NGY—2型纳米级润滑膜厚度测量仪

近３０年来，人们在利用光学方法测量润滑膜的厚度方面进行了许多研究，并且提出了些膜厚测量方法。但是，这些方法在测量纳米级润滑薄膜时却都不同程度地存在着分辨率和精度都低等缺点。因此，根据光干涉法测量膜厚的基本原理提出了相对光强原理。并且经过特定的光路设计，研制了一种ＮＧＹ－２型纳米级润滑膜厚度测量仪，在给定条件下的测试结果表明，这种测量仪具有厚测量分辨率和精度都高，以及抗外界光场变化能力强等优点。     

弹流润滑与薄膜润滑转化关系的研究

采用ＮＧＹ－２型纳米级膜厚测量仪,研究了润滑膜厚度与各工况因素之间的关系,分析了薄膜润滑的机理,探讨了膜厚、速度、润滑油粘度等各因素对弹流润滑与薄膜润滑之间转化的影响,建立了转化临界膜厚值与润滑剂表观粘度的关系。     

高压下受限齿轮油成膜特性研究

本文揭示了在实际应用中极端工况下齿轮油的润滑特性.为了测量在高接触压力和不同温度条件下齿轮油的成膜能力,制作了高精度的膜厚测量仪,采用相对光强法实现纳米级膜厚测量.试验中共采用了5种性质不同的齿轮油,在纯滚动条件下测量接触区的油膜厚度,结果表明：随着接触压力的升高油膜厚度明显降低,但压力对润滑状态影响不大;温度的改变不但能影响油膜厚度,对润滑状态的影响也很明显;GL-5 85W/190和GL-5 85W/90齿轮油在接触压力达3 GPa温度提高到120℃时仍能形成很厚的油膜,但其余3种润滑剂在极端工况下成膜能力不足.本文最后根据试验结果还提出了含有丰富添加剂的齿轮油润滑模型.     

纳/微米弹流油膜厚度测量系统

介绍了1种基于多光束干涉强度的弹流油膜厚度测量系统,包括其测量原理和测量系统的设计与组成.针对光弹流接触副,给出了简单易行的干涉级次判定方法.结果表明,该测量系统具有纳米量级的分辨率,可实现由纳米膜厚到微米膜厚的连续测量,适用于超薄弹流油膜厚度和微米级弹流油膜局部微小变化的研究.测量结果与已有的理论和研究结果吻合,证明了测量系统的可靠性.     

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。     

聚合物刷水润滑条件下水膜厚度和摩擦学行为的相关性研究

利用表面引发原子转移自由基聚合技术(SI-ARTP)在钢球和玻璃盘摩擦副表面分别接枝亲水性聚合物刷-聚甲基丙烯酸-3-磺酸丙酯钾盐(PSPMA),去离子水作为润滑剂,在球-盘式摩擦试验机和纳米级薄膜厚度测量装置上开展了其宏观摩擦学性能研究,探讨了流体动压效应介入下的聚合物刷水润滑机理. 利用光干涉技术观察了低卷吸速度下(4 mm/s)接触区域水膜分布情况,发现滚道两侧水膜的形状由初始状态的圆形随着时间逐渐沿着卷吸方向分布,证实了聚合物刷通过不断捕获周围的水分子形成了1层稳定的水膜;通过控制卷吸速度从1 mm/s连续增加512 mm/s实现了润滑状态的转变,低卷吸速度时处于薄膜润滑状态,膜厚不依赖于速度且稳定在35 nm左右,接触区内有效水膜的建立归功于聚合物刷的水合效应;当速度大于32 mm/s时处于弹流润滑状态,膜厚的测量值高于等黏弹膜厚公式的预测值(2~12 nm)和水合效应促成的膜厚值(约35 nm)之和,这意味着在流体动压润滑作用下聚合物刷表现出了优异的润滑增强作用, 是水合效应和流体动压效应协同作用的结果.      

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．     

圆锥滚子的等温弹流润滑数值分析

通过数值求解研究了圆台与平面之间的等温弹流润滑问题,分析了两固体所形成的弹流润滑区内压力和膜厚分布曲面,并且讨论了端部修形对接触区内压力和膜厚的影响.结果表明:由于圆锥滚子几何形状的特点,导致接触区内压力和膜厚的分布曲面出现斜度;圆锥滚子的端部修形可以降低端部高压,增加端部油膜厚度.     

椭圆接触弹性流体动力润滑的供油条件分析

通过数值求解研究了椭圆接触弹流润滑的供油条件,分析了供油油膜厚度对乏油润滑中心膜厚和最小膜厚的影响,以及中心膜厚和最小膜厚与润滑油膜压力区形成位置的关系.结果表明:当供油油膜厚度较小时,中心膜厚和最小膜厚很小,压力区形成位置距Hertz接触区很近,处于严重乏油状态;当供油油膜的厚度达到一定数值时,中心膜厚和最小膜厚基本不变,多余的润滑油几乎不能进入接触间隙,即达到准充分供油状态;当供油油膜厚度继续增加时,乏油区最终消失,达到充分供油或过量供油状态.     

换向持续时间和换向点位置对往复运动齿轮齿条弹流润滑的影响

往复运动齿轮齿条的润滑失效通常发生在换向死点位置附近,因此研究齿轮齿条换向点位置和换向持续时间对换向过程中润滑油膜的影响具有重要的实际意义。根据齿轮齿条换向瞬间的运动几何关系,建立了换向过程齿轮齿条弹流润滑的瞬态数值模型。采用Ree-Eyring润滑流体,应用多重网格法和多重网格积分法等数值方法,计算得到了齿轮齿条往复运动过程中换向点位置附近一对啮合轮齿间的压力、膜厚和温度,并与前人的实验结果进行了对比验证。分析了不同换向持续时间和换向点位置对一对啮合轮齿间压力、膜厚和温度的影响。齿轮齿条换向过程中油膜厚度明显降低,缩短换向持续时间虽然可以增大齿轮齿条的润滑膜厚,但会导致瞬间油温升高,因此换向持续时间存在最优值。通过比较不同换向死点位置的膜厚发现,当换向死点在单齿啮合后的双齿啮合区时,啮合轮齿间具有较理想的润滑膜厚。无论换向持续时间长短,润滑膜厚的最小值都在换向死点位置,换向死点位置是往复运动齿轮齿条润滑失效的危险点。研究结果为往复运动齿轮齿条的润滑设计提供了理论依据。     

基于双色光干涉的面接触润滑油膜在线测量

根据面接触润滑油膜红绿双色光干涉强度调制信号,构造了基于光流和动态时间弯曲技术的追踪算法,对一维调制光强曲线上与膜厚具有对应关系的特定目标区域进行实时追踪,从而实现了在线实时膜厚测量.通过与稳态离线测量结果对比,验证了该在线测量系统的准确性和可靠性.利用该系统对三角波形式变速过程中流体动压润滑瞬时膜厚进行了测量,揭示了膜厚滞后于速度变化的规律.     

纳米薄膜润滑物理—数学模型及数值分析

基于润滑剂分子通常具有链状结构的事实，在分析润滑剂分子链长同膜厚关系的基础上，建立了纳米薄膜润滑物理模型，并利用含旋转量的流体力学运动方程得到了相应的Reynolds方程，同时对薄膜润滑Reynolds方程进行了数值计算，以考察特征长度对薄膜润滑状态参数的影响。结果表明，同相应的厚膜解相比，薄膜模型中润滑剂的粘度及承载能力均明显提高，且其提高幅度随着特征长度的增大而增大。根据润滑剂分子链长度确定的薄膜润滑区间以及膜厚－速度关系数值解同相应的试验结果一致。     

Effect of surface texturing on lubrication film formation and rolling contact fatigue within mixed lubricated non-conformal contacts

The paper is focused on the influence of surface micro-cavities in non-conformal contact on tribological quantities, such as lubricant film thickness, contact pressure and especially rolling contact fatigue (RCF). Both the possible negative and positive effects of surface texturing under mixed lubrication conditions are considered. The lubricant film thickness was measured using optical test rig based on thin film colorimetric interferometry, where the contact is realized between steel ball and glass disc. The experimental apparatus consisting of two discs loaded and running against roller specimen was used for measurement of RCF. Obtained results confirmed the key effect of micro-features depth on film thickness and RCF behavior under rolling/sliding conditions.     

电阻法检测乳化液润滑状态的变化

用改进的电阻法测定了金属滑动摩擦副在混合润滑状态下发生接触的时间比率，并且检测了环－块试验过程中水包油型乳化液润滑状态的变化，同时还就乳化液中油相的体积分数和载荷等对乳化液成膜能力的影响进行了试验研究．根据测得的金属接触时间比率－滑动速度曲线的变化趋势，可以清楚地判断出润滑状态的转化及对应的临界转化速度．对比相应工况下油膜厚度的理论计算值，可以说明环－块接触区会形成一个基油富集区（油池）．在此区域内，乳化液中油相的体积分数远比其标称值高，乳化液润滑具有油池润滑的特点     

不同滑滚比下润滑油膜流变特性试验观察与数值模拟

通过在原有的球-盘接触光干涉润滑油膜测量装置上增设摩擦力测量单元,实现了任意滑滚比下油膜厚度和摩擦系数的同步测量与润滑状态的直观识别. 采用FVA3参考油,分析了不同滑滚比、速度和载荷下的摩擦系数变化规律,并结合油膜干涉图明确了润滑状态与热效应机制,推断出摩擦系数曲面在较低速工况存在混合润滑区域;通过采用基于恢复时间的流变模型对FVA3油品的流变润滑进行数值模拟,并与同等工况下的试验结果进行定量对比,两者取得了良好的吻合性,验证了试验测量的准确性和流变模型的适用性.      

接触角滞后与流体动压润滑的相关性研究

理论研究表明不同润湿性界面对流体动压润滑油膜厚度有着显著地影响,一般采用接触角(CA)来表征固液界面润湿性. 而由热力学原理推导出的界面势能垒理论模型不仅与接触角相关,也是接触角滞后(CAH)的函数. 本文作者通过对不同基体材料的滑块进行表面张力修饰,获得了不同亲和性的界面. 利用干涉法及荧光法分别测量了不同润湿性界面的流体动压润滑膜厚及油膜受剪切的流动特性,研究了接触角及接触角滞后两个界面参数对流体动压润滑油膜厚度的影响,并对势能垒与接触角滞后的关系进行了讨论. 结果表明:接触角与流体动压润滑油膜厚度的相关性较差,接触角滞后可以更好地表征界面效应对流体动压润滑油膜厚度的影响.      

球盘点接触区外润滑油分布的试验研究

利用激光激发荧光技术对球-盘弹流接触区附近以及自由表面上的润滑油分布进行了试验观察,探究了离心力作用下接触区附近以及自由表面上润滑油分布的变化规律. 结果表明:随着速度增大,内外两侧油池及自由表面上的油量分布均有所减少,其中外侧油池及自由表面上外侧油带的变化较明显;在一定工况条件下,外侧油池的大小存在极限,因此速度较大时外侧油池宽度对供油量变化不显著,而该极限由离心力作用和毛细力作用共同决定;在离心力作用下,自由表面上的油带有向外侧铺展的趋势,而接触区周围的油池分布对自由表面上的油带分布起决定作用.      

基于荧光漂白成像的润滑油膜剪切流速测量

沿润滑油膜厚度方向的剪切流速分布是影响机械部件润滑性能的重要因素.为此,搭建了基于荧光漂白成像的微间隙油膜剪切流速分布测量平台.通过对漂白区域形状演化过程进行图像分析,获得了微米量级间隙中的PB450和PAO6润滑油膜的剪切速度分布.结果表明:在设定测试条件下,厚度为8.5μm的PB450油膜沿膜厚方向的剪切流速近似为典型的线性分布,而相同厚度下的PAO6油膜流速分布表现为非线性塞流,界面附近油膜黏度较中层显著下降.研究还发现,同一滑动速度下,PAO6剪切流速偏离线性分布的程度随膜厚的降低而增加.经过比对分析,试验结果与流体动压润滑条件下的相关数据吻合.     

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.