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機(jī)床滑動(dòng)導(dǎo)軌微織構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)*

2022-07-15 09:12于英華王智群要金龍
航空制造技術(shù) 2022年6期
關(guān)鍵詞:油膜偏置摩擦系數(shù)

于英華,王智群,要金龍,徐 平

(遼寧工程技術(shù)大學(xué),阜新 123000)

科技的飛速發(fā)展要求作為機(jī)械裝備制造母機(jī)的機(jī)床不斷向著高精、高效、高自動(dòng)化、高可靠性等方向發(fā)展,而在機(jī)床中承擔(dān)支承和導(dǎo)向作用的導(dǎo)軌副的承載性、摩擦磨損性、低溫升性等對(duì)機(jī)床如上性能的優(yōu)劣起著至關(guān)重要的作用[1-2]。表面織構(gòu)以其優(yōu)異的降摩擦磨損、提高承載性、降低溫升、自清潔等特性,被認(rèn)為是改善摩擦副性能的一種有效手段[3-10],該技術(shù)可以看作是可將先進(jìn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和先進(jìn)制造技術(shù)融于傳統(tǒng)刮研技術(shù)的一種新技術(shù)。優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和先進(jìn)制造技術(shù)可實(shí)現(xiàn)根據(jù)微織構(gòu)表面所需要的使役性能設(shè)計(jì)和制造出最優(yōu)形貌特征參數(shù)的微織構(gòu),以最大限度發(fā)揮其對(duì)應(yīng)提升微織構(gòu)化摩擦副(或表面)的相關(guān)性能的作用。此外,該技術(shù)還可以克服傳統(tǒng)刮研技術(shù)勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)率低和效果依賴于操作者水平的弊端。因此將微織構(gòu)應(yīng)用于機(jī)床滑動(dòng)導(dǎo)軌副必將有效提升機(jī)床整機(jī)的多項(xiàng)性能。目前,微織構(gòu)導(dǎo)軌方面的研究逐漸成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn),Kovalchenko等[2]通過(guò)試驗(yàn)方法研究了按一定規(guī)律分布排列的圓形凹坑微織構(gòu)對(duì)鋼制導(dǎo)軌儲(chǔ)油能力和摩擦磨損性能的影響,證明了該微織構(gòu)可增加導(dǎo)軌表面的儲(chǔ)油能力,進(jìn)而改善其摩擦磨損性能。張赟[3]綜合運(yùn)用仿真分析和試驗(yàn)方法研究了兩種不同取向的直通溝槽、兩種不同取向的仿生六邊形溝槽和正方形溝槽的形貌參數(shù)對(duì)鋼制導(dǎo)軌摩擦磨損性能的影響規(guī)律,得出了最佳微織構(gòu)參數(shù)。駱海波[4]通過(guò)試驗(yàn)方法對(duì)網(wǎng)狀仿生微織構(gòu)特征參數(shù)對(duì)導(dǎo)軌耐磨性的影響規(guī)律進(jìn)行了研究,得出了可使?jié)L動(dòng)導(dǎo)軌抗摩擦磨損的性能最優(yōu)的該型微織構(gòu)的特征參數(shù)。張瑜等[5]研究了矩形開(kāi)口非等邊三角形截深織構(gòu)在空化以及慣性效應(yīng)的耦合作用下對(duì)導(dǎo)軌承載性能的影響規(guī)律,得出導(dǎo)軌滑塊在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中因慣性效應(yīng)的存在使得其間的潤(rùn)滑油膜的承載壓強(qiáng)有所提升,速度對(duì)微織構(gòu)承載性能有較大影響,當(dāng)速度大于10m/s時(shí),流體在非對(duì)稱微織構(gòu)處產(chǎn)生的空化與慣性耦合作用對(duì)摩擦副承載性能影響更大。張東亞等[6]研究了2層溝槽微織構(gòu)形貌對(duì)機(jī)床滑動(dòng)滑塊導(dǎo)軌副表面流體動(dòng)壓效應(yīng)的影響規(guī)律,結(jié)果表明,當(dāng)所構(gòu)筑的溝槽體積相同時(shí),2層溝槽的潤(rùn)滑油膜承載壓強(qiáng)提升效果優(yōu)于1層溝槽織構(gòu);隨著第2層微織構(gòu)溝槽深度的增加,導(dǎo)軌承載性能先增大后減小,并存在可使導(dǎo)軌承載壓力最大的溝槽深度。

綜上所述,迄今為止國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)微織構(gòu)在導(dǎo)軌中應(yīng)用方面的研究主要集中在圓型或矩形開(kāi)口凹坑和溝槽微織構(gòu)導(dǎo)軌承載能力以及摩擦磨損性能方面。本研究依據(jù)響應(yīng)面分析理論、運(yùn)用CFD方法研究即有利于增大尋優(yōu)空間又相對(duì)便于制造的橢圓開(kāi)口偏置類拋物線微織構(gòu)特征參數(shù)對(duì)導(dǎo)軌承載壓強(qiáng)、摩擦系數(shù)、溫升及乏油狀態(tài)下的接觸應(yīng)力等多項(xiàng)性能的影響規(guī)律,并運(yùn)用多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論對(duì)微織構(gòu)特征參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,旨在為充分挖掘微織構(gòu)對(duì)提升導(dǎo)軌乃至其他摩擦副綜合性能的潛能提供參考。

1 原型導(dǎo)軌的選取及其性能分析

1.1 原型導(dǎo)軌的選取

本研究選取矩形滑動(dòng)滑塊導(dǎo)軌為研究原型,其簡(jiǎn)化模型如圖1所示,其運(yùn)行速度、材料性能參數(shù)以及所用潤(rùn)滑油參數(shù)如表1所示。

圖1 導(dǎo)軌簡(jiǎn)易模型Fig.1 Simple model of guide

1.2 滑動(dòng)導(dǎo)軌流體潤(rùn)滑理論

當(dāng)導(dǎo)軌在液態(tài)潤(rùn)滑狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)時(shí),導(dǎo)軌副之間的潤(rùn)滑油膜遵循層流狀態(tài)下的二維穩(wěn)態(tài)不可壓縮潤(rùn)滑油流體動(dòng)壓Reynolds方程,即

式中,p為導(dǎo)軌間的壓力,Pa;h為油膜厚度,mm;η為潤(rùn)滑油黏度,Pa·s;V為導(dǎo)軌副的相對(duì)滑動(dòng)速度,m/s,在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下忽略在油膜厚度方向上的速度矢量,即?h/?t=0。忽略潤(rùn)滑油在導(dǎo)軌滑塊表面沿橫縱向的熱傳導(dǎo),其間潤(rùn)滑油的比熱容以及傳導(dǎo)系數(shù)為固定常數(shù),所以可得能量控制方程為

式中,ρ為潤(rùn)滑油密度,kg/m3;cf為滑油的比熱容,J/ (kg·℃);kf為熱傳導(dǎo)系數(shù),W/ (m·℃);u、v分別為滑動(dòng)滑塊導(dǎo)軌副在x、y方向的速度分量,m/s。

根據(jù)式(1),對(duì)潤(rùn)滑油膜承載壓強(qiáng)p(x,y)積分進(jìn)而得到潤(rùn)滑油膜的承載量,即承載力公式為

潤(rùn)滑油膜作用在導(dǎo)軌副的摩擦力可通過(guò)對(duì)導(dǎo)軌副之間的流體剪應(yīng)力沿整個(gè)面積積分求得,即

于是可得導(dǎo)軌副之間的摩擦系數(shù)μ為

根據(jù)式(2),對(duì)滑動(dòng)滑塊導(dǎo)軌副間的潤(rùn)滑油膜溫度T(x,y)積分進(jìn)而可得油膜的平均溫度為

式中,S為油膜面積,mm2; {yxD= ),(

1.3 流體潤(rùn)滑條件下原型導(dǎo)軌相關(guān)性能有限元仿真分析

為在不影響仿真分析結(jié)果的前提下提高仿真分析效率,選取機(jī)床導(dǎo)軌的15mm×15mm局部單元對(duì)原型導(dǎo)軌摩擦副相關(guān)性能進(jìn)行有限元仿真分析。設(shè)定所研究的滑動(dòng)滑塊導(dǎo)軌副兩表面處于流體潤(rùn)滑狀態(tài),油膜厚度h為10μm[9],依此建立導(dǎo)軌仿真分析模型。根據(jù)滑塊導(dǎo)軌的實(shí)際工況,設(shè)定長(zhǎng)導(dǎo)軌表面固定,滑塊在其上以2m/s的速度向右運(yùn)動(dòng),對(duì)導(dǎo)軌模型施加的邊界約束如圖2所示。采用Multi Zone Quad/Tri Method方法,對(duì)其三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,如圖3所示,將能量方程打開(kāi),按照表1輸入潤(rùn)滑油的性能參數(shù)。潤(rùn)滑油流體域邊界條件的設(shè)定如下:導(dǎo)軌副間潤(rùn)滑油膜入口邊界為壓力入口,出口邊界為壓力出口,進(jìn)油溫度設(shè)為30℃,均設(shè)為1個(gè)大氣壓,潤(rùn)滑油膜頂層邊界速度設(shè)為2m/s,潤(rùn)滑油膜底層邊界速度為0。運(yùn)用 Ansys 軟件進(jìn)行后處理,最終求得如圖4所示的油膜上表面的承載壓強(qiáng)、切應(yīng)力以及溫度的分布云圖。根據(jù)式(3)~(6)計(jì)算出導(dǎo)軌的承載壓強(qiáng)為100218Pa,切應(yīng)力為14010.48Pa,摩擦系數(shù)為0.14,平均溫度為42.08℃。

圖2 邊界約束定義Fig.2 Definition of boundary constraints

圖3 邊界條件設(shè)定Fig3 Boundary condition setting

表1 原型導(dǎo)軌及潤(rùn)滑油的主要性能參數(shù)Table 1 Main performance parameters of prototype guide rail and lubricating oil

由圖4可見(jiàn),沿著滑塊的運(yùn)動(dòng)方向油膜壓強(qiáng)和溫度均呈上升的趨勢(shì),而油膜的切應(yīng)力則無(wú)明顯變化。導(dǎo)軌副間的潤(rùn)滑油膜壓強(qiáng)越大,即導(dǎo)軌的承載力越大;切應(yīng)力越小,摩擦系數(shù)越低,越有助于減少誘發(fā)摩擦自激振動(dòng)的概率[11],并越有利于降低運(yùn)行能耗,進(jìn)而降低成本、提高節(jié)能環(huán)保性;溫升越低,越既可減小導(dǎo)軌副的熱變形,又可減少潤(rùn)滑油黏度的變化,這些對(duì)于提高導(dǎo)軌的精度保持性就越有利。

圖4 原型導(dǎo)軌性能仿真分析云圖Fig.4 Simulation analysis cloud diagram of prototype guide performances

1.4 原型導(dǎo)軌低速乏油狀態(tài)下接觸應(yīng)力仿真分析

當(dāng)機(jī)床滑動(dòng)導(dǎo)軌處于啟動(dòng)、停止、低速工況時(shí),其滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦副間處于乏油狀態(tài),摩擦表面表現(xiàn)為未形成完整的潤(rùn)滑油膜的干摩擦或邊界摩擦情況,由于滑動(dòng)滑塊導(dǎo)軌副接觸面的應(yīng)力會(huì)影響最終的潤(rùn)滑效果,為此有必要分析導(dǎo)軌低速乏油狀態(tài)下的接觸應(yīng)力。

本研究利用Ansys Workbench軟件對(duì)滑動(dòng)滑塊導(dǎo)軌副模型進(jìn)行摩擦副接觸應(yīng)力的仿真分析。為了提高計(jì)算效率,選取滑動(dòng)滑塊導(dǎo)軌副的15mm×5mm×3mm典型局部單元進(jìn)行仿真分析。利用UG軟件建立其三維模型,按照表1賦予材料性能參數(shù),設(shè)置滑塊為接觸面,導(dǎo)軌設(shè)置為目標(biāo)面,設(shè)置滑塊的接觸方式為摩擦接觸,摩擦系數(shù)設(shè)置為0.1;將導(dǎo)軌下表面進(jìn)行固定約束,滑塊的上表面施加1MPa的壓強(qiáng),如圖5(a) 和(b)所示;滑塊的移動(dòng)速度為1000μm/s,沿導(dǎo)軌上表面勻速向右運(yùn)動(dòng),如圖5(c)所示;最終求得滑塊運(yùn)動(dòng)1s后導(dǎo)軌接觸應(yīng)力分布如圖5(d)所示。

圖5 接觸應(yīng)力分析約束條件設(shè)置及結(jié)果Fig.5 Constraint conditions setting and results of contact stress analysis

由接觸應(yīng)力分布圖可知,導(dǎo)軌副表面上的最大接觸應(yīng)力為1.3504MPa,分布在導(dǎo)軌摩擦接觸面邊緣處。

2 微織構(gòu)構(gòu)型及其形狀參數(shù)對(duì)導(dǎo)軌性能影響規(guī)律研究

2.1 微織構(gòu)單元胞孔構(gòu)筑

本研究構(gòu)筑的表面微織構(gòu)單元胞孔為圖6所示的橢圓開(kāi)口偏置類拋物線孔型,即在單元尺寸Lx×Ly=1500μm×800μm的導(dǎo)軌副表面加工長(zhǎng)半軸長(zhǎng)為A,短半軸長(zhǎng)為B的橢圓開(kāi)口,拋物線的類型系數(shù)Rho(即凹坑深度與類拋物線進(jìn)出口切線交點(diǎn)距開(kāi)口表面垂直距離的比值)為C,拋物線最深點(diǎn)距橢圓中心的偏置距離(偏置量)為D,深度為E的偏置類拋物線截深的凹坑微織構(gòu)。由于其橢圓開(kāi)口本身具有各向異性的特點(diǎn),而且在特定條件下又可以轉(zhuǎn)化為圓形; 加之其在深度方向的截形為偏置類拋物線形,特殊情況下可以轉(zhuǎn)化為對(duì)稱拋物線和球冠形。因此這樣可使研究中對(duì)微織構(gòu)單元胞孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)和排布方式的尋優(yōu)空間增大,以利于獲得更優(yōu)的微織構(gòu)形式。

圖6 單元胞孔結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of unit cell structure

2.2 微織構(gòu)形狀參數(shù)對(duì)導(dǎo)軌性能影響規(guī)律

通過(guò)響應(yīng)面理論和Design-Expert軟件研究微織構(gòu)形狀參數(shù)對(duì)導(dǎo)軌性能影響規(guī)律及參數(shù)優(yōu)化。利用Design-Expert軟件中的CCD中心復(fù)合設(shè)計(jì)方法構(gòu)造出如表2所示的微織構(gòu)形狀參數(shù)五因素五水平的32組三維結(jié)構(gòu)模型,對(duì)其承載壓強(qiáng)及摩擦系數(shù)進(jìn)行仿真分析。

根據(jù)表2中的仿真分析結(jié)果,應(yīng)用軟件中的響應(yīng)面分析模塊生成微織構(gòu)形狀參數(shù)兩兩因素交互作用對(duì)承載壓強(qiáng)和摩擦系數(shù)的影響曲面,限于篇幅,本研究只給出承載壓強(qiáng)的相應(yīng)曲面,如圖7所示。

表2 微織構(gòu)形狀參數(shù)因素水平與結(jié)果Table 2 Level of microtexture shape parameter factors and results

由圖7(a)~(d)可知,當(dāng)Rho和其他因素比較時(shí),在Rho方向上的等高線最為密集且以承載壓強(qiáng)為目標(biāo)的響應(yīng)面顏色變化更明顯,即Rho對(duì)導(dǎo)軌承載壓強(qiáng)的影響最顯著;由圖7(f)和(g)可知,其他4個(gè)形狀參數(shù)相比較時(shí),長(zhǎng)半軸方向上的等高線較另外3個(gè)參數(shù)密集且響應(yīng)面顏色變化更明顯,即長(zhǎng)半軸較另外3個(gè)參數(shù)顯著;由圖7(h)和(i)可知,當(dāng)深度、偏置量、短半軸相比較時(shí),深度方向上等高線較其他兩個(gè)參數(shù)密集且響應(yīng)面顏色變化更明顯,即深度較偏置量、短半軸對(duì)導(dǎo)軌承載壓強(qiáng)的影響更顯著;最后通過(guò)圖7(j)可知,當(dāng)偏置量和短半軸徑作比較時(shí),偏置量方向上等高線更密集且響應(yīng)面顏色變化更明顯,即偏置量對(duì)導(dǎo)軌承載壓強(qiáng)的影響更顯著。最終可以判斷5個(gè)形狀參數(shù)對(duì)承載壓強(qiáng)的影響程度次序?yàn)镽ho>長(zhǎng)軸半徑>深度>偏置量>短軸半徑。同理可得5個(gè)形狀參數(shù)對(duì)摩擦系數(shù)的影響次序?yàn)殚L(zhǎng)軸半徑>短軸半徑>Rho>深度>偏置量。

圖7 承載壓強(qiáng)對(duì)形狀參數(shù)的響應(yīng)面Fig.7 Response surfaces of shape parameters on bearing pressure

3 微織構(gòu)形狀參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為尋求可使導(dǎo)軌承載壓強(qiáng)最大、摩擦系數(shù)最小的微織構(gòu)形狀參數(shù),以微織構(gòu)的承載壓強(qiáng)最大、摩擦系數(shù)最小為目標(biāo)函數(shù),以微織構(gòu)的承載壓強(qiáng)大于無(wú)織構(gòu)承載壓強(qiáng)以及微織構(gòu)的摩擦系數(shù)小于無(wú)織構(gòu)的摩擦系數(shù)為約束條件;以前敘5個(gè)微織構(gòu)形狀參數(shù)為設(shè)計(jì)變量,最終建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型為

式中,f1(P)為微織構(gòu)單元胞的承載壓強(qiáng),Pa;f2(P)為微織構(gòu)單元胞的摩擦系數(shù);P1、P2、P3、P4、P5分別為微織構(gòu)形狀參數(shù)A、B、C、D、E。

依據(jù)式(7)優(yōu)化模型,通過(guò)CCD中“Optimization”優(yōu)化模塊可得微織構(gòu)的最優(yōu)形狀參數(shù)(對(duì)最初優(yōu)化得到的5個(gè)參數(shù)進(jìn)行了圓整):A為450μm,B為278μm,C為0.65,D為220μm,E為135μm。根據(jù)上述得到的單元胞最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù),構(gòu)造單元微織構(gòu)三維模型并進(jìn)行流體仿真,得到其壓強(qiáng)分布云圖如圖8(a)所示。為對(duì)比分析,對(duì)相同尺寸單元的未織構(gòu)導(dǎo)軌間油膜的壓強(qiáng)進(jìn)行仿真分析,得到其壓強(qiáng)分布云圖如圖8(b)所示。

圖8 單元壓強(qiáng)分布云圖Fig.8 Pressure distribution cloud diagram of elements

由如上分析得到的油膜壓力,依據(jù)式(3)~(5)可得織構(gòu)和未織構(gòu)單元油膜承載壓強(qiáng)分別為106838.63Pa和100704.61Pa,而摩擦系數(shù)分別為0.106和0.139,即織構(gòu)相較于未織構(gòu)單元的油膜承載壓強(qiáng)提高了6.09%,而摩擦系數(shù)卻降低23.74%。

4 微織構(gòu)分布參數(shù)對(duì)導(dǎo)軌性能影響規(guī)律研究及優(yōu)化

4.1 對(duì)導(dǎo)軌性能影響規(guī)律研究

由于微織構(gòu)摩擦副軸承性能不僅與其結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān),還與其在摩擦副表面的分布參數(shù)相關(guān)。為此有必要在前文獲得微織構(gòu)最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)基礎(chǔ)之上,研究微織構(gòu)分布參數(shù)對(duì)導(dǎo)軌性能影響規(guī)律,并對(duì)分布參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

微織構(gòu)導(dǎo)軌的簡(jiǎn)易模型如圖9所示,其中微織構(gòu)的分布參數(shù)包括3個(gè),分別為微織構(gòu)在導(dǎo)軌表面分布的縱向和橫向間距(F、G)和橢圓開(kāi)口長(zhǎng)軸與運(yùn)動(dòng)方向之間的夾角(H)。設(shè)計(jì)分布參數(shù)三因素五水平的試驗(yàn)方案,并應(yīng)用Design-Expert 10軟件中的Box-Behnken響應(yīng)面設(shè)計(jì)方法構(gòu)造出17組三維結(jié)構(gòu)模型,對(duì)其承載壓強(qiáng)、摩擦系數(shù)及溫度進(jìn)行仿真分析,結(jié)果如表3所示。

表3 分布參數(shù)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 3 Design of distributed parameter test and results

圖9 微織構(gòu)導(dǎo)軌副簡(jiǎn)易模型Fig.9 Simple model of micro texture sliding guide pair

進(jìn)一步生成微織構(gòu)分布參數(shù)兩兩因素交互作用對(duì)承載壓強(qiáng)、摩擦系數(shù)和溫度的影響規(guī)律曲面如圖10所示。

參照前文中依據(jù)響應(yīng)曲面判斷影響因素對(duì)考察目標(biāo)影響程度大小順序的方法,依據(jù)圖10可以得出微織構(gòu)的3個(gè)分布參數(shù)對(duì)導(dǎo)軌的承載壓強(qiáng)、摩擦系數(shù)和溫度的影響程度大小分別為角度>橫向間距>縱向間距、縱向間距>橫向間距>角度、橫向間距>縱向間距>角度。

圖10 分布參數(shù)對(duì)油膜性能的響應(yīng)面Fig.10 Response surface of distributed parameter factors on oil film performances

4.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

為尋求可使導(dǎo)軌的承載壓強(qiáng)高、摩擦系數(shù)低和溫升小的微織構(gòu)分布參數(shù),以導(dǎo)軌承載壓強(qiáng)最大、摩擦系數(shù)最小、溫度最低為目標(biāo)函數(shù),以前敘3個(gè)微織構(gòu)分布參數(shù)為設(shè)計(jì)變量,建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型為

式中,f3(P)為微織構(gòu)滑動(dòng)滑塊導(dǎo)軌副的承載壓強(qiáng),Pa;f4(P)為摩擦系數(shù);f5(P)為溫度,℃;P6、P7、P8分別為微織構(gòu)分布參數(shù)F、G、H。

基于如上優(yōu)化模型通過(guò)Box-Behnken優(yōu)化模塊,最終得到最優(yōu)微織構(gòu)形狀參數(shù)(對(duì)最初優(yōu)化得到的3個(gè)參數(shù)進(jìn)行了圓整):F和G均為1000μm;H為32°。

4.3 最優(yōu)特征參數(shù)微織構(gòu)導(dǎo)軌相關(guān)性能研究

4.3.1 液體潤(rùn)滑狀態(tài)下微織構(gòu)導(dǎo)軌相關(guān)性能研究

建立最優(yōu)特征參數(shù)微織構(gòu)導(dǎo)軌副之間油膜三維模型,將其導(dǎo)入Fluent并進(jìn)行網(wǎng)格劃分,邊界條件施加同原型導(dǎo)軌,得到油膜表面壓強(qiáng)、切應(yīng)力及溫度分布云圖如圖11所示。進(jìn)一步計(jì)算得到導(dǎo)軌的承載壓強(qiáng)115402.62Pa、摩擦系數(shù)0.103和平均溫度38.74℃,與未織構(gòu)原型導(dǎo)軌 的100218Pa、0.140和42.08℃相比,前者提高了15.15%,而后兩者分別降低了26.43%和7.94%。

圖11 最優(yōu)微織構(gòu)導(dǎo)軌副性能分布云圖Fig.11 Performance distribution clouds diagram of optimal micro-texture guide pair

4.3.2 乏油狀態(tài)下微織構(gòu)導(dǎo)軌接觸應(yīng)力仿真分析

建立與前文中原型導(dǎo)軌相同外形尺寸的織構(gòu)導(dǎo)軌三維模型如圖12(a)所示,對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分并設(shè)置同原型導(dǎo)軌的接觸及約束條件,最終得到乏油狀態(tài)下微織構(gòu)導(dǎo)軌接觸應(yīng)力云如圖12(b)所示。

對(duì)比圖12(b)和圖5(d)可知,微織構(gòu)導(dǎo)軌最大應(yīng)力為1.4207MPa,比原型接觸面的最大應(yīng)力值1.3504MPa略大,但其并不在接觸表面上而是分布在微織構(gòu)內(nèi)部,對(duì)接觸面的潤(rùn)滑基本沒(méi)有影響,而在接觸面處的最大接觸應(yīng)力為1.2412MPa,較織構(gòu)前的最大接觸應(yīng)力1.3504MPa降低了8.09%。最大值也分布在摩擦副表面邊緣,這與張赟[3]所研究的圓孔微織構(gòu)結(jié)論一致??梢?jiàn),在低速重載乏油狀態(tài)下,導(dǎo)軌上織構(gòu)橢圓開(kāi)口偏置類拋物線微織構(gòu)后能夠有效減小接觸應(yīng)力,進(jìn)而有利于潤(rùn)滑油膜的形成改善導(dǎo)軌的摩擦磨損性。

圖12 乏油狀態(tài)下微織構(gòu)導(dǎo)軌接觸應(yīng)力模型及結(jié)果Fig.12 Contact stress model and results of microtextured guide under lack of oil condition

5 結(jié)論

(1)在滑動(dòng)導(dǎo)軌副定導(dǎo)軌上織構(gòu)橢圓開(kāi)口偏置類拋物線微織構(gòu)時(shí),位置形狀參數(shù)對(duì)導(dǎo)軌承載壓強(qiáng)和摩擦系數(shù)的影響程度大小順序分別為Rho>長(zhǎng)軸半徑>深度>偏置量>短軸半徑、長(zhǎng)軸半徑>短軸半徑>Rho>深度>偏置量。以承載壓強(qiáng)最大摩擦系數(shù)最小為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化得到的最優(yōu)微織構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)為橢圓長(zhǎng)半軸長(zhǎng)450μm、橢圓短半軸長(zhǎng)278μm、深度135μm、偏移量220μm、Rho系數(shù)為0.65。最優(yōu)形狀參數(shù)微織構(gòu)單元承載壓強(qiáng)較原型提升6.09%,摩擦系數(shù)較原型降低23.74%。

(2)織構(gòu)的3個(gè)分布參數(shù)對(duì)導(dǎo)軌的承載壓強(qiáng)、摩擦系數(shù)和溫度的影響程度大小順序分別為角度>橫向間距>縱向間距、縱向間距>橫向間距>角度、橫向間距>縱向間距>角度。以承載壓強(qiáng)最大、溫度和摩擦系數(shù)最小為目標(biāo)優(yōu)化得到的最優(yōu)分布參數(shù)為縱、橫向間距均1000μm、橢圓開(kāi)口長(zhǎng)軸與運(yùn)動(dòng)方向之間的夾角32°。

(3)最優(yōu)特征參數(shù)橢圓開(kāi)口偏置類拋物線微織構(gòu)導(dǎo)軌的承載壓強(qiáng)、摩擦系數(shù)和平均溫度分別為115402.62Pa、0.103和38.74℃,與原型未織構(gòu)導(dǎo)軌的100218Pa、0.140和42.08℃相比,前者提高了15.15%,而后兩者分別降低了26.43%和7.94%;在乏油狀態(tài)下,橢圓開(kāi)口偏置類拋物線微織構(gòu)導(dǎo)軌最大接觸應(yīng)力為1.2412MPa,較原型未織構(gòu)導(dǎo)軌的1.3504MPa降低了8.09%。

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