【word】 基于不同黏压模型的空间液体润滑剂弹流油膜厚度的研究

【word】 基于不同黏压模型的空间液体润滑剂弹流油膜厚度的研究 基于不同黏压模型的空间液体润滑剂弹流 油膜厚度的研究 2011年9月 第36卷第9期 润滑与密封 LUBRICAT10NENGINEERING Sep.2011 Vo1.36No.9 DOI:10.3969/j.issn.0254—0150.2011.09.017 基于不同黏压模型的空间液体润滑剂弹流油膜厚度的研究 刘剑平张新义于春战 (1.山东理工大学山东淄博255049;2.北京邮电大学北京100876) 摘要:基于牛顿流变模型针对空间液体润滑剂进行等温线接触弹流润滑数值分析.在相同工况下,采用Barus模 型,Roelands模型和Yasutomi自由体积黏度模型分别计算空间液体润滑剂的弹流油膜厚度,并与实验结果进行比较.结 果表明:Yasutomi自由体积黏度模型更能真实地反应空间液体润滑剂的黏压关系;与其他黏压方程相比,由于Yasutomi 自由体积黏度模型在低压区域产生较高的黏度,因而得到较高的油膜厚度. 关键词:空间液体润滑剂;Yasutomi自由体积黏度模型;弹流油膜厚度 中图分类号:TH117.2文献标识码:A文章编 号:0254—0150(2011)9—073—4 ResearchonElastohydrodynamicFilmThicknessforSpace LubricantBasedonDifferentPressure.ViscosityModel Liudianping’ZhangXinyiYuChunzhan (1.ShandongUniversityofTechnology,ZiboShandong255049,China; 2.BeijingUniversityofPostsandTelecommunications,Beijing100876,China) Abstract:BasedonNewtonianrheologicalmodel,theoreticalanalysisofEHLwasconductedforspacelubricants.The EHLfilmthicknessofspacelubricantswascalculatedbythreekindsofpressure—viscositymodels,Barusmodel,Roelands modelandYasutomifree—volumeviscositymodel,thecalculatedresultswerecomparedwiththeexperimentalresults.The resultsshowtheYasutomifree-volumeviscositymodelcanreflectthepressure—viscosityrelationshipofspacelubricants wel1.Comparedwiththeothertwopressure-viscosityequations,theYasutomifree-volumeviscositymodelproduceshigher filmthicknessforthehigherviscosityinlow—pressurearea. Keywords:spaceliquidlubricants;theYasutomifree—volumeviscositymo del;EHLfilmthickness 自从20世纪6O年代,液体润滑剂就开始在空间 摩擦学部件中应用,空间环境的特殊性空间液体 润滑剂具有特殊的物理化学特性.研究发现:经典弹 流理论能够精确预测矿物油的弹流润滑特性,但是不 能预测空间液体润滑剂等合成润滑油的弹流润滑特 性.Prat等对全氟聚醚润滑油Z25在滑滚工况下的 弹流油膜厚度进行了测量,发现经典弹流润滑理论预 测油膜厚度值与实测值相差很大,随着滚动速度的增 大两者之间的差别越来越大.Sobahan等对PFPE 815Z的弹流中心油膜厚度进行了测量,发现实测弹 流油膜厚度与经典弹流理论预测值相差30%.MdZi— aur等发现了同样的问题.为此,人们用黏温效应, 非牛顿效应以及剪切稀化效应等来解释上述结果,但 是结果并不理想. 收稿日期:2011—03—24 作者简介:刘剑平(1968一),女,副教授,硕士生导师,主要 从事空间机构的摩擦与润滑.E—mail:Liujianping.1iu@ 163.corn. 弹流润滑基本特征之一是黏度随着压力增加而迅 速增加,油膜厚度主要由润滑剂在人口区的黏度决 定.因此,润滑剂的黏压关系在弹流润滑数值模拟中 起着至关重要的作用.广泛应用的2个黏压方程为: Barus黏压方程和Roelands黏压方程.这2个方程中 都有黏压系数.Jones对全氟聚醚润滑油的黏压系 数进行全面发现:不同的研究者对黏压系数的定 义各不相同;用不同的方法得到的有效黏压系数差别 也很大,实测黏压系数是经典弹流理论预测值的 1/2.同时,Kumar等研究发现:弹流牵曳系数对 黏压系数高度敏感,?10%黏压系数的误差使弹流牵 曳系数的误差高达一37%,75%.因此,可以认为基 于上述两个黏压方程的弹流润滑理论分析会存在很大 误差. 近年来的研究发现:自由体积黏度模型能够准确 描述合成润滑油黏度与温度和压力之间的关系.常用 的自由体积黏度方程有2个:一个是Williams—Lande1. Ferry黏度方程,简称WLF方程;另一个是Yasutomi 74润滑与密封第36卷 自由体积黏度模型.Kaneta等运用Yasutomi自由 体积模型试图解释Kaneta的试验中发现的弹流油膜 的凹陷现象.Jacod等运用自由体积模型研究了纵 向粗糙度对摩擦因数的影响.目前,还没有人对自由 体积黏度模型对空间液体润滑剂弹流油膜厚度的影响 进行过研究.本文作者对空间常用液体润滑剂的弹流 成膜能力进行研究,研究不同黏压方程对空间液体润 滑剂弹流油膜厚度计算结果的影响,并与相关的实验 数据进行了比较. 1模型 等温线接触稳态工况下弹流润滑雷诺方程如下: 轰(8)=? 式()()c 对于光滑表面,油膜厚度公式为: 日=风+等一J.Pln(—)dX(2) Yasutomi自由体积黏压方程为: = ff-~exp[]? 式中:Tg=Tgo+A1In(1+A2P); F:1一B1In(1+B2P). Barus指数形式的黏度压力方程: =exp(ap) Roelands方程: 卵=exp{(In’r/o+9.67)[一1+(1 1O—p)]} 式中:Z=5 .1×10一(In’r/.+9.67). Dowson—Higginson状态方程用来描述密度的变化, 如下式: : 1+(6)p+高(6 载荷平衡方程为: W:rPdX:詈(7)JX二 2计算结果与分析 本文作者基于Yasutomi自由体积黏压方程,Ba— rus黏压方程和Roelands黏压方程进行了等温线接触 弹流润滑数值分析,工况参数与文献[2]相同,见 表1.表2为Yasutomi自由体积黏度模型相关的参数 值.计算采用多重网格法,计算域为:一2.5< X<一1.5,计算得到的中心膜厚和最小膜厚见表3. 表1理论计算所用工况参数 Table1ParametersinexperimentforPFPE815Z 表2Yastutomi自由体积黏度模型参数 Table2ParametersoftheYastutomifree—volumemodelforPFPE815Z 表3计算所得弹流中心油膜厚度 Table3Computedcentralfilmthicknessnm 图1和图2给出了第1组算例的计算结果.入口 区油温为21?,大气压下的黏度为1.22Pa?S.图1 显示:Yasutomi自由体积模型预测的膜厚比其他2种 黏度模型预测值大,与文献[2]的实测数据比较, 预测值h一=308am与实测值h..=316nm相近,误 差仅为2.5%.基于Barus模型预测的膜厚比基于Ro— elands预测的膜厚高.图2揭示了产生上述现象的原 因.从图2看出,在弹流入口区,Yasutomi自由体积 模型给出的黏度比其他2种黏度模型给出的黏度高, 由此可以推断基于3种黏压关系方程得到不同的油膜 )×) 45 /L【 5 + 2011年第9期刘剑平等:基于不同黏压模型的空间液体润滑剂弹流 油膜厚度的研究75 厚度主要是由于它们在入口区产生的黏度不同造 成的. 0.8 0.7皇 0.6 0.5? 0.4三 0.3耋 0.2 0.1主 0 图1算例1不同黏度模型下油膜分布和压力分布 Fig1Filmthicknessandpressuredistributionsforcase1 图2算例1不同黏度模型下量纲一黏度分布 Fig2Nondimensionalviscositydistributionsforcase1 对于第2组算例,人口区油温为23?,图3显 示3个黏压方程给出的低压区黏度值的差别缩小,因 此相应地预测的油膜厚的差别也缩小了,见图4.对 于第3组算例,入口区油温为25oC,3个黏压方程 给出的入口区域黏度差别更小,因而相应油膜厚度的 差别也更小,见图5和图6.同时可发现:对于所有 的算例,基于Roelands黏压关系方程计算的油膜厚 度都比其他2个黏压关系方程的低.这也是经典弹流 润滑理论不能预测空间液体润滑剂实际弹流膜厚的原 因之一. 图3?算例2不同黏度模型下量纲一黏度分布 Fig3Nondimensionalviscositydistributionsforcase2 0.8 目0.7 0.6 ?0.5 三0.4 ;0.3 暑0.2 0.1 0 图4算例2不同黏度模型下油膜分布和压力分布 Fig4Filmthicknessandpressuredistributionsforcase2 图5算例3不同黏度模型下量纲一黏度分布 Fig5Nondimensionalviscositydistributionsforcase3 :1 0.8 垦0.6 20.4 兽0.2 g0 Z :;呈 o.6 :越 0.3 铺 0 图6算例3不同黏度模型下油膜分布和压力分布 Fig6Filmthicknessandpressuredistributionsforease3 另外,从图2,3,5中还可发现:相同工况下, 在弹流接触中心区域Barus模型预测的油膜黏度比 Roelands模型和Yasutomi模型高很多,油膜厚度似乎 与油膜弹流接触中心区域的黏度关系不大.这是因 为:在弹流接触中心区域,高压产生了高的油膜黏 度,密度和极大的弹性变形,由Poiseuille流动决定 的系数s非常小,可以忽略,在这种工况下,雷诺方 程(1)变为如下形式: 一 n OX一(8) 式(8)与润滑膜的黏度没有任何关系,所以在 弹流润滑接触中心区域,虽然高压会导致润滑膜黏度 很高,但是它却对弹流油膜厚度的形成没有任何作 用,本节的算例再次证实了这一点. 通过对3组算例的计算结果比较发现:与其他2 ;餮盘IB葺0Is置宣Ip葺0Z 28642 llOOOOO l86420 000O ;器2臣目0Is茸0昌骨0Z 76润滑与密封第36卷 个黏压方程相比,基于Yasutomi自由体积黏度模型 在低压区域均产生较高的润滑膜黏度,高入口区域的 黏度必然产生了高弹流中心膜厚.. 3结论 (1)Yasutomi自由体积黏度模型更能真实地反 应空间液体润滑剂的黏压关系,其计算结果得到的油 膜厚度与实测值吻合得很好. (2)与Barus和Roelands黏压方程相比,Yasuto. mi自由体积黏度模型在低压区域产生较高的黏度, 因而基于Yasutomi自由体积黏度模型得到较厚的弹 流油膜厚度,这很好地解释了经典弹流润滑理论预测 的油膜厚度比实测值低的原因. 参考文献 【1】PratP,VergneP,SicreJ.Newresultsinhighpressureandlow temperaturerheologyofliquidlubricantsforspaceapplications [J].JournalofTribology,1994,116(6):629—634. 【2】SobahanMia,HidekazuKomiya,ShinichiroHayashi.Viscosity lossinPFPElubricantsforspaceapplicationunderEHLcon— ditions[J].TribologyOnline,2007,2(2):54—58. 【3】MdZiaurRahman,NobuyoshiOhnol,HiroshiKomiya.Effectof perfluoropolyethers(PFPE)fluidsonlifeofballbearing[C]// ProceesingsoftheIntemationalConferenceonMechanicalEn— gineering,Dhaka,Bangladesh,2003. 【4】JonesWR.Propertiesofperfluoropolyethersforspaceapplica tions[J].TribologyTransactions,1995,38(3):557—564. 【5】KumarP,KhonsariMM.Ontheroleoflubricantrheologyand piezo—viscouspropertiesinlineandpointcontactEHL[J].Tri— bologyInternational,2009,42:1522—1530. 【6】KanetaM,NishikawaH,KameishiK,eta1.Effectsofelastic moduliofcontactsurfacesinelastohydrodynamiclubrication [J].JournalofTribology,1992,114:75—80. 【7】JacodB,VennerCH,LugtPM.AGeneralizedtractioncurve forEHLcontact[J].JournalofTribology,2001,123(6):248— 253. 【8】BairS.Thepressure—viscositycoefficientofaperfluorinated polyetheroverawidetemperaturerange[J].JournalofTribol— ogy,2001,123(3):50—53. 第六届中国国际摩擦学会议在兰州成功举办 2011年8月1913至22日,第六届中国国际摩擦 学会议(6thCIST)在兰州召开.来自世界l3个国 家的300多名摩擦学工作者汇聚一堂,共同研讨近年 来摩擦学与润滑技术研究的最新进展和未来发展方 向,来自国内外的13个公司展示了用于摩擦学研究 的最新仪器设备.中国国际摩擦学会议三年一届.本 次会议由中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国 家重点实验室,清华大学摩擦学国家重点实验室,中 国机械工程学会摩擦学分会主办,兰州化学物理研究 所承办.会议由中国科学院兰州化学物理研究所薛群 基院士,清华大学温诗铸院士担任学术委员会联合主 席,中国科学院兰州化学物理研究所所长,固体润滑 国家重点实验室主任刘维民研究员,清华大学摩擦学 国家重点实验室主任雒健斌教授担任组委会联合主 席.本次会议得到国家自然科学基金委和科技部有关 项目的支持. 本次会议的主题是”绿色摩擦学”,强调了摩擦 学在工业节能减排中的重要意义.在为期四天的会议 上,来自中国,美国,英国,德国,13本,韩国,以 色列,澳大利亚,芬兰,波兰,瑞典,新加坡,挪威 等国的学者围绕表面与界面,润滑与摩擦化学,材料 磨损,纳米和生物摩擦学等主题,从空间摩擦学,润 滑基础与技术,材料的疲劳与磨损,表面与界面工 程,生物摩擦学与仿生,纳米摩擦学与纳米技术,摩 擦化学,润滑油及其添~IIII,涂层和薄膜技术,工业 摩擦学及技术测试鲁个方面展开了充分的交流. 由中国机械工程学会摩擦学分会(CTI)与美国 润滑与摩擦学工程师学会(STLE)共同组织的”工 业摩擦研讨会”,中国科学院兰州化学物理研究所和 英国南安普顿大学共同组织的”中一英摩擦学与表 面工程研讨会暨暑期讲习班”两个双边会议作为分 会议同时召开. 国际知名摩擦学专家兰州化物所薛群基院士,以 色列魏茨曼科学院的JacobKlein教授,英国南安普顿 大学的RobertJKWood教授和乔治华盛顿大学的Ste— phenMHsu做了大会邀请报告,50多名国际摩擦学 专家做了主题或邀请报告,150位青年摩擦学学者做 了口头报告或墙报介绍,12名来自日本,韩国,中 国的青年摩擦学代表获得了最佳口头报告和最佳墙报 奖.会议的成功举办为各国学者搭建了良好的学术交 流与合作的平台,充分反映了近年来世界摩擦学领域 的最新研究成果和发展趋势,较全面地展示了当前国 际摩擦学的研究水平,对世界范围内摩擦学领域的基 础和应用研究以及科技合作必将产生积极的推动作 用,同时也将对世界摩擦学界今后一段时间的发展产 生重要影响.