264-薄膜润滑中双电层效应的理论分析与实验研究与在线粘度计(黏度-电粘度)
第卷第期摩擦学学报
年月
薄膜润滑中双电层效应的理论分析与实验研究
王新杰白少先黄平
华南理工大学机械工程学院广东广州
摘要建立了考虑双电层效应的有限宽组合滑块薄膜润滑数学模型并利用组合滑块与圆盘的滑动摩擦试验对双电层效应进行研究利用实验结果修正了润滑过程中双电层效应的计算给出电粘度的计算公式并进行数值分析结果表明在薄膜厚度较薄的情况下双电层效应使得流体的等效粘度随膜厚减小而迅速增加随着膜厚增加双电层的电粘度效应逐渐减弱随着电场强度增加双电层的电粘度效应增加当电场强度达到一定程度时双电层的电粘度效应开始减弱
关键词双电层薄膜润滑电粘度
中图分类号文献标识码文章编号
薄膜润滑的特性及其润滑机理研究已成为近年来摩擦学研究倍受关注的个领域双电层对薄膜润滑具有明显影响等将双电层的影响引入薄膜润滑中等曾对双电层流体动力润滑的雷诺方程进行推导和计算等研究了摩擦表面电势对其摩擦磨损性能的影响发现通过建立双电层效应模型可以估计表面电势对摩擦系数变化的影响我们曾研究了双电层对流体动力润滑和弹流润滑状态参数的影响
本文建立了考虑双电层效应的有限宽组合滑块薄膜润滑数学模型利用在油润滑中施加外加电场和在水润滑中添加以改变润滑剂中离子浓度进行组合滑块润滑试验利用试验结果对润滑中双电层效应的计算系数进行修正
数学模型
首先建立有限宽组合滑块的双电层润滑数学模型图所示为试验中所用组合滑块结构简图假设滑块在方向的速度为在方向的滑动速度为当滑块方向较宽时为了简化分析忽略压力沿方向的变化方程可以简化为
式中为压力为膜厚为滑块在方向速度
为流体的等效粘度
参考文献给出了考虑双电层时流体的等效粘
图组合滑块尺寸
度方程为
式中为流体粘度为双电层长度倒易参数的表达式为
式中为电容率为双电层电势为电导率摩擦系数方程可以通过压力解获得表达式如下
基金项目国家自然科学基金资助项目广东省教育厅千百十工程优秀人才培养基金资助项目收稿日期修回日期联系人王新杰
作者简介黄平男年生教授博士生导师目前主要从事摩擦学研究
利用所测得的试验数据折算出参数然后利用式进行计算
实验及数值分析
水润滑双电层效应的计算
试验中以水作为润滑基础液选用作为添加剂施加载荷为组合滑块图尺寸分别为
组合滑块和摩擦盘材料分别选用钢和不锈钢
由于摩擦系数受多种因素影响并且理论计算值与实际测量值差别较大在此引入比摩擦系数的概念来反映双电层对摩擦系数的影响其定义为式中是不考虑双电层效应时的摩擦系数
流体的无量纲等效粘度定义为
双电层厚度的计算公式如下
式中为溶液中离子的摩尔浓度为离子价对于溶液
试验中测得在摩擦盘速度的区间内摩擦系数达到最小值根据润滑曲线此区间为薄膜润滑区间所以在进行参数的折算时选用该速度区间内的试验结果进行计算的折算值参见表可以看出不同速度而同一
表不同工况下的折算值
浓度下的值相差较大特别是在速度以及时我们认为造成这种差别的主要原因在于测量误差因参数与速度无关所以表中的结果为对同一浓度而不同速度下折算出值的算术平均值
图所示为根据表数值计算的无量纲等效粘
图无量纲等效粘度与膜厚的关系曲线
度与膜厚变化的关系曲线可见在膜厚为
以下流体的等效粘度随膜厚减小而迅速增加为水的粘度的倍以上在膜厚为以上时流体的等效粘度随膜厚增加而逐渐减小
图所示为载荷时利用表中值计
图载荷时摩擦系数与浓度的关系曲线
算得到的摩擦系数和试验测量的摩擦系数比较结果可以看出理论计算的摩擦系数曲线与实测的摩擦系数曲线基本一致
外加电场油润滑双电层效应的计算
试验中以机械油作为润滑基础液选用油酸
摩擦学学报第卷
作为添加剂载荷为摩擦副上施加的实际电压为由于润滑油中的离子成分非常复杂计算中油中双电层厚度取误差可以在折算过程中由得到补偿所测试验数据见表折算出的
表外电场作用下摩擦系数的增量
值结果见图
根据图中的数据可以拟合出的计算公式
从图可以看出随着电场强度增加双电层的电粘度效应增加当电场强度达到一定程度时双电层的电粘度效应开始减弱这是因为在施加外电场
图参数与电场强度的关系曲线
后润滑剂中的分子被部分极化从而增强了摩擦副界面处双电层的离子浓度增加了双电层的电粘度但是随着电场强度增加润滑剂分子被极化的比例逐渐增加使得分子在润滑区的排列更有规律沿流体运动方向流体的抗剪切性下降粘度降低
图所示为当载荷速度
时计算出的摩擦系数与试验中测量值的比较可以看出理论计算的摩擦系数曲线与实际测量曲线的变化趋势基本一致在数值上差别约
结论
在薄膜厚度较薄时双电层效应使得流体的等效粘度随膜厚减小而迅速增加随着膜厚增加双
图载荷时摩擦系数与摩擦副间电压的关系曲线
电层的电粘度效应逐渐减弱
随着电场强度增加双电层的电粘度效应增加当电场强度达到一定程度时双电层的电粘度效应开始减弱
参考文献
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黄平黄柏林孟永钢双电层效应对润滑薄膜厚度和压力的影
第期王新杰等薄膜润滑中双电层效应的理论分析与实验研究
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温诗铸黄平摩擦学原理第二版北京清华大学出版
社
白少先黄平双电层电粘度对润滑性能的影响研究摩擦学学报雒建斌温诗铸黄平弹流润滑与薄膜润滑转化关系的研究摩擦学学报
摩擦学学报第卷
薄膜润滑中双电层效应的理论分析与实验研究
作者：王新杰， 白少先， 黄平， WANG Xin-jie， BAI Shao-xian， HUANG Ping
作者单位：华南理工大学,机械工程学院,广东,广州,510640
刊名：
摩擦学学报
英文刊名：TRIBOLOGY
年，卷(期)：2005,25(6)
被引用次数：1次
参考文献(13条)
1.Prieve D C;Bike S G Electrokinetic repulsion between two charged bodies undergoing sliding motion 1987
2.Zhang B;Umehara N Hydrodynamic lubrication theory considering electric double layer for very thin water film lubrication of ceramics[外文期刊] 1998(02)
3.Zhu Y Y;Kelsall G H;Spikes H A The influence of electrochemical potentials on the friction and wear of iron and iron oxides in aqueous systems 1994(04)
4.黄平;黄柏林;孟永钢双电层效应对润滑薄膜厚度和压力的影响研究[期刊论文]-机械工程学报 2002(08)
5.Wong P L;Huang P;Wang W Effect of geometry change of roughness point contact due to lubricated sliding wear[外文期刊] 2000
6.Wong P L;Huang P;Meng Y G The effect of the electric double layer on a very thin water lubricating film[外文期刊] 2003(03)
7.温诗铸;黄平摩擦学原理 2002
8.白少先;黄平双电层电粘度对润滑性能的影响研究[期刊论文]-摩擦学学报 2004(02)
9.Bohinc K;Kralj-Iglic V;Iglic A Thickness of electrical double layer effect of ion size[外文期刊] 2001(19)
10.Huang P;Li Z H;Meng Y G Study on hydrodynamic lubrication with second-order fluid (I) 2001(44)
11.Li Z H;Huang P;Meng Y G Study on hydrodynamic lubrication with second-order fluid (II) 2001(44)
12.Huang P;Li Z H;Meng Y G Study on thin film lubrication with second-order fluid[外文期刊] 2002(03)
13.雒建斌;温诗铸;黄平弹流润滑与薄膜润滑转化关系的研究[期刊论文]-摩擦学学报 1999(01)
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2.曲庆文.赵又群.马浩.柴山.姚福生用三层粘度修正模型计算薄膜润滑径向轴承[期刊论文]-润滑与密封2000(5)
3.黄平.黄柏林.孟永钢.温诗铸双电层对润滑薄膜厚度与压力的影响[期刊论文]-机械工程学报2002,38(8)
4.曲庆文.王梅.王丽华.柴山薄膜润滑条件下的速度场分析[会议论文]-2001
5.白少先.黄平二阶流体薄膜润滑研究[期刊论文]-摩擦学学报2003,23(6)
6.曲庆文.Qu Qingwen薄膜润滑条件下考虑剪切稀化时温度分布的研究[期刊论文]-润滑与密封2006(1)
7.雒建斌.钱林茂.史兵.温诗铸薄膜润滑失效研究[会议论文]-1999
8.王新杰.岳洪浩.邹鸿生.邓宗全.WANG Xin-jie.YUE Hong-hao.Tzou H S.DENG Zong-quan光电层合圆柱薄壳的激励特性及控制[期刊论文]-振动与冲击2009,28(9)
9.彭泳卿.路新春.雒建斌纳米尺度下气体薄膜润滑理论研究[期刊论文]-摩擦学学报2004,24(1)
引证文献(1条)
1.白少先.黄平.孟永钢.温诗铸双电层对水润滑特性影响的实验研究[期刊论文]-工程设计学报 2007(3)
引用本文格式：王新杰.白少先.黄平.WANG Xin-jie.BAI Shao-xian.HUANG Ping薄膜润滑中双电层效应的理论分析与实验研究[期刊论文]-摩擦学学报 2005(6)