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。
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。
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。
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] 。
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]。
总结与结论
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。