流體動壓潤滑油膜厚度及油池的熒光測量*

(青島理工大學機械與汽車工程學院 山東青島 266520)

光干涉法在油膜潤滑實驗研究中具有非常廣泛的應用，可以有效地測量油膜厚度的分布特性，如彈流出口頸縮現象的發現[1]。但干涉法對所測量的潤滑表面光學特性要求嚴格，且很難用于自由表面上油膜分布的測量。與干涉法不同，熒光法是依靠發光強度對膜厚進行測量，不受摩擦副表面材料反射率的限制，可以對多種工況進行測量。

熒光法在工程領域取得了一系列發展，SMART和FORD[2]提出了利用熒光法測量旋轉圓柱體表面油膜厚度的方法。TING、HOULT等[3-4]把熒光測厚法應用到發動機缸套和活塞環之間的油膜厚度測量上，建立了熒光強度和油膜厚度的標定曲線。陸霄露、FOWLL等[5-6]采用激光誘導熒光法分別測量了石英平板、航空發動機汽化噴嘴及彈性密封材料表面的油膜厚度。

在流體潤滑領域，接觸區內膜厚是判斷潤滑狀態的一個重要參數，其周圍油池反映了供油狀況[7]，直接影響膜厚。因此，掌握圍繞接觸區潤滑劑的遷移特性，有利于對潤滑狀態的分析。在彈流潤滑領域，杜紅世[7]、錢善華等[8]應用熒光法研究了彈流接觸區周圍油池的遷移特性。與彈流潤滑不同，面接觸流體動壓潤滑四周存在非對稱幾何間隙，接觸區周圍油池動態分布及油膜厚度有其固有規律，郭峰等人[9]利用熒光法對面接觸區周圍的油池及其膜厚進行了測量，但該方面的研究成果較少。

本文作者探索了熒光法在面接觸潤滑油膜測量中的應用，建立油膜厚度測量方法；針對剪應變率對熒光強度的影響進行實驗研究，尋找合適的潤滑油和熒光劑的搭配；建立熒光強度與油膜厚度的單值關系，利用熒光強度對油膜厚度進行測量；同時，對接觸區周圍潤滑劑的遷移特性進行研究。

1 實驗部分

1.1 熒光測量裝置

熒光法測膜厚裝置如圖1所示[10]。

圖1 熒光測量系統簡圖

測量系統由熒光探測設備、熒光激發光源、滑塊-轉盤調節機構組成。熒光探測設備包括激發濾光片、截止濾光片、分色鏡及熒光CCD。激發濾光片允許光源中450～500 nm波段的光通過。LED寬波段藍色激發光源經過擴束器、與光軸成45°的二向分色鏡照射到潤滑軌道上摻雜熒光探針的潤滑油膜上，熒光探針在激發光的照射下，產生熒光。熒光及入射光的反射光經分色鏡照射到截止濾光片上，截止濾光片使波長大于500 nm的熒光通過，然后經物鏡入射到CCD上進行成像，進而獲得接觸區及圍繞接觸區潤滑劑的熒光圖像，達到測量膜厚及示蹤流場的雙重目的。實驗過程中對試驗臺進行了遮光處理，背景光對實驗結果的影響非常小，可以忽略不計。

1.2 面接觸潤滑油膜測量系統

面接觸潤滑油膜干涉測量系統[11]包括玻璃盤、Cr +SiO2析光膜、潤滑劑、滑塊和紅色激光器等。激光光源經過去散斑處理后在各個界面上發生反射和折射，相干的反射光束形成干涉條紋。紅光波長大于熒光的吸收波長，摻雜熒光探針的潤滑油基本不會產生熒光，避免了熒光帶來的干擾。通過干涉條紋的數目判斷滑塊與玻璃盤的傾角，利用調節螺桿調整滑塊的傾角。傾角可以通過式(1)計算得出。

α=mλ2nB

(1)

滑塊處于靜止狀態時，出口最小膜厚h0為0，滑塊上任意位置膜厚h可以通過式(2)計算。

h=mλ2n

(2)

式中：m為測量點對應的干涉條紋級次；λ為激光波長，此處為640 nm；n為用阿貝折射儀測量所得潤滑油膜的折射率，約為1.46；B是滑塊寬度，B=4 mm。

1.3 實驗條件

轉盤采用K9玻璃，其表面鍍有鉻膜和二氧化硅膜(Cr+SiO2)，反射率控制在20%左右，以保證干涉條紋對比度良好，表面粗糙度Ra為4 nm。實驗用滑塊為鋼塊，表面尺寸為4 mm(寬度B，滑動方向)×6 mm(長度L)。潤滑油采用PAO8和PEG400，分別為非極性分子和極性分子基礎油。實驗選用了3種不同的熒光探針，分別為純度為98%的尼羅紅(Nile Red，C20H18N2O2，分子量為318.37，南京奧多福尼生物有限公司生產)，純度為99%的羅丹明6G(R6G，C28H31N2O3Cl，分子量為479.01，阿拉丁試劑(上海)有限公司生產)，以及純度為98%的香豆素6(Coumarin6，C20H18N2O2S，分子量為350.43，西格瑪奧德里奇(上海)貿易有限公公司生產)，其配比濃度均為0.5 mmol/L，通過磁力攪拌器加熱攪拌使熒光劑充分溶解在潤滑劑中。實驗溫度為(22±0.5) ℃，濕度為HR25%～35%。

2 結果與討論

2.1 熒光劑的選擇

由Lambert定律[12]可知，靜止狀態下，膜厚不變熒光強度不變。流體動壓條件下油膜受剪切作用，為了建立光強與膜厚之間的單值對應關系，需要研究剪應變率對熒光強度的影響，選擇合適的熒光添加物是應用熒光方法的關鍵。

調整滑塊方向角，使得沿轉盤轉動方向油膜厚度為恒定值，潤滑油在玻璃盤帶動下做純剪切流動。純剪切條件下的熒光圖像及垂直于速度方向上的光強分布情況如圖2所示，可以看到此處熒光強度與油膜厚度成近似線性關系。剪應變率可以通過式(3)得到。

γ·=uh

(3)

式中：γ·為剪應變率；u為玻璃盤轉速；h為滑塊在選定位置的膜厚。

圖2 熒光圖像及光強分布情況(PAO8+Coumarin6，u=45.7 mm/s，α=1∶913， w=4 N)

從公式(3)可以看出，膜厚固定，速度的改變將引起剪應變率的變化。選取滑塊上一點為測量點，通過改變玻璃盤轉速，記錄滑塊上測量點處的熒光強度隨剪應變率變化的關系曲線，如圖3所示。

圖3(a)所示為取h= 2.3 μm，摻雜Nile red的PAO8潤滑劑受剪切作用時，熒光強度隨剪應變率的變化曲線，可以看出熒光強度隨剪應變率增大而減小。圖3(b)、(c)所示分別為摻雜Coumarin6的PAO8潤滑劑及摻雜R6G的PEG400潤滑劑熒光強度隨剪應變率的關系曲線，可以看出，隨著剪應變率的增大，熒光強度基本保持不變，即不受剪應變率的影響。需要說明的是圖2中，熒光強度隨油膜厚度表現為線性變化，而不同油膜厚度處剪應變率并不是常數，也說明了剪應變率對熒光強度無影響，這與圖3(b)所示的結果一致。由此可以得出，R6G熒光劑和PEG400潤滑油的組合與Coumarin6熒光劑和PAO8潤滑油的組合是適合油膜厚度測量的潤滑油和熒光劑組合。在后面的研究中針對R6G和PEG400的組合進行具體的實驗測量。

圖3 純剪切條件下的熒光強度變化曲線(w=4 N，α=1∶1 828)

2.2 接觸區潤滑油膜厚度的測量

利用熒光法測量流體動壓潤滑油膜厚度首先要標定光強與膜厚之間的關系。實驗測量了摻雜R6G的PEG400在滑塊傾角分別為1∶1 828、1∶1 304、1∶1 014、1∶830、1∶702、1∶608 (對應的干涉條紋數分別為10、14、18、22、26、30)時的熒光圖像，如圖4(a)所示。在熒光圖像上選擇像素坐標為(600，400)的點為測量點，通過改變滑塊傾角得到該點油膜厚度與熒光強度的對應關系，如圖4(b)所示。可以看出，熒光強度與油膜厚度之間呈線性關系，根據標定結果可以求解油膜厚度。

圖4 熒光圖像及標定曲線(PEG4000+R6G)

利用圖4獲取的標定結果得到了油膜厚度隨速度的變化曲線，如圖5所示。

圖5 膜厚隨速度的變化曲線(PEG400+R6G，α=1∶1 828)

載荷分別為2和4 N，傾角為1∶1 828。將熒光法測量得到的數據與相同實驗條件下干涉法測得的數據進行對比，可以看出，兩者在相同載荷下的膜厚速度曲線吻合良好。從圖5中可以看出：潤滑油膜厚度隨著速度的增加而增大，隨載荷的增加而減小；與彈流潤滑不同，載荷對膜厚的影響比較明顯；熒光強度隨速度的變化關系與膜厚的變化規律一致。

2.3 油池的測量

油池的測量也使用摻雜R6G的PEG400作為潤滑劑。滑塊周圍油池可看作自由表面油膜，圖4(b)中的標定結果不能用于其測量，而且二者的膜厚尺度也不在同一數量級。為定量測量油池分布，使用玻璃盤表面上不同體積的微液滴進行標定。假定玻璃盤表面微液滴為球冠，利用球冠體積公式求得液滴最高點的油膜厚度，球冠體積如式(4)所示。

V=16πh(3r2+h2)

(4)

式中：V為液滴體積；h為液滴最高點油膜厚度；r為液滴鋪展半徑，可通過測量得到。

液滴體積分別為3、4 、5 、9 μL，每個體積實驗測試2次。液滴球冠最高點膜厚與光強的對應關系如圖6所示，可看作線性關系。

圖6 自由表面油滴及光強膜厚標定結果

為了證明實驗結果的準確性，實驗首先對建立的標定關系進行驗證。圖7(a)所示是用熒光測量系統測得的滑塊側立面上摻雜熒光探針的潤滑油膜的光強分布情況，圖7(b)所示為用接觸角測量儀測得的潤滑劑在滑塊側立面上的分布情況。實驗不加載，供油量為3 μL，除測量方法不同外，其他實驗條件均相同。如圖7(a)所示，沿著潤滑劑分布的對稱中心線上選定距離滑塊1.4 mm處一點為參考點，利用圖6中標定結果測得參考點處的膜厚情況。同樣地，利用接觸角測量儀測得對應于參考點處的膜厚，利用2種不同方法獲得的膜厚分布對比情況如圖8所示。可以看出，兩測量方法測得的結果變化規律一致，利用熒光法測得的實驗結果要偏大一點，但差別不大，圖8中兩方法所測膜厚最大相差13.8%。

圖7 兩方法測得的潤滑劑在滑塊側立面上的分布

圖8 兩方法測得的滑塊側立面上膜厚分布比較(3 μL， PEG400+R6G)

對圍繞接觸區的摻雜R6G的PEG400的遷移特性進行研究，實驗過程中載荷為4 N，潤滑劑供給量為0.8 mL，滑塊傾角為1∶1 218。潤滑劑圍繞接觸區(滑塊)周圍構成一個油池，油池隨速度的變化規律如圖9所示。可以看出低速時，由于表面力的作用潤滑油環繞滑塊鋪展于立面四周；隨著速度增大，接觸區對入口處供油的機械分離作用增強，油池開始發生變形；出口處，氣穴區的擴大阻礙了滑塊兩側立面的潤滑油向出口處立面的鋪展，因此滑塊出口處的油池慢慢退化，僅在出口立面和側立面相交角處存在和堆積。同時，入口處由于速度的增加，油池內潤滑劑的堆積明顯增加。

圖9 油池隨速度的變化(PEG400+R6G，w=4 N，α=1∶1 218)

通過選定代表性的截面對油池的演化過程進行了定量表征，如圖10所示。圖11(a)—(e)分別對應于圖10中劃線1—5位置處。需要指出的是利用自由表面上的標定關系不能獲得接觸區內以及氣穴破裂后潤滑軌道上(如圖11中標定位置所示)的油膜厚度。

圖10 截面選擇示意圖

圖11(a)代表出口邊油池橫向截面，距離滑塊出口邊緣2.7 mm。可以看到在潤滑軌道上低速時存在潤滑油堆積，主要來自于兩側立面潤滑油的環繞鋪展；隨著速度的增加，出口堆積的潤滑油開始減少，隨后產生典型的雙側脊潤滑油分布；當速度進一步增加，側脊之間的距離增加且側脊呈現變窄的趨勢；兩側脊間隙的增加，是因為滑塊把油池劃分為兩個側脊之后，在表面張力作用下，兩條側脊上的油膜都有向兩側擴展的趨勢，速度的增加導致潤滑劑回復時間減少，同時兩側脊之間潤滑油膜的厚度降低。速度提高以后，離心力作用突出，此時油池外側比內側擴展明顯。內側脊與外側脊對于間隙增加的貢獻不同，外脊由于離心力的作用向外擴展的程度要大。

圖11(b)代表的是通過接觸區的油池橫截面，距離滑塊出口邊緣1.6 mm。潤滑劑受毛細作用匯聚在滑塊的兩側立面，隨著速度的增加，兩側油膜的剪應變率增加，但膜厚變化不明顯，代表剪應變率對此處潤滑油的鋪展影響不大。

圖11(c)代表入口處油池橫向截面，距離滑塊入口邊緣0.8 mm。可以看到在潤滑軌道上低速時存在潤滑油堆積，主要來自于潤滑軌道表面和兩側立面潤滑油的環繞鋪展；隨著速度升高，入口潤滑劑堆積程度增加并達到最高值；當速度進一步從69.9 mm/s提高到100 mm/s時，潤滑劑堆積現象減弱，開始出現雙側脊。

圖11(d)代表距入口稍遠處油池橫向截面，距離滑塊入口邊緣2.2 mm。低速時，油池外部入口邊潤滑劑隨著速度的提高出現堆積，當速度從1 mm/s提高到45.7 mm/s時，潤滑劑的堆積趨勢非常明顯；隨著速度繼續提高，潤滑油堆積減弱，呈現雙側脊式的分布形態，側脊之間的距離隨著速度的增加而增大。

圖11(e)為通過接觸區中心的縱向截面，距離滑塊左側立面2.8 mm。可以看出，出口處油膜厚度隨著速度的增大而減小；速度從1 mm/s提高到69.9 mm/s時，入口處油膜厚度隨著速度的增大而增加，當速度從69.9 mm/s提高到100 m/s時，油膜厚度存在一定程度的下降；入口處軌道上的油膜厚度整體比出口軌道上的油膜厚度大；入口凹陷隨著速度的增加而增大。

圖11 油池截面1到5上油膜厚度隨速度的變化情況(PEG400+R6G，w=4 N，α=1∶1 218)

低速階段時，滑塊入口潤滑劑堆積隨速度提高有一定程度增加，油池入口處呈現出凸起。當速度增大到某一值時，油池被劃分為兩個側脊，隨著盤速的進一步提升，潤滑劑沒有足夠的時間回流，導致油池入口區出現凹陷，凹陷程度隨著速度的增大而增加。如果進一步提速，離心力作用變明顯，從接觸區攜帶的潤滑劑一部分用來補充油池，另一部分在離心力作用下流向玻璃盤外側，甚至被甩出玻璃盤，油池得不到足夠的補充。

3 結論

(1)對潤滑油膜熒光強度與其所受剪應變率的關系進行了測量，篩選得到了適合油膜厚度測量的R6G和PEG400及Coumarin6和PAO8的熒光劑和潤滑油的組合。

(2) 根據測量得出了油膜厚度和光強之間存在單值線性關系，從而給出了接觸區膜厚測量和接觸區外圍油池測量的標定方法。

(3)在滑塊-轉盤接觸流體動壓條件下存在一個圍繞接觸區的油池，低速范圍內隨著卷吸速度的增加，滑塊入口處油池產生潤滑劑堆積，速度進一步增加，堆積略減弱；出口處油池隨速度增加出現雙側脊分離；而兩側面油池無明顯變化。

(4)卷吸速度、表面張力及離心力都直接影響油池形狀的演變，油池形狀的改變反映了接觸區周圍潤滑劑的流失與補給過程。