流體動(dòng)壓潤滑油膜厚度及油池的熒光測量*

(青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 山東青島 266520)

光干涉法在油膜潤滑實(shí)驗(yàn)研究中具有非常廣泛的應(yīng)用，可以有效地測量油膜厚度的分布特性，如彈流出口頸縮現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)[1]。但干涉法對所測量的潤滑表面光學(xué)特性要求嚴(yán)格，且很難用于自由表面上油膜分布的測量。與干涉法不同，熒光法是依靠發(fā)光強(qiáng)度對膜厚進(jìn)行測量，不受摩擦副表面材料反射率的限制，可以對多種工況進(jìn)行測量。

熒光法在工程領(lǐng)域取得了一系列發(fā)展，SMART和FORD[2]提出了利用熒光法測量旋轉(zhuǎn)圓柱體表面油膜厚度的方法。TING、HOULT等[3-4]把熒光測厚法應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)缸套和活塞環(huán)之間的油膜厚度測量上，建立了熒光強(qiáng)度和油膜厚度的標(biāo)定曲線。陸霄露、FOWLL等[5-6]采用激光誘導(dǎo)熒光法分別測量了石英平板、航空發(fā)動(dòng)機(jī)汽化噴嘴及彈性密封材料表面的油膜厚度。

在流體潤滑領(lǐng)域，接觸區(qū)內(nèi)膜厚是判斷潤滑狀態(tài)的一個(gè)重要參數(shù)，其周圍油池反映了供油狀況[7]，直接影響膜厚。因此，掌握圍繞接觸區(qū)潤滑劑的遷移特性，有利于對潤滑狀態(tài)的分析。在彈流潤滑領(lǐng)域，杜紅世[7]、錢善華等[8]應(yīng)用熒光法研究了彈流接觸區(qū)周圍油池的遷移特性。與彈流潤滑不同，面接觸流體動(dòng)壓潤滑四周存在非對稱幾何間隙，接觸區(qū)周圍油池動(dòng)態(tài)分布及油膜厚度有其固有規(guī)律，郭峰等人[9]利用熒光法對面接觸區(qū)周圍的油池及其膜厚進(jìn)行了測量，但該方面的研究成果較少。

本文作者探索了熒光法在面接觸潤滑油膜測量中的應(yīng)用，建立油膜厚度測量方法；針對剪應(yīng)變率對熒光強(qiáng)度的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，尋找合適的潤滑油和熒光劑的搭配；建立熒光強(qiáng)度與油膜厚度的單值關(guān)系，利用熒光強(qiáng)度對油膜厚度進(jìn)行測量；同時(shí)，對接觸區(qū)周圍潤滑劑的遷移特性進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 熒光測量裝置

熒光法測膜厚裝置如圖1所示[10]。

圖1 熒光測量系統(tǒng)簡圖

測量系統(tǒng)由熒光探測設(shè)備、熒光激發(fā)光源、滑塊-轉(zhuǎn)盤調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。熒光探測設(shè)備包括激發(fā)濾光片、截止濾光片、分色鏡及熒光CCD。激發(fā)濾光片允許光源中450～500 nm波段的光通過。LED寬波段藍(lán)色激發(fā)光源經(jīng)過擴(kuò)束器、與光軸成45°的二向分色鏡照射到潤滑軌道上摻雜熒光探針的潤滑油膜上，熒光探針在激發(fā)光的照射下，產(chǎn)生熒光。熒光及入射光的反射光經(jīng)分色鏡照射到截止濾光片上，截止濾光片使波長大于500 nm的熒光通過，然后經(jīng)物鏡入射到CCD上進(jìn)行成像，進(jìn)而獲得接觸區(qū)及圍繞接觸區(qū)潤滑劑的熒光圖像，達(dá)到測量膜厚及示蹤流場的雙重目的。實(shí)驗(yàn)過程中對試驗(yàn)臺進(jìn)行了遮光處理，背景光對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響非常小，可以忽略不計(jì)。

1.2 面接觸潤滑油膜測量系統(tǒng)

面接觸潤滑油膜干涉測量系統(tǒng)[11]包括玻璃盤、Cr +SiO2析光膜、潤滑劑、滑塊和紅色激光器等。激光光源經(jīng)過去散斑處理后在各個(gè)界面上發(fā)生反射和折射，相干的反射光束形成干涉條紋。紅光波長大于熒光的吸收波長，摻雜熒光探針的潤滑油基本不會產(chǎn)生熒光，避免了熒光帶來的干擾。通過干涉條紋的數(shù)目判斷滑塊與玻璃盤的傾角，利用調(diào)節(jié)螺桿調(diào)整滑塊的傾角。傾角可以通過式(1)計(jì)算得出。

α=mλ2nB

(1)

滑塊處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，出口最小膜厚h0為0，滑塊上任意位置膜厚h可以通過式(2)計(jì)算。

h=mλ2n

(2)

式中：m為測量點(diǎn)對應(yīng)的干涉條紋級次；λ為激光波長，此處為640 nm；n為用阿貝折射儀測量所得潤滑油膜的折射率，約為1.46；B是滑塊寬度，B=4 mm。

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

轉(zhuǎn)盤采用K9玻璃，其表面鍍有鉻膜和二氧化硅膜(Cr+SiO2)，反射率控制在20%左右，以保證干涉條紋對比度良好，表面粗糙度Ra為4 nm。實(shí)驗(yàn)用滑塊為鋼塊，表面尺寸為4 mm(寬度B，滑動(dòng)方向)×6 mm(長度L)。潤滑油采用PAO8和PEG400，分別為非極性分子和極性分子基礎(chǔ)油。實(shí)驗(yàn)選用了3種不同的熒光探針，分別為純度為98%的尼羅紅(Nile Red，C20H18N2O2，分子量為318.37，南京奧多福尼生物有限公司生產(chǎn))，純度為99%的羅丹明6G(R6G，C28H31N2O3Cl，分子量為479.01，阿拉丁試劑(上海)有限公司生產(chǎn))，以及純度為98%的香豆素6(Coumarin6，C20H18N2O2S，分子量為350.43，西格瑪奧德里奇(上海)貿(mào)易有限公公司生產(chǎn))，其配比濃度均為0.5 mmol/L，通過磁力攪拌器加熱攪拌使熒光劑充分溶解在潤滑劑中。實(shí)驗(yàn)溫度為(22±0.5) ℃，濕度為HR25%～35%。

2 結(jié)果與討論

2.1 熒光劑的選擇

由Lambert定律[12]可知，靜止?fàn)顟B(tài)下，膜厚不變熒光強(qiáng)度不變。流體動(dòng)壓條件下油膜受剪切作用，為了建立光強(qiáng)與膜厚之間的單值對應(yīng)關(guān)系，需要研究剪應(yīng)變率對熒光強(qiáng)度的影響，選擇合適的熒光添加物是應(yīng)用熒光方法的關(guān)鍵。

調(diào)整滑塊方向角，使得沿轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向油膜厚度為恒定值，潤滑油在玻璃盤帶動(dòng)下做純剪切流動(dòng)。純剪切條件下的熒光圖像及垂直于速度方向上的光強(qiáng)分布情況如圖2所示，可以看到此處熒光強(qiáng)度與油膜厚度成近似線性關(guān)系。剪應(yīng)變率可以通過式(3)得到。

γ·=uh

(3)

式中：γ·為剪應(yīng)變率；u為玻璃盤轉(zhuǎn)速；h為滑塊在選定位置的膜厚。

圖2 熒光圖像及光強(qiáng)分布情況(PAO8+Coumarin6，u=45.7 mm/s，α=1∶913， w=4 N)

從公式(3)可以看出，膜厚固定，速度的改變將引起剪應(yīng)變率的變化。選取滑塊上一點(diǎn)為測量點(diǎn)，通過改變玻璃盤轉(zhuǎn)速，記錄滑塊上測量點(diǎn)處的熒光強(qiáng)度隨剪應(yīng)變率變化的關(guān)系曲線，如圖3所示。

圖3(a)所示為取h= 2.3 μm，摻雜Nile red的PAO8潤滑劑受剪切作用時(shí)，熒光強(qiáng)度隨剪應(yīng)變率的變化曲線，可以看出熒光強(qiáng)度隨剪應(yīng)變率增大而減小。圖3(b)、(c)所示分別為摻雜Coumarin6的PAO8潤滑劑及摻雜R6G的PEG400潤滑劑熒光強(qiáng)度隨剪應(yīng)變率的關(guān)系曲線，可以看出，隨著剪應(yīng)變率的增大，熒光強(qiáng)度基本保持不變，即不受剪應(yīng)變率的影響。需要說明的是圖2中，熒光強(qiáng)度隨油膜厚度表現(xiàn)為線性變化，而不同油膜厚度處剪應(yīng)變率并不是常數(shù)，也說明了剪應(yīng)變率對熒光強(qiáng)度無影響，這與圖3(b)所示的結(jié)果一致。由此可以得出，R6G熒光劑和PEG400潤滑油的組合與Coumarin6熒光劑和PAO8潤滑油的組合是適合油膜厚度測量的潤滑油和熒光劑組合。在后面的研究中針對R6G和PEG400的組合進(jìn)行具體的實(shí)驗(yàn)測量。

圖3 純剪切條件下的熒光強(qiáng)度變化曲線(w=4 N，α=1∶1 828)

2.2 接觸區(qū)潤滑油膜厚度的測量

利用熒光法測量流體動(dòng)壓潤滑油膜厚度首先要標(biāo)定光強(qiáng)與膜厚之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)測量了摻雜R6G的PEG400在滑塊傾角分別為1∶1 828、1∶1 304、1∶1 014、1∶830、1∶702、1∶608 (對應(yīng)的干涉條紋數(shù)分別為10、14、18、22、26、30)時(shí)的熒光圖像，如圖4(a)所示。在熒光圖像上選擇像素坐標(biāo)為(600，400)的點(diǎn)為測量點(diǎn)，通過改變滑塊傾角得到該點(diǎn)油膜厚度與熒光強(qiáng)度的對應(yīng)關(guān)系，如圖4(b)所示?？梢钥闯?，熒光強(qiáng)度與油膜厚度之間呈線性關(guān)系，根據(jù)標(biāo)定結(jié)果可以求解油膜厚度。

圖4 熒光圖像及標(biāo)定曲線(PEG4000+R6G)

利用圖4獲取的標(biāo)定結(jié)果得到了油膜厚度隨速度的變化曲線，如圖5所示。

圖5 膜厚隨速度的變化曲線(PEG400+R6G，α=1∶1 828)

載荷分別為2和4 N，傾角為1∶1 828。將熒光法測量得到的數(shù)據(jù)與相同實(shí)驗(yàn)條件下干涉法測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，可以看出，兩者在相同載荷下的膜厚速度曲線吻合良好。從圖5中可以看出：潤滑油膜厚度隨著速度的增加而增大，隨載荷的增加而減?。慌c彈流潤滑不同，載荷對膜厚的影響比較明顯；熒光強(qiáng)度隨速度的變化關(guān)系與膜厚的變化規(guī)律一致。

2.3 油池的測量

油池的測量也使用摻雜R6G的PEG400作為潤滑劑。滑塊周圍油池可看作自由表面油膜，圖4(b)中的標(biāo)定結(jié)果不能用于其測量，而且二者的膜厚尺度也不在同一數(shù)量級。為定量測量油池分布，使用玻璃盤表面上不同體積的微液滴進(jìn)行標(biāo)定。假定玻璃盤表面微液滴為球冠，利用球冠體積公式求得液滴最高點(diǎn)的油膜厚度，球冠體積如式(4)所示。

V=16πh(3r2+h2)

(4)

式中：V為液滴體積；h為液滴最高點(diǎn)油膜厚度；r為液滴鋪展半徑，可通過測量得到。

液滴體積分別為3、4 、5 、9 μL，每個(gè)體積實(shí)驗(yàn)測試2次。液滴球冠最高點(diǎn)膜厚與光強(qiáng)的對應(yīng)關(guān)系如圖6所示，可看作線性關(guān)系。

圖6 自由表面油滴及光強(qiáng)膜厚標(biāo)定結(jié)果

為了證明實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)首先對建立的標(biāo)定關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證。圖7(a)所示是用熒光測量系統(tǒng)測得的滑塊側(cè)立面上摻雜熒光探針的潤滑油膜的光強(qiáng)分布情況，圖7(b)所示為用接觸角測量儀測得的潤滑劑在滑塊側(cè)立面上的分布情況。實(shí)驗(yàn)不加載，供油量為3 μL，除測量方法不同外，其他實(shí)驗(yàn)條件均相同。如圖7(a)所示，沿著潤滑劑分布的對稱中心線上選定距離滑塊1.4 mm處一點(diǎn)為參考點(diǎn)，利用圖6中標(biāo)定結(jié)果測得參考點(diǎn)處的膜厚情況。同樣地，利用接觸角測量儀測得對應(yīng)于參考點(diǎn)處的膜厚，利用2種不同方法獲得的膜厚分布對比情況如圖8所示?？梢钥闯觯瑑蓽y量方法測得的結(jié)果變化規(guī)律一致，利用熒光法測得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果要偏大一點(diǎn)，但差別不大，圖8中兩方法所測膜厚最大相差13.8%。

圖7 兩方法測得的潤滑劑在滑塊側(cè)立面上的分布

圖8 兩方法測得的滑塊側(cè)立面上膜厚分布比較(3 μL， PEG400+R6G)

對圍繞接觸區(qū)的摻雜R6G的PEG400的遷移特性進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)過程中載荷為4 N，潤滑劑供給量為0.8 mL，滑塊傾角為1∶1 218。潤滑劑圍繞接觸區(qū)(滑塊)周圍構(gòu)成一個(gè)油池，油池隨速度的變化規(guī)律如圖9所示?？梢钥闯龅退贂r(shí)，由于表面力的作用潤滑油環(huán)繞滑塊鋪展于立面四周；隨著速度增大，接觸區(qū)對入口處供油的機(jī)械分離作用增強(qiáng)，油池開始發(fā)生變形；出口處，氣穴區(qū)的擴(kuò)大阻礙了滑塊兩側(cè)立面的潤滑油向出口處立面的鋪展，因此滑塊出口處的油池慢慢退化，僅在出口立面和側(cè)立面相交角處存在和堆積。同時(shí)，入口處由于速度的增加，油池內(nèi)潤滑劑的堆積明顯增加。

圖9 油池隨速度的變化(PEG400+R6G，w=4 N，α=1∶1 218)

通過選定代表性的截面對油池的演化過程進(jìn)行了定量表征，如圖10所示。圖11(a)—(e)分別對應(yīng)于圖10中劃線1—5位置處。需要指出的是利用自由表面上的標(biāo)定關(guān)系不能獲得接觸區(qū)內(nèi)以及氣穴破裂后潤滑軌道上(如圖11中標(biāo)定位置所示)的油膜厚度。

圖10 截面選擇示意圖

圖11(a)代表出口邊油池橫向截面，距離滑塊出口邊緣2.7 mm。可以看到在潤滑軌道上低速時(shí)存在潤滑油堆積，主要來自于兩側(cè)立面潤滑油的環(huán)繞鋪展；隨著速度的增加，出口堆積的潤滑油開始減少，隨后產(chǎn)生典型的雙側(cè)脊?jié)櫥头植迹划?dāng)速度進(jìn)一步增加，側(cè)脊之間的距離增加且側(cè)脊呈現(xiàn)變窄的趨勢；兩側(cè)脊間隙的增加，是因?yàn)榛瑝K把油池劃分為兩個(gè)側(cè)脊之后，在表面張力作用下，兩條側(cè)脊上的油膜都有向兩側(cè)擴(kuò)展的趨勢，速度的增加導(dǎo)致潤滑劑回復(fù)時(shí)間減少，同時(shí)兩側(cè)脊之間潤滑油膜的厚度降低。速度提高以后，離心力作用突出，此時(shí)油池外側(cè)比內(nèi)側(cè)擴(kuò)展明顯。內(nèi)側(cè)脊與外側(cè)脊對于間隙增加的貢獻(xiàn)不同，外脊由于離心力的作用向外擴(kuò)展的程度要大。

圖11(b)代表的是通過接觸區(qū)的油池橫截面，距離滑塊出口邊緣1.6 mm。潤滑劑受毛細(xì)作用匯聚在滑塊的兩側(cè)立面，隨著速度的增加，兩側(cè)油膜的剪應(yīng)變率增加，但膜厚變化不明顯，代表剪應(yīng)變率對此處潤滑油的鋪展影響不大。

圖11(c)代表入口處油池橫向截面，距離滑塊入口邊緣0.8 mm?？梢钥吹皆跐櫥壍郎系退贂r(shí)存在潤滑油堆積，主要來自于潤滑軌道表面和兩側(cè)立面潤滑油的環(huán)繞鋪展；隨著速度升高，入口潤滑劑堆積程度增加并達(dá)到最高值；當(dāng)速度進(jìn)一步從69.9 mm/s提高到100 mm/s時(shí)，潤滑劑堆積現(xiàn)象減弱，開始出現(xiàn)雙側(cè)脊。

圖11(d)代表距入口稍遠(yuǎn)處油池橫向截面，距離滑塊入口邊緣2.2 mm。低速時(shí)，油池外部入口邊潤滑劑隨著速度的提高出現(xiàn)堆積，當(dāng)速度從1 mm/s提高到45.7 mm/s時(shí)，潤滑劑的堆積趨勢非常明顯；隨著速度繼續(xù)提高，潤滑油堆積減弱，呈現(xiàn)雙側(cè)脊式的分布形態(tài)，側(cè)脊之間的距離隨著速度的增加而增大。

圖11(e)為通過接觸區(qū)中心的縱向截面，距離滑塊左側(cè)立面2.8 mm?？梢钥闯?，出口處油膜厚度隨著速度的增大而減??；速度從1 mm/s提高到69.9 mm/s時(shí)，入口處油膜厚度隨著速度的增大而增加，當(dāng)速度從69.9 mm/s提高到100 m/s時(shí)，油膜厚度存在一定程度的下降；入口處軌道上的油膜厚度整體比出口軌道上的油膜厚度大；入口凹陷隨著速度的增加而增大。

圖11 油池截面1到5上油膜厚度隨速度的變化情況(PEG400+R6G，w=4 N，α=1∶1 218)

低速階段時(shí)，滑塊入口潤滑劑堆積隨速度提高有一定程度增加，油池入口處呈現(xiàn)出凸起。當(dāng)速度增大到某一值時(shí)，油池被劃分為兩個(gè)側(cè)脊，隨著盤速的進(jìn)一步提升，潤滑劑沒有足夠的時(shí)間回流，導(dǎo)致油池入口區(qū)出現(xiàn)凹陷，凹陷程度隨著速度的增大而增加。如果進(jìn)一步提速，離心力作用變明顯，從接觸區(qū)攜帶的潤滑劑一部分用來補(bǔ)充油池，另一部分在離心力作用下流向玻璃盤外側(cè)，甚至被甩出玻璃盤，油池得不到足夠的補(bǔ)充。

3 結(jié)論

(1)對潤滑油膜熒光強(qiáng)度與其所受剪應(yīng)變率的關(guān)系進(jìn)行了測量，篩選得到了適合油膜厚度測量的R6G和PEG400及Coumarin6和PAO8的熒光劑和潤滑油的組合。

(2) 根據(jù)測量得出了油膜厚度和光強(qiáng)之間存在單值線性關(guān)系，從而給出了接觸區(qū)膜厚測量和接觸區(qū)外圍油池測量的標(biāo)定方法。

(3)在滑塊-轉(zhuǎn)盤接觸流體動(dòng)壓條件下存在一個(gè)圍繞接觸區(qū)的油池，低速范圍內(nèi)隨著卷吸速度的增加，滑塊入口處油池產(chǎn)生潤滑劑堆積，速度進(jìn)一步增加，堆積略減弱；出口處油池隨速度增加出現(xiàn)雙側(cè)脊分離；而兩側(cè)面油池?zé)o明顯變化。

(4)卷吸速度、表面張力及離心力都直接影響油池形狀的演變，油池形狀的改變反映了接觸區(qū)周圍潤滑劑的流失與補(bǔ)給過程。