四种合成油微动磨损性能比较研究

本文对GCr15钢/45#钢摩擦副在聚醚、合成酯、聚α-烯烃和硅油润滑下的切向微动磨损性能进行了实验研究.结果表明:在微动滑移区,与干摩擦相比,不同合成油润滑下的摩擦系数和磨损降低幅度不同.极性聚醚和合成酯形成的边界吸附膜使微动的摩擦系数比聚α-烯烃和硅油低;硅油表面张力小且黏压系数最低,形成的油膜最薄且更易在摩擦表面微裂纹中渗透,导致较大的稳态摩擦系数和磨损;聚α-烯烃润滑下微动初期形成的白层有助于降低磨损.     

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.     

条状润湿表面对面接触限量润滑油膜的影响研究

利用面接触油膜润滑测量系统,研究了条状润湿表面对有限量供油条件下入口区供油分布及润滑油膜厚度的影响. 对玻璃盘润滑轨道两侧进行疏油化处理,形成中央条状润湿区域,在有限量供油条件下测量不同速度下的油膜厚度. 结果表明在表面力驱动下,润滑油向中央条状亲油区域集中,改善了入口区供油,促进了限量供油条件下的油膜形成. 相对油膜厚度随速度的增加呈“S”型变化,同时研究了润滑油黏度及供油量等工作参数对条状润湿轨道作用的影响.      

几种合成碳氢油的真空摩擦磨损行为研究

利用真空四球摩擦试验机系统考察了聚α-烯烃（PAO40,PAO10）和多烷基化环戊烷（MAC）2类合成碳氢油在空气、真空（压强小于6.0×10-4 Pa）和高纯氮气条件下的摩擦学性能,采用扫描电子显微镜（SEM）和非接触式三维表面轮廓仪观察了钢球摩擦表面的微观形貌,探讨2类合成碳氢油在空气、真空和高纯氮气中的润滑机理.结果表明：在空气中,由于连续的边界氧化膜和润滑油膜的存在,2类合成碳氢油的摩擦系数较低且能保持稳定,磨斑直径较小、磨痕表面光滑平整.在真空和高纯氮气中,由于润滑膜失效和剧烈温升,2类合成碳氢油的摩擦系数较高且剧烈波动,磨斑直径较大、表面可见明显的黏着磨损.     

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.     

粗糙度纹理对有限长线接触混合润滑影响

采用统一Reynolds方程建立有限长线接触混合润滑模型,研究横向、纵向和二维规则表面粗糙度的波长、幅值及工况变化对润滑影响.结果表明:波长、幅值与工况对三种表面粗糙度接触副的润滑影响类似;随着载荷增大,平均膜厚降低,摩擦系数、接触载荷比与接触面积比均增大;随着转速升高,平均膜厚增大,摩擦系数、接触载荷比与面积比均降低,其中摩擦系数随转速进一步增大而小幅升高.在润滑状态转换区域润滑特征参数变化显著,而其他润滑区域变化平缓.沿卷吸速度方向的压力与膜厚波动分布存在相位差,垂直方向则同相位;相同的工况和粗糙度参数时,纵向粗糙度分布更有利于接触润滑.     

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.     

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。     

定量供油下近接触区油池形态试验观察

采用球-盘点接触光干涉润滑油膜测量装置,观察了纯滚条件下近接触区油池形态随供油量和卷吸速度的变化过程. 结果表明,油池在低速、中速和高速下分别呈现出闭合态、半开放态和分离态3种状态. 闭合态油池内气穴长度随卷吸速度增加而增加,且存在使尾部油池分离的临界速度. 气穴区表面张力作用使气穴长度预测值和测量值出现差别;卷吸作用和压差作用是油池变形的原因;供油量和卷吸速度决定了润滑剂的供-失平衡态,影响了油池侧宽的变化趋势.      

特殊供油条件下点接触弹流润滑乏油分析

从实验中观测到的特殊乏油现象出发,提出1种特殊供油条件函数,求出点接触弹性流体动力润滑的完全数值解,定性模拟实验中的特殊乏油现象,并分析供油条件函数中的参数与中心膜厚和最小膜厚的关系.结果表明:供油油膜的两突起导致相应的压力、部分油膜比例和润滑油膜分布中也出现两突起;供油油膜的两突起能够扩大压力区和充分供油区域,能够局部改善润滑效果,但是对中心膜厚和最小膜厚影响很小;供油油量主要影响润滑状态,而供油油膜的形状在不同程度上也会影响润滑状态.     

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.      

自旋对界面滑移弹流油膜的影响

应用旋滑式光干涉弹流薄膜测量系统研究了自旋对界面滑移条件下玻璃盘-钢球形成的反常弹流油膜的影响,通过弹流接触副与玻璃盘旋转中心距离的调节,在弹流润滑中实现不同程度的自旋,即引入不同的旋滑比.结果表明,随着旋滑比的增加,油膜整体厚度减小,油膜形状呈现明显的非对称性,人口凹陷的深度有所减小;最小油膜厚度的速度指数随旋滑比的增加而增加;固定偏心距,随着载荷的增加,最小膜厚先增加后减小,油膜形状的非对称性增强.对上述观察到的试验现象,也进行了相应的理论解释,认为自旋引起的卷吸速度变化及气穴区的不对称是主要诱因.     

固体表面FAS膜转移对面接触油膜润滑影响的试验研究

利用滑块-盘面接触润滑油膜测量系统,在限量供油条件下,研究了滑块表面涂镀的疏油FAS(C₁₃H₁₃F₁₇O₃Si)膜对油膜润滑的影响. 结果表明:部分FAS膜可以透过油膜自发地转移到玻璃盘上;由于FAS转移膜的反润湿作用,玻璃盘面上接触区出口的润滑油膜回流增强;润滑油在玻璃盘润滑轨道上由原来的双侧脊分布转变为离散液滴分布,并向润滑轨道中心区域聚集,增强了入口区供油,油膜厚度增加.      

供油温度对润滑状态影响的试验观察与数值模拟

采用球-盘点接触光干涉润滑油膜测量装置,观察了不同供油温度下的接触区润滑状态.结果表明,随着供油温度的升高,润滑油黏度降低,润滑油成膜能力整体下降,接触区润滑状态在较大速度范围内处于边界润滑和混合润滑区间;温度升高还将导致膜厚曲线斜率增大,壁面温差是其诱因,通过数值模拟证实了壁面温差的影响;速度增加使接触区润滑状态向等黏度-刚性区间转化;温度和载荷使接触区润滑状态趋向于压黏-弹性区间.系统散热也会对油膜厚度产生影响.     

定量定时供油方式下润滑剂分布及润滑状态试验观察

采用球-盘点接触光干涉润滑油膜测量仪,观察定时定量供油方式下润滑剂分布状态和接触区润滑状态.结果表明,相对于以往的油滴单次定量供油方式,定时定量供油可有效改善接触区润滑状态,并分析其内在机制.供油时间是主要影响因素,在供-失平衡状态下供油间隔和卷吸速度对润滑状态的影响较弱.试验还观察到当供油位置偏离滚道中心时,润滑剂的回填量降低,润滑状态变差.     

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.     

吸附膜对热混合润滑性能的影响

为了研究吸附膜的计入对热混合润滑性能的影响,基于平均流量模型,建立考虑吸附膜的非牛顿流体圆接触热混合润滑模型,分析吸附膜的影响,结果表明：表征吸附膜热失效机理的主要参数是油膜中层温度和吸附膜2表面温度;吸附膜对压力分布影响较小,但使油膜厚度减小;存在合适的吸附膜厚度,吸附膜厚度的最优值为100 nm;吸附膜会减小膜厚比、增大载荷比,且吸附膜越厚,膜厚比越小,载荷比越大,这表明吸附膜加重了两表面的接触,但减小了摩擦系数,起到较好的减摩作用.     

离子液体作为钢-聚四氟乙烯润滑剂的摩擦学性能研究

采用微动摩擦磨损试验机考察了不同条件下三种离子液体作为钢/聚四氟乙烯润滑剂的摩擦学性能,并与传统润滑油聚α-烯烃(PAO)及干摩擦条件下的摩擦学性能做了对比.采用扫描电子显微镜(SEM)及X射线光电子能谱仪(XPS)对磨斑表面进行了分析.结果表明:在变载变频试验条件下,三种离子液体与PAO的减摩抗磨性能相当;而在长磨试验条件下,离子液体均表现出优于PAO的摩擦学性能.原因是离子液体分子中的N、P、O等活性元素在摩擦过程中与聚四氟乙烯基底发生了摩擦化学反应,形成了具有润滑作用的化合物边界润滑膜,有效抑制了摩擦副的直接接触,而且该润滑膜的性能优于PAO润滑下形成的保护膜,从而使离子液体表现出优于PAO的摩擦学性能.     

滑滚条件下定量润滑状态与润滑剂回填效应试验观察

采用球-盘点接触光干涉油膜与摩擦力测量装置观察了滑滚条件下接触区润滑状态与润滑剂回填效应. 结果显示,在定量供油和恒定滑滚比下,不同供油量使接触区呈现出从边界润滑状态向弹流润滑状态的不同转化趋势,非接触回填机制是其诱因;在恒定卷吸速度下,随着滑滚比从负值向正值变化,入口距离减小、乏油宽度增加,接触区两表面润滑剂回填时间的差别是其主要原因;完全乏油条件下,接触回填机制对局部润滑油膜建立发挥明显作用.      

啮入冲击对直齿轮弹流润滑的影响

考虑齿轮啮入冲击载荷,曲率半径、卷吸速度沿啮合线随时间的变化以及温度场的影响,用非牛顿流体的Ree-Erying润滑模型,利用多重网格法模拟了轮齿从啮入到啮出整个时间历程中油膜压力、膜厚和温度分布的变化,对比分析了啮入冲击载荷与平稳载荷对渐开线直齿轮时变非牛顿热弹流润滑结果的影响.数值结果表明,啮入冲击载荷只对啮入初始阶段的油膜压力、膜厚、温度有很大影响,最小膜厚和最大压力都发生在冲击载荷的最大峰值载荷时刻,所以齿轮的啮入冲击对齿轮保持良好的润滑状态是不利的.