Page 15 - 《摩擦学学报》2021年第1期
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12 摩 擦 学 学 报 第 41 卷
界逐渐与接触区边界交叉，且接触区外形呈现“梨” 0.12 λ 4.5
形，该条件下触区中央油膜厚度明显下降，且小于接 0.08 3.0
触区两侧膜厚. 随着供油量的增加，各速度下乏油程 Friction coefficient 0.04 1.5 λ
度也逐渐减弱. 在供油量为10和20 μL的条件下，当速 0.00 0.0
度分别u = 128 mm/s和u = 384 mm/s时乏油边界靠近 200 5 µl 10 µl
e
e
接触区并开始对膜厚及外形产生影响. 在供油量为 h min /nm 100 20 µl 100 µl
100 μL的条件下，在当前速度范围内并未观察到入口
0
乏油边界，表明该供油量下接触区始终处于富油润滑
0 100 200 300 400 500
状态下. u e /(mm/s)
为了定量分析恒定滑滚比不同供油量对润滑油 Fig. 3 Variations of film thickness, friction coefficient and
膜的影响，图3给出了油膜厚度、摩擦系数和特征膜厚 specific film thickness with entrainment velocities under
different lubricant charging amount, ζ = 0.6
(即膜厚比λ，其值为最小膜厚h min 与两表面粗糙度的
图 3 不同供油量下膜厚、摩擦系数与特征膜厚随卷吸速度
合成均方根偏差的比值)随卷吸速度的变化曲线. 因在 变化，PAO10，ζ = 0.6
完全乏油条件下，接触区中心与出口颈缩处最小膜厚
趋向一致，因而图3中采用了最小膜厚h min ，即图2干涉 在供油量为20 μL条件下，因乏油在较高速度下
图中出口颈缩处(红色斑点)所示的膜厚. 图3膜厚曲线 才出现且乏油程度较轻，使得摩擦系数升高的趋势不
显示，在供油量为5、10和20 μL下，膜厚随速度增加偏 明显. 在供油量为100 μL的全膜润滑状态下，接触区
离100 μL下的油膜曲线，其膜厚偏离点对应的临界速 油膜承受的剪应变率较低，在恒定滑滚比下接触副两
度分别为64、160和448 mm/s. 在图2干涉图中可以看 表面速度差∆u和膜厚均随卷吸速度增加，且将受到一
出，处于临界速度时乏油边界到达接触区边缘，导致 定程度的剪稀效应和热效应影响，因而摩擦系数随速
了油膜厚度下降. 当供油量为100 μL时，在测量速度 度增加趋向于定值. 尽管供油量20 μL仅为供油量100 μL
范围内膜厚随着速度的增加而单调增加. 的20%，但两者测量结果接近，表明达到相同润滑效
由图3的摩擦系数曲线可以看出，在供油量为5和 果时存在最佳供油量.
10 μL的条件下，摩擦系数随着速度增加呈现先减小 2.2 恒定卷吸速度下滑滚比对入口供油状态的影响
再增大的趋势，该趋势与Stribeck曲线变化规律类似， 为了观察滑滚比对润滑油膜的影响，图4给出了
表明在速度增大过程中接触区润滑状态发生了转化. 恒定卷吸速度u = 128 mm/s下润滑油膜随滑滚比的变
e
为了定量界定润滑状态，图3还给出了供油量5 μl下的 化规律. 图4中滑滚比在−1.0至1.0的范围内变化，各滑
特征膜厚λ随速度变化曲线，图中以λ 表示. 由图3中数 滚比下盘速和球速数值列于表2中. 由图2~3中的结果
5
据可知，当2 mm/s ≤ u ≤ 8 mm/s时，λ 的数值从 可知，供油量为20 μl时接触区在较大的速度范围内处
5
e
0.26增至0.78，表明接触区处于边界润滑润状态下；当 于全膜润滑状态下，因而图4仅给出了供油量为5和10 μL
8 mm/s < u ≤ 96 mm/s时，λ 的数值从1.07增加2.33， 下的试验结果. 从图4(a)的干涉图上可以看出，在供油
5
e
表明接触区处于混合润滑状态下；当u > 96 mm/s， 量为5 μL条件下，入口乏油边界已与接触区边界交
e
λ 的数值达到3，表明接触区接近弹流润滑状态，因乏 叉，受到乏油影响接触区中央区域的油膜“塌陷”而明
5
油使最小膜厚几乎不发生变化，因而特征膜厚曲线趋 显低于两侧膜厚，这与充分供油条件下接触区典型油
向定值. 由于接触区油膜所承受的剪应变率为两表面 膜分布特征相反. 图5定量给出了垂直卷吸方向(图4干
滑差(u −u )与膜厚的比值，则在定滑滚比条件下低膜 涉图A-A方向) 的乏油下油膜外形，可明显看出接触区
d
b
厚具有较高的剪应变率，因而图中摩擦系数与膜厚呈 两侧油膜较高的特征. 但图4(a)也显示，不同滑滚比条
现出对应关系. 例如供油量5 μL下的低膜厚使得摩擦 件下接触区中央区域的宽度不同. 这与入口区润滑油
系数整体较高；在较高速度下5与10 μL的膜厚接近， 分布状态有关，即入口乏油边界与接触区边界交叉范
则摩擦系数也趋向一致. 因5 μL下的特征膜厚数值已 围越大，接触区内“塌陷”区域越大. 为量化这一变化
达到3，则不难推测其它较大供油量下的特征膜厚将 趋势，图4(a)中定义了乏油宽度l ，并定义无量纲参数
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超过3，表明接触区为弹流润滑状态，该状态从图2的 D = l /a (a为赫兹接触直径)来评价入口供油状态及乏
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干涉图上也可看出. 油程度. 图4(b)给出了乏油宽度D随滑滚比ζ的变化曲
