摩擦学原理(第10章润滑状态转化)

1．薄膜润滑的特征膜厚厚度范围

图10.6给出10号机械 油在不同速度下接触 区中心截面上膜厚分 布。线a为静态接触， 线b为动态接触，由此 可看出：由于卷吸速 度产生的流体动压效 应使膜厚增加。
图10.6中心截面膜厚分布（10号机械油）

图10.7中心截面膜厚分布（13602标准液）
如图10.7所示，13602 标准液在载荷4N、温 度25C、钢球直径 20mm时，不同卷吸速 度的膜厚曲线，表明卷 吸速度越高，膜厚曲线 弯曲程度越大即流体动 压效应越强。图示还表 明，当膜厚值大于 15nm以后，膜厚曲线 的弧形更为显著。由此 可证明，当膜厚大于转 化膜厚时，润滑膜的流 体动压效应才比较显著。

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图10.9中心膜厚与粘度关系
图10.9为载荷4N、温度 20C、钢球直径20mm 条件下，静态和动态接 触时的膜厚随润滑剂粘 度的变化。该图采用对 数坐标系。 由图可知，静态和动 态接触的膜厚都随粘度 的增加而增加，即粘度 增加对于形成有序分子 膜和粘性流体膜都有利。


2．薄膜润滑有序化现象


介于粘性流体膜与吸附膜之间的是有序液体膜。它是 由于液体分子在摩擦过程中受到剪切和表面能作用促使 分子有序排列而形成的。在从粘性流体膜向吸附膜方向 上，分子排列的有序度越来越高，即有序液体膜的有序 度高于粘性流体膜，而低于靠近金属表面的吸附膜。在 一般情况下，薄膜润滑中有序液体膜厚度相当于几个到 十几个分子层。 弹流润滑、薄膜润滑、边界润滑之间的相互转化取决于 润滑膜总厚度值以及上述三种膜所占的相对比例。当润 滑膜比较厚时，粘性流体膜所占比例大，摩擦剪切发生 在流体膜中，有序液体膜难以形成，而吸附膜的影响也 可以忽略，因此润滑膜的形成以流体动压效应为主，润 滑状态为弹流润滑。
图 10.1 经典润滑状态图
Dowson提出根据膜厚由小到 大依次为 边界润滑（ boundary lubrication） 混合润滑（mixed lubrication） 弹流润滑(elastichydrodynamic lubrication) 流体动压润滑 (hydrodynamic lubrication ） 并提出25nm为弹流润滑向混 合润滑转变的膜厚值。


载荷是促进润滑薄膜液体分子重新排列的重要因 素。实验表明，载荷增加可以提高润滑剂固化速 度。分子动力学模拟计算也证明，增加润滑膜压 力将促进液体分子发生相变，因而载荷增加使时 间效应增强。 卷吸速度对时间效应的影响比较复杂。只有当 卷吸速度在一定范围以内，两个摩擦表面相距较 近，介于表面间的液体分子在剪切和表面能作用 下产生相变而显示时间效应。
图10.13 膜厚与运行时间

图10.14为液体石 蜡在卷吸速度为 0.9mm／s时的中 心膜厚与运行时间 的关系，实验的其 它条件与图10.13 相同。对比两图可 知：卷吸速度越低， 时间效应越强。
图10.14 膜厚与运行时间

进一步实验表明，速度对润滑膜厚度时 间效应的影响比较复杂。静态接触的膜 厚不随着时间变化，即没有时间效应。 在较高的卷吸速度下也不存在时间效应。 只有在一定的速度范围内才具有时间效 应，而且速度越低，时间效应越强。此 外，薄膜润滑的膜厚值还与承受的剪切 历史有关。
1950
典型实例
最小膜厚m
普通滑动轴承 稳态载荷滑动轴承
内燃机曲轴轴承、连杆大端轴承
10-4~10-5 10-5
10-5~10-6 10-6~10-7 10-7~10-8 甚至10-9
1980
齿轮传动、滚动轴承
1990~2000
粗糙峰润滑、低弹性模量表面、磁 记录装置、塑性流体动压润滑


实践表明，工业中广泛应用的水基润滑介质，由 于其粘度值和粘压系数低而形成薄膜润滑；高温 下工作的机械，由于润滑油粘度降低而润滑膜厚 常处于纳米量级；某些抗磨添加剂的作用机理就 是在表面生成极薄的润滑膜。此外，超低速或者 特重载荷的摩擦表面也都处在薄膜润滑状态。 弹流润滑以粘性流体膜为特征，它服从连续介质 力学的规律，而边界润滑以液体分子有序排列的 吸附膜为特征，以表面物理化学为基础。显然， 作为中间状态的薄膜润滑兼有流体膜和吸附膜的 特点，因此，润滑膜的有序化是薄膜润滑的首要 特征。

总之，薄膜润滑状态下出现的时间效应是 由于润滑膜的分子结构发生变化而产生的。 降低润滑剂粘度、增加载荷和减小速度都 将加强时间效应，使膜厚随剪切时间增加 而增加，随后趋于稳定数值。此外，在静 态接触下不出现时间效应，而且时间效应 还与润滑膜受剪切历史有关。
4．薄膜润滑剪切稀化效应
（shearing thin feature of thin film lubrication） Streastor等人采用载荷150mN，滑动速度在 0.25mm/s~250mm/s范围内变化，润滑膜厚度 介于2.3nm~80nm之间。测量出不同膜厚条件下， 摩擦力随着滑动速度的变化，由此发现纳米润滑 膜存在三种润滑状态，即粘着润滑、流体动压润 滑、剪切稀化润滑。

图10.11给出载荷12N、 卷吸速度17.5mm/s、 温度18C、钢球直径 25.4mm条件下，液体 石蜡薄膜润滑膜厚在 运行时间分别为4min 和78min时的情况。膜 厚分布图明显地示出 膜厚随运行时间增加 而增厚。
图10.11 中心截面膜厚变化

图10.12 膜厚与运行时间
图10.12和图10.13给出 钢球直径20mm、温度 27C、卷吸速度 4.49mm/s，而载荷分别 为4N和7N时，液体石蜡 润滑的中心膜厚随运行 时间的变化。由此可见， 当载荷增加，薄膜润滑 膜厚随连续运行时间的 变化幅度增加，即时间 效应加强。

其次，剪切时间稀化是润滑油粘度随着剪切 持续时间增加而降低；剪应变率稀化是粘度 随着剪应变率增加而降低，它们都使得流体 动压润滑膜厚度减小。由于这两种效应对于 润滑膜厚的影响并不明显，所以在常规润滑 设计中通常不予考虑。而薄膜润滑涉及到润 滑膜分子的再构造和表面力作用，剪切时间 和剪切应变率对润滑性能的影响就成为了不 可忽视的特征。
(ordered phenomena of thin film lubrication）


图10.10 薄膜润滑模型

亚微米或纳米量级润滑膜由三 种结构性能不同的膜组成，即 吸附膜、有序液体膜和粘性流 体膜。 靠近摩擦表面的是吸附膜，吸 附膜的总厚度为几个润滑油分 子层，它与表面连接牢固，不 具有流体性质，在润滑过程中 不参加流动。吸附膜具有边界 润滑特征，亦可称为边界润滑 膜。 处于润滑膜中央部分为粘性流 体膜，它是依靠流体动压效应 形成的，具有弹流润滑特征， 或称为弹流润滑膜。
载荷
钢球直径
膜厚增量
32 20 7
13602
10#机械油
30#机械油
30
3.12
62
4
20
0~2
40#机械油 70 液体石蜡 27 4.49 4.49 3.12 18
118
0 6.5 6 7 4 25.4 12 6 11 0 17 7
23.2
0.90
17.3 17.3 5.70
32.7
4 6 12 4

由于薄膜润滑以含有分子 排列规律的有序液体膜为 特征，有序液体膜的厚度 与界面粘附能的大小及其 作用范围密切相关。 图10.4给出弹流润滑开始 向薄膜润滑转化时的膜厚 值与润滑剂等效粘度的关 系。

图10.4
转化膜厚与粘度关系
characteristics）

10.1.2 薄膜润滑特征
（thin film lubrication
表10.2
薄膜润滑剪切时间效应

以上说明，在一定的卷吸速度范围内，润滑剂的 粘度越小、载荷越大，速度越低，则薄膜润滑的 剪切时间效应就越强，即润滑膜厚度随连续运行 时间而增加的幅度就越大。然而，根据流体动压 润滑理论的分析，上述这些工况参数的变化恰巧 是降低粘性流体膜厚度的不利因素。这就十分清 楚地表明，薄膜润滑的成膜机理与流体动压润滑 截然不同，而决定薄膜润滑膜特性的主要因素是 表面能的作用和润滑膜分子有序化结构。

薄膜润滑研究对于深化润滑和磨损理论有着重要意义， 而且也是现代科学技术发展的需要，具有广泛的应用 背景。 英国著名学者 Dowson教授总结润滑技术的发展指出， 由于润滑设计和制造技术的不断完善，在20世纪中 流体润滑系统的润滑膜厚度日益减小。
表10.1 20世纪中最小润滑膜厚的发展
年代
1900
第十章 润滑状态转化 （lubrication status transition）

本章对润滑状态的转化进行了讨论，介 绍了流体润滑到弹流润滑，弹流润滑到 薄膜润滑的发展过程，以及影响薄膜润 滑的一些主要因素，介绍了纳米尺度下 的气体润滑的一些存在的问题和解决的 方法。还讨论了混合润滑问题，它是实 际机械中最广泛存在的状态。最后，介 绍了边界润滑的基本理论。

根据大量的实验结果，将薄膜润滑剪切时间效应与工 况参数的相关关系汇总于表10.2。并由此得出，如图 10.16所示的时间效应与载荷的关系以及图10.17所示时 间效应与速度和粘度的关系。
图10.16 时间效应与载荷关系
图10.17 时间效应与粘度、速度关系
润滑剂
癸烷
温度
运行时间
卷吸速度
粘度
2.5 3.3 23


随着润滑膜减薄，吸附膜在总膜厚中所占比例增加， 逐渐影响膜厚随卷吸速度的变化关系。当润滑膜减薄 到表面能作用范围内后，润滑油分子在表面能作用和 摩擦剪切作用下发生结构变化，一部分流体膜转化为 有序液体膜，即开始由弹流润滑转向薄膜润滑，膜厚 变化的速度指数也显著降低。 当润滑膜厚继续减小到粘性流体膜完全消失时，润 滑膜由有序液体膜和吸附膜组成。由于吸附膜是非流 动膜而且很薄，此时润滑膜的特征以有序液体膜为主， 在摩擦剪切作用下显示出时间效应即膜厚随时间而增 加。如果润滑膜更薄而只有吸附膜存在时，润滑状态 即为边界润滑。由此可知，三种特性的润滑膜相互变 化将预示着三种润滑状态的转化。
10.1润滑状态的转化
（lubrication status transition）

10.1.1 弹流润滑向薄膜润滑的转变 （ transition from EHL to thin film lubrication） 根据摩擦系数f与无量纲参数/p的变化，将润 滑状态划分为流体动压润滑(hydrodynamic lubrication ）、混合润滑（mixed lubrication）、边 界润滑（ boundary lubrication）三个区域。这里， 为润滑油粘度；为轴颈旋转角速度；p为单位投影面 积上的载荷。通常认为，流体动压润滑最小摩擦系数 为10-3量级，边界润滑的摩擦系数为0.1，而混合润滑 状态是流体膜与边界膜共存的润滑，随着流体膜的比 例增加，摩擦系数逐渐降低。
图10.2 动压、弹流流体润滑膜厚状态图
由弹流润滑理论，点接触膜厚公式可简化为 0.7 0.7 0.7 (10.1) hc ku 0 式中，hc为接触区中心膜厚；u为卷吸速度；0为常压粘 度；为粘压系数；k是为常数。 可知，在已知润滑剂常压粘度0和粘压系数的条件下， 弹流润滑膜厚hc应与卷吸速度u在对数坐标系中构成直线 变化关系。 近年来新出现的薄膜润滑应是介于弹流润滑和边界润滑 之间的状态，它包容混合润滑，并且出现在相当宽的范 围内。从弹流润滑向薄膜润滑转化的条件主要取决于润 滑膜厚度。当弹流膜厚减薄到一定数值时，膜厚变化规 律偏离弹流润滑理论，该膜厚值即为转化膜厚。
3．薄膜润滑随时间变化的特征
（ time dependent feature of thin film lubrication）


对钢球与玻璃盘组成的点接触摩擦副进行观察，可得到 在薄膜润滑条件下有些润滑剂的膜厚随持续剪切时间的 增加而增加，并逐步趋于稳定数值。薄膜润滑的时间效 应不能用润滑油的触变性来解释。因为润滑油的触变性 是稀化作用，即随剪切时间增加而粘度降低，使膜厚逐 渐减小而达到稳定。 采用光干涉相对光强原理测量纳米润滑膜厚度与运行时 间的关系的实验研究表明：薄膜润滑的时间效应的强弱 与载荷、卷吸速度和润滑剂粘度有关。