计入固液界面作用的润滑热力学模型与分析.pdfVIP

物 理 学报 ActaPhys．Sin．Vo1．64，No．16(2015) 168101 计入固液界面作用的润滑热力学模型与分析冰 经昊达 张 向军十 田煜 孟永钢 (清华大学机械工程系，摩擦学国家重点实验室，北京 100084) (2014年12月29日收到；2015年4月6日收到修改稿) 摩擦与润滑过程是典型的能量耗散过程，在机理上与非平衡热力学中的熵增、耗散结构等理论颇有相似 之处．通过热力学分析可 以对一些典型的摩擦磨损过程做出合理的机理揭示与推测．本文利用热力学理论对 典型的润滑过程进行了建模分析．采用分离压模型表征和计入了微尺度下的固液界面作用，揭示分析了润滑 热力学模型与润滑状态Stribeck曲线的联系．从分析计算结果来看，润滑Stribeck曲线的摩擦系数最低点与 系统热力学上的熵增率最低点具有相当好的对应关系，而润滑状态从弹流润滑向薄膜润滑的转变过程，可 以 用耗散结构理论加 以机理解释．文中的热力学模型和方法能够有效地体现出润滑过程中多物理要素跨尺度非 线性耦合的作用，对实际工程与实验有着重要的指导作用． 关键词：润滑Stribeck曲线，润滑热力学模型，界面分离压，自组织行为 PACS：81．40．Pq，05．70．Np，05．70．Ln DOI：10．7498／aps．64．168101 触的热力学计算模型；Doelling等 1【1j阐述 了熵流 1 引 言 与磨损之间的关系；戴振东等 [12]建立 了微动磨损 的热力学模型：Bryant等 [13,14]讨论了磨损过程 中 摩擦与润滑过程是典型的能量耗散过程，其本 的耗散熵产理论，论证 了摩擦与磨损过程具有相同 质上是非平衡不可逆 的[1-3】．因此，非平衡热力学 的物理耗散机理；Nosonovsky等 [15]利用热力学中 体系和系统 自组织理论模型在机理上十分适合描 的熵增理论描述 了固体 自润滑与表面的自修复现 述和揭示摩擦与润滑过程 ．在非平衡热力学体系 象：Zypman与Ferrante[16,17】利用 自组织理论探讨 下，可以有效地将摩擦与润滑过程中的机械能、界 了干摩擦过程中的黏滑现象．但 目前为止，针对液 面能、表面材料变化与衰变等各方面因素综合到一 体膜与薄膜润滑状态下摩擦与润滑的热力学模型 起，将宏观尺度与微观界面作用利用系统 自由能进 还未见到，因为这不仅涉及 固液相互作用的多物理 行统一，可 以更加明确地揭示摩擦润滑过程中多尺 场作用，同时涉及明显的跨尺度效应，如润滑膜厚 度多要素的耦合及竞争关系．利用热力学方法可 以 从微米到纳米尺度的变化会导致润滑剂从宏观体 在一定程度上实现对于摩擦润滑过程 中的最佳条 相行为 f如黏度1主导的动压润滑 向微纳米膜厚下 件与状态的分析描述和对于 自组织过程的预测，并 界面行为 f如液膜 的吸附能)主导的薄膜润滑转变 可 以将宏观尺度 的系统构成参量与微观尺度上的 等 [18]．多物理场与跨尺度 的润滑行为描述具有相 局部结构和微观性质等参量统一结合在一起，实现 当的复杂度，而热力学理论和方法提供了可能的分 对于系统的定量化描述． 析模型与途径． 现有基 于热力学 理论 的摩擦 过程描述 多 本文将尝试利用热力学方法，针对典型的润滑 是基于 固体表面磨损量 的分析与实验验证． Stribeck曲线进行系统润滑状态的描述与分析，揭 Klamecki[a-vl基于非平衡热力学理论对摩擦过程