T形溝槽表面織構(gòu)對金屬-橡膠密封副摩擦性能的影響

唐杰，曾杰，魯鑫

(中國民航大學航空工程學院，天津 300300)

0 前言

近年來，隨著國民經(jīng)濟的增長，民航業(yè)發(fā)展尤為迅速，柱塞泵作為飛機液壓系統(tǒng)中最關鍵的動力元件，其使用壽命直接影響飛機的安全性能，其中位于壓力端的金屬-橡膠密封副是最易發(fā)生失效的組件之一，主要失效形式為腐蝕條件下的磨粒磨損。在橡膠表面進行織構(gòu)是可以有效提高潤滑摩擦副表面摩擦性能的技術，可以有效改善金屬-橡膠摩擦副的摩損情況。孫建芳等分別在干摩擦與油潤滑條件下分析了不同織構(gòu)的摩擦性能，發(fā)現(xiàn)與未織構(gòu)表面相比，織構(gòu)表面的減摩效果更好。蘇峰華等進一步研究了潤滑工況下不銹鋼表面不同深度微溝槽的摩擦性能，結(jié)果表明：微溝槽深度的變化顯著影響不銹鋼表面的摩擦性能，且當微溝槽深度為 10 μm時，產(chǎn)生的楔形效應最好。表面織構(gòu)對減摩性能的影響一直是學術界研究的重點。諸多摩擦學領域的專家學者已經(jīng)對摩擦過程進行了理論性的探究，目前普遍認為表面織構(gòu)的作用機制為邊界潤滑狀態(tài)下的附加流體動壓效應、二次潤滑效應以及干摩擦下狀態(tài)下的容納磨屑作用。ETSION、RYK、KLIGERMAN等在密封元件上設計并使用激光加工織構(gòu)，通過大量試驗發(fā)現(xiàn)表面織構(gòu)有明顯的降低試樣摩擦力矩的作用，最高可達 65%。張長桃等發(fā)現(xiàn)織構(gòu)的面積率會對金屬-聚甲醛摩擦副磨損行為產(chǎn)生影響，橡膠織構(gòu)面積率在10%時磨損率最小，而隨著織構(gòu)占比的增加磨損率會增大。王煥杰等發(fā)現(xiàn)在軟材料和硬材料的摩擦副中將織構(gòu)布置在軟材料上摩擦性能最優(yōu)。MENEZES 和KAILAS研究發(fā)現(xiàn)表面織構(gòu)可以捕獲磨屑、保留潤滑劑，有利于消除磨粒磨損，促進轉(zhuǎn)移膜的形成，還可以使接觸面受力更加均勻，增加承載能力。SHI和NI建立了用于計算流體動壓潤滑的CFD 模型，認為油膜承載能力的變化主要取決于微溝槽的數(shù)量與尺寸。表面織構(gòu)圖案的研究主要包括凹坑和溝槽兩大類。溝槽形織構(gòu)已被證實擁有較好的流體動壓效應和捕獲磨屑等作用。但目前，對于T形溝槽表面摩擦性能的研究相對較少，缺少T形溝槽織構(gòu)對摩擦學特性分析。

綜上，本文作者基于流體潤滑原理，建立T形溝槽表面織構(gòu)化金屬-橡膠摩擦副潤滑理論模型，并通過數(shù)值模擬分析T形溝槽不同的寬度系數(shù)比、深度系數(shù)比對金屬-橡膠摩擦副油膜承載能力和摩擦因數(shù)的影響規(guī)律，豐富和完善金屬-橡膠摩擦副溝槽織構(gòu)化條件下的摩擦學理論。

1 理論模型

1.1 幾何模型

采用3000型壓裂泵柱塞-橡膠密封副為研究對象，柱塞工作參數(shù)參照文獻[21]。其中，柱塞直徑為 114.3 mm，沖程為 203 mm，沖次為5.5次/s，往復運動速度取平均速度=2.24 m/s，L-CKD150 潤滑油黏度=0.134 57 Pa·s。在織構(gòu)化金屬表面劃分×的周期排布單元區(qū)域，如圖1(a)所示，以此作為計算單元，設計每條T形溝槽位于單元區(qū)域中心。T形溝槽分為上下兩部分，如圖1(b)所示，上寬為，下寬為，上高為，下高為，金屬與橡膠間的最小油膜厚度即摩擦副間隙為，形溝槽寬度系數(shù)比定義為下部分寬度與上部分寬度的比值，為=。溝槽深度系數(shù)比定義為下部分深度與上部分深度的比值，為=。文中除特別說明外，織構(gòu)方向都默認為方向，速度為方向。

圖1 T形溝槽示意

1.2 數(shù)學模型

目前對織構(gòu)的研究主要通過試驗開展，但由于試驗要求精度高、成本大、周期長，甚至可能因為一些外界因素使得到的結(jié)果與原結(jié)果相反。用數(shù)學模型構(gòu)建織構(gòu)參數(shù)可以有效避免此類問題，在幾何模型中，織構(gòu)處于單元模型的中間位置，油膜厚度的變化是織構(gòu)處產(chǎn)生額外壓力的基本條件。文中設置橡膠材料為三元乙丙橡膠。LI等研究三元乙丙橡膠的性能，發(fā)現(xiàn)它在加入和不加入增塑劑的情況下，其彈性模量都大于1.5×10Pa。SHINKARENKO等研究發(fā)現(xiàn)，對于軟材料和硬材料的接觸問題，當軟材料的彈性模量大于1×10Pa時可以忽略軟材料對油膜厚度的影響。由此可以得出油膜厚度的方程:

(1)

式中：為最小油膜厚度；為表面織構(gòu)的厚度。

文中僅考慮密封副在全油潤滑的狀態(tài)下，基于經(jīng)典Reynolds方程建立柱塞-橡膠密封副表面壓力分布的數(shù)學方程：

(2)

式中：、分別為選擇單元的長度；為選擇的液壓油密度；為液壓油的動力黏度；為油膜厚度；為油膜壓力；為兩摩擦副的相對運動速度。

在整個控制單元內(nèi)，將表面壓力進行區(qū)域積分，可以獲得油膜承載力:

(3)

利用剪切應力計算區(qū)域積分，即為摩擦力：

(4)

織構(gòu)化表面的摩擦因數(shù)為摩擦力和油膜承載力的比值，即：

=

(5)

2 仿真模擬

2.1 仿真模型建立

通過ANSYS-DesignModeler軟件，建立織構(gòu)三維流體模型，如圖2所示。選用25.36×10的網(wǎng)格進行仿真計算模擬。為保證計算精度,選擇六面體網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分，并在邊界處加密處理。

圖2 三維流體模型

為更接近真實試驗條件，設定面為動壁面，并給定速度為1 m/s，入口以及出口設置為壓力進口以及出口，壓力等于標準大氣壓，其余壁面為固定壁面，流體區(qū)域的密度為850 kg/m，動力黏度為0.046 78 Pa·s。

2.2 仿真試驗設計

參照文獻[24]，設置溝槽織構(gòu)面積比為72%、=150 μm、=5 μm、=10 μm。將T形溝槽寬度比與深度比一一配對，形成如表1所示的仿真試驗分組。通過改變T形溝槽下部分的寬度，控制溝槽的寬度系數(shù)比，設置下部分寬度分別為30、60、90、120、150 μm，對應寬度系數(shù)比分別為20%、40%、60%、80%、100%。同理，通過改變T形溝槽下部分的深度控制溝槽的深度系數(shù)比，設置下部分深度分別為1、2、3、4、5 μm，對應深度系數(shù)比分別為20%、40%、60%、80%、100%。

表1 仿真試驗分組

3 計算結(jié)果與分析

3.1 T形溝槽織構(gòu)對油膜承載力的影響

按照表1對不同寬度系數(shù)比和深度系數(shù)比的T形溝槽進行流體動壓性能大小規(guī)律的研究。圖3所示為T形溝槽寬度系數(shù)比和深度系數(shù)比對油膜承載力的影響規(guī)律。

圖3 α和β對油膜承載能力的影響

控制單一變量，在深度系數(shù)比相同情況下分析寬度系數(shù)比對承載力的影響。分別在一至五組中橫向?qū)Ρ扔湍こ休d能力，可得：隨著T形溝槽寬度系數(shù)比的增加，油膜承載力先增大后減小再增大，在寬度系數(shù)比為40時油膜承載力最大，當寬度系數(shù)比大于40時油膜承載力會先減小再急劇增大。這是因為當寬度系數(shù)比增大時，T形溝槽上下兩部分的協(xié)同作用增強，溝槽織構(gòu)儲存油液的能力增大，同時會增大T形溝槽織構(gòu)內(nèi)部潤滑油的渦流強度，油液慣性效應增強，使得油膜承載力增大，在寬度比系數(shù)為40%處達到最大；隨著T形溝槽寬度比的增加，下部分體積增加，渦流強度下降導致油液慣性效應減弱，同時，織構(gòu)的承壓區(qū)逐漸減少，導致油膜承載力減??；隨著寬度比系數(shù)進一步增大到100%，T形溝槽織構(gòu)會轉(zhuǎn)變?yōu)榫匦螠喜劭棙?gòu)，其內(nèi)部渦流區(qū)會發(fā)生突變，油液慣性效應改變使承載力發(fā)生突變。

同理，在寬度系數(shù)比相同的情況下分析深度系數(shù)比的變化對承載力的影響。對比一至五組油膜承載力，可得：隨著深度系數(shù)比的增加，油膜承載力先增加后減小，在深度系數(shù)比為40～60時承載力最優(yōu)。在深度系數(shù)比較小的時候，相對較小，相對較大，T形槽下部分深度較淺，其整體承壓能力較差，油膜承載力較差，同時，由于下部分深度較淺會導致渦流區(qū)較小，其渦流強度大小反映出的油液慣性效應也會減小。隨著深度系數(shù)比的增加，和的相對尺寸變化，的增加和織構(gòu)協(xié)同效果的逐漸顯現(xiàn)，使得油膜承載力增加，在深度比為40～60時，2種影響因素使得油膜承載力達到最優(yōu)；當再次逐漸增加時，織構(gòu)協(xié)同效果降低，整體承壓因素較織構(gòu)協(xié)同效果相比影響較小，其整體油膜承載力降低。

圖4所示為在寬度系數(shù)比40%-深度系數(shù)比60%條件下T形溝槽織構(gòu)對于油膜承載力的影響仿真結(jié)果。可知：T形溝槽織構(gòu)的存在使得油膜內(nèi)部的壓力發(fā)生了梯度變化，并且在織構(gòu)內(nèi)部，沿著速度方向，油膜壓力在T形溝槽織構(gòu)左端先出現(xiàn)了壓力發(fā)散，在織構(gòu)右端壓力升高，兩側(cè)形成了動壓效應。這對于增大油膜壓力起著積極作用。

圖4 寬度系數(shù)比40%-深度系數(shù)比60%織構(gòu)條件下油膜內(nèi)部壓力

為進一步說明油膜壓力梯度變化的成因，對該模型的-截面進行分析。圖5所示為該截面軸線上油膜壓力變化曲線圖，圖6所示為該截面上的潤滑油壓力分布及速度矢量云圖。由圖 6(b)可知：在T形溝槽織構(gòu)的右端有一定的渦流區(qū)，渦流的強度大小可反映出潤滑油內(nèi)慣性效應的強弱，慣性效應的出現(xiàn)在一定程度上增大了油膜的承載力。

圖5 A-B橫截面上油膜壓力變化曲線

圖6 A-B橫截面上油膜壓力與速度分布圖

3.2 T形溝槽織構(gòu)對等效摩擦因數(shù)的影響

按照表1對不同寬度系數(shù)比和深度系數(shù)比的T形溝槽進行流體動壓性能規(guī)律的研究。圖7所示為T形溝槽寬度系數(shù)比和深度系數(shù)比對摩擦因數(shù)的影響規(guī)律。

圖7 α和β對摩擦因數(shù)的影響

控制單一變量，在深度系數(shù)比相同情況下分析寬度系數(shù)比對摩擦因數(shù)的影響。分別在一至五組中橫向?qū)Ρ饶Σ烈驍?shù)，可得：隨著T形溝槽寬度系數(shù)比α的增加，摩擦因數(shù)先下降后急劇上升，寬度系數(shù)比在趨近60%時有明顯上升隨后又逐漸下降。這是因為，當寬度系數(shù)比增大時，T形溝槽上下兩部分的協(xié)同作用增強，溝槽織構(gòu)儲存油液的能力增強，同時流體動壓效應增大，且T形溝槽織構(gòu)內(nèi)部潤滑油的渦流強度得到增強，油液慣性效應增強，從而提高織構(gòu)化表面的整體承載能力，減小摩擦因數(shù)，在寬度比系數(shù)為40%處達到最小。隨著T形溝槽寬度比的增加，下部分體積增加，渦流強度下降導致油液慣性效應減弱，同時，織構(gòu)的承壓區(qū)逐漸減少，導致織構(gòu)化表面的整體承載能力降低。隨著寬度比系數(shù)進一步增大到100%，T形溝槽織構(gòu)會轉(zhuǎn)變?yōu)榫匦螠喜劭棙?gòu)，其內(nèi)部渦流區(qū)會發(fā)生突變，油液慣性效應和流體動壓效應的改變使承載力發(fā)生突變。圖8所示為寬度系數(shù)比為40%和100%的溝槽橫截面示意圖，可以直觀地看出T形溝槽轉(zhuǎn)變?yōu)榫匦螠喜郏藭r，其產(chǎn)生的流體動壓效應增大，從而提高了織構(gòu)化表面的整體承載能力，降低織構(gòu)化表面摩擦力，減小摩擦因數(shù)。

圖8 不同寬度系數(shù)比時溝槽橫截面示意

同理，在寬度系數(shù)比相同的情況下分析深度系數(shù)比的變化對摩擦因數(shù)的影響。對比一至五組摩擦因數(shù)可得，隨著深度系數(shù)比的增加，摩擦因數(shù)先減小后增加，在深度系數(shù)比為40～60時摩擦因數(shù)最優(yōu)。深度系數(shù)比較小的時候，相對較小，相對較大，T形槽下部分深度較淺，其整體承壓能力較差，油膜承載力較差；同時，由于下部分深度較淺會導致渦流區(qū)較小，其渦流強度大小反映出的油液慣性效應也會減小。隨著深度系數(shù)比的增加，和的相對尺寸發(fā)生變化，由于的增加增強了織構(gòu)上下兩部分的協(xié)同效果，且隨著流體動壓區(qū)域增大及渦流強度的增加，油膜承載力增強，摩擦因數(shù)減小，在深度比為40～60時，2種影響因素使油膜承載力達到最優(yōu)。當再次逐漸增加，織構(gòu)協(xié)同效果降低，且表面剪切力增大，進而使得摩擦力增大，摩擦因數(shù)減小。

4 結(jié)論

(1)T形溝槽織構(gòu)可以產(chǎn)生較好的動壓效應，使得油膜內(nèi)部壓力發(fā)生梯度變化，并且在織構(gòu)內(nèi)部沿速度方向，油膜內(nèi)壓力在T形溝槽織構(gòu)左端先出現(xiàn)了壓力分散，而織構(gòu)右端壓力升高，形成了動壓效應。

(2)在流體動壓潤滑狀態(tài)下，T形溝槽寬度系數(shù)的增大，使流體動壓區(qū)域得到擴大，進而提高了油膜承載力，摩擦因數(shù)減小。寬度系數(shù)比大于40%后，T形溝槽上下兩部分的協(xié)同作用減弱，同時織構(gòu)右端的渦流強度減弱，油液慣性效應減小，使油膜承載能力下降。寬度系數(shù)比增大到1時，T形溝槽織構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫匦慰棙?gòu)，增強了動壓效應。最優(yōu)寬度系數(shù)比為40%。

(3)T形溝槽深度系數(shù)比的增加，使T形溝槽上下兩部分織構(gòu)的協(xié)同作用增大，同時流體動壓區(qū)域擴大，承載能力增大。深度系數(shù)比過大，會降低兩部分之間的協(xié)同作用，承載能力下降。最佳深度系數(shù)比為40%～60%。