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热流变润滑理论：原理、发展与弹流研究应用

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代工业领域，润滑技术对于机械设备的正常运行、性能提升以及寿命延长起着至关重要的作用。随着工业向着高速、重载、高温等极端工况不断发展，对润滑理论和技术的要求也日益严苛。热流变润滑理论作为润滑领域的重要分支，致力于研究在复杂工况下，润滑剂的热学和流变学特性对润滑过程的影响，已成为解决现代工业润滑问题的关键理论基础。

在许多实际的机械系统中，如航空发动机的轴承、汽车的传动系统以及大型工业齿轮箱等，摩擦副在运行时会产生大量的热量，这些热量会显著改变润滑剂的粘度、密度等物理性质，进而影响润滑膜的形成、承载能力和稳定性。同时，高速、重载条件下的高剪切应力也会使润滑剂表现出复杂的流变行为，如剪切变稀或剪切变稠现象，这与传统牛顿流体的特性差异极大。因此，深入理解热流变润滑理论，对于准确把握这些极端工况下的润滑机理，提高润滑设计的科学性和可靠性具有不可替代的作用。

热流变润滑理论在弹流润滑（弹性流体动力润滑）研究中具有核心地位。弹流润滑主要研究在点、线接触等高压力、薄油膜条件下，润滑膜的形成与性能。在弹流润滑状态下，接触区内的油膜压力极高，可达GPa量级，油膜厚度却极薄，通常在μm量级，同时伴随着高切应变率（常在10^7s^{-1}量级）和短通过时间（10^{-3}s量级），并且会产生显著的温升。传统的牛顿流体润滑理论难以准确描述这种复杂条件下的润滑现象，而热流变润滑理论考虑了润滑剂在热和力作用下的复杂流变特性，能够更精确地揭示弹流润滑的内在机制，为弹流润滑的数值计算和实验研究提供了更符合实际的理论模型。通过热流变润滑理论，能够更准确地预测弹流润滑中的油膜厚度、压力分布、摩擦力以及温度场等关键参数，这对于优化机械零部件的设计，提高其抗磨损能力和疲劳寿命，降低能源消耗具有重要意义。例如，在汽车发动机中，通过热流变润滑理论优化活塞环与气缸壁之间的润滑设计，可以有效减少摩擦损失，提高发动机的燃油经济性和动力性能，同时降低零部件的磨损，延长发动机的使用寿命。在风力发电机的齿轮箱中，基于热流变润滑理论的润滑分析能够确保齿轮在复杂工况下的可靠润滑，提高齿轮箱的运行效率和稳定性，减少维护成本和停机时间。

1.2国内外研究现状

热流变润滑理论及其在弹流研究中的应用一直是润滑领域的研究热点，国内外学者在该领域开展了大量研究，取得了丰硕成果。

国外方面，早期的研究奠定了热流变润滑理论的基础。19世纪末，雷诺（Reynold）应用数学和流体力学原理对流体动压现象进行分析，发表了著名的雷诺方程，为流体动力润滑理论的发展提供了基石，尽管当时未深入涉及热流变特性，但为后续研究搭建了基本框架。20世纪中叶，格鲁宾（Грубин）提出弹性流体动力润滑的计算公式，开启了弹流润滑研究的新篇章。此后，随着对润滑过程中热效应和流变特性认识的加深，学者们开始关注热流变润滑理论。道森（Dowson）和希金森（Higginson）在弹流润滑理论方面做出了重要贡献，他们通过理论分析和实验研究，深入探讨了润滑膜厚度与载荷、速度、粘度等因素的关系，为热流变润滑理论在弹流研究中的应用提供了重要参考。

在热弹流润滑研究方面，Roelands等学者对润滑油的粘压、粘温关系进行了深入研究，提出了具有重要影响力的粘压、粘温模型，这些模型考虑了温度和压力对润滑油粘度的影响，为热弹流润滑的数值计算提供了关键的基础。Hamrock和Dowson提出了点接触等温弹流润滑的数值解法，之后又将热效应引入弹流润滑模型，进一步完善了热弹流润滑理论体系。近年来，随着计算机技术和实验技术的飞速发展，国外对热流变润滑理论在弹流研究中的应用研究更加深入和广泛。如利用先进的数值模拟方法，如有限元法、边界元法等，对复杂工况下的热弹流润滑问题进行精确求解，能够更细致地分析润滑膜内的温度分布、压力分布以及油膜厚度变化等。在实验研究方面，采用高精度的测量技术，如光干涉法、X射线反射法等，对弹流润滑中的油膜厚度、压力分布等参数进行直接测量，为理论模型的验证和改进提供了有力支持。

国内在热流变润滑理论及其在弹流研究中的应用方面起步相对较晚，但发展迅速。温诗铸教授在润滑理论领域做出了卓越贡献，他对弹流润滑理论进行了系统而深入的研究，推动了我国润滑理论的发展。在热流变润滑理论研究中，国内学者在借鉴国外先进研究成果的基础上，结合我国工业实际需求，开展了一系列具有特色的研究工作。在粘压关系研究方面，一些学者提出了新的粘压公式，通过实验验证，这些公式在特定工况下具有更高的准确性，为热弹流润滑的计算提供了更符合实际的粘度模型。在热弹流润滑数值计算方面，国内学者不断改进算法，提高计算效率和精度，开发出适用于不同工况的热弹流润滑计算