廖文玲， 陳廷兵， 黃榮琴， 劉武周

(1.成都工業(yè)學院 機械工程學院， 四川 成都 611730； 2.內(nèi)江職業(yè)技術學院 教育研究所， 四川 內(nèi)江 641100)

0 引 言

近年來，針對動物表皮非光滑組織所具有的抗磨減阻效果引起了相關研究人員的極大關注，并在此基礎上提出仿生表面織構技術[1-3].研究顯示，由于不同潤滑狀態(tài)下的作用機理，仿生表面織構對摩擦學性能有極大的改善效果，但研究也發(fā)現(xiàn)，織構參數(shù)是影響織構潤滑減磨效果的主要因素，不良的參數(shù)選擇將對摩擦學性能造成負面影響[4-11].不過，上述相關研究中并沒有涉及織構類型和分布角度對潤滑和摩擦學性能影響異同的探討.對此，本研究選擇橢圓形和三角形兩種不同對稱性織構，仿真研究兩種織構在不同分布角度下對織構表面動壓潤滑性能及其織構表面空化單元數(shù)目對織構動壓潤滑性能的影響，以及對摩擦副摩擦磨損性能的影響規(guī)律，并結(jié)合數(shù)值仿真和實驗研究結(jié)果，討論兩種不同對稱性織構對織構表面潤滑及摩擦學性能影響的異同，繼而為不同對稱性織構分布角度設計提供指導.

1 數(shù)值仿真分析模型

1.1 幾何模型

織構化摩擦副示意圖如圖1所示，圖中織構單元的長和寬均分別為L、W、織構直徑為D、深度為HP，h0為摩擦副間隙，U為兩摩擦副相對滑動速度.由于各織構單元均勻分布，其油膜厚度和壓力也呈均勻分布狀態(tài).

圖1織構化摩擦副示意圖

在考慮計算時間、效率以及精度的基礎上，本研究選擇單一織構單元為研究對象.此外，由于需要分析織構對稱性(織構區(qū)域內(nèi)關于X軸及Y軸對稱)對織構表面潤滑及摩擦學性能的影響，本研究選擇橢圓織構(對稱性織構)和三角形織構(非對稱性織構)為研究對象，織構化表面的基本參數(shù)如表1所示.

由于兩種織構的對稱屬性不同，因此，在不同分布角度下，兩種織構對表面油膜厚度分布的影響也不同.基于坐標變換基本原理，采用如式(1)所示的坐標變換公式，可計算得到如圖2所示的兩種類型織構在不同分布角度下的油膜厚度分布示意圖.

(1)

圖2不同分布角度下織構表面油膜厚度示意圖

1.2 數(shù)學模型

針對圖1所示的織構化表面動壓潤滑性能的求解，本研究采用簡化后的雷諾方程在特定邊界條件下計算得到，簡化后的雷諾方程其表達形式為，

(2)

式中，x和y分別表示為兩垂直方向坐標，h為油膜厚度，p為油膜壓力，u為摩擦副表面間的相對滑移速度，η為潤滑介質(zhì)黏度，其取值為0.03 pa·s.

從式(2)可以看出，在潤滑介質(zhì)黏度和表面相對滑動速度為常數(shù)的情況下，摩擦副表面不同油膜壓力分布主要通過改變油膜厚度而得到.對于織構化摩擦副表面，由于表面織構的存在，相對于無織構表面，織構區(qū)域增加了額外的油膜厚度.因此，摩擦副表面油膜厚度可描述為，

(3)

式中，h0為摩擦副間隙，hp為矩形截面的織構深度，Ω表示織構區(qū)域.

同時，為了對織構單元的油膜壓力分布進行計算，需要定義織構單元的壓力邊界條件.由于本研究的單元實驗的實驗條件為壓裂柱塞泵模擬工況，為使數(shù)值仿真計算與單元實驗結(jié)果間更吻合且具有說服力，故在數(shù)值仿真計算時，織構單元的邊界條件設置為：在平行運動方向上(即柱塞圓周方向上)采用周期分布壓力邊界條件，而垂直運動方向上(即柱塞軸向上)采用環(huán)境壓力邊界條件，具體表達式為，

(4)

p(x=0,y)=p(x=L,y)=pa

(5)

此外，在油膜壓力的迭代求解中，限定相鄰兩次迭代求解的相對誤差，以此保證計算結(jié)果的正確性，迭代計算的收斂判據(jù)如下，

(6)

式中，Pi,j為網(wǎng)格節(jié)點(i,j)處的油膜壓力，k為迭代次數(shù).

表面承載力式可表示為，

(7)

2 單元摩擦學實驗

由于壓裂現(xiàn)場實際工況的復雜性，開展現(xiàn)場或全尺寸織構化壓裂泵柱塞密封副摩擦學實驗的成本和風險均較高.因此，本研究僅開展壓裂泵柱塞密封副的單元摩擦學實驗.

2.1 實驗設備及材料

壓裂泵柱塞密封副單元摩擦學實驗采用的實驗設備為MMW-1型微機控制立式萬能摩擦磨損試驗機，其銷、盤摩擦副示意圖及銷、盤試樣如圖3所示，其中，銷試樣材料為丁腈橡膠，模擬密封副；盤試樣材料為20#鋼，模擬柱塞.在單元摩擦學實驗過程中，丁腈銷試樣與試驗機主軸相連并隨之轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速由伺服電機控制，轉(zhuǎn)速范圍為12 000 r/min，柱塞盤試樣固定于試驗機摩擦副平臺上，通過銷、盤間的旋轉(zhuǎn)運動模擬柱塞密封副間的往復運動.此外，銷、盤試樣間接觸壓力(接觸力)由渦輪蝸桿機構加載得到，摩擦系數(shù)通過測量摩擦扭矩后經(jīng)換算得到，表面溫升則由溫度傳感器通過測量潤滑介質(zhì)溫度變化得到，潤滑介質(zhì)為L-CKD150潤滑油.

圖3銷—盤摩擦副示意圖

柱塞試樣表面橢圓織構及三角形織構采用納秒激光進行加工(TG-20GT laser marking machine)，織構表面三維形貌如圖4所示.

圖4織構表面三維形貌示意圖

2.2 實驗過程及性能分析

實驗中，結(jié)合壓裂柱塞泵實際工況，在室溫環(huán)境下，設計了載荷為400 N(對應接觸壓力P=0.5 MPa)、電機主軸轉(zhuǎn)速為335 r/min(對應線速度V=0.8 m/s)的壓裂泵柱塞密封副單元摩擦學實驗模擬工況.單次摩擦學實驗的時間為3 600 s，實驗前后試樣質(zhì)量差即為試樣的磨損量，試樣磨損后的表面形貌采用白光干涉儀進行測量.

3 結(jié)果與討論

3.1 織構對稱特性對動壓潤滑性能的影響

橢圓形對稱性織構深度和分布角度對織構表面承載力的影響規(guī)律如圖5所示.

圖5橢圓形織構深度和分布角度對表面承載力的影響

從圖5(a)可知，橢圓形織構在不同分布角度時，隨著織構深度的增加，表面承載力呈現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢，織構分布角度僅僅改變最大承載力所對應的最優(yōu)織構深度.在0 °～90 °范圍內(nèi)，不同分布角度下橢圓形織構對應的最優(yōu)織構深度大小關系為：0 °>30 °>60 °>90 °.因此，橢圓形織構長軸與滑移方向的夾角越小，對應的最優(yōu)織構深度越小.由圖5(b)可知，在織構深度小于1.5 μm的情況下，橢圓形織構長軸與滑移方向的夾角越小，表面承載力越大，當織構深度大于1.5 μm時，則有相反的規(guī)律.

三角形非對稱性織構深度和分布角度對表面承載力的影響如圖6所示.

由圖6(a)可知，與橢圓形織構類似，在相同分布角度下，隨著織構深度的增加，表面承載力同樣呈現(xiàn)出先增加而后減小的趨勢，且在不同分布角度下，改變的也僅僅是最大承載力及其所對應的最優(yōu)織構深度.而從圖6(b)可知，當織構深度分別為0.5 μm、1 μm、2 μm和3.5 μm時，在0 °～180 °的織構分布角度范圍內(nèi)，隨織構分布角度的增加，表面承載力總體呈現(xiàn)出先增加后減小而后再增加的周期性的變化規(guī)律，當織構分布角度為60 °和180 °時的表面承載力為最大，當織構分布角度為0 °和120 °時的表面承載力為最小，周期性變化的角度范圍為120 °.當織構深度為3.5～10 μm時，隨織構分布角度的增加，承載力同樣呈現(xiàn)波浪形的周期性變化規(guī)律，但在0 °～180 °的分布角度內(nèi)，承載力的變化規(guī)律為先減小后增加而后減小的趨勢.兩波谷為織構分布角度等于0 °和120 °的情形，兩波峰為織構分布角度等于60 °和180 °的情況.盡管在不同織構深度下，表面承載力隨織構深度增加有兩種不同的變化規(guī)律，但承載力的波動幅度隨織構深度的增加均呈逐漸減小趨勢，當織構深度為20 μm和40 μm時，織構分布角度變化對承載力基本無影響.因此，對于三角形非對稱性織構，在織構深度小于、等于或略大于織構深度時，織構最長邊處于潤滑介質(zhì)流入方向且垂直于速度方向，織構可獲得較好的潤滑性能；而當織構深度大于最小油膜厚度時，織構最長邊位于潤滑介質(zhì)流出方向且垂直于速度方向，織構可獲得較優(yōu)潤滑性能.此與文獻[8]研究結(jié)果類似.

圖6三角形織構深度和分布角度對表面承載力的影響

不同織構深度和分布角度下織構表面空化單元離散點數(shù)目如圖7所示.

從圖7(a)可知，對于橢圓形織構，由織構深度變化所引起的空化單元數(shù)目和表面承載力呈現(xiàn)相反的變化規(guī)律，不同分布角度下隨織構深度的增加，空化點數(shù)目均呈現(xiàn)先減小后增加的變化規(guī)律.由圖7(b)可知，三角形織構除60 °和180 °分布角度情況，其余分布角度下，隨織構深度的增加，空化點數(shù)同樣呈現(xiàn)先減小后增加的變化規(guī)律.對于兩種類型織構而言，由于織構從最小深度逐漸增加，織構的動壓潤滑效應越來越強，繼而空化效應逐漸減弱，而當織構深度增加到一定值，織構深度相對于摩擦副間隙過大，導致織構的動壓潤滑效應很小、空化效應越來越明顯.另外，織構空化點數(shù)隨織構深度變化而變化的規(guī)律滯后于織構深度對承載力的影響，主要由于在承載力轉(zhuǎn)折點處，空化點數(shù)并不會立即改變，變化的是動壓效應處的油膜壓力值.

圖7織構深度對織構表面空化區(qū)域的影響

織構分布角度對織構表面空化區(qū)域的影響如圖8所示.

圖8織構分布角度對織構表面空化區(qū)域的影響

由圖8(a)可知，對于橢圓形對稱性織構，當織構深度小于最小油膜厚度時，在0 °～90 °范圍內(nèi)，織構分布角度的增加將導致空化單元數(shù)目逐漸增加，且以90 °為對稱分布；而當織構深度大于最小油膜厚度時，承載力隨織構分布角度的增加呈相反變化規(guī)律，且關于90 °對稱分布.因此，對于相同織構深度下的橢圓織構，織構表面的空化離散單元數(shù)目越多，橢圓形織構表面的承載力就越大.由圖8(b)可知，對于三角形非對稱性織構，除織構深度為40 μm情況，在其余織構深度下，隨織構分布角度的增加，空化點數(shù)呈先增加后減小而后再增加趨勢，當織構分布角度為60 °和180 °時，空化單元數(shù)有最大值，且在織構深度為0 °和120 °時出現(xiàn)第二波峰.因此，對于三角形織構，也表現(xiàn)為在最大表面承載力處，織構單元表面有較大的織構單元空化單元數(shù)，且以60 °和180 °尤為明顯.

3.2 織構對稱特性對摩擦磨損性能的影響

相同模擬工況下，無織構與不同分布角度橢圓織構表面平均摩擦系數(shù)和溫升對比如圖9所示.

圖9不同分布角度橢圓形織構對平均摩擦系數(shù)和溫升的影響

由圖9(a)可知，相比無織構試樣表面，橢圓形織構分布角度為60 °、90 °和120 °時能夠減小摩擦副表面的平均摩擦系數(shù)，90 °分布時最明顯，平均摩擦系數(shù)下降幅度達到22.3%，且不同分布角度下，織構對摩擦系數(shù)的影響以90 °為中心呈現(xiàn)對稱分布.由圖9(b)可知，不同分布角度下，摩擦副表面溫升與平均摩擦系數(shù)有相同的變化規(guī)律，即平均摩擦系數(shù)越大，溫升也越大.此也符合摩擦生熱基本規(guī)律.

同理，對于圖10中不同分布角度下的試樣磨損量，盡管在織構分布角度為60 °時橡膠銷試樣及柱塞盤試樣的磨損量最小，但在不同織構分布角度下，橡膠銷試樣及柱塞盤試樣的磨損量隨織構分布角度的增加也基本呈現(xiàn)出與摩擦系數(shù)相同的變化規(guī)律.

圖10不同分布橢圓形織構對試樣磨損量的影響

相同實驗條件下，三角形非對稱織構與無織構表面的平均摩擦系數(shù)和溫升對比如圖11所示.

圖11不同分布角度三角形織構對平均摩擦系數(shù)和溫升的影響

由圖11(a)可知，不同分布角度下，三角形織構的存在均能有效地減小織構表面的摩擦系數(shù)，且隨織構分布角度的增加，平均摩擦系數(shù)呈現(xiàn)波浪形的變化規(guī)律，當織構分布角度分別為0 °、60 °、120 °和180 °時，摩擦系數(shù)在波谷處，而當織構分布角度分別為30 °、90 °和150 °時，摩擦系數(shù)在波峰處；由圖11(b)可知，表面溫升有相同的變化規(guī)律.

圖12為不同分布角度下，銷、盤單元試樣的磨損量變化，其也呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律.

因此，為獲得較優(yōu)的織構潤滑減磨性能，對于橢圓形對稱織構，應使織構長軸盡可能垂直速度方向；而對于三角形非對稱織構，應使三角形織構任意一邊垂直于速度方向.兩種織構對摩擦性能的影響與對動壓潤滑性能的影響差異主要在于，動壓潤滑條件下，僅考慮織構的微流體動壓效應，而摩擦磨損實驗中則需考察織構動壓潤滑效應、捕獲磨屑及存儲并補充潤滑介質(zhì)作用機理的綜合影響.在考慮摩擦磨損實驗時，兩種不同類型織構均表現(xiàn)為盡量保證織構最長邊垂直于速度方向，從而使織構表面摩擦學性能越好.

圖12不同分布三角形織構對試樣磨損量的影響

4 結(jié) 論

本研究通過數(shù)值仿真和單元摩擦學實驗，分析了織構對稱特性對潤滑及摩擦磨損性能影響的異同，得出以下結(jié)論：在相同條件下，兩種不同對稱特性織構表面動壓潤滑性能均與織構分布角度及織構深度有關，織構深度對表面承載力的影響規(guī)律與其對表面空化效應的影響規(guī)律相反，而不同分布角度下表現(xiàn)為織構表面空化單元數(shù)目越多，織構動壓潤滑性能越好.在相同條件下，對于對稱性橢圓形織構，當織構深度小于最小油膜厚度時，織構最大邊長垂直于表面滑移方向，可獲得最優(yōu)織構潤滑性能，而織構深度大于最小油膜厚度時，織構最小邊長垂直于滑移方向以獲得最優(yōu)織構潤滑性能；對于非對稱性三角形織構，當織構深度小于最小油膜厚度時，織構最長邊處于潤滑介質(zhì)流入方向且垂直于速度方向，織構可獲得較好的潤滑性能，織構深度大于最小油膜厚度時，織構最長邊位于潤滑介質(zhì)流出方向且垂直于速度方向，織構可獲得較優(yōu)潤滑性能.單元摩擦學實驗結(jié)果表明，對于兩種不同對稱性織構，合理織構分布角度下，表面織構的存在能夠有效提高試樣表面的摩擦學性能，且均表現(xiàn)為織構最長邊垂直于速度方向，織構表面摩擦學性能越好.對于不同對稱性織構表面動壓潤滑及摩擦學性能差異，其主要在于動壓潤滑條件下，僅考慮織構的微流體動壓效應，而摩擦磨損實驗中則需考察織構動壓潤滑效應、捕獲磨屑以及存儲并補充潤滑介質(zhì)作用機理的綜合影響.