Page 42 - 《摩擦学学报》2020年第4期

452 摩 擦 学 学 报 第 40 卷

表 1 润滑油参数 随速度逐渐减小. 供油量4 ml、转速大于等于8 r/min和
Table 1 Oil properties 供油量1.5 ml、转速大于等于6 r/min时(图2所示红色虚

Oil Viscosity (25 ℃)/(mPa·s) Surface tension/(mN/m) 线区域)入口油池基本消失. 从图2左上角(速度低，供
Oil A 86.50 29.36
油量大)到右下角(速度高，供油量小)，接触区供油情
Oil B 539.00 26.38
Oil C 3 920.00 30.93 况逐渐从富油润滑向乏油转变.
2.1 中心油膜厚度
具体试验过程如下： 图3所示为不同供油条件下接触区内中心油膜厚
1) 轴承加载并保持载荷和室温不变，利用移液器 度随轴承内圈转速的变化(因试验中钢球的转速未
向玻璃外圈内表面加入一定量润滑油，驱动轴承以 知，所以图中横坐标采用轴承内圈转速). 供油量为7 ml
1 r/min的速度运行5 min，使得润滑油能够均匀分布在 时接触区始终处于富油润滑状态，中心油膜厚度测量
外圈、钢球和内圈表面. 值与基于纯滚动假设计算得到的Hamrock-Dowson(H-
2) 保持油量不变，轴承内圈转速由1 r/min阶梯上 D)公式 理论预测值基本一致. 供油量4 ml和1.5 ml
[16]
升至试验转速，转速稳定后记录各个速度下接触区附 时，较低转速下接触区中心油膜厚度随轴承内圈转速
近轴承外圈上的润滑油分布状况. 升至最高转速后， 增加而增加，且符合H-D公式 的理论预测值，但转速
[16]
再做1组降速试验，对比升速和降速试验，规避时间因 达到某一临界值后接触区内中心油膜厚度不再上升，
素的影响. 并略微下降. 由图2接触区外油池的大小可以发现入
3) 进一步开展不同润滑油量的试验. 口区乏油是油膜厚度逐渐下降的主要原因.
2.2 接触区附近润滑油分布
2 结果与讨论
比较图2润滑油分布和图3接触区中心油膜厚度
图2给出了不同工况下钢球和玻璃外圈形成的接 可见，润滑油分布情况是决定接触区供油情况以及中
触区及其附近润滑油分布的典型形态. 由左至右轴承 心油膜厚度的关键因素. 因此，对接触区外润滑油分
内圈转速从1 r/min上升至10 r/min；由上至下供油量由 布的研究十分必要. 由图2可知，当前试验条件下接触
7 ml降至1.5 ml. 图像中间可见钢球和外圈形成的接触 区外润滑油分布呈现出两种状态：一是接触区被润滑

区存在黑白相间的干涉条纹，接触区油膜厚度可根据 油包围，出口区存在1个油/气混合区，通常称为气穴
[15]
相对光强法 计算得出. 接触区外油池大小通过油池 (cavitation)[图2(a)]. 气穴是由于接触区压强较大，出
边界确定. 当供油量为7 ml时，钢球和玻璃外圈形成的 口区压强迅速降低，润滑油中溶解的气体因压强减小
[17]
接触区被润滑油包围，相机视野内看不到油池边界弯 而膨胀或者析出而形成的 ；另一种状态是出口区气
液面，可以认为供油非常充分. 当供油量降低时，油池 穴破裂，形成比接触区略宽的出口轨道. 润滑油经钢

7 ml

Outlet Inlet
y l Side band
4 ml a oil track d
b
0.5 mm
Cavitation x

1.5 ml

(a) n=1 r/min (b) n=2 r/min (c) n=4 r/min (d) n=6 r/min (e) n=8 r/min (f) n=10 r/min

Fig. 2 Typical oil distribution in and around the contact zone of heaviest loaded ball under different
operating conditions and oil supply volumes (oil B)
图 2 不同工况不同供油量时最大承载钢球接触区及其附近润滑油的典型分布(润滑油B)