薄膜润滑的润滑性能分析

薄膜润滑的润滑性能分析

摘要：薄膜润滑的特性及其润滑机理研究已成为近年来摩擦学研究倍受关注的领域.我们可以运用许多现代化的措施与方法对薄膜润滑的特性与机理进行科学的分析与研究.本文便是简略的介绍一些对薄膜润滑的润滑性能研究的方式方法：1、应用偶合应力理论来分析薄膜润滑状态的润滑特性；2、利用在油润滑中施加外加电场和在水润滑中添加KCl,以改变润滑剂中离子浓度进行组合滑块润滑试验；3、利用薄膜润滑状态下的非牛顿性和类固体特性,建立了薄膜润滑的数学模型,对线接触弹流薄膜润滑问题进行了数值分析计算.

关键词：薄膜润滑;润滑性能

正文：

薄膜润滑的特性及其润滑机理研究已成为近年来摩擦学研究倍受关注的一个领域.

薄膜润滑的特征之一是在表观上体现为膜厚很小, 需要考虑微粒的尺度效应.可以认为, 薄膜润滑在本质上是有序分子起主要作用的一种润滑状态.可以将摩擦副的两表面之间的相对运动分解为挤压运动和剪切运动,其中剪切运动不破坏分子的有序排列,相反在吸附势和诱导力等作用下,它可促进有序分子形成;挤压运动则通过引起有序排列的分子姿态的改变来降低分子的有序度.

参考文献[1]中，应用偶合应力理论来分析薄膜润滑状态的润滑特性.通过利用计及应力偶效应的基本方程,包括：

1、修正Reynolds方程：

式中：U=U1+U2,h为油膜厚度，l为称为特征长度，具有长度量纲, 描述应力偶的相对作用.

2、粘度方程和膜厚方程及载荷方程：

粘度方程:

膜厚方程(考察球与平板的光滑接触):

载荷方程:

式中：γ=h/l.

其实验结果为：

1、应力偶对粘度的增加效应：

随着γ减小(通过增加l或者减小h),粘度增加量的增加倍数增大,当γ小于4以后粘度增加量急剧增大.由此可以预知,在C很小时,润滑油膜厚度与工况参数的关系明显地偏离弹流润滑理论结果, 而表现出对特征尺度的依赖效应.

2、油膜厚度与速度的关系：

当存在应力偶作用(l>0)时,油膜厚度均大于相应弹流润滑解的膜厚值,而且特征长度越大,膜厚增加越明显.当速度较高而相应油膜厚度很大时,应力偶对膜厚的影响很小.当存在应力偶时,膜厚与速度的关系不再呈简单的指数关系;膜厚越小,材料特征长度越大,则偏离越显著,从而体现出尺度效应.可以认为,在膜厚较大时,有序膜密度较小,处于弹流润滑区;随着膜厚逐渐减小,有序膜的作用变得明显,逐渐过渡到薄膜润滑状态.

3、油膜厚度与载荷的关系：

有序分子膜可以增加润滑膜的承载能力. 载荷对膜厚变化的影响不如速度的影响大.

4、油膜厚度与润滑剂粘度的关系：

在高膜厚区有序膜影响小,可以认为其处于弹流润滑区.当存在应力偶时,油膜厚度增加,这种影响随着特征长度的增加而更为明显.在低膜厚区,有序膜所占比例增加,明显偏离弹流曲线,润滑剂粘度同油膜厚度不再具有明显的指数关系在对数坐标上偏离了直线关系,体现出尺度效应.

参考文献[2]中，双电层对薄膜润滑具有明显影响.建立了考虑双电层效应的有限宽组合滑块薄膜润滑数学模型,利用在油润滑中施加外加电场和在水润滑中添加KCl.以改变润滑剂中离子浓度进行组合滑块润滑试验,并利用试验结果对润滑中双电层效应的计算系数进行修正. 试验中以水作为润滑基础液, 选用KCl作为添加剂.施加载荷为470mN.且组合滑块尺寸分别为B1=5mm,B2=10mm,b=15mm.组合滑块和摩擦盘材料分别选用A3钢和不锈钢，如图：

其实验结果为：

1、在膜厚为100nm以下,流体的等效粘度随膜厚减小而迅速增加,为水的粘度的100倍以上;在膜厚为100nm以上时,流体的等效粘度随膜厚增加而逐渐减小.

2、随着电场强度增加,双电层的电粘度效应增加,当电场强度达到一定程度时,双电层的电粘度效应开始减弱.这是因为在施加外电场后,润滑剂中的分子被部分极化,从而增强了摩擦副界面处双电层的离子浓度,增加了双电层的电粘度.但是随着电场强度增加,润滑剂分子被极化的比例逐渐增加,使得分子在润滑区的排列更有规律,沿流体运动方向流体的抗剪切性下降,粘度降低.

又由于在薄膜润滑状态下,润滑剂具有表观粘度高、粘弹性和松弛时间效应强等特点，因此适用于牛顿流体的经典润滑理论不能准确反映薄膜润滑特性,要求考虑薄膜润滑的非牛顿特性.二阶流体模型在处理非牛顿问题时表现出了明显的优势,近年来受到了广泛关注. 该模型的流体应力应变率关系式中引入了含对应变率的二阶偏微分项,计入了时间因素和粘度的方向性,具有更广义的非牛顿性.

参考文献[3]中，进一步考虑了固体表面的变形,并利用薄膜润滑状态下的非牛顿性和类

固体特性,建立了薄膜润滑的数学模型,对线接触弹流薄膜润滑问题进行了数值分析计算.

数学模型：

1、薄膜的类固体特性：

式中:η

压力为0时的体相粘度;d为待定常数系数;δ为粘附层的厚度,同膜厚、油品分

子和基体材料有关.

2、等效粘度：

3、速度求解：

计算分析：

1、粘变薄膜的刚性比牛顿流体的强.在膜厚较大的轻载区和中载区,薄膜的刚性随De数的增大而稍有提高;但在膜厚较小的重载区,油膜的刚性随De的增大而逐渐减小.

2、牛顿流体和粘变流体的摩擦力均随载荷的增加而增加;在轻载区摩擦力增加较快;在中载区摩擦力几乎保持不变,出现摩擦力平台;在重载区摩擦力快速增加,且牛顿流体油膜厚度迅速减小,而粘变流体依然保持承载能力.

3、在重载情况下,油膜承载能力迅速下降.

4、较大De数相应的油膜随载荷增加而急剧变薄.

5、牛顿流体和粘变流体的膜厚均随卷吸速度的降低而减小.粘变薄膜厚度与速度的相关性同牛顿流体相比小得多.对应于不同De数的膜厚-卷吸速度关系曲线的变化趋势相似,且不因引入二阶项而改变，与雒建斌等[4]实验结果一致，说明本文提出的粘变模型适用于薄膜润滑的理论计算.

结论：

1、应用偶合应力理论来分析薄膜润滑状态的润滑特性时，我们可知：

a、利用应力偶理论可以较好地预测薄膜润滑的润滑特性.

b、在薄膜润滑下的油膜厚度大于弹流理论预期值,膜厚越薄,即有序分子膜所起作用越大时,薄膜润滑膜厚较弹流解增加的幅值越大.在薄膜润滑下,润滑膜厚和速度以及粘度的关系不再呈简单的指数关系.

c、同弹流润滑下类似,薄膜润滑时的膜厚随载荷的变化曲线较平稳.有序分子膜的作