微量供油條件下潤滑油液滴的生長與脫附*

豆照良 宋安佳 周 剛 張韶華 閻紅娟 劉峰斌

(1.北方工業(yè)大學(xué)機械與材料工程學(xué)院 北京 100144;2.北京控制工程研究所空間軸承應(yīng)用試驗室 北京 100094;3.精密轉(zhuǎn)動和傳動機構(gòu)長壽命技術(shù)北京市重點實驗室 北京 100094)

長壽命、高可靠性的衛(wèi)星平臺是我國日益增長的空間戰(zhàn)略需求。動量飛輪是空間執(zhí)行機構(gòu)的重要組件。目前，受限于空間條件下軸承組件的潤滑技術(shù)瓶頸，長期服役的軸承組件在潤滑狀態(tài)惡化后，往往會出現(xiàn)摩擦性能下降、摩擦力矩不穩(wěn)定等問題，使得動量飛輪的設(shè)計壽命距離滿足衛(wèi)星長壽命需求仍有一定差距。動量飛輪的潤滑問題已成為制約衛(wèi)星平臺技術(shù)提升的關(guān)鍵因素[1]。

空間精密軸承組件作為動量飛輪的核心部件，其長壽命潤滑技術(shù)，是空間摩擦學(xué)領(lǐng)域亟待開展的重要研究內(nèi)容之一[2]。開展主動微量供油技術(shù)研究，實現(xiàn)潤滑油的持續(xù)微量供給，使軸承組件得到及時、有效的潤滑，改善其服役期間的摩擦學(xué)性能，滿足產(chǎn)品高精度、長壽命的應(yīng)用需求，對我國空間技術(shù)發(fā)展具有重要價值[3]。潤滑油液在供油微通道出口端的生長與脫附過程是主動微量供油的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對軸承實現(xiàn)長期微量潤滑和長壽命運行至關(guān)重要。

此外，微液滴的生長與脫附還在醫(yī)療、噴涂、噴墨打印、冷卻系統(tǒng)等領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用[4-7]。對于微液滴的生長與脫附行為，早期研究主要采用力平衡分析方法，從流體屬性及流量等角度來預(yù)測較低流量下的液滴體積。HAYWORTH和TREYBAL[8]發(fā)現(xiàn)出口端直徑和表面張力的增加會導(dǎo)致液滴直徑的增加，并采用兩個階段模型來預(yù)測液滴從毛細管頂端形成時的體積特征：第一個階段是液滴生長，為靜態(tài)過程，第二個階段是液滴脫離，為動態(tài)過程。除早期試驗研究外，人們還致力于尋找液滴形成的動力學(xué)理論。PAN等[9]研究了顆粒懸浮液中液滴的形成，楊玉軍等[10]通過二維軸對稱模型研究了液滴形成的動力學(xué)，并解釋了縮頸現(xiàn)象的機制。

在高速攝像機及數(shù)值模擬等新技術(shù)的輔助下，人們針對液滴的形成過程與機制問題開展了較為深入的試驗及仿真研究[11-15]。劉友菊[16]通過圖像處理技術(shù)研究了非牛頓流體液滴形成的各種現(xiàn)象，如頸縮、毛細管壓力引起的流體渦旋和衛(wèi)星液滴。HUANG等[17]使用高速攝像機研究了液滴在低流速下的形成過程，包括接觸角、縮頸線長度、液滴直徑等。

潤滑油液在供油微通道出口端的生長與脫附過程是主動式微量供油的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對軸承實現(xiàn)長期微量潤滑和長壽命運行至關(guān)重要，但目前對于空間潤滑油的脫附過程及脫附大小尚缺乏系統(tǒng)性的分析與研究。本文作者采用試驗與數(shù)值模擬仿真相結(jié)合的方法，對微量供油條件下、在重力環(huán)境中的潤滑油液滴在毛細管出口端的生長與脫附行為進行研究，考察毛細管管徑和表面潤濕特性變化對潤滑油液滴脫附性能的影響，并初步探討采用數(shù)值模擬方法研究無重力環(huán)境下的液滴脫附行為的技術(shù)可行性。

1 試驗原理及裝置

圖1所示為潤滑油液滴生長與脫附過程的觀測裝置示意圖。試驗過程中，潤滑油液由微量泵中的注射器經(jīng)橡膠軟管泵送至金屬毛細管，潤滑油液在毛細管出口端生長成液滴并最終脫附；利用氙燈光源進行補光照明，由KEYENCE高速攝像機記錄油液生長與脫附過程，并將圖像數(shù)據(jù)傳輸至計算機，利用圖像處理與分析軟件進行試驗數(shù)據(jù)處理。

圖1 試驗裝置示意Fig.1 Schematic of test device

試驗所用潤滑油液為PAO-10型航天潤滑油，其基本物性參數(shù)如表1所示。所用金屬毛細管材質(zhì)為SUS304不銹鋼，規(guī)格分別為：φ1.2 mm×0.1 mm,φ1.0 mm×0.1 mm,φ0.7 mm×0.1 mm。試驗過程中，潤滑油液在金屬毛細管內(nèi)的流速由微量泵流量控制，所設(shè)定的試驗流速為0.4 mm/s。

表1 PAO-10潤滑油基本物性參數(shù)Table 1 Basic physical property parameters of PAO-10 lubricating oil

2 數(shù)值模擬

采用Ansys Fluent軟件，對重力環(huán)境下由壓力驅(qū)動的潤滑油液在毛細管內(nèi)的生長與脫附過程進行數(shù)值模擬，考察毛細管管徑、表面潤濕特性等對潤滑油液生長與脫附性能的影響，并探討采用數(shù)值模擬方法研究無重力環(huán)境下液滴生長與脫附問題的可行性。

2.1 物理模型的構(gòu)建

求解潤滑油液滴生長與脫附過程的物理模型為：在重力環(huán)境下，在1 atm(0.1 MPa)的大氣環(huán)境中，豎直放置一根毛細管，PAO-10型潤滑油液在壓力驅(qū)動下由毛細管入口端向下流動，油液在入口端的初速度為0.4 mm/s，潤滑油液在毛細管出口端逐漸生長并最終脫附。

在考察毛細管管徑的影響時，管徑取值分別為φ1.2 mm×0.1 mm、φ1.0 mm×0.1 mm、φ0.7 mm×0.1 mm，潤滑油液在毛細管表面的接觸角設(shè)為5°；在考察毛細管表面潤濕特性的影響時，以接觸角θ表征，接觸角取值依次為5°、15°、20°、25°、30°、40°、60°、75°和90°，毛細管管徑的取值為φ1.0 mm×0.1 mm。

2.2 計算模型的選取

Fluent中的VOF(Volume of fluid model)模型能夠使流體與流體間共用一組動量方程，并計算每種流體的體積分數(shù)，跟蹤體積分數(shù)在每個計算單元上的傳遞過程[18-21]。因模擬過程為氣液兩相流，并需要對液體在毛細管外表面的運動過程進行跟蹤，故采用VOF模型進行模擬計算。

2.3 計算域的離散

采用Ansys-SpaceClaim軟件進行幾何建模，采用ICEM-CFD進行網(wǎng)格劃分。為考察潤滑油液在毛細管微通道內(nèi)流動并在出口端生長與脫附的過程，將計算區(qū)域分為毛細管通道內(nèi)的液體區(qū)域與毛細管外的氣體區(qū)域，兩者通過壁面邊界隔開。因油液在生長與脫附過程中氣/液、固/液、固/氣相的整體接觸區(qū)域較大，需對網(wǎng)格采用精細劃分，導(dǎo)致計算量較大，固采用軸對稱二維模型進行簡化計算。

2.4 邊界條件與材料屬性的定義

計算模型中的流體介質(zhì)有兩種：PAO-10潤滑油與空氣。計算域邊界條件設(shè)置如圖2所示，邊界8為速度入口，速度值為0.4 mm/s，邊界1、2、3、4、5為壓力出口，6、7為無滑移壁面。流體物性參數(shù)設(shè)置見表1，潤滑油液與毛細管固液界面的接觸角見2.1節(jié)。

圖2 計算域及網(wǎng)格Fig.2 Computational domain and griding

3 結(jié)果與分析

3.1 潤滑油液滴的生長與脫附過程

圖3示出了在重力環(huán)境中，潤滑油液在壓力驅(qū)動下在金屬毛細管出口端生長與脫附過程的試驗結(jié)果。可以看出，潤滑油液在毛細管出口端的生長與脫附過程可分為膨脹、爬移、下滑、頸縮和脫附等5個階段。

圖3 潤滑油液滴生長與脫附過程試驗結(jié)果Fig.3 Test results of lubricating oil droplet growth and desorption process

在初始階段，潤滑油在壓力驅(qū)動下緩慢注入，并在毛細管末端膨脹形成半球形凸起的液滴雛形，隨著潤滑油液的不斷注入，半球形液滴的直徑逐漸增大，當直徑增大至毛細管外壁時，油液在毛細力作用下開始沿毛細管外壁向上爬移；隨著油液爬移高度不斷增加，液滴體積逐漸變大，重力隨之增加，并逐漸超過毛細力的限值，油液將沿著外壁面逐漸下滑至出口端面；隨著潤滑油液的繼續(xù)注入，液滴體積和質(zhì)量進一步增加，重力效應(yīng)開始凸顯，液滴頸縮現(xiàn)象出現(xiàn)；隨著液滴體積和質(zhì)量的持續(xù)增大，液滴所受重力逐漸大于黏性力和表面張力，頸縮線變長變細，直至發(fā)生斷裂，從毛細管出口端脫附。由于潤滑油液被連續(xù)注入，毛細管末端殘留的液體回縮成半球形，而后進入下一個循環(huán)周期。從上述膨脹、爬移、下滑、頸縮、脫附的不同階段可以看出，潤滑油液在毛細管出口端的生長與脫附過程是壁面毛細力、油液黏性力、表面張力和重力等共同作用的結(jié)果。

圖4所示為相同工況下，潤滑油液滴在毛細管出口端的生長與脫附過程的數(shù)值仿真結(jié)果。對比圖3、4可以發(fā)現(xiàn)，采用高速攝像機記錄的潤滑油液在毛細管出口端的生長與脫附過程，與采用數(shù)值模擬方法得出的仿真結(jié)果具有較高的一致性。這說明文中研究所采用的計算模型及方法的合理性和有效性，為后續(xù)采用數(shù)值模擬方法研究毛細管表面潤滑特性對油液生長與脫附過程的影響，以及研究無重力條件下的液滴生長與脫附奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

圖4 潤滑油液滴生長與脫附過程數(shù)值仿真結(jié)果Fig.4 Numerical simulation results of lubricating oil droplet growth and desorption process

3.2 毛細管管徑對液滴脫附性能的影響

試驗和數(shù)值仿真均對PAO-10型航天潤滑油液在φ1.2 mm×0.1 mm、φ1.0 mm×0.1 mm、φ0.7 mm×0.1 mm 3種不同規(guī)格的金屬毛細管出口端的生長與脫附行為進行了研究，并以爬移高度h和等效脫附粒徑Dd為特征參數(shù)，考察毛細管管徑對油液脫附性能的影響。其中，爬移高度h的定義為潤滑油液沿毛細管外壁面向上爬升位置點到毛細管出口端面的距離，單位為mm；等效脫附粒徑Dd的定義為：Dd=4Sd/Ld，Sd和Ld分別是由高速攝像機拍攝并經(jīng)imageJ圖像處理后用顯微標尺標定法測量的脫附液滴面積和周長；潤滑油液在毛細管表面的接觸角θ=5°。

圖5所示為PAO-10型航天潤滑油液沿毛細管外壁爬移高度隨時間的變化曲線，試驗結(jié)果和數(shù)值仿真結(jié)果一致性良好。可以看出，隨著毛細管管徑減小，油液最大爬移高度h逐漸降低，1.2、1.0、0.7 mm管徑毛細管對應(yīng)的最大爬移高度分別為4.5、4.1及3.7 mm；而油液爬移時間則呈現(xiàn)增加趨勢，分別為7.1、8.8及11.8 s。換言之，隨毛細管管徑減小，平均爬升速度逐漸降低，分別為0.63、0.47和0.31 mm/s。

圖5 潤滑油液爬移高度隨時間的變化(θ=5°)Fig.5 Variation of climbing height of lubricating oil with time(θ=5°)

圖6所示為不同毛細管管徑條件下，潤滑油液滴脫附粒徑Dd的柱狀圖。可以看出，液滴脫附粒徑隨毛細管管徑的減小而減小，1.2和0.7 mm管徑對應(yīng)的脫附粒徑試驗值分別為2.68和2.56 mm，粒徑減小相對值為4.5%；仿真計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)趨勢相同，粒徑減小相對值的仿真結(jié)果為5.2%。

圖6 液滴脫附粒徑隨毛細管管徑的變化(θ=5°)Fig.6 Variation of droplet desorption particle size with capillary diameter(θ=5°)

上述試驗和仿真結(jié)果表明，隨著毛細管管徑的減小，毛細管外壁面對潤滑油液的毛細效應(yīng)逐漸減弱，油液沿毛細管外壁面的爬移高度和速度均呈下降趨勢，液滴脫附粒徑也隨之減小，即液滴在更小的粒徑下即可實現(xiàn)脫附，脫附性能提高。

3.3 毛細管表面潤濕特性對液滴脫附性能的影響

采用數(shù)值模擬方法，考察了毛細管表面潤濕特性對潤滑油液滴脫附性能的影響。潤滑油液在毛細管表面的潤濕狀態(tài)由接觸角θ表征。接觸角越大，表明毛細管的疏油性能越好，反之則表明親油性能越好。模擬仿真考察了接觸角θ分別為5°、15°、20°、25°、30°、40°、60°、75°和90°時，潤滑油液滴在毛細管出口端的脫附行為。毛細管管徑的取值為φ1.0 mm×0.1 mm。

圖7所示為θ=15°時，毛細管出口端潤滑油液滴的生長與脫附過程。可以看出，該過程存在典型的爬移和下滑階段，表明毛細管壁面的毛細效應(yīng)較為顯著，且液滴脫附時在毛細管外壁面殘留有一層厚度約為36 μm的油膜。當接觸角增加至30°時，潤滑油液滴的生長與脫附過程發(fā)生顯著變化，爬移和下滑這2個階段消失，整個生長與脫附過程演化為膨脹、頸縮和脫附3個階段，如圖8所示。

圖7 θ=15°時液滴脫附后毛細管壁殘留的油膜Fig.7 Residual oil film on capillary wall after droplet desorption at θ=15°

圖8 θ=30°時潤滑油液滴的脫附過程Fig.8 Desorption process of lubricating oil droplets at θ=30°

此外，研究還分別以最大爬移高度h和脫附粒徑Dd為特征參數(shù)進行了定量分析。如圖9所示，隨著接觸角的增大，最大爬移高度顯著下降。接觸角為5°、25°時對應(yīng)的最大爬移高度分別為3.90、2.51 mm；當接觸角增至30°時，潤滑油液不再向上爬移，最大爬移高度為0。圖10所示為潤滑油液滴脫附粒徑隨接觸角的變化曲線。在接觸角由5°逐漸增加至90°的過程中，液滴脫附粒徑由2.80 mm減至2.54 mm，減小了9.3%，且呈線性減小。

圖9 潤滑油液的最大爬移高度h隨接觸角θ的變化Fig.9 Variation of maximum climbing height hof lubricating oil with contact angle θ

圖10 潤滑油液的脫附粒徑Dd隨接觸角θ的變化Fig.10 Variation of desorption particle size Ddof lubricating oil with contact angle θ

由上可知，毛細管對潤滑油液的表面潤濕特性對液滴脫附性能有顯著影響。隨接觸角增大，毛細管表面的疏油性能增強，毛細管外壁面對潤滑油液的毛細效應(yīng)減弱，壁面爬移行為逐漸減弱并最終消失，液滴生長與脫附過程演化為膨脹、頸縮和脫附3個階段，液滴脫附時的粒徑也隨之減小。

圖11所示為潤滑油液滴在毛細管壁面的固/液/氣三相接觸狀態(tài)。由Young方程可知，潤滑油液在毛細管表面的接觸角θ為

圖11 潤滑油液在毛細管壁面的接觸狀態(tài)Fig.11 Contact status of lubricating oil on capillary wall

(1)

式中:γSG為固相即毛細管材質(zhì)的表面能;γLG為液相即潤滑油液的表面張力;γSL為毛細管與潤滑油液之間的固/液界面張力。

在環(huán)境溫度不變的條件下，液體的表面張力值γLG恒定；固/液界面張力γSL遠小于固體表面的表面能γSG，此時接觸角θ將主要由固體表面能決定。固體的表面能越低，接觸角越大。對于不同材質(zhì)的固體，其表面能有較大差異，塑料等有機物的表面能遠低于金屬和一般無機物，選用此類低表面能材料制作微量供油的毛細管可以顯著增大接觸角。

此外，采用表面改性處理如涂覆低表面能涂層等手段[22]，則可在不改變毛細管原有材質(zhì)和幾何尺寸的前提下，有效降低毛細管的表面能，增大接觸角，有助于改善油液脫附性能，實現(xiàn)長效微量潤滑。

4 結(jié)論

(1)微量供油條件下，潤滑油液滴在毛細管出口端的生長與脫附過程，是壁面毛細力、油液黏性力、表面張力和重力等共同作用的結(jié)果，可分為膨脹、爬移、下滑、頸縮、脫附等5個階段。

(2)毛細管管徑和表面潤濕特性對潤滑油液滴的脫附性能有重要影響，減小毛細管管徑或增大接觸角，均可以有效減弱毛細效應(yīng)，降低潤滑油液的爬移高度和脫附粒徑，提高液滴脫附性能。毛細管管徑減小至微米級，重力及毛細力等變化對液滴的脫附性能的影響有待開展進一步研究。

(3)重力條件下液滴生長與脫附的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的一致性良好，該方法有望用于研究無重力環(huán)境下液滴的生長與脫附問題；通過選用低表面能材料制作微量供油的毛細管可以顯著增大接觸角。