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大滑滚比条件下非牛顿流体线接触热弹流润滑分析

唐洪伟;王静;孙楠楠;朱建荣

【期刊名称】《《润滑与密封》》

【年(卷),期】2019(044)009

【总页数】6页(P31-36)

【关键词】大滑滚比;线接触;非牛顿流体;热弹流润滑;油膜温度

【作者】唐洪伟;王静;孙楠楠;朱建荣

【作者单位】青岛理工大学机械与汽车工程学院山东青岛266520;潍柴动力股份

有限公司内燃机可靠性国家重点实验室山东潍坊261061

【正文语种】中文

【中图分类】TH117.2

当两表面反向运动，滑滚比S2时即为大滑滚比工况，广泛见于无保持架轴承、

滚珠丝杠、凸轮-平底挺杆副等工业应用中。如果两个表面运动方向相反，而速度

大小相等时，则形成了滑滚比为无穷大并且卷吸速度为0的工况，一般称为零卷

吸工况。在大滑滚比及零卷吸工况下，热效应起着至关重要的作用，最为典型的就

是形成“温度-黏度楔”凹陷[1]，也就是形成凹陷油膜形状并对两接触表面进行保

护。杨沛然和常秋英[1]进行了超大滑滚比条件下的线接触热弹性流体动力润滑分

析，得到了完全数值，并获得了经典的大凹陷油膜形状。GUO等[2]研究了稳态点

接触热弹流润滑问题，并获得了经典的大凹陷形状。YAGI等[3]使用红外测温技术，

实验测得了大滑滚比下油膜、球表面及玻璃盘表面温度场分布。零卷吸下，随着两

表面滑动速度的增加，接触区内椭圆形凹陷的短轴由与速度方向重合变至垂直于速

度方向，中心凹陷深度呈先增大后减小的趋势，凹陷处温度可达400K，凹陷的形

成受“温度-黏度楔”效应的影响。YAGI等[4]后来使用拉曼光谱研究了不同滑滚

比下油膜压力分布，发现大滑滚比下出现表面凹陷时，油膜局部压力增加，滑滚比

大小影响油膜压力分布。WANG等[5]数值研究了大滑滚比对存在表面波纹度的线

接触热弹流润滑的影响，发现表面波纹度的弹性变形、压力和温度的波动随着滑滚

比的增加而减小，随着波纹度波长的增加，弹性变形变大。WANG和YANG[6]数

值模拟了偏心轮与平底推杆之间的接触并给出了热弹流油膜特性。随后，WU等

[7]对凸轮-平底推杆之间的热弹流润滑问题进行了模拟，并给出了在两反向运动表

面速度连续变化过程中热油膜凹陷的变化。ZHANG等[8]通过对线接触零卷吸工

况的数值仿真发现，随着两表面速度的降低，经典的大凹陷会演化为接触区中央的

小凹陷并最后消失。ZHANG等[9]也对点接触零卷吸工况下低表面速度下的接触

区中央小凹陷进行了研究。张彬彬和王静[10]研究了大滑滚比(滑滚比S小于无穷)

热弹流润滑条件下中央小凹陷的变化。

本文作者研究了在大滑滚比条件下，线接触光滑表面非牛顿流体热弹性中央小凹陷

的变化以及油膜压力和温度的变化情况。

1控制方程

文中假设润滑油遵从Ree-Eying流体模型[11]

(1)

式中:u为流体速度;τ称为0Ree-Eying流体的特征剪应力；η称为Ree-Eying流

体的表观黏度；τ为流体剪应力。

时变线接触广义Reynolds方程[8]为

(2)

式(2)中使用的当量参数定义为

式中:p为流体压力；h为油膜厚度；t为时间变量。

式(2)的边界条件为

(3)

载荷方程为

p(x,t)dx=w

(4)

膜厚方程为

(5)

式中:变量h00由载荷方程(4)决定。

密度-压力-温度关系[8]为

(6)

式中:ρ0为润滑油的环境密度;T0为环境温度。

黏度-压力-温度关系采用Roelands关系式[12]

η=η0exp{A1[1+(1+A2p)Z(A3T-A4)-S]}

(7)

式中:为润滑油的环境黏度；T0为环境温度；T为油膜温度;Z、S分别为黏压、黏

温系数，与润滑油的黏压系数α和黏温系数β的关系为

(8)

忽略热辐射和在X、Y方向上的热传导，那么油膜能量方程可写为

(9)

式中:

油膜能量方程[9]的边界条件为

(10)

两固体能量方程为

(11)

式中:ca、cb分别为固体a和b的比热容；ρa、ρb分别为固体a和b的密度；ka、

kb分别为固体a和固体b热传导系数。

两固体的边界条件如下：

(12)

在两个固-液分界面的热通