基于界面吸附的点接触弹流润滑研究

发布时间：2020-05-23 00:30

【摘要】：随着经济高速发展,我国的高速铁路快速建设。轴承是高速列车中的重要部件,其润滑问题不仅关系零部件的损耗,还关系到列车的行驶安全。同时,针对工业中能源和材料的减排和降耗,科研人员提出“润滑经济”概念。改善润滑问题不仅有助减少损耗,还能保证铁路运行的安全问题,并有助于太空船真空环境下机件润滑问题、海洋腐蚀环境下机件润滑问题以及人造关节与软骨之间的润滑问题。弹流润滑是机械零件中常见的润滑形式,弹流油膜不仅能够承受高载荷和高剪切力的极端工况,还使减小摩擦力成为可能。弹流润滑是有效解决方案之一。因此,弹流润滑的研究成果将产生重大影响。由此针对基于界面吸附的点接触弹流润滑展开研究。应用光干涉原理,在改良的点接触弹流润滑光学试验台上进行实验研究。在应用高粘度润滑油的实验中,发现异常摩擦系数曲线。针对摩擦系数曲线的异常部分,进行不同表面能的玻璃盘与钢球高压纯滑实验,发现摩擦系数的降低与入口凹陷有关;表面浸润性不仅影响摩擦系数,还影响界面滑移的发生。通过对不同条件下的油膜图像进行分析,发现载荷越大,入口凹陷越容易发生。得出结果:在高载荷下,界面滑移更易发生,且将入口凹陷归因于润滑油的非牛顿流体性质。在上述实验研究过程中,通过干涉图像观察到“三凹陷”现象,对此异常现象进行探索性研究。初步推断“三凹陷”现象是由于吸附层的局部形成所导致,并且吸附层可能形成于钢球表面和玻璃盘表面。用两种表面浸润性不同的钢球进行光学弹流润滑实验,通过测量摩擦系数和观察油膜形状及油膜轮廓,研究吸附层对油膜形状和摩擦力的影响。验证“三凹陷”现象可归因于吸附层的局部形成,并用局部粘弹性模型解释“三凹陷”油膜形状的形成。为验证吸附层形成位置的推断,采用EGC钢球进行对比性实验研究。得出结论:吸附层一定程度抑制滑移发生;低表面能使吸附层难以吸附于EGC钢球表面,从而增加边界滑移程度,进而减小摩擦力;吸附层在高速下不稳定,难以吸附于界面之上;吸附层的形成取决于表面浸润性。浸润性不仅是边界滑移的重要因素,还是吸附层形成的重要因素之一。
【图文】：

边界模型

三种模型分别如图1-1 所示。（a）无滑移（b）界面滑移（c）吸附膜图 1-1 边界模型无滑移边界条件如图 1-1（a）所示。无滑移边界条件，即流体分子与其邻近的固体界面间相对运动速度为零，其本质是由于流体粘附在固体界面上，并且于界面保持速度切向分量的连续性，Bernoulli 等[6]于 1783 年就首次提出了无滑移边界条件的假设。随后，，Buat[7]和 Coulomb[8]分别用流管实验和圆周震荡实验验证了该假设。大量的宏观实验验证无滑移边界条件的存在。线性边界滑移模型如图 1-1（b）所示。虽然 Navier[9]提出的假设起初并未证明液体也符合该理论，然而表征滑移模型成为目前极其常用的假设模型。线性边界滑移模型认为：界面上的剪应力或局部剪切率与体相流体的滑移速度成正比，由于该模型的速度参数与滑移长度相关，所以该模型也被称为“滑移长度模型”。粘滞层边界条件模型如图 1-1（c）所示。在 19 世纪，Girard[10]和 Prony[11]提出粘滞层边界条件模型。该边界条件认为流体分子吸附在固体界面上形成一定厚度的粘滞层，且整个粘滞层与固体界面无相对滑动，而流体则在该粘滞层的交界面上发生滑移。粘滞层的出现是因为固/液间分子相互作用力大于液体本身分子间的作用力。粘滞层的厚度也取决于固体的界面性质。此后，学术界对边界条件的选取进行了激烈争论。Stokes 等[12-14]根据实验观察主张采用无滑移边界条件，而Darcy等[15-16]也提出反驳无滑移边界条件的证据。但由于当时测量条件和实验精度都较低

界面滑移,测量技术

（e）微通道（Microchennel/Capillary）图 1-2 界面滑移测量技术[27]，Léger 等[22]应用荧光漂白恢复技术（FR波照明，未被漂白的分子流动到感兴趣的体流动的速度有关，滑移发生时，流速增eph 等[23]应用粒子图像测速技术（PIV）测上（嫁接硅烷分子层）的滑移，发现在光光滑的疏水性界面上滑移长度为 35±100n用表面力仪（SFA）测量水、正十四碳烷吸（SAM）界面、OTE 界面上相应的接触角时才产生滑移。如图 1-2（d）所示，Ellis
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH117.2

【参考文献】