微油滴供油条件下点接触弹流润滑性能研究

摘要

油气润滑是一种可控供油和环境友好的微量润滑技术，润滑剂会以微油滴形式输送到润滑部位。为此，本文主要围绕微油滴供油的弹性流体动压润滑 (弹流润滑) 问题，从理论和实验两方面对微油滴弹流润滑进行研究。 本文先从理论建模和计算入手，优化数值方法，使其具有快速的收敛性和良好的稳定性，既能成功实现极薄供油层(10 nm)下球-面间润滑(近似于干接触)的数值模拟，又可以应对微油滴穿过接触区发生的局部区域时变弹流润滑的计算。 建立了单个微油滴供油下球-面接触弹流润滑模型，数值模拟了微油滴随卷吸运动通过弹流接触区的全过程。附着在平面上的油滴与球壁接触后会在入口处出现挤压铺展现象，且铺展距离直接影响到接触区弹流润滑状态。文中讨论了卷吸速度、润滑油粘度、油滴基圆半径和表面粗糙度对微油滴弹流润滑的影响。结果显示，过大的卷吸速度或润滑油粘度会导致微油滴挤压铺展不充分，微油滴未发生充分变形直接从接触区穿过，产生凹陷润滑油膜，造成弹流接触区润滑失效；为产生有效弹流润滑，同体积条件下微油滴基圆半径存在一定最适的变化范围；表面粗糙度不会改变微油滴弹流润滑的基本特性，但其纹理方向会影响到油滴的挤压铺展。 然后进一步建立了离散多油滴供油弹流润滑模型，采用单列(Ⅰ型)或双列对称(Ⅱ型)分布，在接触区形成了连续的弹流润滑油膜。计算显示，油膜厚度呈现出周期性变化。分析了油滴数量、油滴间距、卷吸速度、润滑油粘度及接触角等因素的影响，并对两种油滴分布类型进行了比较。结果表明，对于恒定体积的润滑油，为了达到最佳润滑效果，其均分后微油滴的数量和大小之间存在一个平衡，两种油滴分布类型下均存在着最佳油滴数量，使得接触区有效润滑时间最长；离散油滴之间相邻间距会影响润滑油膜的连续性，超过其最佳间距值后会导致接触区润滑失效，同时此临界值会受到卷吸速度、润滑油粘度和接触角的影响。 考虑了球-面间相对滑动的影响，提出了基于油滴线性滑动变形的弹流供油方程，研究了滑滚比、微油滴高度、润滑参数η0ue、载荷及微油滴体积等因素的影响。研究表明，球-面间相对滑动会导致微油滴在楔形间隙内被拉长，进而延长了润滑油供给时间，提高了弹流接触区的有效润滑时间，但滑滚比超过一定的临界值后反而会造成弹流接触区润滑失效；微油滴高度的增加可进一步增大微油滴被拉长距离，但也会缩小挤压铺展距离；接触区有效润滑的前提下，润滑参数η0ue的增大会缩小滑滚比的可允许变化范围，且滑滚比越大的工况下载荷的影响会越明显。 最后，利用自制的点接触双色光弹流润滑油膜测量实验台对微油滴弹流润滑问题进行了实验研究。考察了滑滚比、速度等因素对微油滴润滑性能的影响。无论纯滚条件还是相对滑动条件下，实验结果与理论模拟结果具有一致性。

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