油性剂吸附对点接触油膜润滑影响的试验研究

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限量供油润滑(Limited Lubricant Supply,LLS)是指通过限制润滑油的供给量,使零部件工作在降摩减摩的最佳润滑状态,降低搅油温升和摩擦功耗,保护环境。在有限量供油条件下,需要通过表面修饰方法使分流到轨道两侧的润滑剂向接触区内回流,即促进表面的自集油,提高润滑剂利用率。油性添加剂是润滑油常用的一种添加剂,能够降低摩擦表面在边界润滑条件下的摩擦力。同时,油性剂在摩擦表面形成的吸附膜具有低表面能,影响限量供油时润滑轨道上润滑剂的分布,可提高表面的自集油能力,但该方面的研究尚未系统展开。本文研究油性剂吸附对点接触弹流油膜润滑性能的影响;同时,作为初步的应用尝试研究了油性剂吸附对限量供油滚动轴承润滑性能的影响。主要内容包括:(1)研究在充分供油条件下,油性剂对聚α-烯烃油(PAO10)润滑性能的影响。加入油性剂的PAO10的摩擦力低于纯PAO10的摩擦力,但膜厚也低于纯PAO10的膜厚,并且膜厚和摩擦力随着油性剂分子链长增加而变小。通过接触角测量仪和原子力显微镜研究油性剂吸附表面特性,得出加入油性剂后膜厚和摩擦力降低归因于油性剂在摩擦表面形成疏油性的吸附膜。(2)研究在限量供油条件下,硬脂酸吸附对点接触油膜润滑性能的影响。玻璃环内表面进行等离子清洗改性,以实现金属表面对硬脂酸分子的吸附能力。测量不同供油量下PAO10和加入质量分数为0.2%硬脂酸的PAO10(记为PAO10S)的膜厚和摩擦力。试验观察到油膜厚度表现为先上升后下降,为典型的乏油现象,对应膜厚转折点存在一临界速度。PAO10S的临界速度大于PAO10的临界速度。因此硬脂酸的加入有利于增加接触区入口油量,减轻乏油程度,并降低整体摩擦系数,但这些效果随着供油量增加逐渐减弱。通过对硬脂酸吸附进行相关表征,得出油性剂在摩擦表面形成的吸附膜具有低表面能,使润滑油出现“反润湿”现象,在润滑轨道上呈现离散条状分布,有利于入口区的供油,增强限量供油润滑。在摩擦磨损试验中,发现硬脂酸的加入有利于减小磨痕宽度,降低摩擦系数。(3)研究了当硬脂酸吸附形成低表面能润滑轨道时对润滑可能的影响:(a)卷吸量减小和侧泄增加。它们都归因于低的润滑剂亲和力和压力梯度。(b)更多的润滑油流向润滑轨道上。低表面能提供较小的阻力,使分流到轨道两侧的润滑油回流,这有助于润滑油供应。(c)低铺展性。这使油很难离开接触区。(d)较早承载。非连续的离散液滴或条纹比连续的均匀油层更早接触边界表面。基于上述4种因素的综合作用,对(1)和(2)中的试验结果做了进一步解释。(4)研究真实轴承内硬脂酸吸附对轴承润滑性能的影响。试验观察到摩擦力矩表现为先降低后上升,对应摩擦力矩转折点存在临界转速。供油量影响临界速度和硬脂酸的吸附层的修复速度。供油量增加可以更快形成动压润滑,使润滑剂的临界速度减小,其中PAO10S的临界速度最小。PAO10S中的硬脂酸分子随着供油量增加供应量增加,硬脂酸吸附层受到的剪切应力降低,提高了吸附层的修复速度。通过光干涉发现油膜厚度“低-高-低”与轴承摩擦力矩“高-低-高”变化相反。因硬脂酸吸附使PAO10S和PAO10的供油状态存在差异,划分了三个供油状态。由本文的研究可以看到,油性剂的研究需考虑油性剂在不同润滑状态下的特性而不是仅局限于边界润滑。油性剂原位吸附能减轻实际工程中可能出现的乏油润滑,为有限量供油润滑技术提供了新的方向。滚动轴承限量供油和乏油润滑的研究成果对理解润滑机理和改进轴承润滑有一定的参考价值。
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