弹流润滑到混合润滑的过渡

高压接触中弹流润滑到混合润滑的过渡

作者：M. Scaraggi, G. Carbone

摘要

我们分析了夹在弹性球面和刚性粗糙衬底之间高压不平衡挤压过程中的油膜。我们发现，接触的固体的弹性性能之间的耦合，油流变性，表面粗糙度和所施加的负载决定了从完全弹流润滑到混合润滑，甚至边界润滑过渡的条件。特别是我们发现增加（减少）的表面粗糙度（常压）加快挤压过程，预测和收缩的时间间隔期间在混合润滑条件下发生的过渡。相反，接近体的初始间距仅轻微影响的过渡时间。我们还观察到，在混合润滑条件下，最高的粗糙–粗糙接触压力发生在分离固体之间的环形区域。最终得出结论认为，表面损坏和磨损应核在接触的外部区域。

2010年艾斯维尔有限公司保留所有权1.引言

我们提出了一个相对简单的模型来研究高压下粗糙刚性固体之间的薄油膜的挤压过程。该模型预测的全过程，从弹流润滑（其中负载只支持流体），到边界润滑（主要针对固- 固接触时发生）。粗糙与粗糙的相互作用方式是基于Scaraggi佩尔森(2009)提出的研究低压平衡滑动接触软弹性固体的想法。相对较小的负载的存在使得压电粘性和压密度的影响，以及润滑油的粘弹性和剪切稀化现象是可以忽略的。然而，在许多工程应用中，润滑条件下发生高压下，如在销–轮的情况下，连续可变变速器等（Carbone等人。，2009a，B）。在这种情况下，需要考虑压电粘性密度特性和压电，以及正确预测硬弹流挤压过程中润滑剂的流变。以前（Carbone等人，2009年a，b）我们处理这样的问题，是假设不同的油流变性：（一）牛顿（Carbone等人，2009年a），（二）麦克斯韦粘弹性，及（iii）Rabinowitsch粘性行为（Carbone 等，2009b的），并考虑到压电粘性和压电密度的特性的润滑剂。我们发现，在高压接触的情况下，巨大的压力空间分布不同于经典的赫兹分布，其特点是一个非中心环空压力峰值，在接触的外部区域和后向销的中心首次出现速度的迅速下降。在中央部分的接触非常高的压力使粘度急剧增加，这反过来又会使油硬度提高。这增加硬度的油，然后表现为刚性的冲压，其中，从众所周知的弹性理论可知，在这个圆形的高压区域的外周如果产生非常高的压力峰值，可能会产生较大的表面疲劳应力。我们还发现，在高压力下（GPA顺序），增加负载，进一步降低了油的粘度指数增长，直到挤压率稳定在完全润滑弹流润滑的条件下，达到小值均方根粗糙度（例如：0.1微米的钢- 钢接触的情况下，与所施加的正常负载1 kN和等效接触半径为0.1 m）。但是，我们忽略的粗糙-粗糙的相互作用，这可能是因为表面粗糙度的影响较小。在这项工作中，我们试图克服这个困难，我们提出了一种通用的模型来分析油（弹）流体动压润滑的挤压边界润滑条件下油膜的厚度和压力空间分布特征为时间的函数。我们强调是，尽管在探索粗糙度对流体动压润滑的过渡，但是目前也还没有任何理论能够准确地描述这种转变（道森，1998年，2005年张）。使得理论和数值处理较难的主要问题是，所有的实际表面粗糙度的尺度，通常是从毫米到纳米。这导致太多的自由度都应该由（确定的）数值计算。出于这个原因，目前，有两种方法主要用于克服困难的确定性方法的计算。第一种方法是根据关于空间的平均（Patir和陈，1978,1979李，2000年竖琴和萨伦特，2001年），均质化技术（Almqvist和Dasht孙，1978年，2006年萨林等人，2007年）。基本上,表面粗糙度是删除(综合)弹性固体之间有效的运动方程的润滑剂造成的。Patir和程(1978、1979)最先采用流体的概念并提出他们的平均雷诺方程。通过求解一个小矩形单元界面的粗糙的表面平均粗糙表面的几种实现流体流动方程，确定了流动的因素。在这种方法的基本假设是,表面粗糙度长度尺度发生在远远低于公称接触尺寸。在这种情况下,流量因素的影响,描述了表面粗糙度的(平均)流体的宏观结。然而,在这种方法中,局部弹性变形(在粗糙度尺度)产生的粗糙粗

糙面和粗糙面流体相互作用是被忽视的,这可能会导致不可忽略的错误（Meng等人最近所示。2009），尤其是当最小油膜厚度HMIN接近的均方根粗糙度HRMS。这并不奇怪，,因为减少了界面分离增加了直接接触粗糙面的数量然后不再可以忽略不计。

在这里我们提出一个平均场理论,表面微凸体之间的接触是通过采用统计处理的佩尔森接触力学理论(佩尔森、2001、2007),它允许计算实际固体–固体接触区域部分的接近固体的分离功能。佩尔松的理论是首选多重微凸体接触模型（Greenwood和威廉姆森，1966，Bush 等人，1975;格林伍德，2006），因为最近的调查（Carbone的和Bottiglione，2008 Carbone 的，2009 Carbone等。，2009C）有表明，它比多微凸体模型更准确。在我们的方法中,我们认为最大的长度尺度的表面粗糙度远小于宏观尺寸的接触面积。这种大尺度分离,允许调整,在宏观层面,粗糙度诱导微扰的压力和膜厚分布通过局部平均的解决方案。这也将使我们能够确定，在任何给定的局部位置在宏观接触区域，当地部分交流¼AC= A0直接固- 固接触的面积（其中A0是当地的名义接触面积见图1），在两个接近的固体面部分1 ac用润滑油分离。

2模型

系统研究是计划性地显示在下的图1，

图1

一个弹性光滑球面压在一个不规则粗糙度的衬底,其统计特性,在特点的功率谱密度,是完全已知的。因为润滑剂的存在，两个固体接不接触主要取决于膜的厚度。图2所示的在宏观尺度的刚性固体表面粗糙度是完全平均，因此也是局部数量分离（即油膜厚度），压力必须被解释为局部平均。然而，尽管在宏观尺度上的压力和分离的微波动是不可见的，我们提出要考虑他们的平均场理论。在我们的方法中，局部受力DF = P0（R，T）DA0是由于局部受力的总和的润滑剂DFF = PF（R，T）da0和局部受力DFC = PC（R，T）DA0确定由凹凸不平处，iedF= DFF+ DFC之间的直接接触。考虑到这一点，我们得到P0（R，T）= PF（R，T）+ PC（R，T），其中P0，PF和PC分别是，局部平均的总压力，流体压力和固- 固接触压力。正如我们显示，在固- 固接触的局部分离的压力（ŕ，吨）可以用佩尔松的接触理论力学计算（佩尔松，2007），而流体压力PF（R，T），可以满足润滑的雷诺方程。在之前的文章中(Carbone等。,2009 b),强调充分润滑挤压接触,我们已经表明,建模的润滑剂为牛顿流体可能导致不合理的过高压力峰值,由于紧缩过程的条件非常苛刻,油弹性性能不容忽视,粘弹性流变模型应该得到更可靠的结果。鉴于这些考虑，我们使用简单的麦克斯韦粘弹性模型来描述润滑油的流变性。我们还假设，粗糙表面的斜率的均方根是远小于1，以使球体的线性弹性变形可以通过叠加原理计算。