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Chevron润湿表面对线接触润滑特性影响研究

Chevron润湿表面对线接触润滑特性影响研究

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作者：刘玉婷青岛理工大学

学位级别：硕士

润滑的主要目的是在相互运动表面间形成具有承载能力的润滑油膜从而降低摩擦磨损而延长零件使用寿命,而润滑剂供应不足是线接触摩擦副的一个主要挑战。线接触润滑中侧脊的润滑剂不容易回流到润滑轨道中央,所以比点接触更容易出现乏油现... 详细信息

润滑的主要目的是在相互运动表面间形成具有承载能力的润滑油膜从而降低摩擦磨损而延长零件使用寿命,而润滑剂供应不足是线接触摩擦副的一个主要挑战。线接触润滑中侧脊的润滑剂不容易回流到润滑轨道中央,所以比点接触更容易出现乏油现象,接触区域内的油液可能无法维持充足的润滑供给,从而造成严重的摩擦损失,但供油量过多又可能会导致出现搅油温升以及能源浪费。因此,在限量供油(limited lubricant supply,LLS)条件下,寻找策略实现对润滑点实现高效精准润滑一直以来是摩擦学领域关注的热点。近些年,Chevron(通常用来描述一种V形或倒V形的图案或形状)物理织构的相关研究逐渐增多,且研究发现在往复滑动运动中Chevron图案织构表现出了比其他图案更为优越的摩擦学性能。在本研究中,作者受到Chevron物理织构的启发,利用镀膜方法在玻璃盘表面设计制备了Chevron润湿图案,从而将更多的润滑剂引导至润滑点。在圆柱滚子-玻璃盘线接触LLS条件下,探究了Chevron润湿图案尺寸及方向等因素对摩擦学性能的影响,并讨论了机理。主要内容包括:1)流体动压润滑条件下Chevron润湿表面对线接触润滑油膜的影响研究。利用疏水涂层经过处理形成具有亲/疏油交替润湿性的图案表面。通过改变图案长度、角度以及图案运行方向来评估出润滑增效的最佳参数。结果显示Chevron润湿图案表面产生的非均匀润湿性能够诱导润滑剂顺利回流到轨道中央从而提高油膜厚度,相较于原始表面能够有效提升油膜厚度;图案长度影响双侧脊的润滑剂被亲油区牵引回到轨道中部继续参与润滑的顺利程度,当亲油区与侧脊的距离相近时,润滑增效效果越好;图案反向运动时形成的“虚拟墙”在限量供油条件下能够更有效地抑制润滑剂的逆流和侧泄,对润滑剂起到向轨道中部收集的作用,增加了润滑剂的卷吸量;图案角度为120°的Chevron润湿梯度(Chevron wettability,CW)与图案角度为180°的间隔型润湿梯度(Interlaced wettability,IW)的润滑增效程度不同,CW表面形成的润湿梯度有利于将更多的润滑剂引导到入油口,更有利于润滑油膜的形成。2)弹流润滑条件下极性/非极性油在Chevron润湿表面对线接触润滑油膜的影响研究。通过使用PEG系列的极性油以及PAO系列的非极性油来探究图案长度以及图案运动方向在弹流润滑状态下的润滑增效效果,实验结果表明在弹流润滑状态下的图案长度以及方向与流体动压润滑状态下对油膜厚度的影响是一致的。此外,作者在上一章的基础上探究了图案长度比轨道宽度大的情况,实验结果表明,图案长度并非越大越好,与轨道宽度相等的图案长度呈现最佳润滑状态,此时双侧脊上的油液距离轨道中的亲油区最近,能够在非平衡界面力的作用下较为容易地被牵引回到轨道中间继续参与润滑,当图案长度过大或者过小时侧脊距离亲油区都较远,侧脊油液很难被牵引回到轨道中央。最后,在相同实验条件下,作者通过荧光法对入口油池进行了观测,对两种油液在表面上的接触角滞后进行了测量,发现PEG系列的极性油比PAO系列的非极性油的润湿行为要好,表面张力更大,容易形成更紧致的油膜,从而表现出更高的润滑性能。3)往复滑动条件下Chevron润湿表面对摩擦系数的影响研究。利用滚子与钢块进行摩擦磨损实验,研究了Chevron润湿图案表面在不同实验载荷、往复频率以及图案长度下相对于原始表面减摩性能的影响。实验结果显示,该表面能够明显改善钢块表面的磨损程度,具有显著的减摩作用。在低载荷下,摩擦系数降幅较大,减摩效果显著;随着往复频率的增加,摩擦系数的降低率逐渐趋于稳定。这是因为随着频率的增加,回流时间不足使得回流效果不明显,但在低频率下,此表面仍能够表现出良好的减摩作用。不同图案长度影响了引导润滑剂到轨道中心的程度不同,与滚子长度相等的图案长度能够较大程度地引导润滑剂至中心轨道,从而更大程度地降低摩擦系数。同时,仿真部分也验证了这一实验结果。4)供油量对Chevron润湿表面成膜能力的影响研究。在第3章的实验过程中,出现了限量供油时产生的油膜厚度要高于充分供油时产生的油膜厚度这一“异常”现象,对此现象进行了进一步探究,从卷吸速度、载荷以及粘度三个方面探究了对最佳供油量以及膜厚增量的影响。“异常”现象大部分都出现在流体动压润滑状态,载荷和粘度越小,现象越明显,膜厚增量越大;卷吸速度越大,膜厚增量也会越大。产生这一现象的机理极有可能是由于Chevron润湿表面所形成的非均匀界面力产生的,使得在此表面上的油滴呈现半径向外扩张的形态。供油量较小时,形成的油滴半径越小,产生较大的拉普拉斯压力差,增加了润滑剂的卷吸量,形成更高的油膜厚度。但这部分的结论并不能完全被证实,后续还要进行进一步的验证。

关键词：限量供油线接触 Chevron 润湿图案油膜厚度

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