本發(fā)明涉及潤(rùn)滑脂性能測(cè)定技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種超高剪切應(yīng)變率潤(rùn)滑脂流變模型。

背景技術(shù)：

潤(rùn)滑脂在外力作用下流動(dòng)和變形的能力稱(chēng)為潤(rùn)滑脂的流變特性。因?yàn)闈?rùn)滑脂是非牛頓流體，所以它的流變特性很復(fù)雜。隨著科技的發(fā)展，改善高速軸承運(yùn)動(dòng)精度和壽命的問(wèn)題越來(lái)越急迫。潤(rùn)滑脂的流變特性決定了高速軸承的摩擦特性，進(jìn)而影響軸承的壽命和軸承運(yùn)動(dòng)精度。因此，研究高速軸承潤(rùn)滑脂的流變特性具有重要意義。眾所周知，當(dāng)在潤(rùn)滑脂上作用剪切力時(shí)，潤(rùn)滑脂復(fù)合纖維結(jié)構(gòu)重新定向，潤(rùn)滑脂的整體流動(dòng)性提高，為了描述這種特性，提出了許多流變模型。

Sasaki首先利用Bingham模型描述了潤(rùn)滑脂的流變模型。1972年Kauzlarich等人提出了相對(duì)完整的彈流理論，他利用Herschel-Bulkley本構(gòu)方程得到線接觸下潤(rùn)滑脂的流變方程。Bauer等人提出了四參數(shù)流變模型。直到現(xiàn)在，潤(rùn)滑脂流變特性和流變模型的研究還沒(méi)有取得很大的進(jìn)展。Goncalves和Gonz á lez利用MRC301流變儀完成了流變特性的測(cè)量。測(cè)量了在線彈性區(qū)域(剪切應(yīng)變率小于1s^-1)的儲(chǔ)能模量和損耗模量。Cousseau Tiago用冪律模型測(cè)量了潤(rùn)滑脂表觀粘度隨剪切應(yīng)變率的變化，用MCR501流變儀進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，剪切應(yīng)變率范圍在3×10^-3-10²s^-1時(shí)冪律模型可以滿(mǎn)意地描述流變曲線。

然而由于旋轉(zhuǎn)流變儀的結(jié)構(gòu)的限制，現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)潤(rùn)滑脂的剪應(yīng)變率研究均是在小于10⁴s^-1的范圍進(jìn)行。在實(shí)際應(yīng)用中,許多潤(rùn)滑脂尤其是高速軸承潤(rùn)滑脂,經(jīng)常工作在剪應(yīng)變率高達(dá)10⁶s^-1的條件下。由于潤(rùn)滑脂的非牛頓特性，使得潤(rùn)滑脂的流變特性強(qiáng)烈依賴(lài)于剪切應(yīng)變率?，F(xiàn)有的流變學(xué)測(cè)量和流變模型對(duì)于高速軸承，剪切應(yīng)變率從10⁴到3.5×10⁶s^-1的流變特性沒(méi)有參考意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)缺陷，而提供一種適合超高剪切應(yīng)變率潤(rùn)滑脂流變模型。

為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的所采用的技術(shù)方案是：

一種超高剪切應(yīng)變率潤(rùn)滑脂流變模型，為

其中,參數(shù)a、n和b計(jì)算公式如下：

a＝3.079×10^-9P₀^1.2586(η₀U/ER)^-0.7801

n＝0.8542(P₀/E)^0.0558(η₀U/ER)^-0.0533

b＝1.5879×10^-19P₀^2.0355(η₀U/ER)^-1.5738

P₀是最大赫茲接觸應(yīng)力，E為等效彈性模量，E₁、E₂分別是兩接觸件的彈性模量，E＝E₁E₂/(E₁+E₂)，R為等效半徑，R₁和R₂分別為兩個(gè)接觸件的半徑，R＝R₁R₂/(R₁+R₂)，η₀是待求潤(rùn)滑脂的基礎(chǔ)油在環(huán)境溫度下的運(yùn)動(dòng)粘度，U是滾動(dòng)速度，U＝(U₁+U₂)/2；U₁、U₂分別為兩接觸件接觸點(diǎn)的線速度。

所述的流變模型適合剪切應(yīng)變率從0～3.5×10⁶s^-1的流變數(shù)據(jù)。

所述的潤(rùn)滑脂為鋰基潤(rùn)滑脂。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

(1)本發(fā)明的模型構(gòu)建便利，基于的參數(shù)易獲得，而且經(jīng)超高剪切應(yīng)變率流變儀上測(cè)量，驗(yàn)證該模型具有很高的精確度，尤其適合剪切應(yīng)變率從0～3.5×10⁶s^-1，甚至更高的流變數(shù)據(jù)。

(2)本發(fā)明的模型具有很大的適用性，適合于任何發(fā)生相對(duì)滾動(dòng)且伴有滑動(dòng)的兩個(gè)接觸件之間潤(rùn)滑脂剪應(yīng)力的求解。

(3)模型建立后，可以用來(lái)積分求解潤(rùn)滑脂的摩擦力，潤(rùn)滑脂的摩擦力是潤(rùn)滑脂研發(fā)和軸承設(shè)計(jì)必需的重要參數(shù)之一。尤其對(duì)復(fù)雜的鋰基油脂具有很高的適用性。

附圖說(shuō)明

圖1所示為滾動(dòng)速度20米/秒，在不同接觸壓力下剪應(yīng)力--剪切應(yīng)變率曲線；

圖2所示為滾動(dòng)速度25米/秒，在不同接觸壓力下剪應(yīng)力--剪切應(yīng)變率曲線；

圖3所示為滾動(dòng)速度30米/秒，在不同接觸壓力下剪應(yīng)力--剪切應(yīng)變率曲線；

圖4所示為滾動(dòng)速度35米/秒，在不同接觸壓力下剪應(yīng)力--剪切應(yīng)變率曲線；

圖5所示為滾動(dòng)速度40米/秒，在不同接觸壓力下剪應(yīng)力--剪切應(yīng)變率曲線；

圖6所示為滾動(dòng)速度20米/秒和40米/秒，在不同接觸壓力下剪應(yīng)力--剪切應(yīng)變率曲線及四參數(shù)模型預(yù)測(cè)曲線。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明的超高剪切應(yīng)變率潤(rùn)滑脂流變模型，為

參數(shù)a、n和b計(jì)算公式如下：

a＝3.079×10^-9P₀^1.2586(η₀U/ER)^-0.7801

n＝0.8542(P₀/E)^0.0558(η₀U/ER)^-0.0533

b＝1.5879×10^-19P₀^2.0355(η₀U/ER)^-1.5738

P₀是最大赫茲接觸應(yīng)力，E為是等效彈性模量，E₁、E₂分別是兩接觸件，如球、盤(pán)的彈性模量，E＝E₁E₂/(E₁+E₂)，R為等效半徑，R₁和R₂分別為兩個(gè)接觸件的半徑，R＝R₁R₂/(R₁+R₂)，η₀是潤(rùn)滑脂的基礎(chǔ)油在環(huán)境溫度下的運(yùn)動(dòng)粘度，環(huán)境溫度即為測(cè)量設(shè)備所在空間的溫度，一般在20攝氏度-30攝氏度，U＝(U₁+U₂)/2是滾動(dòng)速度，U1、U2分別為兩接觸件接觸點(diǎn)的線速度。所述的流變模型適合剪切應(yīng)變率從0～3.5×10⁶s^-1，甚至更高的流變數(shù)據(jù)。

驗(yàn)證用實(shí)驗(yàn)采用的超高剪切應(yīng)變率流變儀的性能如下:1)剪切應(yīng)變率范圍是從0～8×10⁷s^-1。2)最大赫茲接觸壓力從0.8GPa到1.5GPa。3)球試件和盤(pán)試件都是GCr15加工而成，它們的平均表面粗糙度σ小于0.02μm，E₁＝E₂＝2.07×10¹¹Pa；R₁＝0.01m；R₂＝0.035m。4)接觸區(qū)域處于完全彈流潤(rùn)滑，表面粗糙度對(duì)球和盤(pán)之間的剪切應(yīng)力沒(méi)有影響。

驗(yàn)證模型試驗(yàn)用的潤(rùn)滑脂通過(guò)一個(gè)氣壓供脂裝置，將新鮮的潤(rùn)滑脂涂在兩接觸件即球和盤(pán)試件的接觸區(qū)。滾動(dòng)速度為U，U＝(U₁+U₂)/2，其中U₁和U₂分別為球、盤(pán)表面接觸點(diǎn)的線速度，U₁、U₂可以通過(guò)調(diào)節(jié)水平電主軸、豎直電主軸的轉(zhuǎn)速結(jié)合球、盤(pán)的半徑得到。球、盤(pán)在接觸點(diǎn)處的線速度之差被稱(chēng)為滑動(dòng)速度ΔU，ΔU＝U₁-U₂，滑動(dòng)速度剪切潤(rùn)滑脂的油膜產(chǎn)生摩擦力。

其中，所述的球由水平電主軸帶動(dòng)，所述的盤(pán)由豎直電主軸帶動(dòng)，液壓驅(qū)動(dòng)所述的水平電主軸向上運(yùn)動(dòng)以在球和盤(pán)之間產(chǎn)生一個(gè)接觸載荷，所述的接觸載荷是通過(guò)固定在液壓加載系統(tǒng)下方的載荷傳感器測(cè)量，所述的水平電主軸受驅(qū)動(dòng)在水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)。具體該裝置與CN104634731A相似，具體不復(fù)贅述。

試驗(yàn)用的油脂是由SKF公司生產(chǎn)的LGLT。LGLT潤(rùn)滑脂屬于高速潤(rùn)滑脂，基礎(chǔ)油是合成油。在常溫下，基礎(chǔ)油的動(dòng)態(tài)粘度η₀＝0.05Pa·s，黏壓系數(shù)α＝1.80×10^-8Pa^-1。

測(cè)試條件模擬的SKF滾動(dòng)軸承的工況如下:滾動(dòng)速度:20m/s，25m/s，30m/s，35m/s，40m/s。最大赫茲接觸壓力P₀:0.8GPa，1.0GPa，1.2GPa，1.35GPa，1.5GPa。剪切應(yīng)變率:0～3.5×10⁶s^-1。試驗(yàn)潤(rùn)滑脂溫度：25℃。通過(guò)以上測(cè)試工況的不同組合，可以得到25組描述剪應(yīng)力隨剪應(yīng)變率變化的流變曲線,如圖1～5,各點(diǎn)表示測(cè)試數(shù)據(jù),橫坐標(biāo)為剪切應(yīng)變率，縱坐標(biāo)為剪應(yīng)力，實(shí)線為本發(fā)明的模型預(yù)測(cè)值。圖6所示為滾動(dòng)速度20m/s和40m/s，在接觸壓力分別為0.8GPa和1.5GPa下剪應(yīng)力--剪切應(yīng)變率曲線及四參數(shù)模型預(yù)測(cè)曲線，其中，各點(diǎn)表示測(cè)試數(shù)據(jù),橫坐標(biāo)為剪切應(yīng)變率，縱坐標(biāo)為剪應(yīng)力，實(shí)線為四參數(shù)模型的預(yù)測(cè)值。

從圖1-5可以看到，隨著剪切應(yīng)變速率的增加，剪應(yīng)力先是線性增加,然后非線性增加,最后隨剪切應(yīng)變率增加剪切應(yīng)力略有減小。當(dāng)剪切應(yīng)變率超過(guò)1.5×10⁶s^-1時(shí),隨著剪切應(yīng)變率的連續(xù)增加剪切應(yīng)力略有下降。這是因?yàn)榧魬?yīng)變率過(guò)大，導(dǎo)致潤(rùn)滑脂結(jié)構(gòu)被破壞，這時(shí)潤(rùn)滑脂的剪切性能主要取決于基礎(chǔ)油。熱效應(yīng)導(dǎo)致基礎(chǔ)油的粘度降低，使得剪應(yīng)力-剪應(yīng)變曲線在高剪應(yīng)變率時(shí)開(kāi)始下降。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出，本發(fā)明的模型預(yù)測(cè)精度較高，尤其是在高剪切應(yīng)變率，如1.5×10⁶s^-1到3.5×10⁶s^-1，結(jié)合圖1、圖5和圖6，可以看出本發(fā)明的模型比四參數(shù)模型有更高的預(yù)測(cè)精度。利用本發(fā)明的模型，可有效對(duì)潤(rùn)滑脂的設(shè)計(jì)和軸承設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。本發(fā)明的模型具有很大的適用性，適合于任何發(fā)生相對(duì)滾動(dòng)且伴有滑動(dòng)的兩個(gè)接觸件之間潤(rùn)滑脂剪應(yīng)力的求解。模型建立后，可以用來(lái)積分求解潤(rùn)滑脂的摩擦力，潤(rùn)滑脂的摩擦力是潤(rùn)滑脂研發(fā)和軸承設(shè)計(jì)必需的重要參數(shù)之一。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。