（机械制造及其自动化专业论文）颗粒流润滑中的剪切膨胀现象及其形成机理探索.pdf

合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席： 邸扯 委 合肥工业大学教授 合肥工业大学教授 岁l 伟 中科院合肥物质科学研究院副研究员 导师： 杂f 娃。 合肥工业大学教授 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金目巴王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位做作者签字獬研签字日期沙c f 年i 功( 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目墨至些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金匿王些盘 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：池访匆 签字日期：如f f 年妒名日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：年月日 电话： 邮编： 颗粒流润滑中的剪切膨胀现象及其形成机理探索 摘要 为了研究颗粒流在摩擦副间隙中的运动和润滑特性，本文构建了一个双筒 剪切装置来研究内外筒的受力，并观察颗粒受剪切时所表现的特有现象。如通 过改变双筒的表面结构、转速、颗粒粒径和数量等因素来研究颗粒流的运动特 性和对摩擦副的影响。结果表明：摩擦副表面越粗糙、颗粒数量越多、颗粒尺 度越小，其摩擦力越大；在剪切试验中颗粒流表现出膨胀现象，进而造成装置 振动，其成因与颗粒架拱及强力链有密切关联。 针对颗粒受剪切过程，本文还利用离散元法构建了平行板剪切模型，通过 上下板间相对运动，监测上板和颗粒的位移以及颗粒间力链的演变，模拟结果 表明了颗粒体系受剪切过程中伴随着膨胀和收缩过程，这一特性与流体存在差 异。 为了对实验中无法测量的参数有进一步了解，基于颗粒物质特性，利用离 散单元法重现双筒剪切模型，验证实验中各种参数的影响并对模拟过程中颗粒 体系的力链结构等微观特性进行研究。实验与仿真结果显示：颗粒粒径和颗粒 体系的体积分数对颗粒的运动以及颗粒内部力链结构有较大影响；多种参数上 两者变化趋势相近，表明了仿真模型的可行性；不同参数对颗粒体系力链结构、 接触力和摩擦功等影响较大，如随着摩擦系数的增大，颗粒体系的平均接触力 和摩擦功均增大。 关键词：颗粒流，双筒剪切，离散元法，力链，剪切膨胀 t h er e s e a r c ho f d i l a t a n c yp h e n o m e n o na n di t s l _ 1 1 0 r m a t i o nm e c i l a n i s mi ng r a n u l a rl ub r i c a t i o n a b s t r a c t i no r d e rt os t u d yt h em o v e m e n ta n dl u b r i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fg r a n u l a rf l o w i nt h et r i b o - p a i r s ，ac i r c u l a r i t ys h e a rc e l lh a sb e e nc o n s t r u c t e dt os i m u l a t et h es h e a r m o v e m e n to fi n f i n i t ep a r a l l e lp l a t ea n do b s e r v et h ed y n a m i cb e h a v i o ro fg r a n u l ei n t h e t r i b o p a i r s t h e s u r f a c e s t r u c t u r e ，s p e e d ，p a r t i c l e s i z ea n dt h en u m b e ro f p a r t i c l e s a r ec h a n g e dt os t u d yt h em o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c so fg r a n u l ea n di t s e f f e c t so nt h et r i b o - p a i r s t h er e s u l t ss h o wt h a tb o u n d a r yc o n d i t i o n sa n dp a r t i c l e p r o p e r t i e sh a v eg r e a te f f e c t so nt h em o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c so fg r a n u l a rf l o w , a n d t h es h e a rd i l a t a n c yp h e n o m e n o nw h i c hm a yc a u s et h ev i b r a t i o na r es t r o n g l yr e l a t e d t ot h ep a r t i c l ea r c ha n di t si n h e r e n tf o r c ec h a i n d i s c r e t ee l e m e n tm e t h o di sc o n s t r u c t e df o rp a r a l l e l p l a t es h e a rm o d e li nt h i s p a p e r w h i l et h er e l a t i v em o t i o nh a p p e n sb e t w e e nt h eu p p e ra n dl o w e rp a n e l s ，t h e b o a r da n dp a r t i c l ed i s p l a c e m e n tc a nb em o n i t o r e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e p a r t i c l es y s t e mi sa l w a y sw i t ht h ep r o c e s so fe x p a n s i o na n dc o n t r a c t i o nu n d e r s h e a r i n g ，t h ec h a r a c t e r i s t i c sa r ed i f f e r e n tf r o mf l u i d s f o rab e t t e ru n d e r s t a n d i n go fe x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r s ，d e mi su s e dt o r e p r o d u c et h e s h e a rm o d e la n dr e s e a r c ht h ef o r c ec h a i ns t r u c t u r ea n do t h e r m i c r o s c o p i cc h a r a c t e r i s t i c so fp a r t i c l e s t h er e s u l t so fe x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o n s h o wt h a tm o s to ft h e i r p a r a m e t e r s h a v es i m i l a rt r e n d s ，w h i c hi n d i c a t e st h e f e a s i b i l i t yo fs i m u l a t i o nm o d e l d i f f e r e n tp a r a m e t e r sh a v ed i f f e r e n ti n f l u e n c e so n f o r c ec h a i ns t r u c t u r e c o n t a c tf o r c ea n df r i c t i o nw o r k a st h ef r i c t i o nc o e 伍c i e n t b e t w e e nt h ep a r t i c l e si n c r e a s e s ，a v e r a g ec o n t a c tf o r c ea n df r i c t i o np o w e ro ft h e p a r t i c l es y s t e mi n c r e a s e sr e s p e c t i v e l y k e y w o r d s ：g r a n u l a rf l o w ；c i r c u l a r i t ys h e a rc e l l ；d i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d ；f o r c e c h a i n ；s h e a rd i l a t a n c y v 致谢 在论文完成之际，感谢我的导师刘煜教授，三年来，刘老师渊博的学识、严谨的 治学、平易近人的性格和高尚的人格魅力都使我终身受益。本论文从选题到研究过程 中，刘老师都给予了悉心的帮助和精心的指导，倾注了大量的时间和心血。刘老师的 “细节决定成败这句师训时刻鞭策我在学习和生活上严格要求自己。在此谨向刘老 师表示最衷心的感谢，祝刘老师身体健康工作顺利。 感谢在课题开展过程中给与我悉心指导和帮助的王伟老师，从如何检索和阅读文 献资料，如何开展实验研究以及小论文和大论文的撰写工作，王老师都抽出宝贵的时 间对我进行指导。王老师创造性的思维以及认真的工作态度深深地影响着我。 感谢摩擦所为我提供了良好的学习环境，为我顺利完成学习提供了很大的帮助， 感谢刘小君老师、胡献国老师、俞建卫老师、焦明华老师、解挺老师、尹延国老师、 田明老师等全所老师给予我的指导和帮助。 感谢国家自然科学基金项目“非流态化颗粒流润滑机理研究”( 5 0 7 7 5 0 6 0 ) 和“密集 颗粒体表面摩擦系统的力链演变及其控制( 5 1 0 0 5 0 6 7 ) 对本文研究工作的支持。 感谢课题组里的各位同学：魏庆森、赵明、刘仕冬、李见、李兵、周洋等在课题 开展和研究过程中给予的帮助，以及在生活上的照顾和帮助。感谢在我攻读学位期间 的师弟师妹：张志斌、李媛、董慧芳、徐新泉等，在我课题开展过程中提供了很多宝 贵的意见。 感谢所里面的同学：王国丰、林福东、魏巍、周健等，谢谢你们三年来陪我度过 的美好时光。 感谢生我养我，给予我经济上、精神上巨大支持的父母，在这里道一声：你们辛 苦了! 张伯平 2 0 1 1 年3 月 第一章 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 第二章 2 1 2 2 2 4 2 5 第三章 3 1 3 2 3 3 3 4 第四章 4 1 4 2 目录 绪论l 概j 2 睦1 颗粒流润滑的研究现状l 颗粒流润滑中的剪切膨胀现象5 颗粒流润滑研究现状评述8 本文研究内容8 颗粒介质双筒剪切装置的试验研究1 0 导言1 0 试验设备和装置1 0 2 2 1试验设备1 0 2 2 2试验装置的设计1 1 2 2 3试验原理1 2 双筒剪切装置的实验研究1 3 2 3 1表面结构的影响1 3 2 3 2偏心对实验的影响1 5 2 3 3颗粒数量的影响1 7 2 3 4颗粒尺度的影响1 8 2 3 5颗粒材料的影响2 l 2 3 6外层颗粒的运动和分布2 2 2 3 7实验中的剪切膨胀现象2 3 实验误差分析2 5 本章小结。2 6 离散元方法基本理论及剪切膨胀模型2 7 数值模拟计算方法。2 7 颗粒流方法简介。2 7 3 2 1二维颗粒流程序的基本假设2 8 3 2 2颗粒流程序的基本力学理论。2 8 3 2 3p f c 中单元接触的本构关系2 9 颗粒流的剪切膨胀模型3 0 本章小结3 4 针对双筒剪切的离散单元法模拟3 5 颗粒流润滑模型的建立3 5 4 1 1数值模拟测量方法3 5 4 1 2主要参数的确定3 6 颗粒流润滑模型中各种参数的影响3 7 4 2 1颗粒摩擦系数的影响3 7 4 2 2颗粒接触刚度的影响4 0 4 2 3颗粒尺度的影响4 0 4 2 4颗粒面积分数的影响4 4 4 2 5转速的影响4 9 4 2 6内圈表面结构的影响5 0 4 3 部分实验与模拟结果的对比5 1 4 3 1颗粒尺度对比5 1 4 3 2转速影响的比较5 2 4 4 颗粒流模拟过程中的微观特性研究5 3 4 5 本章小结5 6 第五章总结与展望5 8 5 1总结5 8 5 2 展望5 8 参考文献6 0 攻读硕士学位期间发表的论文6 0 插图清单 图1 1 剪切膨胀示意图6 图2 1 实验设备的实物图和原理图1 0 图2 2 测量系统1 1 图2 3 双筒剪切装置1 2 图2 - 4 双筒剪切装置原理图1 3 图2 5 有机玻璃管管壁1 3 图2 6 光滑表面的试验1 4 图2 7 浅槽表面的试验1 4 图2 8 深槽表面的试验1 4 图2 - 9 三种表面情况对摩擦力的影响1 4 图2 1 0 装置偏心时的照片1 5 图2 11 装有一半颗粒在偏心的情况1 6 图2 1 2 装满颗粒在偏心的情况1 6 图2 1 3 内层颗粒的受力1 6 图2 1 4 偏心对摩擦力的影响1 6 图2 1 5 装有不同颗粒数目的照片1 7 图2 1 6 颗粒数目对摩擦力的影响1 8 图2 1 7 颗粒分层图片1 9 图2 1 8 不同颗粒尺度的情况2 0 图2 1 9 大小颗粒对摩擦力的影响2 1 图2 2 0 塑料颗粒对摩擦力的影响2 2 图2 2 1 不同颗粒材料对试验的影响一2 2 图2 2 2 试验中外层颗粒的运动状态2 3 图2 2 3 试验过程中的瞬时波形2 4 图2 2 4 钢球表面的磨损状况一2 4 图2 2 5 实验过程波形图2 5 图3 1p f c 计算过程循环图2 9 图3 2 单元接触点的本构关系。2 9 图3 3 接触连接和平行连接模型3 0 图3 4 颗粒问平行连接示意图3 0 图3 5 平行板剪切模型31 图3 6 颗粒法向位移随时步的变化3 1 图3 7 平板的法向位移随时步的变化。3 2 图3 8 平行板剪切过程3 3 图4 1 双筒剪切的数值模型。3 5 图4 2 外圈受力的测量示意图3 6 图4 3 切向力随时步的变化。3 7 图4 4 膨胀力随时步的变化。3 8 图4 5 摩擦系数对外圈受力的影响3 8 图4 6 不同摩擦系数力链变化示意图3 9 图4 7 刚度对外圈受力的影响4 0 图4 8 切向力随时步的变化4 1 图4 9 颗粒体系内部的力链结构4 1 图4 1 0 膨胀力随着时步的变化4 l 图4 1 1 颗粒粒径对外圈受力的影响4 2 图4 1 2 不同粒径颗粒随内圈转动的力链变化4 4 图4 1 3 切向力随时步的变化4 5 图4 1 4 膨胀力随时步的变化。4 5 图4 1 5 面积分数o 7 5 时膨胀力随时步的影响4 6 图4 16 面积分数对外圈受力的影响4 6 图4 1 7 不同面积分数在内圈转动时的力链变化4 8 图4 1 8 特定转速下的切向力与膨胀力的对比4 9 图4 1 9 转速对外圈受力的影响4 9 图4 2 0 四种不同的表面结构5 0 图4 2 1 表面结构对外圈受力的影响5 l 图4 2 2 实验和模拟过程中颗粒大小对摩擦力的影响5 2 图4 2 3 实验和模拟过程中转速对摩擦力的影响。5 3 图4 2 4 颗粒随着内圈转动示意图5 4 图4 2 5 颗粒的受力随时步的变化5 5 图4 2 6 颗粒位移随时步的变化5 5 图4 2 7 颗粒接触力随时步变化5 5 图4 2 8 摩擦系数对颗粒接触力的影响5 5 图4 2 9 摩擦系数对摩擦功的影响5 6 图4 3 0 摩擦系数对颗粒应变能的影响5 6 表格清单 表2 1t j l 1 拉压力传感器规格1 1 表2 2 不同粒径的钢球的对比1 8 表2 3 两种颗粒材料的对比2 1 表2 4 不同的转速下通过筒壁槽间的时间2 2 表3 1 平行板模型的各种参数3 1 表4 1 仿真过程中的参数设定3 6 第一章绪论 1 1概述 颗粒物质广泛存在于自然界，和固体、液体一样，是人们最熟悉的物质类 型之一。一般研究的颗粒物质是指尺寸大于1 肛m 的颗粒的集合，当尺寸小于1 p m 时，布朗运动占据主导作用。对颗粒物质的研究最早可以追溯到1 7 7 3 年， 库伦提出了固体摩擦定律。早期对颗粒物质的研究主要集中在工程应用领域， 而最近2 0 年以来，人们开始关注颗粒体系的力学行为，并开展了大量的实验和 数值模拟，发现了许多奇特的现象。颗粒物质是一种新型的凝聚态物质，目前 对其认识与2 0 世纪3 0 年代对固体物理的认识相当【l j 。 单个颗粒物质的运动服从牛顿定律，而颗粒体系在外力作用或者内部应力 变化时，整体发生流动表现出类似于流体的性质，形成颗粒流。一般来说，颗 粒间隙充满液体和气体，因此严格来说，颗粒流是一种多相流。但是如果颗粒 为密排堆积，则可以忽略颗粒间隙的流体效应。 传统的润滑油或者润滑脂在温度高于2 0 0 时就逐渐开始失效，当温度高 于5 0 0 时，润滑油就会因为内部分解而失去作用。而颗粒流润滑即在摩擦副 间隙中填充粉末或者固体颗粒来进行润滑【2 j 。其具体思路是将固体材料以颗粒 或者粉末的形式直接导入摩擦副，使摩擦副间隙充满固体颗粒第三体，利用微 小颗粒的摩擦、碰撞、挤压、变形和滑滚等微观运动，减少相对运动的摩擦副 表面直接接触，从而达到减少摩擦和保护表面的目的【3 】。理论上可以用作润滑 剂的颗粒多种多样，如较软的固体粉末，通过颗粒与摩擦副表面的粘附作用和 颗粒自身的变形来降低剪切应力，实现更好的润滑，硬颗粒也是一种重要的研 究方向。颗粒流润滑过程中颗粒体系的运动和受力比较复杂，并表现出许多颗 粒流特有的现象。 1 2颗粒流润滑的研究现状 l颗粒流润滑的工程应用 颗粒流润滑的应用由来已久，其在工程领域中的应用最近二十年里发展迅 速，而且主要以粉末润滑为主。日常生活中关于粉末润滑最经典的实例就是锁 孔生锈了，钥匙没法插入，但我们在锁孔里填充一些铅笔芯粉末，在将钥匙插 入，试开几次就可以恢复正常。这就是典型的利用石墨粉末充当了润滑剂。目 前颗粒流润滑主要应用在粉末润滑轴承、切削加工和铸造工艺等领域上。 美国实施的“高性能涡轮发动机技术 计划要求在第二阶段轴承工作温度 为5 4 0 ，而在第三阶段将达到8 1 5 。而传统的润滑方式已经失去作用， h e s h m a t 和b r e w e 4 , 5 1 使用m o s 2 和w s 2 粉末在三瓦径向轴承上开展了喷粉润滑 实验，试验结果表明：随着转速和载荷的增加，摩擦系数和摩擦转矩处于一个 稳定的状态；特定的工作条件下，摩擦副可以达到热平衡；经过18 个小时的测 量，摩擦副表面没有明显的磨损。因为颗粒材料特性不同，m o s 2 和w s 2 的摩 擦系数存在微小的差异。 h e s h m a t 和k a u r 6 7 】将固体粉末润滑剂应用在轴承中，在轴承的刚启动阶 段，摩擦系数较传统轴承更小，这也证明了颗粒流润滑在实际应用中的可行性。 研究还发现，具有一定性能的颗粒润滑剂可以降低轴承的正常损耗并且能有效 的延长轴承寿命；为了进一步了解粉末润滑轴承的性能，他们设计了自带固体 或粉末润滑剂的滑动轴承实验样机。此实验样机在不同的初始条件下进行测试， 以验证粉末润滑的效果。部分试验中轴承运行时受到的载荷高达4 4 5n ，速度 达到3 0 0 0 0r s ，试验结果显示：粉末润滑轴承适应范围非常广泛，具有很好的 应用前景。 为了避免使用传统切削液对环境造成的污染，印度研究人员g o p a l 哺j 和 r e d d y 9 】分别将1 “m 和2p m 的石墨粉末持续导入到磨削加工表面，将试验结 果与传统切削液进行比较。结果显示：在对a i s i1 0 4 5 钢和s i c 陶瓷进行磨削 的过程中，利用粉末流润滑表现出更好的加工性能，减少了摩擦，并缓解了切 削液对环境的污染，改善了工件的表面质量，取得更高的可靠性和经济性。 2 颗粒流润滑的实验研究 颗粒流润滑的应用日渐广泛，因此针对颗粒流润滑的实验研究越来越被重 视，常见的实验装置有平行板剪切和环状剪切装置。颗粒流润滑的实验研究最 早可以追溯到r e y n o l d s f l 0 】第一次研究了密集填充了颗粒物质装置的膨胀特性。 c r a i g 1 l 】等人构建了一个环状剪切装置，用来研究干燥金属颗粒的快速剪切 过程。实验过程中在环状剪切单元里充满干燥的金属颗粒，金属颗粒密度为2 7 1 g c m 3 ，颗粒直径在0 6 1m m 和o 7 1m m 之间。通过此实验，c r a i g 主要来模拟 雷诺方程在颗粒流动中的应用情况。实验过程中，在低速状况下出现了颗粒接 触润滑，即粗糙表面和被压紧的颗粒间的接触力很强并且持续时间久。当速度 达到某些关键点时，颗粒间由于外部剪切运动的加快而出现间隙，摩擦系数突 然降低，这种现象一般认为颗粒体系处于颗粒动力学润滑状态。试验结果显示： 正应力与剪应力依赖于剪切速度，并且明显与摩擦副间隙厚度及金属粉末的体 积分数有关。 h e s h m a t 和ii o r d a n o 讲垃】等人设计了一种实验装置，将固体颗粒物质置于 摩擦副中，研究颗粒物质在干接触下的行为。通过实验模拟粉末润滑中滑动轴 承试验研究，结果显示颗粒物质的理化特性和摩擦副机械条件都会极大地影响 第三体的行为。 李红献【l3 】等人利用m q 8 0 0 端面试验机进行了实验，通过上下两圆环表面 的相对旋转运动，并在摩擦副中添加石墨粉、p t f e 粉、m o s 2 三种颗粒，检验 粉末颗粒对两金属表面摩擦磨损性能的影响。实验结果显示粉末颗粒具有良好 的介入性，摩擦副的摩擦系数和温度特性与自润滑材料相当，且粉末具有一定 2 的自修复和补偿作用。在高速低载作用下，粉末的润滑状态较好，整个过程中 摩擦系数较低，表现出良好的润滑性能。 王家军等人为了研究粉气混合流对摩擦副的润滑情况【l4 1 ，建立了向环块摩 擦副间隙输送粉气混合流的实验装置，具体是用空气压缩机提供高压的干燥气 流，经过粉末流化装置和喷粉设备将粉气混合流导入摩擦副中。在t i m k e n 摩 擦磨损试验机上，用石墨粉末进行了不同实验。结果表明，喷射装置可以源源 不断的将石墨粉气混合流带到环块摩擦副间隙中，使环块摩擦副一直处于良好 的线接触。在载荷达到4 5 0n 时，摩擦系数还处于较小的水平，并且随着载荷 的增大有不断减小的趋势，摩擦力随着载荷的增大而增大，但仍然处于较小水 平。环块摩擦副表面磨损量较小，磨痕呈现细条状。通过石墨粉气润滑的作用， 环块表面的相互摩擦转变为环块与石墨颗粒的摩擦。另外高压干燥气流能有效 的降低摩擦副温度。此实验表明石墨粉气混合流具有良好的润滑效果。 e l k h o l y , k h o n s a r i 1 5 】用粒径为3m m 的钢球在一个双圆盘剪切装置中进行 试验，实验装置中上圆盘可以绕轴自由转动，但在轴向不能运动，而下圆盘不 能转动，但在轴向可以自由移动。初始状态时对下圆盘施加一个轴向载荷，且 上下圆盘表面结构均可以调整。实验主要研究不同的外加载荷和表面结构随着 转速的变化对颗粒体系摩擦系数和膨胀位移的影响。结果证明：受剪切作用时， 开始阶段颗粒间的滑移产生的摩擦力小于稳定阶段滑移所产生的摩擦力。钢球 在上圆盘旋转作用下，产生一个轴向力，其方向随时间和外部条件的变化而变 化，并受此轴向力的影响产生轴向位移。外部载荷越大，颗粒体系的摩擦系数 越大，但产生的膨胀位移越小。而转速对膨胀位移的影响随着上下板表面结构 的不同而有所区别，对于上下板都是粗糙表面，则随着转速的增加，膨胀位移 增大。ii o r d a n o f f 和k h o n s a r i 1 6 】等人还研究了颗粒尺度对摩擦系数和膨胀位移 的影响。实验中将粒径2 2m m 和1 4m m 的颗粒按照4 种不同的比例混合。实 验结果表明，不同的颗粒尺寸对颗粒的摩擦系数和颗粒体系的膨胀位移有重要 的影响，这种影响随着外载荷和颗粒内部因素的不同而表现出不同的摩擦学特 性。 3颗粒流润滑的理论研究和数值仿真 正是由于颗粒物质和颗粒流运动的复杂性，人们还没有真正了解颗粒流润 滑机理，对颗粒流润滑的理论研究还处于刚起步阶段。为了研究颗粒物质特性， h a 1 7 l 依据宏观变量推导了一系列简化控制方程来描述颗粒流。并且将颗粒流 视为流体力学问题来进行处理，而根据虚功方程，用颗粒的波动来预测虚拟温 度。分子和颗粒问的一个主要区别在于颗粒间的碰撞是否为弹性碰撞。j o h n s o n ， j a c k s o n 18 1 ，以及k h o n s a r i 1 9 , 2 0 】，h e s h m a t 2 1 , 2 2 1 等将这个模型在摩擦学领域进行 了进一步完善，引入流体力学中的连续方程和动量方程，提出了类流体动压润 滑理论。该理论认为颗粒流沿厚度方向存在速度梯度，并且压力分布与流体动 压润滑压力分布类似。 最近二十年，广大科研工作者对摩擦副中颗粒第三体进行了大量研究。i i o r d a n o 2 3 】等人对最近常见的关于固体第三体的建模方法进行了总结。颗粒在 干接触情况下的第三体行为与很多外部因素有关，无论是物理化学条件的变化 还是机械条件的改变都对固体第三体行为产生很大的影响。由于实验的复杂性， 数值模型是一种常见的补充工具。目前对固体第三体的建模常见的模型有连续 模型和离散模型两种，而这两种方法也还处于早期的发展阶段，还需要进一步 完善。这些模型不仅能够模拟得到固体第三体的微观性能如颗粒间的接触，补 偿系数等，而且能够测量出颗粒体系的一些宏观特性如颗粒的承载能力和摩擦 系数等。通过连续法和离散单元法对固体第三体行为的模拟仿真，可以对颗粒 体系的运动特性和力学特性有更全面的了解。 摩擦副间隙的固体第三体受剪切的动力学行为到目前还不清楚。参考国内 外学者的研究可以知道摩擦副表面在固体第三体的速度协调机制和载荷传递过 程中具有主导作用。为了揭示固体第三体流动行为的转变过程，ii o r d a n o f f 和 b s e v e 2 4 】运用一个简单的离散元模型来研究固体第三体在干接触情况下的行 为。此模型中，固体第三体被认为是离散的相互作用颗粒的集合，颗粒间的内 部作用力是由力一一位移法则和牛顿第二定律决定的，整个颗粒体系的接触行 为可以由具体特征参数随时间的变化来分析。他们还研究了颗粒尺寸和颗粒内 部作用力对仿真结果的影响，并取得了一些预期的成果，特别是在此模型研究 的边界条件下，当内部颗粒间作用力互相排斥时，颗粒尺寸对颗粒流动几乎没 有影响；而当考虑颗粒间的结合力时则出现一些变化，颗粒尺寸对颗粒体系的 运动产生明显影响。模拟结果显示，颗粒的尺寸和颗粒内部作用力对固体第三 体的宏观特性具有重要影响。 f r e dh i g g s 和j o h nt i c h y t 2 s 】为了研究颗粒流润滑中颗粒的流动行为，建立 了颗粒动力学模型( g l k ) 。g l k 也是连续模型的一种，利用压力在颗粒体系 剪切中的传递与耗散特性以及严格的边界条件来建立适当的流变本构方程。运 用牛顿有限差分方法将g l k 应用于简单剪切流的处理。结果显示：大颗粒内部 的局部颗粒流动产生了新参数曲线。由g l k 模型所模拟出来的结果与以往的环 状剪切实验取得较好的一致性。并且运用颗粒动力学模型可以成功的预测颗粒 受剪切后的运动趋势。 王伟等【2 6 】基于离散元法构建了非流态化颗粒流润滑模型，分析了滑块曲面 形状因素对颗粒流润滑的影响，同时以颗粒间接触点为研究对象，考察平均接 触力、颗粒总动能等微观特性。试验结果表明颗粒介质具有类固体和类流体性 质。斜面滑块的总载荷和摩擦因数较好，阶梯形滑块的载荷峰值和摩擦因数最 大。 为了研究颗粒流润滑中颗粒的流动特性，i i o r d a n o f f 和mm k h o n s a r i l z ，j 运用准二维的颗粒动力学仿真来模拟颗粒的流动行为。颗粒间的接触因素与动 4 力学模拟很接近，这种接触规律在准流体模型中也同样适用。将颗粒动力学模 拟与k m 所得的结果相比，两者取得很好的吻合。他们还指出颗粒流由动力学 向准流体形式转变的因素，并探究影响其转变的因素。研究表明，较大的面积 分数和颗粒严密的六边形堆积排列是导致这种转变的主要原因。近年来对粉末 润滑的研究逐步带动起对固体第三体的研究，这成为了摩擦学研究的重要组成 部分。动力学模型是应用流体力学和颗粒动力学理论来模拟颗粒运动的。各种 模型均对颗粒的流动特性和颗粒相互间的压力给出了预测，并且具有很好的一 致性。但对颗粒体系由动力学模型向准流体模型转变还需要认真研究。i i o r d a n o f f 认为局部的体积分数变化对颗粒体系的这种转变具有非常重大的影 响。 研究颗粒流润滑，有限元法( f e m ) 也是一种非常重要的方法，因此用有 限元模拟平行板剪切单元模型很快的发展起来。f r e dh i g g s 2 8 】用显式有限单元 法模拟了一个二维平行板剪切装置，此模型包含5 2 个形状各异的颗粒和上下2 块平行板。其中上板是光滑的，并且处于静止状态，下板表面具有一些凹凸峰， 并被施加一个水平向右的初始速度。颗粒与上下板之间以及颗粒相互间的摩擦 系数可以调整。还可以通过监控其中的具体颗粒来分析颗粒的受剪切运动和受 力情况。实验结果证明，颗粒在平行板剪切装置中的所受的应力和动能是时间 的函数。f e m 在模拟颗粒流滑移接触等现象中，是一种非常有效的工具，并且 与分子动力学( m d ) 方法相比较，其在监控颗粒接触，分析颗粒变形的能力 以及颗粒流中存在的力链现象有独特的优势。其得到的模拟结果与l u n 2 9 】仿真 的结果一致。由此可见，用显式有限单元法分析颗粒流也是一种重要的分析工 具。 季顺迎【3o 】研究了颗粒流的相变过程及本构方程，运用三维离散元法对非均 匀的颗粒体系在不同的体积分数和剪切速率下的运动过程进行了数值仿真，分 析了颗粒流由快速流动向准静态流动的转变过程。快速流动即颗粒之间为瞬时 接触，而准静态流动颗粒间是持续的接触。宏观应力在相变过程中与剪切速率 有不同的关系，在类固态与剪切速率无关，而在类液态则与剪切速率的平方成 正比。依据剪切速率，颗粒的相变过程分为快速流动、慢速流动和准静态流动。 颗粒体系内部的宏观应力、接触时间数、接触方式、有效摩擦系数、配位数、 团聚颗粒数量等参数是导致颗粒由类固态向液相转变的内在因素。这些参数从 各个角度反映颗粒的流动特性，但其内在表现出来的运动规律是一致的。当然 颗粒的尺寸、密度、刚度、摩擦系数、回弹系数等颗粒自身性质也对颗粒体系 的流变行为产生重要的影响。 1 3颗粒流润滑中的剪切膨胀现象 颗粒流润滑过程中，由于颗粒体系内部相互作用非常复杂，出现了一些颗 粒流所特有的现象，如振动对流、剪切膨胀等。而这些颗粒流润滑中特有的现 象对研究颗粒流的润滑理论和工程应用都有非常重要的意义。因此本文对颗粒 流润滑过程中颗粒体系受剪切产生膨胀这一现象进行研究。静态堆积的颗粒体 系受剪切作用后，颗粒体系的体积分数变小，即颗粒的堆积密度降低，就意味 着发生了剪切膨胀现象【3 1 1 。剪切膨胀现象对颗粒流润滑的研究非常重要，一方 面颗粒体系膨胀产生的法向作用力可以有效的承载，但颗粒体系受剪切表现出 来的膨胀和压缩现象也对颗粒流润滑产生了许多不确定因素。颗粒流动的复杂 特性其根本原因是颗粒内部接触力链网络的复杂变化p 引。即颗粒流润滑的剪切 膨胀现象与颗粒体系内部的力链结构有很大的关系。 e x p a n l i o n 图1 1 剪切膨胀示意图 在外荷载和重力作用下，颗粒之间相互接触、挤压形成力链，而颗粒接触 网络是支撑外载荷的基础：颗粒间的相对位置决定颗粒接触网络的形态，其数 学描述较为困难，平均配位数可能是描述接触网络性质的比较合理的参数之一 【33 1 。研究发现，接触网络上局部颗粒受力大小不同，使得接触颗粒间接触有强 弱之分，那么传递较大荷载的路径构成强力链，反之形成弱力链。弱力链几乎 均匀分布于颗粒体系内部，对强力链的稳定具有辅助作用，并参与强力链破坏 后的重构。如果改变外载荷方向，发现体系内部力链结构也发生了很大变化， 即力链结构对外荷载产生动态响应。颗粒体系具有颗粒一一力链一一体系的多 尺度结构，颗粒的非连续性和接触耗散是基本特征。力链不仅与颗粒材料的性 能有关( 如弹性模量和表面摩擦系数等) ，而且还受颗粒体系边界条件、初始条 件和外载荷的影响。这些都决定着颗粒体系的整体性质，因此对颗粒体系的研 究涉及多个物理层次结构和机制，而其中细观尺度的力链结构的形成以及演变 是颗粒多尺度研究的核心。颗粒体系受剪切运动时，其内部的力链结构的变化 对研究颗粒流润滑的剪切膨胀现象具有重要的意义。 rgw a n 和pjg u o 3 4 禾0 用一个简单的本构模型对应力一一膨胀方程进行 了修正。孔隙比这个独立的参数在其中起了很大的作用。而这种修正与能量耗 散方程也有较好的一致性。由于颗粒的特殊性，颗粒的应力应变关系和失效行 为非常复杂。文章的主要目的是将颗粒的塑性行为、应力膨胀与孔隙比、外载 6 荷关联起来。为了改进本构模型，运用非线性弹性理论和流动理论来解释弹性 变形和塑性变形。一般认为塑性变形是由宏观剪切和静压力引起的，因此模型 包括两个屈服表面。总的应变增量分为弹性应变和塑性应变，其中弹性应变用 胡克定律计算，而塑性应变取决于塑性本构方程。为了描述颗粒体系的剪切变 形机制，根据摩尔库伦准则引入最大主应力和最小主应力。最初r o w e j 推导 的应力膨胀方程将膨胀系数和有效应力比结合起来，但是这个方程不能有效的 描述在变形过程中颗粒体系的体系密度和孔隙比。为了更好的描述颗粒受剪切 的运动行为和膨胀特性，r gw a n 和p j g u o 总共运用了1 1 个参数来描述应 力膨胀方程，包括剪切膨胀参数、压缩参数、剪切模量、泊松比、颗粒材料的 内部参数如初始孔隙比、关键孔隙比、恒定体积下的摩擦角和其他一些参数。 其中一些参数可以根据标准实验来确定。作者还使用沙粒进行实验对比，文中 所有参数都有明确的物理意义，通过引进外载荷和孔隙比完善了应力膨胀方程。 试验中不同的初始孔隙比对颗粒体系的流动行为有很大的影响。针对研究所用 的沙粒，载荷越大，膨胀系数越小。最大摩擦角与最大膨胀系数有较好的一致 性。 m m a s s o u d i 和m m m e h r a b a d i l 3 6 j 探讨了摩尔一库伦准则在r a j a g o p a l 【j 等提出的本构方程中应用，一个基本的问题是只运用柯西应力张量能否准确的 描述颗粒流动的动态过程和几何特性，任何理论来描述颗粒物质的流动行为必 须包括几个颗粒物质所独有的特征参数。m 。m a s s o u d i 等人描述了颗粒体系的 膨胀现象，并进一步完善了应力张量的本构关系，并且明确表明法向应力差对 颗粒体系膨胀的影响。他们只考虑机械条件对颗粒的影响，而热力学影响、化 学变化等其他条件均没有考虑，认为应力张量是颗粒体系密度、颗粒体系密度 梯度、颗粒速度和速度梯度的函数。 m e h r d a dm a s s o u d i ，t r a nx p h u o c l 3 8 】对颗粒流在平行板剪切下的流动特性 进行了数值模拟。其中上板以一个恒定的速度移动，下板固定。在不考虑热力 学、化学和电磁学的影响下，颗粒体系主要满足三个守恒，质量守恒、线动量 守恒和角动量守恒。mm a s s o u d i 同样引入柯西应力张量这个重要参数来表征颗 粒流受剪切的运动行为。在模拟过程中，当颗粒体系受到两平板的剪切运动， 产