摩擦学原理(第10章润滑状态转化)

第十章润滑状态转化（lubricationstatustransition）本章对润滑状态的转化进行了讨论，介绍了流体润滑到弹流润滑，弹流润滑到薄膜润滑的发展过程，以及影响薄膜润滑的一些主要因素，介绍了纳米尺度下的气体润滑的一些存在的问题和解决的方法。还讨论了混合润滑问题，它是实际机械中最广泛存在的状态。最后，介绍了边界润滑的基本理论。10.1润滑状态的转化（lubricationstatustransition）10.1.1弹流润滑向薄膜润滑的转变（transitionfromEHLtothinfilmlubrication）根据摩擦系数f与无量纲参数/p的变化，将润滑状态划分为流体动压润滑(hydrodynamiclubrication）、混合润滑（mixedlubrication）、边界润滑（boundarylubrication）三个区域。这里，为润滑油粘度；为轴颈旋转角速度；p为单位投影面积上的载荷。通常认为，流体动压润滑最小摩擦系数为10-3量级，边界润滑的摩擦系数为0.1，而混合润滑状态是流体膜与边界膜共存的润滑，随着流体膜的比例增加，摩擦系数逐渐降低。图10.1经典润滑状态图Dowson提出根据膜厚由小到大依次为边界润滑（boundarylubrication）混合润滑（mixedlubrication）弹流润滑(elastic-hydrodynamiclubrication)流体动压润滑(hydrodynamiclubrication）并提出25nm为弹流润滑向混合润滑转变的膜厚值。图10.2动压、弹流流体润滑膜厚状态图由弹流润滑理论，点接触膜厚公式可简化为(10.1)式中，hc为接触区中心膜厚；u为卷吸速度；0为常压粘度；为粘压系数；k是为常数。可知，在已知润滑剂常压粘度0和粘压系数的条件下，弹流润滑膜厚hc应与卷吸速度u在对数坐标系中构成直线变化关系。近年来新出现的薄膜润滑应是介于弹流润滑和边界润滑之间的状态，它包容混合润滑，并且出现在相当宽的范围内。从弹流润滑向薄膜润滑转化的条件主要取决于润滑膜厚度。当弹流膜厚减薄到一定数值时，膜厚变化规律偏离弹流润滑理论，该膜厚值即为转化膜厚。0.70.70.70chku由于薄膜润滑以含有分子排列规律的有序液体膜为特征，有序液体膜的厚度与界面粘附能的大小及其作用范围密切相关。图10.4给出弹流润滑开始向薄膜润滑转化时的膜厚值与润滑剂等效粘度的关系。图10.4转化膜厚与粘度关系10.1.2薄膜润滑特征（thinfilmlubricationcharacteristics）薄膜润滑研究对于深化润滑和磨损理论有着重要意义，而且也是现代科学技术发展的需要，具有广泛的应用背景。英国著名学者Dowson教授总结润滑技术的发展指出，由于润滑设计和制造技术的不断完善，在20世纪中流体润滑系统的润滑膜厚度日益减小。年代典型实例最小膜厚m1900普通滑动轴承10-4~10-51950稳态载荷滑动轴承10-51980内燃机曲轴轴承、连杆大端轴承10-5~10-6齿轮传动、滚动轴承10-6~10-71990~2000粗糙峰润滑、低弹性模量表面、磁记录装置、塑性流体动压润滑10-7~10-8甚至10-9表10.120世纪中最小润滑膜厚的发展实践表明，工业中广泛应用的水基润滑介质，由于其粘度值和粘压系数低而形成薄膜润滑；高温下工作的机械，由于润滑油粘度降低而润滑膜厚常处于纳米量级；某些抗磨添加剂的作用机理就是在表面生成极薄的润滑膜。此外，超低速或者特重载荷的摩擦表面也都处在薄膜润滑状态。弹流润滑以粘性流体膜为特征，它服从连续介质力学的规律，而边界润滑以液体分子有序排列的吸附膜为特征，以表面物理化学为基础。显然，作为中间状态的薄膜润滑兼有流体膜和吸附膜的特点，因此，润滑膜的有序化是薄膜润滑的首要特征。其次，剪切时间稀化是润滑油粘度随着剪切持续时间增加而降低；剪应变率稀化是粘度随着剪应变率增加而降低，它们都使得流体动压润滑膜厚度减小。由于这两种效应对于润滑膜厚的影响并不明显，所以在常规润滑设计中通常不予考虑。而薄膜润滑涉及到润滑膜分子的再构造和表面力作用，剪切时间和剪切应变率对润滑性能的影响就成为了不可忽视的特征。图10.6给出10号机械油在不同速度下接触区中心截面上膜厚分布。线a为静态接触，线b为动态接触，由此可看出：由于卷吸速度产生的流体动压效应使膜厚增加。图10.6中心截面膜厚分布（10号机械油）1．薄膜润滑的特征膜厚厚度范围如图10.7所示，13602标准液在载荷4N、温度25C、钢球直径20mm时，不同卷吸速度的膜厚曲线，表明卷吸速度越高，膜厚曲线弯曲程度越大即流体动压效应越强。图示还表明，当膜厚值大于15nm以后，膜厚曲线的弧形更为显著。由此可证明，当膜厚大于转化膜厚时，润滑膜的流体动压效应才比较显著。图10.7中心截面膜厚分布（13602标准液）图10.9为载荷4N、温度20C、钢球直径20mm条件下，静态和动态接触时的膜厚随润滑剂粘度的变化。该图采用对数坐标系。由图可知，静态和动态接触的膜厚都随粘度的增加而增加，即粘度增加对于形成有序分子膜和粘性流体膜都有利。图10.9中心膜厚与粘度关系2．薄膜润滑有序化现象(orderedphenomenaofthinfilmlubrication）亚微米或纳米量级润滑膜由三种结构性能不同的膜组成，即吸附膜、有序液体膜和粘性流体膜。靠近摩擦表面的是吸附膜，吸附膜的总厚度为几个润滑油分子层，它与表面连接牢固，不具有流体性质，在润滑过程中不参加流动。吸附膜具有边界润滑特征，亦可称为边界润滑膜。处于润滑膜中央部分为粘性流体膜，它是依靠流体动压效应形成的，具有弹流润滑特征，或称为弹流润滑膜。图10.10薄膜润滑模型介于粘性流体膜与吸附膜之间的是有序液体膜。它是由于液体分子在摩擦过程中受到剪切和表面能作用促使分子有序排列而形成的。在从粘性流体膜向吸附膜方向上，分子排列的有序度越来越高，即有序液体膜的有序度高于粘性流体膜，而低于靠近金属表面的吸附膜。在一般情况下，薄膜润滑中有序液体膜厚度相当于几个到十几个分子层。弹流润滑、薄膜润滑、边界润滑之间的相互转化取决于润滑膜总厚度值以及上述三种膜所占的相对比例。当润滑膜比较厚时，粘性流体膜所占比例大，摩擦剪切发生在流体膜中，有序液体膜难以形成，而吸附膜的影响也可以忽略，因此润滑膜的形成以流体动压效应为主，润滑状态为弹流润滑。随着润滑膜减薄，吸附膜在总膜厚中所占比例增加，逐渐影响膜厚随卷吸速度的变化关系。当润滑膜减薄到表面能作用范围内后，润滑油分子在表面能作用和摩擦剪切作用下发生结构变化，一部分流体膜转化为有序液体膜，即开始由弹流润滑转向薄膜润滑，膜厚变化的速度指数也显著降低。当润滑膜厚继续减小到粘性流体膜完全消失时，润滑膜由有序液体膜和吸附膜组成。由于吸附膜是非流动膜而且很薄，此时润滑膜的特征以有序液体膜为主，在摩擦剪切作用下显示出时间效应即膜厚随时间而增加。如果润滑膜更薄而只有吸附膜存在时，润滑状态即为边界润滑。由此可知，三种特性的润滑膜相互变化将预示着三种润滑状态的转化。对钢球与玻璃盘组成的点接触摩擦副进行观察，可得到在薄膜润滑条件下有些润滑剂的膜厚随持续剪切时间的增加而增加，并逐步趋于稳定数值。薄膜润滑的时间效应不能用润滑油的触变性来解释。因为润滑油的触变性是稀化作用，即随剪切时间增加而粘度降低，使膜厚逐渐减小而达到稳定。采用光干涉相对光强原理测量纳米润滑膜厚度与运行时间的关系的实验研究表明：薄膜润滑的时间效应的强弱与载荷、卷吸速度和润滑剂粘度有关。3．薄膜润滑随时间变化的特征（timedependentfeatureofthinfilmlubrication）图10.11给出载荷12N、卷吸速度17.5mm/s、温度18C、钢球直径25.4mm条件下，液体石蜡薄膜润滑膜厚在运行时间分别为4min和78min时的情况。膜厚分布图明显地示出膜厚随运行时间增加而增厚。图10.11中心截面膜厚变化图10.12和图10.13给出钢球直径20mm、温度27C、卷吸速度4.49mm/s，而载荷分别为4N和7N时，液体石蜡润滑的中心膜厚随运行时间的变化。由此可见，当载荷增加，薄膜润滑膜厚随连续运行时间的变化幅度增加，即时间效应加强。图10.12膜厚与运行时间图10.13膜厚与运行时间图10.14为液体石蜡在卷吸速度为0.9mm／s时的中心膜厚与运行时间的关系，实验的其它条件与图10.13相同。对比两图可知：卷吸速度越低，时间效应越强。图10.14膜厚与运行时间进一步实验表明，速度对润滑膜厚度时间效应的影响比较复杂。静态接触的膜厚不随着时间变化，即没有时间效应。在较高的卷吸速度下也不存在时间效应。只有在一定的速度范围内才具有时间效应，而且速度越低，时间效应越强。此外，薄膜润滑的膜厚值还与承受的剪切历史有关。根据大量的实验结果，将薄膜润滑剪切时间效应与工况参数的相关关系汇总于表10.2。并由此得出，如图10.16所示的时间效应与载荷的关系以及图10.17所示时间效应与速度和粘度的关系。图10.16时间效应与载荷关系图10.17时间效应与粘度、速度关系润滑剂温度运行时间卷吸速度粘度载荷钢球直径膜厚增量癸烷30703.122.542032136023.32010#机械油23730#机械油620~240#机械油1180液体石蜡2723.26.54.494.493.120.9017.317.35.70674461241261101771832.725.4表10.2薄膜润滑剪切时间效应以上说明，在一定的卷吸速度范围内，润滑剂的粘度越小、载荷越大，速度越低，则薄膜润滑的剪切时间效应就越强，即润滑膜厚度随连续运行时间而增加的幅度就越大。然而，根据流体动压润滑理论的分析，上述这些工况参数的变化恰巧是降低粘性流体膜厚度的不利因素。这就十分清楚地表明，薄膜润滑的成膜机理与流体动压润滑截然不同，而决定薄膜润滑膜特性的主要因素是表面能的作用和润滑膜分子有序化结构。载荷是促进润滑薄膜液体分子重新排列的重要因素。实验表明，载荷增加可以提高润滑剂固化速度。分子动力学模拟计算也证明，增加润滑膜压力将促进液体分子发生相变，因而载荷增加使时间效应增强。卷吸速度对时间效应的影响比较复杂。只有当卷吸速度在一定范围以内，两个摩擦表面相距较近，介于表面间的液体分子在剪切和表面能作用下产生相变而显示时间效应。总之，薄膜润滑状态下出现的时间效应是由于润滑膜的分子结构发生变化而产生的。降低润滑剂粘度、增加载荷和减小速度都将加强时间效应，使膜厚随剪切时间增加而增加，随后趋于稳定数值。此外，在静态接触下不出现时间效应，而且时间效应还与润滑膜受剪切历史有关。4．薄膜润滑剪切稀化效应（shearingthinfeatureofthinfilmlubrication）Streastor等人采用载荷150mN，滑动速度在0.25mm/s~250mm/s范围内变化，润滑膜厚度介于2.3nm~80nm之间。测量出不同膜厚条件下，摩擦力随着滑动速度的变化，由此发现纳米润滑膜存在三种润滑状态，即粘着润滑、流体动压润滑、剪切稀化润滑。图10.18给出润滑膜厚度h分别等于40，23，10和4nm时，摩擦力与滑动速度的关系，在膜厚不变条件下即是摩擦力与剪应变率的关系。图10.18平均摩擦力与速度实验表明，膜厚23nm是连续介质力学可应用的最小膜厚。低于此膜厚时，将不出现流体动压润滑状态，应当指出，润滑膜承受的剪应变率实质上就是流速沿膜厚方向的速度梯度。由于膜厚处于纳米尺度，在很小的滑动速度下剪应变率即可达到107s-1~108s-1的量级，因而剪切稀化效应是薄膜润滑不可忽视的因素。5．双电层对薄膜润滑的影响（influenceofelectricaldoublelayeronTFL）EDLsuHydrodynamicfilmzyx图10.19双电层Stern模型结构示意图在润