仿生織構(gòu)形態(tài)對缸套-活塞環(huán)摩擦學(xué)性能的影響*

呂永剛 饒 響，2 郭智威，2

(1.武漢理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 湖北武漢 430063；2.國家水運安全工程技術(shù)研究中心，可靠性工程研究所 湖北武漢 430063)

柴油機作為航運行業(yè)最重要的動力裝置，具有經(jīng)濟性好、可靠性強、機動性好等優(yōu)點。缸套-活塞環(huán)作為柴油機最重要的摩擦副之一,承擔(dān)著密封、導(dǎo)熱等作用，其工作環(huán)境惡劣，往往伴隨著高溫、高壓以及劇烈的摩擦磨損。據(jù)不完全統(tǒng)計，約80%船機零件的失效是由于磨損造成的,并且缸套-活塞環(huán)摩擦副的摩擦損耗占柴油機總摩擦損失45%～65%[1]。因此改善該配副的摩擦條件，對柴油機的可靠性，經(jīng)濟性，環(huán)境友好性具有重要作用。

相關(guān)研究均表明適宜尺度的表面織構(gòu)能改善缸套活塞環(huán)摩擦副的潤滑條件，提高油膜承載能力，減少其工作過程中的摩擦磨損[2-3],近年來關(guān)于表面織構(gòu)技術(shù)對摩擦副表面摩擦學(xué)性能影響的研究不斷發(fā)展，文獻[4]的研究表明V形凹槽能有效增加油膜厚度改善潤滑條件;文獻[5]的研究結(jié)果表明織構(gòu)間具有協(xié)同潤滑效應(yīng)，且相較于溝槽型織構(gòu)，凹坑型織構(gòu)能更好地發(fā)揮這種效應(yīng)。在微凹坑織構(gòu)的研究中，文獻[6]研究了一種陣列式排布的微凹坑織構(gòu)對機缸套-活塞環(huán)系統(tǒng)摩擦性能的影響，結(jié)果表明在合適的工況下微凹坑織構(gòu)才會改善摩擦副的摩擦性能;文獻[7]研究了圓形、正方形和橢圓形3種微凹坑陣列，結(jié)果表明隨著載荷的增大，3種織構(gòu)的減磨效果逐漸降低。

在微凹坑織構(gòu)的研究中，研究對象多為陣列排布的微凹坑織構(gòu)，但在重載荷下陣列排布的織構(gòu)存在一定的局限性。隨著研究的深入，相關(guān)學(xué)者開展了對微凹坑織構(gòu)排布模式的研究。文獻[8]的研究表明織構(gòu)單元的排布模式對動壓承載能力有較大影響；文獻[9]的研究表明微凹坑相對位置變化對表面織構(gòu)的減摩性能具有很大的影響；文獻[10]的研究表明對微凹坑織構(gòu)進行合理的排布，使其錯開一定角度可明顯改善磨損形貌減少劃痕。

上述研究表明，對微凹坑織構(gòu)的排布模式進行研究，可作為微凹坑織構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的有效途徑。相關(guān)研究表明，可通過對仿生表面形態(tài)進行簡化處理得到預(yù)期的表面性能[11]。文獻[12-13]的研究表明，新疆巖蜥與變色沙蜥體表的耐磨減損機制均與其鱗片排布形式有關(guān)，覆瓦狀的鱗片排布形式加強了其鱗片抵抗沙粒沖蝕磨損的能力。這對于微凹坑織構(gòu)的排布形式的研究有一定的借鑒作用。

為了進一步探究微凹坑織構(gòu)的排布形式在表面織構(gòu)技術(shù)中的作用，并用于改善缸套-活塞環(huán)的摩擦學(xué)性能，本文作者選取具有對稱性V形特征的菱形微凹坑織構(gòu)作為織構(gòu)的基本單元，同時參考新疆巖蜥與變色沙蜥鱗片的分布特征，設(shè)計了一種仿生排布的織構(gòu)凹坑；應(yīng)用激光刻蝕技術(shù)將其加工在缸套切片內(nèi)表面，并使用陣列排布的紋理以及未經(jīng)處理的原始缸套作對照，通過往復(fù)摩擦磨損試驗機考察其在不同工況下的摩擦學(xué)行為。

1 試驗部分

1.1 試驗方法

試驗在MWF-10微機控制的往復(fù)式摩擦磨損試驗機上進行，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。該試驗機利用微電機的倒拖帶動夾具，實現(xiàn)缸套的往復(fù)運動，轉(zhuǎn)速的大小可由微電機的調(diào)節(jié)控制，載荷則是由機械加壓裝置實現(xiàn)預(yù)設(shè)接觸壓力。該試驗機由驅(qū)動裝置、傳動裝置、加載裝置、夾緊裝置及數(shù)據(jù)采集設(shè)備(壓力傳感器、摩擦力傳感器、接觸電阻測量模塊、USB6009數(shù)據(jù)采集卡)構(gòu)成。

圖1 MWF-10 摩擦磨損試驗機模型[5]

1.2 試樣制備

試驗采用S195型號缸套-活塞環(huán)組，使用線切割技術(shù)分別獲得尺寸為80 mm×120 mm的缸套切片，以及長度為60 mm的活塞環(huán)切片。使用大族牌激光刻蝕機對缸套內(nèi)表面進行紋理的加工(加工前使用乙醇溶液對缸套進行清洗)。在激光刻蝕機控制軟件中通過對織構(gòu)紋理的合理編排，設(shè)置相關(guān)工作參數(shù)，使缸套表面加工的紋理尺寸一致。激光刻蝕機工作參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 激光刻蝕機加工紋理的工作參數(shù)

在織構(gòu)的表面占有率的選取方面，文獻[14]的研究表明，凹坑表面占有率在15%左右時缸套-活塞環(huán)摩擦副的潤滑性能最佳；文獻[15]的研究表明，較低的表面占有率(7%、12%～14%)更有利于流體潤滑狀態(tài)的建立，綜合考量潤滑效果與加工難度，文中試驗選取表面占有率為12.5%。

通過激光刻蝕技術(shù)在缸套切片內(nèi)部加工2種不同排布形式的紋理，具體的表面紋理結(jié)構(gòu)及參數(shù)如圖2、3所示。圖4為試樣加工后的實機缸套表面紋理圖，且2種形式的織構(gòu)表面占有率均約為12.5%。

圖2 單個紋理結(jié)構(gòu)具體參數(shù)

圖3 不同表面結(jié)構(gòu)缸套的具體表面紋理形貌

圖4 不同表面結(jié)構(gòu)缸套的實機缸套表面紋理

1.3 摩擦磨損試驗

試驗以仿生排布的菱形織構(gòu)為研究對象，并與原始缸套和陣列排布的菱形織構(gòu)性能進行比較。試驗在MWF-10往復(fù)式摩擦磨損試驗機上進行，通過改變不同的工況對3種缸套-活塞環(huán)組進行試驗。

為了模擬船用低速機的工況，探究上述3種缸套-活塞環(huán)組在不同載荷下的工作情況，設(shè)計試驗轉(zhuǎn)速均為100 r/min，載荷分別為200、400、600 N，每組試驗進行90 min。試驗所用滑油為70 N中性基礎(chǔ)油，溫度為40 ℃時運動黏度為14 mm2/s，滑油供給量為0.8 mL/min。試驗過程中通過壓力傳感器、摩擦力傳感器、接觸電阻測量模塊，對壓力、摩擦力、油膜電阻進行測量；通過數(shù)據(jù)采集卡以及Labview自編程序?qū)υ囼炦^程中的數(shù)據(jù)進行實時采集并儲存，數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)置為10 Hz。

2 結(jié)果與分析

2.1 接觸電阻

由于潤滑油膜與缸套和活塞環(huán)這類金屬導(dǎo)體電阻率相差較大，通過在缸套-活塞環(huán)摩擦副之間施加測量電路，可測得缸套-油膜-活塞環(huán)組成的系統(tǒng)的電阻值的大小。由于金屬導(dǎo)體電阻較小，接觸電阻的主要影響來自油膜厚度，因此可通過接觸電阻的大小判斷油膜厚度[16]，了解油液潤滑情況。

圖5顯示了不同工況下整個摩擦試驗過程中接觸電阻的實時變化，圖6顯示了不同工況下各組試驗的全程平均接觸電阻值的大小。由圖5(a)、(b)可知，在輕載荷200 N和中載荷400 N的工況下，織構(gòu)組在整個試驗過程中的接觸電阻均大于原始缸套組。

圖5 不同載荷下各缸套組的全程接觸電阻

圖6 不同載荷下各缸套組的平均接觸電阻

在輕載荷200 N的工況下，相較于原始缸套組，仿生排布的織構(gòu)與陣列排布的織構(gòu)平均接觸電阻分別提高了368%、266%。在中載荷400 N的工況下，相較于原始缸套組，仿生排布的織構(gòu)與陣列排布的織構(gòu)平均接觸電阻分別提高了188.4%、91.3%。在重載荷600 N的工況下，由圖5(c)可知，陣列排布的織構(gòu)在試驗過程中的接觸電阻走勢與原始缸套幾乎相同，且后期原始缸套組的接觸電阻略高于陣列排布的織構(gòu)組，而仿生排布的織構(gòu)組的平均接觸電阻相較于原始缸套組提高了65.8%。

通過接觸電阻的對比可知，在輕載荷200 N及中載荷400 N的工況下2種排布形式的織構(gòu)的接觸電阻均高于原始缸套組，實現(xiàn)了潤滑效果的改善，其中仿生排布的織構(gòu)的成膜效果要優(yōu)于陣列排布的織構(gòu)。在400 N的工況下，原始缸套組的接觸電阻在后期有小幅度的升高，但表面織構(gòu)的缸套在接觸電阻上仍有一定的優(yōu)勢。在600 N的重載荷下，由于載荷過高，在摩擦副之間難以形成足夠壓力的油膜，陣列排布的織構(gòu)對油膜的形成并沒有產(chǎn)生促進作用，而仿生排布的織構(gòu)仍能形成一定厚度的油膜，擁有比原始缸套更強的承載能力與更好的潤滑效果。

由于缸套表面紋理是由激光加工而成，對缸套表面造成了一定的破壞，當(dāng)表面受到載荷時，織構(gòu)凹坑附近一定區(qū)域范圍內(nèi)會產(chǎn)生應(yīng)力集中。在摩擦副工作過程中在載荷的作用下，菱形織構(gòu)凹坑受到擠壓，V形尖端部分釋放凹坑儲存的油液，緩解摩擦。陣列排布的織構(gòu)相較于仿生排布的織構(gòu)凹坑間距離較小，局部應(yīng)力集中程度較大，這就是重載荷下陣列排布的織構(gòu)成膜效果不佳的原因。而仿生排布的織構(gòu)極大程度地分散了織構(gòu)凹坑，減少了應(yīng)力集中的程度，避免局部壓力過大影響油膜的建立。仿生排布的織構(gòu)實現(xiàn)了往復(fù)運動方向上的織構(gòu)紋理特征的全覆蓋，有利于對摩擦副全局進行油液的補充與更新，增強了動壓油膜形成能力。

在織構(gòu)間的協(xié)同潤滑效應(yīng)的作用下，潤滑油從高壓油膜區(qū)域向低壓區(qū)域移動，油膜相對高壓區(qū)位于織構(gòu)凹坑附近區(qū)域，相對低壓區(qū)為織構(gòu)間區(qū)域，仿生排布的織構(gòu)使得摩擦副間油膜的高、低壓區(qū)域不斷變化，減小了油膜壓力梯度與壓力極差，使得油膜更加穩(wěn)定，改善潤滑效果，整體油膜厚度及接觸電阻值也隨之增大。由此表明織構(gòu)仿生排布這種排布形式增強了織構(gòu)凹坑間的協(xié)同潤滑效應(yīng)的作用效果。

接觸電阻的分析表明，缸套表面織構(gòu)的作用受載荷的影響較大，菱形織構(gòu)對表面成膜潤滑有促進作用，但是成膜效果受到排布形式的影響較大。在重載下，陣列式排布幾乎對摩擦副之間油膜的形成沒有較為明顯的促進作用，但仿生排布形式便可實現(xiàn)重載荷下壓潤滑條件的改善。仿生排布的織構(gòu)在3種試驗工況下接觸電阻最大，油膜的潤滑作用最強，對摩擦副表面形成了最佳的保護作用。

2.2 平均摩擦因數(shù)

圖7示出了不同載荷下各缸套組的平均摩擦因數(shù)?？梢钥闯?，在200 N的工況下，2種排布形式的織構(gòu)摩擦因數(shù)相近，相較于原始缸套2種織構(gòu)的缸套的摩擦因數(shù)降低了約33.9%；400 N的載荷下3種形式的缸套平均摩擦因數(shù)相差不大，仿生排布的織構(gòu)平均摩擦因數(shù)相較于原始缸套降低了約5%，陣列排布的織構(gòu)則相較于原始缸套提高了約4%；載荷為600 N時原始缸套的平均摩擦因數(shù)則最小，陣列排布的織構(gòu)及仿生排布的織構(gòu)相較于原始缸套平均摩擦因數(shù)分別提高了約14.7%與3.3%，使得能量損耗增加。

圖7 不同載荷下各缸套組的平均摩擦因數(shù)

原始缸套的平均摩擦因數(shù)隨著載荷的增加呈現(xiàn)下降的趨勢，這可能是由于隨著載荷的增加，一定程度上使得摩擦副表面硬化，改善了表面質(zhì)量，使得摩擦副表面耐磨性能增強，摩擦因數(shù)降低。

綜合接觸電阻與平均摩擦因數(shù)的結(jié)果可知，部分試驗組(400 N載荷下的陣列排布的織構(gòu)組，以及600 N載荷下的仿生排布的織構(gòu)組)產(chǎn)生了平均接觸電阻值高于原始缸套但平均摩擦因數(shù)卻增大的現(xiàn)象。這是由于織構(gòu)的存在，在摩擦副運行的過程中活塞環(huán)經(jīng)過織構(gòu)凹坑區(qū)域時接觸條件發(fā)生變化引起的[17]。上述兩實驗組的平均接觸電阻值均高于相同工況下的原始缸套組，說明形成了更好的潤滑條件，有助于摩擦副間滑動摩擦力的降低；但由于活塞環(huán)經(jīng)過織構(gòu)凹坑區(qū)域時接觸條件發(fā)生改變，增加了活塞環(huán)所受的徑向力，同時由于“入口抽吸”現(xiàn)象[18]，活塞環(huán)經(jīng)過織構(gòu)區(qū)域時油膜潤滑效果驟降，綜合影響下使得活塞環(huán)經(jīng)過織構(gòu)區(qū)域時摩擦因數(shù)驟增，產(chǎn)生平均摩擦因數(shù)高于同工況下的原始缸套組的結(jié)果。這種現(xiàn)象會使得摩擦副工作過程中能量損耗增加，同時隨著載荷的增加，其對缸套-活塞環(huán)摩擦副的摩擦學(xué)性能的影響也逐漸不可忽視，后期可通過優(yōu)化織構(gòu)凹坑尺寸緩解這種現(xiàn)象，以減小機械能的損失。

2.3 表面形貌

利用激光干涉位移表面輪廓儀對試驗后的缸套進行測量，可直觀反映試驗后缸套表面的磨損情況，分析各試驗組的磨損過程及耐磨減摩原理。

表面形貌測量時測量評價區(qū)域S尺寸為0.8 mm×0.8 mm，選取輪廓均方根偏差Sq、表面支承指數(shù)Sbi2個特征參數(shù)對磨損后的表面進行評價[19]。為了減少誤差，避免結(jié)果的偶然性，對缸套內(nèi)表面選取4個位置進行測量，取4個位置數(shù)據(jù)的平均值作為最終形貌參數(shù)進行分析。表2為2種參數(shù)的平均值，圖8—10所示為不同載荷下各組缸套內(nèi)表面的三維形貌。

圖8 不同載荷下原始缸套表面形貌

表2 試驗后表面參數(shù)的平均值

評價區(qū)域S

S={(x,y)∣x∈[a,b],y∈[c,d]}

(1)

最小二乘基準平面方程為

f(xi,yi)=a+bxi+cyj

(2)

三維輪廓均方根偏差為

(3)

式中：ηij=z(xi,yi)-f(xi,yi)，其中z(xi,yi)為表面各點的高度數(shù)據(jù)。

表面支承指數(shù)為

(4)

式中:η0.05為輪廓支承表面5%處的輪廓高度;h0.05為η0.05對應(yīng)的標準高度。

圖9 不同載荷下陣列排布的織構(gòu)缸套表面形貌

圖10 不同載荷下仿生排布的織構(gòu)缸套表面形貌

Sq值是輪廓偏距的平方值，相當(dāng)于高度的標準偏差，在相同的工況下Sq值的大小可用以表征摩擦過程中的磨損程度，Sq值越小則摩擦過程中對表面的磨損程度越小。由圖11中可知，3種工況下仿生排布的織構(gòu)Sq值均為最小，原始缸套最大。從整體上看隨著載荷的增加Sq值有所下降，說明載荷增加使摩擦副間微凸體磨損加快，使得表面更平坦。

圖11 不同載荷下各缸套組均方根偏差Sq的趨勢

在3種工況下，仿生排布的織構(gòu)均形成了較厚的油膜，實現(xiàn)了對摩擦副較好的潤滑作用，同時其排布形式能夠最大程度上對織構(gòu)行間產(chǎn)生的磨屑進行收集，極大程度上限制了磨屑的運動以及對表面的刮蹭，使得磨損減少，磨損后表面最為平坦。陣列排布的織構(gòu)雖然在重載荷下無成膜優(yōu)勢，但是織構(gòu)凹坑對磨屑的收集仍有一定的作用，抑制了磨料磨損，磨損后的表面質(zhì)量優(yōu)于原始缸套。而原始光滑缸套磨損情況最為嚴重，在工作過程中隨著磨屑的增加摩擦副間磨損加劇并產(chǎn)生了一定的間隙，為摩擦副間油膜的形成創(chuàng)造了條件，這就是試驗后期原始缸套組接觸電阻存在小幅上升趨勢的原因。

Sbi值為表面支承指數(shù)，可用以表示表面的支承性能，Sbi值越大表示該表面的支承性能越好。從圖12中可以看出，織構(gòu)表面的表面支承指數(shù)相較于原始缸套組均有所提高，在200、400 N載荷下陣列式排布的織構(gòu)的表面支承性能最好，在重載(600 N)的條件下，仿生排布的織構(gòu)的支承性能最好。隨著載荷的增加，原始光滑缸套與仿生排布的織構(gòu)缸套的表面支承性能逐漸增加，表面質(zhì)量有所提升。而陣列排布的織構(gòu)缸套表面支承性能呈現(xiàn)先升高再下降的趨勢。

上述現(xiàn)象主要是由于在滑動摩擦的過程中缸套表面發(fā)生了應(yīng)變硬化[20-21],使得表面硬度有所提高。故隨著載荷的增加，原始缸套表面應(yīng)變硬化程度提高，增強了耐磨性能，減少了不利于負載的形貌的形成，表面支承性能也逐漸升高。磨損后表面支承指數(shù)的差異主要與表面結(jié)構(gòu)有關(guān)，相較于原始表面，織構(gòu)表面的結(jié)構(gòu)強度較低更易發(fā)生應(yīng)變硬化，而仿生排布的織構(gòu)缸套表面由于極大程度上分散了凹坑間距，所以其表面結(jié)構(gòu)強度高于陣列式排布的織構(gòu)表面，故在200、400 N的載荷下表面支承指數(shù)表現(xiàn)為陣列排布的織構(gòu)表面最大，仿生排布的織構(gòu)表面次之，原始缸套表面最小。

在600 N載荷下，在試驗后期陣列排布的織構(gòu)組的接觸電阻低于原始缸套組，潤滑效果不佳，摩擦副間摩擦較為劇烈，積熱嚴重；且其缸套表面結(jié)構(gòu)強度較低，在一系列不利因素的綜合影響下，陣列式排布的織構(gòu)組磨損較為嚴重，導(dǎo)致在600 N的載荷下其表面支承指數(shù)下降。故陣列排布的織構(gòu)組表現(xiàn)為隨著載荷的增加表面支承指數(shù)呈現(xiàn)先升高再減小的趨勢，如圖12所示。在所有試驗的工況下，仿生排布的織構(gòu)的接觸電阻最大，潤滑條件最好，與缸套表面的應(yīng)變硬化效應(yīng)耦合，所以隨著載荷的增加，表面支承指數(shù)增加，且數(shù)值上高于原始缸套組。由于在600 N的載荷下仍能形成較好的潤滑條件，所以在該工況下仿生排布的織構(gòu)組表面支承指數(shù)最高，表面承載能力最好。

圖12 不同載荷下各缸套組表面支承指數(shù)Sbi的趨勢

3 結(jié)論

(1)織構(gòu)的排布形式對油膜厚度的影響較大，這一點在重載荷的工況下極為明顯，合理地優(yōu)化排布形式能夠?qū)崿F(xiàn)較好的動壓潤滑效果，陣列排布的菱形織構(gòu)在重載下對摩擦副的潤滑幾乎沒有促進作用。

(2)仿生排布的菱形織構(gòu)實現(xiàn)了往復(fù)運動方向上織構(gòu)紋理特征的全覆蓋，能夠極大程度上限制磨屑的移動，對磨屑進行收集，有效降低磨損后的表面粗糙度，從而減少磨粒磨損，并增強滑油儲存能力。

(3)仿生排布的菱形織構(gòu)在研究的工況下均能實現(xiàn)摩擦副較好的潤滑效果，提高表面支承能力，且能有效收集磨屑，降低磨損，改善磨損形貌，但在重載下平均摩擦因數(shù)略高于原始缸套，增加了機械能損失。