高压弹流油膜界面滑移特性研究

发布时间：2020-10-09 02:49

　　本文的目的是研究高压弹流润滑油膜界面滑移特性。固/液界面边界条件对液体流动的理论分析有重要影响。基于宏观实验证据，一般认为临近固体表面的流体相对于该表面是静止的，即流体流动满足无滑移边界条件。然而，随微流体力学研究的兴起、微观测量技术的发展及分子动力学模拟的进步，大量研究证实了流体与固体界面间存在相对滑动，即界面滑移边界条件的存在。弹性流体动压润滑（弹流润滑）是轴承与齿轮等机械零件中常见的润滑形式。弹流油膜工作过程中常承受高压力、高剪切及微间隙等苛刻工况，这使得界面滑移成为可能。事实上在大滑动条件下观察到的弹流油膜形状及摩擦特性的反常均可能与界面滑移有关，但已有的界面滑移测量技术无法探测到该类滑移，使弹流油膜界面滑移的研究陷入的困境。为解决上述问题，本文主要针对弹流油膜界面滑移的测量方法和特性进行了研究。巧妙地结合了光干涉技术和冲击封油技术，通过干涉条纹分析实现了润滑油膜流动的可视化。确立了对比封油核心的实际卷吸速度和名义卷吸速度来推断界面滑移的测量原理。为了进行完整、系统的研究，并比较滑移条件下和无滑移条件下润滑油的移动特性，本文从纯滚动、无滑移条件下的封油核心运动规律入手，逐层深入，首先证实了滑移的存在，然后进一步量化了滑移程度，最后进行了滑移机理分析，所得到的成果及重要结论如下：研究了纯滚条件下冲击封油核心的运动规律。封油核心的移动位移存在一个临界值，小于该临界值时核心以卷吸速度运动，核心油膜厚度及核心左侧油膜外形基本保持不变；超过该临界值后核心速度明显小于卷吸速度，核心油膜厚度迅速下降；卷吸速度与载荷的增加使临界位移增加，而初始封油深度和初始冲击间隙的增加导致临界位移减小；对上述实验观察结果进行了数值模拟，计算结果与实验结果吻合较好。针对高压弹流区缺乏界面滑移的直接证据及滑移研究中滑移发生位置的争论，实验观察了零卷吸(ZEV)和纯滑动条件下封油核心移动特性。实验结果直接显示：封油核心的运动速度与施加的名义卷吸速度之间存在明显差别，证实了滑移的存在。特别地，零卷吸条件下，封油在相同界面性质接触副内向接触区两侧拉伸,核心基本不动；而在不同界面性质的接触副内封油核心跟随单个界面向单一方向运动。表明了滑移的发生取决于界面的临界剪应力而非流体本身的极限剪应力，且滑移只能发生在一个界面上。实验考察了滑移行为与界面性质之间的依赖关系。结果显示滑移总是发生在表面能较低的运动表面上。即使施加在低表面能表面上的速度明显大于高表面能表面的速度，封油核心还是跟随低速高表面能表面移出接触区。在盘滑条件下，当滑移发生在玻璃试样上时，玻璃试样表面能越低封油核心运动速度越小；当滑移发生在球试样上时，玻璃试样表面能越高，封油核心运动速度越大。不同表面能界面组成的接触副对稳态膜产生了影响，所得油膜特性与冲击-卷吸实验推测相吻合。针对高压弹流油膜界面滑移长度无法量化且各参数对滑移影响尚不清晰的现状，定义了通用滑移长度公式，量化了滑移程度并分析了各种因素对滑移长度的影响。结果表明，多次冲击-卷吸可导致接触副的界面性质趋向同一性，从而削弱滑移长度；而压力、聚合物浓度和粘度的增加可以增大滑移长度。针对滑移长度与剪应变率关系的复杂性及争议性，实验得出了滑移长度随剪应变率的变化曲线。实验结果显示，滑移长度随剪应变率剪呈现出明显的非线性特性。滑移长度随剪应变率的这种变化趋势，与已有的分子动力学模拟结果类似。根据观察到的实验现象，讨论了滑移的产生机理，推导了一种新的滑移机理模型，并分析了模型中各参数对滑移的影响。同时根据参数取值的不同，该模型可以用来描述实验中遇见的多种滑移现象。
【学位单位】：青岛理工大学
【学位级别】：B
【学位年份】：2012
【中图分类】：TH117.2
【部分图文】：

边界条件,固体界面,滑移边界条件

青岛理工大学工学博士学位论文1.2 界面滑移研究的历史及现状1.2.1 边界条件及界面滑移早期研究固/液界面的边界条件(Boundary condition, BC)是决定流体润滑行为的最重要因素之一。其中一种边界条件假设是如图 1-1(a)所示的无滑移边界条件，即固体界面上的流体分子与固体界面间相对运动速度为零，该边界条件本质上是由于粘性流体粘附在固体界面上并在界面处保持了速度切向分量的连续性。早在 1738 年，Bernoulli[21]就首次提出了流体流动的无滑移边界条件假设。此后，该假设被 Buat[22和 Coulomb[23]分别用流管实验和圆柱震荡实验给予了验证。基于大量的宏观实验证据，无滑移边界条件在几个世纪以来占据统治地位，几乎所有的工程应用、理论分析、实验研究甚至流体力学及润滑力学的教科书都采用了该假设。

界面滑移,测量技术

(e) Microchennel/Capillary图 1-2 界面滑移测量技术[64]Fig. 1-2 Measurement techniques for boundary slippage[64]图 1-3 不同测量技术的实验结果[65]ig. 1-3 Comparisons of experimental results with different measuring techn

变化曲线,弹流润滑,滑动速度,摩擦力

体本身的性质有关，即便推测到滑移的产生，也认为滑移可能只会。弹流条件下的高压流变实验研究然界面滑移在弹流条件下极有可能发生，但早期的研究主要集中于压流变研究，并没有对界面性质引起足够的重视。弹流润滑经过 60 数值模拟到实验研究都日臻完善，Dowson[77~79]、Spikes[80]、Zhu 和流润滑的发展历程进行了综合详细地回顾与总结。从弹流润滑的发滑的实验观察促进了理论分析的演化；而理论预测，需要实验验证究的进步。早期的实验研究致力于油膜特性的研究，这就决定了实开：a)油膜厚度和形状的测量；b)油膜流变性(Rheology)的测量。在中，均出现了与经典理论相悖的异常现象，如带有凹陷的油膜外形、ing)”的摩擦系数随滑动速度变化曲线。

【引证文献】