(青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 山東青島 266520)

在實際應(yīng)用中，絕大多數(shù)的機(jī)械零部件是處于非穩(wěn)態(tài)彈流潤滑狀態(tài)。在制動情況下，動壓效應(yīng)與擠壓效應(yīng)對油膜形狀與厚度大小有較大的影響。目前已有多位國內(nèi)外研究者對制動條件下彈流油膜的變化進(jìn)行了研究。1988年，AI和YU等[1]發(fā)現(xiàn)急停之后，在等溫線接觸彈流潤滑問題中，擠壓效應(yīng)作用下封閉在接觸區(qū)內(nèi)的潤滑油可以停留相當(dāng)長的時間。GLOVNEA等[2-4]對啟動與制動條件下的彈流油膜變化進(jìn)行了研究，他們將急停過程分為2個階段，即速度急劇減小的過程和速度為0的過程，并研究了速度、加速度、載荷、黏度等對油膜厚度的影響。2007年，宋懷文[5]對等溫牛頓流體橢圓接觸急停問題進(jìn)行了動態(tài)彈流潤滑分析，發(fā)現(xiàn)在一定載荷作用下大部分潤滑油很快會被擠出接觸區(qū)。王鵬等人[6]采用光干涉方法實驗研究了急停沖擊對滾子副油膜變化的影響，并使用數(shù)值分析方法對急停過程進(jìn)行了分析。

2000—2001年，YANG等[7-9]使用理論分析驗證了KANETA等[10-11]在光干涉實驗中發(fā)現(xiàn)的表面凹陷現(xiàn)象，并通過“溫度-黏度楔”效應(yīng)解釋了該現(xiàn)象。王珊珊等[12]實驗研究了點接觸條件下在急停過程中，“溫度-黏度楔”凹陷向純擠壓凹陷的轉(zhuǎn)化過程。本文作者將王珊珊等[12]的實驗擴(kuò)展到橢圓接觸，采用黏度較高的潤滑油，以有利于形成“溫度-黏度楔”凹陷，研究在急停作用下，該凹陷向純擠壓凹陷的轉(zhuǎn)變過程。

1 實驗部分

實驗在滾子-盤光干涉試驗機(jī)上進(jìn)行，實驗裝置如圖1所示。實驗時冕盤K9玻璃盤與被固定在下夾具中的鋼滾子(如圖2所示)形成接觸。玻璃盤直徑為150 mm，與鋼滾子接觸的一面鍍有厚度為20 nm的鉻膜。鋼滾子與玻璃盤的參數(shù)如表1所示。為了獲得清晰的光干涉條紋，實驗前將滾子進(jìn)行拋光。實驗研究純滑動橢圓接觸條件下急停對油膜變化的影響，即滾子固定不動，玻璃盤做純滑動，然后突然停止，觀察急停后的膜厚變化情況。實驗環(huán)境溫度為24 ℃。

圖1 實驗臺照片

圖2 鋼滾子尺寸圖

表1滾子和玻璃盤性能

Table1Propertiesofthesphericalsteelrollerandtheglassdisc

實驗中所使用的潤滑油為聚丁烯PB950，其性能參數(shù)如表2所示。PB950具有很高的黏度，在玻璃盤做純滑動時，如果速度適中，接觸區(qū)中很容易形成“溫度-黏度楔”凹陷。實驗后油膜厚度由實驗室自行開發(fā)的DIIM軟件測量。

表2 PB950潤滑油性能參數(shù)

實驗過程中，將觀察到減速現(xiàn)象的前一幀圖像作為急停的開始，即t=0。通過改變載荷和玻璃盤速度來研究油膜變化過程。

2 實驗結(jié)果和討論

2.1 不同載荷條件下急停過程的實驗結(jié)果分析

圖3給出了載荷為50 N，玻璃盤滑動速度ud=0.03 m/s條件下的光干涉圖像及對應(yīng)的油膜中截面曲線圖。圖3(a)所示為t=0時的結(jié)果，圖3(b)—(f)為急停條件下速度急劇降低為0階段的圖像，圖3(g)—(i)為速度為0階段的圖像。在圖3(a)所示的光干涉圖中并沒有形成凹陷油膜，這是因為PB950的黏度比較大，在接觸區(qū)中形成了較厚的彈流油膜，此時因為彈流潤滑狀態(tài)更接近于流體動壓潤滑，兩接觸固體的彈性變形較小。孟祥華[13]通過純滑動光干涉實驗、張彬彬[14]通過兩表面作零卷吸運(yùn)動的數(shù)值分析，指出“溫度-黏度楔”凹陷的發(fā)生，既與潤滑油的高黏度有關(guān)，又與運(yùn)動條件即純滑動或反向滑動有關(guān)，還與兩接觸表面的彈性變形有關(guān)。如果沒有彈性變形的發(fā)生，即使是使用高黏度的潤滑油，在玻璃盤純滑動或者鋼-鋼反向滑動時，也不會出現(xiàn)“溫度-黏度楔”凹陷。在急停50 ms后，即圖3(e)中形成了明顯的油膜凹陷，在t=83 ms左右，該凹陷移動到接觸區(qū)中心，如圖3(g)所示。在急停過程中，速度的減小降低了流體動壓效應(yīng)，因此在圖3(b)—(d)中可看到接觸區(qū)中油膜厚度的降低，兩固體接觸表面的彈性變形增加。在急停的最后階段，如圖3(e)、(f)所示，左側(cè)出口頸縮之前已出現(xiàn)了一個明顯的“溫度-黏度楔”凹陷，在圖3(g)、(h)中，雖然玻璃盤表面速度為0，但是凹陷仍繼續(xù)向左移動，在圖3(i)中已處于接觸區(qū)中心位置，造成左側(cè)原出口頸縮基本消失，僅在沿橢圓長軸方向保留了2個“耳垂”。在此過程中，油膜厚度逐漸降低，原因是接觸區(qū)中的潤滑油逐漸向壓力為0的接觸區(qū)外排出。凹陷的變化體現(xiàn)為整體膜厚的降低、面積的擴(kuò)大和長度的伸長。此時擠壓效應(yīng)占主導(dǎo)地位，油膜凹陷主要由擠壓作用形成。此后，隨著時間的延長，凹陷變長，接觸區(qū)整體膜厚進(jìn)一步降低。

圖3 光干涉圖像和中截面油膜曲線(w=50 N,ud=0.03 m/s)

圖4給出了在載荷80 N、盤速0.03 m/s工況下的油膜光干涉圖像與中截面曲線，可看出油膜變化的整體趨勢與圖3一致。由于載荷的增加，圖4(a)中急停前兩表面的彈性變形要大于圖3(a)中的彈性變形；在急停16 ms后，即圖4(c)中形成了明顯的油膜凹陷，在58 ms左右，該凹陷移動到接觸區(qū)中心，如圖4(f)所示。與圖3相比，該凹陷到達(dá)接觸區(qū)中心的時間變短。在凹陷油膜到達(dá)接觸區(qū)后由于載荷較大，擠壓效應(yīng)較強(qiáng)，封油量明顯增加，中心凹陷處的油膜厚度要大于圖3中對應(yīng)時刻的油膜厚度。圖4中，急停后隨著時間的增加，接觸區(qū)潤滑油逐漸向四周排出，整體油膜厚度下降趨勢與圖3一致。

圖4 光干涉圖像和油膜曲線(w=80 N,ud=0.03 m/s)

圖5所示為載荷分別為50 N與80 N，玻璃盤速為0.03 m/s時中心膜厚隨時間的變化。可以看出，2種載荷下在250 ms之前的油膜厚度變化較快，主要因為速度的降低導(dǎo)致動壓效應(yīng)減小。隨著凹陷油膜向接觸區(qū)中心移動，中心膜厚會有小幅度的升高，在擠壓效應(yīng)的作用下，中心膜厚會急劇下降。在進(jìn)入恒載荷純擠壓階段之后，中心油膜厚度變化較為平緩。

圖5 不同載荷下中心膜厚對比(ud=0.03 m/s)

2.2 不同速度條件下急停過程的實驗結(jié)果分析

在載荷為80 N條件下，分別研究玻璃盤速度為0.02、0.01 m/s工況下急停過程的膜厚變化。圖6給出的是載荷為80 N，玻璃盤速度為0.02 m/s工況下的光干涉圖及中截面膜厚曲線圖。在純滑動的穩(wěn)態(tài)過程中，由于卷吸速度適中，載荷又比較大，接觸區(qū)已有明顯的半橢圓形狀的“溫度-黏度楔”凹陷存在(如圖6(a)所示)。急停之后，該凹陷也逐漸向接觸區(qū)中心移動，同時面積增大，長度變長，整體油膜厚度下降。

圖6 光干涉圖像和油膜曲線(w=80 N，ud=0.02 m/s)

圖7所示為載荷為80 N，玻璃盤速度為0.01 m/s工況下的光干涉圖與中截面膜厚曲線圖，在圖7(a)中，接觸區(qū)中存在3個凹陷，一個是靠近接觸區(qū)中央的長凹陷，另外兩個是沿橢圓長軸方向的小凹陷，像兩只眼睛。這種低速條件下出現(xiàn)的3凹陷現(xiàn)象與YANG等[15]的發(fā)現(xiàn)吻合。在速度降為0的過程中，2個眼狀凹陷首先消失，但長凹陷面積基本不變(如圖7(b)—(d)所示)。隨后，長凹陷的面積增加，長凹陷中心形狀基本一致。隨純擠壓作用的延長，油膜整體厚度下降，接觸區(qū)中潤滑油不斷向周圍泄漏，油膜凹陷變?yōu)榧償D壓凹陷。

圖7 光干涉圖像和中截面油膜曲線(w=80 N,ud=0.01 m/s)

圖8給出的是載荷為80 N，3種玻璃盤速條件下最小膜厚隨時間的變化曲線，可以看出，速度越大，初始膜厚越高，但是在速度急劇下降過程中的最低膜厚減小速度均很快。

圖8 3種速度條件最小膜厚的變化曲線(w=80 N)

3 結(jié)論

通過實驗研究橢圓接觸在滾子-盤實驗臺上急停過程中的彈流潤滑現(xiàn)象，得到以下結(jié)論：

(1)載荷增加時，中心膜厚在急停初始階段會有所升高隨后急劇下降，油膜形狀變化的整體趨勢沒變，接觸區(qū)內(nèi)封油量增加，“溫度-黏度楔”凹陷出現(xiàn)的時間與凹陷到達(dá)接觸區(qū)中心的時間均變短。

(2)速度不同時，急停過程中“溫度-黏度楔”凹陷的產(chǎn)生過程不同，但都會向接觸區(qū)中心移動。速度增加時，在速度急劇降低為0的階段，初始油膜厚度高，油膜厚度下降較快；在速度為0的恒載荷純擠壓階段，油膜厚度下降均較慢。