Page 86 - 摩擦学学报2025年第4期

574 摩擦学学报（中英文） 第 45 卷

0.24 出，摩擦系数在注入乳化油后迅速下降，并于4 000 s

0.20 达到最低点后趋于稳定(约0.042). 这可能是因为在低
Friction coefficient 0.12 油冲击较小，使乳化油能够较好地黏附在钢环和试块
转速下，水流速度较低，对接触区内参与润滑的乳化
0.16

表面，为两摩擦对偶提供持续性润滑.
0.08
0.04 图5所示为更高转速下注入乳化油后摩擦系数随
时间的变化曲线. 根据摩擦系数的变化趋势，同时为
0.00 了节省试验时间，在转速超过200 r/min时，试验时间
0 400 800 1 200 1 600 2 000
ω/(r/min) 缩短为2 500 s. 由图5可知，在钢环转速为100~600 r/min

Fig. 3 Relationship between friction coefficient and ring 的范围内注入乳化油后，摩擦对偶间的摩擦系数都出
rotational speed for the tribopair under the pure water
现了较大幅度的下降. 然而，不同转速下，注入乳化油
lubrication condition (P = 350 N)
后摩擦系数的变化趋势也不同. 当转速为100 r/min时，
图 3 纯水润滑状态下环块摩擦副之间摩擦系数
与转速关系图(P = 350 N) 注入乳化油后，摩擦系数迅速下降且保持较好的稳定
性；但当转速增加至200 r/min及以上时，注入乳化油
图4所示为转速50 r/min时，纯水润滑状态下注入
后摩擦系数虽然也会迅速下降，但无法保持稳定，会
乳化油后钢环与试块摩擦副之间摩擦系数的变化情
随着时间的增长而上升，并最终稳定在纯水润滑时的摩
况. 图4(a)所示为试验持续1 500 s时摩擦副之间摩擦
擦系数附近. 此外，随着转速的增加，摩擦系数维持在较
系数的变化曲线. 从图4(a)中可以看出，在注入乳化油
低值的时间越来越短，即微量乳化油润滑持续时间越
的瞬间，摩擦对偶间的摩擦系数迅速从约0.2下降至约
来越短，这可能是由于流体的黏滞阻力增加所导致的.
0.11，这表明注入的乳化油成功参与了摩擦对偶间的
在流体力学中，黏滞阻力与流体速度梯度以及流
润滑，并提高了水的成膜能力. 之后的900 s内，摩擦副
体的黏度成正比，与流体流过的表面积成反比，即：
之间的摩擦系数持续下降至约0.066. 这可能是因为注
du
入的乳化油具有较高的黏度和较好的吸附性，能够在 F vis = ηA (1)
dy
接触区形成油膜，从而替代脆弱的水膜，油膜承载能
其中，F 是流体的黏滞阻力；η是流体的黏度；A是流
vis
力的增加，减小了摩擦对偶间固体接触比例，从而导 du
致摩擦系数迅速下降. 随着钢环的转动和水流的冲 体流过的表面积； dy 是流体的速度梯度.
击，接触区内的乳化油浓度逐渐降低，其黏度增大. 因 随着环块试验机转速的增加，惯性力的作用导致
此，注入乳化油后，乳化油的黏度上升，导致摩擦系数 流场的流速增大. 在水流的不断冲刷下，接触区内的
下降. 然而，在设定的试验时间内，摩擦系数并未达到 油膜厚度持续下降. 根据牛顿内摩擦定律可知，流场
稳定状态，因此进行了重复性试验，将试验时间延长 流速的增加和油膜厚度的降低会导致速度梯度的增
至5 000 s，试验结果如图4(b)所示. 从图4(b)中可以看 大. 根据公式(1)，黏滞阻力与速度梯度成正比，因此速

0.24

Water 0.22 Water
Emulsion oil/water Emulsion oil/water
0.20 0.18
Friction coefficient 0.16 Friction coefficient 0.14

0.12
0.10
0.08

0.02
0.04 0.06
0 250 500 700 1 000 1 250 1 500 0 1 000 2 000 3 000 4 000 5 000
t/s t/s
(a) t = 1500 s (b) t = 5000 s
Fig. 4 Friction coefficient with time after injection of emulsified oil (P = 350 N, ω = 50 r/min)
图 4 注入乳化油后摩擦系数随时间变化曲线(P = 350 N, ω = 50 r/min)