生乏油時所觀察到的油膜光干涉圖和對應的中截面曲線。

圖8 經過200周期后乏油時油膜干涉圖和中截面油膜厚度曲線(w=50 N,vmax=0.4 m/s,T=0.2 s)

由圖8(a)可知，接觸區中大部分為干接觸，上部有少量混合接觸。在圖8(b)中，接觸區左側有新油進入且新油進入部分的中截面膜厚呈現楔形，表示接觸區存在指向向右的速度矢量。在圖8(c)中，油膜從左至右呈現楔形分布，再次顯示接觸區存在指向向右的速度矢量。在圖8(d)中，接觸區左側油膜厚度下降，接觸區右側出現很淺的凹陷，顯示此時的滑滾比略大于2.0。在圖8(e)中，凹陷變深，顯示滑滾比加大。在圖8(f)中，凹陷移到接觸區中心，右側為干接觸。凹陷深度與圖7(f)中相近，只是長度變長。在圖8(g)中，凹陷變得略深。在圖8(h)中，凹陷移動到接觸區左側，從右側有新油匯入，因此接觸區的下半部分潤滑良好，而上半部分仍為干接觸和混合潤滑。在圖8(i)中，凹陷進一步變小，與此同時，全膜潤滑區域變大。在圖8(j)和圖8(k)中，接觸區中僅有下半段存在油膜，上半部分為干接觸。在圖8(l)中，接觸區上半部分不變，下半部分存在的油膜向接觸中心收縮，周圍也是干接觸。

圖9給出了接觸區最小油膜厚度在第1、第50和第200周期的變化。在第1周期，靠近沖程末端的油膜厚度較厚，僅是在0.2～0.4T之間產生干接觸。而在第50和第200周期，除了在0.05～0.15T之間有較厚油膜存在，其他時間段均出現干接觸。第200周期的最小膜厚在0.05～0.15T之間也要小于對應的第50周期的。

圖9 周期對最小膜厚的影響(w=50 N,vmax=0.4 m/s,T=0.2 s)

3 結論

(1)往復運動條件下，即使是相同表面速度和載荷，其油膜凹陷與相同速度和載荷條件下的穩態油膜凹陷有顯著差別。

(2)往復運動條件下，沖程末端之后，兩表面反向，出現了馬蹄形油膜和接觸區右端存在很淺的小凹陷的現象，這些油膜形狀都不是零卷吸油膜形狀，說明接觸區中出現了界面滑移。為解釋界面滑移現象，下一步需進行數值分析工作。

(3)在經歷200個周期之后，接觸區中自然發生了乏油現象，導致一個沖程中的大部分時刻出現了干接觸和混合潤滑狀況。考慮到乏油在工程實際中較頻繁發生，說明了零卷吸工況的嚴苛。