零卷吸往复运动下的弹流润滑实验研究*

朱建荣 孙楠楠 郭灵燕 王加林 金旭阳 王 静

(1.潍柴动力股份有限公司内燃机可靠性国家重点实验室 山东潍坊 261061;2.青岛理工大学机械与汽车工程学院 山东青岛 266520；3.东华大学机械工程学院 上海 201620)

乏油是工程润滑问题中的一种常见的现象,目前已有很多研究者对各种不同的工程乏油问题作出探讨。蒲伟等人[1]建立了乏油状态下重载卡车的准双曲面齿轮传动界面任意速度矢量润滑分析模型，综合考虑了啮合区接触几何、粗糙形貌、入口区供油量、啮合界面速度矢量任意性等因素。韩一鸣等[2]使用光干涉技术，在球盘点接触试验台上，在零卷吸速度条件下，观察不同乏油程度下，接触区凹陷的变化情况；通过球-盘磨损试验机，研究反向滑动工况下45 钢在干接触和不同乏油程度条件下的表面损伤行为以及时间、速度和载荷对磨损的影响。易蒙等人[3]利用销/盘摩擦磨损试验机，研究了作为轴承保持架的PEEK 材料和GCr15金属盘磨损表面形貌，分析了摩擦磨损机制，发现在乏油润滑下，PEEK复合材料的摩擦磨损特性不仅与材料本身的性能有关，也与对偶面表面形貌有关，具有一定粗糙度并且表面相对规整的对偶件可以有效地减少材料的磨损。崔顺等人[4]采用光干涉实验技术，在球-盘实验机上观测了表面具有一与运动方向垂直的划痕的静止钢球与玻璃盘形成的接触中，乏油效应的影响。

零卷吸工况即两表面速度大小相等、方向相反，滑滚比为无穷的工况，广泛存在于工程实际中，如无保持架滚珠轴承、滚珠蜗杆、滚珠丝杠、滚珠升降台的相邻滚子之间。另外，该工况也有可能发生在凸轮-挺杆副之间。 迄今为止， 关于零卷吸润滑问题的研究很多是基于稳态假设。YANG等[5]研究了线接触零卷吸热弹流问题，使用“温度-黏度楔”原理成功解释了在零卷吸过程中接触区内存在润滑油膜的原因。MENG等[6]实验分析了在反向滑动条件下乏油对表面凹陷的影响，发现接触区存在3种乏油润滑状态：双侧乏油、左侧乏油以及右侧乏油;双侧乏油的作用与卷吸速度的下降类似，使接触区经典的大凹陷变为接触区中央小凹陷；随着接触区双侧乏油程度的严重化，椭圆形凹陷先变为圆形再变为椭圆形，最终消失。ZHAO等[7]对玻璃盘与钢球表面进行亲油与疏油处理，对零卷吸条件下的有效润滑进行了实验研究，认为亲油与疏油润滑之间的差异是由边界滑移引起的。WONG等[8]提出了一种利用边界滑移对无保持架轴承进行优化的新方法。

在实际接触中，运动条件往往是非稳态即速度随时间做迅速变化的。因此，研究非稳态零卷吸运动是很有必要的。ZHANG等[9-10]建立了Ree-Eyring流体的数值模型，揭示了在零卷吸条件下凹陷油膜的变化规律：随速度的降低，线接触以及点接触弹流油膜凹陷逐渐由经典的大凹陷向中央小凹陷转化。WU等[11]对凸轮-挺杆线接触进行了理论分析，研究了零卷吸凹陷的变化。WANG等[12]探讨了在零卷吸往复运动下润滑脂膜厚的变化规律，研究了表面凹陷随最大表面速度、润滑脂浓度和乏油程度的变化规律。

本文作者采用发动机油，研究了零卷吸往复运动条件下的油膜分布受表面速度和乏油的影响。

1 实验设备及材料

实验在自主研发的球-盘点接触试验台上进行(如图1所示)，选用钢球和蓝宝石构成接触副。钢球材料为GCr15钢，直径为25.4 mm，精度为G5级；蓝宝石盘直径为150 mm，厚度为15 mm，盘与钢球接触一侧镀有厚度20 nm的Cr膜，盘表面粗糙度Ra<5 nm。钢球与蓝宝石参数如表1所示。采用CK-4 15W40型润滑油进行实验，具体参数如表2所示。

图1 实验装置示意

表1 蓝宝石盘和钢球的参数

表2 CK-4 15W40油参数

实验台的驱动装置包括盘驱和球驱2种，都是由交流伺服电机、高精密减速器和联轴器等零部件组成。电机选用三菱伺服电机，额定输出功率为400 W，减速器减速比为40。实验台的双色光干涉采用红绿(Red-Green，简称RG)双色光源，利用光干涉原理测量润滑油膜厚度，其干涉原理示意图如图2所示。通过PLC控制系统使钢球与蓝宝石盘进行往复三角波运动，钢球与蓝宝石玻璃盘的表面运动速度范围为0～0.5 m/s，运动形式如图3所示。定义往复运动冲程为l，则：

图3 往复运动形式

图2 双光束干涉测量法示意

l=0.25vmaxT

(1)

式中：T为运动周期；vmax是往复运动过程中的最大表面速度。

滑滚比的定义为

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

(2)

式中:vb和vd分别是运动过程中的球速与盘速。

除了冲程末端钢球与蓝宝石盘的速度为0，其余时刻钢球与蓝宝石处于零卷吸工况。在环境温度为24～26 ℃的条件下进行实验，实验后将获得的光干涉图像使用DIIM软件[13-15]测量中截面油膜厚度。

2 实验结果与讨论

反向运动的两固体的入口和出口关系如图4所示。在接触区左侧，钢球携带油进入接触区，是钢球的入口，蓝宝石盘的出口。接触区的右侧是钢球的出口和蓝宝石盘的入口。对任何一个表面来说，入口处的油是冷的，黏度高；出口的油是热的，黏度低。一个表面出口处的黏度低的热油受到对偶表面入口处的黏度高的冷油的阻碍，导致在接触区中央形成润滑油的堆积，压力和温度升高。这就是反向运动凹陷油膜形成的“温度-黏度楔”机制[5]。对于反向运动，目前学界形成的共识是，良好润滑油膜的建立离不开反向运动所产生的温升。如果温升不够高，则不可能维持良好的润滑状态[6]。

图4 球盘的入口和出口示意

为探究时变条件下零卷吸油膜的形成和分布，首先在载荷为50 N的稳态条件下，进行了表面速度vb=-vd=0.4、0.2、0.1、0.01 m/s的实验，结果如图5所示。

图5 稳态零卷吸条件下点接触光干涉图像和中截面油膜厚度曲线(w=50 N)

从图5(a)中可看出，表面速度vb=-vd=0.4 m/s时接触区中存在一个椭圆形的中央凹陷，椭圆的短轴与表面速度方向一致，凹陷的深度约为0.4m,凹陷的两侧存在着厚度约为60 nm的油膜。此现象与ZHANG等[9-10]发现的中央凹陷现象一致，是由 “温度-黏度楔”效应所形成。从图5(b)中可看出，表面速度vb=-vd=0.2 m/s时，凹陷变浅，椭圆形凹陷在垂直于表面速度方向变短，凹陷左右两侧的油膜也变薄，在接触区的下方出现干接触部分(即呈现红色的部分)。从图5(c)中可看出，vb=-vd=0.1 m/s时，接触区中凹陷进一步变小、变浅，形状变得不规则，说明了“温度-黏度楔”效应的明显降低。从图5(d)中可看出，vb=-vd=0.01 m/s时，球和盘之间形成干接触，仅有少部分存在润滑油。图5的结果表明，随着两表面速度的降低，由于温升逐渐下降，润滑状况逐渐变差。

图6给出了w=50 N,vbmax=vdmax=0.1 m/s，T=0.4 s，充分供油条件下一个冲程内的油膜光干涉图。 尽管供油条件充分，图6(g)中的两表面速度vb=-vd=0. 1 m/s，与图5(c)中一致。但图5(c)中有凹陷形成，而图6(g)中的接触区中大部分为干接触，没有凹陷形成，仅有局部存在油膜。图6所示的每一幅光干涉图中，接触区的绝大部分都是干接触，仅有少量润滑油残存，润滑成膜远不如图5(c)，而是与表面速度为vb=-vd=0.01 m/s的图5(d)相似。 图6与图5(c)的比较说明了在零卷吸工作条件下， 往复运动工况比对应的稳态条件下的润滑条件恶劣。

图6 充分供油时油膜干涉图(w=50 N ,vmax=0.1 m/s ,T= 0.4 s)

图7所示为载荷50 N、运动周期0.2 s、最大速度vmax=0.4 m/s 工况下的油膜光干涉图像及油膜中截面曲线。图7(a)中，中截面油膜曲线呈现一个楔形，图7(b)中，油膜呈现马蹄形形状，图7(c)—(e)中，油膜呈现马蹄形，并在出口区形成一个向上的小凹陷，显示两表面的速度绝对值存在差异，具体地，即vb>︱vd︱。在图7(d)、(e)中，凹陷左侧的油膜开始降低；在图7(f)中，一个较深的凹陷在接触区右侧形成；此后该凹陷向接触中心移动，在图7 (h)中，凹陷移动到接触区中心，形状也变得规则；在图7(i)中，凹陷也移动到接触区左侧，其右侧薄膜变得极薄；在图7 (j) 中，凹陷进一步变小并最终消失；图7 (l) 中的油膜厚度略厚于图7(a)。 将冲程中心(见图7(g))的油膜形状与图5(a)相比，可以发现有明显的差别，油膜凹陷变小变浅，且接触区出现干接触区域。图7(d)和图5(b)的名义表面速度也相同，但油膜形状有显著不同。图7(b)—(f)中的油膜形状，都不是零卷吸条件下的油膜形状，说明界面上发生了速度滑移，导致实际上滑滚比远小于无穷。

图7 充分供油时油膜干涉图和中截面油膜厚度曲线(w=50 N ,vmax=0.4 m/s ,T =0.2 s)

图8所示为在相同条件下，运动进行200周期后自然发生乏油时所观察到的油膜光干涉图和对应的中截面曲线。

图8 经过200周期后乏油时油膜干涉图和中截面油膜厚度曲线(w=50 N,vmax=0.4 m/s,T=0.2 s)

由图8(a)可知，接触区中大部分为干接触，上部有少量混合接触。在图8(b)中，接触区左侧有新油进入且新油进入部分的中截面膜厚呈现楔形，表示接触区存在指向向右的速度矢量。在图8(c)中，油膜从左至右呈现楔形分布，再次显示接触区存在指向向右的速度矢量。在图8(d)中，接触区左侧油膜厚度下降，接触区右侧出现很浅的凹陷，显示此时的滑滚比略大于2.0。在图8(e)中，凹陷变深，显示滑滚比加大。在图8(f)中，凹陷移到接触区中心，右侧为干接触。凹陷深度与图7(f)中相近，只是长度变长。在图8(g)中，凹陷变得略深。在图8(h)中，凹陷移动到接触区左侧，从右侧有新油汇入，因此接触区的下半部分润滑良好，而上半部分仍为干接触和混合润滑。在图8(i)中，凹陷进一步变小，与此同时，全膜润滑区域变大。在图8(j)和图8(k)中，接触区中仅有下半段存在油膜，上半部分为干接触。在图8(l)中，接触区上半部分不变，下半部分存在的油膜向接触中心收缩，周围也是干接触。

图9给出了接触区最小油膜厚度在第1、第50和第200周期的变化。在第1周期，靠近冲程末端的油膜厚度较厚，仅是在0.2～0.4T之间产生干接触。而在第50和第200周期，除了在0.05～0.15T之间有较厚油膜存在，其他时间段均出现干接触。第200周期的最小膜厚在0.05～0.15T之间也要小于对应的第50周期的。

图9 周期对最小膜厚的影响(w=50 N,vmax=0.4 m/s,T=0.2 s)

3 结论

(1)往复运动条件下，即使是相同表面速度和载荷，其油膜凹陷与相同速度和载荷条件下的稳态油膜凹陷有显著差别。

(2)往复运动条件下，冲程末端之后，两表面反向，出现了马蹄形油膜和接触区右端存在很浅的小凹陷的现象，这些油膜形状都不是零卷吸油膜形状，说明接触区中出现了界面滑移。为解释界面滑移现象，下一步需进行数值分析工作。

(3)在经历200个周期之后，接触区中自然发生了乏油现象，导致一个冲程中的大部分时刻出现了干接触和混合润滑状况。考虑到乏油在工程实际中较频繁发生，说明了零卷吸工况的严苛。