高壓彈流油膜界面滑移特性研究.pdf

1、本文的目的是研究高壓彈流潤(rùn)滑油膜界面滑移特性。
　　固/液界面邊界條件對(duì)液體流動(dòng)的理論分析有重要影響?；诤暧^實(shí)驗(yàn)證據(jù)，一般認(rèn)為臨近固體表面的流體相對(duì)于該表面是靜止的，即流體流動(dòng)滿(mǎn)足無(wú)滑移邊界條件。然而，隨微流體力學(xué)研究的興起、微觀測(cè)量技術(shù)的發(fā)展及分子動(dòng)力學(xué)模擬的進(jìn)步，大量研究證實(shí)了流體與固體界面間存在相對(duì)滑動(dòng)，即界面滑移邊界條件的存在。
　　彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑(彈流潤(rùn)滑)是軸承與齒輪等機(jī)械零件中常見(jiàn)的潤(rùn)滑形式。彈流油膜工作過(guò)

2、程中常承受高壓力、高剪切及微間隙等苛刻工況，這使得界面滑移成為可能。事實(shí)上在大滑動(dòng)條件下觀察到的彈流油膜形狀及摩擦特性的反常均可能與界面滑移有關(guān)，但已有的界面滑移測(cè)量技術(shù)無(wú)法探測(cè)到該類(lèi)滑移，使彈流油膜界面滑移的研究陷入的困境。
　　為解決上述問(wèn)題，本文主要針對(duì)彈流油膜界面滑移的測(cè)量方法和特性進(jìn)行了研究。巧妙地結(jié)合了光干涉技術(shù)和沖擊封油技術(shù)，通過(guò)干涉條紋分析實(shí)現(xiàn)了潤(rùn)滑油膜流動(dòng)的可視化。確立了對(duì)比封油核心的實(shí)際卷吸速度和名義卷吸速度來(lái)

3、推斷界面滑移的測(cè)量原理。為了進(jìn)行完整、系統(tǒng)的研究，并比較滑移條件下和無(wú)滑移條件下潤(rùn)滑油的移動(dòng)特性，本文從純滾動(dòng)、無(wú)滑移條件下的封油核心運(yùn)動(dòng)規(guī)律入手，逐層深入，首先證實(shí)了滑移的存在，然后進(jìn)一步量化了滑移程度，最后進(jìn)行了滑移機(jī)理分析，所得到的成果及重要結(jié)論如下：
　　研究了純滾條件下沖擊封油核心的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。封油核心的移動(dòng)位移存在一個(gè)臨界值，小于該臨界值時(shí)核心以卷吸速度運(yùn)動(dòng)，核心油膜厚度及核心左側(cè)油膜外形基本保持不變；超過(guò)該臨界值后核心

4、速度明顯小于卷吸速度，核心油膜厚度迅速下降；卷吸速度與載荷的增加使臨界位移增加，而初始封油深度和初始沖擊間隙的增加導(dǎo)致臨界位移減小；對(duì)上述實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。
　　針對(duì)高壓彈流區(qū)缺乏界面滑移的直接證據(jù)及滑移研究中滑移發(fā)生位置的爭(zhēng)論，實(shí)驗(yàn)觀察了零卷吸(ZEV)和純滑動(dòng)條件下封油核心移動(dòng)特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果直接顯示：封油核心的運(yùn)動(dòng)速度與施加的名義卷吸速度之間存在明顯差別，證實(shí)了滑移的存在。特別地，零卷吸條

5、件下，封油在相同界面性質(zhì)接觸副內(nèi)向接觸區(qū)兩側(cè)拉伸，核心基本不動(dòng)；而在不同界面性質(zhì)的接觸副內(nèi)封油核心跟隨單個(gè)界面向單一方向運(yùn)動(dòng)。表明了滑移的發(fā)生取決于界面的臨界剪應(yīng)力而非流體本身的極限剪應(yīng)力，且滑移只能發(fā)生在一個(gè)界面上。
　　實(shí)驗(yàn)考察了滑移行為與界面性質(zhì)之間的依賴(lài)關(guān)系。結(jié)果顯示滑移總是發(fā)生在表面能較低的運(yùn)動(dòng)表面上。即使施加在低表面能表面上的速度明顯大于高表面能表面的速度，封油核心還是跟隨低速高表面能表面移出接觸區(qū)。在盤(pán)滑條件下，當(dāng)滑

6、移發(fā)生在玻璃試樣上時(shí)，玻璃試樣表面能越低封油核心運(yùn)動(dòng)速度越??；當(dāng)滑移發(fā)生在球試樣上時(shí)，玻璃試樣表面能越高，封油核心運(yùn)動(dòng)速度越大。不同表面能界面組成的接觸副對(duì)穩(wěn)態(tài)膜產(chǎn)生了影響，所得油膜特性與沖擊-卷吸實(shí)驗(yàn)推測(cè)相吻合。
　　針對(duì)高壓彈流油膜界面滑移長(zhǎng)度無(wú)法量化且各參數(shù)對(duì)滑移影響尚不清晰的現(xiàn)狀，定義了通用滑移長(zhǎng)度公式，量化了滑移程度并分析了各種因素對(duì)滑移長(zhǎng)度的影響。結(jié)果表明，多次沖擊-卷吸可導(dǎo)致接觸副的界面性質(zhì)趨向同一性，從而削弱滑移長(zhǎng)

7、度；而壓力、聚合物濃度和粘度的增加可以增大滑移長(zhǎng)度。
　　針對(duì)滑移長(zhǎng)度與剪應(yīng)變率關(guān)系的復(fù)雜性及爭(zhēng)議性，實(shí)驗(yàn)得出了滑移長(zhǎng)度隨剪應(yīng)變率的變化曲線(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，滑移長(zhǎng)度隨剪應(yīng)變率剪呈現(xiàn)出明顯的非線(xiàn)性特性?；崎L(zhǎng)度隨剪應(yīng)變率的這種變化趨勢(shì)，與已有的分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果類(lèi)似。
　　根據(jù)觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，討論了滑移的產(chǎn)生機(jī)理，推導(dǎo)了一種新的滑移機(jī)理模型，并分析了模型中各參數(shù)對(duì)滑移的影響。同時(shí)根據(jù)參數(shù)取值的不同，該模型可以用來(lái)描述實(shí)驗(yàn)中遇