滑動摩擦副表面變織構(gòu)的潤滑與承載特性研究

何 濤，陳強(qiáng)曼，陳國瑜，王傳禮,5，黃 森，沈 浩

（1.安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽淮南 232001；2.流體動力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 310027；3.礦山智能裝備與技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽淮南 232001；4.安徽理工大學(xué)人工智能學(xué)院，安徽淮南 232001；5.安徽礦山機(jī)電裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，安徽淮南 232001）

摩擦損耗了世界上1/3的一次性能源，其導(dǎo)致的工程裝備報(bào)廢率占80%左右[1-2]。往復(fù)式摩擦副作為應(yīng)用最廣泛的摩擦副之一，其表面的摩擦和磨損嚴(yán)重影響著機(jī)械裝備的正常運(yùn)行和使用壽命?？棙?gòu)減摩是指在摩擦副表面加工規(guī)律分布的微米級凹坑陣列形貌，以達(dá)到提高油膜承載力、二次潤滑、減輕摩擦磨損和容納微磨粒的作用，該想法源于自然界的微結(jié)構(gòu)減摩現(xiàn)象[3]。早在20世紀(jì)60年代，Hamilton等[4]提出借助表面微凸起產(chǎn)生附加動壓力的設(shè)想，隨后以Etsion、王靜秋等[5-6]為代表的國內(nèi)外學(xué)者在織構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、加工制造及潤滑機(jī)理等方面開展了廣泛研究。近年來，隨著微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展，織構(gòu)在端面密封、滑動摩擦副的潤滑和減摩等方面得到廣泛應(yīng)用[7-10]。

Mao等[11]開展了高速液壓缸密封界面織構(gòu)潤滑機(jī)理研究，分析了均勻分布的單一尺寸織構(gòu)氣穴及柱塞的傾角對密封界面動壓潤滑性能的影響。胡威[12]提出了軸向柱塞泵柱塞副表面織構(gòu)化的設(shè)想，并研究了均勻分布的單一尺寸織構(gòu)對液膜承載力的影響。何霞等[13]研究了惡劣工況下壓裂泵動密封副的摩擦學(xué)性能，結(jié)果表明，均勻分布的單一尺寸織構(gòu)面積占比為5.86%的試件的摩擦系數(shù)、溫升和磨損量相比于無織構(gòu)試件分別減小了80%、90%和79.3%。孫藝文等[14]對比分析了泥漿泵的仿生活塞（在工作表面加工凹槽形仿生單元體）與標(biāo)準(zhǔn)活塞的使用壽命，發(fā)現(xiàn)仿生活塞可增大儲油空間，合理設(shè)計(jì)凹槽形仿生單元體可使BW-160型泥漿泵活塞的使用壽命最大提高69.52%。馬晨波[15]借助往復(fù)銷盤摩擦磨損試驗(yàn)，驗(yàn)證了變面積比織構(gòu)在提高滑動摩擦副的減摩性能方面有較大潛力，尤其適用于高速重載場合。徐波[16]針對內(nèi)燃機(jī)缸套-活塞環(huán)的織構(gòu)化摩擦副開展了減摩和控油的協(xié)同優(yōu)化，提出了缸套分區(qū)差異織構(gòu)化技術(shù)，使得機(jī)油與燃油的消耗比從0.051%降至0.041%。

上述研究均表明，織構(gòu)具有減摩功能，但因受到加工技術(shù)的制約，已有研究大多局限于均勻分布的單一尺寸織構(gòu)。為此，筆者針對滑動摩擦副表面提出一種變織構(gòu)（尺寸多樣的織構(gòu)）結(jié)構(gòu)，并通過建立排布方式不同的單一尺寸織構(gòu)以及方形排布變織構(gòu)的CFD（computational fluid dynamics，計(jì)算流體力學(xué)）仿真模型，對變織構(gòu)的潤滑與承載特性進(jìn)行研究。

1 織構(gòu)仿真模型建立及參數(shù)設(shè)置

1.1 織構(gòu)仿真模型建立

圖1（a）所示為織構(gòu)化滑動摩擦副的幾何模型。由于摩擦副表面的織構(gòu)數(shù)量較多，為簡化計(jì)算，選取僅含單個(gè)或數(shù)個(gè)織構(gòu)的單元并建立相應(yīng)的二維CFD仿真模型?？棙?gòu)的形貌種類較多，其中球冠形織構(gòu)的綜合潤滑與承載性能較好，且加工難度相對于其他形貌的織構(gòu)要低[17]。圖1中：L為滑動摩擦副的軸向長度，p1、p2分別為滑動摩擦副配合間隙兩端的壓力，u為滑動摩擦副的運(yùn)動速度，h0為滑動摩擦副的配合間隙；l為所選取織構(gòu)單元的長度，pi、po分別為織構(gòu)單元入口和出口的壓力，r為織構(gòu)半徑，hp為織構(gòu)深度。

圖1 織構(gòu)化滑動摩擦副的幾何模型和所選取織構(gòu)單元的仿真模型Fig.1 Geometric model of textured sliding friction pair and simulation model of selected texture unit

1.2 初始仿真參數(shù)設(shè)置

如圖1（b）所示，設(shè)置織構(gòu)單元上壁面固定，下壁面運(yùn)動（速度為u），左、右壁面為帶壓力梯度的周期邊界。其中，周期邊界的壓力梯度為：

采用mixture多相流模型，設(shè)置PISO壓力-速度耦合算法及PRESTO離散格式；選擇水為工作介質(zhì)，設(shè)其空化壓力為3 168 Pa，動力黏度η=1.003×10-3N·s/m2，密度ρ=998.2 kg/m3。

常見織構(gòu)的直徑一般為幾十至幾百微米，深度為幾微米到幾十微米，深徑比為0.001～0.020，面積占比一般為5%～15%[18]。由于水的黏度比液壓油小，同等條件下水的泄漏更為嚴(yán)重。一般油壓元件摩擦副的配合間隙為12～25 μm，綜合考慮加工制造水平及泄漏情況，水壓元件的密封間隙應(yīng)小于油壓元件的密封間隙，一般為3.8～8.0 μm[19]。此外，當(dāng)織構(gòu)的深度與液膜厚度的比值接近1時(shí)，其動壓承載能力較好[20-21]。綜合考慮上述因素，在仿真分析時(shí)，設(shè)滑動摩擦副的配合間隙h0=5 μm，織構(gòu)深度與滑動摩擦副配合間隙相等，即hp=h0=5 μm。結(jié)合文獻(xiàn)[3]中的參數(shù)設(shè)置情況，取織構(gòu)半徑r=20 μm；滑動摩擦副軸向長度L=10 mm，運(yùn)動速度u=0.2 m/s，配合間隙兩端的壓力差Δp=10 MPa，根據(jù)式（1）得出周期邊界的壓力梯度為1.0 kPa/μm。

2 排布方式對織構(gòu)潤滑與承載特性的影響

常見的織構(gòu)空間排布方式如圖2所示，可分為方形排布（錯位角θ=0°）和錯位排布（錯位角θ=10°，20°和30°）。為分析排布方式對單一尺寸織構(gòu)的潤滑與承載性能的影響，取織構(gòu)的x、z向間距均為100 μm，并以200 μm×100 μm的矩形單元作為計(jì)算的最小單元。

圖2 不同的織構(gòu)排布方式示意Fig.2 Schematic diagram of different texture arrangements

根據(jù)上述參數(shù)，先利用CAD（computer aided design，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）軟件建立單一尺寸織構(gòu)單元的幾何模型，再將幾何模型導(dǎo)入Fluent軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分及參數(shù)設(shè)置。通過仿真計(jì)算錯位角θ=0°，10°，20°和30°時(shí)織構(gòu)單元表面壓力p的分布情況，進(jìn)而通過式（2）積分得到織構(gòu)單元表面的法向（y向）承載力F。

2.1 織構(gòu)表面的壓力分布

圖3所示為不同排布方式下單一尺寸織構(gòu)單元表面（僅顯示2個(gè)織構(gòu)）的壓力分布情況。由圖可知，織構(gòu)的收斂楔處因動壓效應(yīng)而產(chǎn)生了壓力凸峰（正壓區(qū)），織構(gòu)的發(fā)散楔處產(chǎn)生了壓力凹谷（負(fù)壓區(qū)）。通過對比發(fā)現(xiàn)，方形排布的單一尺寸織構(gòu)單元表面的正壓峰值最大，為11.1 kPa，負(fù)壓峰值的絕對值最小，為9.6 kPa；隨著錯位角θ的增大，織構(gòu)單元表面的正壓峰值逐漸減小，負(fù)壓峰值的絕對值逐漸增大。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是隨著錯位角θ的增大，織構(gòu)之間的實(shí)際有效距離逐漸增大，前一織構(gòu)出口處的高壓對后一織構(gòu)入口處的低壓的抵消作用逐漸減弱，導(dǎo)致織構(gòu)之間的協(xié)同潤滑作用逐漸減弱。

圖3 不同排布方式下單一尺寸織構(gòu)單元表面的壓力分布（u=0.2 m/s）Fig.3 Pressure distribution on the surface of single-size texture units under different arrangements(u=0.2 m/s)

2.2 織構(gòu)表面的承載力

圖3中的壓力凸峰表示承載力為正，壓力凹谷表示承載力為負(fù)，織構(gòu)表面的綜合承載力由正、負(fù)承載力疊加而成。4種排布方式下單一尺寸織構(gòu)單元表面壓力對應(yīng)的正承載力峰值均大于對應(yīng)的負(fù)承載力峰值的絕對值，且正壓區(qū)的面積也比負(fù)壓區(qū)大，由此可見不同排布方式下單一尺寸織構(gòu)單元表面均產(chǎn)生了正的綜合承載力。但在仿真條件下，4種排布方式的單一尺寸織構(gòu)單元表面的負(fù)壓均高于水的空化壓力，因此幾乎未產(chǎn)生空化效應(yīng)。

為了定量比較4種排布方式下單一尺寸織構(gòu)單元表面的綜合承載力，通過進(jìn)一步仿真得到在不同的滑動摩擦副運(yùn)動速度下各織構(gòu)單元表面承載力的變化曲線，如圖4所示。從圖中可以看出，單一尺寸織構(gòu)單元表面的承載力隨滑動摩擦副運(yùn)動速度的增大均呈線性增大趨勢，但其增大速度有所不同。在滑動摩擦副運(yùn)動速度從0 m/s上升到0.5 m/s的過程中，方形排布的單一尺寸織構(gòu)單元表面承載力的增大速度最快；隨著錯位角的增大，單一尺寸織構(gòu)單元表面承載力的增大速度逐漸減小。由此可見，方形排布織構(gòu)的承載力最大。

圖4 不同排布方式下單一尺寸織構(gòu)單元表面承載力的變化曲線Fig.4 Variation curves of bearing force on the surface of single-size texture units under different arrangements

綜上所述，方形排布的單一尺寸織構(gòu)的潤滑性能最強(qiáng)且承載力最大；隨著錯位角的增大，單一尺寸織構(gòu)的潤滑與承載性能逐漸減弱?；诖?，在研究變織構(gòu)的潤滑與承載性能時(shí)，采用方形排布方式。

3 變織構(gòu)的潤滑與承載性能研究

3.1 變織構(gòu)的尺寸參數(shù)

為研究變織構(gòu)的尺寸變化對潤滑與承載性能的影響，沿x方向取12個(gè)方形排布的球冠形織構(gòu)（每個(gè)織構(gòu)的間距為100μm）作為一個(gè)單元（x方向長度為1200μm），建立相應(yīng)的二維CFD仿真模型進(jìn)行分析，并以半徑r=25μm、深度hp=5μm的單一尺寸織構(gòu)（方形排布）單元作為對照組。按照x方向上織構(gòu)的半徑和深度的不同，將變織構(gòu)分為A（小-大-?。（大-小-大）、C（淺-深-淺）、D（深-淺-深）四種類型，各類變織構(gòu)的尺寸變化均關(guān)于x方向中心對稱，并以一串?dāng)?shù)組表示其尺寸參數(shù)，如“20-25-20”表示沿x方向按照半徑中間大兩端小的分布方式等間距設(shè)置12個(gè)織構(gòu)，其中前3個(gè)織構(gòu)的半徑為20μm，中間6個(gè)的半徑為25μm，最后3個(gè)的半徑為20μm。根據(jù)文獻(xiàn)[18-21]中相關(guān)參數(shù)的設(shè)置和結(jié)論，4類變織構(gòu)單元的尺寸參數(shù)設(shè)置如表1所示，其他壓力梯度及邊界條件等均與上文相同。

表1 不同變織構(gòu)單元的尺寸參數(shù)設(shè)置Table 1 Dimensional parameter setting of different variable textures

3.2 變織構(gòu)單元表面的壓力分布

鑒于4類方形排布變織構(gòu)單元表面的壓力分布規(guī)律基本一致，其中A4、B4、C4及D4型變織構(gòu)的尺寸變化最具代表性，本文僅給出這4個(gè)變織構(gòu)單元中心截面（沿x向）的壓力云圖，如圖5所示。由圖可知，各織構(gòu)單元中均出現(xiàn)了多處高壓集聚區(qū)和低壓集聚區(qū)，其中織構(gòu)的收斂楔處為高壓集聚區(qū)，發(fā)散楔處為低壓集聚區(qū)。除了對照組的單一尺寸織構(gòu)單元外，變織構(gòu)單元中各織構(gòu)附近的壓力分布均不相同。由此可見，尺寸變化導(dǎo)致織構(gòu)表面的壓力分布發(fā)生變化。

圖5 不同織構(gòu)單元中心截面的壓力分布云圖Fig.5 Cloud diagram of pressure distribution in central section of different texture units

圖6所示為半徑不同的變織構(gòu)單元中心截面的壓力分布曲線。從圖中可以看出，在織構(gòu)的收斂楔處和發(fā)散楔處分別出現(xiàn)不同程度的正壓區(qū)域和負(fù)壓區(qū)域。對于對照組中的單一尺寸織構(gòu)單元，其中心截面的壓力分布曲線為周期性波動曲線，由12個(gè)單織構(gòu)中心截面的壓力分布曲線疊加而成。對于A4型變織構(gòu)單元，在x=-600～0 μm段，其中心截面的整體壓力為正，且先增大后減?。辉趚=0～600 μm段，其中心截面的整體壓力為負(fù)，且先減小后增大。對于B4型變織構(gòu)單元，其中心截面的壓力分布與A4型相反。借助Origin軟件分析得到A4型和B4型變織構(gòu)單元中心截面的壓力分布曲線的趨勢線，結(jié)果表明這2條趨勢線分別近似呈正、余弦規(guī)律波動。

圖6 半徑不同的變織構(gòu)單元中心截面的壓力分布曲線Fig.6 Pressure distribution curves of central section of variable texture units with different radii

圖7所示為深度不同的變織構(gòu)單元中心截面的壓力分布曲線。從圖中可以看出，C4、D4型變織構(gòu)單元中心截面的壓力分布曲線的趨勢線也分別近似呈正、余弦規(guī)律波動。對于C4型變織構(gòu)單元，在x=-600～0 μm段，其中心截面的整體壓力為正，且先增大后減??；在x=0～600 μm段，其中心截面的整體壓力為負(fù)，且先減小后增大。而D4型變織構(gòu)單元中心截面的壓力分布與C4型相反。

圖7 深度不同的變織構(gòu)單元中心截面的壓力分布曲線Fig.7 Pressure distribution curves of central section of variable texture units with different depths

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是不同尺寸單織構(gòu)的壓力（正壓或負(fù)壓）對織構(gòu)單元整體的壓力分布有顯著影響。如圖5所示，變織構(gòu)單元整體的壓力分布不是單織構(gòu)壓力分布的復(fù)制組合。由于不同尺寸單織構(gòu)的壓力分布不同，前一織構(gòu)出口處高壓與后一織構(gòu)入口處低壓的抵消作用發(fā)生變化，導(dǎo)致織構(gòu)之間的協(xié)同潤滑作用改變。對于A4、C4型變織構(gòu)單元，在其前半段（x=0～600 μm），第1至第6號織構(gòu)的負(fù)壓占主導(dǎo)地位，且第3和第4號織構(gòu)的負(fù)壓的絕對值達(dá)到最大；而在后半段（x=-600～0 μm），第7至第12號織構(gòu)的正壓占主導(dǎo)地位，且第9和第10號織構(gòu)的正壓值達(dá)到最大。而對于B4、D4型變織構(gòu)單元，由于其單織構(gòu)尺寸的變化趨勢分別與A4、C4型相反，故其中心截面的壓力分布分別與A4、C4型相反。

3.3 變織構(gòu)單元表面的承載力

圖8和圖9所示分別為不同的滑動摩擦副運(yùn)動速度（0～0.5 m/s）下A型和B型變織構(gòu)單元表面承載力的變化曲線。由圖可知，除A1、A2型外，A4型變織構(gòu)單元表面的承載力與單一尺寸織構(gòu)單元（對照組）基本接近，A3型的承載力明顯大于對照組；除B1型外，B2、B3和B4型變織構(gòu)單元表面的承載力明顯大于對照組。由此說明，合理改變織構(gòu)半徑有助于提升變織構(gòu)的潤滑與承載性能。對比圖8和圖9可知，半徑兩端大中間小的B1、B2、B3和B4型變織構(gòu)單元表面的承載力分別大于A1、A2、A3和A4型，且A2型的承載力比A4型小，B2型的承載力比B4型大。由此說明，兩端織構(gòu)的半徑越大，越有助于潤滑液的進(jìn)入，使得潤滑作用更加充分，則織構(gòu)表面的承載力越大。此外，在B型變織構(gòu)單元中，B3型的承載力明顯大于B4型，說明兩端半徑大的織構(gòu)的占比越大，則變織構(gòu)的潤滑性能越強(qiáng)，承載力越大。

圖8 A型變織構(gòu)單元表面承載力的變化曲線Fig.8 Change curve of bearing force on the surface of A-type variable texture unit

圖9 B型變織構(gòu)單元表面承載力的變化曲線Fig.9 Change curve of bearing force on the surface of B-type variable texture unit

圖10和圖11所示分別為不同的滑動摩擦副運(yùn)動速度（0～0.5 m/s）下C型和D型變織構(gòu)單元表面承載力的變化曲線。由圖可知，雖然織構(gòu)深度的變化范圍較小，但其導(dǎo)致的承載力變化范圍較大，說明深度對承載力的影響較大。所有C型和D型變織構(gòu)單元表面的承載力均大于單一尺寸織構(gòu)單元（對照組），說明改變織構(gòu)深度有助于提升變織構(gòu)的潤滑與承載性能。對比圖10和圖11可知，深度兩端深中間淺的D1、D2、D3和D4型變織構(gòu)單元表面的承載力大于C1、C2、C3和C4型，且C2型的承載力比C4型的小，D2型的承載力比D4型的大。由此說明，兩端織構(gòu)的深度越深，越有助于潤滑液的進(jìn)入，使得潤滑作用更加充分，則織構(gòu)表面的承載力越大。此外，在D型變織構(gòu)單元中，D3型的承載力明顯大于D4型，說明兩端深度深的織構(gòu)的占比越大，則變織構(gòu)的潤滑性能越強(qiáng)，承載力越大。

圖10 C型變織構(gòu)單元表面承載力的變化曲線Fig.10 Change curve of bearing force on the surface of C-type variable texture unit

圖11 D型變織構(gòu)單元表面承載力的變化曲線Fig.11 Change curve of bearing force on the surface of D-type variable texture unit

4 結(jié)論

本文以球冠形織構(gòu)為研究對象，分析了不同排布方式對單一尺寸織構(gòu)表面的壓力分布和承載力的影響，并研究了4類方形排布變織構(gòu)的潤滑與承載特性，得到的結(jié)論如下。

1）方形排布（錯位角θ=0°）的單一尺寸織構(gòu)表面的承載力最大，而隨著錯位角的增大，織構(gòu)之間的有效距離逐漸增大，前一織構(gòu)出口處的高壓對后一織構(gòu)入口處的低壓的抵消作用逐漸減弱，導(dǎo)致織構(gòu)之間的協(xié)同潤滑作用減弱，承載力減小。

2）不同排布方式下單一尺寸織構(gòu)的壓力分布曲線由多個(gè)單織構(gòu)的壓力分布曲線疊加而成；而對于方形排布的變織構(gòu)，其前后織構(gòu)的協(xié)同潤滑作用發(fā)生改變，導(dǎo)致其壓力分布曲線的趨勢線近似呈正、余弦規(guī)律波動。

3）4類方形排布的變織構(gòu)相對于方形排布的單一尺寸織構(gòu)更有助于潤滑與承載性能的提升。在4類方形排布變織構(gòu)中，B型的承載力比A型的大，D型的比C型的大，說明兩端織構(gòu)半徑越大或深度越深，或該類織構(gòu)的占比越大，則變織構(gòu)的潤滑性能越強(qiáng)，承載力越大。

研究結(jié)果可為織構(gòu)化滑動摩擦副表面潤滑和減摩性能的改善提供重要的理論參考。