流體動壓下乳化液遷移特性及潤滑機(jī)理研究

劉玉健,韓素立,郭 峰,邵 晶

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

大量礦物及合成油被應(yīng)用于機(jī)械傳動系統(tǒng)潤滑中，導(dǎo)致資源浪費(fèi)的同時給環(huán)境造成污染，不符合綠色發(fā)展主題，在潤滑領(lǐng)域?qū)ふ乙运嬗偷挠行Х椒ǔ蔀榻陙頍狳c(diǎn)問題[1].付甜等[2]總結(jié)了水基潤滑液的研究進(jìn)展，張建文等[3]通過添加BOEAL(二乙醇胺月桂酸)顯著提高了純水的成膜能力.但與傳統(tǒng)油潤滑不同，水基潤滑缺少機(jī)理性成果，有待進(jìn)一步研究和完善.

乳化液作為一種典型的水基潤滑劑，掌握其成膜機(jī)制對推動水基潤滑具有重要作用.關(guān)于乳化液潤滑的研究，Cambiella等[4]得出結(jié)論：乳化劑濃度是決定乳化液表界面張力、潤濕角、擴(kuò)散系數(shù)或黏附功等多種界面性質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù).黃偉九等[5]提出乳化液在金屬表面離水展著性是其發(fā)揮潤滑作用的前提.火鵬飛等[6]對乳化液離水展著性進(jìn)行了測試，認(rèn)為離水展著性受溫度和乳化液濃度等多因素影響.朱等[7]和Joslyn等[8]先后研究了低濃度水包油乳化液的彈流潤滑行為，后者將點(diǎn)接觸乳化液潤滑過程歸結(jié)為三種狀態(tài)：低速狀態(tài)下乳化液潤滑膜厚度與純油相當(dāng)；中速狀態(tài)下潤滑油膜厚度急劇下降,形成乏油潤滑；高速狀態(tài)下乳化液潤滑膜厚度再次增加.馬麗然等[1]研究了高水基乳化液在點(diǎn)接觸下的成膜規(guī)律及機(jī)理，并對乳化液滴進(jìn)入接觸區(qū)的行為進(jìn)行觀測.李中洋等[9]發(fā)現(xiàn)添加石墨烯納米顆粒會提高乳化液的摩擦性能，可在摩擦因數(shù)及工件磨損面積方面得到不同程度的改善.劉方等[10]對不同類型水包油乳液的流變特性及黏度進(jìn)行了表征，并建立新的黏度模型.劉宸旭等[11]對點(diǎn)接觸條件下油水乳化液邊界潤滑行為進(jìn)行分析，認(rèn)為乳化液進(jìn)入接觸區(qū)時油相起主要潤滑作用.李振順等[12]對高水基乳化液作用下液壓元件摩擦磨損性能進(jìn)行研究，認(rèn)為乳化液體積分?jǐn)?shù)為8%時減摩抗磨效果最好.陳露等[13]從摩擦磨損的角度研究了乳化液點(diǎn)接觸成膜性能，認(rèn)為鋼球表面磨損程度隨著滑滾比和水濃度的增加而增大.對于高副接觸下乳化液成膜特性的研究逐漸完善，但低副狀態(tài)下乳化液成膜機(jī)理及乳化液池遷移行為仍是1個未知數(shù).在研究手段方面，韓素立等[14]和王茜等[15]成功將光干涉法和熒光法相結(jié)合應(yīng)用到流體動壓潤滑研究中，并取得優(yōu)異成果.

本文中設(shè)計低副狀態(tài)下乳化液潤滑試驗(yàn)方案，利用光干涉法研究不同濃度下乳化液膜厚隨速度的變化曲線，利用熒光法研究滑塊-玻璃盤接觸區(qū)外圍乳液池三維分布，并對流體動壓條件下乳化液的潤滑機(jī)理進(jìn)行分析.

1 試驗(yàn)部分

1.1 微型滑塊-轉(zhuǎn)盤面接觸潤滑油膜測量系統(tǒng)

采用微型滑塊-轉(zhuǎn)盤面接觸油膜測量系統(tǒng)對乳化液膜厚及遷移特性進(jìn)行研究，如圖1所示.

Fig.1 Test apparatus for conformal contacts圖1 面接觸油膜測量系統(tǒng)

微型滑塊-轉(zhuǎn)盤面接觸油膜測量系統(tǒng)由加載臂、固定傾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、玻璃轉(zhuǎn)盤、伺服電機(jī)和顯微測量機(jī)構(gòu)等組成[16]，顯微測量機(jī)構(gòu)分為光干涉法膜厚測量裝置和熒光探測兩部分，完成對乳化液膜厚度及乳液池遷移特性的研究.試驗(yàn)前通過固定傾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)確定滑塊與玻璃盤傾角，形成楔形間隙，傾角大小可以通過干涉條紋數(shù)目計算得到(式1).在玻璃盤轉(zhuǎn)動過程中，將乳化液卷吸進(jìn)接觸區(qū)內(nèi)，產(chǎn)生流體動壓油膜.

在靜止?fàn)顟B(tài)下滑塊出口最小膜厚h0=0,滑塊不同位置膜厚h可由公式(1)求得.根據(jù)玻璃盤啟停過程中出口處固定點(diǎn)的光強(qiáng)隨時間變化計算出相應(yīng)膜厚值.

式中：N為測量點(diǎn)對應(yīng)干涉級次；λ為激光波長，為640 nm；α為滑塊傾斜角；B是滑塊寬度，為5 mm；n為用阿貝折射儀(2WAJ型，上海申光儀器儀表有限公司)測量所得各濃度乳化液折射率，不同濃度乳化液折射率并不相同.

研究接觸區(qū)外圍乳液池遷移特性時，顯微測量機(jī)構(gòu)選用熒光探測裝置，包括激發(fā)、截止濾光片、分色鏡及熒光CCD.如圖1所示，藍(lán)色激發(fā)光源經(jīng)擴(kuò)束器后照射到熒光處理過的乳化液膜上，熒光探針在激發(fā)光作用下產(chǎn)生熒光[17]，熒光及入射光的反射光經(jīng)分色鏡照射到截止濾光片上，然后經(jīng)物鏡入射至CCD進(jìn)而獲得接觸區(qū)及外圍乳液池的熒光圖像.試驗(yàn)過程進(jìn)行了遮光處理，背景光對結(jié)果的影響非常小，可以忽略不計.

1.2 試驗(yàn)材料及條件

試驗(yàn)中轉(zhuǎn)盤采用K9玻璃盤，其表面鍍有鉻膜(Cr)，反射率在20%左右，以獲得清晰干涉條紋，表面粗糙度Ra為4 nm，滑塊為鋼塊，表面尺寸為5 mm×5 mm.試驗(yàn)采用兩種乳化液：一是作者試制以5#白油為基礎(chǔ)油的乳化液(依次加入特定比例的5#白油、石油磺酸鈉、季戊四醇四油酸酯、酰胺和三乙醇胺等表面活性劑，并在室溫下持續(xù)攪拌，直至各組分間充分互溶，將配制完成后的乳化液靜置6 h左右，若不產(chǎn)生分層，則配制成功，記為乳化液A)；二是以未知配方的工業(yè)環(huán)保型切削液為原液配置的乳化液(深圳市晶研儀器生產(chǎn)，基礎(chǔ)油為礦物油，記為乳化液B).試驗(yàn)前對兩種乳化液進(jìn)行熒光處理，熒光探針分別選取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99%的羅丹明6G [R6G，C28H31N2O3Cl，分子量479.01，阿拉丁試劑(上海)有限公司]和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%的尼羅紅(Nile Red，C20H18N2O2,分子量為318.37，上海伊卡生物公司生產(chǎn))，應(yīng)用電子天平精確稱量熒光劑重量，均按0.5 mmol/L[15]進(jìn)行配比，通過磁力攪拌器室溫下進(jìn)行攪拌，使熒光探針充分溶解于兩種乳化液中，靜置后取上層清液按10%濃度梯度進(jìn)行稀釋，并增加5%和2.5%濃度共12組對照試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為20±0.5 ℃，濕度為35%～40% RH.

2 試驗(yàn)相關(guān)條件測量

2.1 熒光探針的選擇

乳化液除必須的基礎(chǔ)油和表面活性劑，還包括消泡劑、油性添加劑、極壓劑和緩蝕劑等多種添加劑[2]，因此需保證試驗(yàn)所選熒光探針的合理性.為觀察乳化液主要官能團(tuán)及所選用熒光探針是否同乳化液發(fā)生反應(yīng)，利用傅里葉變換紅外光譜分析儀(BRUKER INVENIO-R)對加入熒光探針前后的乳化液原液官能團(tuán)及峰值進(jìn)行分析，如圖2所示為加入熒光探針前后兩種乳化液A和B不同濃度的紅外光譜吸收頻率對比圖，表1所列為圖2所標(biāo)注峰值對應(yīng)的特征官能團(tuán)紅外吸收峰頻率.

表1 部分特征官能團(tuán)紅外吸收峰頻率Table 1 Infrared absorption peak frequency of some characteristic functional groups

Fig.2 Comparison of infrared absorption peak before and after fluorescence treatment of cutting fluid圖2 乳化液A和B不同濃度下熒光處理前后紅外吸收峰值對比

由圖2觀察可知，熒光處理前后紅外吸收峰值無明顯變化，說明熒光探針加入前后乳化液官能團(tuán)并未發(fā)生改變，熒光探針選用合理.單獨(dú)分析圖2(a)和(b)發(fā)現(xiàn)，乳化液A和B無論加水前后其紅外吸收峰值均沒有明顯變化；橫向?qū)Ρ葓D2(a)和(b)可知，由于水引入O-H鍵，導(dǎo)致加水后相比加水前峰值變化較大.

乳化液B配方未知，但其官能團(tuán)組成和乳化液A相近，如圖2(a)中所標(biāo)注峰值表征烷烴、醇、酚、氨基酸鹽酸鹽、酮酸脂和硝酸酯等官能團(tuán).

2.2 不同濃度乳化液黏度分析

乳化液黏度的大小直接反應(yīng)了其抵抗變形和阻止相對運(yùn)動的能力[18-19]，對分析乳化液成膜特性極為重要，因此對不同濃度乳化液黏度進(jìn)行測量.圖3所示為流變儀(MCR 系列,奧地利安東帕有限公司生產(chǎn))測量結(jié)果，其中圖3(a)和(b)所示分別為A、B乳化液稀釋后不同濃度間剪切速率和黏度的關(guān)系，圖3(c)所示為A、B乳化液稀釋后不同濃度黏度變化曲線.

由圖3(c)觀察可知：隨著乳化液濃度的降低，乳化液黏度先增后降，原因是乳化液發(fā)生了油包水(W/O)到水包油(O/W)的相變，產(chǎn)生相變的濃度稱為相變臨界濃度.當(dāng)乳化液位于相變臨界濃度附近時，乳化液處于乳濁狀態(tài)，其空間框架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，此時乳化液黏度過高不易進(jìn)入微滑塊-轉(zhuǎn)盤接觸區(qū)內(nèi)，如圖4所示，因此后續(xù)不研究臨界濃度附近乳化液成膜特性.

Fig.4 Emulsion in the inlet and outlet areas in hydrodynamic lubrication at maximum viscosity when the phase transition圖4 流型轉(zhuǎn)變濃度附近時乳化液位于入口區(qū)和出口區(qū)狀態(tài)

由圖3(c)可知，兩種乳化液轉(zhuǎn)相臨界濃度不同，其中乳化液A出現(xiàn)較早，這與乳化液各相黏度和組成成分等原因有關(guān)，隨著水含量增多，兩種乳化液黏度逐漸接近并趨近于純水黏度.

Fig.3 Viscosity measurement results of emulsion圖3 乳化液黏度測量結(jié)果

2.3 乳化液折射率測量

折射率會改變光程進(jìn)而影響光干涉膜厚的測量.不同濃度乳化液折射率測量結(jié)果列于表2中.兩種乳化液折射率均隨其濃度降低而降低，熒光處理后其折射率不發(fā)生變化.

表2 不同濃度乳化液折射率測量結(jié)果Table 2 Refractive index measurement results of emulsions with different concentrations

2.4 乳化液粒徑測量

乳化液由表面活性劑連接的內(nèi)外兩相組成，其粒徑大小分布不均.基于研究乳化液成膜機(jī)制的試驗(yàn)?zāi)康?，需對不同濃度乳化液粒徑大小進(jìn)行初步掌握.如圖5所示為利用共聚焦顯微鏡(基恩士 VK-H2J100)對各濃度下乳化液A和B粒徑大小及分布進(jìn)行觀測.靜止條件下出口膜厚為0時，根據(jù)干涉條紋可以求得滑塊入口間隙在2 μm左右，觀察試驗(yàn)得到，粒徑隨乳化液濃度的增大而增大.乳化液A粒徑和接觸區(qū)間隙的大小相近，而乳化液B粒徑在低濃度條件下和接觸區(qū)間隙大小相近.

Fig.5 The particle size and distribution of emulsion A and B with different concentrations圖5 不同濃度乳化液A和B的粒徑大小及分布

3 試驗(yàn)測量結(jié)果與討論

3.1 光干涉法測量接觸區(qū)乳化液膜厚

接觸區(qū)內(nèi)乳化液成膜厚度是衡量潤滑效果的1個重要指標(biāo).作者使用多光束干涉法[20]對接觸區(qū)出口處乳化液膜厚進(jìn)行在線測量(以下膜厚均指出口膜厚)設(shè)計載荷為2 N，條紋數(shù)為10的兩組對照試驗(yàn)，得到了乳化液A和B在不同配比濃度下膜厚隨速度變化曲線，如圖6(a～b)所示.

由圖6(a)和(b)對比分析可知，A和B兩種乳化液在不同濃度下膜厚隨速度曲線變化趨勢相同，均隨著速度升高而膜厚增加，這與朱等[7]在彈流潤滑中所劃分第一階段變化規(guī)律一致.

由圖6(b)可知，不同濃度乳化液膜厚隨速度變化曲線在低速條件下(1 mm/s)可分為3個梯度：第一梯度為100%～70%四種濃度乳化液，此時乳化液處于相變前油包水狀態(tài)，黏度隨著含水量增加逐漸變大，并且此梯度膜厚最大，集中在400～600 nm之間，隨著速度的增長，當(dāng)速度為150 mm/s時，膜厚可達(dá)5 μm左右；第二梯度為40%～20%三種濃度乳化液，此時乳化液處于相變后水包油狀態(tài)，黏度隨水含量增加逐漸降低，低速條件下(1 mm/s)膜厚分布在100 nm左右，隨著速度的增高，在150 mm/s時膜厚可達(dá)2～3 μm；第三梯度為10%～2.5%三種濃度乳化液，此時乳化液已接近純水黏度，起始膜厚雖僅介于10～30 nm之間，但仍能將楔形接觸副分離，并且隨著速度的不斷增加，膜厚能達(dá)到1 μm以上，依然具有較好的成膜能力.而在圖6(a)中，由于乳化液A相變臨界濃度較大，所測量的膜厚均為相變后水包油乳化液，只存在圖6(b)所述的第二、三膜厚梯度.

Fig.6 Variation curve of film thickness with speed at different ratios of water (a)emulsion A (b)emulsion B圖6 乳化液A和B在不同配比濃度下膜厚隨速度的變化曲線

為了更直觀地觀察乳化液膜厚和濃度的關(guān)系，對圖6進(jìn)行縱向分析，結(jié)果如圖7所示，以4.17、35.52和150 mm/s為例.在同一速度曲線上，膜厚隨乳化液濃度的變化趨勢與黏度隨乳化液濃度的變化趨勢相似，黏度越高，膜厚值相對越大.圖6中折線出現(xiàn)的個別交叉情況對應(yīng)圖7中膜厚下降點(diǎn)，這種情況由乳化液特殊的成膜機(jī)制造成，具體原因在3.3節(jié)討論.

Fig.7 Variation curve of film thickness of emulsion A and B as a function of concentration at the same speed圖7 同速度下乳化液A、B膜厚隨濃度的變化曲線

3.2 熒光法測量接觸區(qū)乳液池

膜厚的形成和乳液池供油密切相關(guān)，掌握工作過程中接觸區(qū)周圍乳液池遷移機(jī)理，便于進(jìn)一步分析流體動壓效應(yīng)下乳化液成膜機(jī)制.由3.1節(jié)乳化液A和B成膜能力的分析可知，乳化液A和B的性質(zhì)不同，造成兩種乳化液成膜能力不同，但觀察整體膜厚變化，發(fā)現(xiàn)其存在共性規(guī)律：當(dāng)乳化液處于油包水流型時，其膜厚較高，并且隨水含量增加膜厚增大；當(dāng)乳化液處于水包油流型時，膜厚隨含水量增加而減小.由于乳化液B涵蓋原液、油包水流型、流型轉(zhuǎn)變區(qū)和水包油流型等多種狀態(tài)，下面以乳化液B為主體，結(jié)合乳化液A，對乳液池遷移行為異同點(diǎn)進(jìn)行分析.試驗(yàn)開始前，將潤滑劑快速布置于潤滑軌道中心，封閉試驗(yàn)臺，極輕載工況下跑合5 min，使?jié)櫥瑒┚鶆蚍植荚跐櫥壍郎?試驗(yàn)后乳化液原液A和B遷移規(guī)律相似，以乳化液B展開分析，如圖8所示為熒光法測得乳化液B原液的遷移特性.

由圖8觀察可知，卷吸速度較低時，乳液池呈現(xiàn)橢圓形，入口處發(fā)生乳液堆積，隨著轉(zhuǎn)速的增加，橢圓形的乳液池出口逐漸打開，在4.17 mm/s時可觀察到出口氣穴，這是由于轉(zhuǎn)速的升高導(dǎo)致出口處空氣溶解能力下降[21].當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高到8.52 mm/s時，入口乳化液堆積處出現(xiàn)彎月面，這是由于盤回轉(zhuǎn)速度的增高導(dǎo)致入口供油出現(xiàn)不足，隨著轉(zhuǎn)速持續(xù)增高，彎月面逐漸增大，但未出現(xiàn)乏油現(xiàn)象，結(jié)合圖6中乳化液B原液膜厚變化曲線，這與膜厚隨速度逐漸增高的規(guī)律一致.當(dāng)速度達(dá)到150 mm/s時，出口氣穴達(dá)到最大，此時滑塊出口只有兩端脊?fàn)钊榛?在此過程中，由于速度的增高，離心力變大，導(dǎo)致乳液池內(nèi)外兩側(cè)分布不均.而原液池A區(qū)別在于2.05 mm/s時出口氣穴顯現(xiàn)，乳液池其余變化均與原液池B遷移特性一致.

Fig.8 The migration characteristics of B emulsion cell measured by fluorescence method.(w=2 N,10 stripes,0.5 mmol/L nile red)圖8 熒光法測量乳化液B原液池的遷移特性(w=2 N，10條紋，0.5 mmol/L尼羅紅)

將稀釋后的乳化液A和B進(jìn)行熒光觀測，分析發(fā)現(xiàn)同種乳化液不同濃度、不同乳化液同種濃度之間整體遷移特性存在共性規(guī)律，并且和原液相似，區(qū)別在于乳液池可觀察到出口氣穴和入口彎月面的卷吸速度不同.如圖9所示，以幾個典型速度及濃度進(jìn)行分析，剩余工況不再展開贅述.

Fig.9 Three-dimensional map of emulsion pool with different concentrations and speeds圖9 不同濃度及速度下的乳液池三維分布圖

圖9所示為不同濃度和速度下的乳液池三維分布圖，其中X方向?yàn)檩S心方向，Y方向?yàn)榛瑝K寬度，Z方向?yàn)闊晒鈴?qiáng)度，即膜厚相對值，圖9所示為所采集圖片整個試驗(yàn)過程中光強(qiáng)保持一致，其中紅色區(qū)域代表膜厚值較高處.如圖9(a)所示為濃度100%的乳化液A在2.05 mm/s時的三維模型，此時出口氣穴打開，入口處乳化液堆積，乳液池厚度較高；圖9(b)所示為濃度100%的乳化液B在4.17 mm/s時的三維模型，相對于此濃度下乳液池A，其出口氣穴顯現(xiàn)時速度較大；圖9(c)所示為40%濃度下乳化液A入口彎月面出現(xiàn)時模型，此時速度已達(dá)35.52 mm/s，而在40%濃度下乳液池B出現(xiàn)彎月面速度為72.61 mm/s，如圖9(d)所示，且此時乳化液A粒徑較均勻，其乳液池相對平整.圖9(e)所示為乳化液B濃度為20%時的三維模型，當(dāng)速度達(dá)到150 mm/s時方可觀察到出口氣穴，此濃度下入口不再形成彎月面；圖9(f)所示為乳化液B濃度為5%時的三維模型，速度為150 mm/s，此時乳液池形狀發(fā)生較大改變，在此速度下觀察不到出口氣穴.

結(jié)合上述討論，分析乳液池A和B遷移不同點(diǎn)在于出口氣穴顯現(xiàn)及入口彎月面出現(xiàn)的速度不同，但整體變化趨勢一致，并得出適用于乳液池遷移行為的共性規(guī)律：從卷吸速度角度分析，當(dāng)卷吸速度較低時，乳液池呈橢圓狀，隨著卷吸速度增高出口氣穴顯現(xiàn)，入口處出現(xiàn)彎月面，并且氣穴及彎月面大小均和卷吸速度正相關(guān)；從乳化液濃度角度，隨著水含量增高，可觀察到出口氣穴和入口彎月面的卷吸速度逐漸增大，且乳液池厚度逐漸變低，鋪展程度逐漸變大；當(dāng)卷吸速度較大或水含量較高時，乳化液粒徑變得大小不均，乳液池高度變得不規(guī)則，同時乳化液受離心力效果更明顯.

3.3 乳化液潤滑機(jī)制

通過上述試驗(yàn)，已對乳化液基本性質(zhì)做了全面掌握，并研究了乳化液A和B成膜能力，總結(jié)了乳液池遷移行為的規(guī)律.在此基礎(chǔ)上分析乳化液特殊的潤滑機(jī)制，解釋3.1節(jié)中提到的膜厚交叉現(xiàn)象.在3.1節(jié)研究中發(fā)現(xiàn)不同濃度乳化液A膜厚可歸于乳化液B膜厚后兩梯度中，因此本節(jié)中依然以乳化液B為主體，結(jié)合乳化液A進(jìn)行分析.上述試驗(yàn)中為保證膜厚準(zhǔn)確性采用同一光強(qiáng)進(jìn)行試驗(yàn)，本節(jié)試驗(yàn)開始前，調(diào)節(jié)各濃度乳液池對應(yīng)光強(qiáng)，使不同濃度乳液池均達(dá)到最清晰狀態(tài).

由于熒光劑標(biāo)記在油相中，由熒光亮度可知油相的分布.如圖10(a)所示，為不同濃度下乳化液B接觸區(qū)前后亮度，觀察可知：當(dāng)乳化液處于油包水流型時，此時油相含量高，接觸區(qū)入口和出口亮度相近；當(dāng)乳化液處于水包油流型時，出口亮度高于入口亮度，這是由于經(jīng)接觸區(qū)剪切作用后，出口區(qū)油相含量增加所引起.圖10(a)中乳液池狀態(tài)均在布油均勻后立刻采集，以防止工作時間過長對乳化液滴的剪切破壞.

Ma等[22]在研究高接觸副乳化液運(yùn)動時，曾提出水包油乳液進(jìn)入接觸區(qū)有兩種狀態(tài).作者利用熒光法對低接觸副乳化液液滴進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)乳化液液滴存在三種狀態(tài)，結(jié)合2.4節(jié)對粒徑大小觀測結(jié)果，將圖10(b)中乳化液滴三種狀態(tài)可歸結(jié)為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三類：Ⅰ類代表在接觸區(qū)前破裂的粒徑較大液滴軌跡；Ⅱ類代表可以直接進(jìn)入接觸區(qū)的粒徑較小液滴軌跡；Ⅲ類代表乳化液滴在接觸區(qū)前發(fā)生偏移，從滑塊兩側(cè)流走的液滴軌跡.下面重點(diǎn)分析Ⅰ和Ⅱ類液滴進(jìn)入接觸區(qū)的過程，如圖10(c)所示.

Ⅰ類液滴粒徑大于入口間隙，不能完整進(jìn)入接觸區(qū)內(nèi).如圖10(c)所示左圖中對Ⅰ類液滴進(jìn)行受力分析，在液滴間相互作用力F1、滑塊推力F2以及剪切力Fτ作用下，乳化液滴水膜破裂，分成油水兩相.由等溫條件下Reynolds方程可知此時壓力及流速分布，如公式(2)和公式(3)[23]所示，油相和水相進(jìn)入接觸區(qū)存在如下競爭關(guān)系：黏度越大的相受轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動方向的剪切力越大且在壓力方向的流速越小.已知在接觸區(qū)入口處液滴所受壓力方向和轉(zhuǎn)速方向相反，即公式(3)中?p/?x為負(fù)值，因此破裂后的乳化液油相受轉(zhuǎn)動方向的剪切力大且壓力方向流速小，水相受轉(zhuǎn)動方向剪切力小且壓力方向流速大，油相比水相更易進(jìn)入接觸區(qū)，多余的油相堆積在接觸區(qū)入口外，水相隨軌道轉(zhuǎn)動，從滑塊兩側(cè)流走.

Fig.10 Three migration trajectories and lubrication mechanism of emulsion droplets圖10 乳化液液滴移動軌跡及潤滑機(jī)理

式中：τ為剪切應(yīng)力；η為液體粘度；u為液體流速；p為滑塊壓力；x為圓周方向；z為油膜厚度方向；U1為轉(zhuǎn)盤在x方向速度；U2為滑塊在x方向速度；h為出口膜厚.

Ⅱ類液滴由于粒徑較小，在玻璃盤運(yùn)轉(zhuǎn)過程中可以直接進(jìn)入接觸區(qū)內(nèi)，由于液滴粒徑大小不一，此時液滴運(yùn)動狀態(tài)比較復(fù)雜：其中液滴粒徑小于該工況下出口膜厚時，可直接通過接觸區(qū)；液滴粒徑介于入口間隙和出口膜厚之間時，如10(c)右圖所示中對此類乳化液滴受力分析，同樣在液體相互作用力F1、滑塊推力F2以及剪切力Fτ作用下，乳化液滴會在接觸區(qū)內(nèi)部被剪切破裂，破裂后潤滑方式與Ⅰ類相同.并隨著卷吸速度的增大，允許通過接觸區(qū)的粒徑越大.結(jié)合圖6(b)中乳化液B膜厚變化，當(dāng)乳化液B濃度大于10%時，由于乳化液B粒徑較大，只存在Ⅰ和Ⅲ類軌跡，此時并未發(fā)生膜厚交叉；當(dāng)乳化液B濃度小于10%時，部分乳化液滴允許進(jìn)入接觸區(qū)，Ⅱ類軌跡的出現(xiàn)導(dǎo)致膜厚交叉現(xiàn)象.對于圖6(a)中乳化液A而言，其粒徑較小，Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ類軌跡并存，膜厚有交叉產(chǎn)生.

結(jié)合上述分析，當(dāng)乳化液粒徑大于入口間隙時(文中乳化液B濃度大于10%)，乳化液進(jìn)入接觸區(qū)以Ⅰ類軌跡為主，乳化液發(fā)生破裂，油相經(jīng)離水展著方式進(jìn)入接觸區(qū)起主要承載與潤滑作用，此時膜厚和油含量相關(guān)；當(dāng)乳化液粒徑小于或在入口間隙附近時(文中乳化液A、低于10%濃度乳化液B)，乳化液進(jìn)入接觸區(qū)時Ⅰ和Ⅱ兩種軌跡共存，膜厚可能出現(xiàn)交叉現(xiàn)象.

4 結(jié)論

a.乳化液濃度降低，黏度先上升后下降，發(fā)生油包水流型向水包油流型的轉(zhuǎn)變.不同乳化液流型轉(zhuǎn)變臨界濃度不同，流型轉(zhuǎn)變區(qū)乳化液結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易進(jìn)入接觸區(qū).流型轉(zhuǎn)變區(qū)前后乳化液均有較好的成膜能力，并和黏度正相關(guān)，一般黏度大時膜厚較大，但在粒徑較小時會發(fā)生交叉.乳化液濃度為2.5%時其黏度與純水黏度相近，但成膜能力遠(yuǎn)高于純水，若運(yùn)載過程中乳化液供應(yīng)充分，膜厚可達(dá)1 μm以上.

b.不同濃度乳液池遷移規(guī)律相似.但隨著乳化液濃度的降低，需要更大的卷吸速度才能觀察到出口氣穴和入口彎月面.當(dāng)水含量達(dá)到某一值時(試驗(yàn)中乳化液濃度達(dá)到5%左右)，出口處所形成的氣穴難以觀察到，此時乳液池形狀發(fā)生較大改變，但依然具有較好的成膜能力.

c.低副接觸下乳化液液滴有三種行為：Ⅰ類液滴粒徑大于入口間隙，在接觸區(qū)前發(fā)生破裂，油相通過離水展著方式進(jìn)入接觸區(qū)形成油膜，水相從滑塊兩側(cè)流走；Ⅱ類液滴可直接進(jìn)入接觸區(qū)，其中粒徑接近入口間隙者在接觸區(qū)內(nèi)部以同樣方式被剪切破裂，粒徑較小者可完整通過接觸區(qū)，且允許通過粒徑大小和卷吸速度正相關(guān)；Ⅲ類液滴直接繞過接觸區(qū)從滑塊兩側(cè)逃逸，進(jìn)入下一次潤滑.