表面織構(gòu)特征對(duì)其摩擦潤滑特性的影響

何 濤， 李金苗， 王傳禮， 陳強(qiáng)曼， 沈 浩， 黃 森

(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(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 杭州 310027；3.教育部礦山智能技術(shù)與裝備省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心， 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)

引言

摩擦磨損是機(jī)械系統(tǒng)失效和能量損失的主要形式之一，減少摩擦磨損、提高材料表面摩擦性能一直是摩擦學(xué)研究者的重點(diǎn)方向[1-2]?？蒲腥藛T主要從減摩添加劑、材料制造、表面改性、添加潤滑油等幾個(gè)方面來對(duì)抗磨減摩材料進(jìn)行研究，而表面織構(gòu)近年來成為改善摩擦副表面特性的新技術(shù)，其在摩擦副表面加工一些具有一定形狀的規(guī)則分布的表面織構(gòu)，以起到容納磨屑、儲(chǔ)存潤滑油、“二次潤滑”、增加油膜厚度、提高動(dòng)壓承載力、減少摩擦磨損，從而改善摩擦副表面摩擦性能[3-5]。

lSMAIL S[6]研究發(fā)現(xiàn)，織構(gòu)設(shè)計(jì)成較低的高度比和縱橫比可以獲得更好的流體動(dòng)力潤滑性能。李朝陽等[7]在配流盤上加工織構(gòu)陣列，探究織構(gòu)參數(shù)對(duì)試件摩擦磨損性能的影響，結(jié)果表明，對(duì)試樣摩擦性能影響程度依次為載荷、深度、轉(zhuǎn)速、織構(gòu)直徑和密度。尹必峰等[8]建立了織構(gòu)化缸套-活塞環(huán)混合潤滑模型，研究了4種不同排列方式的織構(gòu)陣列對(duì)缸套-活塞環(huán)摩擦學(xué)性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)方形陣列減摩效果最佳，而交錯(cuò)陣列的減摩效果最差。UDDIN M S[9]等采用有限差分法對(duì)基于穩(wěn)態(tài)雷諾方程的理論模型進(jìn)行了數(shù)值求解，確定了織構(gòu)的最佳幾何形狀。何濤等[10]針對(duì)多種織構(gòu)形貌的潤滑、減磨和密封性能開展了深入的分析，其研究表明球冠形織構(gòu)具有最小的剪切摩擦力，在面積率Sp=36%時(shí)，剪切摩擦力減小了36.5%。張娜等[11]分析刀具表面正弦型溝槽織構(gòu)不同角度對(duì)接觸表面摩擦學(xué)性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)隨著速度的增大，4種織構(gòu)表面的摩擦系數(shù)出現(xiàn)不同程度的減小，且產(chǎn)生的動(dòng)壓潤滑效果顯著程度為90°>30°>0°>60°。徐勁力等[12]探究織構(gòu)參數(shù)的變化對(duì)油膜承載特性及摩擦性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明，方形織構(gòu)能獲得較大承載力和較小的摩擦力，能有效地改善齒面的潤滑性能。

目前，在摩擦副表面加工織構(gòu)已成功在推力軸承、刀具抗磨、硬盤、發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸、柱塞副和機(jī)械密封等領(lǐng)域研究[13-16]。但現(xiàn)有的研究大部分基于規(guī)則排布的單一形貌表面織構(gòu)，而對(duì)錯(cuò)開排布的不同形貌的織構(gòu)研究相對(duì)較少，大多數(shù)理論研究是基于雷諾數(shù)方程，然而考慮慣性效應(yīng)的影響時(shí)，雷諾數(shù)方程表達(dá)不太準(zhǔn)確，由于織構(gòu)單元幾何形貌的復(fù)雜性，常用的二維CFD方法不能準(zhǔn)確模擬潤滑行為。為此，本研究采用三維CFD方法針對(duì)6種不同形貌錯(cuò)開排布的表面織構(gòu)對(duì)動(dòng)壓承載性能進(jìn)行仿真，研究結(jié)果為表面織構(gòu)設(shè)計(jì)和理論建模提供了一定的參考。

1 織構(gòu)潤滑模型及參數(shù)設(shè)置

1.1 幾何模型

圖1為簡化的織構(gòu)陣列的三維幾何模型和單個(gè)織構(gòu)單元的幾何模型；圖2為常見的織構(gòu)形貌，依次為球冠形、圓柱形、正方形、菱形和三角形，其中三角形為方向性微觀形貌；圖3為織構(gòu)單元中心截面形貌。

圖1 織構(gòu)陣列及織構(gòu)單元幾何模型

圖2 織構(gòu)形貌

圖3 織構(gòu)單元中心截面

1.2 數(shù)學(xué)模型

為了準(zhǔn)確的求解摩擦副的流體動(dòng)力學(xué)潤滑問題，采用考慮慣性項(xiàng)的N-S方程作為控制方程。為了便于建模和分析，作以下假設(shè)：

(1) 忽略體積力(如重力和磁力)；

(2) 潤滑劑在邊界不發(fā)生滑移，摩擦副表面的潤滑劑速度與摩擦副表面速度相同；

(3) 潤滑劑是不可壓縮的牛頓流體。

基于以上假設(shè)，便于仿真得到不同參數(shù)和形貌工況下摩擦學(xué)行為，減少獨(dú)立變量的數(shù)量，減少理論仿真的工作量，將無量綱變量定義如下：

(1)

式中，u，v，w—— 分別是沿x，y，z方向的流體速度

η—— 動(dòng)力黏度

p—— 油膜壓力

v0—— 潤滑劑的特征速度

p0—— 特征壓力

將上述無量綱變量代入簡化的N-S方程，沿x方向無量綱N-S方程表達(dá)如下：

(2)

(3)

同樣，沿y,z方向簡化的N-S方程為：

(4)

(5)

無量綱連續(xù)性方程可以表示為：

(6)

無量綱方程用來描述流體在動(dòng)壓潤滑條件下微織構(gòu)單元中流體的行為，然而，由于控制方程的復(fù)雜性，很難獲取解析解。因此，本研究采用數(shù)值模擬的方法來求解。

1.3 數(shù)值分析

在流體動(dòng)力潤滑條件下，織構(gòu)陣列對(duì)摩擦副摩擦學(xué)性能的影響可以用摩擦學(xué)特征來表示：

(1) 無量綱平均油膜承載力；

(2) 無量綱平均油膜剪切力；

(3) 平均摩擦系數(shù)。

承載力是通過積分下壁面的壓力來計(jì)算的，可以用下式表示：

Fz=?p(x,y)dxdy

(7)

式中，F(xiàn)z—— 承載力

p(x,y) —— 壓力分布函數(shù)

平均油膜承載力的無量綱形式由下式得到：

(8)

式中，St—— 下壁面的面積

油膜剪切力是通過在整個(gè)計(jì)算域內(nèi)沿下壁面的y軸積分剪應(yīng)力來計(jì)算：

Fy=?τ′dxdy

(9)

式中，F(xiàn)y—— 剪切力

τ′ —— 剪應(yīng)力

平均油膜剪切力的無量綱形式可由下式得到：

(10)

摩擦系數(shù)定義為無量綱平均油膜剪切力與無量綱平均油膜承載力之比，可表示為:

(11)

其中，f是摩擦系數(shù)。剪切力越小，承載力越大，摩擦系數(shù)越小，在流體動(dòng)力潤滑下表現(xiàn)良好的摩擦學(xué)性能。

利用ANSYS ICEM軟件對(duì)計(jì)算區(qū)域的三維模型進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格質(zhì)量均高于0.87，如圖4、圖5所示。如圖3所示，織構(gòu)單元左右壁面采用壓降的周期性邊界，上下壁面采用無滑移壁面邊界，設(shè)置織構(gòu)單元下壁面固定，上壁面運(yùn)動(dòng)。周期性邊界梯度由摩擦副兩端壓力差pn-pi與摩擦副軸向長度l比值計(jì)算，表達(dá)式如下：

圖4 計(jì)算域網(wǎng)格

圖5 網(wǎng)格質(zhì)量

(12)

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)，其空化壓力設(shè)置為3.168×10-6MPa，動(dòng)力黏度η取1.003×10-3N·s/m2，密度ρ取998.2 kg/m3。

圖6 無量綱平均油膜承載力計(jì)算誤差和計(jì)算時(shí)間的變化

不同形貌的織構(gòu)結(jié)構(gòu)有所差別，為了便于分析，引入面積率Sp作為參考，其中Sd為凹坑面積，St為織構(gòu)單元面積，對(duì)于球冠形和圓柱形λ=π，菱形和正方形λ=4，三角形λ=2；CFD仿真關(guān)鍵參數(shù)如表1所示，面積率定義為：

表1 CFD仿真參數(shù)

(13)

2 織構(gòu)形貌和排布方式對(duì)摩擦副摩擦特性的影響

2.1 織構(gòu)單元壓力分布

由圖7可知，由于流體動(dòng)壓潤滑楔效應(yīng)，流體流入收斂楔產(chǎn)生正壓而流入發(fā)散楔產(chǎn)生負(fù)壓，且收斂楔的正壓區(qū)及發(fā)散楔的負(fù)壓區(qū)均集中在織構(gòu)單元凹坑內(nèi)部；核心區(qū)域最高壓力和最低壓力受收斂楔和發(fā)散楔形貌影響，直角楔過渡的最高壓力和最低壓力的絕對(duì)值相對(duì)比平滑過渡的弧狀楔要大。球冠形織構(gòu)區(qū)壓力過渡較為平緩，最高壓力和最低壓力的絕對(duì)值相對(duì)比其他直角楔要低；正(反)三角形織構(gòu)中規(guī)則排布的最高壓力和最低壓力的絕對(duì)值均大于錯(cuò)開排布的最高壓力和最低壓力的絕對(duì)值；除三角形織構(gòu)外，其他形貌織構(gòu)最高壓力與最低壓力的絕對(duì)值比較呈相同趨勢(shì)，規(guī)則排布的織構(gòu)最高壓力均大于錯(cuò)開排布的織構(gòu)最高壓力，而錯(cuò)開排布的織構(gòu)最低壓力的絕對(duì)值均大于規(guī)則排布的織構(gòu)最低壓力的絕對(duì)值。6種形貌及2種不同排布方式的織構(gòu)最高壓力均大于最低壓力的絕對(duì)值，且正壓區(qū)的面積也比負(fù)壓區(qū)的面積大，因此在織構(gòu)單元間油膜能產(chǎn)生正的綜合承載力,但6種形貌及不同排布方式條件下負(fù)壓均高于水的空化壓力，因此在整個(gè)仿真過程中均未出現(xiàn)空化現(xiàn)象。

圖7 不同形貌及不同排布下織構(gòu)單元壓力分布云圖

2.2 織構(gòu)排布方式對(duì)織構(gòu)單元摩擦副摩擦學(xué)特性的影響

為了定量比較上述6種不同形貌及2種不同排布方式下的綜合潤滑特性，進(jìn)一步仿真得到不同雷諾數(shù)下織構(gòu)單元無量綱平均油膜承載力與無量綱平均油膜剪切力，如圖8所示，6種不同形貌的織構(gòu)單元產(chǎn)生的有效平均油膜承載力均為正值，球冠形、圓柱形和菱形的無量綱平均油膜承載力大于其他3種形貌，形貌為規(guī)則排布的織構(gòu)無量綱平均油膜承載力明顯大于形貌為錯(cuò)開排布的織構(gòu)平均油膜承載力。當(dāng)Re=25時(shí)，織構(gòu)形貌為圓柱形具有較大的無量綱平均油膜承載力，比較3種雷諾數(shù)下的無量綱平均油膜承載力變化，形貌為圓柱形織構(gòu)單元在整個(gè)仿真中，無量綱平均油膜承載力變化具有波動(dòng)性，其他形貌織構(gòu)單元無量綱平均油膜承載力變化較為平穩(wěn)。無量綱平均油膜剪切力隨雷諾數(shù)增大而增大，剪切力大小變化趨勢(shì)較為一致，且2種排布下不同形貌的織構(gòu)無量綱平均油膜剪切力大小基本相等，因此，無量綱平均油膜承載力越大,摩擦系數(shù)越小。由于規(guī)則排布的織構(gòu)單元的無量綱平均油膜承載力均遠(yuǎn)大于錯(cuò)開排布的織構(gòu)單元的無量綱平均油膜承載力，而兩者的無量綱平均油膜剪切力近似相等，導(dǎo)致規(guī)則排布的織構(gòu)平均摩擦系數(shù)遠(yuǎn)小于錯(cuò)開排布織構(gòu)單元，為此本研究后續(xù)只討論規(guī)則排布的織構(gòu)形貌。

圖8 不同雷諾數(shù)下織構(gòu)單元無量綱平均油膜承載力與無量綱平均油膜剪切力(Sp=12.5%)

2.3 雷諾數(shù)對(duì)不同形貌織構(gòu)單元摩擦副摩擦特性的影響

面積率為SP=12.5%， 在不同形貌的情況下， 摩擦特性隨雷諾數(shù)的變化曲線如圖9所示。由圖可知，隨著雷諾數(shù)的增大，無量綱平均油膜承載力和無量綱平均油膜剪切力均表現(xiàn)出增大趨勢(shì)，當(dāng)雷諾數(shù)從25增加到50，無量綱平均油膜承載力和無量綱平均油膜剪切力要比雷諾數(shù)從50增加到100增加的相對(duì)緩慢一些，而平均摩擦系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化呈現(xiàn)先減小后增大趨勢(shì)，且雷諾數(shù)Re=50時(shí)，平均摩擦系數(shù)最小。菱形織構(gòu)單元表現(xiàn)出良好的摩擦學(xué)特性，無量綱平均油膜承載力最大，無量綱平均油膜剪切力最小，平均摩擦系數(shù)最小，球冠形織構(gòu)單元次之。由此可見，合理的選擇雷諾數(shù)和織構(gòu)形貌，織構(gòu)單元能表現(xiàn)出良好的摩擦學(xué)性能。

圖9 雷諾數(shù)對(duì)不同形貌織構(gòu)單元摩擦特性的影響

2.4 面積率對(duì)不同形貌織構(gòu)單元摩擦副摩擦特性的影響

圖10顯示了在雷諾數(shù)(Re=50)條件下，不同形貌織構(gòu)單元摩擦特性隨面積率的變化。如圖10a所示，不同形貌織構(gòu)單元無量綱平均油膜承載力變化趨勢(shì)基本相同，且隨面積率的增加而增加。菱形和球冠形織構(gòu)單元的無量綱油膜承載力相對(duì)其他形貌的織構(gòu)單元無量綱平均油膜承載力要高，反三角形織構(gòu)單元無量綱平均油膜剪切力最低。無量綱平均油膜剪切力隨面積率的變化趨勢(shì)如圖10b所示，不同面積率下的無量綱平均油膜剪切力變化趨勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定，且不同形貌下的織構(gòu)單元無量綱油膜剪切力大小相差很小。從圖10c中可以得出，不同形貌織構(gòu)單元摩擦系數(shù)變化表現(xiàn)出一致的趨勢(shì)，摩擦系數(shù)隨著面積率的增加而減小。當(dāng)面積率從4.5%增加到8%時(shí)，球冠形織構(gòu)單元無量綱平均油膜承載力相對(duì)于菱形較大，而當(dāng)面積率從8%增加到12.5%時(shí)，恰好相反，菱形織構(gòu)單元無量綱平均油膜承載力比球冠形大，而兩種形貌的無量綱油膜剪切力大小變化趨勢(shì)一致，導(dǎo)致面積率從4.5%增加到8%時(shí)，球冠形織構(gòu)單元平均摩擦系數(shù)相對(duì)于菱形織構(gòu)單元較小，而當(dāng)面積率從8%增加到12.5%時(shí)，菱形織構(gòu)單元綱平均摩擦系數(shù)比球冠形織構(gòu)單元較小。

圖10 面積率對(duì)不同形貌織構(gòu)單元摩擦特性的影響

3 結(jié)論

(1) 織構(gòu)的微觀形貌以及排布方式對(duì)織構(gòu)單元的壓力分布影響較大， 規(guī)則排布的織構(gòu)單元?jiǎng)訅撼休d特性優(yōu)于錯(cuò)開排布的織構(gòu)單元。球冠形、圓柱形、菱形相對(duì)其他形貌均能產(chǎn)生較大正壓分布和承載力，但6種不同形貌的織構(gòu)單元具有動(dòng)壓潤滑性能；

(2) 通過適當(dāng)設(shè)計(jì)織構(gòu)尺寸參數(shù), 有助于改善摩擦副摩擦學(xué)性能。對(duì)于一定的面積率下，存在最優(yōu)的雷諾數(shù)Re=50,可以使織構(gòu)單元的平均摩擦系數(shù)達(dá)到最低；

(3) 在最優(yōu)的雷諾數(shù)下，織構(gòu)單元摩擦系數(shù)隨著面積率的增加而減小且最后趨于穩(wěn)定，菱形和球冠形織構(gòu)相對(duì)其他形貌的織構(gòu)具有較大的承載力和較小的摩擦系數(shù)。