مطالعه‌ی عددی و تجربی عملکرد تریبولوژی تماس سطوح فلزی در حضور روانکار گریس

مومنی, محمدحسین; شاکرین, حمید; اکبرزاده, صالح

doi:10.48311/mme.2026.120954.83034

مطالعه‌ی عددی و تجربی عملکرد تریبولوژی تماس سطوح فلزی در حضور روانکار گریس

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

محمدحسین مومنی ¹

حمید شاکرین ²

صالح اکبرزاده ¹

¹ دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران

² شرکت شاکرین گیربکس اصفهان، اصفهان، ایران

10.48311/mme.2026.120954.83034

چکیده

پیش‌بینی سایش در شرایط روانکاری مخلوط با گریس، به دلیل اندرکنش پیچیده میان ضخامت فیلم الاستوهیدرودینامیکی (EHL)، تماس مکانیکی ناهمواری‌ها و اثرات حرارتی، از چالش‌های اساسی تریبولوژی است. در این پژوهش، یک چارچوب مهندسی یکپارچه برای تحلیل رفتار تریبولوژیکی و پیش‌بینی سایش تماس پین روی دیسک در حضور گریس ارائه شده است و حجم سایش بر پایه‌ی اصلاح قانون آرچارد با درنظرگرفتن سهم بار زبری‌ها، ضریب سایش خشک، ضریب نقص فیلم و دمای تماس پیش‌بینی شد. آزمون‌های تجربی در بارهای ۴۰، ۵۰ و ۶۰ نیوتن و سرعت‌های ۰٫۱ و ۰٫۲ متر بر ثانیه نشان دادند که حضور گریس ضریب اصطکاک را در مقایسه با تماس خشک (۰٫۵۲ تا ۰٫۷۰) به بازه ۰٫۰۹۵ تا ۰٫۱۰۹ کاهش می‌دهد؛ به‌ طوری ‌که با افزایش سرعت از ۰٫۱ به ۰٫۲ متر بر ثانیه، ضریب اصطکاک در بارهای ۴۰، ۵۰ و ۶۰ نیوتن به ‌ترتیب از ۰٫۱۰۱ به ۰٫۰۹۵، از ۰٫۱۰۵ به ۰٫۱۰۴ و از ۰٫۱۰۹ به ۰٫۰۹۸ کاهش یافت. مقایسه‌ی نتایج مدل با پروفیل‌سنجی تجربی شیار سایش نشان داد که چارچوب پیشنهادی قادر است حجم سایش را در تمامی شرایط آزمون با میانگین خطای حدود ۲۵ درصد پیش‌بینی کند که نشان‌دهنده‌ی کارایی آن در تحلیل تماس‌های لغزشی گریس‌کاری‌شده است.

کلیدواژه‌ها

تریبولوژی

سایش

روانکاری مخلوط

گریس

مکانیک آسیب پیوسته

عنوان مقاله English

Numerical and Experimental Study of Tribological Behavior of Metallic Contacts under Grease Lubrication

نویسندگان English

Mohammad Hossein Momeni ¹

Hamid Shakerin ²

Saleh Akbarzadeh ¹

¹ Mechanical Engineering Department, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran

² Isfahan Shakerin Gearbox CO, Isfahan, Iran

چکیده English

Wear prediction in grease-lubricated mixed regimes remains a major challenge due to the coupled interactions among elastohydrodynamic lubrication (EHL) film thickness, mechanical asperity contact, and interface thermal dynamics. In this study, an integrated engineering framework is developed to analyze the tribological behavior and predict sliding wear in a pin-on-disk configuration through a modified Archard equation incorporating the asperity load share, dry wear coefficient, fractional film defect, and contact temperature. Experimental tests under normal loads of 40, 50, and 60 N and sliding velocities of 0.1 and 0.2 m/s demonstrate that grease lubrication reduces the friction coefficient to the range of 0.095–0.109 compared to dry sliding (0.52–0.70). Specifically, increasing the speed from 0.1 to 0.2 m/s reduces the friction coefficient from 0.101 to 0.095, 0.105 to 0.104, and 0.109 to 0.098 for loads of 40, 50, and 60 N, respectively. Validation against experimental wear-track profilometry confirms that the proposed framework predicts the wear volume across all test conditions with an average error of approximately 25%, establishing its capability for analyzing grease-lubricated sliding contacts.

کلیدواژه‌ها English

Tribology

Wear

Mixed Lubrication

Grease

Continuum Damage Mechanics

[1] B. Bhushan, “Introduction to Tribology,” Appl. Mech. Rev., vol. 56, no. 1, pp. B6–B7, Jan. 2003, doi: 10.1115/1.1523360.
[2] G. W. Stachowiak and A. W. Batchelor, Engineering Tribology, 2nd ed. Oxford, U.K.: Butterworth-Heinemann, 2001.
[3] C. N. Rowe, “Some aspects of the heat of adsorption in the function of a boundary lubricant,” ASLE Trans., vol. 9, no. 1, pp. 101–111, 1966, doi: 10.1080/05698196608972126.
[4] B. J. Hamrock, S. R. Schmid, and B. O. Jacobson, Fundamentals of Fluid Film Lubrication, 2nd ed. Boca Raton, FL, USA: CRC Press, 2004, doi: 10.1201/9780203021187.
[5] A. Torabi, S. Akbarzadeh, and M. R. Salimpour, “Modeling elastohydrodynamic lubrication of cam and flat follower mechanism with grease via Multi-grid method,” Modares Mech. Eng., vol. 15, no. 4, pp. 41–50, 2015 (in Persian), dor: 20.1001.1.10275940.1394.15.4.13.5
[6] S. Akbarzadeh, “Parametric study on the running-in behavior in mixed-lubricated rectangular contact,” Modares Mech. Eng., vol. 13, no. 6, pp. 43–51, 2013 (in Persian), dor: 20.1001.1.10275940.1392.13.6.4.6
[7] S. P. Timoshenko and J. N. Goodier, Theory of Elasticity, 3rd ed. New York, NY, USA: McGraw-Hill, 1970.
[8] J. A. Greenwood and J. B. P. Williamson, “Contact of nominally flat surfaces,” Proc. Roy. Soc. London A, vol. 295, no. 1442, pp. 300–319, Dec. 1966, doi: 10.1098/rspa.1966.0242.
[9] W. R. Chang, I. Etsion, and D. B. Bogy, “Static friction coefficient model for metallic rough surfaces,” J. Tribol., vol. 110, no. 1, pp. 57–63, Jan. 1988, doi: 10.1115/1.3261575.
[10] Y. Zhao, D. M. Maietta, and L. Chang, “An asperity microcontact model incorporating the transition from elastic deformation to fully plastic flow,” J. Tribol., vol. 122, no. 1, pp. 86–93, Jan. 2000, doi: 10.1115/1.555332.
[11] L. Kogut and I. Etsion, “A finite element based elastic-plastic model for the contact of rough surfaces,” Tribol. Trans., vol. 46, no. 3, pp. 383–390, 2003, doi: 10.1080/10402000308982641.
[12] I. V. Kragelsky, M. N. Dobychin, and V. S. Kombalov, “The wear of solids,” in Friction and Wear, I. V. Kragelsky, M. N. Dobychin, and V. S. Kombalov, Eds. Oxford, U.K.: Pergamon, 1982, ch. 8, pp. 237–296.
[13] J. F. Archard, “Contact and rubbing of flat surfaces,” J. Appl. Phys., vol. 24, no. 8, pp. 981–988, Aug. 1953, doi: 10.1063/1.1721448.
[14] J. Lemaitre, “A continuous damage mechanics model for ductile fracture,” J. Eng. Mater. Technol., vol. 107, no. 1, pp. 83–89, Jan. 1985, doi: 10.1115/1.3225775.
[15] B. J. Hamrock and D. Dowson, “Isothermal elastohydrodynamic lubrication of point contacts: Part III—Fully flooded results,” J. Lubr. Technol., vol. 99, no. 2, pp. 264–275, Apr. 1977, doi: 10.1115/1.3453074.
[16] K. L. Johnson, J. A. Greenwood, and S. Y. Poon, “A simple theory of asperity contact in elastohydrodynamic lubrication,” Wear, vol. 19, no. 1, pp. 91–108, 1972, doi: 10.1016/0043-1648(72)90445-0.
[17] F. Cyriac, P. M. Lugt, R. Bosman, C. J. Padberg, and C. H. Venner, “Effect of thickener particle geometry and concentration on the grease EHL film thickness at medium speeds,” Tribol. Lett., vol. 61, no. 2, Art. no. 18, 2016, doi: 10.1007/s11249-015-0633-z.
18. https://doi.org/10.1007/s11249-015-0633-z
[18] A. Beheshti and M. M. Khonsari, “Asperity micro-contact models as applied to the deformation of rough line contact,” Tribol. Int., vol. 52, pp. 61–74, Aug. 2012, doi: 10.1016/j.triboint.2012.02.026.
[19] A. Beheshti, “Multiscale analysis of contact in smooth and rough surfaces: Contact characteristics and tribo-damage,” Ph.D. dissertation, Louisiana State Univ., Baton Rouge, LA, USA, 2013. [Online]. Available:

https://repository.lsu.edu/gradschool_dissertations/2913
[20] F. E. Kennedy, Y. Lu, and I. Baker, “Contact temperatures and their influence on wear during pin-on-disk tribotesting,” Tribol. Int., vol. 82, pp. 534–542, Feb. 2015, doi: 10.1016/j.triboint.2013.10.022.
[21] X. Tian and F. E. Kennedy, Jr., “Maximum and average flash temperatures in sliding contacts,” J. Tribol., vol. 116, no. 1, pp. 167–174, Jan. 1994, doi: 10.1115/1.2927035.
[22] Y. Kimura, T. Endo, and D. Dong, “EHL with grease at low speeds,” in Advanced Tribology, J. Luo et al., Eds. Berlin, Germany: Springer, 2009, pp. 15–19, doi: 10.1007/978-3-642-03653-8_6.
[23] P. M. Cann, B. P. Williamson, R. C. Coy, and H. A. Spikes, “The behaviour of greases in elastohydrodynamic contacts,” J. Phys. D: Appl. Phys., vol. 25, no. 1A, pp. A124–A132, 1992, doi: 10.1088/0022-3727/25/1A/020.
[24] B. Bhattacharya and B. Ellingwood, “Continuum damage mechanics analysis of fatigue crack initiation,” Int. J. Fatigue, vol. 20, no. 9, pp. 631–639, Oct. 1998, doi: 10.1016/S0142-1123(98)00032-2.
[25] T. A. Harris and W. J. Crecelius, “Rolling bearing analysis,” J. Tribol., vol. 108, no. 1, pp. 149–150, Jan. 1986, doi: 10.1115/1.3261135.
[26] Standard Test Method for Wear Testing with a Pin-on-Disk Apparatus, ASTM G99-04, ASTM International, West Conshohocken, PA, USA, 2004.
[27] J. B. Luo and S. Liu, “The investigation of contact ratio in mixed lubrication,” Tribol. Int., vol. 39, no. 5, pp. 409–416, May 2006, doi: 10.1016/j.triboint.2005.04.034.
[28] Zhu, Dong & Wang, Qian. (2012). On the ratio range1177
[29] G. Guangteng and H. A. Spikes, “An experimental study of film thickness in the mixed lubrication regime,” in Elastohydrodynamics—’96, D. Dowson et al., Eds. Amsterdam, The Netherlands: Elsevier, 1997, pp. 159–166, doi: 10.1016/S0167-8922(08)70445-0.