水润滑环境下聚合物PLL-g-PEG的宏观摩擦学性能的研究

将聚(L-赖氨酸)-g-聚(乙二醇)(以下简称PLL-g-PEG)溶解在HEPES水溶液中时，通过球-3板式摩擦试验机研究了添加聚合物PLL-g-PEG对摩擦磨损性能的影响；利用光干涉法在球-盘式纳米薄膜测量装置上初步研究了水基润滑环境下PLL-g-PEG对成膜特性的影响. 结果表明:PLL-g-PEG可降低摩擦并减小磨损，主要归因于表面接枝PLL-g-PEG后形成的一层“刷”状的水化层(Hydration)起到了良好润滑作用，且摩擦性能的改善程度主要受接触应力、卷吸速度和摩擦表面基底材料的影响. 试验过程中发现了水基润滑条件下，PLL-g-PEG聚合物刷在摩擦过程中不断遭到破坏，与此同时又快速吸附到摩擦表面上而进行“自我治愈”的行为，故而有效改善了润滑效果. 光干涉的测量结果表明:添加PLL-g-PEG后，在接枝聚合物刷的球和玻璃盘的接触面间形成了一层由聚合物刷促成的且具有一定承载能力的水化层，这层水膜保护层虽然非常薄，却可以在卷吸速度为1~64 mm/s时有效分离上下接触面从而达到良好的润滑效果. 该研究工作将为深入理解水基润滑的成膜特性及机理提供必要的支持.      

聚合物PLL-g-PEG构象变化对宏观摩擦学性能的影响

通过将聚赖氨酸-聚乙二醇(PLL-g-PEG)加入至不同体积分数的HEPES-甘油混合溶液中来改变聚合物的构象，研究其构象变化对摩擦性能的影响. 利用晶体微量天平(QCM)定量表征了不良溶剂(甘油)的加入所导致聚合物刷构象发生的改变；摩擦试验结果表明在良性溶剂(HEPES)中聚合物刷高度水化作用对于摩擦磨损性能的改善起主导作用，而不良溶剂中起决定作用的是甘油的黏度效应；利用纳米级光干涉薄膜测量装置试验证实了表面修饰聚合物刷后的钢球-玻璃盘界面间的成膜特性既与聚合物刷的构象变化相关，也与流体动压效应相关，且随卷吸速度的改变二者对接触区内成膜的贡献会发生转变；对二者共同作用下的水基润滑机理进行了初步探讨，这对于拓宽水基润滑的应用具有较为重要的意义.      

高压微间隙下4010航空油的润滑特性研究

在自制的新型膜厚测量仪上,测量4010航空油在不同接触压力、温度和卷吸速度下的干涉图像,分析接触区的润滑特性。结果表明：在低温高速区主要表现为弹流润滑,中心膜厚与接触压力呈负相关;而在低温低速、高温区主要表现为薄膜润滑,中心膜厚受接触压力的影响较小。在弹流润滑区内高接触压力下油膜形状呈平坦状分布,而薄膜润滑区内油膜形状总体上比较平滑。随着载荷的增加,弹流润滑区内由Hamrock-Dowson理论算得的膜厚值和实测值逐渐偏离,理论公式中卷吸速度和载荷的指数需要调整;而薄膜润滑区的膜厚值基本上保持平稳。     

二阶流体薄膜润滑研究

针对二阶流体薄膜润滑在润滑方程中引入二阶流体和弹性变形，在考虑薄膜润滑状态下的非牛顿性和类固体性的基础上，建立了薄膜润滑的粘变数学模型，并针对线接触弹流薄膜润滑进行了数值计算．结果表明，在相同载荷下基于粘变模型计算得到的膜厚同牛顿流体相应的膜厚相比大得多，而粘变薄膜厚度同速度的相关性比牛顿流体的小得多，且粘变薄膜能够承受更大的载荷；所建立的粘变模型适用于薄膜润滑的理论计算．     

步态条件下人工膝关节线接触弹流润滑分析

参照关节模拟试验机的运动和力学参数,利用多重网格技术对人工膝关节摩擦副进行了1个步态周期仿人体环境线接触弹流润滑仿真,关节支承表面的弹性变形按半无限体计算.同时,观察了几种参数对流体压力分布和膜厚形状的影响.结果表明:在1个步态周期内,中心压力与载荷变化基本相同,且等效曲率半径的变化会引起中心压力的跳跃.站立相时在卷吸和挤压膜效应的共同作用下,中心膜厚呈逐步减小并伴随着波动;摆动相时,载荷固定,膜厚的变化主要与卷吸速度有关.减小胫骨平台曲率半径有助于提高滑液膜厚度;延长步态周期的时间,会使滑液膜厚减小.     

偏心轮机构时变热弹流润滑问题分析

采用多重网格技术对偏心轮-挺杆副的热弹流润滑问题进行了数值模拟,给出了该问题的完全数值解,比较了等温解和热解,分析了反向运动对油膜压力和厚度的影响,并采用"温度-粘度楔"机理进行解释,着重阐述了在零卷吸速度条件下的压力、膜厚、温度和流速分布.数值模拟计算结果表明,在偏心轮-挺杆工作的一个周期内,热效应的影响不可忽略;零卷吸速度时,接触区温升很高,接近两固体表面的流体呈现出不流动状态,此状态归因于特定的温度和卷吸速度条件.     

摆动工况下有限长线接触弹流的实验研究

针对对数型凸度滚子,在自制的滚子接触光弹流试验装置上开展了摆动工况弹流的实验研究.在2种不同摆动频率下,测量了弹流润滑油膜厚度和形状.结果表明:在一定载荷范围内,对数凸型滚子弹流润滑状态下的油膜厚度沿轴向呈均匀分布.摆动工况下润滑油膜的变化受到楔形效应和挤压效应的共同作用;低频时卷吸速度变化较小,以挤压效应为主;高频时卷吸速度变化较大,楔形效应增强.在卷吸速度为零时,油膜被封入接触区内,高频时形成的凹陷更为明显.     

单个微油滴弹流润滑行为的试验研究

利用光干涉技术研究了微油滴通过弹流润滑接触区的润滑行为,考察了油滴大小、卷吸速度和载荷等因素的影响.结果表明微油滴在入口区域因挤压或毛细力效应发生表面积扩展,从而影响润滑膜的形成.油滴越大,挤压扩展直径越大,形成的膜厚越大.卷吸速度越高,入口处微油滴表面积扩展越不充分,仅接触区局部形成油膜,微油滴在接触表面挤压出凹坑穿过接触区.     

限量供油对速度交叉工况下润滑特性的试验研究

速度交叉效应对摩擦副表面润滑剂迁移及润滑状态改善具有重要意义.利用表面速度异向光干涉润滑油膜测量装置，在限量供油条件下，改变两固体表面卷吸速度与滑动速度夹角ε，研究了该角度变化对润滑油膜及油池边界的影响.结果表明，卷吸速度与滑动速度呈一定夹角时，部分润滑剂再分配至接触区参与成膜；由于润滑速度交叉行为导致润滑剂横向运输效果增强，限量供油条件下的润滑状态改善.此外，低供油量(0.1μl)限制了速度交叉效应的润滑增效性，产生的低油池边界减弱了两侧润滑剂的有效交汇.     

卷吸与滑动正交的热弹流润滑研究

在工程弹流润滑中两固体表面速度方向并不总是相同,当两表面速度大小相同而方向不同时,卷吸行为与滑动行为正交.针对该工作条件建立了热弹流润滑数学模型,得到完全数值解.数值模拟了固定卷吸速度条件下,当表面速度间夹角变化时油膜厚度和形状的改变.结果显示:随夹角增加中央膜厚增加,最小膜厚表现出先减小后增加的趋势.这种变化是几何楔与热黏度楔的共同作用的结果,也为近期Hoehn等膜厚随夹角不同的实验结果提供了另一种解释.     

流体动压下乳化液迁移特性及润滑机理研究

乳化液广泛应用于机械加工装备,其在动压条件下迁移特性及润滑机理亟待明晰. 采用光干涉法测量了试制和商用两种乳化液在不同浓度梯度下的流体动压成膜厚度,使用光致荧光法研究了接触区外围乳液池三维分布及其迁移行为,结合各浓度下乳化液黏度、红外吸收光谱特征峰和粒径分布等表征结果,对低副接触下乳化液润滑机制进行了研究. 结果表明:在稀释过程中乳化液会发生油包水向水包油的流型转变,转变前后乳化液均有较好成膜能力;可观察到出口气穴和入口弯月面所需的卷吸速度随着乳化液浓度降低而增大;粒径较小乳化液滴可直接进入接触区,粒径大的液滴在进入接触区前发生破裂,油相经离水展着进入接触区起主要润滑作用.      

表面凹槽对流体动压润滑油膜厚度的影响

利用自行研发的面接触光干涉油膜厚度测量系统,对表面凹槽滑块的流体动压润滑油膜厚度进行了试验测量,试验中以静止的微型凹槽滑块平面和旋转的光学透明圆盘平面构成润滑副,且两润滑平面始终保持平行;在固定的载荷(速度)条件下,对油膜厚度-速度(载荷)曲线进行测量.结果表明：凹槽的宽度,深度,方向和位置等因素对油膜厚度有着重要影响.同时采用经典Reynolds方程对油膜厚度进行了理论计算,结果表明理论值在某些条件下并不能解释试验结果.     

Hydrodynamic lubrication in fully plastic asperity contacts

A line contact inlet zone analysis is carried out for the hydrodynamic lubrication in a fully plastic asperity contact. A governing equation of the central film thickness i.e. the film thickness in the fully plastic contact area is derived. An equation predicting this film thickness is also derived. It is found that for the fully plastic contact, under relatively light loads the prediction accuracy for the central film thickness is good, while at the load heavy enough the prediction equation greatly overestimates the central film thickness and the central film thickness solved from the analytical governing equation is significantly low showing the asperity in boundary layer lubrication. For the fully plastic contact, the central film thickness is nearly half of that obtained based on the elastic contact assumption for relatively light loads or even lower for heavier loads. The hydrodynamic lubrication is found difficult to form in the fully plastic asperity contact for the carried load heavy enough or the significantly low sliding speed between the asperities. To achieve a high hydrodynamic lubrication film thickness in the fully plastic asperity contact it is recommended to employ a high sliding speed or a high fluid viscosity. However, in the fully plastic asperity contact, the potential hydrodynamic load-carrying capacity is limited and much smaller than that based on the elastic contact assumption or predicted by conventional line contact elasto-hydrodynamic lubrication theory.     

固液润湿性对流体动压润滑薄膜的影响

利用自行开发的微型面接触润滑油膜测量系统,研究了固液润湿性对流体动压润滑油膜厚度的影响.试验中以静止的微型滑块平面和旋转的光学透明圆盘平面形成润滑副.固液的润湿性通过接触角判定,不同材料的微滑块平面和润滑液体形成不同的界面.在保持载荷和面接触楔形角不变的条件下对油膜厚度-速度关系进行了测量.结果表明:对于固液润湿性强的界面,形成的油膜厚度与经典润滑理论有较好的一致性;当固液润湿性明显降低时,测量得到的油膜厚度减小.对于试验中观察到的界面效应,应用界面滑移理论进行了初步分析.     

高速极重载热弹流润滑分析

求出了高速极重载工况下线接触热弹性流体动力润滑问题的数值解,并对摩擦副进行了应力分析。指出粘度高和粘压系数大的润滑油虽可增加油膜厚度,但亦会加速表面的疲劳磨损。     

润滑状态下球-盘点接触摩擦副的低速轻载滑滚特性研究

选用镀Cr膜的玻璃盘和GCr15球作为摩擦副,在NGY-6纳米润滑膜测量仪上开展球-盘点接触摩擦副在润滑状态下的低速轻载滑滚特性试验,研究不同接触应力、钢球转速、滑滚比等参数对摩擦副的摩擦系数及对应油膜厚度的影响规律.结果表明:当接触应力和钢球转速一定时,摩擦系数随滑滚比的增大逐渐增加后达到稳定状态,当滑滚比较大时,滑滚比的变化对油膜厚度几乎没有影响;当滑滚比一定时,摩擦系数随接触应力的增大逐渐增大,随钢球转速的增大逐渐减小,油膜厚度随接触应力的增大逐渐减小,随钢球转速的增大逐渐增大.摩擦副在弹流润滑状态下,摩擦系数的增加幅度随接触应力的变化较小,而在薄膜润滑状态下,其增加幅度变大.摩擦副在薄膜润滑状态下,当滑滚比在0.10~0.50变化时,摩擦系数和油膜厚度基本处于稳定状态.     

定量供油下球-环/球-盘接触形式润滑特性对比

采用球-环接触和球-盘接触形式的光干涉润滑油膜测量仪,在定量供油条件下观察两种接触形式下的不同润滑特性,分析了润滑差异性的内在机制. 结果显示:在低速条件下球-盘接触膜厚始终高于球-环接触膜厚,由接触几何特性差异导致的不同动压效应、侧泄效应和润滑剂流动是其主要原因;在高速条件下球-盘接触形式易出现入口乏油,而球-环接触在整个测试速度范围内未出现乏油,不同的离心力作用方向是导致这种差异的诱因. 试验还观察与分析了黏度对两种接触方式下润滑特性的影响:低速条件下,高黏度润滑剂易导致球-环接触出现乏油;高速条件下,高黏度润滑剂能够推迟球-盘接触时乏油状态的出现.