摘要：采用多光束干涉技术观察往复运动条件下润滑油膜的滑移及黏弹特性，研究振幅和频率对往复动态润滑弹流油膜的影响。结果表明：往复运动过程中，在特定时刻气穴的出现使油膜厚度逐渐减小，削弱了滑移程度;因润滑油的黏弹性而引起的运动滞后导致了油膜的非对称性;频率增大时，正行程末端时膜厚明显增大，油膜输送速度也随着增大;而负行程末端油膜受气穴的影响膜厚增大较慢;振幅(输入位移)增大时，正行程末端时油膜整体平移，而负行程末端人口凹陷呈现先变明显而后消失的现象。
关键词：往复运动;界面滑移;入口凹陷;气穴;光干涉
在实际工程中，弹性流体动力润滑(弹流润滑)是一种重要的润滑形式。任何带有齿轮、凸轮和轴承的高副接触零部件在相对运动时都包含了流体在润滑间隙中的流动。随着运动速度的增加和接触间隙的减小，润滑油油膜问的剪应力明显增加，这对润滑油膜内滑移的产生创造了条件。另一方面，由于机械设备的启动、停止、步进运动和往复运动又改变了润滑油的流变特性，如急停导致封油而使得润滑油的局部固化，往复运动使得润滑油在反复剪切下引起润滑油黏弹性的变化等。
常压条件下各种精密的测量仪器已经证实了界面滑移的存在…。Guo和Wong等“则对高应力条件的界面滑移及摩擦力特性进行实验观察，发现了带有入口凹陷的油膜外形。但上述的研究限于稳态工况，并没有对时变条件如往复运动条件下的润滑油滑移特性进行研究。另外，Guo等在一项研究中表明零卷吸预跑合引起界面性质变化而导致了滑移程度的改变。所以有必要对往复运动条件下的滑
移特性进行考察。
研究人员已经对往复运动条件下弹流润滑进行了实验研究和数值模拟。如Sugimura和Spikes研究了低速的加减速和往复运动条件下弹流油膜的测量技术和方法。Nishikawa等实验研究表明，由于楔形及挤压效应在运动中的不同步，油膜呈现出周期性的卷入和排除;在高频率和短冲程的条件下，受气穴的影响弹流油膜很难保持稳定性。Wang等则对点接触纯滚动条件下短冲程的往复运动问题进行了数值模拟，分析了不同往复运动频率在充分供油和乏油条件下的油膜特征，并与实验测量结果进行了比较，取得了较好的一致性。
本文作者在球滑动条件下，对往复运动状态下弹流油膜的响应特性进行了研究，分析了封油的位置及油膜厚度的变化，并分析了往复运动中润滑油膜的滑移和黏弹特性，以期对界面滑移和润滑油流变特性研究有启示意义。
1实验部分
实验在自制的动态光干涉弹流油膜测量仪上进行，测量装置示意图和测量步骤如图1所示。为了便于定量比较往复运动过程中润滑油膜厚度的变化，需要在往复运动前在接触区封闭适量的润滑油作为参考膜厚。因此，每组实验分两步进行：(l)封油，即预先施加一定的卷吸速度，待达到稳态后急停，形成初始封油，封油量的多少根据施加的卷吸速度调整;(Ⅱ)往复运动，即待封油达到准稳态，给钢球施加横向的往复卷吸速度，实现润滑油膜的往复运动。油膜的整个运动过程可以实时采集，所连续捕获的图像用自行开发的MBI0]软件进行数据处理。实验中，玻璃盘固定，交流伺服电机驱动钢球旋转，电机的正反转脉冲由VB程序编写实现。玻璃盘与钢球接触的一侧镀有分光铬膜，公称厚度为20nm;钢球的直径为25.4mm，精度等级为G5，表面粗糙度Ra=11nm。接触副综合接触半径R，=0.0127m，综合弹性模量E'=1.17×10Pa。使用的润滑油是聚异丁烯PB1300，其特性参见表1。
图中，往复运动振幅为(365±2.6)p,m，周期是1.0S。实验中以曲线上的特定点作为研究对象，如往复运动行程中心点1一A6(曲线上这些点处斜率的绝对值即往复运动的输入速度);三次正行程末端点B1一B3，前三次负行程末端点c1一c3。这些点对应的于涉图像如图2(b)所示。
2结果分析与讨论
2.1单个特定X-况下的油膜响应特性
图3示出了载荷为4N，往复运动周期为0.9S，振幅为(325.6±2.6)m，输入速度为1182txm/s工况下第一个行程末端1(油膜运动方向的转折点)以及左右时刻对应的油膜形状，左侧两时刻为D1和D2，右侧为D3和D4，如图2(a)所示。时间间隔均为1/15S。从油膜运动的速度上来看，在相同的卷吸速度条件下，当卷吸由左至右时(D1一曰1)，人口处的压力梯度为负，不利于润滑油的卷入;而当卷吸变为从右至左时(B1一D4)，原来的入口区变为出口区，此时的压力梯度为正，有利于润滑油的运动，即该条件下油膜的运动距离应更大。然而图3的结果表明油膜在从左到右的卷吸作用下推进的距离要大于反方向卷吸运动的距离，即，J1一日1时间内油膜运行距离大于B1一D4时间内的距离。这表明润滑油的黏弹性使得润滑油的运动滞后。另外，随着润滑油进入接触区滑移效应增强，油膜在B1处因滑移出现人口凹陷，如2(b)干涉图日1入口处的月牙形凹陷。在反向卷吸后，由于润滑油的黏弹性引起的润滑油运动减缓及右侧润滑油的卷入，润滑油在出口处形成挤压而使凹陷变得明显，尽管如此，凹陷处的油膜厚度还是因为润滑油的排出而明显下降;随着润滑油的排出，『Lq陷也开始减小。这样在凹陷在B1一D4时间内呈现出现到明显再到减小的趋势。
图4示出了前三次正行程末端对应的油膜形状。随着往复运动的进行，受到两侧气穴的影响，在同一位置油膜厚度有逐渐减小的趋势。另外，人口凹陷现象变得越来越不明显，最后趋于消失，说明滑移效应逐渐减弱。滑移效应的减弱，一方面由于气穴的出现引起了供油量的减小，削弱了滑移产生的条件;另一方面，在到达这三次正行程末端之前气穴已经消失，在恢复充分供油时入口凹陷仍然衰减，说明往复运动引起了界面性质的改变，也对滑移效应产生了不利的影响。从图2(b)中的干涉图可以直观地看出人口凹陷的消失过程。从干涉图中可以看出左侧的最小膜厚hminL随卷吸运动迅速向出口区移动。h…的位移量在三次正行程末端时刻变化不大，验证了往复运动的稳定性。
为了进一步比较气穴对膜厚和滑移产生的影响，图5给出了正行程末端B1和负行程末端c1对应的油膜外形图。显然，B1时刻的入口区膜厚要高于cl时刻的人口区膜厚。从A1一l的卷吸过程中，入口区一开始没有气穴，在充分供油的条件下，Bl的入口区膜厚较大;而在1一cl的反向卷吸过程中，人口区存在气穴，由于供油量的减小，CI时刻的人口区膜厚明显减小，而且入口凹陷也没有日1时刻明显，表面滑移程度减小。另外，截止1时刻，接触区原有的封闭润滑油已经完全排除;而在与之对应的c1时刻接触区内仍残留了部分封油，如图2(b)c1干涉图中的虚线区域。从滑移角度来看，滑移效应较大时，接触区内润滑油的运动速度较快，cl时刻存留的封油也说明了滑移程度的减小。
图6示出了行程中心不同时刻的油膜形状曲线。可见，随着往复运动的进行，受接触区内封闭的润滑油逐渐减小。事实上，在A1时刻的初始封闭润滑油已经处于固化状态，当其全部排出后并没有完全空化，这一点可以从日l时刻大气穴区内部存在小气穴区可以看出。从B1到A2时刻，刚刚被排出的仍处于固化状态的润滑油又重新回到接触区，只是因为部分发生空化消耗掉一部分封油，如此反复地运动使得初始封闭润滑油逐渐减少。另外，随着往复运动封闭的润滑油外形不再保持原有的对称性，而是润滑油集中到一段呈现出一个“尖峰”。而且尖峰的一端恰好与卷吸速度方向相反。以3时刻的膜厚为例，此时的卷吸方向为从左向右，即封闭润滑油并没有全部以卷吸速度运行，否则尖峰将出现在靠近出口方向的一侧。这同样说明了润滑油的黏弹性使得部分润滑油的运动滞后。
2.2不同频率(卷吸速度)对油膜特性的影响
图7给出了振幅为(252±2.6)txm时不同频率(卷吸速度)条件下日l和c1时刻的油膜外形图。随着卷吸速度的增大，B1时刻入口区油膜厚度逐渐增加，人口凹陷处的膜厚也明显升高并且有向出口区平移的趋势。同时，接触区内的封闭润滑油的排出量也随速度的增加而增大。而在c1时刻右侧人口区的膜厚小于B1时刻。尽管膜厚随速度增加也呈现增加趋势，但是增加程度明显没有Bl时刻大，这是因为速度越大在出口区产生的气穴越多，当反向运动时越容易引起供油不足，从而减小了膜厚增加的趋势。另外，与口l时刻不同的是c1时刻封闭润滑油排出量并没有随卷吸速度的增加而明显改变，这说明润滑油的黏弹特性并没有随速度的改变而改变。
2.3不同振幅对油膜特性的影响
图8给出了不同振幅条件下曰1和c1时刻的油膜外形图。在曰1时刻，随着振幅的增大，润滑油膜整体向出口区平移，入口凹陷并没有太大变化，并且接触区被封闭的润滑油被完全排出。而在c1时刻，右侧的人口区油膜厚度明显降低，而且入口凹陷呈现出出现到明显再到消失的过程。小振幅对应着小冲程，当方向卷吸时刚排出的固化润滑油可以较容易地返回接触区，但同时气穴对小振幅的影响也较大，即方向冲程结束时可能气穴尚未完全消失。当振幅增大时，方向冲程没有结束气穴已经消失并回复充分供油，从而使入口凹陷变得明显。当振幅再增大时，原有的封闭润滑油被输运到离出口区较远的位置并发生空化，此时再进行反向冲程，固化的润滑油不能被重新卷入接触区，而且由于原有封闭润滑油的空化，使得气穴存在时间较长，所以即便反向冲程较大，但受气穴的影响时间也较长，从而使膜厚降低并且无人口凹陷产生。
3结论
(1)往复运动过程中，受气穴的影响润滑油膜厚度逐渐减小。
(2)气穴的出现和往复运动中界面性质的变化削弱了滑移程度，使得人口凹陷逐渐变得不明显。
(3)润滑油黏弹作用使得润滑油的运动滞后，并导致油膜形状发生变化。
(4)频率增大时，正行程末端时膜厚明显增大，油膜输送速度也随着增大;而负行程末端油膜受气穴的影响膜厚增大较慢。
(5)振幅(输入位移)增大时，正行程末端时油膜整体平移，而负行程末端人口凹陷呈现先明显而后消失的现象。
相关期刊推荐：《润滑与密封》(月刊)创刊于1976年，是中国机械工程学会摩擦学分会会刊，由中国科学技术协会主管，中国机械工程学会、广州机械科学研究院主办。主要介绍摩擦、磨损、润滑、密封的基础理论研究、试验成果及应用情况。内容包括：摩擦学领域(摩擦、磨损、润滑、密封)的试验研究、理论探讨、科研成果以及摩擦学的科研成果(新材料、新技术、新工艺、新设备)在工业界的实际应用报道;摩擦学基础知识、主题综述、技术讲座;摩擦学国内外发展动态的报道及摩擦学会议相关专业学会活动的报道。
