胡瑞,陳威,許春霞,3,YANG Yue
摩擦表面定域潤(rùn)滑研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)
胡瑞1,2,陳威1,許春霞1,3,YANG Yue2
(1.南昌工程學(xué)院 江西省精密驅(qū)動(dòng)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌 330099;2.謝菲爾德大學(xué) 機(jī)械工程系,謝菲爾德 S1 3JD,英國(guó);3.南昌大學(xué) 先進(jìn)制造學(xué)院,南昌 330031)
面向環(huán)境保護(hù)和資源節(jié)約使用的呼聲,應(yīng)用少量潤(rùn)滑劑實(shí)現(xiàn)摩擦表面定域可控潤(rùn)滑的研究越來(lái)越受到關(guān)注。基于潤(rùn)滑劑定域潤(rùn)滑效應(yīng),從定域潤(rùn)滑的形成機(jī)制、潤(rùn)滑層結(jié)構(gòu)、潤(rùn)滑種類、潤(rùn)滑效果和定域與微觀-宏觀域關(guān)聯(lián)等角度進(jìn)行探索研究。概述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外關(guān)于定域潤(rùn)滑的研究進(jìn)展,從潤(rùn)滑約束角度概述了外力約束型、空間封閉約束型、表面形貌約束型和表面物化約束型等不同形式的定域潤(rùn)滑,同時(shí)對(duì)其成因及潤(rùn)滑機(jī)理進(jìn)行了闡述,并對(duì)不同約束方式之間的耦合潤(rùn)滑效果研究,得出不同定域因素間會(huì)產(chǎn)生影響,且作用效果相似的約束方式之間耦合影響會(huì)明顯增強(qiáng)。此外,系統(tǒng)性地闡述了定域潤(rùn)滑在數(shù)學(xué)模型理論研究、實(shí)驗(yàn)研究、仿真分析等方面研究的發(fā)展概況,并分析了定域潤(rùn)滑在摩擦過(guò)程中的潤(rùn)滑效應(yīng)及其優(yōu)勢(shì)與不足。最后分析了目前定域潤(rùn)滑研究中存在的問(wèn)題和拓展方向,并提出其可在多種影響因素耦合方面重點(diǎn)研究的建議。
定域潤(rùn)滑;局域潤(rùn)滑;摩擦表面;密封潤(rùn)滑;磁流體
潤(rùn)滑是為了改善摩擦副的摩擦狀態(tài),以降低摩擦副表面之間的摩擦磨損的措施,一般通過(guò)將潤(rùn)滑劑加入摩擦副之中實(shí)現(xiàn)。在加入流體潤(rùn)滑劑后,摩擦表面會(huì)形成潤(rùn)滑膜界面,在避免摩擦副直接接觸的同時(shí)還能有散熱、除銹、減震、降噪等作用[1]。潤(rùn)滑劑在潤(rùn)滑過(guò)程中可以有效減小摩擦副表面的損耗,降低摩擦因數(shù),改善設(shè)備的摩擦性能。然而,潤(rùn)滑劑的損耗會(huì)造成設(shè)備摩擦增大且能耗增加,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成設(shè)備損壞乃至發(fā)生危害人身安全的重大生產(chǎn)安全事故。針對(duì)上述問(wèn)題,生產(chǎn)實(shí)踐中通常采用密封并持續(xù)補(bǔ)充潤(rùn)滑劑的方式來(lái)解決潤(rùn)滑問(wèn)題[2],這種方式雖然在一定程度上防止了潤(rùn)滑劑的損耗,但根據(jù)密封精度的不同,潤(rùn)滑劑的泄露還是存在,仍然會(huì)造成一定的資源浪費(fèi)。而使用定域潤(rùn)滑措施可以有效減小潤(rùn)滑劑的損耗,同時(shí)可延長(zhǎng)設(shè)備使用年限和降低能源消耗,這在能源日益緊缺的今天具有重要意義。
隨著社會(huì)的不斷發(fā)展,能源問(wèn)題日益凸顯,如何降低設(shè)備運(yùn)行中的能源損耗,提高能源利用率已成科學(xué)研究的當(dāng)務(wù)之急。本文主要從磁控下磁流體潤(rùn)滑、機(jī)械密封結(jié)構(gòu)和微織構(gòu)形態(tài)方面對(duì)定域潤(rùn)滑現(xiàn)象進(jìn)行研究,將潤(rùn)滑現(xiàn)象聚焦于潤(rùn)滑劑的定域分布,著重研究潤(rùn)滑劑的定域約束與不同定域因素協(xié)同作用的問(wèn)題,就目前定域潤(rùn)滑研究進(jìn)行了系統(tǒng)性地梳理。
定域潤(rùn)滑是指將潤(rùn)滑劑使用一定方法吸附在摩擦副限定區(qū)域表面的潤(rùn)滑技術(shù)。將潤(rùn)滑劑約束在摩擦區(qū)域內(nèi),可以有效減少潤(rùn)滑劑的損耗,避免形成干摩擦;同時(shí)將潤(rùn)滑劑約束在一定區(qū)域內(nèi)還能提升潤(rùn)滑性能,使得摩擦區(qū)域的動(dòng)壓力、油膜承載力和抗磨減摩性能都有所增加。因此,本文闡述的定域潤(rùn)滑技術(shù)及其潤(rùn)滑機(jī)理,不僅有助于定域潤(rùn)滑機(jī)制的研究,也有利于全域潤(rùn)滑領(lǐng)域的理論拓展和完善。
定域潤(rùn)滑的概念最早出現(xiàn)在1885年出現(xiàn)的機(jī)械密封上[3],這一時(shí)期研究主要使用機(jī)械結(jié)構(gòu)將潤(rùn)滑劑密封在摩擦區(qū)域,防止其飛濺損耗,被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活當(dāng)中。隨著機(jī)械密封研究的不斷深入,性能更好的機(jī)械密封也逐漸被開(kāi)發(fā)出來(lái),機(jī)械密封具有密封性能好、使用壽命長(zhǎng)、功率消耗少等優(yōu)點(diǎn),但其滑動(dòng)環(huán)和O形圈在使用過(guò)程中易失效,并且其工作過(guò)程中密封端界面內(nèi)的潤(rùn)滑機(jī)理尚未明確,還需要開(kāi)展進(jìn)一步的研究[4]。而隨著潤(rùn)滑材料學(xué)研究的不斷進(jìn)步,使用新型磁流體潤(rùn)滑劑、油凝膠等代替?zhèn)鹘y(tǒng)潤(rùn)滑劑也逐漸成為定域潤(rùn)滑領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[5]。相較于傳統(tǒng)潤(rùn)滑劑,磁流體可以在磁場(chǎng)作用下形成自密封,將潤(rùn)滑劑限定在定域表面,無(wú)需使用機(jī)械結(jié)構(gòu),能有效防止?jié)櫥瑒p耗[6]。而油凝膠可以將潤(rùn)滑劑容納在凝膠結(jié)構(gòu)當(dāng)中,在溫度的影響下發(fā)生相變,實(shí)現(xiàn)對(duì)摩擦區(qū)域的自適應(yīng)潤(rùn)滑[7]。與此同時(shí),微織構(gòu)形態(tài)也被應(yīng)用到定域潤(rùn)滑研究中,微織構(gòu)形態(tài)可以容納被擠走的潤(rùn)滑劑,不斷補(bǔ)充摩擦副表面的潤(rùn)滑劑,特殊形態(tài)的微織構(gòu)結(jié)構(gòu)還會(huì)形成表面引導(dǎo)效應(yīng),控制潤(rùn)滑劑的覆蓋范圍,有效延長(zhǎng)潤(rùn)滑劑使用時(shí)間,降低潤(rùn)滑劑損耗。隨著摩擦學(xué)研究的不斷深入,還有很多其他定域潤(rùn)滑現(xiàn)象不斷發(fā)現(xiàn)并應(yīng)用。
定域潤(rùn)滑得以形成,主要是由外界對(duì)摩擦區(qū)域和潤(rùn)滑劑施加約束,這一約束形成既可以是外力約束,如磁力[8]、電場(chǎng)力[9]、分子之間的吸附力[10]等,也可以是空間約束如接觸式機(jī)械密封或非接觸式機(jī)械密封等[11],還可以是表面形貌約束如不同微織構(gòu)形態(tài)等[12]。
因此,可以認(rèn)為形成定域潤(rùn)滑的基本條件在于摩擦副表面之間的潤(rùn)滑劑及其產(chǎn)生潤(rùn)滑定域效應(yīng)的約束條件。通過(guò)不同形式的約束將潤(rùn)滑劑吸附在摩擦副之間,這可避免摩擦副表面之間形成混合潤(rùn)滑或干摩擦工況,以保障摩擦副表面之間時(shí)刻維持著提供潤(rùn)滑的潤(rùn)滑層。
在形成定域潤(rùn)滑效應(yīng)后,摩擦副表面之間不會(huì)直接接觸,且可以長(zhǎng)時(shí)間維持有良好潤(rùn)滑的接觸狀態(tài);同時(shí),潤(rùn)滑劑在約束狀況下的損耗也會(huì)減少,以維持更長(zhǎng)時(shí)間的理想狀態(tài);對(duì)應(yīng)狀態(tài)下,此時(shí)宏觀狀態(tài)下的直接表現(xiàn)就是摩擦阻力降低,摩擦副表面間的摩擦磨損特征值減小。
根據(jù)不同的約束方式,其潤(rùn)滑層的結(jié)構(gòu)也有所不同:(1)利用外力約束方式,將潤(rùn)滑劑在外力作用下約束在摩擦副表面,形成定域內(nèi)穩(wěn)定的潤(rùn)滑劑層;(2)利用空間封閉約束方式,將潤(rùn)滑劑封閉在摩擦域附近,使得潤(rùn)滑劑無(wú)法脫離潤(rùn)滑摩擦域,形成動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的定域潤(rùn)滑劑層;(3)利用表面形貌約束方式,將潤(rùn)滑劑通過(guò)表面形貌留存在摩擦表面內(nèi),形成表面形貌定域范圍內(nèi)的潤(rùn)滑劑層;(4)利用表面物化約束方式,將不同性質(zhì)的摩擦材料加入潤(rùn)滑區(qū)域,通過(guò)摩擦過(guò)程中物理覆蓋、化學(xué)反應(yīng)固定和產(chǎn)生納米級(jí)薄膜等方式,在自身理化特性的作用下形成特殊的定域潤(rùn)滑層,達(dá)到改善摩擦性能的目的。
不同的定域潤(rùn)滑類型的形成原理和定域技術(shù)條件都有所不同,其具體的潤(rùn)滑效果也不同,分析不同形態(tài)定域類型的具體原理可以對(duì)優(yōu)化定域形態(tài)和多定域因素耦合優(yōu)化有著重要意義。
外力約束型是借由在潤(rùn)滑劑上使用一定的特殊理化性能的材料,如磁性顆粒、熔融鹽潤(rùn)滑劑等,借由其理化特性產(chǎn)生的外力使得潤(rùn)滑劑吸附在摩擦副表面,達(dá)到防止?jié)櫥瑒┝魃⒌男ЧM饬s束型主要是通過(guò)潤(rùn)滑劑自身與外界場(chǎng)(如磁場(chǎng)、電場(chǎng)、溫度場(chǎng)等)相互作用而產(chǎn)生的約束力來(lái)約束潤(rùn)滑劑本身,以達(dá)到固定在潤(rùn)滑表面的效果;同時(shí)僅僅通過(guò)改變外界場(chǎng)就能對(duì)潤(rùn)滑劑的固定效果進(jìn)行改變,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)潤(rùn)滑的控制。
外力約束型主要表現(xiàn)于使用磁力的磁流體潤(rùn)滑中,由于磁流體在磁場(chǎng)下的特殊效應(yīng),使得其首先應(yīng)用于密封領(lǐng)域,但研究中也發(fā)現(xiàn)磁流體在潤(rùn)滑中也有較好的效果,其原因在于磁流體會(huì)受到磁場(chǎng)影響(如圖1所示),吸附在摩擦副表面,避免流散。磁流體的定域效應(yīng)與外磁場(chǎng)強(qiáng)度緊密相關(guān),在磁場(chǎng)強(qiáng)度較大時(shí)磁流體黏度也較大,在定域內(nèi)吸附在摩擦副表面[13]。施加磁場(chǎng)時(shí),磁性納米顆粒沿磁場(chǎng)方向排列取向,隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加,相互作用和排列變得更強(qiáng),在1 400 Gs的磁場(chǎng)強(qiáng)度下,以硅油為基底的鐵磁流體的黏度比可以達(dá)到166[14]。磁流體在磁場(chǎng)作用下的定域效應(yīng)不僅能夠增加定域效果,還能增強(qiáng)油膜的承載力,提高潤(rùn)滑效果。
外力約束型也表現(xiàn)在使用電場(chǎng)力上,文獻(xiàn)[9]開(kāi)展了4種離子在表面電勢(shì)的影響下對(duì)潤(rùn)滑定域的影響研究,結(jié)果表明,在定域范圍電勢(shì)影響下,含F(xiàn)AP陰離子的3種離子液體,負(fù)電位下的摩擦因數(shù)低于正電位下的摩擦因數(shù);烷基鏈的長(zhǎng)度對(duì)潤(rùn)滑性能的影響也非常顯著,但當(dāng)烷基鏈長(zhǎng)度進(jìn)一步減少到2時(shí),離子便于重新定向,可以在摩擦副的定域表面平行排布,潤(rùn)滑性能進(jìn)一步提升。離子液體作為潤(rùn)滑劑還會(huì)產(chǎn)生靜電吸附的效果,在靜電力的作用下形成具有自愈合和自濕潤(rùn)功能的ILCAs-GO沉積膜,可以有效分離摩擦副表面并提供充足的潤(rùn)滑,從而減少材料磨損[15]。
圖1 磁流體在不同定域磁場(chǎng)下的特性[8]
圖2 溫度驅(qū)動(dòng)下固體表面液體的變化[16]
外力約束型還體現(xiàn)在溫度場(chǎng)的影響下,液體在固體表面的分布受到與空氣間表面張力的影響,其工作原理如圖2所示,在外界溫度的變化下液體的表面張力產(chǎn)生變化,從而對(duì)液體產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)作用[16]。目前上述研究已應(yīng)用在溫度影響下發(fā)生相變的“自約束”型凝膠[17],這種凝膠在高溫(240 ℃以上)下呈液態(tài),低溫下則呈凝固狀態(tài),可有效地減小摩擦過(guò)程中高溫造成的潤(rùn)滑劑損失及失效;同時(shí)表現(xiàn)出對(duì)摩擦過(guò)程的自適應(yīng)效果,當(dāng)摩擦過(guò)程中剪切速率降低,其黏度增加,而剪切速率提高則黏度降低;這一系列過(guò)程都可重復(fù)實(shí)現(xiàn)。將這種材料應(yīng)用在軸承上減少了高速運(yùn)轉(zhuǎn)下潤(rùn)滑油的質(zhì)量損失,提升了軸承材料的儲(chǔ)油能力;同時(shí)在摩擦熱的作用下,凝膠轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w,增強(qiáng)了潤(rùn)滑效果,摩擦因數(shù)明顯下降[18]。
空間封閉約束型則是以機(jī)械密封為代表,采用泄露率極低的密封封裝邊界將摩擦副表面及潤(rùn)滑劑封閉起來(lái)形成定域范圍,使摩擦行為發(fā)生在空間約束內(nèi)??臻g封閉約束型主要通過(guò)密封技術(shù)的方式實(shí)現(xiàn),通過(guò)密封的方式將潤(rùn)滑劑封閉在潤(rùn)滑區(qū)域,以防止?jié)櫥瑒┮萆?,?shí)現(xiàn)更長(zhǎng)期的潤(rùn)滑效果。由于空間約束型定域范圍較大,雖然很難做到精確控制潤(rùn)滑部位,但是其技術(shù)成熟,成本較低,所形成的定域穩(wěn)定,因此應(yīng)用較為廣泛。
機(jī)械密封可以分為接觸式密封(如圖3所示)和非接觸式密封(如圖4所示),2種方式各有優(yōu)劣。接觸式機(jī)械密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造方便,維護(hù)成本低,其密封性和可靠性良好。接觸式機(jī)械密封通過(guò)運(yùn)動(dòng)環(huán)和靜止環(huán)緊密接觸而形成密封效果,同時(shí)采用O形圈在軸套與殼體上實(shí)現(xiàn)二次密封,進(jìn)一步保證其密封率和潤(rùn)滑液存儲(chǔ)[19]。然而,接觸式機(jī)械密封還存在一定的問(wèn)題,由于密封界面直接接觸并缺乏良好潤(rùn)滑,在摩擦過(guò)程中這些零件不斷磨損,從而影響整體的密封性能,同時(shí)由于密封界面并不能完全緊密接觸,因此還是存在泄露現(xiàn)象和潤(rùn)滑失效[20]。而非接觸式機(jī)械密封則是在解決上述問(wèn)題的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,是通過(guò)在端面動(dòng)環(huán)或靜環(huán)上開(kāi)設(shè)不同形態(tài)的凹槽和孔槽,形成徑向收斂楔,使流體運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生靜壓或動(dòng)壓作用,在密封端面之間形成一層穩(wěn)定連續(xù)的流體膜,使得端面之間不存在固相接觸的機(jī)械密封;由于不存在直接的接觸摩擦,非接觸式機(jī)械密封的摩擦磨損很小,同時(shí)利用流體的動(dòng)壓或靜壓作用,使得非接觸式機(jī)械密封的泄漏量可控和局域潤(rùn)滑效果良好,理論上可以實(shí)現(xiàn)零泄露[21]。
非接觸式機(jī)械密封雖然利用了流體靜動(dòng)壓力,但與外力約束型潤(rùn)滑中需要存在受到外場(chǎng)力影響的潤(rùn)滑劑組成成分或場(chǎng)力因子(如磁流體中受到外磁場(chǎng)力約束的磁性粒子、離子液體中受到外電場(chǎng)力約束的極性離子、油凝膠中受到溫度場(chǎng)力約束的凝膠因子等)不同,非接觸式密封中的潤(rùn)滑劑可以不需要存在受外界場(chǎng)影響的成分因子而只需要產(chǎn)生密封作用的流體靜壓或動(dòng)壓效果因素[22]。其約束力主要是來(lái)源于端面表面構(gòu)型與流體的運(yùn)動(dòng)[23],約束作用區(qū)域在密封空間的外部區(qū)域。目前該方面研究熱點(diǎn)集中在實(shí)現(xiàn)空間封閉的密封油槽結(jié)構(gòu)形態(tài)、密封端面的泄漏量和動(dòng)靜環(huán)匹配性能等[22-23]。
圖3 接觸式機(jī)械密封基本結(jié)構(gòu)[19]
圖4 典型的單向螺旋槽非接觸式機(jī)械密封的密封端面定域結(jié)構(gòu)[21]
表面形貌約束則是以微織構(gòu)形態(tài)為主,通過(guò)改變定域范圍內(nèi)的摩擦副表面形貌,使其擁有更好的摩擦學(xué)性能,同時(shí)利用微織構(gòu)形態(tài)將潤(rùn)滑劑約束在定域摩擦副表面,避免隨摩擦過(guò)程甩出,造成損耗[24]。表面約束型基本是通過(guò)改變潤(rùn)滑區(qū)域的表面形貌以產(chǎn)生定域效果,并不涉及潤(rùn)滑劑本身與潤(rùn)滑區(qū)域以外的空間,也不會(huì)在潤(rùn)滑表面發(fā)生物化反應(yīng),因此其適用范圍較廣,在許多場(chǎng)合都能加以應(yīng)用。
研究表明,摩擦力不是隨物體表面越光滑而越小,在物體表面加工出一些規(guī)則的紋路也可以有效減小摩擦力,同時(shí)微凹坑型織構(gòu)可以容納磨損產(chǎn)生的碎屑,防止碎屑對(duì)摩擦副表面造成二次破壞。同時(shí)凹坑還能容納一定量的潤(rùn)滑劑,補(bǔ)充摩擦過(guò)程中的油液損耗[25-26]。此外,微凹坑還會(huì)在使用油潤(rùn)滑劑摩擦?xí)r發(fā)生空化效應(yīng),增大油膜剛性,增強(qiáng)油膜承載力,考慮空化時(shí)的承載力比不考慮空化時(shí)可提高35~74倍,同時(shí)摩擦力減小了5.8%~37.3%,摩擦因數(shù)可降低98.3%~98.7%[27],然而,這種現(xiàn)象在高速輕載的狀態(tài)下效果比較明顯,低速重載時(shí)油膜的承載力則會(huì)降低[28]。特殊的微織構(gòu)結(jié)構(gòu)還可以形成定域范圍內(nèi)的微循環(huán)潤(rùn)滑回路,使得潤(rùn)滑劑在摩擦上形成循環(huán),既能提升潤(rùn)滑劑的流體動(dòng)壓力,增強(qiáng)其承載能力,又能有效回收被擠壓出摩擦表面定域范圍的潤(rùn)滑劑,這通過(guò)微循環(huán)進(jìn)行補(bǔ)充,以降低潤(rùn)滑劑損耗率[29]。定域微織構(gòu)結(jié)構(gòu)主要影響潤(rùn)滑劑的流體壓力和剪切力,文獻(xiàn)[30]用尺寸為2 mm×2 mm、網(wǎng)格數(shù)為256×256的定域且微織構(gòu)分布為4×4排列進(jìn)行模擬計(jì)算,探究了定域微織構(gòu)結(jié)構(gòu)對(duì)流體壓力和剪切力產(chǎn)生的影響,壓力和剪切力隨著表面織構(gòu)面密度和深寬比的增大而增大;但隨著深寬比的增加,壓力增大的幅度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。
表面引導(dǎo)效應(yīng)也是表面形貌約束的一種方式,其基本原理則是通過(guò)表面結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)液體移動(dòng),具有親疏水梯度和錐形結(jié)構(gòu)特征的一維絲狀材料能實(shí)現(xiàn)液體的短距離搬運(yùn),使其在局部區(qū)域富集。豬籠草的口緣區(qū)表面液膜的形成也是基于這一效應(yīng)[31],口緣區(qū)表面具有幾乎平行分布的兩級(jí)溝槽,且在第二級(jí)溝槽內(nèi)分布著朝向一致、層疊分布的“鴨嘴狀”楔形盲孔陣列結(jié)構(gòu),豬籠草的楔形孔內(nèi)緣夾角具有梯度漸變特征,會(huì)增強(qiáng)液體向上鋪展的能力,形成“梯度泰勒毛細(xì)升”現(xiàn)象,加強(qiáng)液體的匯集能力[32]。而進(jìn)一步的研究也證實(shí)在其他表面應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)可以有效增強(qiáng)液體的擴(kuò)散與匯集能力,形成有效的自潤(rùn)滑[33]。
表面物化型約束則是利用物理或化學(xué)特性,通過(guò)改變材料的理化性能來(lái)改善摩擦副定域面的摩擦性能,主要是在潤(rùn)滑劑中加入添加劑或利用其本身的理化性質(zhì),通常會(huì)與潤(rùn)滑表面材料產(chǎn)生不可逆的理化反應(yīng)來(lái)達(dá)到更好的潤(rùn)滑效果。其基本方式有3種:
一是通過(guò)物理方法,在材料表面定域范圍內(nèi)覆蓋摩擦性能較好的摩擦層,如在潤(rùn)滑劑中加入微納米潤(rùn)滑材料,通過(guò)在定域范圍覆蓋潤(rùn)滑襯墊的方式,將摩擦性能更好的材料覆蓋在摩擦副表面,改善其摩擦學(xué)性能,與潤(rùn)滑劑協(xié)同作用達(dá)到更好的潤(rùn)滑效果。文獻(xiàn)[34]在潤(rùn)滑劑中加入微納米潤(rùn)滑材料,使得微納米潤(rùn)滑材料在摩擦副定域表面經(jīng)物理性摩擦反應(yīng)形成定域摩擦層,主要包括向摩擦副表面遷移的沉積層、彌散在超光滑摩擦表面的滾動(dòng)摩擦層、擴(kuò)散嵌入摩擦副表面的嵌入滲透層等,這些定域摩擦層不僅可以提升摩擦副表面的潤(rùn)滑能力,還能保護(hù)材料不被磨損,抗磨性能和潤(rùn)滑性能都有提升。
二是通過(guò)化學(xué)方式,使?jié)櫥瑒┡c摩擦材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng),從而固化在摩擦副表面定域上,使?jié)櫥瑒╅L(zhǎng)期存在,不易隨摩擦的發(fā)生而被甩出或逸散。這一方式在鉆井液潤(rùn)滑劑中常有應(yīng)用,文獻(xiàn)[35]在鉆井潤(rùn)滑劑上采用二烷基二硫代磷酸鋅(ZDDP)極性吸附潤(rùn)滑劑,極壓潤(rùn)滑劑就是通過(guò)其極性吸附功能,其在極壓條件下以化學(xué)鍵組合的方式吸附于金屬表面,將潤(rùn)滑劑約束在定域摩擦副表面,防止其潤(rùn)滑失效。與此類似的還有可以吸附在金屬表面的含氮雜環(huán)化合物,利用氮原子的孤對(duì)電子與金屬原子的空d軌道絡(luò)合或者與金屬表面的正電荷位點(diǎn)結(jié)合,形成以氧化亞鐵(FeO)、有機(jī)氮化物和含氮金屬配合物等為主要成分的絡(luò)合吸附保護(hù)膜,使得金屬摩擦副定域范圍內(nèi)摩擦因數(shù)和磨損量都減小[36]。
三是潤(rùn)滑劑中的添加劑在摩擦過(guò)程中形成的納米薄膜,文獻(xiàn)[37]中提到的二烷基二硫代磷酸鋅和無(wú)灰二烷基二硫代磷酸鋅(ZDDP和DDP)抗磨添加劑會(huì)產(chǎn)生薄膜。上述這種薄膜在摩擦過(guò)程中會(huì)呈現(xiàn)熔融狀態(tài),其表現(xiàn)出一定的流變特性,可以重新配置膜上分子,在定域范圍內(nèi)從納米級(jí)上維持局部有序,且顯著提升其抗磨潤(rùn)滑性能。
目前還未建立一個(gè)完善的定域潤(rùn)滑理論,但就現(xiàn)有研究而言,大多數(shù)理論研究集中于流體潤(rùn)滑理論和表面形貌結(jié)構(gòu)模型的建立。定域潤(rùn)滑理論依托于傳統(tǒng)的流體潤(rùn)滑理論,同時(shí)結(jié)合摩擦副表面形貌研究,將理論研究集中于微觀層面,對(duì)宏觀上無(wú)法解釋的潤(rùn)滑現(xiàn)象構(gòu)建新的理論說(shuō)明。
流體潤(rùn)滑理論研究主要是使用Reynolds方程[38],在其三維形式下建立油膜壓力分布方程,并根據(jù)不同條件建立適當(dāng)?shù)姆匠桃匝芯坑湍ぴ诓煌Σ翖l件下的潤(rùn)滑狀態(tài)。文獻(xiàn)[39]基于雷諾方程和根據(jù)適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件建立了磁流體動(dòng)壓方程,為磁流體動(dòng)壓潤(rùn)滑理論奠定了基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[40]表明采用Binghan模型更能反映動(dòng)壓軸承上潤(rùn)滑劑流變行為不連續(xù)的實(shí)際情況,研究指出,Binghan模型不需要對(duì)推導(dǎo)進(jìn)行區(qū)域近似和數(shù)值正則化,上述結(jié)果表明其適用于任意幾何形狀的潤(rùn)滑膜及潤(rùn)滑行為研究。
摩擦副表面形貌研究主要在建立定域表面形貌的結(jié)構(gòu)方程上,并考慮摩擦副表面的粗糙度對(duì)其摩擦性能的影響。文獻(xiàn)[41]根據(jù)典型表面織構(gòu)(如圖5所示)建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,其中變量包括織構(gòu)半徑、深度、織構(gòu)的面積密度;同時(shí)求解了基于此模型列出的雷諾方程,并將其應(yīng)用在干氣密封、推力軸承、活塞環(huán)、軟彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑等設(shè)備的織構(gòu)化求解上。文獻(xiàn)[42]則利用數(shù)值分析方法研究了摩擦表面粗糙度對(duì)微織構(gòu)潤(rùn)滑的影響。結(jié)果表明:表面粗糙度對(duì)液膜壓力和流體動(dòng)壓潤(rùn)滑性能具有一定的影響且不可忽略,但對(duì)微織構(gòu)最佳深度的影響較小。這表明了研究中需要考慮摩擦表面粗糙度的必要性。
圖5 典型的表面定域織構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)[41]
目前關(guān)于定域潤(rùn)滑的實(shí)驗(yàn)研究集中在單一定域潤(rùn)滑因素或?qū)?種定域潤(rùn)滑因素耦合實(shí)驗(yàn)上。文獻(xiàn)[43]就微織構(gòu)形狀對(duì)金屬摩擦副的影響進(jìn)行了研究,其針對(duì)單一定域因素——微織構(gòu)進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明,在金屬摩擦副的情況下徑向溝槽狀的微織構(gòu)減摩效果最好。相似地,文獻(xiàn)[44]則就磁場(chǎng)作用下的磁流體摩擦特性這一單一定域因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,研究表明磁流體定域潤(rùn)滑能有效減小摩擦,并且減摩效果與磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān);與恒定磁場(chǎng)相比,交變的磁場(chǎng)可以減小磁力對(duì)摩擦因數(shù)的影響。
在2種潤(rùn)滑因素耦合研究上,文獻(xiàn)[45]將微織構(gòu)與機(jī)械密封結(jié)構(gòu)相結(jié)合,結(jié)果表明,面積為15%且深度為5 μm的微織構(gòu)非常適用于機(jī)械裝置的密封結(jié)構(gòu);同時(shí)微織構(gòu)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向角為45°時(shí),油膜泄露率最小。文獻(xiàn)[46]將磁流體與機(jī)械密封結(jié)構(gòu)相耦合,結(jié)果表明,高轉(zhuǎn)速下動(dòng)壓效應(yīng)較為明顯,液膜厚度隨之減??;膜厚隨介質(zhì)壓力的增大而減小,當(dāng)介質(zhì)壓力超過(guò)0.3 MPa時(shí),油膜破裂而潤(rùn)滑失效;油膜破裂的臨界厚度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而減小。文獻(xiàn)[47]對(duì)固體潤(rùn)滑劑與微織構(gòu)結(jié)構(gòu)的潤(rùn)滑效果進(jìn)行了耦合研究,采用微織構(gòu)結(jié)構(gòu)與納米二硫化鉬(MoS2)、聚四氟乙烯(PTFE)自潤(rùn)滑襯墊進(jìn)行耦合,其相對(duì)材料干摩擦?xí)r的摩擦因數(shù)降低了29.7%,且可以有效提高摩擦副表面間的潤(rùn)滑特性。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,使用計(jì)算機(jī)軟件仿真模擬,已經(jīng)是研究中常用的輔助技術(shù)。在定域摩擦方面,可以根據(jù)不同的模擬條件建立不同模型進(jìn)行仿真模擬計(jì)算,以驗(yàn)證其對(duì)潤(rùn)滑性能優(yōu)劣程度的影響。
文獻(xiàn)[48]中對(duì)表面紋理進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,其模型求解除考慮表面粗糙度外,也結(jié)合了空化算法。通過(guò)帶紋理表面與不帶紋理摩擦副表面摩擦性能的結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn),其紋理密度和縱橫比的影響較大:當(dāng)織構(gòu)的密度值高于0.1、橫縱比高于0.04時(shí),摩擦阻力最??;當(dāng)織構(gòu)的橫縱比低于0.04時(shí),其從混合潤(rùn)滑狀態(tài)到流體潤(rùn)滑狀態(tài)過(guò)度較慢。此外,表面織構(gòu)的密度也會(huì)影響密封表面泄漏量,紋理密度值越大,越易導(dǎo)致較高的泄露量。文獻(xiàn)[49]通過(guò)對(duì)不同形狀的微織構(gòu)紋理進(jìn)行仿真對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)各向異性型紋理相比于各向同性型紋理在潤(rùn)滑過(guò)程中可以產(chǎn)生更高的剪切壓力峰值,使得潤(rùn)滑劑可以提供更大的承載面積,從而促進(jìn)潤(rùn)滑邊界膜的產(chǎn)生,潤(rùn)滑效果最佳;而中間型紋理雖然能夠維持最高的壓力峰值,但摩擦過(guò)程中由于無(wú)法穩(wěn)定地保持容納足夠的潤(rùn)滑劑,會(huì)出現(xiàn)干摩擦的情況,導(dǎo)致潤(rùn)滑效果不理想。文獻(xiàn)[50]通過(guò)對(duì)密度變化的表面定域微織構(gòu)進(jìn)行模擬分析,對(duì)比了不同表面紋理的潤(rùn)滑效果,在考慮空化效應(yīng)的情況下,發(fā)現(xiàn)微織構(gòu)的寬度和深度會(huì)增大空化的體積分?jǐn)?shù);研究結(jié)合空化效應(yīng)改善潤(rùn)滑性能,得到摩擦因數(shù)在深度比為0.6~0.7和寬度比為0.7~0.8時(shí)達(dá)到最小的結(jié)論。
從仿真結(jié)果可以看出,不同的定域因素之間會(huì)有所影響,特別是基于相似成因的定域因素之間相互干擾的影響則會(huì)更大。微織構(gòu)結(jié)構(gòu)和機(jī)械密封結(jié)構(gòu)就是一個(gè)很好的例子,在定域表面構(gòu)造微織構(gòu)結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)機(jī)械密封結(jié)構(gòu)的密封性產(chǎn)生影響。因此,協(xié)調(diào)不同定域因素間的匹配影響,對(duì)定域潤(rùn)滑研究至關(guān)重要。
定域潤(rùn)滑技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用上的效果主要表現(xiàn)在以下方面:摩擦因數(shù)減小、油膜承載力增加、摩擦副表面抗磨性能得到提升。
摩擦因數(shù)減小主要是通過(guò)改善潤(rùn)滑環(huán)境,提升摩擦副表面之間的潤(rùn)滑性能來(lái)實(shí)現(xiàn)。如文獻(xiàn)[51]中提到,在磁場(chǎng)作用下納米磁性顆粒對(duì)摩擦副起到支撐作用,就是通過(guò)外力約束方式避免摩擦副直接接觸,以改善摩擦副表面之間的潤(rùn)滑性能,其定域潤(rùn)滑下的磨損情況如圖6所示:相比于干摩擦與常規(guī)油潤(rùn)滑,磁場(chǎng)作用下的磁流體定域潤(rùn)滑試樣幾乎沒(méi)有磨損;相似地,通過(guò)微織構(gòu)結(jié)構(gòu)形成微型流體動(dòng)壓軸承,其產(chǎn)生的動(dòng)壓潤(rùn)滑膜可以防止摩擦副直接接觸[52];還有表面物化約束中通過(guò)物理或化學(xué)的方式在摩擦副表面形成低摩擦力的摩擦層,降低摩擦因數(shù)。
圖6 定域潤(rùn)滑作用下的磨損對(duì)比[51]
油膜承載力增加則是通過(guò)提升油膜本身性能為主。如在潤(rùn)滑劑中加入磁性微粒,在外加磁場(chǎng)的作用下潤(rùn)滑劑黏度提高,油膜承載力也相應(yīng)提高[53]。最為明顯的則是通過(guò)空間約束的方式增大油膜承載力和通過(guò)加強(qiáng)密封性能使密封內(nèi)部可承受的流體動(dòng)壓力增加,因此油膜承載力也相應(yīng)增加[54]。表面形貌約束中,也可以通過(guò)空化效應(yīng)在油膜內(nèi)產(chǎn)生空泡而提升油膜的承載力[55]。
抗磨性能的增強(qiáng)則主要體現(xiàn)在表面形貌約束和表面物化約束中。表面形貌約束主要通過(guò)容納摩擦過(guò)程中產(chǎn)生的碎屑,防止其造成二次摩損,改善摩擦副的抗磨性能[56];并且在進(jìn)行織構(gòu)化處理時(shí),織構(gòu)處會(huì)增加許多強(qiáng)化質(zhì)點(diǎn),增強(qiáng)了織構(gòu)處的硬度[57];而表面物化型約束中形成的各種摩擦層保護(hù)摩擦副表面,防止摩擦副之間直接接觸,也提升了摩擦副表面的抗磨性能。
大多數(shù)定域潤(rùn)滑的潤(rùn)滑機(jī)理都是基于微觀域上的研究。目前宏觀潤(rùn)滑效應(yīng)上仍是趨于傳統(tǒng)潤(rùn)滑機(jī)理的耦合關(guān)聯(lián)研究,其中往往會(huì)忽視微觀層面的潤(rùn)滑機(jī)理因素。因此從定域方面對(duì)潤(rùn)滑現(xiàn)象進(jìn)行研究可以有效解釋微觀層面的潤(rùn)滑機(jī)理,也是在宏觀潤(rùn)滑領(lǐng)域判斷潤(rùn)滑效果優(yōu)劣的一種新的評(píng)價(jià)理論和方法,其對(duì)潤(rùn)滑領(lǐng)域的理論研究具有較重要的拓展作用。
定域潤(rùn)滑技術(shù)及其效應(yīng)除了在宏觀潤(rùn)滑性能上有直接改善外,其在微觀域上也有一定的影響。文獻(xiàn)[58]在磁流體潤(rùn)滑下,通過(guò)在摩擦副表面構(gòu)筑微觀磁性紋理,使得磁性紋理周?chē)奂^多的磁性潤(rùn)滑劑,從而保持微觀定域內(nèi)的低摩擦因數(shù);相比普通紋理,微觀磁性紋理在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生“反摩擦”的效果,進(jìn)而在宏觀層面上產(chǎn)生更高的屈服應(yīng)力,表現(xiàn)出更好的潤(rùn)滑性能。上述現(xiàn)象在微織構(gòu)結(jié)構(gòu)中也有類似效果,微織構(gòu)結(jié)構(gòu)可以有效容納磨損時(shí)產(chǎn)生的碎屑,以防止其造成二次磨損,這些碎屑在微織構(gòu)結(jié)構(gòu)的凹坑中也會(huì)起到滾動(dòng)摩擦的效果,與微織構(gòu)結(jié)構(gòu)的宏觀潤(rùn)滑相結(jié)合,可以達(dá)到更好的潤(rùn)滑效果[59]。微觀與宏觀耦合潤(rùn)滑作用還體現(xiàn)在固體潤(rùn)滑劑的使用上,在宏觀上固體潤(rùn)滑劑填充摩擦副表面之間的空隙,避免其直接接觸,降低摩擦因數(shù)的同時(shí)磨損也減少;微觀上固體潤(rùn)滑劑與摩擦副表面之間也會(huì)產(chǎn)生摩擦反應(yīng)膜,這可對(duì)摩擦副表面實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步保護(hù)[60]。在納米微觀層面,定域范圍內(nèi)的分子排布和分子力對(duì)定域潤(rùn)滑也有一定影響,與宏觀移動(dòng)方向相同排布的分子序列和同向的分子力均會(huì)對(duì)潤(rùn)滑效果產(chǎn)生影響[61]。
定域潤(rùn)滑是一種統(tǒng)合了多種因素的潤(rùn)滑技術(shù),不同因素之間的耦合作用往往會(huì)達(dá)到更好的潤(rùn)滑效果,對(duì)工程實(shí)際中的很多潤(rùn)滑問(wèn)題可以提供更好的解決方案。定域潤(rùn)滑可以分成外力約束型、空間約束型、表面形貌約束型和表面物化約束型4種,通過(guò)研究其摩擦性能和摩擦學(xué)機(jī)理將其耦合配置,可以達(dá)到更好的潤(rùn)滑效果。因此需要研究多種定域約束耦合下影響潤(rùn)滑性能的關(guān)鍵因素,并協(xié)調(diào)相似定域因素成因之間的相互影響,以期達(dá)到最佳的潤(rùn)滑效果。由于定域潤(rùn)滑技術(shù)是集中于局部區(qū)域或微觀域的潤(rùn)滑技術(shù),其潤(rùn)滑機(jī)理大多作用在微觀域上,通過(guò)研究微觀領(lǐng)域內(nèi)的潤(rùn)滑機(jī)理可以有效解釋宏觀狀態(tài)下的各種潤(rùn)滑現(xiàn)象,對(duì)定域潤(rùn)滑理論的構(gòu)建有很大幫助。定域潤(rùn)滑研究可以將潤(rùn)滑劑和潤(rùn)滑現(xiàn)象集中在關(guān)鍵部位,實(shí)現(xiàn)少量潤(rùn)滑劑定域可控潤(rùn)滑,提高潤(rùn)滑劑使用效率,避免資源浪費(fèi)。
然而,目前定域潤(rùn)滑技術(shù)仍不完善,需要對(duì)其進(jìn)行更深入的研究。目前定域潤(rùn)滑技術(shù)可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行深入研究:
1)定域潤(rùn)滑研究目前還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的理論,不同因素之間的理論解釋往往相差甚遠(yuǎn),但其在潤(rùn)滑領(lǐng)域的具體表現(xiàn)卻有共通之處,因此可以對(duì)定域潤(rùn)滑理論進(jìn)行進(jìn)一步研究和完善。
2)定域潤(rùn)滑研究目前在多領(lǐng)域的摩擦學(xué)研究中均有體現(xiàn),但不同領(lǐng)域間結(jié)合研究還較少,往往只是單個(gè)或2個(gè)定域因素結(jié)合研究,2個(gè)以上的定域因素耦合研究鮮有報(bào)道,而部分定域因素如微織構(gòu),在與其他因素協(xié)同作用時(shí)存在最優(yōu)參數(shù)值,其對(duì)定域潤(rùn)滑效應(yīng)影響明顯。因此對(duì)多因素協(xié)同作用需進(jìn)行更深入地研究。
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Research Progress and Development Trend on the Localized Lubrication of Friction Surface
1,2,1,1,3,2
(1. Jiangxi Provincial Key Laboratory of Precision Drive and Control, Nanchang Institute of Technology, Nanchang 330099, China; 2. The Department of Mechanical Engineering, The University of Sheffield, Sheffield S1 3JD, uk; 3. Advanced Manufacturing School, Nanchang University, Nanchang 330031, China)
In response to calls for environmental protection and the economical use of resources, research into the application of small amounts of lubricant to achieve controlled lubrication of friction surfaces in a defined area has received increasing attention. This paper is based on the lubrication effect of fixed domain lubricant, from the formation mechanism of fixed domain lubrication, lubrication layer structure, lubrication type, lubrication effect and the correlation between fixed domain and micro-macro domain. This paper explores the formation mechanism, lubrication layer structure, lubrication type, lubrication effect and micro-macro domain correlation of fixed domain lubrication, analyses the performance of fixed domain lubrication in various aspects and its application, outlines the research progress on fixed domain lubrication at home and abroad in recent years, outlines different forms of fixed domain lubrication such as external force constrained, space closed constrained, surface morphology constrained and surface materialization constrained from the perspective of lubrication constraint, at the same time, the causes and lubrication mechanism are explained. The external force constraint type can achieve external control of lubrication effect; the space closed constraint type has mature technology, low cost, stable and widely used; the surface morphology constraint type forms a more accurate space of the fixed domain, does not affect the part outside the lubrication area. The surface materialisation constraint type has a good effect on the surface protection of the friction substrate, and is suitable for a variety of materials, and can reconfigure the molecular arrangement at the microscopic level, which has a broad research prospect. In this paper, the effect of coupling lubrication between different constraint types is investigated, and it is concluded that the effect of coupling between different fixed-domain factors can be influenced, and the effect of coupling between constraint types with similar effects can be significantly enhanced. The influence of single and multiple factors on lubrication performance and optimum parameters is demonstrated by analysing the corresponding experiments. In addition, this paper systematically illustrates the development overview of the research on fixed-domain lubrication in terms of mathematical model theory research, experimental research and simulation analysis, explores the influencing factors of fixed-domain lubrication from different research approaches, and analyses the lubrication effect of fixed-domain lubrication in friction processes and its advantages and shortcomings from practical applications, especially illustrates the coupling analysis of fixed-domain lubrication from macroscopic to microscopic levels, proposes the fixed-domain lubrication The analysis at the microscopic level points out that molecular arrangement and molecular forces also have some influence on fixed-domain lubrication; finally, the problems and feasible directions for expansion in the current research on fixed-domain lubrication are analysed, and suggestions for its focus on the coupling of multiple influencing factors are put forward. The study not only contributes to the study of the mechanism of fixed-domain lubrication, but also facilitates the expansion and improvement of the theory in the field of full-domain lubrication, which has a wide range of promising applications in reducing friction and wear and improving lubrication effect, and is of great help in reducing resource use and environmental pollution.
fixed domain lubrication; localized lubrication; friction surface; sealed lubrication; magnetic fluids
TH117
A
1001-3660(2022)11-0153-11
10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.11.013
2021–11–12;
2022–05–09
2021-11-12;
2022-05-09
國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51765044);2019年國(guó)家留學(xué)基金委公派留學(xué)項(xiàng)目(201908360023);江西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20212BAB204038);江西省教育廳科技項(xiàng)目(GJJ180934、GJJ180960)
National Natural Science Foundation of China (51765044); the State Scholarship Found Project of China Scholarship Council in 2019 (201908360023); Natural Science Foundation of Jiangxi Province in China (20212BAB204038); Science and Technology Project Founded by the Education Department of Jiangxi Province in China (GJJ180934, GJJ180960)
胡瑞(1979—),男,博士,副教授,主要研究方向?yàn)槲⒓{/仿生機(jī)械設(shè)計(jì)、摩擦學(xué)理論及其工業(yè)應(yīng)用。
HU Rui (1979-), Male, Doctor, Associate professor, Reseaech focus: micro-nano/bionic mechanical design, tribological theory and its industrial applications.
胡瑞, 陳威, 許春霞, 等. 摩擦表面定域潤(rùn)滑研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(11): 153-163.
HU Rui, CHEN Wei, XU Chun-xia, et al. Research Progress and Development Trend on the Localized Lubrication of Friction Surface[J]. Surface Technology, 2022, 51(11): 153-163.
責(zé)任編輯:萬(wàn)長(zhǎng)清