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 \%$$!$资助项目!""通讯作者!*%+,-.#+9>
70G !=,<008:0+8:;摘要!!气穴":,Y -?,?-0;#是流体润滑领域十分常见的现象8利用传统的光弹流实验机对球%
盘接触副的气穴形成和发展过程进行了初步的观察!研究了纯滚动和纯滑动条件下气穴区的不同!发现了滑动条件下片状气穴区的出现8同时还研究了滑滚比%压力及卷吸速度等对气穴的影响8初步分析认为相对滑动引起油膜中最大主应力的增加诱发了所观察到的片状气穴区8关键词!!弹流润滑!气穴!卷吸速度!剪应力!!气穴"
:,Y -?,?-0;$是动压油膜润滑中的常见现象8当润滑油离开接触副高压区经过几何发散出口区时!油膜压力急剧下降8当出口区压力低于润滑油中溶解空气的饱和压力"一般为环境压力$时!部分溶解空气分离逸出)或者当油膜压力低于润滑油饱和蒸气压力时!润滑油气化都会导致出口区油膜破裂!形成气穴8气穴的产生对润滑性能有着直接的影响8多年以来!针对油膜润滑中的气穴现象!各国学者做了大量的研究工作8在实验方面!研究了各种不同的润滑气穴类型并探究其物理本质!如在B 0250;等关于滑动轴承&种气穴形状变化的观
察%$&!H .0391>关于轻载条件下的亚气穴压力和气穴区油流数的研究%!
&!B 9..-5等关于活塞环润滑区气穴形式的系统观察%&
&!T <9;>等关于挤压油膜气穴问题的研究%)&
8在理论方面!主要工作集中于
C 9=
;0.65方程求解过程中气穴起始边界和油膜再结合区的处理!如Q H Z 模型及其改进和*.016算
法%"!’&8
应当说明的是!已有的气穴问题的研究大多集中于低副接触的滑动轴承8对于弹流润滑!出口区的压力远远小于接触区的压力!一般的C 9=;%0.65边界条件就可得到满意的分析结果!不必要深入探究气穴的影响8近年来!弹流分析已开始
考虑表面微观形貌和局部几何特征的影响8如当考虑表面微观突起和点蚀凹坑的影响时!传统的弹流接触区可看成由几个微弹流区组成8在微弹流区!气穴发生时只应用C 9=;0.65边界条件而忽略质量流量连续条件显然是不合适的8针对此类问题!借用滑动轴承的气穴理论!已完成了一些
初步工作%(&
8另外!在某些特别工况下!如活塞
环的润滑分析!C 9=
;0.65边界条件也会带来误差%J &8应当看到!与低应力的滑动轴承相比!弹
流润滑具有自己的特性8如当弹流接触副在较高的滑动速度和极薄的油膜厚度下工作时!油膜承受很大的剪切应力!这也可能在相当的程度上影响气穴的产生8因此有必要对弹流润滑的气穴现象进行深入的系统研究8本文以此为目的!对球%
盘接触副的弹流润滑的气穴现象进行了初步的实验观察!在较大的无量纲速度范围内!重点研究了弹流润滑在不同剪切条件下的气穴发生行为8
!!实验装置
实验在作者建造的光弹流实验机上进行8弹流润滑通过加载的钢球%
玻璃盘接触实现8玻璃盘由冕牌F I 玻璃制成!其与球接触一侧镀有分光铬膜!公称厚度为!#;+8钢球直径为!"8)++8实验中!
’
"#$
白光经窄带滤波片"中心波长’##;+!H XAP #
$#;+$后变为准单色光!射入弹流接触区形成干涉条纹8干涉图样经显微镜放大后由T T B 输入计算
机8由于钢与铬的金属吸光性和钢%油膜界面的高反射率!双光束理论会引起测量误差!因此实验采用
了多光束干涉原理进行数据处理%I &
8
表!!实验所用润滑油的特性
润滑油密度"!#k $("E >
4+U &$动力粘度"!#k $("[,
45$动力粘度"$##k $("[,
45$折射率[M !)##
I #"8#
$#"#8#
)8(##
$8"#)
#!实验结果与讨论
实验温度为!#m $k ’施加载荷为J ,&!L !对应A 91?K 压力#’&!,#’"$/[,
’实验用润滑油为[M !)##!性质见表$’实验中可实现的稳定卷吸速度T 9为#’##",(’)’++(5!其中T 9$"T 6+T 3
$(!!T 3和T 6为接触处玻璃盘和钢球表面的速度’对应无
量纲速度l 9为&’"&l$#/$!,"’!(l$#
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!l 9$T 9:#("W 5\$!:
#为润滑油的环境动力粘度!W 5为玻璃盘与钢球的综合弹性模量!取为$’$(l $#$$
[,!\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$#’!)I++
(5对应干涉图像所示’随卷吸速度提高!油膜厚度增加!蕨叶气穴部分的图案向外侧的宽条状图案渐渐转化!直到整个气穴区全部为离散长条状图案’而且!随卷吸速度增加!气穴发生区向出口方向发生明显转移’
(
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在纯滑动条件下!气穴区及其变化与上述纯滚动条件下的观察有着明显的区别’当卷吸速度较低时!并无蕨叶气穴图案出现’对应接触区的气穴图案为离散的细条状!在接触区以外!离散条纹迅速变宽!如T 9$#’!)I++
(5的干涉图像所示’与纯滚动条件下不同的是!该条纹全部与卷吸速度方向平行!而且端部为尖状’随卷吸速度增加!气穴区逐渐向入口方向移动!恰恰与纯滚动条件下相反’图$"3$表示了这种不同!图中8表示沿卷吸中心线!气穴发生点与接触中心的距离’负值的8表示气穴区已经沿入口方向越过接触中心’
实验中观察到的另一十分有趣的现象是纯滑动条件下形成的连续的片状气穴区’由图$",$可以看到!在纯滑动条件下"Y $!$!随卷吸速度提高!在气穴产生的边界处!离散的条纹状气穴逐渐合并成一完整片状气穴区!片状气穴区随卷吸速度提高向入口区移动’相对离散的条纹状气穴!片状气穴区的位置和形状相对稳定’B 0250;等对圆柱6平面形
成的低副接触气穴的图案进行研究%$&
!也观察到类
似的片状气穴区’但对于高副的球6盘接触!作者尚未见到研究报道’
另外!由图$",$还可看到!纯滚动和纯滑动条件下!接触区油膜的形状也不相同!对此文献%$#&已有专门的讨论’
实验表明!在纯滑动条件下片状气穴区只有在一定速度下才能形成!形成速度与载荷相关’图!为作者通过实验得到的纯滑动条件下片状气穴形成的速度6载荷关系曲线!可以看到载荷越高!形成
片状气穴所需卷吸速度"纯滑动条件下!滑动速度是卷吸速度的!倍$越高’在曲线之上为片状气穴
图#!盘纯滑动时片状气穴产生的压力速度图
存在区域’由于判断连续的片状气穴形成有一定的主观性!实验数据有较大的波动’图!中的曲线由"次实验结果平均得到’
通过实验观察到!气穴区产生的位置随实验条件的不同而不同!如图$所示’作者对其中的规律进行了进一步的实验研究’图&表示不同载荷X 下沿卷吸中心线气穴发生点与接触中心的距离!图中将该距离8进行了无量纲化!纵坐标为8(E !E 为
与X 对应的A 91?K 接触半径’在纯滚动条件下!如图&",$数据所示8(E 随卷吸速度增加而增加!低载荷对应较大的增加速率)高载荷时气穴区相对接触区距离较近!即对应较小的8(E ’图&"3$为纯滑动的结果!8(E 随卷吸速度增加而减小’在卷吸速
度小于约!’J++45/$
时!8(E 没有明显的载荷依赖性)当卷吸速度大于!’J++45
U $
时!即气穴区沿入口方向越过接触中心!此时载荷X $$#L 对
应的8(E 有较大的下降’在盘纯滑动时!"8(E $
,X 变化规律较为复杂’
图$!载荷对气穴初始位置的影响
",$纯滚动)"3
$盘纯滑动J
"
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!!图)为玻璃盘转速固定!钢球转速变化时的油膜干涉图像’由于钢球的转速远小于玻璃盘的转速!可以近似认为润滑油卷吸速度恒定’可以看到!钢球的运动对气穴区有着明显的影响’随钢球速度的减小!气穴区图案由离散条纹状变为连续片状!而且气穴区向入口方向移动’图"为测得的参数8(E在不同钢球转速下随玻璃盘转速的变化’当球的速度为#时"此时为纯滑动$!曲线倾斜得最为明显’随着球速度的增大!玻璃盘转速对8(E的影响减小’
图-!不同球转速的干涉图像盘转动速度T
6
N’8$++(5!X N$’L
图2!球"盘速度对气穴区位置的影响
载荷X N$’L
!!图’为滑滚比Y对距离参数8(E的影响’由图可见!随着滑滚比由#增大到!!曲线由向上倾斜逐渐变为向下倾斜’在Y$$’J左右!8(E受卷吸速度影响最小’图’还表明!在同一卷吸速度下! 8(E随滑滚比的增加而减小!即气穴区向入口方向移动’在图’所示参数范围内!并无连续的片状气穴区出现’图像显示的是离散的条状气穴区!并且!随滑滚比增加!条状气穴起始端渐渐变尖’由于条状气穴的起始端在实验中很难达到绝对稳定!在一定范围内出现变化!造成了测量数据的波动和误差’
以上实验表明!在相同的卷吸速度条件下!纯滚动和纯滑动的气穴的形态明显不同!主要表现为纯滑动时连续片状气穴的出现以及条状气穴区的方向和起始端形状的变化’这种不同!可能与气穴区在纯滑动时受剪切变形相关’更进一步!也可能与不同条件下气穴形成的机制有关’在油膜润滑分析中!通常认为油膜的压力水平决定气穴的发生’实际上油膜的压力:为一平均量!为油膜应力张量的第一不变量的$(&’近年来!一些研究人员认识到将液体压力作为气穴发生与否的判据有其局限性!运动液体的气穴判定应当建立在应力状态的基础上!流场中某点的性质由其主应力状态而非压力大小决定%$$!$!&’
图7!滑滚比对气穴位置的影响
载荷X N$’L
例如!在球6盘接触沿卷吸方向中心线附近!忽略侧泄效应!在直角坐标系中!L92?0;流体应力张量可写为
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$式中:为油膜压力!81U 为剪应力!:为润滑油粘度!,4
为剪应变率’油膜主应力#$!#!!#&
由计算张量P 矩阵的特征值得到!
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$!!根据最大主应力准则!当#$%#:时!气穴发
生’#:为临界应力值’对应于目前的实验观察!#:$/::!此处::为液体的溶解空气饱和压力’在纯滚动情况下!出口区压力流动产生的剪切应力:,4
影响非常小!#$(/
:!当油膜压力:低于::!气穴产生’纯滑动时!在出口区,4
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[,45!:
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[,$’即使:%::
!由于:,4
的存在!#$%#:也会得到满足!从而导致气穴产生’因此可以看到!纯滑动对气穴的影响在于两个方面!一是造成形成的气穴形状的改变!另一方面!剪应力的增大促进了出口区气穴的发生和发展!图’的实验结果也表明随滑滚比增大!气穴区向入口方向移动’另外!实验观察到的纯滚动和相对滑动条件下气穴条纹的不同及片状气穴区的出现!也可能归因于气穴的剪应力诱发’
上述分析是非常初步性的!仅仅针对实验观察提出了推测!更为合理的分析依赖于进一步的实验和相关的理论计算’
$!结论
本文利用传统的光弹流实验装置在较大无量纲速度范围内初步研究了球%盘接触对应气穴区的特征!可得到以下结论#
"$$在纯滚动和纯滑动条件下球%
盘接触出口区气穴有着不同的图案!纯滑动条件下气穴条纹起始端变尖!卷吸速度提高出现片状气穴区8
"!$片状气穴区的出现速度随载荷的增大而增大8
"&
$在纯滚动条件下!气穴区随卷吸速度增加向出口方向移动!而在存在较大滑动条件下!气穴区随卷吸速度增加向入口方向移动8卷吸速度相同!滑滚比增加!气穴区向入口方向移动8
参!考!文!献
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