面接觸摩擦副織構(gòu)化表面潤滑特性優(yōu)化研究

陳 杰，張君松，丁行武，李 丹，孫大朋

(中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院， 成都 610041)

近些年來，部分學(xué)者致力于表面織構(gòu)的潤滑與摩擦學(xué)性能研究工作[1-2]。他們指出：摩擦副表面并非越光滑越好，而具有一定非光滑形態(tài)的表面反而具有更好的抗摩擦磨損性。這主要是因?yàn)榫哂幸?guī)則分布方式和結(jié)構(gòu)參數(shù)的表面織構(gòu)可以改變表面形貌，通過影響摩擦副表面的接觸狀態(tài)和潤滑狀態(tài)提高和改善摩擦副的減摩耐磨能力和承載能力，為軍工武器裝備正常運(yùn)行提供有力保障。

國外的ETSION[2]和Wakuda[3]等人的研究結(jié)論表明：在摩擦副表面制備不同直徑、密度和形狀的凹坑織構(gòu)可以使摩擦副的摩擦因數(shù)得到降低；國內(nèi)的朱華[4]、馬晨波[5]和王曉雷[6]等學(xué)者指出摩擦副織構(gòu)參數(shù)(面積比、織構(gòu)深度和織構(gòu)密度等)、運(yùn)動(dòng)形式和潤滑條件等都會(huì)影響摩擦副的潤滑效果和摩擦學(xué)特性。因此，在對(duì)摩擦副表面進(jìn)行織構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮這些因素。

現(xiàn)代工業(yè)中的大部分典型機(jī)械摩擦零部件均可以歸類為面接觸或線接觸摩擦副。前述提到的相關(guān)學(xué)者就基于面接觸摩擦系統(tǒng)提出了很多有關(guān)表面織構(gòu)設(shè)計(jì)的有利結(jié)論。同時(shí)，Tala-Ighil等[7-8]對(duì)微凹坑化滑動(dòng)軸承進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，對(duì)具有不同凹坑分布方式和凹坑形狀的滑動(dòng)軸承潤滑特性進(jìn)行了對(duì)比。王曉雷等[9]也基于摩擦磨損試驗(yàn)和借助有限元分析軟件對(duì)線接觸條件下微凹坑織構(gòu)尺寸對(duì)模型摩擦學(xué)特性的影響特性進(jìn)行了分析。

為了進(jìn)一步得到一些定性研究結(jié)果，本文旨在利用數(shù)值計(jì)算方法基于面接觸摩擦副對(duì)織構(gòu)化表面進(jìn)行優(yōu)化分析，對(duì)表面織構(gòu)分布方式和重要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理，為類面接觸摩擦系統(tǒng)(比如平板軸承、推力軸承、干氣密封件和缸套-活塞環(huán))的表面工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 物理模型

典型結(jié)構(gòu)的面接觸摩擦副表面織構(gòu)潤滑模型如圖1所示。

圖1 織構(gòu)化面接觸摩擦副幾何模型

圖1中，h0為摩擦副間隙、W為摩擦副負(fù)載、U為摩擦副相對(duì)滑動(dòng)速度、p0為環(huán)境壓力，一般取一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。圖1中a標(biāo)記為表面織構(gòu)多坑模型，具體結(jié)構(gòu)見圖2所示。

圖2 表面織構(gòu)幾何模型

圖2中，hp為表面織構(gòu)深度，rp為表面織構(gòu)半徑，l、w為計(jì)算域尺寸，并設(shè)定潤滑劑流動(dòng)方向與x軸正向一致。根據(jù)實(shí)際需要，表面織構(gòu)的表面形式和截面類型可以進(jìn)行多種優(yōu)化設(shè)計(jì)，這里為了定性說明問題選取圓形表面矩形截面類織構(gòu)作為研究對(duì)象。

1.2 計(jì)算模型

根據(jù)流體力學(xué)基本理論，將雷諾方程的基本假設(shè)應(yīng)用于流體控制方程N(yùn)avier-Stokes方程(N-S方程)，則可得到常見的雷諾方程的二維形式：

(1)

式(1)中:h為潤滑膜厚度；p為潤滑膜壓力；η為潤滑介質(zhì)粘度。Reynolds方程左端表示潤滑膜壓力在潤滑表面上隨坐標(biāo)x，y的變化，右端表示產(chǎn)生潤滑膜壓力的動(dòng)壓效應(yīng)。本文主要研究表面織構(gòu)的流體動(dòng)力潤滑特性，所以將壓力產(chǎn)生的伸縮效應(yīng)、變密效應(yīng)和擠壓效應(yīng)忽略。表面織構(gòu)的作用就是使摩擦副表面之間的潤滑膜間隙產(chǎn)生有規(guī)律的變化，即形成有規(guī)律的收斂和發(fā)散間隙，使?jié)櫥ぎa(chǎn)生有規(guī)律的動(dòng)壓變化。式(1)即為流體潤滑狀態(tài)下研究表面織構(gòu)模型動(dòng)壓潤滑特性的基本方程。

織構(gòu)化摩擦副的承載力和摩擦力可分別利用式(2)和式(3)進(jìn)行計(jì)算。S指摩擦副表面，由式(2)和式(3)可以求得摩擦因數(shù)，f=F/W。

W=?Spdxdy

(2)

(3)

對(duì)于上述方程組，邊界條件取常用于收斂-發(fā)散區(qū)間的雷諾空化邊界條件：

(4)

式(4)中，χ為潤滑膜破裂點(diǎn)位置。

選取如下無量綱參數(shù)：H=h/h0，P=p/p0，Y=y/w，X=x/l。

首先對(duì)雷諾方程進(jìn)行無量綱化，再應(yīng)用五點(diǎn)差分法對(duì)無量綱雷諾方程進(jìn)行離散，利用超松弛迭代法進(jìn)行壓力迭代求解。為了判斷每次迭代結(jié)果是否達(dá)到足夠精度決定是否終止迭代過程，取如下的相對(duì)收斂準(zhǔn)則：

(6)

其中，m，n為在xoy計(jì)算域內(nèi)劃分的網(wǎng)格數(shù)，節(jié)點(diǎn)位置用(i，j)表示，存在1≤i≤m，1≤j≤n。允許相對(duì)誤差值ERR取10-5。

2 計(jì)算結(jié)果與討論

2.1 織構(gòu)分布方式優(yōu)化分析

2.1.1 優(yōu)化分析方案

對(duì)于圖2所示的表面織構(gòu)多坑模型，選取如圖3所示的幾種典型的具體分布方案(case A～case F)。作如下設(shè)定：計(jì)算域大小恒為l×w=2 mm×2 mm；單個(gè)圓形凹坑結(jié)構(gòu)尺寸一致；單個(gè)圓形凹坑在各自占有區(qū)域內(nèi)居中分布。這里旨在分析在上述設(shè)定情況下織構(gòu)分布方式的不同對(duì)整個(gè)模型的承載力和摩擦因數(shù)的影響。取潤滑模型結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況參數(shù)分別為：h0=6 μm，rp=250 μm，hp=6 μm，潤滑劑粘度η=0.08 Pa·s，摩擦副相對(duì)滑動(dòng)速度U=2 m/s。

圖3 織構(gòu)面積比優(yōu)化方案

2.1.2 優(yōu)化結(jié)果討論

圖4給出了織構(gòu)潤滑模型承載力隨分布方式的變化規(guī)律?？梢钥闯?，對(duì)于圖3所示的表面織構(gòu)潤滑模型，存在著最優(yōu)的分布方式使得模型承載力最大和摩擦因數(shù)最小，由圖可得最優(yōu)分布方式為case C，最差分布方式為case D。

圖4 分布方式對(duì)承載力的影響

從圖4、圖5所反映的規(guī)律來看，模型承載力和摩擦因數(shù)隨分布方式的變化規(guī)律是一致的。需要特別注意，對(duì)于面接觸摩擦副，表面織構(gòu)能夠在一定程度上提升其承載力，但全織構(gòu)化表面(對(duì)應(yīng)case A)并非為最優(yōu)方案。適當(dāng)?shù)脑诒砻婵棙?gòu)之間保留一定間隙(對(duì)應(yīng)case C和case E)反而有利于增強(qiáng)表面織構(gòu)間的耦合動(dòng)壓機(jī)制，實(shí)現(xiàn)織構(gòu)化表面的動(dòng)壓效應(yīng)最大化。通過比較發(fā)現(xiàn)，對(duì)于摩擦副表面，織構(gòu)比較適合存在于潤滑劑入口處。類似case D這種使表面織構(gòu)沿潤滑劑流動(dòng)方向的垂直方向間隔會(huì)嚴(yán)重破壞表面織構(gòu)的動(dòng)壓效應(yīng)。

通過對(duì)case A、case C和case E三種分布方式下的壓力分布特點(diǎn)進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)：不同分布方式下，壓力最大值不同，局部壓力梯度發(fā)生較大變化。在高壓區(qū)域，同一壓力值下case C分布方式的作用區(qū)域明顯大于其他兩類。分布方式case A中，由于表面織構(gòu)各個(gè)獨(dú)立作用，沒有有效的耦合到一起，流體動(dòng)壓效應(yīng)最差。

圖5 分布方式對(duì)摩擦系數(shù)的影響

圖6 壓力分布

2.2 織構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化分析

表面織構(gòu)潤滑性能影響因素很多，包括織構(gòu)面積比、織構(gòu)深度、織構(gòu)表面類型和截面形狀等，且不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響規(guī)律不同。限于篇幅，這里僅以織構(gòu)深度為例介紹表面織構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化分析的思路。

圖7和圖8為兩種典型分布方式下模型承載力和摩擦因數(shù)隨織構(gòu)深度的變化規(guī)律。

圖7 織構(gòu)深度對(duì)承載力的影響

圖8 織構(gòu)深度對(duì)摩擦因數(shù)的影響

從圖7和圖8可以看出：不同分布方式下，織構(gòu)化表面潤滑模型的潤滑性能隨織構(gòu)深度的變化規(guī)律是一致的，均存在一個(gè)最優(yōu)的織構(gòu)深度使得模型承載力最大和摩擦因數(shù)最??；模型的最優(yōu)織構(gòu)深度與分布方式幾乎無關(guān)，且承載力最優(yōu)的織構(gòu)深度與摩擦因數(shù)最優(yōu)的織構(gòu)深度近似相等。

圖9給出了在不同織構(gòu)深度值下模型中心對(duì)稱面(圖2)壓力分布對(duì)比情況?？梢悦黠@看出，織構(gòu)深度值的改變使得模型壓力最大值、同一壓力下的作用區(qū)域和壓力梯度均發(fā)生了顯著變化。當(dāng)織構(gòu)深度為4或6時(shí)，模型壓力峰值最大，動(dòng)壓效應(yīng)最為明顯，從而使得模型承載力最大。

圖9 模型對(duì)稱面壓力分布對(duì)比

3 結(jié)論

織構(gòu)化面接觸摩擦副存在最優(yōu)織構(gòu)分布方式使得模型潤滑性能最優(yōu)。計(jì)算結(jié)果表明：摩擦副表面不適宜采用全織構(gòu)結(jié)構(gòu)形式；在潤滑劑的入口處分布適當(dāng)?shù)谋砻婵棙?gòu)并讓其在潤滑劑流動(dòng)方向保持一定的間隔能夠使得模型動(dòng)壓效應(yīng)最強(qiáng)。

織構(gòu)深度的變化對(duì)模型潤滑性能存在很大影響。在不同工況下，模型的潤滑特性均會(huì)隨著織構(gòu)深度的變大先增強(qiáng)后減弱，即存在一個(gè)最優(yōu)值使得模型潤滑性能最強(qiáng)。

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