謝偉東 張 銳 韓一鳴 王 靜

(1.東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 上海 201620； 2.中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所，固體潤滑國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 甘肅蘭州 730000)

零卷吸是工程中常見的較為惡劣的工況，即兩表面速度大小相等、方向相反，滑滾比為無窮。零卷吸工況常見于無保持架滾珠軸承、滾珠蝸桿、滾珠絲杠、滾珠升降臺等部件的相鄰滾子之間。零卷吸工況下兩表面間承載油膜厚度依賴于表面速度和載荷，受“溫度-黏度楔”效應(yīng)[1-2]所控制。在低速條件下接近干接觸，易造成磨損。

工程實(shí)際中，大多數(shù)的運(yùn)動副都要承受沖擊載荷。沖擊載荷隨時間的劇烈變化，導(dǎo)致溫度、壓力和潤滑油黏度等的劇烈變化，并引起金屬亞表層內(nèi)的交變應(yīng)力，從而影響潤滑的可靠性，嚴(yán)重時會造成疲勞磨損失效。1951年，CAMERON[3-4]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鋼盤和銅盤在零卷吸的條件仍具有承載力，并通過數(shù)值分析研究了零卷吸條件下的成膜機(jī)制，認(rèn)為零卷吸下的油膜成膜原因是兩接觸表面熱物性不同，膜厚運(yùn)動方向上存在溫度和黏度差異，并且提出了“黏度楔”機(jī)制。DYSON和WILSON[5]發(fā)現(xiàn)膜厚隨著載荷的增加而增加。楊沛然和常秋英[1-2]數(shù)值模擬了線接觸零卷吸熱彈流問題，使用“溫度-黏度楔”機(jī)制成功解釋了在零卷吸過程中成膜原因。ZHANG等[6-7]建立Eyring流體模型并采用多重網(wǎng)格方法進(jìn)行了數(shù)值模擬，探究了表面速度逐漸降低過程中，油膜形狀由經(jīng)典大凹陷向中央小凹陷轉(zhuǎn)化并逐漸消失的過程，指出熱效應(yīng)是維持零卷吸工況下有效油膜的決定性因素。金旭陽[8]通過球-盤點(diǎn)接觸探究了往復(fù)運(yùn)動形式、載荷、沖程與最大表面速度對表面凹陷與油膜形狀的影響。朱建榮等[9]研究認(rèn)為零卷吸往復(fù)運(yùn)動條件下的油膜分布受表面速度和乏油的影響。也有很多學(xué)者從邊界滑移等方面來進(jìn)行相關(guān)研究。ZHAO和WONG等[10-11]提出了一種使用邊界滑移促進(jìn)零卷吸速度(ZEV)接觸的流體動力潤滑的新思路，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該想法，從而設(shè)計(jì)出一種包含交替滑動和不滑動滾動體的新型無保持架軸承，新軸承能在更寬的速度范圍內(nèi)運(yùn)行。MENG等[12]同時研究了滾動/滑動接觸中邊界速度滑移和熱滑移對油膜厚度的影響。結(jié)果表明，在純滾動接觸條件下，速度滑移使油膜厚度減小，而在ZEV接觸條件下，速度滑移和熱滑移使油膜沿滑動方向形成移動的凹陷。

以上關(guān)于零卷吸彈流潤滑問題的研究，不管是采用實(shí)驗(yàn)手段還是數(shù)值分析方法，都是研究的載荷恒定的問題。在工程實(shí)際中，變載問題是比較常見的。純擠壓問題是一種典型的變載問題，歷年來研究者比較多。例如KANETA等[13]通過數(shù)值計(jì)算模擬了實(shí)驗(yàn)中觀察到的兩類純擠壓凹陷現(xiàn)象。滾-滑工況下的沖擊載荷問題也有學(xué)者研究，如張彬彬和王靜[14]采用二階差分格式離散Reynolds方程和能量方程中的一階微分項(xiàng)，可以較精確地模擬油膜中壓力、膜厚和溫升的變化。但零卷吸工況下變載的影響尚未見報道。

本文作者采用PAO100潤滑油，在球-盤光彈流試驗(yàn)機(jī)上探究零卷吸條件下，在加載過程中潤滑油膜分布和膜厚的變化情況。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料

實(shí)驗(yàn)在球-盤光干涉試驗(yàn)臺上進(jìn)行。鋼球直徑為25.4 mm，材料為GCr15鋼，藍(lán)寶石玻璃盤直徑為150 mm，盤與鋼球接觸表面的鍍鉻層厚度為20 nm。鋼球和藍(lán)寶石的物性參數(shù)如表1所示。環(huán)境溫度為(24±0.5)℃，環(huán)境濕度為60%±5%。圖1和圖2分別給出了球-盤光彈流試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖。實(shí)驗(yàn)機(jī)由驅(qū)動裝置、運(yùn)動控制裝置、圖像采集裝置和機(jī)械本體等組成，其中驅(qū)動裝置包括球驅(qū)、盤驅(qū)和加載驅(qū)動。在充分供油情況下采集到的光干涉圖片，使用基于雙色光干涉強(qiáng)度調(diào)制技術(shù)[15]開發(fā)的DIIM軟件處理，可獲得中截面油膜曲線圖。所采用的PAO100潤滑油的性能參數(shù)如表2所示。

表1 鋼球和藍(lán)寶石盤的參數(shù)Table 1 Properties of the steel ball and sapphire disc

圖1 球-盤試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic of the ball-disk test rig

圖2 球-盤接觸照片F(xiàn)ig.2 Photo of the ball-disc contact

表2 PAO100油參數(shù)Table 2 PAO100 oil properties

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 穩(wěn)態(tài)零卷吸

在穩(wěn)態(tài)條件下采集了載荷分別為30、60和90 N，表面速度分別為0.2、0.3、0.4 m/s下的光干涉油膜圖像，并測量得到了沿卷吸速度方向的中截面油膜曲線，如圖3所示。ZHANG等[6-7]指出隨著表面速度的降低，經(jīng)典中央大凹陷會轉(zhuǎn)化成中央小凹陷。中央凹陷是由“溫度-黏度楔”效應(yīng)的減弱所導(dǎo)致，中央凹陷膜厚較高，兩側(cè)膜厚較低。圖3中結(jié)果與ZHANG等[6-7]的結(jié)論一致。隨著載荷和速度的增加，接觸區(qū)中的凹陷變大變深。大凹陷和中央小凹陷都是由“溫度-黏度楔”效應(yīng)控制。需要指出的是，在速度為0.2 m/s條件下，接觸區(qū)內(nèi)，中央凹陷四周的油膜已經(jīng)接近于邊界潤滑狀態(tài)，顯示潤滑工況已經(jīng)比較惡劣。

圖3 點(diǎn)接觸穩(wěn)態(tài)零卷吸油膜干涉圖Fig.3 Point contact steady-state zero entrainment oil film interference diagram

2.2 加載的影響

圖4所示為在v=0.2 m/s，Δt=0.375 s的時間內(nèi)載荷由5 N增加為90 N過程中的油膜光干涉圖像和對應(yīng)的中截面膜厚曲線圖。

圖4 光干涉圖像和中截面油膜曲線(PAO100,v=0.2 m/s,wmax=90 N,Δt=0.375 s)Fig.4 Optical interference image and middle section oil film curves(PAO100,v=0.2 m/s,wmax=90 N,Δt=0.375 s): (a)t=0；(b)t=Δt/12；(c)t=Δt/6；(d)t=Δt/4；(e)t=Δt/3；(f)t=5Δt/12；(g)t=Δt/2； (h)t=7Δt/12；(i)t=2Δt/3；(j)t=3Δt/4；(k)t=5Δt/6；(l)t=Δt

圖4(a)為加載開始瞬時，左側(cè)為邊界潤滑，右側(cè)為全膜潤滑，玻璃盤表面已經(jīng)形成了多條劃痕。從圖4(a)—(e)中可看出，雖然載荷從5 N增加到了30 N，但是膜厚的變化比較輕微，在圖4(e)中，接觸區(qū)左側(cè)仍為邊界潤滑，膜厚極薄，而在接觸區(qū)右側(cè)的油膜厚度要遠(yuǎn)小于圖1中速度為0.2 m/s、載荷為30 N的穩(wěn)態(tài)工況下的油膜厚度。在圖4(h)中，油膜厚度變深。在圖4(i)中，其凹陷深度同樣小于圖3中速度為0.2 m/s、載荷為60 N的穩(wěn)態(tài)工況下的油膜凹陷深度。由圖4(l)可看出，當(dāng)鋼球和玻璃盤之間的載荷達(dá)到90 N時，一個小的中央凹陷已經(jīng)形成，而且凹陷形狀和深度均與圖3中速度為0.2 m/s、載荷為90 N下的接觸區(qū)凹陷一致。并且從圖4(a)—(l)中油膜的演化可知，凹陷位置隨載荷的變化是不固定的，具體規(guī)律暫不明確。

圖5所示為在v=0.3 m/s，Δt=0.375 s的時間內(nèi)載荷由5 N增加為90 N過程中點(diǎn)接觸油膜光干涉圖像和與之對應(yīng)中截面曲線圖。

圖5 光干涉圖像和中截面油膜曲線(PAO100,v=0.3 m/s,wmax=90 N,Δt=0.375 s)Fig.5 Optical interference image and middle section oil film curves(PAO100,v=0.3 m/s,wmax=90 N,Δt=0.375 s): (a)t=0；(b)t=Δt/12；(c)t=Δt/6；(d)t=Δt/4；(e)t=Δt/3；(f)t=5Δt/12；(g)t=Δt/2； (h)t=7Δt/12；(i)t=2Δt/3；(j)t=3Δt/4；(k)t=5Δt/6；(l)t=Δt

在圖5(a)中，邊界潤滑膜區(qū)域面積減小，流體膜區(qū)域面積增加。在圖5(b)中，流體膜區(qū)域面積進(jìn)一步增大。隨著載荷進(jìn)一步加大，如圖5(c)所示，油潤滑區(qū)域面積進(jìn)一步增加，但油膜厚度變化不大。在圖5(d)中，在接觸區(qū)中出現(xiàn)了一個橢圓形的凹陷。載荷增加，凹陷的位置也發(fā)生了偏移，如圖5(e)所示。在圖5(f)中，此時已經(jīng)形成了穩(wěn)定的長條形的橢圓形凹陷，最小油膜厚度相較于圖5(e)中略有降低。圖5(g)—(l)表明，隨載荷的增加，“溫度-黏度楔”效應(yīng)增強(qiáng)，凹陷油膜增大，深度增加。圖5(l)表明，載荷為90 N時，最小油膜厚度達(dá)40 nm，維持了良好的潤滑狀態(tài)。從圖5(e)、(i)、(l)可看出，其凹陷形狀和深度分別與圖3中對應(yīng)條件下的穩(wěn)態(tài)凹陷一致，顯示速度的影響更為直接。

圖6所示為在v=0.4 m/s，Δt=0.375 s的時間內(nèi)載荷由5 N增加為90 N過程中點(diǎn)接觸油膜光干涉圖像和與之對應(yīng)中截面曲線圖。相比于低速情況下，圖6中的凹陷油膜出現(xiàn)的時間要早，凹陷也更深。圖6(e)、(i)、(l)中的油膜凹陷分別與圖3中相同條件下的穩(wěn)態(tài)油膜凹陷形狀類似，但深度略淺。

圖6 光干涉圖像和中截面油膜曲線(PAO100,v=0.4 m/s,wmax=90 N,Δt=0.375 s)Fig.6 Optical interference image and middle section oil film curves(PAO100,v=0.4 m/s,wmax=90 N,Δt=0.375 s): (a)t=0；(b)t=Δt/12；(c)t=Δt/6；(d)t=Δt/4；(e)t=Δt/3；(f)t=5Δt/12；(g)t=Δt/2； (h)t=7Δt/12；(i)t=2Δt/3；(j)t=3Δt/4；(k)t=5Δt/6；(l)t=Δt

圖7所示為在加載的周期內(nèi)，3種表面速度下的最小油膜厚和接觸區(qū)內(nèi)油膜最大厚度的變化曲線。3種載荷下的最小膜厚變化趨勢大體相同，在0瞬時，膜厚趨于最小;隨著載荷的不斷提高，在5Δt/12～7Δt/12時膜厚達(dá)到峰值;隨后載荷增加，最小油膜厚度略有降低，保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)。最小膜厚的波動在于加載過程中凹陷的位置發(fā)生變化，導(dǎo)致最小膜厚的位置和大小隨著發(fā)生變化。隨著速度的提高，中央油膜厚度也有所提高，在載荷最大時，中央油膜厚度也達(dá)到最大。

圖8所示為Δt=0.125 s，在加載的周期內(nèi)，3種表面速度下的最小膜厚和接觸區(qū)內(nèi)油膜最大厚度的變化曲線。對于速度為0.2 m/s的工況，整體膜厚接近，但是在Δt/4～5Δt/12的加載過程中，有一次最小膜厚先上升后下降的情況，這是由于此時油膜進(jìn)出口方向發(fā)生改變。對于速度為0.3和0.4 m/s的工況，變化情況類似，都是在最小膜厚升高到一定穩(wěn)定值后逐步下降。當(dāng)加載最大到90 N的時刻，最小膜厚是隨著速度的增加而增加。圖8與圖7變化類似，速度提高，最大油膜厚度也有所提高。

圖7 表面速度對接觸區(qū)最小膜厚和最大膜厚的影響(Δt=0.375 s)Fig.7 The effect of surface speed on the minimum and maximum film thicknesses in the contact area(Δt=0.375 s): (a)minimum film thickness;(b)maximum film thickness

圖8 表面速度對接觸區(qū)最小膜厚和最大膜厚的影響(Δt=0.125 s)Fig.8 The effect of surface spped on the minimum and maximum film thicknesses in the contact area(Δt=0.125 s): (a)minimum film thickness;(b)maximum film thickness

表3和表4分別給出了圖3所示的穩(wěn)態(tài)條件下及與其對應(yīng)的Δt=0.375 s的時變條件下的最小膜厚和最大膜厚的對比。不管是穩(wěn)態(tài)結(jié)果還是時變結(jié)果，最小膜厚都是隨著速度的增加而增加；但是隨著載荷的增加，最小膜厚的變化規(guī)律暫不明確。總體來說，除了速度為0.4 m/s的條件，其他條件下，時變最小膜厚均高于穩(wěn)態(tài)最小膜厚。但速度為0.4 m/s條件下，不管是穩(wěn)態(tài)條件還是時變條件，最小膜厚都在0.1 μm左右，已經(jīng)比較安全。這說明在低速條件下，保持一個時變的工作條件對于接觸是有利的。不管是穩(wěn)態(tài)膜厚還是時變膜厚，隨著載荷和速度的增加，接觸區(qū)的最大油膜厚度都是增加的。

表3 沖擊時間Δt=0.375 s條件下不同載荷和速度時穩(wěn)態(tài)與時變最小膜厚的對比Table 3 Comparison of steady-state and transient minimum film thickness at different load and speed under impact time Δt=0.375 s

表4 沖擊時間Δt=0.375 s條件下不同載荷和速度時穩(wěn)態(tài)與時變最大膜厚的對比Table 4 Comparison of steady-state and transient maximum film thickness at different load and speed under impact time Δt=0.375 s

表5和表6分別給出了Δt=0.125 s時，穩(wěn)態(tài)與時變下最小膜厚和最大膜厚的對比。與表3所示結(jié)果類似，表5中，除了速度為0.4 m/s的條件，其他2種速度條件下時變最小膜厚均大于對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)最小膜厚，也明顯大于Δt=0.375 s條件下的時變最小膜厚。而表6中所有時變最大膜厚，都小于對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)果，也小于Δt=0.375 s條件下的時變最大膜厚，說明時變效應(yīng)削弱了熱效應(yīng)的累積。

表5 沖擊時間Δt=0.125 s條件下不同載荷和速度時穩(wěn)態(tài)與時變最小膜厚的對比Table 5 Comparison of steady-state andtransient minimum film thickness at different load and speed under impact time Δt=0.125 s

表6 沖擊時間Δt=0.125 s條件下不同載荷和速度時穩(wěn)態(tài)與時變最大膜厚的對比Table 6 Comparison of steady-state and transient maximum film thickness at different load and speed under impact time Δt=0.125 s

3 結(jié)論

(1)在零卷吸純擠壓工況條件下，在穩(wěn)態(tài)情況下，載荷和速度的增加都會強(qiáng)化“溫度-黏度楔”效應(yīng)，使凹陷變大變深。在低速條件下，中央小凹陷的周圍出現(xiàn)邊界潤滑膜。

(2)在零卷吸純擠壓工況條件下，在加載情況下，當(dāng)表面速度較低且載荷較小條件下，油膜規(guī)律暫不明確，只有當(dāng)載荷增加到一定程度，才會出現(xiàn)中央凹陷油膜。中央凹陷出現(xiàn)的時間隨著表面速度的增加而提前。在速度較高條件下，中央小凹陷會迅速演化為大凹陷。