微量供油条件下润滑油液滴的生长与脱附_豆照良.pdf

2023 年 2 月第 48 卷 第 2 期润滑与密封LUBICATION ENGINEEINGFeb.2023Vol.48 No.2DOI:10.3969/j.issn.02540150.2023.02.012文献引用:豆照良，宋安佳，周刚，等微量供油条件下润滑油液滴的生长与脱附 J 润滑与密封，2023，48(2):8388Cite as:DOU Zhaoliang，SONG Anjia，ZHOU Gang，et alGrowth and desorption of lubricating oil droplets under the condition of micro oilsupply J Lubrication Engineering，2023，48(2):8388*基金项目:国家自然科学基金项目(52005010);北京市自然科学基金项目(3204037);清华大学摩擦学国家重点实验室开放基金项目(SKLTKF19B04)收稿日期:20211201;修回日期:20220105作者简介:豆照良(1983)，男，博士，副教授，研究方向为工程摩擦学和表面功能化技术。Email:dzl 。微量供油条件下润滑油液滴的生长与脱附*豆照良1宋安佳1周刚2，3张韶华2，3阎红娟1刘峰斌1(1.北方工业大学机械与材料工程学院北京 100144;2.北京控制工程研究所空间轴承应用试验室北京 100094;3.精密转动和传动机构长寿命技术北京市重点实验室北京 100094)摘要:润滑油液滴的生长与脱附性能对于微量供油过程和微量润滑效果有重要影响。采用试验和数值仿真相结合的方法，研究微量供油条件下、在重力环境中的润滑油液滴在毛细管出口端的生长与脱附行为，考察毛细管管径和表面润湿特性变化对润滑油液滴脱附性能的影响。结果表明，润滑油液滴的生长与脱附是毛细力、黏性力、表面张力和重力等共同作用的结果;减小毛细管管径或增大润滑油液滴在毛细管表面的接触角，均可有效减弱毛细效应，降低润滑油液的爬移高度和脱附粒径，改善液滴脱附性能;毛细管管径由 1.2 mm 减小至 0.7 mm 过程中，液滴脱附粒径减小了 4.5%;接触角由 5逐渐增加至 90的过程中，液滴脱附粒径减小了 9.3%;通过选用低表面能材料制作微量供油的毛细管可以显著增大接触角。关键词:微量供油;润滑油液滴;毛细管;接触角;脱附性能中图分类号:TH117.2Growth and Desorption of Lubricating Oil Droplets underthe Condition of Micro Oil SupplyDOU Zhaoliang1SONG Anjia1ZHOU Gang2，3ZHANG Shaohua2，3YAN Hongjuan1LIU Fengbin1(1.School of Mechanical and Materials Engineering，North China University of Technology，Beijing 100144，China;2.Space Bearing Application Laboratory，Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100094，China;3.BeijingKey Laboratory for LongLife Technology of Precision otation and Transmission Mechanism，Beijing 100094，China)Abstract:The growth and desorption performance of lubricating oil droplets has an important influence on the microlu-brication process and the microlubrication effectThe growth and desorption behavior of lubricating oil droplets at the cap-illary outlet under the condition of micro oil supply and gravity environment were studied by means of experiment and nu-merical simulation，and the effects of capillary pipe diameter and surface wetting characteristics on the desorption perform-ance of lubricating oil droplets were investigatedThe results show that the growth and desorption of lubricating oil dropletsare the result of capillary force，viscous force，surface tension and gravity，and by reducing the capillary diameter or increas-ing the contact angle of lubricating oil droplets on the capillary surface，the capillary effect can be effectively reduced，theclimbing height and desorption particle size of lubricating oil can be reduced，and the desorption performance of lubricatingoil droplets can be improvedWhen the capillary tube diameter is reduced from 1.2 mm to 0.7 mm，the droplet desorptionparticle size decreases by 4.5%While the contact angle is gradually increased from 5 to 90，the droplet desorption parti-cle size decreases by 9.3%By using low surface energy materials to make microsupplied capillaries，the contact anglecan be significantly increasedKeywords:micro oil supply;lubricating oil droplets;capillary;contact angle;desorption performance长寿命、高可靠性的卫星平台是我国日益增长的空间战略需求。动量飞轮是空间执行机构的重要组件。目前，受限于空间条件下轴承组件的润滑技术瓶颈，长期服役的轴承组件在润滑状态恶化后，往往会出现摩擦性能下降、摩擦力矩不稳定等问题，使得动量飞轮的设计寿命距离满足卫星长寿命需求仍有一定差距。动量飞轮的润滑问题已成为制约卫星平台技术提升的关键因素1。空间精密轴承组件作为动量飞轮的核心部件，其长寿命润滑技术，是空间摩擦学领域亟待开展的重要研究内容之一2。开展主动微量供油技术研究，实现润滑油的持续微量供给，使轴承组件得到及时、有效的润滑，改善其服役期间的摩擦学性能，满足产品高精度、长寿命的应用需求，对我国空间技术发展具有重要价值3。润滑油液在供油微通道出口端的生长与脱附过程是主动微量供油的关键环节，对轴承实现长期微量润滑和长寿命运行至关重要。此外，微液滴的生长与脱附还在医疗、喷涂、喷墨打印、冷却系统等领域中发挥着重要作用47。对于微液滴的生长与脱附行为，早期研究主要采用力平衡分析方法，从流体属性及流量等角度来预测较低流量下的液滴体积。HAYWOTH 和 TEYBAL8 发现出口端直径和表面张力的增加会导致液滴直径的增加，并采用两个阶段模型来预测液滴从毛细管顶端形成时的体积特征:第一个阶段是液滴生长，为静态过程，第二个阶段是液滴脱离，为动态过程。除早期试验研究外，人们还致力于寻找液滴形成的动力学理论。PAN 等9 研究了颗粒悬浮液中液滴的形成，杨玉军等10 通过二维轴对称模型研究了液滴形成的动力学，并解释了缩颈现象的机制。在高速摄像机及数值模拟等新技术的辅助下，人们针对液滴的形成过程与机制问题开展了较为深入的试验及仿真研究1115。刘友菊16 通过图像处理技术研究了非牛顿流体液滴形成的各种现象，如颈缩、毛细管压力引起的流体涡旋和卫星液滴。HUANG 等17 使用高速摄像机研究了液滴在低流速下的形成过程，包括接触角、缩颈线长度、液滴直径等。润滑油液在供油微通道出口端的生长与脱附过程是主动式微量供油的关键环节，对轴承实现长期微量润滑和长寿命运行至关重要，但目前对于空间润滑油的脱附过程及脱附大小尚缺乏系统性的分析与研究。本文作者采用试验与数值模拟仿真相结合的方法，对微量供油条件下、在重力环境中的润滑油液滴在毛细管出口端的生长与脱附行为进行研究，考察毛细管管径和表面润湿特性变化对润滑油液滴脱附性能的影响，并初步探讨采用数值模拟方法研究无重力环境下的液滴脱附行为的技术可行性。1试验原理及装置图 1 所示为润滑油液滴生长与脱附过程的观测装置示意图。试验过程中，润滑油液由微量泵中的注射器经橡胶软管泵送至金属毛细管，润滑油液在毛细管出口端生长成液滴并最终脱附;利用氙灯光源进行补光照明，由 KEYENCE 高速摄像机记录油液生长与脱附过程，并将图像数据传输至计算机，利用图像处理与分析软件进行试验数据处理。图 1试验装置示意Fig.1Schematic of test device试验所用润滑油液为 PAO10 型航天润滑油，其基本物性参数如表 1 所示。所用金属毛细管材质为SUS304 不锈钢，规格分别为:1.2 mm 0.1 mm，1.0 mm0.1 mm，0.7 mm0.1 mm。试验过程中，润滑油液在金属毛细管内的流速由微量泵流量控制，所设定的试验流速为 0.4 mm/s。表 1PAO10 润滑油基本物性参数Table 1Basic physical property parametersof PAO10 lubricating oil项目数值运动黏度/(mm2s1)100 1040 66密度/(gcm3)08352数值模拟采用 Ansys Fluent 软件，对重力环境下由压力驱48润滑与密封第 48 卷动的润滑油液在毛细管内的生长与脱附过程进行数值模拟，考察毛细管管径、表面润湿特性等对润滑油液生长与脱附性能的影响，并探讨采用数值模拟方法研究无重力环境下液滴生长与脱附问题的可行性。2.1物理模型的构建求解润滑油液滴生长与脱附过程的物理模型为:在重力环境下，在 1 atm(0.1 MPa)的大气环境中，竖直放置一根毛细管，PAO10 型润滑油液在压力驱动下由毛细管入口端向下流动，油液在入口端的初速度为 0.4 mm/s，润滑油液在毛细管出口端逐渐生长并最终脱附。在考察毛细管管径的影响时，管径取值分别为1.2 mm0.1 mm、1.0 mm0.1 mm、0.7 mm0.1 mm，润滑油液在毛细管表面的接触角设为 5;在考察毛细管表面润湿特性的影响时，以接触角 表征，接触角取值依次为 5、15、20、25、30、40、60、75和 90，毛细管管径的取值为 1.0 mm0.1 mm。2.2计算模型的选取Fluent 中的 VOF(Volume of fluid model)模型能够使流体与流体间共用一组动量方程，并计算每种流体的体积分数，跟踪体积分数在每个计算单元上的传递过程1821。因模拟过程为气液两相流，并需要对液体在毛细管外表面的运动过程进行跟踪，故采用VOF 模型进行模拟计算。2.3计算域的离散采用 AnsysSpaceClaim 软件进行几何建模，采用ICEMCFD 进行网格划分。为考察润滑油液在毛细管微通道内流动并在出口端生长与脱附的过程，将计算区域分为毛细管通道内的液体区域与毛细管外的气体区域，两者通过壁面边界隔开。因油液在生长与脱附过程中气/液、固/液、固/气相的整体接触区域较大，需对网格采用精细划分，导致计算量较大，固采用轴对称二维模型进行简化计算。2.4边界条件与材料属性的定义计算模型中的流体介质有两种:PAO10 润滑油与空气。计算域边界条件设置如图 2 所示，边界 8 为速度入口，速度值为 0.4 mm/s，边界 1、2、3、4、5为压力出口，6、7 为无滑移壁面。流体物性参数设置见表 1，润滑油液与毛细管固液界面的接触角见2.1 节。图 2计算域及网格Fig.2Computational domain and griding3结果与分析3.1润滑油液滴的生长与脱附过程图 3 示出了在重力环境中，润滑油液在压力驱动下在金属毛细管出口端生长与脱附过程的试验结果。可以看出，润滑油液在毛细管出口端的生长与脱附过程可分为膨胀、爬移、下滑、颈缩和脱附等 5 个阶段。图 3润滑油液滴生长与脱附过程试验结果Fig.3Test results of lubricating oil dropletgrowth and desorption process在初始阶段，润滑油在压力驱动下缓慢注入，并在毛细管末端膨胀形成半球形凸起的液滴雏形，随着润滑油液的不断注入，半球形液滴的直径逐渐增大，当直径增大至毛细管外壁时，油液在毛细力作用下开始沿毛细管外壁向上爬移;随着油液爬移高度不断增加，液滴体积逐渐变大，重力随之增加，并逐渐超过毛细力的限值，油液将沿着外壁面逐渐下滑至出口端面;随着润滑油液的继续注入，液滴体积和质量进一582023 年第 2 期豆照良等:微量供油条件下润滑油液滴的生长与脱附步增加，重力效应开始凸显，液滴颈缩现象出现;随着液滴体积和质量的持续增大，液滴所受重力逐渐大于黏性力和表面张力，颈缩线变长变细，直至发生断裂，从毛细管出口端脱附。由于润滑油液被连续注入，毛细管末端残留的液体回缩成半球形，而后进入下一个循环周期。从上述膨胀、爬移、下滑、颈缩、脱附的不同阶段可以看出，润滑油液在毛细管出口端的生长与脱附过程是壁面毛细力、油液黏性力、表面张力和重力等共同作用的结果。图 4 所示为相同工况下，润滑油液滴在毛细管出口端的生长与脱附过程的数值仿真结果。对比图 3、4 可以发现，采用高速摄像机记录的润滑油液在毛细管出口端的生长与脱附过程，与采用数值模拟方法得出的仿真结果具有较高的一致性。这说明文中研究所采用的计算模型及方法的合理性和有效性，为后续采用数值模拟方法研究毛细管表面润滑特性对油液生长与脱附过程的影响，以及研究无重力条件下的液滴生长与脱附奠定了技术基础。图 4润滑油液滴生长与脱附过程数值仿真结果Fig.4Numerical simulation results of lubricatingoil droplet growth and desorption process3.2毛细管管径对液滴脱附性能的影响试验和数值仿真均对 PAO10 型航天润滑油液在1.2 mm0.1 mm、1.0 mm0.1 mm、0.7 mm0.1 mm 3 种不同规格的金属毛细管出口端的生长与脱附行为进行了研究，并以爬移高度 h 和等效脱附粒径 Dd为特征参数，考察毛细管管径对油液脱附性能的影响。其中，爬移高度 h 的定义为润滑油液沿毛细管外壁面向上爬升位置点到毛细管出口端面的距离，单位为 mm;等效脱附粒径 Dd的定义为:Dd=4Sd/Ld，Sd和 Ld分别是由高速摄像机拍摄并经 imageJ 图像处理后用显微标尺标定法测量的脱附液滴面积和周长;润滑油液在毛细管表面的接触角=5。图 5 所示为 PAO10 型航天润滑油液沿毛细管外壁爬移高度随时间的变化曲线，试验结果和数值仿真结果一致性良好。可以看出，随着毛细管管径减小，油液最大爬移高度 h 逐渐降低，1.2、1.0、0.7 mm管径毛细管对应的最大爬移高度分别为 4.5、4.1 及3.7 mm;而油液爬移时间则呈现增加趋势，分别为7.1、8.8 及 11.8 s。换言之，随毛细管管径减小，平均爬升速度逐渐降低，分别为 0.63、0.47 和 0.31mm/s。图 5润滑油液爬移高度随时间的变化(=5)Fig.5Variation of climbing height oflubricating oil with time(=5)图 6 所示为不同毛细管管径条件下，润滑油液滴脱附粒径 Dd的柱状图。可以看出，液滴脱附粒径随毛细管管径的减小而减小，1.2 和 0.7 mm 管径对应的脱附粒径试验值分别为 2.68 和 2.56 mm，粒径减小相对值为 4.5%;仿真计算结果与试验数据趋势相同，粒径减小相对值的仿真结果为 5.2%。图 6液滴脱附粒径随毛细管管径的变化(=5)Fig.6Variation of droplet desorption particlesize with capillary diameter(=5)68润滑与密封第 48 卷上述试验和仿真结果表明，随着毛细管管径的减小，毛细管外壁面对润滑油液的毛细效应逐渐减弱，油液沿毛细管外壁面的爬移高度和速度均呈下降趋势，液滴脱附粒径也随之减小，即液滴在更小的粒径下即可实现脱附，脱附性能提高。3.3毛细管表面润湿特性对液滴脱附性能的影响采用数值模拟方法，考察了毛细管表面润湿特性对润滑油液滴脱附性能的影响。润滑油液在毛细管表面的润湿状态由接触角 表征。接触角越大，表明毛细管的疏油性能越好，反之则表明亲油性能越好。模拟仿真考察了接触角 分别为 5、15、20、25、30、40、60、75和 90时，润滑油液滴在毛细管出口端的脱附行为。毛细管管径的取值为 1.0 mm0.1 mm。图 7 所示为=15时，毛细管出口端润滑油液滴的生长与脱附过程。可以看出，该过程存在典型的爬移和下滑阶段，表明毛细管壁面的毛细效应较为显著，且液滴脱附时在毛细管外壁面残留有一层厚度约为 36 m 的油膜。当接触角增加至 30时，润滑油液滴的生长与脱附过程发生显著变化，爬移和下滑这 2个阶段消失，整个生长与脱附过程演化为膨胀、颈缩和脱附 3 个阶段，如图 8 所示。图 7=15时液滴脱附后毛细管壁残留的油膜Fig.7esidual oil film on capillary wallafter droplet desorption at=15图 8=30时润滑油液滴的脱附过程Fig.8Desorption process of lubricating oil droplets at=30此外，研究还分别以最大爬移高度 h 和脱附粒径Dd为特征参数进行了定量分析。如图 9 所示，随着接触角的增大，最大爬移高度显著下降。接触角为5、25时对应的最大爬移高度分别为 3.90、2.51mm;当接触角增至 30时，润滑油液不再向上爬移，最大爬移高度为 0。图 10 所示为润滑油液滴脱附粒径随接触角的变化曲线。在接触角由 5逐渐增加至90的过程中，液滴脱附粒径由 2.80 mm 减至 2.54mm，减小了 9.3%，且呈线性减小。图 9润滑油液的最大爬移高度 h 随接触角 的变化Fig.9Variation of maximum climbing height hof lubricating oil with contact angle 图 10润滑油液的脱附粒径 Dd随接触角 的变化Fig.10Variation of desorption particle size Ddof lubricating oil with contact angle 由上可知，毛细管对润滑油液的表面润湿特性对液滴脱附性能有显著影响。随接触角增大，毛细管表面的疏油性能增强，毛细管外壁面对润滑油液的毛细效应减弱，壁面爬移行为逐渐减弱并最终消失，液滴生长与脱附过程演化为膨胀、颈缩和脱附 3 个阶段，液滴脱附时的粒径也随之减小。782023 年第 2 期豆照良等:微量供油条件下润滑油液滴的生长与脱附图 11 所示为润滑油液滴在毛细管壁面的固/液/气三相接触状态。由 Young 方程可知，润滑油液在毛细管表面的接触角 为=SGSLLG(1)式中:SG为固相即毛细管材质的表面能;LG为液相即润滑油液的表面张力;SL为毛细管与润滑油液之间的固/液界面张力。图 11润滑油液在毛细管壁面的接触状态Fig.11Contact status of lubricating oil on capillary wall在环境温度不变的条件下，液体的表面张力值LG恒定;固/液界面张力 SL远小于固体表面的表面能 SG，此时接触角 将主要由固体表面能决定。固体的表面能越低，接触角越大。对于不同材质的固体，其表面能有较大差异，塑料等有机物的表面能远低于金属和一般无机物，选用此类低表面能材料制作微量供油的毛细管可以显著增大接触角。此外，采用表面改性处理如涂覆低表面能涂层等手段22，则可在不改变毛细管原有材质和几何尺寸的前提下，有效降低毛细管的表面能，增大接触角，有助于改善油液脱附性能，实现长效微量润滑。4结论(1)微量供油条件下，润滑油液滴在毛细管出口端的生长与脱附过程，是壁面毛细力、油液黏性力、表面张力和重力等共同作用的结果，可分为膨胀、爬移、下滑、颈缩、脱附等 5 个阶段。(2)毛细管管径和表面润湿特性对润滑油液滴的脱附性能有重要影响，减小毛细管管径或增大接触角，均可以有效减弱毛细效应，降低润滑油液的爬移高度和脱附粒径，提高液滴脱附性能。毛细管管径减小至微米级，重力及毛细力等变化对液滴的脱附性能的影响有待开展进一步研究。(3)重力条件下液滴生长与脱附的仿真结果与试验结果的一致性良好，该方法有望用于研究无重力环境下液滴的生长与脱附问题;通过选用低表面能材料制作微量供油的毛细管可以显著增大接触角。参考文献 1岳亚美空间微量润滑条件下润滑介质的渗流和导流行为研究 D 哈尔滨:哈尔滨工业大学，2018YUE Y Mesearch on percolation and conduction behaviour oflubricating mediumon under minimum quantity lubrication inspace D Harbin:Harbin Institute of Technology，2018 2卿涛，周宁宁，周刚，等空间摩擦学在卫星活动部件轴系的应用研究现状及发展J 润滑与密封，2015，40(2):100108QING T，ZHOU 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