（机械制造及其自动化专业论文）高压微间隙润滑成膜特性及温度场分布的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着纳米技术的迅速发展，特别是航天航空、超精密机械以及巨型操作机等领域中 许多关键部件的运动精度和制造精度需要已达到亚微米甚至纳米量级，同时伴随高压 力、高剪切率等复杂情况。而高剪切率会导致润滑材料分子链断裂，高压力会导致润滑 膜破裂，这些行为都会引发摩擦副润滑失效，严重时将会导致整个系统瘫痪。因此，探 索润滑材料在高压力、高剪切率、微间隙中的行为规律、尺度效应，对保障系统稳定性、 可靠性、经济性具有重要的理论意义和应用价值。本文的主要工作和结论如下： 首先，研制了高压微间隙润滑测试系统，可以应用于苛刻工况条件下( 高压力、高 剪切率、微间隙) 润滑薄膜厚度、摩擦力和温度的实时测量。本文的高压微间隙润滑测 试系统采用相对光强原理，其垂直方向上膜厚分辨率达到0 5 n m ，水平方向的分辨率可达 1 0 x m 。利用高精度扭矩仪，对球与盘问的摩擦力进行实时测量，测量精度为0 1 n 。运 用计算机实现了加载、设定转速的自动化。该系统为研究高压微间隙点接触成膜特性等 问题奠定了基础。 然后，在进行高压实验时，选用了蓝宝石盘和g c r l 5 球作为摩擦副。主要研究了不 同粘度和分子量大小的润滑材料，在不同压力和速度下的成膜特性。结果表明：在速度 较高，膜厚较大时，实验测量膜厚的曲线与h a m r o c k d o w s o n 公式的理论曲线基本吻合， 润滑处于弹流润滑状态。在速度较低，膜厚较小时，用h a m r o c k d o w s o n 公式计算的膜 厚值准确性明显下降，实验数据偏离理论曲线；高粘度和高分子量的润滑剂，实验曲线 高于h a m r o c k d o w s o n 公式理论曲线；而低粘度和低分子量的润滑剂，实验曲线低于 h a m r o c k d o w s o n 公式理论曲线。 最后，根据热辐射理论和红外热像仪的测温原理，利用红外热像仪实现了对点接触 赫兹接触区温度的测量，得到点接触区的温度分布规律，并与摩擦力进行了对比分析。 结果表明：在速度不变的条件下，温升随载荷的增加而增加；分析摩擦力的变化趋势与 接触区温度的分布规律，发现接触区温度与摩擦力之间存在一个滞后的关联。首先，初 始阶段温度上升，而摩擦力下降，但是摩擦力的数值较大，导致此时接触区内温度持续 上升；随摩擦力趋于平稳，接触区温度出现小幅回落后出现第二次小幅度上升；当速度 较大时，油膜厚度较大，此时带走热量开始增大，温度有所下降。 关键词：高压；测试系统；成膜特性；红外测温 高压微间隙润滑成膜特性及温度场分布的研究 s t u d yo ft h el u b r i c a n tf i l mf o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n dt e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o ni nn a n o g a pu n d e rh i g hp r e s s u r e a b s t r a c t w 拍t h er a p i dd e v e l o p m e n to fn a n o t e c h n o l o g y ，e s p e c i a l l yi ns u c ha r e a sa ss p a c e f l i g h t a n da v i a t i o n , u l t r a - p r e c i s i o nm e c h a n i c sa n dh u g eo p e r a t i n gm a c h i n e s ，e t c ，t h em o v i n ga n d m a n u f a c t u r i n gp r e c i s i o n sb e c o m et h es u b - m i c r o na n de v e nl l a n os c a l ei ns o m ec r i t i c a l c o m p o n e n t sa c c o m p a n i e db yv e r yc o m p l e xe a s e s ，e g ，h i g l lp r e s s u r ea n dh i g hs h e a rr a t e h i g hs h e a rr a t ec a r lr e s u l ti nt h er u p t u r eo ft h el u b r i c a n tm o l e c u l a rc h a i n s ，a n dh i g hp r e s s u r e c a l lr e s u l ti nt h ec o l l a p s eo ft h el u b r i c a n tf i l m b o t hc a s e sw i l li n d u c et h el u b r i c a t i o nf a i l u r e b e t w e e nt f i b o p a i r s 。a n de v e nl e a dt ot h en o n f u n c t i o no ft h ew h o l em e c h a n i c a ls y s t e m t h u s i ti so fg r e a tt h e o r e t i c a li m p l i c a t i o na n do fs i g n i f i c a n tv a l u et oa p p l i c a t i o nt oi n v e s t i g a t et h e b e h a v i o ra n ds c a l ee f f e c to fl u b r i c a n t su n d e rh i 出p r e s s u r ea n dh i g hs h e a rr a t ef o re n s u r i n gt h e s t a b i l i t y ，r e l i a b i l i t y ，a n de c o n o m i c a lb e n e f i t so fs y s t e m s n l em a i nw o r k sa n dc o n c l u s i o n si n t h i sp a p e ra r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： f i r s t l y ，am e a s u r i n gi n s t r u m e n tf o rl u b r i c a t i n gf i l m sc o n f i n e di nn a n o g a pu n d e rh i 曲 p r e s s u r eh a sb e e nd e v e l o p e d ，w h i c hc a r lb eu s e dt oi n s i t um e a s u r et h el u b r i c a n tf i l m t h i c k n e s s ，f r i c t i o nf o r c ea n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nu n d e rt h er i g o r o u sc o n d i t i o n s 衄曲 p r e s s u r e h i g hs h e a rr a t ea n dn a n o g a p ) n l er e l a t i v eo p t i c a li n t e r f e r e n c ei n t e n s i t yt e c h n i q u e h a sb e e nu s e di nt h em e a s u r i n gs y s t e mi nt h i sp a p e r ，a n dt h ef i l mt h i c k n e s sr e s o l u t i o ni nt h e v e r t i c a ld i r e c t i o ni s0 5n l t l a n d1 0p mi nt h eh o r i z o n t a ld i r e c t i o n t h ea u t o m a t i o no ft h el o a d s y s t e ma n dt h ev e l o c i t ys e ti sr e a l i z e dw i t ht h ec o m p u t e r t m ss y s t e mc a nb el a i dab a s ef o r t h ei n v e s t i g a t i o no ft h ef i l mf o r m i n gc h a r a c t e r i s t i c sf o rp o i n tc o n t a c tc a s ei nn a n o g a pu n d e r l l i g hp r e s s u r e ， n e x t ，t h es a p p h i r ed i s ka n dg c r l5b a l lw e r eu s e da st h et r i b o p a i r si nt h ee x p e r i m e n t s u n d e rh i g hp r e s s u r e t h ev i s c o s i t ya n dm o l e c u l a rw e i g h to ft 1 1 el u b r i c a n t sh a v eb e e nt a k e n i n t oc o n s i d e r a t i o nu n d e rv a r i o u sp r e s s u r e sa n de n t r a i n m e n tv e l o c i t i e s n l er e s u l t ss h o wt h a t t h eh i g h e rt h ev e l o c i t y ，t h et h i c k e rt h el u b r i c a n tf i l mt h i c k n e s s ，a n dt h ec u r v em e a s u r e df i l m t h i c k n e s si sn e a r l yi na c c o r dw i t ht h et h e o r e t i c a lc u r v ep r e d i c t e dw i t hh a m r o c k d o w s o n e q u a t i o ns u g g e s t i n gt h a tt h el u b r i c a t i o ns t a t ef a l l si n t ot h eh y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o nr e g i o n f o rt h el o wv e l o c i t y ，t h ef i l mt h i c k n e s si sr e l a t i v e l ys m a l l ，a n dt h ea c c u r a c yo ft h ep r e d i c a t i o n w i t hh a m r o c k - d o w s o ne q u a t i o nd e c r e a s e se v i d e n t l yi nt h a tt h ee x p e r i m e n t a ld a t ad e v i a t e s f r o mt h et h e o r e t i c a lv a l u e t h ee x p e r i m e n t a lc u r v ei s h i g h e rt h a nt h et h e o r e t i c a lc u r v e c a l c u l a t e db yh a m r o c k d o w s o ne q u a t i o nf o rt h el u b r i c a n tw i t hh i g hv i s c o s i t ya n dh i 曲 一i i 大连理工大学硕士学位论文 m o l e c u l a rw e i g h t i nc o n t r a s t t h ee x p e r i m e n t a lc u r v ei sl o w e rt h a nt h et h e o r e t i c a lc u r v e c a l c u l a t e db yh a m r o c k - d o w s o ne q u a t i o nf o rt h el u b r i c a n t 、析t i ll o wv i s c o s i t ya n dl o w m o l e c u l a rw e i g h t f i n a l l y ，t h ei n f r a r e dt h e r m a lc a m e r aw a su s e dt om e a s u r et h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni n t h ec o n t a c tr e g i o nb yt h et h e r m a lr a d i a t i o nt h e o r y ，a n dt h ef r i c t i o nf o r c ew a sm e a s u r e df o r c o m p a r i s o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et e m p e r a t u r er i s ei n c r e a s e sw i t ht h el o a du n d e ras a m e r o l l i n gv e l o c i t y t h e r ei sal a gb e t w e e nt h et e m p e r a t u r ei nt h ec o n t a c tr e g i o na n dt h ef r i c t i o n f o r c e i n i t i a l l y ，t h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e s ，w h i l et h ef i c t i o n a lf o r c ed e c r e a s e st h o u g hi t sv a l u e i sr e l a t i v el a r g er e s u l t i n gi nt h ec o n t i n u o u si n c r e a s eo ft h et e m p e r a t u r e w h e nt h ef r i c t i o n a l f o r c et e n d st ob es t a b l e ，t h e r ei sas l i g h td e c r e a s ei nt h et e m p e r a t u r ei nt h ec o n t a c tr e g i o n ， f o l l o w e db yas m a l lt e m p e r a t u r ei n c r e a s e w h e nt h ev e l o c i t yi sg r e a t ，t h ef i l mt h i c k n e s s b e c o m e sl a r g e ，a n dt h e nt h eh e a td i s s i p a t i o nt a k e na w a yi n c r e a s e s ，r e s u l t i n gi nas l i g h t t e m p e r a t u r ed e c r e a s e k e yw o r d s ：h i g hp r e s s u r e ；m e a s u r i n gs y s t e m ；f i l mf o r m i n gc h a r a c t e r i s t i c s ；i n f r a r e d t h e r m a lm e a s u r e m e m 一i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：萤匡塑塑堕塑塑垄亟基塑! ! 兰垒墨壁垒垒查兰鱼堑星 作者签名：墨笪：塞篮日期：2 堕年j 三月j 生日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分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和汇编本学位论文。 学位论文题目：童匿茎壑塑堕塑翌垂堕鳖! 垒坠望量塑壹鱼丝塑叠 作者签名： 导师签名： 日期：兰! ! 墨年卫二月趁日 日期：堡! 圣年j 三月三三日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 选题的科学依据 1 1 1 课题的提出 在航天航空、信息等领域中许多关键部件的运动精度和制造精度需要达到亚微米甚 至纳米量级，并伴随高负荷点、线接触；微间隙中的润滑材料行为及其失效规律已不完 全符合宏观润滑理论，因此纳米级润滑膜的特性研究越来越引人注意。 目前，主要有两种方法研究纳米级润滑膜的行为，即理论计算和实验研究。理论计 算主要采用两种方法，其一是以连续介质力学为基础的数值计算法，如文献n 3 3 ，他们在 弹流润滑理论的基础上附加结构力和v a nd e rw a a l s 力，采用数值计算方法探讨薄膜润 滑特性及其影响因素。另一种是分子动力学模拟，t o m p s o n h ，引，胡元中阳，7 1 以及他们的合 作者采用该方法解释了相隔几个纳米距离的两固体表面间在剪切过程中的分子行为。他 们的工作表明在剪切过程中存在着分子运动的方向性，长分子比球形分子相变需更多的 时间，有序结构从固液分界面产生，随着压力的增加向润滑膜中间扩展等。这些结论与 实验结果极为接近。时间效应研究有助于更多的了解分子的运动呻1 。在实验方面， i s r a e l a c h v i l i 归1 ，g r a n i c k n0 1 1 1 等用表面张力仪观察到剪切过程中几个分子层厚润滑膜 的一些新现象，如两固体表面间的吸附力与两表面间的距离及润滑油的温度密切相关。 文献n h 副等通过光学手段对点面接触工况的润滑膜进行t n 量，发现当润滑膜厚度小于 临界膜厚时，弹流润滑的现象消失，薄膜润滑出现。此临界膜厚与润滑油粘度、基体表 面能等相关。薄膜润滑作为弹流润滑和边界润滑之间的一个新的润滑概念伴随着其物理 模型n 朝被提出来引。 薄膜润滑研究尚处于起步阶段，在理论和应用上都将成为今后润滑研究的新领域。 在数值模拟方面，还需要建立符合纳米润滑膜结构特点的物理模型与计算方法，以适应 工程应用中薄膜润滑设计的需要。经典连续介质力学的基本假设是材料具有连续分布的 密度，所有的守恒定律对于材料内部任一部分均成立，而任一点的状态仅与该点无限小 的邻域有关，因此在材料的本构关系中不出现特征长度，即不考虑材料内部的微观结构。 如果所研究对象的特征尺寸远大于材料内部结构的特征尺寸，经典连续介质力学将是有 效的。然而，在薄膜润滑状态下，润滑膜极薄仅包含十几个或几十个润滑剂分子尺寸， 而且分子排列有序。显然，对于薄膜润滑状态，当今流体润滑理论基于连续介质力学的 分析方法不尽适用，需要建立一种新的考虑润滑膜内部微结构及其流变特性的理论。 高压微间隙润滑成膜特性及温度场分布的研究 我国研究者在微间隙下润滑材料行为、摩擦的分子机制等方面已有很好的研究工作 基础，但在高压力、高剪切率、微小间隙条件下润滑抗磨材料设计制备等方面还有待进 一步突破。本文研制的光干涉高压微间隙润滑测试系统，能够用来研究高压微间隙条件 下润滑材料的成膜特性，为研究润滑材料的流变特性奠定了基础。 本课题提出对接触压力达3 g p a 、剪切率达1 0 8 1 0 1 0 s 苛刻条件下的纳米间隙中的 润滑、尺度效应及温度场分布的研究。针对高压微间隙润滑抗磨材料存在的问题，世界 各国纷纷从原子、分子相互作用机制探究摩擦、磨损、粘着及润滑的特征和机理，通过 控制材料的分子结构、晶格的层次以及固液材料界面行为，发展高效润滑抗磨材料。本 课题“高压微间隙润滑成膜特性及温度场分布的研究正是在这种背景下提出的。 1 1 2 课题的来源 本课题“高压微间隙润滑成膜特性及温度场分布的研究是在9 7 3 计划项目“苛刻 环境下润滑抗磨材料的基础研究 的子课题“高压微间隙中的润滑及其尺度效应 ( 项 目批准号：2 0 0 7 c b 6 0 7 6 0 4 ) 的资助下完成的。 1 2 课题的研究目的与意义 二十世纪九十年代初兴起的纳米科学与技术就是在纳米尺度( 0 1 - - - 1 0 0n m ) 上研 究自然界中原子、分子行为和相互作用规律的科学，其中包括了纳米材料学、纳米机械 学、纳米生物学、纳米摩擦学等一批高新技术。纳米摩擦学是摩擦学中新兴的重要分支， 它对纳米材料学和纳米机械学的发展起着重要的推动作用。摩擦学的研究深入到纳米尺 度上，对间隙日趋减小的摩擦副，液体润滑仍是简单和行之有效的降低摩擦磨损的方法， 纳米级厚度的液体润滑研究成为了纳米摩擦学的一个重要研究领域。 纳米摩擦学摩擦副间隙将达到纳米量级( 1 - 1 0 0r i m ) ，压力达到3g p a ，剪切率达 到1 0 8 - 一1 0 1 0 s 。微间隙中的润滑材料行为及其失效规律已不完全符合宏观润滑理论；高 剪切率会导致润滑材料分子链断裂；高压力会导致润滑膜破裂。这些行为都会引发摩擦 副润滑失效，严重时将会导致整个系统瘫痪，造成巨额损失。据估计，在全世界工业部 门所使用的能源中，大约有l 3 1 2 最终以各种形式损耗在摩擦上。摩擦会导致磨损， 而磨损所造成的损失更是惊人。据统计，磨损造成的损失是摩擦损失的1 2 倍。在失效 的机械零件中，大约有8 0 是由于各种形式的磨损所造成。据美国1 9 7 7 年的估计，磨损 造成的损失相当于国民经济总产值的1 2 ，即约为2 0 0 0 亿美元。发达国家近二十年来对 机电设备的摩擦磨损状况的调查结果令人震惊，由于材料磨损失效所造成的损失估计每 年都在上千亿美元，改善润滑，降低磨损可能带来的经济效益约占各国国民经济总产值 的2 以上。由此可见，摩擦所引起的能量损耗和磨损所引起的材料损耗，在经济上造 大连理工大学硕士学位论文 成了巨大的损失。我国由于技术落后、设备老化等多方面的原因，实际情况还要严重得 多。据有关专家估计，我国主要支柱产业部门每年因磨损失效所造成的损失都在4 0 0 亿 元人民币以上n 7 1 。现在，人们已越来越深刻地认识到，摩擦、磨损和润滑在机械设计中 占有重要的地位，特别是现代机械产品在向高速、高精度大批量和生产过程高度自动化、 连续化的方向发展过程中，机械设计，如果不考虑摩擦、磨损和润滑问题，就不可能设 计出符合要求的好的机械产品。也就是说，对于现代的机械产品，在其设计阶段就应该 把控制摩擦和防止磨损的一切因素都尽量考虑进去，并应用摩擦和磨损的有关理论知识 和抗磨技术去指导设计、制造、运行和维修，以解决机械设计中的有关问题。因此，探 索润滑材料在高压力、高剪切率、微间隙中的行为规律、尺度效应、失效机制及控制方 法对保障系统稳定性、可靠性、经济性具有重要的理论意义和应用价值。 1 3 润滑状态的划分 传统上判断润滑状态的方法有s t r e i b e c k 曲线判断法和润滑膜厚度h 相对综合表面 粗糙度r a 的比值判断法。1 9 0 2 年s t r e i b e c k 在大量实验的基础上得出了s t r e i b e c k 曲 线，用来描述摩擦系数与润滑状态之间的关系。1 9 5 9 年d o w s o n 和h i g g i n s o n n 踟用电子 计算机采用逆解法求得精确计算线接触油膜厚度的公式。d o w s o n n 明根据线接触弹流润滑 的计算结果，认为按照膜厚由d , n 大润滑状态依次为：边界润滑、混合润滑、弹流润滑 和流体动力润滑，并认为当润滑膜厚度值减4 , n 表面粗糙峰之间的间隙达到润滑油分子 尺度的范围，即在粗糙峰顶出现边界膜时，开始进入混合润滑状态。1 9 9 1 年，j o h n s t o n 等啪3 提出，润滑膜厚在1 5 n m 以下，弹流润滑失效。1 9 9 4 年，雒建斌，黄平等皿卜矧发现 流体润滑之后存在着薄膜润滑状态，并对薄膜润滑成膜机理、流体润滑与薄膜润滑之间 的转化等问题进行了研究。 综上所述，根据润滑膜的形成原理和特征，典型的润滑状态有：流体动压润滑、流 体静压润滑、弹性流体动压润滑、薄膜润滑、边界润滑、干摩擦状态等，而混合润滑涉 及到边界润滑、薄膜润滑、微观弹流润滑及流体动压润滑等多种润滑特征。表1 1 列 出了各种基本润滑状态的特征位圳： 高压微间隙润滑成膜特性及温度场分布的研究 流体动压润滑1 - 1 0 0v m 器豸篆妻要是盏磊蒺鍪落轰生 液体静压润滑1 - 1 0 0v m 囊蔷竺蒿乒耋蒿霉笺藉裂簇擦 弹性流体动压润滑0 1 - 1u 1 1 1 与流体动压润滑相同 薄膜润滑l o - l o o n m与流体动压润滑相同 边界润滑 干摩擦 ，。 润滑油分子与金属表面产生物 l 一5 0 n m 理或化学作用而形成润滑膜 1 - 1 0 n t o 表面氧化膜、气体吸附膜等 中高速下的面接触摩擦副，如 滑动轴承 各种速度下的面基础摩擦副， 如滑动轴承、导轨等 中高速下点线接触摩擦副，如 齿轮、滚动轴承等 低速下的点线接触高精度摩 擦副，如精密滚动轴承 低速重载条件下的高精度摩 擦副 无润滑或自润滑的摩擦副 流体动压润滑：流体膜中的压力是由表面的相对运动把粘性流体携入到收敛的间隙 中而产生的。因此动压润滑是一种十分有效的润滑方式，其应用也很广泛。这种润滑的 特点是摩擦系数小、成本低廉，但是可靠性不如静压润滑，另外，由于其润滑膜的建立 依赖于表面的相对运动速度，所以在机器的启动和停车时由一个阶段不是全膜润滑，所 以不能完全避免磨损，设备一般不能负载启动。 流体静压润滑：它的承载油膜是由外界向润滑表面间通入压力油而强制形成的，它 的承载量和油膜厚度与两个表面的滑动速度无关，而且它有很好的油膜刚度和很低的摩 擦系数，但是设计静压润滑的机构复杂，加工困难，供油系统的配置要求很高，这些都 限制了静压润滑的广泛应用。 弹性流体动力润滑：研究的是高接触应力条件下的润滑情况，它的特点是需要考虑 固体表面的弹性变形、润滑油的粘度变化、环境温度和表面粗糙度等多方面因素。 薄膜润滑：研究的是光滑表面纳米量级的液体膜的润滑特性。一些复杂的流变学效 应如剪切稀化作用、粘弹性、边界润滑膜等的影响相当突出。从壁面开始，到润滑膜中 心，润滑分子按从边界膜、有序膜和粘性流体膜次序排列( 见图1 1 ) ，有序膜的存在 使得润滑剂表现出相当高的等效粘度，等效粘度比常规粘度可以高出几个数量级。 大连理工大学硕士学位论文 固体表面 有序膜 图1 1 薄膜润滑模型 f i g 1 1 t h et h i nf i l ml u b r i c a t i o nm o d e l 边界润滑：在不能获得流体动压膜和弹流润滑膜的条件下，润滑油在摩擦副表面之 间的粗糙峰里形成极薄的表面膜。这种表面膜也可以降低摩擦、减轻磨损。这种润滑叫 做边界润滑。 干摩擦状态：由材料表面直接接触、材料表面的污染膜和表面氧化膜等形成润滑膜 的一种润滑状态。 到目前为止，人们对弹流润滑的成膜机理和摩擦学性能随工况参数的变化规律了解 得相当透切，并成功地将弹流润滑理论应用于工程中。虽然弹流润滑膜以粘性流体膜为 特征，但相对动压流体膜，前者处于一种特殊的状态，如润滑膜厚度小( 小于1l am ) 、 压力和剪应变率高、通过接触区的时间短以及压力变化急剧等。随着微加工技术的出现 和对机械构件高精密度的需要，摩擦副越来越光滑，摩擦副之间的间隙也越来越小，微 观状态的弹流润滑出现了一些新的现象，表现出一些以往未从认识到的变化规律。 各种润滑状态所形成的润滑膜厚度不同，但是单纯由润滑膜的厚度还不能准确的判 断润滑状态，尚需与表面粗糙度进行对比。图1 2 列出了润滑膜厚度与粗糙度的数量级。 实际机械中的摩擦副通常是以流体润滑、边界润滑、粗糙峰直接接触等几种润滑状态同 时存在，统称为混合润滑状态。只有当润滑膜厚度足以超过两表面的粗糙峰高度时，才 有可能完全避免峰点接触而实现全膜流体润滑。 高压微间隙润滑成膜特性及温度场分布的研究 e 芒 憋 蹬 鸷f 磐 瞪 1 e 3 1 e 4 流 弹 体 j - ，： 润 w f 滑 壤 弟碧 翳 媵 加 拿薄 螽 _ _ _ 研 工 磨 表 吸 一 表 l 竭 附 腹 咖 均 。层 - 一均 力 方 根 们 报 值 值 图1 2 润滑膜厚度与粗糙度 f i g 1 2 l u b r i c a t i o nf i l mt h i c k n e s sa n dr o u g t m e s s 1 4 油膜厚度的实验研究 1 4 1 油膜厚度的测量方法 在现代精密仪器中，润滑状态的好坏直接决定着机械零部件工作性能的优劣与寿命 的长短。进行润滑油油膜厚度的测试，对于分析和改善零部件润滑状态、提高零部件的 工作性能有着重要的意义。发展至今，油膜厚度的测量方法大致有如下几种晗引： ( 1 ) 电阻法：测量在接触处的电压和电流的关系，获得油膜电压与油膜厚度的关系 曲线。油膜的电特性与电流有关。这种方法的优点是：电路简单，不需要昂贵的测试设 备。缺点是：油膜电阻随油膜厚度的变化微不足道，所以难以用电阻的大小来标定油膜 的厚薄，所以电阻法不能定量地测量膜厚值。 ( 2 ) 电容法：测量油膜电容值来获得膜厚值。电容法是一种成功有效的弹流膜厚测 试方法。在全膜弹流润滑状态下用该方法能定量准确地测出两接触表面之间的膜厚，但 是在部分膜状态下该方法就失去了功效。电容法要求润滑剂应该是非极性的；此外，导 线及周围环境的分布电容往往很难准确估算，因而影响所测结果的精确性。 ( 3 ) 电容分压法：用电容分压器法对滚动轴承润滑状态进行测试，这种方法视润滑 膜为电阻和电容的并联，当润滑状态从部分膜过渡到全膜时该方法可侧量润滑状态的 转化过程。但该方法需要载波和低通滤波，信号失真很大，因而测出的数据准确度不高。 懈 他 ， 珊c 大连理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 阻容振荡法：基于文氏振荡器的自激振荡原理，通过测量振荡频率并借助于“频 率一电容一膜厚 标定曲线可测出膜厚的大小。在部分膜状态下，利用波形分析来确定 非金属接触率。这种方法集中了电阻法和电容法的优点、克服了电容法的缺点，既可用 于全膜弹流测试又可用于部分膜弹流测试。该方法的缺点是，标定曲线的制定较为复杂、 分布电容难于准确估算。电路中因有较大的反馈电容，因此在测量接触率时、其测量准 确度将受到影响。 ( 5 ) 磁阻法：在两个接触体上分别安装励磁线圈和检测线圈，使接触区的油膜成为 磁路中的一部分，而且其磁阻在整个磁路中占有很大比重。检测线圈与振荡器相联，间 隙藕合磁通的变化引起振荡频率的变化，通过测量频率来测出盘间膜厚。磁阻法适用于 测量润滑脂、油水乳化液、含有极性添加剂的合成润滑油的膜厚。但是传感器对于温度 变化非常敏感，传感器的灵敏度不高，因此该方法在实际应用中存在着一定的局限性。 ( 6 ) 应变仪法：用以测量球轴承的润滑膜厚度，在原理上要求轴承必须承受一定预 载荷以产生变形，而且外圈壁要求尽量地薄，因而使该方法的应用范围受到限制。 ( 7 ) 超声波法：这种无损探测法是由摩擦副外部向内部发射超声波，通过反射与透 射的能量来判断油膜厚度。由于原理和实际应用上的困难，目前超声波法尚未在弹流膜 厚测试中得以广泛应用。 ( 8 ) x 射线法：让钼x 平行光束通过窄缝穿过两圆盘之间的油膜，最后由盖格计数 器记录穿过油膜的x 射线量。把计数器的输出值用相应的标定曲线换算成油膜厚度。但 在测量时，必须对射向油膜的光束尺寸以及它与油膜的相对位置进行精确地调整，才能 得出正确的结果。x 射线法只能测量最小膜厚而不能测出中心膜厚；由于难以在承载条 件下标定，所以在膜厚小于o 5um 的情况下，其测试结果是不可靠的。 ( 9 ) 比色干涉测量法：首先，在不加垫层的前提下，测量钢球与玻璃盘在轻载荷下 静态接触的干涉色彩图，从而得到色度与厚度的对应关系( 其中厚度是由经典牛顿环来 计算得出的) ；然后，玻璃盘镀锘和垫层，测量钢球和玻璃盘在各种工况下运动的干涉 色彩图；最后，通过与色度一厚度基准图对比，得出实测干涉图所对应的厚度图，再减 去垫层的厚度，就得到了实测膜厚图。其基本原理如图1 3 所示。目前，捷克布尔诺科 技大学弹流研究实验室采用比色干涉法对膜厚进行测量。 高压微间隙润滑成啭特性厦温度场分布的研究 露 厂囵 图1 3 比色干涉测量法的基本原理【2 6 】 f i g 13t h eb a s i c p n n c i p l eo f e o l o f i m e l x c i n t e r f e r o m e t x y ( 1 0 ) 双垫层测量法：首先，在钢球与玻璃盘接触但是无载荷的条件下测量干涉图象， 分析处理得到一个光强波长的基准曲线；然后，测量钢球和玻璃盘在各种工况下运动 的干涉图象分析处理得到实验中的光强一波长曲线；最后，与基准曲线图对比，并且 通过相应的公式计算，得出实测区域的膜厚曲线图，再减去两个垫层的厚度，就得到了 实测膜厚曲线图。其基本原理如图14 所示。目前，英国帝国理工大学摩擦学实验室 采用双垫层法对膜厚进行测量。 图14 双垫层测量注 f i gi4 d o u b l eb e d d i n g m e 鹅u 弛m e m 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 1 ) 相对光强干涉法：利用相对光强原理进行油膜厚度的测量，测量分辨率能达 到纳米量级，同时该方法能直观地了解接触表面各处的油膜形状及变化的全貌。目前， 中国清华大学摩擦学实验室采用相对光强干涉法对膜厚进行测量。 1 4 2 薄膜光学干涉仪 薄膜光学干涉仪可在很大的速度范围内调速，使研究润滑状态的转变成为可能。同 时还具有润滑膜厚度测量精度高，与实际工况接近等特点。 目前，国际上研制出薄膜光学干涉仪并进行纳米润滑膜特性研究的研究单位主要有 英国伦敦帝国理工学院的s p i k e s 主持的研究组，采用的基本测量原理是斜垫层与光谱 分析相结合法：捷克布尔诺科技大学弹流研究实验室，采用的基本测量原理是比色法； 清华大学摩擦学实验室温诗铸院士主持的研究组，采用的基本测量原理是相对光强法。 光干涉法曾经广泛应用于传统弹流润滑润滑膜厚度的测量啪1 。它根据干涉条纹的级数变 化来确定润滑膜厚度，膜厚测量范围不小于i 4 光波长( 约1 0 0n m ) ，采用单色光干涉 时分辨率大于5 0r l m ，多色光干涉时的分辨率大于2 0r l m ，对弹流润滑理论的成熟起了 重大的作用。但当摩擦学向纳米摩擦学深入发展时，普通光干涉测量法无论从测量精度j 还是从测量范围上都无法满足纳米级润滑膜厚度的测量，因此，迫切需要一种新的光干 涉测量方法出现。1 9 8 7 年s p i k e s 和g a o 啪1 采用光学性质与润滑膜相近的a 1 ：0 。在玻璃表 面制成斜垫层，以斜垫层厚度代替一部分润滑膜厚度，使光干涉法能够测量的润滑膜厚 度达1 0n m 。但它的分辨率依然没有得到改善，同时斜垫层制作困难，因此测量误差较 大。在此基础上，1 9 9 1 年j o h n s t o n 和s p i k e s 等人口2 3 改变用斜垫层的设计，并利用光谱 分析技术确定润滑膜厚度，将测量精度提高到5n m 。1 9 9 7 年h a r t lm a r t i n 等人口们提出 了比色干涉测量法，通过计算机进行色度对比来确定润滑油膜厚度。 雒建斌、黄平、温诗铸等人订利用相对光强原理研制了纳米级润滑膜厚度测量仪， 克服了j o h n s t o n 等人研制的薄膜光学干涉仪水平方向分辨率低等缺点，其润滑膜厚度 测量精度为0 5n m ，水平方向的分辨率为1 oum ，其基本原理将在第二章详细阐述。 1 5 薄膜润滑理论研究现状 近代表面测试技术和仪器的发展推动了纳米级润滑膜的成膜机理和摩擦学特性的 研究。原子力摩擦力显微镜( a f m f f m ) 、表面力仪( s f a ) 和薄膜光学干涉仪等仪器 的研制和发展，提供了在分子、原子尺度上观察物质表面现象的有效手段，使得纳米级 液体膜润滑成膜机理及特性的研究得以实现。 目前薄膜润滑研究尚处于起步阶段，在理论和应用上都将成为今后润滑研究的新领 域。在数值模拟方面，还需要建立符合纳米润滑膜结构特点的物理模型与计算方法，以 高压微间隙润滑成膜特性及温度场分布的研究 适应工程应用中薄膜润滑设计的需要。经典连续介质力学的基本假设是材料具有连续分 布的密度，所有的守恒定律对于材料内部任一部分均成立，而任一点的状态仅与该点无 限小的邻域有关，因此在材料的本构关系中不出现特征长度，即不考虑材料内部的微观 结构。如果所研究对象的特征尺寸远大于材料内部结构的特征尺寸，经典连续介质力学 将是有效的。然而，在薄膜润滑状态下，润滑膜极薄仅包含十几个或几十个润滑剂分子 尺寸，而且分子排列有序。显然，对于薄膜润滑状态，当今流体润滑理论基于连续介质 力学的分析方法不尽适用，需要建立一种新的考虑润滑膜内部微结构及其流变特性的理 论。 h a m r o c k 和d o w s o n 于1 9 7 6 年对等温点接触弹流润滑进行了系统的数值分析，并 提出了油膜厚度计算公式，即h a m r o c k d o w s o n 公式【3 2 j ( 详解请见第2 章第5 节) ： 门0 5 3 r t = 0 6 7 ， 、 e = 2 6 9 乇焉r ( 1 0 6 1 p 卸7 3 )、 ， l 1 1 ， 式( 1 1 ) 从形式上来看，接触区最小油膜与中心膜厚都是接触副的材料、载荷、速 度的幂指数形式，公式简便；从实际生产实践来看，h a m r o c k d o w s o n 公式所给出的膜 厚计算值与大部分的实验测量值较为一致，因此h a m r o c k - d o w s o n 公式在随后的几十 年中得到了广泛的应用。 随着科学技术的发展，实验可测量的液体膜厚度进一步减小，研究表面物理化学现 象深入到纳米尺度阶段。在纳米尺度上，实验发现，接触区最小油膜与中心膜厚并不能 很好的符合h a m r o c k d o w s o n 公式。目前世界上致力于通过光干涉方法进行实验研究 点接触纳米润滑油膜特性的机构很多，具有代表性的是英国帝国理工大学摩擦学实验室 2 2 , 2 7 , 2 9 , 3 3 】，捷克布尔诺科技大学弹流研究实验室【3 0 , 3 4 , 3 5 】以及中国清华大学摩擦学实验室【2 3 】 【3 1 3 6 3 7 】。其部分结果如下： ( 1 ) 英国帝国理工大学摩擦学实验室部分实验结果：润滑剂为十六烷( h e x a d e c a n e ) 时，膜厚一速度曲线在双对数坐标下直线性很好，能一直吻合到l n m 左右，其直线斜 率为0 7 2 ，在l n m 以下，油膜厚度略有增加，如图1 5 所示。该实验相关工况为：赫 兹压力o 5 1 g p a ，接触面等效粗糙度为r a = 1 0 n m 。 大连理工大学硕士学位论文 1o o 0 ；1 h e x a d e e a n e ： ： - t 。 i - t 王 ； ! 王 - 0 。0 0 0 10 0 0 10 0 10 11 e n t r a i n m e n ts p e e d m ，s ) 图1 5 十六烷膜厚速度曲线4 3 i f i g 1 5 v a r i a t i o no f f i l mt h i c k n e s sa n ds p e e do f h e x a d e c a n e 在十六烷中添加了表面活性剂1 7 m e t h y l o c t a d e c a n o i c 后，膜厚一速度曲线在低速 下有明显的增加，通过与纯十六烷膜厚曲线对比，推测其中的活性剂 17 一m e t h y l o c t a d e c a n o i c 形成了厚度约为2 0 n m 的吸附膜，如图1 6 所示。 1 0 0 匕 邑1 0 曲 a ， j c o 1 l l 0 1 正h 9 动d o 缸n 曹 1 7 一m 孛 a 盘审 仞1 7 m 争m i n u s 2 0 邝_ n 6 历一 | _ 二二：二：鑫。 ；厶。0 ： 矗 。 ： a ，j ，tl 妇- j i。j，j o 0 0 0 1o 0