表面織構(gòu)水潤滑聚合物軸承承載性能有限元分析*

王 娟 王 雋 田佳彬 王剛偉 岳志恒

(1.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所 湖北武漢 430064；2.武漢理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 湖北武漢 430063)

水潤滑軸承是水下航行器推進(jìn)軸系的重要支撐裝置，改善其潤滑狀況及承載能力是提高水下航行器的靜音水平和生存能力的重要措施之一。

在水下航行中，航行器水潤滑軸承多處于邊界潤滑或混合潤滑狀態(tài)，易產(chǎn)生摩擦振動。目前雖采用了賽龍等聚合物材料來改善水潤滑軸承的潤滑及承載狀況，但由于問題的復(fù)雜性，還不能令人完全滿意。

在過去的20年里，表面織構(gòu)已被證明是摩擦學(xué)領(lǐng)域改善潤滑狀況，提高承載能力，減少摩擦磨損的有效方法。RAHMANI和RAHNEJAT[1]將優(yōu)化后的表面織構(gòu)軸承性能與傳統(tǒng)軸承進(jìn)行對比，證明了織構(gòu)在各種接觸中可增加承載能力和減少摩擦。LAN等[2]將微織構(gòu)應(yīng)用于一種軸承聚合物材料(芳香族熱固性共聚酯(ATSP))，實(shí)驗(yàn)證明其具有明顯的減摩耐磨效果。梁興鑫等[3]在對油潤滑軸承的ADINA有限元仿真分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)方形凹坑織構(gòu)布置在軸承油膜發(fā)散區(qū)域時(shí)，有利于提高油膜承載力。劉紅彬等[4]采用非重疊區(qū)域求解方法進(jìn)行了表面織構(gòu)徑向滑動軸承的潤滑仿真計(jì)算，結(jié)果表明合理的幾何參數(shù)和織構(gòu)分布可提高油膜承載能力。VILHENA等[5]對凹坑表面織構(gòu)的試驗(yàn)結(jié)果表明，摩擦副的表面接觸狀態(tài)是影響摩擦學(xué)行為的關(guān)鍵因素，包括凹坑深度、潤滑方式等。齊燁等人[6]在織構(gòu)研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)微溝槽深度小于等于4 μm時(shí)，油膜承載力隨槽深的增加而增大。雷渡民和王素華[7]建立了表面織構(gòu)滑動軸承的潤滑狀態(tài)模型，分析了表面織構(gòu)參數(shù)對軸承承載能力和摩擦因數(shù)的影響，結(jié)果表明織構(gòu)布置位置對軸承潤滑性能有重要影響。GALDA等[8]的環(huán)塊試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)凹坑面積密度為10%及滑動速度為0.27 m/s時(shí)，可提高鋼-鑄鐵滑動副的摩擦學(xué)性能。ETSION等[9]的試驗(yàn)表明，有織構(gòu)軸承與無織構(gòu)軸承相比，具有提高潤滑性能和減少摩擦的優(yōu)點(diǎn)。PODGORNIK等[10]利用二維水動力有限元模型仿真得到：合適的織構(gòu)參數(shù)會使得凹坑內(nèi)產(chǎn)生渦流和特殊的壓力分布，從而降低摩擦阻力。SHENOY等[11]利用Ansys/Flotran軟件建立了軸承結(jié)構(gòu)-流體模型，研究了水膜壓力、軸向變形和長徑比對徑向軸承潤滑性能的影響。路繼松等[12]建立了基于表面織構(gòu)的水潤滑軸承混合潤滑模型，由數(shù)值求解獲得不同織構(gòu)參數(shù)下的軸承Stribeck曲線。 SINANOGLU[13]在試驗(yàn)測試中發(fā)現(xiàn)螺紋表面織構(gòu)顯著提高軸承的承載能力。王煥杰[14]通過有/無表面織構(gòu)水潤滑橡膠軸承板條試驗(yàn)對比，給出了有織構(gòu)橡膠板條的摩擦學(xué)性能要好于無織構(gòu)的結(jié)論。

迄今為止，有關(guān)表面織構(gòu)水潤滑聚合物軸承的研究報(bào)道還比較少，表面織構(gòu)的摩擦學(xué)性能研究多聚焦在油潤滑和剛性摩擦副等方面。剛性摩擦副假設(shè)對于金屬材料基本可以接受，但對于水潤滑軸承的聚合物內(nèi)襯材料而言，其彈性模量低，織構(gòu)的變形將會削弱或消除微米級或毫米級織構(gòu)的流體力學(xué)效應(yīng)，影響摩擦副的潤滑狀態(tài)和承載能力。目前，聚合物材料性能如彈性模量及軸承織構(gòu)布置初始角等參數(shù)對織構(gòu)性能的影響尚未進(jìn)行系統(tǒng)深入的理論研究，其影響規(guī)律還有待進(jìn)一步揭示。

本文作者應(yīng)用ADINA有限元軟件建立表面織構(gòu)水潤滑聚合物軸承流固耦合模型，探討表面織構(gòu)軸承的水膜壓力及承載力及其影響因素，為軸承內(nèi)襯材料篩選及表面織構(gòu)在水潤滑軸承的應(yīng)用提供理論支持。

1 水潤滑軸承及表面織構(gòu)

1.1 軸承材料及尺寸

選擇4種不同彈性模量的聚合物材料(A、B、C、D)作為研究對象，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 軸承材料主要參數(shù)

水潤滑軸承的主要參數(shù)如表2所示。

表2 水潤滑軸承主要參數(shù)

1.2 表面織構(gòu)

凹坑表面織構(gòu)參數(shù)如表3所示。

表3 凹坑表面織構(gòu)參數(shù)

表面織構(gòu)為圓柱形凹坑，凹坑布置方位對軸承的潤滑性能有明顯的影響，當(dāng)表面織構(gòu)位于液膜的收斂區(qū)時(shí)，液膜壓力的連續(xù)分布狀態(tài)遭到破壞，軸承承載面積減少，軸承承載能力下降。如果將織構(gòu)布置在發(fā)散區(qū)，將會產(chǎn)生一定的動壓效應(yīng)，可抵消發(fā)散區(qū)產(chǎn)生的部分負(fù)壓[3]。

假設(shè)織構(gòu)布置在發(fā)散區(qū)，凹坑表面織構(gòu)沿周向和軸向?yàn)榈染嚯x排列，布置范圍為γ，布置初始角為β，α為偏位角，如圖1所示。

圖1 凹坑表面織構(gòu)布置位置

2 水潤滑軸承流固耦合有限元分析

2.1 水潤滑軸承有限元模型

如圖1所示，軸承內(nèi)襯表面(包括織構(gòu))與軸表面為一對接觸摩擦副，前者為接觸面，后者為目標(biāo)面，與水膜接觸的2個表面設(shè)置為流固耦合邊界。假定軸承處于流體動壓潤滑狀態(tài)，應(yīng)用ADINA軟件建立局部水潤滑軸承-軸流固耦合模型(γ+β區(qū)域，如圖1所示)，并用六面體映射網(wǎng)格進(jìn)行劃分。對于凹坑及水膜在軸承上的映射網(wǎng)格采用網(wǎng)格黏接技術(shù)進(jìn)行黏接，解決了兩者共同邊界上的網(wǎng)格不一致問題。

文中所用的水潤滑軸承建模軟件(ADINAR)及織構(gòu)布置區(qū)域與文獻(xiàn)[15]相同，僅軸承模型的結(jié)構(gòu)尺寸及材料不同。文獻(xiàn)[15]模型的材料為賽龍(Thorden)，模型的驗(yàn)證結(jié)果符合有限元分析要求。

對軸承模型進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)，得到其軸單元總數(shù)為l5 000個，軸承內(nèi)襯為21 250個，兩者節(jié)點(diǎn)總數(shù)為46 832。其中有織構(gòu)軸承結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2(a)所示。水膜有限元模型沿徑向、軸向和周向分別劃分成2、30、54份的六面體映射網(wǎng)格，六面體單元數(shù)為6 000個，節(jié)點(diǎn)數(shù)為9 888個，如圖2(b)所示。

在流固耦合分析中，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，將圖2所示的部分凹坑織構(gòu)作為計(jì)算域，僅考慮軸承內(nèi)襯內(nèi)表面與水膜外表面的相互作用變形，不考慮軸的變形，將水膜內(nèi)表面設(shè)置為wall邊界；軸承內(nèi)襯外表面設(shè)置為全約束；假定偏心率及偏位角為定值。模型中不考慮x方向的平行位移和y、z方向的旋轉(zhuǎn)位移；內(nèi)層水膜旋轉(zhuǎn)的速度和方向與軸相同；在軸承模型的入口設(shè)置冷卻水流速，出口設(shè)置為環(huán)境壓力。

圖2 流固耦合有限元模型

為了簡化定性分析的計(jì)算過程，將Sommerfeld邊界作為模型約束條件[16]，且不考慮轉(zhuǎn)速對偏心率和偏位角及氣化或空化對無織構(gòu)和有織構(gòu)軸承結(jié)構(gòu)單元的影響。

2.2 仿真結(jié)果及分析2.2.1 軸承水膜壓力分析

以聚合物材料D(賽龍)軸承為例，當(dāng)凹坑布置區(qū)域的初始角β=1°，轉(zhuǎn)速n=200 r/min時(shí)，無織構(gòu)軸承和凹坑表面有織構(gòu)軸承的周向水膜壓力變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 無織構(gòu)/有織構(gòu)軸承水膜壓力等值線

在不同轉(zhuǎn)速(n=100～400 r/min)下，無織構(gòu)軸承和有織構(gòu)軸承的橫截面(軸承寬度l的中間)上的水膜壓力變化狀況如圖4所示。

圖4 聚合物材料D軸承的水膜壓力分布

由圖3、4可見，在流體動壓滑狀態(tài)下，無織構(gòu)軸承在收斂區(qū)和發(fā)散區(qū)的水膜壓力呈對稱分布，有織構(gòu)軸承則由于織構(gòu)的作用，使得水膜壓力產(chǎn)生不對稱分布進(jìn)而產(chǎn)生額外承載力。

在收斂區(qū)，無織構(gòu)軸承和有織構(gòu)軸承的水膜壓力均隨著轉(zhuǎn)速提高而增大，但后者明顯高于前者。無織構(gòu)軸承的水膜壓力在圓周角φ=25°左右開始下降，φ=30°時(shí)為0；當(dāng)φ>30°時(shí)，水膜壓力為負(fù)值，進(jìn)入發(fā)散區(qū)。有織構(gòu)軸承在φ=25°～30°的水膜壓力略有波動，但在φ=31°時(shí)水膜壓力出現(xiàn)明顯的增大，φ>32°時(shí)水膜壓力出現(xiàn)負(fù)值，波動劇烈。

對于有織構(gòu)軸承而言，凹坑產(chǎn)生的流體效應(yīng)對水膜壓力分布狀況有明顯的影響。凹坑內(nèi)的水膜壓力一般低于凹坑入口處，使得潤滑介質(zhì)易被吸入凹坑內(nèi)，產(chǎn)生“入口泵吸”效應(yīng)，產(chǎn)生附加的流體動壓力。當(dāng)摩擦副兩表面發(fā)生相對運(yùn)動和凹坑受壓變形情況下，存儲在凹坑中的潤滑介質(zhì)就會被擠壓泵出，出現(xiàn)“二次潤滑”，產(chǎn)生較大的正壓力，有效地減低了負(fù)壓對軸承承載力的負(fù)面影響。

2.2.2 軸承承載力分析

軸承承載力由水膜壓力積分求得，其除與轉(zhuǎn)速、凹坑尺寸等參數(shù)有關(guān)外，還與織構(gòu)布置的初始角等有關(guān)。無織構(gòu)軸承和有織構(gòu)軸承的承載力與初始角β間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 無織構(gòu)與有織構(gòu)軸承的水膜承載力變化曲線

由圖5可見，不同轉(zhuǎn)速下的有織構(gòu)軸承承載力均高于無織構(gòu)軸承。隨著初始角的增大，前者承載力呈現(xiàn)先升后降的變化趨勢；初始角β= 1°及轉(zhuǎn)速為400 r/min時(shí)的承載力最大。但最大承載力的初始角隨轉(zhuǎn)速不同也略有差異。有織構(gòu)軸承的承載力與發(fā)散區(qū)有一定聯(lián)系，其水膜厚度及壓力分布狀況如圖6所示。

圖6 發(fā)散區(qū)水膜的厚度及壓力分布

在Sommerfeld邊界條件下，無織構(gòu)軸承的承載力與初始角β無關(guān)。但初始角β對有織構(gòu)軸承的承載力卻有一定影響。在不同的轉(zhuǎn)速下，隨著β的增大，有織構(gòu)軸承的承載力呈現(xiàn)升高-降低的變化趨勢，出現(xiàn)峰值，其原因主要是有織構(gòu)軸承發(fā)散區(qū)布置有織構(gòu)，它不僅改變了發(fā)散區(qū)的水膜厚度和水膜壓力分布，而且也影響了相鄰收斂區(qū)的局部壓力分布(如圖4(b)所示)。

假定有織構(gòu)軸承發(fā)散區(qū)某處(無織構(gòu))的水膜厚度為h(φ)，水膜壓力p(φ)為負(fù)值。當(dāng)該處布置有深度為h0的織構(gòu)時(shí)，則此處的水膜厚度就改變?yōu)閔=h(φ)+h0，相應(yīng)的水膜壓力也發(fā)生變化。當(dāng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，凹坑織構(gòu)出口附近會產(chǎn)生局部正壓力，抵消了部分負(fù)壓力，引起水膜壓力波動。水膜壓力的波動還與初始角、內(nèi)襯材料彈性模量及轉(zhuǎn)速等有關(guān)，這些因素的綜合作用結(jié)果使得軸承承載力均出現(xiàn)峰值。

2.3 討論

表面織構(gòu)有助于改善軸承的潤滑性能，提高水膜壓力和承載力，但其影響因素諸多，尤其是軸承內(nèi)襯聚合物材料的彈性模量等性能。

不同聚合物有織構(gòu)軸承在不同轉(zhuǎn)速下的水膜壓力變化狀況如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)速及材料對有織構(gòu)軸承水膜壓力的影響

由圖7可見，在不同轉(zhuǎn)速下，軸承聚合物材料對水膜壓力具有明顯的影響。在相同轉(zhuǎn)速下，隨著軸承材料(A～D)彈性模量(80～400 MPa)的增大，在軸承收斂區(qū)及局部發(fā)散區(qū)的有織構(gòu)軸承水膜壓力也隨之增加，軸承承載力總體呈上升趨勢；相同材料軸承的承載力均隨著轉(zhuǎn)速的提高而增大，如圖8所示。

圖8 轉(zhuǎn)速及材料對有織構(gòu)軸承承載力的影響

有織構(gòu)軸承的聚合物內(nèi)襯材料對水膜壓力和承載力的影響程度實(shí)際上與凹坑的深度和體積改變密切相關(guān)。

在水膜壓力與凹坑變形的耦合作用下，布置在不同圓周角處的凹坑深度出現(xiàn)非線性變化狀況，改變了凹坑的初始深度及凹坑中的水膜厚度，但由于不同聚合物材料的彈性模量不同，因此改變的程度也有所差異。在不同轉(zhuǎn)速下，不同聚合物材料的最大凹坑深度隨圓周角增大的變化規(guī)律如圖9所示。可見，對于同一種材料，在其他條件不變情況下，轉(zhuǎn)速越高，變形愈小。相比較而言，材料彈性模量越大，相應(yīng)變形越小，使得水膜壓力及承載能力增大。

圖9 轉(zhuǎn)速及材料對凹坑深度的影響

凹坑深度改變的同時(shí)也改變了凹坑的體積。在不同轉(zhuǎn)速下，4種軸承材料的凹坑體積隨周向角的變化規(guī)律如圖10所示?？梢姡谙嗤D(zhuǎn)速下，隨著軸承材料彈性模量的增加，凹坑體積變化減小。

圖10 轉(zhuǎn)速及材料對凹坑體積的影響

凹坑變形分析結(jié)果表明，流體與凹坑的耦合效應(yīng)對軸承承載能力有明顯的影響，如圖7中的水膜壓力波動很大。由此可見，軸承內(nèi)襯應(yīng)選擇彈性模量較高的聚合物材料，以減小變形，保持承載力穩(wěn)定。

3 結(jié)論

(1)軸承內(nèi)襯的聚合物彈性模量對凹坑變形有明顯影響，它改變了凹坑的初始深度和體積、水介質(zhì)儲量及凹坑周圍的水膜壓力分布狀況。在相同條件下，彈性模量越大，水膜壓力及承載力也越大，因此有織構(gòu)水潤滑軸承內(nèi)襯應(yīng)選擇彈性模量較大的聚合物材料。

(2)在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)(100～400 r/min)，初始角為1°～1.5°的凹坑織構(gòu)布置方式可獲得較無織構(gòu)軸承更高的水膜壓力和承載力。

(3)在不同轉(zhuǎn)速下，有織構(gòu)軸承的承載力隨初始角β的增大呈現(xiàn)升高-降低的變化趨勢，這主要與軸承發(fā)散區(qū)布置有織構(gòu)有關(guān)，它改變了軸承水膜厚度和水膜壓力的分布狀況。

(4)表面織構(gòu)在水潤滑聚合物軸承的應(yīng)用還須進(jìn)一步開展理論與試驗(yàn)研究，如織構(gòu)的形狀、深徑比、排列方式及布置等優(yōu)化問題。