半解析热流变模型及其在圆锥滚子润滑中的应用

On the condition of high temperature and pressure, industrial oil with macromolecule additive would show strong rheological character. So engineering practice and theoretical development of lubrication could not be satisfied by the hypothesis of Newtonian flow. However, the existing rheological models describe only the relationship between shearing strength and strain rate, the viscosity relationship with pressure and temperature depend on empirical formulus. These models, therefore, could not reveal the rheological properties of the fluid accurately. In this project, a new semi-closed rheological model would be established. On the condition of small shear strain rate, the new model could explain environment viscosity, and turn into Newtonian model. With the increase in the shear strain rate, it is able to show the rheological characters of the oil, such as the shear-thinning property and the limiting shear strength. In addition, a direct function of viscosity with pressure, temperature, and shear strain rate would be obtained through both theoretical and experimental studies, which would discard the concept of equivalent viscosity, improve the calculation of viscosity, and unify the lubricating theories of Newtonian and non-Newtonian fluids. The so obtained model would be used for the thermal and rheological lubrication of convex tapered rollers combining the existing methods of numerical analysis developed in our research group, in order to promote the development of the finite line contact lubrication theory, and provide useful data for the lubrication of gear under high temperature, pressure and large slide-roll ratio.

含有高分子材料添加剂的工业润滑油在高温高压大滑滚比条件下会表现出强烈的流变特性，故牛顿流体的假设不能满足生产实践和润滑理论发展的需要。而现有流变模型均只描述了剪应力与剪应变率的关系，粘度与压力和温度的关系还依赖于粘温-粘压经验公式。故现有模型不能准确地揭示流体的流变性能。 本项目拟建立全新的半解析流变模型，它在小滑滚比条件下能解释环境粘度，回归于牛顿流体；在大滑滚比条件下可通过变形恢复时间等参数体现润滑油的剪稀和极限剪应力等流变特性。对选定的润滑油，通过理论和实验确定该模型对应的粘度与压力、温度及剪应变率三者的直接函数关系，从而抛弃等效粘度的概念，完善粘度的计算方法，把牛顿流体和非牛顿流体的润滑理论统一起来。 如此得到完整的流变模型将结合课题组已有的数值计算方法，解决凸度圆锥滚子热流变润滑问题，促进有限长线接触润滑理论的发展，为高温高压大滑滚比条件下齿轮等机械零件的润滑设计提供数据支持。

润滑油在高温高压大滑滚比条件下会表现出强烈的流变特性，故牛顿流体的假设不能满足生产实践和润滑理论发展的需要。. 本项目用球-杆比拟流体分子，通过分析两流体层上球-杆接触、通过和恢复的过程，基于球-杆变形后恢复到原状态的时间，推导出新的半解析流变模型。新模型形式简单，流变参数恰当。它在小滑滚比条件下能回归为牛顿流体，在大滑滚比条件下可体现润滑油的剪稀特性，因此，从润滑理论的角度把牛顿流体和非牛顿流体统一了起来。使用新流变公式建立了点接触热弹流润滑模型，编制和调试了相应的程序，模拟了三种油品的热流变特性曲线，发现新模型既能体现流体的流变特性又能体现极限剪应力。而且，新流变模型不仅对粘度较低的矿物油适用，对粘度较高的聚合油也能给出与实验吻合较好的摩擦系数曲线。因此，新流变模型有望解决国际上关于流变模型适用范围的争论。. 使用新流变模型并结合课题组已有的数值计算方法，解决了正反圆锥滚子的热流变润滑问题，在此基础上又分析了锥齿轮准稳态热流变润滑问题，为高温高压大滑滚比条件下机械零件的润滑设计提供了数据支持。. 在新流变模型建立的过程中，项目组发现在润滑副尺度很大或类似的高温场合，常用简化剪应变率的做法 (剪应变率 = (u1-u2)/h) 不能成立，此时摩擦系数不但取决于广义粘度，还与局部剪应变率有关。另外，项目组根据“同一油品密度相同则粘度必定相同”假说，提出了一个由密度求牛顿粘度的新粘压关系式，该公式从形式上统一了三个原本独立的粘压关系，通过与实验结果的比对验证了新粘压关系的准确性。. 在流变润滑实验方面，项目组自行搭建了摩擦力测量装置，进行了纯滑动条件下多种工况多种油品的时变摩擦力测量。滑滚条件下摩擦力测量装置的搭建无论对油品流变特性的理论研究和实验研究，还是对油品承载能力的评价均有重要的意义。