考虑表面纹理时对离子液体润滑mu;-EHL线性接触的理论研究

摘要：本文讨论了七种不同离子液体在集中工程触点表面的微观行为。考虑了粗糙度等于高度的等高线面、三角形面和锯齿形波形的情况。对于不同的幂律指数、材料参数和织构，离子液体被模拟为粘性幂律润滑剂和膜厚、接触压力和摩擦力。结果表明，织构模式和材料组合对微接触行为有显著的影响。选择织构和材料组合可以改善离子液体的润滑行为。

1. 介绍

为了开发具有更高的承载能力，更长的寿命，更轻的重量和更低的材料成本的高性能的机械部件，使齿轮集中接触，滚动轴承，和一些轴颈轴承在薄膜状态下工作。在这种情况下，膜厚主要是由高度决定的，润滑现象是由微润滑控制的^[1]。mu;-EHL的最新发展为研究氧化膜的局部行为和相互作用引起的压力提供了有用的信息。借助这些信息，可以更容易地解释集中接触中例如点蚀和摩擦的失效机理^[2,3]。在mu;-EHL接触中，氧化膜的击穿主要取决于三个方面：(1)表面粗糙度特性和表面的相互作用；(2)润滑剂的类型及其成品率。（3）润滑剂的流变行为。

工程触点中的表面往往是通过精磨、重磨和爆破等加工而成的，它们表面的微观粗糙度都是相当高的^[4]。这种表面粗糙度以各种方式影响润滑；它不仅包括油膜压力的积累，尤其是进口压力的积累，而且还包括压力场和摩擦系数的变化^[5]。在Kumar等人^[6]刚开始时，理论研究表明，与光滑刚性表面相比，表面粗糙度降低了最小膜厚的15%。由于涂装操作，表面形成的浅坑对膜厚也有显著的影响。重熔深度和操作参数(即滑动辊比)对粗接触的膜击穿有很大的影响^[7]。表面修整操作是在精整方向上，以及涂装介质的形状和尺寸上，在表面采用了一定的纹理图案的方法。当表面特征沿运动方向纵向排列时，在运动方向上的接触长度变得相当短(相对于它的宽度)，因此会影响薄膜的形成^[8-11]。Lord and Larsson^[12]研究结果表明，添加剂在边界运行过程中会形成保护膜，保护原始表面不受严重损伤。研究了在标称条件下光滑球与粗盘接触润滑剂的成膜能力。摩擦和振动也总是受到表面粗糙度的影响。结果表明，在轧制、滑动和平直接触过程中，摩擦系数明显降低^[13,14]。Wang等人^[15]研究了尺寸大小对线接触摩擦的影响，发现直径为20mu;m的模式具有显著的减摩效果。Aoki等人^[16]提出了mu;-EHL的减摩效果不仅与粗糙度方向有关，而且与膜的承载效应有关。 Vrbka等人^[17]研究了表面纹理对RCF的影响。作者报告说，表面氧化提高了疲劳寿命，其中微型凹痕作为微型储油层，减少了碳的相互作用。接触压力，特别是由表面粗糙度产生的接触压力和由此产生的亚表面应力与失效直接相关。在加载条件下，最大范式等效应力略低于材料屈服应力的两倍^[18]。在粗糙表面的情况下，裂纹萌生的位置随着裂纹扩展幅度的增大而迅速地移动到表面。此外，较小的高度会产生相对较低的磨损率，而较小的载荷随粗糙度的角度而变化^[19,20]。

在mu;-EHL中，由于膜厚与分子尺寸相当，润滑剂的流变性能改变润滑剂的物理状态、化学结构、粘度和玻璃化转变温度，因而起到了重要的作用^[21]。润滑剂的流变性从牛顿流体变化为非牛顿流体的行为。考虑到润滑剂非牛顿流体的行为的 Ree–Eyring模型在文献中得到了广泛的报道^[22,23]。Liu等人^[24]报道了Ree–Eyring行为相比牛顿流体显著减缓了压力波动。在另一种方法中，用耦合应 力流体来表示非牛顿流体行为。Chu等人^[25]报告称，在横向类型粗糙度中，耦合应力流体的特征长度越长，中心接触区的压力分布越小，各区域的膜厚越大。Akbarzadeh等人^[26]考虑粗糙表面存在时的剪切行为，得出结论其结果是薄膜厚度较低，摩擦磨损较小。Bhattacharjee and Das^[27]研究了润滑剂的幂律行为。研究表明，在低速重载接触条件下，润滑油的使用效果较好。这些研究大多局限于传统的矿物基润滑剂。然而，近年来，随着合成润滑剂的出现和绿色润滑剂的发展，新型生物润滑剂正变得越来越受欢迎。新型酯基润滑剂比矿物油具有更好的抗磨性和微观性能^[28-30]。在这种情况下，离子液体也被认为是未来的润滑剂。

离子液体(IL)是一类特殊的润滑剂，具有良好的热稳定性、不挥发性和低熔点等特性。由于它们的特性，离子液体在摩擦接触的润滑中被广泛的探索。它们被认为是环境安全或“绿色”化学的有用媒介。许多的候选离子液体润滑剂已经被研究员合成并评估了它们的性能^[31-34]。离子液体具有极性结构，因此很容易在表面形成有效的边界膜，从而减少摩擦磨损。大多数功能性离子液体都是以阳离子为基础的。这些碳链含有碳氢链，其长度在2-10个碳之间变化，这些碳具有预期的化学特性。关于这些离子液体作为润滑剂或添加剂的性质和行为的各种研究在文献中都有^[35-38]。然而，关于新型离子液体润滑剂微观性能的理论模拟，文献中还没有进行过相关的研究。

因此，在文献综述的基础上，假设表面粗糙度纹理/图案和润滑剂的类型对mu;-EHL接触的性能有深远的影响。此外，离子液体还没有在中性接触中得到彻底的研究。因此，在本工作中对于不同的表面纹理图样，使用了7种不同的离子液体来调查其mu;-EHL行为的影响。考虑到磨削介质的方向、形状和尺寸，在表面上所得到的粗糙图形，其形式为渐变、三角形和锯齿波形。对常用的摩擦材料如铜-钢、铝-钢、钢-钢接触等的膜厚、接触压力和摩擦进行了数值模拟。根据幂律所表示的非牛顿流变，离子润滑剂被认为是压电粘性流体。离子液体的性能也已经以光滑的表面和牛顿流变为基准。所进行的研究将为mu;-EHL接触润滑油的选择提供有用的指导。