含气量和剪切空化实验研究

论文摘要

剪切流是液压元器件工作间隙内的典型流动现象,它广泛存在于具有相对滑动的微间隙内。诸如马达配流盘与缸体配合间隙内流体的运动,以及动、静压轴承中的润滑等。这种剪切现象可能造成液膜破裂或空化,由此造成材料的磨损、空泡侵蚀,甚至噪声等一系列问题。本文针对这一实际问题,利用一些自制实验设备,对流体中的剪切空化现象进了实验研究。本文主要做了以下几方面工作:(1)流体中的含气量是影响剪切空化的重要因素,准确测量流体中的含气量是研究含气量对剪切空化影响的重要内容。利用一种自制的容积式含气量测量装置,测量了一定温度和压力范围内,空气在500cSt二甲基硅油和液压油中的溶解度。对溶解度数据进行关联处理,获得本生溶解度对压力和温度的依赖关系式。溶解度数据的结果分析表明,本生溶解度与气相压力呈较好的线性关系,发现分子量差异很大的两种硅油,对空气的本生溶解度近似相同。(2)将自制Couette流变仪改进后,开展了含气量对剪切空化初生影响的实验研究。证明二甲基硅油在相当大的空气过饱和、饱和及欠饱和范围内均会发生剪切空化。获得了空化初生时临界剪切应力与环境压力的对应关系。发现根据实验流体的温度变化判定空化初生是可行的。获得了饱和比与剪切空化初生时Peclet数、毛细数及空化指数的关系式。(3)上述实验是利用尼龙内圆筒在实验间隙为0.3mm的条件下开展的,接下来又利用钢质内圆筒在实验间隙为1mm的条件下,针对硅油开展了剪切空化实验研究。对比两种不同内圆筒下的空化实验现象,发现钢质内圆筒下很难发生剪切空化现象。进一步探讨造成实验现象差异的原因,实验发现两内圆筒表面特性并无重大差别,不是造成实验结果差异的原因。而两种实验情况下液膜厚度不同(钢质内圆筒间隙变大)所导致的流体稳定性不同以及两内圆筒热导率的差异(热导率相差150倍)是造成实验结果差异的主因。(4)对于粘弹性流体,法向应力和粘度是影响剪切空化现象的两个重要因素。文中利用旋转流变仪,测量了粘弹性流体聚二甲基硅氧烷(PDMS)的主要流变参数,即粘度,法向应力等。结合测量结果,利用多种方法估算了聚二甲基硅氧烷的分子量、特征松弛时间。同时对流体粘温关系以及法向应力与剪切率的关系进行了拟合,获得了经验公式。并对不同温度下测量的实验结果进行了时温叠加处理。还对聚二甲基硅氧烷在一定温度及压力范围内的空气溶解度进行了测量,获得了气相压力与本生溶解度和摩尔溶解度的关系式。为进一步研究粘弹性流体剪切空化做了准备工作。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.1.1 课题研究背景
• 1.1.2 空化现象对液压系统的影响
• 1.1.3 课题研究的意义
• 1.2 空化现象
• 1.2.1 空化产生机理及研究进展
• 1.2.2 空化的初生、发展与溃灭
• 1.2.3 影响空化初生的因素
• 1.3 剪切空化的研究现状
• 1.3.1 剪切空化现象
• 1.3.2 国内外研究现状
• 1.3.3 剪切流空化的理论基础
• 1.4 课题研究内容
• 第二章 空气在硅油和液压油中的溶解度测量
• 2.1 引言
• 2.2 实验装置组成及特点
• 2.3 溶解度测量原理及方法
• 2.4 实验结果与分析
• 2.4.1 压力与本生溶解度
• 2.4.2 温度与本生溶解度
• 2.4.3 摩尔分数溶解度
• 2.5 20cSt二甲基硅油及液压油中的空气溶解度
• 2.6 本章小结
• 第三章 含气量对剪切空化初生的影响实验
• 3.1 引言
• 3.2 强剪切流变仪的组成、功能及特点
• 3.2.1 强剪切流变仪的组成及功能
• 3.2.2 强剪切流变仪的特点分析
• 3.3 剪切空化实验中几个关键技术问题的解决
• 3.3.1 对新研制强剪切流变仪的改进工作
• 3.3.2 实验流体的注入控制
• 3.3.3 实验流体中微小气泡的排除以及含气量的控制
• 3.3.4 实验中空化初生的判断
• 3.4 剪切空化实验结果与讨论
• 3.4.1 饱和比的定义与硅油中的空气溶解度
• 3.4.2 剪切空化实验中剪切应力结果与分析
• 3.4.3 含气量对剪切空化初生影响的实验结果与分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 壁面性质及间隙大小对剪切空化初生影响的初步实验
• 4.1 引言
• 4.2 钢质内圆筒下的剪切空化实验
• 4.2.1 钢质内圆筒的主要特征
• 4.2.2 剪切空化实验结果
• 4.3 结果分析与讨论
• 4.4 本章小结
• 第五章 聚二甲基硅氧烷剪切应力以及法向应力的确定
• 5.1 引言
• 5.2 实验结果及数据处理
• 5.2.1 分子量的确定
• 5.2.2 松弛时间的确定
• 5.2.3 粘度及剪切应力的确定
• 5.2.4 法向应力的确定
• 5.2.5 实验数据的时温叠加处理
• 5.3 聚二甲基硅氧烷中空气溶解度的测量
• 5.3.1 实验中关键问题的解决
• 5.3.2 测量结果
• 5.3.3 高粘弹性流体剪切空化实验可行性说明
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 课题展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢