弹流润滑气穴现象的实验观察.pdf

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弹流润滑气穴现象的实验观察"

王学锋!郭!峰""!杨沛然

青岛理工大学机械工程学院!青岛!’’#&&

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##"%$#%!"收稿!!##"%$!%!!收修改稿!"国家自然科学基金"

批准号#"#)("$’"$!山东省自然科学基金"批准号#W !##)H $I $和青岛市科技发展基金"批准号##)%!%Q \%$$!$资助项目!""通讯作者!*%+,-.#+9>

70G !=,<008:0+8:;摘要!!气穴":,Y -?,?-0;#是流体润滑领域十分常见的现象8利用传统的光弹流实验机对球%

盘接触副的气穴形成和发展过程进行了初步的观察!研究了纯滚动和纯滑动条件下气穴区的不同!发现了滑动条件下片状气穴区的出现8同时还研究了滑滚比%压力及卷吸速度等对气穴的影响8初步分析认为相对滑动引起油膜中最大主应力的增加诱发了所观察到的片状气穴区8关键词!!弹流润滑!气穴!卷吸速度!剪应力!!气穴"

:,Y -?,?-0;$是动压油膜润滑中的常见现象8当润滑油离开接触副高压区经过几何发散出口区时!油膜压力急剧下降8当出口区压力低于润滑油中溶解空气的饱和压力"一般为环境压力$时!部分溶解空气分离逸出)或者当油膜压力低于润滑油饱和蒸气压力时!润滑油气化都会导致出口区油膜破裂!形成气穴8气穴的产生对润滑性能有着直接的影响8多年以来!针对油膜润滑中的气穴现象!各国学者做了大量的研究工作8在实验方面!研究了各种不同的润滑气穴类型并探究其物理本质!如在B 0250;等关于滑动轴承&种气穴形状变化的观

察%$&!H .0391>关于轻载条件下的亚气穴压力和气穴区油流数的研究%!

&!B 9..-5等关于活塞环润滑区气穴形式的系统观察%&

&!T <9;>等关于挤压油膜气穴问题的研究%)&

8在理论方面!主要工作集中于

C 9=

;0.65方程求解过程中气穴起始边界和油膜再结合区的处理!如Q H Z 模型及其改进和*.016算

法%"!’&8

应当说明的是!已有的气穴问题的研究大多集中于低副接触的滑动轴承8对于弹流润滑!出口区的压力远远小于接触区的压力!一般的C 9=;%0.65边界条件就可得到满意的分析结果!不必要深入探究气穴的影响8近年来!弹流分析已开始

考虑表面微观形貌和局部几何特征的影响8如当考虑表面微观突起和点蚀凹坑的影响时!传统的弹流接触区可看成由几个微弹流区组成8在微弹流区!气穴发生时只应用C 9=;0.65边界条件而忽略质量流量连续条件显然是不合适的8针对此类问题!借用滑动轴承的气穴理论!已完成了一些

初步工作%(&

8另外!在某些特别工况下!如活塞

环的润滑分析!C 9=

;0.65边界条件也会带来误差%J &8应当看到!与低应力的滑动轴承相比!弹

流润滑具有自己的特性8如当弹流接触副在较高的滑动速度和极薄的油膜厚度下工作时!油膜承受很大的剪切应力!这也可能在相当的程度上影响气穴的产生8因此有必要对弹流润滑的气穴现象进行深入的系统研究8本文以此为目的!对球%

盘接触副的弹流润滑的气穴现象进行了初步的实验观察!在较大的无量纲速度范围内!重点研究了弹流润滑在不同剪切条件下的气穴发生行为8

!!实验装置

实验在作者建造的光弹流实验机上进行8弹流润滑通过加载的钢球%

玻璃盘接触实现8玻璃盘由冕牌F I 玻璃制成!其与球接触一侧镀有分光铬膜!公称厚度为!#;+8钢球直径为!"8)++8实验中!

’

"#$

白光经窄带滤波片"中心波长’##;+!H XAP #

$#;+$后变为准单色光!射入弹流接触区形成干涉条纹8干涉图样经显微镜放大后由T T B 输入计算

机8由于钢与铬的金属吸光性和钢%油膜界面的高反射率!双光束理论会引起测量误差!因此实验采用

了多光束干涉原理进行数据处理%I &

8

表!!实验所用润滑油的特性

润滑油密度"!#k $("E >

4+U &$动力粘度"!#k $("[,

45$动力粘度"$##k $("[,

45$折射率[M !)##

I #"8#

$#"#8#

)8(##

$8"#)

#!实验结果与讨论

实验温度为!#m $k ’施加载荷为J ,&!L !对应A 91?K 压力#’&!,#’"$/[,

’实验用润滑油为[M !)##!性质见表$’实验中可实现的稳定卷吸速度T 9为#’##",(’)’++(5!其中T 9$"T 6+T 3

$(!!T 3和T 6为接触处玻璃盘和钢球表面的速度’对应无

量纲速度l 9为&’"&l$#/$!,"’!(l$#

/I

!l 9$T 9:#("W 5\$!:

#为润滑油的环境动力粘度!W 5为玻璃盘与钢球的综合弹性模量!取为$’$(l $#$$

[,!\为钢球半径!取为#’#$!(+’图$",

$所示的弹流干涉图像是在滑滚比Y $#和滑滚比Y $!条件下得到的’滑滚比Y 定义为Y $"T 6/T 3$(T 9’当Y $#时!实验中取T 6$T 3$T 9!为纯滚动)当Y $!时!实验中取T 6$!T 9!T 3$

#!为纯玻璃盘滑动’图!!纯滚动与纯滑动条件下气穴区的比较

载荷X N !!L !"

,$干涉图像)"3$沿卷吸中心线气穴起始点到接触中心距离8随卷吸速度的变化!!纯滚动时!当卷吸速度较低!对应接触区的气穴

部分为细小的蕨叶图案!而外侧为较宽的离散长条纹状图案!离散气穴条纹并不沿卷吸速度方向!而是与之成一角度!且端部为圆形!如T 9$#’!)I++

(5对应干涉图像所示’随卷吸速度提高!油膜厚度增加!蕨叶气穴部分的图案向外侧的宽条状图案渐渐转化!直到整个气穴区全部为离散长条状图案’而且!随卷吸速度增加!气穴发生区向出口方向发生明显转移’

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