摩擦界面內(nèi)雜質(zhì)顆粒物的力學(xué)行為研究進(jìn)展*

王繼寒 慕宏祥 劉天霞 湯占岐

(1.北方民族大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院 寧夏銀川 750021;2.北方民族大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 寧夏銀川 750021)

摩擦接觸界面間的固體雜質(zhì)顆粒物對(duì)機(jī)械零部件的安全、穩(wěn)定運(yùn)行及服役壽命有重要影響。固體顆粒物在運(yùn)動(dòng)部件的卷吸、潤滑劑的裹挾、接觸區(qū)域的負(fù)壓等多重因素作用下進(jìn)入摩擦接觸界面間，并在法向載荷作用下，引起摩擦接觸表面擦傷、壓痕、剝落、膠合等，導(dǎo)致摩擦增大、磨損加劇，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起機(jī)械零部件異常升溫、振動(dòng)及提前失效[1-6]。摩擦副內(nèi)的固體雜質(zhì)來源很多，既包括機(jī)械零部件產(chǎn)品在制造過程中產(chǎn)生并殘留于摩擦表面的顆粒，如金屬切削碎屑、鑄造型砂和磨料等，也包括機(jī)器在裝配及維護(hù)保養(yǎng)過程中帶入的雜質(zhì)，潤滑劑制造過程中殘存于其中的雜質(zhì)顆粒，機(jī)械運(yùn)行過程中外部環(huán)境侵入的顆粒等。此外，摩擦副在運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的磨屑也是雜質(zhì)顆粒的重要來源之一[7-9]。

由于雜質(zhì)顆粒的來源不同，其幾何形狀、力學(xué)性能也不同，因此在進(jìn)入摩擦接觸區(qū)后，顆粒的力學(xué)行為會(huì)發(fā)生變化，包括變形、碎裂、嵌藏等幾何形態(tài)的變化，以及滾動(dòng)、滑動(dòng)等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變。顆粒力學(xué)行為的改變，會(huì)對(duì)摩擦副的摩擦性能產(chǎn)生有害或有利的影響[10]。因此，針對(duì)固體雜質(zhì)顆粒物的力學(xué)行為開展研究，厘清顆粒力學(xué)行為的變化規(guī)律，采取有效手段避免摩擦副摩擦性能惡化，或促使摩擦性能改善具有重要意義。

本文作者從固體雜質(zhì)顆粒物對(duì)摩擦性能的影響、顆粒-摩擦副力學(xué)模型以及表面織構(gòu)在摩擦副夾雜顆粒時(shí)的減摩、抗磨效應(yīng)等方面，綜述了近年來在這一領(lǐng)域取得的研究進(jìn)展，并展望了未來的研究重點(diǎn)和發(fā)展趨勢。

1 雜質(zhì)顆粒物對(duì)摩擦、磨損性能的影響

夾雜有雜質(zhì)顆粒的摩擦體系中，顆粒的粒徑與摩擦副間隙尺寸是決定顆粒對(duì)摩擦表面產(chǎn)生影響的前提條件。在流體膜潤滑或混合潤滑狀態(tài)下，如顆粒粒徑小于摩擦表面間隙，則顆粒可被潤滑劑帶出接觸區(qū)，其影響很小[11]；而當(dāng)顆粒粒徑大于潤滑膜厚度或在干摩擦狀態(tài)下，顆粒的作用變得顯著，其對(duì)摩擦、磨損性能的影響取決于顆粒和摩擦表面的力學(xué)性能、顆粒幾何形態(tài)的變化等因素。眾多研究者對(duì)這一領(lǐng)域開展了大量的工作，取得了重要的進(jìn)展。

當(dāng)顆粒材料為塑性，則在摩擦接觸區(qū)入口處，顆粒產(chǎn)生塑性變形并隨著摩擦副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而進(jìn)入接觸區(qū)，同時(shí)接觸表面也發(fā)生彈性或彈塑性變形。若接觸表面存在彈塑性變形，會(huì)導(dǎo)致表面產(chǎn)生凹坑[12]。胡志紅等[13]的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了由于潤滑脂中鐵磁性顆粒的存在會(huì)導(dǎo)致表面凹坑的形成。

當(dāng)顆粒硬度較高且摩擦副有較軟的摩擦面時(shí)，顆粒對(duì)摩擦表面的影響與顆粒的尺寸有關(guān)：粒徑較小的顆粒與摩擦表面產(chǎn)生三體摩擦，并因切削和犁溝效應(yīng)而使較軟的摩擦表面產(chǎn)生損傷；較大的顆粒通過摩擦間隙時(shí)，會(huì)嵌入較軟的摩擦表面而產(chǎn)生壓痕，引起摩擦表面的疲勞磨損，最終導(dǎo)致表面下裂紋產(chǎn)生；而更大的顆粒則在入口處楔入摩擦表面，產(chǎn)生更強(qiáng)烈的切削和犁溝效應(yīng)，并最終碎裂為較小的顆粒[14-15]。

若摩擦對(duì)偶件硬度較高，質(zhì)脆且硬的顆粒難以嵌入摩擦表面時(shí)，顆粒對(duì)摩擦和磨損性能起到促進(jìn)作用。李春霞和閻逢元[16]的研究表明，在干摩擦條件下，硬度高的摩擦表面在沙塵環(huán)境中的磨損率明顯低于無沙塵環(huán)境中的磨損率。原因在于顆粒被高硬度的摩擦表面碾壓成粒徑更小的顆粒，這些顆粒與基體材料表面相結(jié)合，起到增強(qiáng)材料表面的作用；同時(shí)顆粒的存在減小了摩擦對(duì)偶表面的直接接觸，從而使黏著磨損減小。QI等[17]研究了5種不同固體潤滑膜的摩擦磨損性能，發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)膜和軟質(zhì)膜在沙塵條件和無沙塵條件下的摩擦性能有明顯不同，高硬度膜使得沙顆粒很難嵌入摩擦表面，顆粒會(huì)產(chǎn)生明顯的滾動(dòng)效應(yīng)，因此摩擦副的摩擦因數(shù)會(huì)更低。

在干摩擦條件下，顆粒相對(duì)于摩擦表面的運(yùn)動(dòng)形式(滑動(dòng)和滾動(dòng))對(duì)摩擦副的摩擦、磨損性能有不同的影響，而法向載荷、摩擦副和顆粒材料的硬度是確定顆粒運(yùn)動(dòng)形式的主要因素，決定顆粒是否會(huì)嵌入某一摩擦面，或者在摩擦面間作滾動(dòng)或滑動(dòng)?，F(xiàn)有的試驗(yàn)研究中，這些因素對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)形式的影響大多為定性分析，而定量研究的成果較少。今后可進(jìn)一步開展這方面的試驗(yàn)工作，特別是基于顆粒材料的力學(xué)性能，研究載荷與硬度對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)形式的影響。

2 顆粒-摩擦副力學(xué)模型

由于顆粒自身的幾何形狀、硬度和斷裂韌性，以及摩擦副結(jié)構(gòu)和表面硬度的影響，顆粒進(jìn)入摩擦接觸面前后的力學(xué)行為會(huì)發(fā)生變化，包括變形、碎裂、嵌藏等幾何形態(tài)的變化，以及滾動(dòng)、滑動(dòng)等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變，顆粒在這一運(yùn)移過程中所發(fā)生的一系列動(dòng)態(tài)變化，其本質(zhì)是顆粒與摩擦表面的力作用的結(jié)果。

KUSANO和HUTCHINGS[18]研究了如圖1所示的球形顆粒在球面-平面運(yùn)動(dòng)副上的力學(xué)行為。圖中，R為球形滾動(dòng)表面的半徑；d為顆粒直徑；F1和F2分別為顆粒與球面、顆粒與平面間的摩擦力；Fn1和Fn2分別為顆粒與球面、顆粒與平面間的法向力；a為顆粒的加速度。

由受力分析可得到顆粒被卷吸進(jìn)入摩擦接觸區(qū)的條件：

當(dāng)μp<μs時(shí)，

(1)

而當(dāng)μp>μs時(shí)，

(2)

式中:μp和μs分別為顆粒與平面及顆粒與球面間的動(dòng)摩擦因數(shù)。

若不滿足顆粒進(jìn)入摩擦接觸區(qū)的條件，則顆粒停留在入口區(qū)并與球面作相對(duì)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

NIKAS[19]建立了如圖2所示的三維力學(xué)模型，考慮摩擦副材料的彈性因素，分析了在彈流動(dòng)力潤滑條件下，剛性球狀顆粒所受到的流體推動(dòng)力、摩擦力和接觸壓力，該模型能夠預(yù)測進(jìn)入摩擦接觸區(qū)域的顆粒尺寸及其位置。利用這一模型,NIKAS[20]還研究了潤滑劑動(dòng)力黏度、接觸面運(yùn)動(dòng)速度、接觸壓力和表面摩擦因數(shù)對(duì)顆粒卷吸作用的影響。

圖2 接觸表面及顆粒受力三維模型[19]

圖2中，下標(biāo)“1”和“2”分別表示上、下2個(gè)摩擦表面；u為接觸面的名義切向速度；A、B分別為球形顆粒與上、下表面的接觸點(diǎn)；K為球形顆粒的球心；N為顆粒與摩擦表面間的法向接觸壓力；T為顆粒與表面間的摩擦力(視顆粒與表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向不同而以“-”號(hào)區(qū)別)；F為流體壓力作用于顆粒上的合力。

上述研究中，均將顆粒視為剛體，這樣雖可簡化力學(xué)模型，但與實(shí)際工況不符，具有一定局限性。因此，很多研究者考慮了顆粒的彈性或塑性變形因素，力圖使顆粒-摩擦副力學(xué)模型更加完善。

HAMER等[21]建立了圓盤狀塑性顆粒在2個(gè)平行的彈性表面間受擠壓的力學(xué)模型，該模型可計(jì)算顆粒的變形、表面的變形以及變形后的凹坑形狀，結(jié)果表明即使是軟質(zhì)顆粒，也會(huì)使硬質(zhì)表面變形并產(chǎn)生凹坑。

顆粒變形引起的機(jī)械應(yīng)力和摩擦生熱引起的熱應(yīng)力疊加時(shí)，會(huì)對(duì)摩擦表面產(chǎn)生更嚴(yán)重的損傷，NIKAS的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)這一問題做了系統(tǒng)的研究[22-24]。1998年，該團(tuán)隊(duì)研究了塑性顆粒分別在點(diǎn)接觸和線接觸彈流潤滑狀態(tài)下的變形及其對(duì)摩擦副表面的影響[22]，通過求解Navier-Stokes方程，得到彈流潤滑的流場分布結(jié)果；通過分析彈流入口區(qū)顆粒的受力，從理論上證明了不同粒徑的顆粒，在入口區(qū)油膜厚度不同的條件下，可能會(huì)被卷吸進(jìn)入彈流區(qū)，也可能會(huì)積聚在入口區(qū)造成潤滑不暢，從而導(dǎo)致摩擦面擦傷。此外，計(jì)算結(jié)果還表明進(jìn)入彈流區(qū)的顆粒與摩擦表面間因?yàn)槟Σ翢釙?huì)使局部溫度升高，甚至導(dǎo)致局部金屬熔化。1999年，更深入的研究表明，熱應(yīng)力增加了摩擦面發(fā)生屈服的可能性，并形成“馬蹄”形狀的熱-彈性變形區(qū)域，更重要的是得到了導(dǎo)致摩擦面發(fā)生塑性變形的顆粒臨界尺寸，其與摩擦副相對(duì)滑動(dòng)速度、彈流區(qū)中心膜厚有關(guān)[23]。2012年，在前期工作的基礎(chǔ)上，NIKAS[24]提出了一個(gè)更為完備的模型，在計(jì)算球形顆粒導(dǎo)致的摩擦面壓痕和磨損的彈塑性模型基礎(chǔ)上，集成了與摩擦熱相關(guān)的熱分析和應(yīng)力分析，研究了顆粒尺寸和硬度、摩擦因數(shù)以及應(yīng)變硬化等因素對(duì)凹痕幾何形狀和摩擦熱的影響，并得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

其他的研究團(tuán)隊(duì)也在顆粒-摩擦副力學(xué)模型方面取得了重要的進(jìn)展。如MORALES ESPEJEL和GABELLI[25]研究了在滾動(dòng)摩擦副中顆粒被卷吸進(jìn)入接觸區(qū)的條件，同時(shí)應(yīng)用彈塑性理論研究了顆粒的變形、摩擦副表面的壓痕，并使用鋼、銅和陶瓷等3種不同材料的顆粒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，表明理論計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果能很好地吻合。張勇強(qiáng)等[26]采用分形方法，將球形顆粒進(jìn)行兩重分形，得到分形顆粒接觸模型，使用ANSYS軟件進(jìn)行接觸分析，模擬了顆粒在摩擦表面的滑動(dòng)、壓入和壓碎的過程，表明分形顆粒的接觸應(yīng)力更加集中，也更容易破碎。

理論研究中，為簡化力學(xué)模型，顆粒通常被視為理想的球體，但實(shí)際的顆粒形狀并非只有球狀，還呈現(xiàn)棱錐、塊狀和柱狀等多種形態(tài)。因此，考慮顆粒形狀的不規(guī)則度對(duì)揭示其力學(xué)行為具有重要意義。

GODDARD和WILMAN[27]建立了力學(xué)模型，對(duì)球狀、棱錐狀和圓錐狀顆粒在摩擦面上的犁溝和磨損機(jī)制進(jìn)行了研究。FANG等[28]將顆粒視為卵形，建立了如圖3所示的模型，分析了顆粒在摩擦表面間的受力，并提出了一個(gè)判別式用于預(yù)測顆粒在表面間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

圖3 顆粒在兩平行表面間的受力示意

圖3中，表面1以速度v相對(duì)于固定表面2滑動(dòng)。N1和N2分別為顆粒與表面1、2之間的法向接觸力；F1和F2分別為顆粒與表面1、2之間的摩擦力；e為顆粒與表面1、2接觸點(diǎn)間的水平距離；h為顆粒與表面1、2接觸點(diǎn)間的鉛垂距離。

則當(dāng)滿足式(3)時(shí)，顆粒在摩擦面間滑動(dòng)：

(3)

而當(dāng)滿足式(4)時(shí)，顆粒在摩擦面間滾動(dòng)：

(4)

式(3)和(4)中，μs為顆粒與摩擦面間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)，μr為顆粒與摩擦面間的滾動(dòng)摩擦因數(shù)。后來，F(xiàn)ANG等[29]用該模型預(yù)測了剛性顆粒在摩擦表面造成的壓痕形狀，并使用蒙特卡羅方法模擬了摩擦表面的磨損率。

NIKAS[30]在最新的研究中，將球形和錐形顆粒分別視為剛性、彈性和塑性材料，給出了法向力作用下，顆粒在原始表面所產(chǎn)生壓痕形狀的近似解析方程。該研究還表明，壓痕邊緣的隆起與堆積與應(yīng)力集中有關(guān)，這種隆起會(huì)引起表面裂紋和材料剝落，產(chǎn)生較大的磨屑。

顆粒-摩擦副力學(xué)模型是研究顆粒在摩擦副間力學(xué)行為的基礎(chǔ)，二維模型具有建模過程簡便，計(jì)算量小，效率較高的優(yōu)點(diǎn)，但計(jì)算結(jié)果的精確度不高；三維模型與實(shí)際的受力情況接近，但分析過程復(fù)雜，計(jì)算量大，故商用CAE軟件如ANSYS、ABAQUS和COMSOL等可在這一研究領(lǐng)域發(fā)揮強(qiáng)大的優(yōu)勢。

3 表面織構(gòu)的減摩效應(yīng)

在長期的生產(chǎn)實(shí)踐中，人們通過各種手段減小雜質(zhì)顆粒對(duì)機(jī)械零部件摩擦、磨損性能的影響，如使用性能更優(yōu)的密封裝置和潤滑劑過濾系統(tǒng)，在摩擦接觸面加工表面織構(gòu)等[31-33]。其中，表面織構(gòu)是一種有效的應(yīng)對(duì)手段，廣泛應(yīng)用于軸承、機(jī)械密封等部件的摩擦接觸表面。

表面織構(gòu)能夠影響表面的摩擦磨損特性，雖然有少部分研究顯示其會(huì)對(duì)摩擦副產(chǎn)生不利影響[34-35]，但普遍認(rèn)為表面織構(gòu)能夠改善摩擦副潤滑條件、減小摩擦磨損，其有效性已經(jīng)為許多研究證實(shí)[36-39]。表面織構(gòu)對(duì)摩擦副的有利作用，主要體現(xiàn)在3個(gè)方面[40]：(1)表面織構(gòu)的每個(gè)微細(xì)結(jié)構(gòu)都起著微型流體動(dòng)壓軸承的作用，所產(chǎn)生的流體動(dòng)壓力有助于隔離摩擦副，減小摩擦磨損；(2)表面織構(gòu)的微小凹陷可以儲(chǔ)存潤滑劑，從而改善摩擦副潤滑條件；(3)表面織構(gòu)的每個(gè)微小凹陷都可以“捕獲”固體顆粒物，減輕其對(duì)摩擦副表面的破壞。

根據(jù)表面織構(gòu)的這些特點(diǎn)，研究者將其引入易受雜質(zhì)顆粒污染的摩擦副中，取得了一些具有重要價(jià)值的成果。何霞等人[41]開展的牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承摩擦實(shí)驗(yàn)表明，表面織構(gòu)可捕獲鉆井液中的碳酸鈣和重晶石顆粒物，起到減小摩擦磨損、延長軸承使用壽命的作用。JANSSEN等[42]研究了在含有硅酸鋁顆粒的頁巖油潤滑條件下表面織構(gòu)的摩擦性能，其中顆粒物的粒徑在1～20 μm之間，微織構(gòu)的凹坑直徑最小值為25 μm，織構(gòu)的面積密度分別為5%、10% 和25%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，織構(gòu)表面比非織構(gòu)表面具有更好的摩擦性能，表面織構(gòu)減摩的主要機(jī)制是其捕獲顆粒物的能力；織構(gòu)的深-徑比是影響摩擦性能的主要因素，深-徑比越大，表面的摩擦也越??；同時(shí)也發(fā)現(xiàn)織構(gòu)的面積密度越大，則摩擦也越小。在JANSSEN等的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，由于織構(gòu)凹坑的直徑大于顆粒物粒徑，所以粒徑對(duì)摩擦性能的影響不明顯，研究者推測顆粒粒徑更大時(shí)，需要更大的織構(gòu)直徑。KRAHMER等[43]開展了在含有5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))石墨顆粒的基礎(chǔ)油潤滑條件下，面積密度分別為11%、31% 和50%的表面織構(gòu)的摩擦性能，也得到了與文獻(xiàn)[42]相同的結(jié)論，即織構(gòu)面積密度越大，摩擦因數(shù)越低。相反地，DADOUCHE和CONLON[44]的研究則表明，與高面積密度的表面織構(gòu)相比，低面積密度的表面織構(gòu)有更優(yōu)異的摩擦性能。ZHANG等[45]對(duì)溝槽型織構(gòu)摩擦面在油潤滑條件下的摩擦、磨損性能進(jìn)行了深入的研究，在無顆粒存在的情況下，織構(gòu)表面的平均摩擦因數(shù)小于或接近非織構(gòu)表面；而當(dāng)潤滑油中含有雜質(zhì)顆粒時(shí)，織構(gòu)表面的平均摩擦因數(shù)均大于非織構(gòu)表面，但織構(gòu)表面的磨損率均小于非織構(gòu)表面，且隨著織構(gòu)深度、寬度和面積密度的增大，摩擦因數(shù)和磨損率均減小。

李星亮等[46]的研究結(jié)果表明，當(dāng)顆粒粒度小于織構(gòu)直徑時(shí)，隨織構(gòu)面積密度增大，摩擦因數(shù)減小，但磨損率增大；顆粒粒度大于織構(gòu)直徑時(shí)，隨織構(gòu)面積密度增大，摩擦因數(shù)的變化趨勢是先減小后增大，但磨損率呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢。

綜上所述，現(xiàn)有的研究中，主要集中在探討表面織構(gòu)的空腔深度、直徑(或?qū)挾?以及織構(gòu)的面積密度等幾何參數(shù)與摩擦性能的關(guān)系，然而不同的試驗(yàn)條件下，摩擦性能隨織構(gòu)幾何參數(shù)的變化趨勢有所不同，甚至可能相反。文獻(xiàn)[46]認(rèn)為這與顆粒粒徑、織構(gòu)直徑和摩擦面局部接觸應(yīng)力密切相關(guān)。今后進(jìn)一步的研究，可深入探討由于表面織構(gòu)和顆粒的存在引起的摩擦副真實(shí)接觸面積的改變，導(dǎo)致局部變形的產(chǎn)生和局部接觸應(yīng)力的變化，使摩擦、磨損性能發(fā)生變化的機(jī)制。

4 結(jié)論與展望

現(xiàn)有的研究工作對(duì)了解固體顆粒的力學(xué)行為、顆粒在摩擦界面的形態(tài)變化和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以及表面織構(gòu)的減摩、抗磨效應(yīng)等方面提供了有益的參考。綜合現(xiàn)有研究的特點(diǎn)，可為后續(xù)的研究提供方向：

(1)從固體顆粒的形態(tài)變化和力學(xué)行為研究的角度，現(xiàn)有的研究主要考慮了球形顆粒，而對(duì)非球形顆粒則少有涉及，后續(xù)研究中可對(duì)非理想球形的固體顆粒在摩擦副入口處的卷吸、進(jìn)入摩擦副后的變形以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等力學(xué)行為進(jìn)行深入的探討。

(2)在顆粒的運(yùn)移方面，現(xiàn)有的研究注重顆粒運(yùn)移的結(jié)果，即主要著眼于顆粒對(duì)摩擦、磨損性能的影響，而對(duì)顆粒運(yùn)移過程的定量描述及顆粒的有效調(diào)控則研究較少，如何定量描述顆粒在摩擦面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡和分布特點(diǎn)，以及根據(jù)顆粒的運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行調(diào)控以減小摩擦、磨損，也是一個(gè)值得關(guān)注的重要問題。

(3)在摩擦副、潤滑劑、顆粒和表面微織構(gòu)組成的摩擦體系中，摩擦副及顆粒的材料性能、潤滑劑屬性、表面微織構(gòu)的幾何參數(shù)等因素相互影響，可能存在著一種“競爭”關(guān)系：當(dāng)處于良性競爭時(shí)，各要素協(xié)同作用，促進(jìn)體系向減小摩擦、降低磨損的方向發(fā)展；而當(dāng)處于不良競爭時(shí)，摩擦系統(tǒng)性能惡化，磨損加劇，導(dǎo)致摩擦副提前失效。核心問題是各要素之間的協(xié)同作用和相互競爭機(jī)制，后續(xù)研究應(yīng)對(duì)此進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。

(4)在潤滑劑方面，現(xiàn)有的研究大多集中在油潤滑，很少有顆粒結(jié)合脂潤滑的研究成果，實(shí)際上由于潤滑脂的非牛頓特性，使顆粒的運(yùn)動(dòng)問題更加復(fù)雜化。這也應(yīng)成為下一步研究的重點(diǎn)。