工程能力

从润滑剂的物理特性本身到轴承的行为

SKF与法国里昂国立应用科学学院(INSA Lyon)LaMCos实验室联合开展名为“面向未来的界面润滑”的研究项目。

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如今,想要设计一种高效且持久耐用的润滑装置,需要越来越多地考虑以下诸多约束条件:润滑系统中的润滑油膜厚度持续不断地变薄、各种新材料不断地出现和与环保、减少能源浪费和节约自然资源等相关新监管要求不断颁布实施。这种快速变化的局面促使人们对润滑膜形成机理和摩擦造成的能量损失的机理的认识不断加深,从而最终能够从根本上提供可靠的预测工具。

润滑剂及其热物理性质起着核心的作用,促使我们解决与滚动轴承不断演变的工作条件和润滑剂受其影响而发生响应的相关新问题。里昂的法国国立应用科学学院(INSA Lyon)LaMCos实验室正与SKF携手合作,对这些问题进行着研究。

早在上世纪90年代中期,SKF欧洲研究中心,也就是后来的SKF ERC(工程研究中心),现在为SKF研究与技术开发部(SKF-RTD),就开始与LaMCoS实验室的前身Laboratoire de Mécanique des Contacts(LMC) 进行合作研究,比如:大型滚子轴承中的法兰挡边/滚子端面接触位置的润滑进行的研究。关键目标是开发出一种用于测试旋转状态的摩擦情况的新测试台(Tribogyr),用来测试旋转中的各种类型的润滑接触情况,这在当时的科学文献中鲜有涉及此类课题的研究。 SKF制定的测试规范独具匠心之处包括:

  • 将轴承外径在600 – 1000 mm之间的滚动轴承中的真实接触,进行了1:1比例的模拟
  • 重现在那些接触中发现的动态特性,既有卷吸速度,也有滚动体旋转和歪斜的情况
  • 将接触区内的滚动体的曲率半径考虑在内
  • 测量作用在摩擦副上的三个作用力和两个扭矩。

在Tribogyr(旋转状态摩擦仪)测试台架通过验证并投入使用后,将实验结果与可以轻松扩展研究范围或虚拟更换润滑剂的模拟结果进行比较时,很快便发现Tribogyr(旋转状态摩擦仪)存在的局限。在使用Tribogyr(旋转状态摩擦仪)对大尺寸接触副进行旋转状态研究的过程中,就逐渐引入了其他更多的测试方法(请参见http://evolution.skf.com/the-beast-of-lyon-putting-large-bearing-contacts-to-the-test/)。 这项研究主要是由SKF积极推动,并成为LaMCoS前期的最为基础的研究工作,并被命名称为“一种定量的研究润滑和润滑剂的多物理场、多尺度、多手段的方法”。

本文首先使用法兰挡边/滚子端面接触研究的案例对这种研究方法进行介绍,然后将更为详细地讨论与重载荷接触相关的润滑或弹性流体动力润滑(EHL)相关的内容。

图1:图表描述了LaMCos实验室开发的一种定量的研究润滑和润滑剂的多物理场、多尺度、多手段的方法。

一种定量的研究润滑和润滑剂的多物理场、多尺度、多手段的方法简介

图1中的图表对这种多手段的研究方法进行了总结。摩擦学和润滑本质上是一门多领域交叉的学科。它自然意味着有必要考虑多学科之间的交叉互动作用,也许最重要的一点却是能够将实验研究、数值建模与仿真等工作同时进行。

为了清楚起见,将图1的右侧分成两大贡献因素。第一大贡献因素是摩擦测量,它表示与摩擦有关的物理量的测量(摩擦力、油膜厚度、压力、温度等),测量就意味着精确地校准、适度的不确定性和可重复性。第二大贡献因素是润滑研究中关键且基本的部分:涉及润滑剂的物理特性,尤其是流变特性。毕竟,润滑剂的粘度和密度是雷诺方程中存在的两个参数变量,因此它们是需要正确考虑和描述这两个重要的表征参数。对于粘度来说,这是显而易见的,但请记住,弹性流体动力润滑(EHD)接触中心的油膜厚度也与压力对润滑剂密度的影响密切相关。此外,解决任何与发热相关的问题都需要知道与润滑剂导热和比热容相关的特性。应该强调的是,最后几个参数会随着压力和温度的变化而发生显著的变化,并且我们已经阐明,这些变化都会对摩擦产生重大影响[1]。在通过实验方法完成这些参数的特性表征后,必须要用稳健的模型来表示被测参数量的变化,这些模型是以物理学为基础,而不是以简单的数学公式或数学回归方程为基础来建立的。在后续建立的模型中允许插值,但是不能外推到弹流(EHL)实验能够覆盖的范围之外。这不仅对于评估润滑剂的性能是否适用于更宽的条件范围来说至关重要,而且对于进行定量仿真来说也是不可或缺的。

图1的左侧给出了数值方法。最左边是以分子动力学模拟,它是以原子层面为基础进行考虑,并允许在纳米尺度上获得两种类型的结果,这也是数值模型的尺度。 一方面,有可能通过以“计算机模拟仿真计算”的方法获得流体在施加压力和温度条件下的物理状态和传输特性。从这个角度来看,分子动力学模拟仿真可以为旨在获得润滑剂物理特性的实验提供有益的补充。另一方面,这种计算机模拟仿真计算方法可以研究高度受限的流体膜以及它们与固体介质的界面的响应。这种空间尺度范围内的流体膜与固体介质的界面行为已不适合用连续力学的方法进行研究。后一种方法是基于有限元方法的多物理参数的求解器的基础(图1)。该工具可以预测EHD接触中的润滑油膜厚度和摩擦力,适用于所有类型的接触几何形状(线性、圆形、椭圆形、圆环形/平面)和运动状态(滚动、滑动、旋转、歪斜)。多物理参数求解器同时也考虑了润滑剂的实际性能和散热情况。除工作条件外,输入数据还包括通过上述模型得出的润滑剂的流变性和物理特性。

图2:通过滚动、滑动和旋转的润滑接触实验(此处为膜厚度测量结果)来验证数值模拟仿真的情况。 左:球-盘接触的有限元(FEM)分析图(左)和白光干涉图(右); U0 = 2 m/s, W=400 N。 右:柱销的圆环弧形端面与盘的接触的有限元(FEM)分析图(上)和白光干涉图(下); U0 = 3 m/s, W=400 N.

在尝试使用模型(或Tribogyr旋转状态摩擦仪)之前,必须对我们在LaMCoS的小组所开发的工具进行定量验证。这是通过对如大型滚子轴承中的法兰挡边/滚子端面的润滑接触进行实验和数值模拟来实现的。图2展示了两个滚动、滑动和旋转的润滑接触点以及两种接触情况的验证步骤:左侧为球-盘接触[2],右侧为柱销的圆环弧形端面与盘接触([3] 接触形状呈细长椭圆形状)。图例中标出了工作条件,其中U0是接触中心的卷吸速度。请注意,为了能够进行白光干涉测量,实验中的两个盘均由玻璃制成。在模拟仿真中已对盘的材料特性进行了修正,并使用干涉校准曲线对结果进行了着色。

如图2(左)所示,在球-盘的接触情况中,实验结果和数值模拟模型结果之间具有极好的一致性,无论接触点发生在何处,模型估算出的膜厚度与实验结果的最大偏差在1%以内。 在柱销圆环弧形端面与盘的接触情况中,实验结果和数值模拟模型结果之间具有良好的一致性,在圆环弧形接触中心线上观察到的油膜厚度结果与数值模拟模型计算结果之间的偏差在1.5%以内,在最小膜厚度区域观察到的油膜厚度结果与数值模拟模型计算结果之间的偏差在5%以内。

下面对LaMCos实验室在“面向未来的界面润滑”项目中的一些重要工作进行一下概括总结。与SKF合作的这个课题名称就清楚地表明该研究的中心主题是润滑,其主要目标是:

  • 表面分离,以避免磨损和机械设备因表面损伤而提前失效;
  • 通过对具有一定特性的润滑剂的剪切作用来控制摩擦(与能耗相关)。

表面分离和接触

如上所述,一旦将接触区的润滑剂流变性能与其涉及非牛顿和热效应影响因素的多物理参数相结合建立模型,将实验和建模相结合起来,就可以可靠地预测润滑剂的油膜厚度。现在面临的挑战是在实际应用状态的研究框架下,预测润滑剂的油膜厚度。在实际应用中会存在着润滑不良状态、可能会产生自旋/歪斜动态状态、以及在某些特殊情况下,甚至会出现进入接触区的卷吸速度为零的情况。满装滚动体的轴承就处于这种卷吸速度为零的情况:两个相邻滚动体的接触处的两个接触区域的运动为反向运动状态。在这种情况下,在建立接触处在零卷吸速度下的油膜厚度预测模型时,需要同时考虑润滑剂的挤压和热效应(图3)。在当时的EHL方面的文献中缺乏这类重要模型的论述,而这类模型对设计这种类型的轴承大有裨益[4] 。

图3:零卷吸速度下的EHL接触中的温度场,显示接触承载区的油膜厚度的梯度情况。

从实验的角度来看,在接触区内部原位压力和温度测量(通过DAC法),以及在预测模型的验证方面已经取得了重大的进展。已经开发出了一种基于以温度和压力变化具有敏感性的纳米荧光发射传感器的新技术。这些分散在润滑剂中的纳米荧光发射传感器,其发射能量取决于静态条件下在金刚石对顶砧(DAC)中校准的温度和压力。这些纳米传感器的潜力已经通过在弹性流体动力润滑(EHD)接触的润滑薄膜中应用的原位技术而得到了证明[5]。在图4中,将在各种工作条件下测量到的压力与数值预测压力进行了比较,来进行说明。该技术的应用范围可以进行量化扩展,比如在很多应用中的一个应用就是可以对所有的钢-钢接触、钢-陶瓷混合接触中的发热进行比较。

图4:通过分散在润滑油中的纳米传感器的荧光响应,获得的在圆形接触中心原位测量压力与计算得出压力之间的对比(虚线是为了方便观察,其斜率为1)。

当固体颗粒滞留在润滑接触面时,也会发生非理想的表面分离。为了预测颗粒造成表面损伤的风险,已经有多种方法可以对这些颗粒在润滑接触区入口的移动情况进行研究。将微尺度流动测量与显示技术µ-PIV(显微粒子图像测速系统)与数值预测相耦合,并与双盘实验中观察到的滚子表面压痕进行比较。使用安装在球-盘摩擦仪上的µ-PIV技术,研究颗粒在接触区滞留和运动的现象[6]。它可以评估颗粒在接触区入口处的速度分布,并跟踪EHD接触区中的颗粒运动情况(图5)。对EHD接触区入口处颗粒移动情况(包括颗粒跟踪)进行了数值建模。最后,在可控颗粒污染水平的双盘机上进行了测试,以验证先前的结论。在引入氮化硅代替轴承钢的结果表明,颗粒滞留和运动情况取决于润滑剂的速度分布、接触区的几何形状、以及接触表面的性质 [7]。

图5:借助µ-PIV,研究人员能够对EHL接触区入口处的固体污染颗粒的运动情况(圆圈和箭头)进行跟踪。 橙色区域表示椭圆形的赫兹接触区,红色弧形虚线表示可以捕获跟踪颗粒(白点)的临界位置。

EHL接触区内的摩擦

对于21世纪的摩擦学而言,重载荷润滑接触区摩擦的精确预测仍然是一个挑战。在摩擦过程中许多物理性质的反应相互交织,比如润滑剂粘性扩散(牛顿流体效应或由于剪切稀化效应而导致的非牛顿体流体效应)、在高剪切时也受到热效应的影响、在受高压时其性状甚至成为类塑性体(表现为极限剪切应力)。联合研究项目在许多方面为这一极为重要的课题做出了贡献。

首先,平行进行润滑剂流体样本的实验摩擦研究与润滑剂在各种压力条件下的物理特性研究。在高压室中对静止润滑剂样本进行布里渊光散射(BLS)测量,测量的压力和温度范围与EHD接触区内的压力和温度范围相同。研究人员特别强调了与润滑剂玻璃化转变相关的润滑剂特性变化[8]。此外,这种玻璃化性状转变与滚动–滑动接触中进行的摩擦测量相关(图6)[9]。在同一张图中,BLS谱的宽度(半高全宽,简写FWHM,蓝色)和接触区内润滑剂的表观粘度(橙色),在平均接触压力下,表现出与润滑剂玻璃化转变相同的特性变化。据我们所知,这是世界首次对这种相关性提供支持的实验结果。最后,一旦接触区内的最大压力(赫兹压力)达到润滑剂玻璃化相变压力时,就会触发极限剪切应力而处于摩擦稳定状态[8]。

图6:摩擦试验得到的相对表观粘度(左侧纵坐标轴)和静止状态的BLS谱宽度(右侧纵坐标轴),与平均接触压力Pm 和归一化润滑剂相变压力Pg比值之间的关系。

其次,用分子动力学(MD)模拟不同的润滑剂分子在平衡状态或在压力和剪切力[10]作用下,可能出现的各种流体性质 – 壁滑移、剪切带、和接触中心的表面粗糙度影响和润湿性等性质应与摩擦区别开,并将给定温度和压力条件下的润滑剂的这些性质与其热力学状态有关(图6)。图7显示的是用异三十烷(角鲨烷)作为基础油进行的摩擦测试和分子模拟,结果表明在温度为313 K和压力为1.2 GPa时都出现了极限剪切应力状态,润滑剂已经不再呈液体状态。分子动力学(MD)模拟还指出,分子移动性是摩擦反应的核心,这是以物理概念为基础建立流变模型的基本出发点。将这种行为在这个(例如,多物理参数有限元FEM)连续模型中合乎逻辑地体现出来,然后将其预测的结果与实验测量结果进行比较。通过这种方法,我们首先能够在一个较宽的压力和剪切范围内对摩擦行为进行连续模拟和预测,进而能够在实际工业应用的接触系统中去预测它们的摩擦行为。

图7:在313 K和1.2 GPa条件下,异三十烷(角鲨烷)的摩擦系数(如上所示)。 图的左半部分是实验测量值,右半部分是在较高剪切速率下的分子动力学模拟的预测值。

总结与结论

  1. 多年来,SKF与法国里昂国立应用科学学院(INSA Lyon)LaMCos实验室合作开展大尺寸旋转接触的润滑课题研究,双方这一合作始于上世纪90年代中期,并于21世纪初,将研究范围扩展覆盖至更广泛的润滑领域。
  2. 2013年5月,由SKF资助的名为“面向未来的界面润滑”的研究项目在法国里昂国立应用科学学院(INSA Lyon)的LaMCos实验室启动,该项目得到INSA Lyon 基金会和INSA Lyon负责研发、技术转让和职业培训的子公司Insavalor的支持。该项目立项的目的是希望能在应用研究(与SKF关系紧密的领域)与更基础的研究之间找到平衡,大学研究人员进行的更基础研究允许其开发新概念或新工具并拓宽其知识范围,然后再将它们分享给SKF的开发工程师和研究人员使用。
  3. 本文介绍了在2013年至2019年之间,该研究项目框架内开展的项目案例,展示了在此具体框架内的代表性研究成果,它们都是一种定量的研究润滑和润滑剂的多物理场、多尺度、多手段的方法中的组成部分。
  4. 项目最初于2013年5月启动,为期六年,并于2019年3月续签,为期同样也是六年。

参考文献

  1. Habchi W., Vergne P., Bair S., Andersson O., Eyheramendy D., Morales-Espejel G.E., “Influence of Pressure and Temperature Dependence of Thermal Properties of a Lubricant on the Behaviour of Circular TEHD Contacts”, Tribology International 2010, vol. 43(10), p. 1842-1850, http://dx.doi.org/10.1016/j.triboint.2009.10.002
  2. Doki-Thonon T., Fillot N., Morales Espejel G.E., Querry M., Philippon D., Devaux N., Vergne P., “A dual experimental/numerical approach for film thickness analysis in TEHL spinning skewing circular contacts”, Tribology Letters 2013, vol. 50(1), p. 115-126, http://dx.doi.org/10.1007/s11249-013-0122-1
  3. Wheeler J.-D., Molimard J., Devaux N., Philippon D., Fillot N., Vergne P., Morales-Espejel G.E., “A Generalized Differential Colorimetric Interferometry Method: Extension to the Film Thickness Measurement of Any Point Contact Geometry”, Tribology Transactions 2018, vol. 61 (4), p. 648-660, http://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/10402004.2017.1386809
  4. Meziane B., Vergne P., Devaux N., Lafarge L., Morales-Espejel G.E., Fillot N., “Film thickness build-up in zero entrainment velocity wide point contacts”, Tribology International 2020, vol. 141, p. 105897, https://doi.org/10.1016/j.triboint.2019.105897
  5. Albahrani S.M.B., Seoudi T., Philippon D., Lafarge L., Reiss P., Hajjaji H., Guillot G., Querry M., Bluet J.M., Vergne P., “ Quantum dots to probe temperature and pressure in highly confined liquids”, RSC Advances 2018, 8, 22897-22908. https://doi.org/10.1039/C8RA03652G
  6. Strubel V., Simoens S., Vergne P., Fillot N., El Hajem M., Devaux N., Mondelin A ., Maheo Y., “Fluorescence Tracking and µ-PIV of Individual Particles and Lubricant Flow in and Around Lubricated Point Contacts”, Tribology Letters 2017, vol. 65 (75), p. 1-15 http://dx.doi.org/10.1007/s11249-017-0859-z
  7. Strubel V., Fillot N., Ville F., Cavoret J., Vergne P., Mondelin A., Maheo Y., “Particle Entrapment in Rolling Element Bearings: The Effect of Ellipticity, Nature of Materials, and Sliding”, Tribology Transactions 2017, vol. 60(2), p.373-382, http://dx.doi.org/10.1080/10402004.2016.1168901
  8. S. Ndiaye, L. Martinie, D. Philippon, J. Margueritat, P. Vergne, “On the influence of phase change in highly loaded frictional contacts” (to be submitted to Tribology Letters).
  9. Ndiaye S.-N., Martinie L., Philippon D., Devaux N, Vergne P.: “A Quantitative Friction-Based Approach of the Limiting Shear Stress Pressure and Temperature Dependence”, Tribology Letters 2017, vol. 65(4), paper 149, http://dx.doi.org/10.1007/s11249-017-0929-2
  10. Porras-Vazquez A., Martinie L., Vergne P., Fillot N., “Independence between friction and velocity distribution in fluids subjected to severe shearing and confinement”, Physical Chemistry Chemical Physics 2018, vol. 20, p. 27280-27293, http://dx.doi.org/10.1039/C8CP04620D