許成，張鵬偉，李健鋒，陳卓烈，黃鈺期

(1.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261001；2.浙江大學能源工程學院，動力機械及車輛工程研究所，浙江 杭州 310027)

在機械運行過程中，潤滑能顯著減少傳動副之間的阻力，在節(jié)約能源的同時提升機器的使用壽命。但摩擦本身是一種做功的過程，這個過程往往伴隨著溫度的上升，進一步影響潤滑油的物理屬性，從而對潤滑行為產(chǎn)生影響。

在以往旋轉(zhuǎn)機械摩擦及潤滑的相關研究中，大多僅考慮試樣或零件本身因摩擦而產(chǎn)生的發(fā)熱升溫問題，并以此為基礎提出散熱方案，而對零件受外界加熱的情況研究較少。但是，也有一些特殊的摩擦副，除本身的摩擦生熱外，還受到工作環(huán)境中的熱源加熱，外部熱流導致的潤滑油溫度升高，可能對潤滑狀態(tài)產(chǎn)生其他影響。這些影響可能在以往針對傳統(tǒng)摩擦潤滑油膜的理論研究中被忽略，因此需要開展一些基礎性的研究和探索工作，了解熱源影響下的油膜形態(tài)特征及變化規(guī)律，為仿真計算分析提供參考和對比。

為了使?jié)櫥驮跈C械設備中起到更好的潤滑作用，常需要通過摩擦潤滑試驗來進行研究。潤滑試驗中的主要測量對象為潤滑油膜本身，包括油膜的厚度、形狀、壓力、溫度、摩擦力和流變測量等。由于油膜厚度是表征潤滑狀態(tài)和潤滑有效程度最直接的指標，因此油膜厚度的測量是試驗研究最重要的方面之一[1]。從20世紀50年代起，為了精確測量油膜厚度，很多技術和方法應運而生，并在之后得到了極大的發(fā)展。

潤滑油膜厚度的測量要求高分辨率與高精度、大的測量范圍與普適性、高效率與易操作、高穩(wěn)定性與抗干擾。潤滑油膜厚度可通過電量、光程、聲波等信號變換得到[2]。學者們研究了以下油膜厚度測量方法：電阻法[3]、放電電壓法、電容法[4-5]、電容分壓法、阻容振蕩法、光干涉法[6]、X射線法、激光衍射法、激光熒光誘導法[7]、磁阻法、應變儀法、超聲波法[8-9]等。其中，光干涉法測量是通過接觸處潤滑油膜上下兩物體所反射的光線形成干涉,根據(jù)干涉條紋的級數(shù)變化確定油膜厚度。盡管因要求接觸副必須透光而受到限制，但到目前為止，光干涉法在基礎研究領域仍具有以下十分顯著的優(yōu)勢：1) 可觀測到兩摩擦副之間的油膜形狀分布；2) 能完成非穩(wěn)態(tài)工況下瞬態(tài)油膜厚度和形狀的觀測；3) 測量精度高達 1 nm。由于光干涉法的高精度、可視化，其被廣泛應用于油膜潤滑測量領域，特別是基礎研究領域。因此，為了兼顧油膜厚度和油膜形態(tài)的可視化觀測，本研究選用雙光束干涉法對油膜厚度進行測量。通過簡化摩擦副的構造和運動，設計線接觸摩擦副，制造外部熱環(huán)境并對其加以嚴格的控制，同時探究潤滑過程受速度、溫度等參數(shù)的影響規(guī)律及其變化，以期對潤滑理論模型進行一定程度的補充，并為理論分析與仿真模擬提供驗證依據(jù)。

1 試驗裝置設計

根據(jù)研究目標和研究內(nèi)容，設計如圖1 所示的摩擦試驗臺。根據(jù)各個系統(tǒng)功能的不同，將其分為旋轉(zhuǎn)機構、加熱機構和測量系統(tǒng)3個子系統(tǒng)。

圖1 可視化摩擦潤滑試驗裝置系統(tǒng)簡圖

旋轉(zhuǎn)機構主要負責產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)摩擦，其中包括驅(qū)動旋轉(zhuǎn)的動力源，受動力源驅(qū)動旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)主軸，進行摩擦的摩擦副，以及對摩擦進行潤滑的供油裝置。該機構以摩擦副為核心，動力源負責驅(qū)動摩擦副運動，供油裝置負責對摩擦副進行潤滑。為此將摩擦副設計成圓柱面，并將摩擦副和主軸分離，即設計一個獨立的、安裝在旋轉(zhuǎn)主軸上的摩擦套筒，該套筒是整套試驗裝置的核心部分(見圖2)。

圖2 摩擦軸及套筒設計圖

對于加熱機構，其功能是對摩擦套筒進行加熱，通過在摩擦套筒中內(nèi)嵌加熱棒來實現(xiàn)(見圖3)。加熱棒插入安裝孔后，縫隙用導熱硅膠填滿；埋入熱電偶后，對摩擦套筒表面進行精車拋光處理。

圖3 加熱棒及熱電偶位置示意

測量系統(tǒng)同樣以摩擦副為核心，根據(jù)加熱方案和測量方案的選型，將靜止的外部設備與運動的摩擦副之間進行連接(見圖4)。

圖4 測量系統(tǒng)示意

由于油膜出現(xiàn)在摩擦套筒和K9光學玻璃之間，故而摩擦套筒表面可能由于旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性因素或加工誤差而出現(xiàn)上下波動，這將直接影響對油膜厚度的測量，從而增加數(shù)據(jù)的誤差。因此，旋轉(zhuǎn)軸采用動平衡處理，具備一定的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，使摩擦套筒上下波動誤差不至對油膜厚度產(chǎn)生可觀測的影響。

2 試驗測量

如圖5所示，從激光器發(fā)射出來的兩束光經(jīng)由分光鏡后，分別在玻璃底面和摩擦軸表面進行反射，由于光程差的存在，兩束反射光在傳播中相遇時會相互干涉，形成穩(wěn)定的、明暗相間的干涉條紋。雖然激光器發(fā)出的光實際上并不是平行光，而是發(fā)散角極小的發(fā)散光，所以其實大多數(shù)光線是斜射入K9玻璃盤以及摩擦軸表面，但是形成的干涉條紋和平行光形成干涉條紋的原理是一致的。

圖5 光干涉系統(tǒng)及原理圖

假設匯聚點光強為

(1)

式中：I1，I2分別為兩束光的光強；kΔ為相位差，k=2π/λ，λ為光在傳播介質(zhì)中的波長。由于周圍介質(zhì)折射率一致，所以兩個表面的反射光中有一支發(fā)生“半波損失”，應當再考慮由反射引起的附加光程差λ/2，此時

(2)

式中：θ2為光從玻璃進入油膜時的折射角；h為油膜厚度；n為油膜的折射率。

設中心條紋干涉級為m0，則

(3)

m0不一定是整數(shù)，即中心不一定是最亮點，它可以寫成

m0=m1+q。

(4)

式中：q為小于1的分數(shù)。

從中心向外數(shù)，第N個亮條紋的干涉級表示為[m1-(N-1)]，其角半徑記為θ1N(條紋半徑對透鏡中心的張角)，與其相應的θ2N滿足

(5)

式(1)與式(2)相減得

2nh(1-cosθ2N)=(N-1+q)λ。

(6)

這樣就得到了油膜厚度和條紋半徑對透鏡中心張角之間的對應關系。設條紋半徑為r，tanθ2N=r/f，f為透鏡焦距(條紋成像在焦平面處)，將角度轉(zhuǎn)化為長度，以便于測量[10]。

3 試驗結果及數(shù)據(jù)分析

圖6 干涉條紋原圖

首先固定摩擦軸轉(zhuǎn)速為300 r/min，在常溫無載荷條件下開展油膜厚度測試，獲得如圖6所示干涉條紋。按照標度在軸反射光中心線上取3 cm半徑內(nèi)條紋數(shù)目，得到條紋數(shù)N1=25。考慮到潤滑油的折射率n=1.55，激光波長λ=600 nm，q取0，30 mm對應的θ值代入2nh(1-cosθ2N)=(N-1+q)λ，計算出對應厚度為h1=22 μm，以此作為油膜基本厚度。計算出的油膜厚度與相關理論研究及試驗研究中的油膜厚度值基本相符。圖6中條紋對比度不高，主要原因是軸的反射率低于玻璃盤反射面的反射率，最終導致測量出的條紋對比度較低。

在基準油膜的基礎上，分別調(diào)節(jié)摩擦軸轉(zhuǎn)速和潤滑油溫度，測量相應油膜厚度，獲得固定轉(zhuǎn)速下溫度與油膜厚度和摩擦力的關系，以及固定溫度下轉(zhuǎn)速與油膜厚度及摩擦力之間的關系。

當摩擦軸轉(zhuǎn)速固定不變時，隨著潤滑油溫度的不斷升高，油膜厚度持續(xù)下降(見圖7)。當轉(zhuǎn)速低于400 r/min時，油膜厚度隨轉(zhuǎn)速增加呈持續(xù)升高趨勢；而當轉(zhuǎn)速超過400 r/min后，油膜厚度基本保持穩(wěn)定(見圖8)。這些現(xiàn)象表明，在熱源影響下，潤滑油溫度的變化會顯著影響油膜厚度，最終導致潤滑效果變差；而轉(zhuǎn)速的提升在一定范圍內(nèi)有助于增加油膜厚度，保持良好的潤滑狀態(tài)。

圖8 油膜厚度和旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的關系

為觀測油膜形狀，使用單反相機進行拍攝，并對圖像進行處理，獲得圖9所示油膜氣穴形態(tài)。從圖中可見，雖然摩擦軸與玻璃均水平放置并均勻加載，但氣穴形態(tài)及拖尾長度并非完全相等，油膜中心位置拖尾相對較長，氣穴寬度較寬；而兩端拖尾較短，且氣穴更密。這可能是由于噴油點靠近摩擦中心位置，使壓力、溫度分布存在一定差異；中心油膜溫度更高，且壓力更大，而兩側區(qū)域散熱強，油溫較低，從而出現(xiàn)短而窄的氣穴。

圖9 油膜氣穴形態(tài)

通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速發(fā)現(xiàn)，在相同溫度范圍下，隨著轉(zhuǎn)速的升高，氣穴形態(tài)有顯著變化，并且出現(xiàn)拖尾結構(見圖10)。但轉(zhuǎn)速持續(xù)升高后，在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，氣穴形態(tài)變化較小，這一發(fā)現(xiàn)可為仿真計算時使用的氣穴模型提供修正和參考。

圖10 油膜氣穴及拖尾形狀

4 誤差分析

通過對試驗步驟以及試驗過程進行分析總結，發(fā)現(xiàn)試驗的誤差主要來自如下幾個方面：

1) 光干涉法估算油膜厚度時的測量誤差

光干涉法根據(jù)激光器發(fā)出的高頻激光經(jīng)過多次反射后在光屏上形成干涉條紋的數(shù)目來估算油膜厚度，但是由于中心部分的條紋十分密集，并且對比度不高，因此想在測量中準確地讀取干涉條紋的數(shù)目十分困難。不同測量者或者同一測量者在每次測量過程中觀察到的干涉條紋的情況不盡相同，條紋的數(shù)目統(tǒng)計存在差異，造成測量誤差。

由于激光位移傳感器的油膜厚度測量也依賴于光干涉法所測量的初始厚度情況，因此該誤差會對后續(xù)的油膜厚度測量造成一定的影響。

2) 摩擦盤的振動

試驗臺通過一定的載荷加載使摩擦盤與摩擦軸緊貼，但由于摩擦軸呈高速旋轉(zhuǎn)運動，會使摩擦盤產(chǎn)生上下振動，在轉(zhuǎn)速較低時，振動影響不大，但在增大轉(zhuǎn)速的過程中，該影響會逐漸顯現(xiàn)出來，最終影響油膜厚度的測量結果。

總的來說，本試驗臺已滿足試驗要求，但還存在一定的優(yōu)化空間，在后續(xù)試驗過程中，通過優(yōu)化測量方案和試驗裝置，可以得到更為準確可靠的試驗數(shù)據(jù)。

5 結束語

本研究利用基于光學原理的光干涉法測量油膜厚度，根據(jù)干涉條紋計算不同轉(zhuǎn)速、油溫下的油膜厚度及變化特性，并利用單反相機觀測油膜氣穴形態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，當需要對油膜形態(tài)進行可視化研究時，光干涉法可作為一種可靠的油膜厚度測試手段。由測試結果發(fā)現(xiàn)，潤滑油厚度隨油溫升高而不斷下降，當油溫超過70 ℃時，局部油膜厚度可能低于10 μm，將引起潤滑狀態(tài)變差；而在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)(小于400 r/min)，潤滑油厚度隨轉(zhuǎn)速升高而增大，但當轉(zhuǎn)速超過一定范圍后，再提高轉(zhuǎn)速也不會引起油膜厚度的明顯變化。

在線摩擦中明顯存在氣穴，并可被相機捕捉，但是由于摩擦軸具有一定寬度，受噴油和溫度影響，在摩擦面上氣穴并非均勻分布，中間位置的氣穴拖尾較長，且氣穴更大。當轉(zhuǎn)速升高時，氣穴形態(tài)從寬扁型向細長型轉(zhuǎn)變，而外部熱流的施加容易破壞氣穴形態(tài)，使油膜趨于紊亂并難以辨認。