徐瑩，王優(yōu)強(qiáng)，趙濤

(1.青島理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東 青島 266520；2.工業(yè)流體節(jié)能與污染控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266520)

滑動軸承廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械的旋轉(zhuǎn)裝置中，在機(jī)械加工、醫(yī)療、電力、航空航天等領(lǐng)域起著非常重要的作用。在許多尖端領(lǐng)域，普通的旋轉(zhuǎn)機(jī)械不能滿足精度高，穩(wěn)定性好的要求，磁流體是20世紀(jì)40年代被發(fā)現(xiàn)并于60年代獲得應(yīng)用的一種新型液態(tài)磁性材料，其由磁性顆粒、表面活性劑和基載液3部分組成，具有磁性和流動性雙重特性。作為一種多功能潤滑劑，磁流體具備優(yōu)異的減摩性能，能滿足滑動軸承高精度的性能要求[1-3]。2009年以來，我國對磁流體在機(jī)械領(lǐng)域的研究取得了一定的成果，磁流體滑動軸承在一些高精密儀器中得到了廣泛應(yīng)用[4]，如高速多邊形掃描儀、光盤驅(qū)動器、錄像機(jī)磁頭旋轉(zhuǎn)組件、視頻記錄儀氣缸馬達(dá)、陀螺儀等。

對于不同材料的滑動軸承，摩擦學(xué)性能的差異限制了其在苛刻條件下的工程應(yīng)用[5]。表面織構(gòu)技術(shù)由于加工方便、快速且清潔環(huán)保，在減摩領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。在滑動軸承的摩擦副表面進(jìn)行微織構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠改善其摩擦性能并節(jié)約能耗，但優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則還不夠明確[6-10]，因此，深入研究織構(gòu)化滑動軸承的潤滑性能，有利于優(yōu)化織構(gòu)設(shè)計(jì)，提高滑動軸承的工作性能。

鑒于磁流體特殊的潤滑機(jī)制以及表面織構(gòu)的儲油減摩作用，本文對磁流體的影響因素以及表面織構(gòu)形貌(形狀、深度、排布方式等)和面積率對滑動軸承潤滑性能的影響進(jìn)行分析并指出當(dāng)前存在的不足，通過分析磁流體與織構(gòu)協(xié)同作用的研究現(xiàn)狀，探討表面織構(gòu)影響磁流體滑動軸承潤滑性能的機(jī)理，對表面織構(gòu)化磁流體滑動軸承的應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

1 磁流體滑動軸承研究現(xiàn)狀及存在的問題

磁流體滑動軸承是以磁流體代替?zhèn)鹘y(tǒng)潤滑劑進(jìn)行潤滑的滑動軸承，是20世紀(jì)60年代配合核動力技術(shù)發(fā)展起來的新型軸承。磁流體是將包裹著表面活性劑的納米磁性固體顆粒均勻分散在液體載液中而形成的穩(wěn)定的固液相混的膠狀液體，具有很好的潤滑性能[11-12]，磁流體潤滑的主要優(yōu)點(diǎn)如圖1所示。

圖1 磁流體潤滑的主要優(yōu)點(diǎn)Fig.1 Main advantages of magnetic fluid lubrication

在無外加磁場時(shí)，磁流體不表現(xiàn)磁性，呈現(xiàn)自由流動的液態(tài)，具有潤滑功能；而在有外加磁場作用時(shí)，磁流體表現(xiàn)為超順磁性，其黏度在一定范圍內(nèi)受外部磁場和磁性納米顆粒的影響?；谏鲜鎏匦?，將磁流體用于滑動軸承潤滑方面的研究成為熱點(diǎn)。相對于普通滑動軸承，磁流體滑動軸承具有制造成本低，旋轉(zhuǎn)精度高，噪聲小，可自密封等優(yōu)勢，有很好的應(yīng)用前景。

1965年，美國國家航空航天局首次將磁流體應(yīng)用于宇航服和太空船可動部分的真空密封，在失重狀態(tài)下起到了非凡的作用，至此磁流體成為了全世界廣受矚目的新型液體材料。20世紀(jì)70年代開始，磁流體轉(zhuǎn)入民用，其制備方法也不斷改進(jìn)。與此同時(shí)，人們對磁流體軸承各種特性的理論研究也在不斷加深，有學(xué)者對磁流體軸承的動態(tài)特性以及設(shè)計(jì)應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)概括，指出磁流體自密封效果很好地彌補(bǔ)了軸承的重力、離心力、振動以及沖擊造成的泄漏，且磁流體作為潤滑劑能提高軸承的承載能力[13-14]。

我國自20世紀(jì)70年代開展了對磁流體的研究并取得了巨大成就，其應(yīng)用技術(shù)不斷發(fā)展，在密封、軸承方面的應(yīng)用也日漸成熟；但由于起步較晚，實(shí)力相對較弱，在磁流體的制備工藝和理論探索方面與國外尚有較大的差距。隨著高速、高精度滑動軸承需求的增多，需要加快磁流體滑動軸承潤滑性能的研究步伐，為制造業(yè)的智能化發(fā)展奠定理論基礎(chǔ)。

1.1 外部磁場的影響

相對于單獨(dú)的載液，即使在沒有磁場的環(huán)境下，磁流體也具有較強(qiáng)的摩擦學(xué)性能。在外加磁場的作用下，各磁性顆粒被磁化并朝著外磁場的方向偏轉(zhuǎn)，磁性顆粒發(fā)生旋轉(zhuǎn)形成載液渦旋，致使磁流體黏度增大，從而提高軸承的承載力。文獻(xiàn)[15]通過彈流潤滑數(shù)值模擬對比了有無磁場作用下水基磁流體滑動軸承的膜厚和油膜壓力，發(fā)現(xiàn)磁場作用下水基磁流體的膜厚比無磁場作用時(shí)有所增加，但壓力沒有明顯變化。文獻(xiàn)[16]研究了長徑向軸承磁場分布均勻度對油膜承載力的影響，結(jié)果表明相對于均勻磁場，非均勻磁場可以提高油膜的承載力。

磁場對磁流體黏度的影響很大，文獻(xiàn)[17]采用有限元分析方法設(shè)計(jì)了外加磁場并對軸承內(nèi)部的磁場分布進(jìn)行分析，結(jié)果表明在外加磁場的作用下，磁流體軸承潤滑黏度發(fā)生變化，同時(shí)其承載能力相較于傳統(tǒng)潤滑軸承得到了提高，適用于高溫、高速工況。文獻(xiàn)[18]利用MATLAB計(jì)算所需要的主要參數(shù)并建立了磁流體滑動軸承靜/動特性模型，試驗(yàn)結(jié)果表明磁流體的黏度隨磁場的增強(qiáng)而增大，隨溫度的提高而降低。

目前研究采用的磁場源大都是永久磁鐵，相應(yīng)的磁流體滑動軸承的典型結(jié)構(gòu)如圖2所示[19]，其磁場強(qiáng)度的變化不易控制。有學(xué)者結(jié)合直流勵磁電路進(jìn)行研究：文獻(xiàn)[20]設(shè)計(jì)了非接觸式磁流體密封結(jié)構(gòu)，利用電流改變磁場強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)對磁流體膜黏度的控制；文獻(xiàn)[21]對通電導(dǎo)線外加磁場的滑動軸承模型進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)單根導(dǎo)線所產(chǎn)生磁場強(qiáng)度的作用區(qū)域都較小，局部磁場強(qiáng)度的驟變還可能影響油膜穩(wěn)定性；由于螺線管磁場和亥姆霍茲磁場可以在不均勻的區(qū)域產(chǎn)生不均勻的磁場，文獻(xiàn)[22]通過數(shù)值仿真分析了永磁鐵模型、螺線管模型和亥姆霍茲模型在油膜區(qū)的分布情況，結(jié)果表明這3種模型在靠近襯套或軋輥邊緣處的磁場分布規(guī)律大體一致，都沿軸向呈現(xiàn)中間小，兩端大的趨勢，靠近軸承端部的磁場變化較明顯，起到密封作用。

1—套管；2—永磁體；3-磁流體；4—非鐵磁性定位環(huán)；5—軸。(a) 徑向磁流體滑動軸承

磁場強(qiáng)度能夠改變磁流體的黏度和油膜壓力，從而引起磁流體滑動軸承潤滑性能的變化，因此，實(shí)現(xiàn)磁場強(qiáng)度的可控調(diào)節(jié)并合理進(jìn)行磁場分布將是未來研究的關(guān)鍵。

1.2 磁性納米顆粒的影響

磁性顆粒所占的體積分?jǐn)?shù)和磁粒大小是影響磁流體黏度的關(guān)鍵因素，磁性納米顆粒受外磁場的作用會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)和位移，從而影響軸承的潤滑性能：文獻(xiàn)[23-24]研究了磁性納米顆粒直徑以及基載液中顆粒濃度對滑動軸承潤滑性能的影響，發(fā)現(xiàn)磁性納米顆粒濃度的影響更大，并在此基礎(chǔ)上深入研究了納米磁性顆粒受磁場力產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)效應(yīng)對滑動軸承潤滑性能的影響；文獻(xiàn)[25-26]對多孔材料磁流體滑動軸承的摩擦副表面進(jìn)行研究，計(jì)算發(fā)現(xiàn)納米磁性顆粒的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)對軸承承載力、油膜支承力和壓力分布等有著顯著影響；文獻(xiàn)[27-28]對平行圓盤之間以及球體與板之間的擠壓流進(jìn)行分析和計(jì)算，預(yù)測滑動軸承承載力隨著納米磁性顆粒濃度的增加而提高；文獻(xiàn)[29]根據(jù)Shliomis模型建立了磁流體滑動軸承運(yùn)動狀態(tài)下的修正Reynolds方程，研究表明磁性納米顆粒的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)可提高軸承的剛度，從而提高承載力，而且可以通過影響磁流體動態(tài)阻尼特性提高油膜支承力；文獻(xiàn)[30]以Shliomis模型為基礎(chǔ)，綜合考慮了磁性納米顆粒的旋轉(zhuǎn)黏度效應(yīng)對滑動軸承動力學(xué)特性的影響，得到了軸承穩(wěn)定性隨磁性顆粒濃度和磁性顆粒旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的變化規(guī)律，為確保軸承承載力與運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性之間的平衡提供了理論基礎(chǔ)。

當(dāng)前，納米磁性顆粒大多使用Fe3O4納米粒子[31]，對Ni-Fe[32]，Co[33]和ε-Fe3N[34]等其他種類納米磁性顆粒性能的研究較少；制備飽和磁化強(qiáng)度較高，具備超順磁性納米顆粒的磁流體，是軸承潤滑研究的一個(gè)重要方向。

1.3 基載液的影響

磁流體的基載液主要有煤油、烴類、水、有機(jī)溶劑和磁性液體等，同一種磁性顆粒融入不同的基載液會呈現(xiàn)不同的潤滑效果：文獻(xiàn)[35]研究了不同基載液的磁流體對鈦合金表面潤滑性能的影響，發(fā)現(xiàn)基載液極性不同會造成不同的潤滑效果，極性磁性顆粒的減摩作用會進(jìn)一步增強(qiáng)，而非極性磁性顆粒則沒有明顯的減摩作用。近年來，磁性離子液體由于優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和良好的溶解性而受到學(xué)者們的關(guān)注：文獻(xiàn)[36]對離子液體基磁流體在磁場、載流以及磁場-電流耦合工況下的潤滑特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)離子液體基磁流體的潤滑性能仍然與外部磁場、磁性顆粒體積分?jǐn)?shù)和磁粒大小有關(guān)；文獻(xiàn)[37]通過試驗(yàn)對比了磁性離子液體與傳統(tǒng)磁流體的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)磁性離子液體在不同載荷和滑動速度下均具有更好的摩擦學(xué)性能。

磁流體的基載液主要是油基載液、水基載液和離子液體載液，其中離子液體載液的磁流體常用于空間潤滑，關(guān)乎航天器的基礎(chǔ)技術(shù)，具有較大的研究空間。另外，基載液與表面活性劑的可溶性決定了磁流體的潤滑特性，開發(fā)極優(yōu)性能的磁流體并滿足不同工況的要求是研究的新思路。

2 表面織構(gòu)化滑動軸承研究現(xiàn)狀及存在的問題

表面織構(gòu)具有改善潤滑的特性，已成為高精機(jī)械節(jié)能降耗的有效手段。在滑動軸承的應(yīng)用中，通常在軸瓦或軸頸表面加工微凹坑或者微溝槽，表面微織構(gòu)在軸瓦上的分布示意圖及幾何模型如圖3所示[38]。在全膜潤滑和混合潤滑狀態(tài)下，表面織構(gòu)可以起到微小流體動壓潤滑作用，產(chǎn)生附加油膜壓力，從而提高軸承承載力；在邊界潤滑狀態(tài)下，表面織構(gòu)能夠儲存和補(bǔ)充潤滑介質(zhì)，產(chǎn)生“二次潤滑”；在干摩擦狀態(tài)下，表面織構(gòu)能夠捕獲磨損顆粒[39-43]，提升潤滑狀態(tài)。合理的表面織構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠起到減摩、潤滑、節(jié)能的作用，但目前的優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則還不夠明確[44-45]，因此，研究織構(gòu)化滑動軸承的潤滑性能有利于優(yōu)化織構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高滑動軸承的工作性能。

圖3 軸瓦上的微織構(gòu)分布示意圖及滑動軸承的幾何模型Fig.3 Diagram of microtexture distribution on bearing bush and geometric model of sliding bearing

2.1 表面織構(gòu)形貌的影響

表面織構(gòu)形貌包括凹形、凸形和鱗片形等，目前在滑動軸承上應(yīng)用的主要是凹坑形和凹槽形。研究表明，織構(gòu)形貌的大小、深度和分布位置對滑動軸承潤滑性能有不同的影響。

對于表面織構(gòu)形狀的影響：文獻(xiàn)[46]研究了球形、橢圓形、橢球形、V形、圓形和三角形這6種凹坑織構(gòu)的密度分布對滑動軸承承載力的影響，結(jié)果表明橢球形織構(gòu)的減摩性能最好，能夠顯著提高軸承承載力；文獻(xiàn)[47]設(shè)計(jì)了深度相同的5種基本凹坑形狀，建立了8種織構(gòu)形貌模型，利用CFD模擬研究了不同織構(gòu)形狀對油膜壓力的影響，發(fā)現(xiàn)方形凹坑油膜壓力最高，能夠顯著提高軸承承載力。

表面織構(gòu)深度的變化會產(chǎn)生楔形效應(yīng)或逆流現(xiàn)象，從而影響軸承的潤滑性能，對于特定形狀和尺寸的織構(gòu)，存在最優(yōu)織構(gòu)深度使軸承潤滑性能最好。文獻(xiàn)[48]采用基于N-S方程的CFD方法研究了圓弧形凹槽織構(gòu)的深度對油膜承載力的影響，凹槽表面織構(gòu)單元以及不同織構(gòu)深度對應(yīng)的承載力如圖4所示，織構(gòu)深度約4 μm時(shí)油膜承載能力最強(qiáng)。上述研究把微凹槽和凹坑看作等深度、等寬度的有規(guī)律排列，而織構(gòu)最優(yōu)深度的范圍還與截面的形狀有關(guān)。文獻(xiàn)[49]在軸瓦表面設(shè)計(jì)出多列矩形凹坑和單列矩形凹槽(圖5)，并將每個(gè)矩形織構(gòu)截面又設(shè)計(jì)為矩形、半圓形和錐形等不同形狀，研究不同分布形式的微織構(gòu)在給定載荷和轉(zhuǎn)速條件下對滑動軸承潤滑性能的影響，結(jié)果表明：無論是普通矩形截面還是沿軸線方向漸變的圓弧形截面，單列矩形凹槽織構(gòu)的潤滑效果均優(yōu)于多列矩形凹坑，同時(shí)，圓弧形截面的最佳深度略大于矩形截面。

(a) 凹槽表面織構(gòu)單元

(a) 矩形凹坑

除了分析凹坑、凹槽的單一、規(guī)則幾何形狀織構(gòu)外，學(xué)者發(fā)現(xiàn)不規(guī)則復(fù)合織構(gòu)具有更優(yōu)的潤滑減摩性能：文獻(xiàn)[50]在動壓滑動軸承內(nèi)表面制備了人字形微織構(gòu)，試驗(yàn)表明這種織構(gòu)化軸承具備強(qiáng)大的穩(wěn)定性能；文獻(xiàn)[51]研究了人字形、鋸齒形、橢圓形的排列紋路對滑動軸承性能的影響，結(jié)果表明，施加在流體動壓滑動軸承運(yùn)動部分的紋理影響軸承的靜態(tài)參數(shù)(偏心距、偏位角和驅(qū)動力矩)，具體影響取決于不對稱紋理(鋸齒形和人字形)的運(yùn)動方向。

對織構(gòu)形貌影響的研究表明：對于規(guī)則形狀織構(gòu)，矩形織構(gòu)的承載能力比其他形狀織構(gòu)的承載能力更高；對于不規(guī)則形狀織構(gòu)，其摩擦學(xué)性能在特定條件下優(yōu)于規(guī)則織構(gòu)。然而，目前關(guān)于織構(gòu)形貌影響的研究大多集中在單一織構(gòu)，對于復(fù)合不規(guī)則織構(gòu)的研究較少，復(fù)合織構(gòu)類型也比較單一；隨著對表面織構(gòu)技術(shù)研究的深入，多類型、不規(guī)則復(fù)合織構(gòu)的滑動軸承將因優(yōu)良的潤滑性能具備更廣泛的應(yīng)用前景。

2.2 表面織構(gòu)面積率的影響

在滑動軸承中，織構(gòu)面積率通過產(chǎn)生附加流體動壓效應(yīng)影響軸承的承載能力，當(dāng)織構(gòu)的深徑比不變時(shí)存在最優(yōu)面積率。文獻(xiàn)[52]采用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研究不同面積率、深徑比時(shí)動壓滑動軸承的摩擦學(xué)性能，其中面積率20%時(shí)不同深徑比下動壓滑動軸承的摩擦磨損如圖6所示，并非面積率和深徑比越大時(shí)磨損越小，當(dāng)深徑比β=0.12，面積率SP=20%時(shí)減摩效果最佳。文獻(xiàn)[47]利用CFD分析了滑動軸承凹坑面積率與膜壓的關(guān)系，結(jié)果表明膜壓與凹坑面積率成正比，但高度密集的凹坑可能會導(dǎo)致應(yīng)力集中，從而加重磨損。文獻(xiàn)[53]采用網(wǎng)格技術(shù)建立了有限元模型，詳細(xì)分析了織構(gòu)的形狀、尺寸和分布對滑動軸承動力學(xué)性能的影響：在特定的參數(shù)下，織構(gòu)面積率和周向位置分布對滑動軸承阻尼系數(shù)的影響很大，其他織構(gòu)特征的影響則不明顯。

(a) 面積率與磨損量和摩擦因數(shù)的關(guān)系

綜上分析可知，織構(gòu)的面積率與深徑比對軸承的摩擦磨損和動力學(xué)性能都有很大的影響，存在一個(gè)最佳的織構(gòu)深度和面積率，合理選擇特定工況下的幾何參數(shù)對織構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

2.3 表面織構(gòu)布置方式的影響

全織構(gòu)、局部織構(gòu)、無織構(gòu)這3種不同布置方式滑動軸承的潤滑性能存在差異：文獻(xiàn)[54]對無織構(gòu)和局部矩形織構(gòu)的推力瓦滑動軸承的潤滑性能進(jìn)行了對比試驗(yàn)，結(jié)果表明在低轉(zhuǎn)速、高載荷條件下，局部織構(gòu)表面的摩擦力矩最高可比無織構(gòu)表面減小32%，而且低轉(zhuǎn)速下無織構(gòu)和局部織構(gòu)表面的摩擦力矩均比高轉(zhuǎn)速時(shí)大；文獻(xiàn)[55]研究了織構(gòu)布置對滑動軸承承載能力和摩擦因數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)全織構(gòu)軸承在混合潤滑狀態(tài)下的承載力最小，且摩擦因數(shù)比無織構(gòu)時(shí)更低。

在滑動軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，軸承間隙會產(chǎn)生油膜收斂區(qū)和發(fā)散區(qū)，受力時(shí)會有承載區(qū)和非承載區(qū)，不同織構(gòu)布置方式會產(chǎn)生不同的潤滑效果。文獻(xiàn)[56]采用基于N-S方程的CFD技術(shù)建立了三維織構(gòu)化滑動軸承的仿真分析模型，分析了微織構(gòu)的分布位置，形狀和尺寸對軸承承載能力的影響，研究發(fā)現(xiàn)只有在軸承主要承載區(qū)附近布置微織構(gòu)才能提高軸承承載能力，且當(dāng)微織構(gòu)布置于有利于提高滑動軸承性能的位置時(shí)存在一個(gè)最優(yōu)的軸向分布密度、寬度和深度，使滑動軸承承載力最大，這一機(jī)理為滑動軸承表面織構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。文獻(xiàn)[57]探究了織構(gòu)布置方式對鉆頭滑動軸承承載力和摩擦因數(shù)的影響，結(jié)果表明織構(gòu)布置在油膜收斂區(qū)和最小油膜厚度附近區(qū)域有利于增強(qiáng)軸承表面潤滑性能，織構(gòu)布置在油膜發(fā)散區(qū)反而會減小軸承承載力，增大摩擦因數(shù)。

目前，在織構(gòu)形貌、面積率及布置方式方面的研究較多，但由于試驗(yàn)存在一定困難，大多為理論仿真研究，有些從摩擦力和摩擦因數(shù)角度進(jìn)行評價(jià)，有些則從潤滑膜的承載能力和油膜厚度進(jìn)行評價(jià)，為確定特定工程應(yīng)用中最佳織構(gòu)特征，優(yōu)化織構(gòu)設(shè)計(jì)方案提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

3 表面織構(gòu)與磁流體減摩潤滑協(xié)同作用研究現(xiàn)狀及存在的不足

磁流體具備獨(dú)特的減摩潤滑優(yōu)勢，優(yōu)化的表面織構(gòu)在磁流體潤滑中仍會產(chǎn)生流體動壓潤滑效應(yīng)，起到二次潤滑和儲存磨削顆粒的作用：因此，合理的表面織構(gòu)與磁流體潤滑協(xié)同作用，在合適的條件下會出現(xiàn)“1+1>2”的效果。并不是表面越光滑潤滑效果越好，具有一定粗糙度的表面會產(chǎn)生磁流體微循環(huán)效應(yīng)，從而起到更好的減摩潤滑效果。文獻(xiàn)[58]研究了表面粗糙度對磁流體作用下短徑向軸承潤滑性能的影響，數(shù)值分析表明，在磁流變載荷作用下，徑向表面粗糙度可以提高軸承的承載能力，降低軸承的摩擦因數(shù)，橫向表面粗糙度則對滑動軸承潤滑性能有相反的影響。文獻(xiàn)[59]研究了軸承摩擦副表面微孔的潤滑性能，發(fā)現(xiàn)每個(gè)微孔在轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時(shí)相當(dāng)于一個(gè)微小的滑動軸承，孔周圍會產(chǎn)生具有動壓效應(yīng)的磁流體薄膜，表現(xiàn)出顯著的潤滑性能?；诒砻婵棙?gòu)與磁流體潤滑相結(jié)合的思路，文獻(xiàn)[60]分析了矩形單谷、V形單谷和正弦形單峰3種表面織構(gòu)對水基磁流體滑動軸承彈流潤滑性能的影響，通過計(jì)算潤滑膜壓力和膜厚發(fā)現(xiàn)：在單峰微形貌時(shí)，水基磁流體潤滑膜出現(xiàn)局部壓力峰，相應(yīng)膜厚減?。辉趩喂任⑿蚊矔r(shí)，水基磁流體潤滑膜的局部壓力峰減小，相應(yīng)膜厚增大。在實(shí)際工程應(yīng)用中，精密滑動機(jī)構(gòu)常出現(xiàn)“冷焊”及低速狀態(tài)下的“爬行”現(xiàn)象，文獻(xiàn)[61]提出了一種基于磁流體密封的液/氣混合支承與潤滑軸承結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)磁流體液環(huán)密封結(jié)構(gòu)形成的液-氣混合支承力顯著高于單一液體支承，并在表面嵌入正方形點(diǎn)陣多環(huán)陣列排布，從而避免摩擦副直接接觸，在靜止或低速狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)了低摩擦。

磁性表面織構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了織構(gòu)潤滑與磁流體潤滑的有機(jī)結(jié)合，考慮到磁場布置需要一定的空間，可在滑動軸承的摩擦副表面制備微凹坑的永磁體單元陣列，使其在微小機(jī)械空間產(chǎn)生周期性的高效磁場，兼具表面織構(gòu)和磁流體效應(yīng)的雙重優(yōu)化性能。文獻(xiàn)[62]在摩擦副表面加工出微凹坑表面圖案，并在每個(gè)圖案中沉積永磁體以形成磁性表面織構(gòu)，磁流體潤滑劑由于磁力作用被持久地吸附于摩擦界面，甚至對另一個(gè)表面產(chǎn)生支承力，試驗(yàn)結(jié)果表明磁性表面織構(gòu)在磁流體潤滑時(shí)有利于在低滑動速度下形成有效潤滑。文獻(xiàn)[63]測量了磁性表面織構(gòu)的磁流體接觸角，著重研究了表面磁性能的靜摩擦力影響，并對不同工況、不同織構(gòu)類型滑動軸承的摩擦學(xué)性能開展了對比研究。

有學(xué)者通過對磁性表面織構(gòu)的潤滑性能進(jìn)行試驗(yàn)研究探究其潤滑機(jī)理。文獻(xiàn)[64]采用自制的球-盤摩擦試驗(yàn)機(jī)對比研究了不同速度下無織構(gòu)表面、普通織構(gòu)表面、磁性織構(gòu)表面之間磁流體潤滑摩擦學(xué)性能的差異，結(jié)果如圖7所示：在低速條件下，無織構(gòu)試樣的摩擦因數(shù)波動較大，普通織構(gòu)由于儲油作用而降低了摩擦因數(shù)，磁性織構(gòu)表面的摩擦因數(shù)及其波動均最小，這是由于磁性表面織構(gòu)除了具有儲油作用外還能通過磁力作用將潤滑液吸附在摩擦副表面，有利于在低速條件下形成充分的潤滑；在高速條件下，各類試樣的潤滑性能比低速條件時(shí)均有顯著提升，這是由于在高速條件下產(chǎn)生了流體動壓效應(yīng)，在一定程度上與Stribeck曲線[65]一致。文獻(xiàn)[66]采用球盤試驗(yàn)對磁流體潤滑的磁性織構(gòu)摩擦學(xué)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明磁性織構(gòu)可以提升高速低載工況下軸承的潤滑性能，而且在較高的滑動速度下能夠減小摩擦。文獻(xiàn)[67]研究了磁性織構(gòu)幾何參數(shù)對軸承潤滑性能的影響，利用有限元分析了不同直徑和面積比時(shí)磁性表面織構(gòu)的潤滑性能，凹坑邊界磁場強(qiáng)度與凹坑直徑的關(guān)系(圖8)表明， 不同直徑凹坑的平均磁場強(qiáng)度不同，當(dāng)凹坑直徑為400～800 μm時(shí)，凹坑邊界上的平均磁場強(qiáng)度達(dá)到最大，此時(shí)吸引磁流體的效果最明顯；凹坑直徑400 μm，載荷20 N的條件下，織構(gòu)面積率與摩擦因數(shù)的關(guān)系如圖9所示，結(jié)果表明織構(gòu)面積率為5%～10%時(shí)摩擦因數(shù)較低。

(a) 低速條件(2 N，0.006 m/s)

圖8 不同直徑下的凹坑邊界平均磁場強(qiáng)度Fig.8 Average magnetic field strength on pit boundary under different diameters

圖9 織構(gòu)面積率與摩擦因數(shù)的關(guān)系Fig.9 Relationship between texture area ratio and friction coefficient

隨著研究的不斷深入，表面織構(gòu)與磁流體潤滑的協(xié)同作用也體現(xiàn)在其他研究中：在密封領(lǐng)域，文獻(xiàn)[68]發(fā)明了一種帶有表面織構(gòu)的磁流體密封裝置，其在腔內(nèi)的密封段設(shè)置了條形凹槽織構(gòu)，將織構(gòu)布置在密封段外周面上以增強(qiáng)密封的耐壓能力，提高了密封效果；在磨削領(lǐng)域，文獻(xiàn)[69-70]將其應(yīng)用于刀具的優(yōu)化設(shè)計(jì)中；在機(jī)械領(lǐng)域，文獻(xiàn)[71]發(fā)明了一種磁性表面織構(gòu)的磁流體齒輪。

在潤滑領(lǐng)域，從當(dāng)前的研究可以看出表面織構(gòu)與磁流體減摩潤滑協(xié)同作用具有很好的減摩潤滑效果，且存在最佳織構(gòu)幾何參數(shù)使?jié)櫥阅茏顑?yōu)，這將為表面織構(gòu)化磁流體滑動軸承的研究和設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)借鑒和理論基礎(chǔ)；然而，當(dāng)前的研究還處于初級理論階段，大多屬于重復(fù)性試驗(yàn)，理論建模和設(shè)計(jì)并沒有大的突破，需要建立更精確的理論模型以評判織構(gòu)形狀、深度、直徑、面積率等幾何參數(shù)對磁流體滑動軸承潤滑性能的影響，同時(shí)進(jìn)一步探究不同工況下織構(gòu)化磁流體滑動軸承的減摩機(jī)理。

4 總結(jié)與展望

盡管磁流體滑動軸承和表面織構(gòu)化滑動軸承的研究取得了很多成果，但這些研究也存在一些不足之處：

1)對磁流體滑動軸承影響因素的研究已趨于成熟，但還有許多因素(如外磁場方向、基載液、摩擦副材料匹配性、軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)等)會對其性能產(chǎn)生影響，仍需進(jìn)一步研究。另外，需拓寬磁流體的種類，特別是研發(fā)滿足各類工況的低成本磁性液體；而且不同納米磁性顆粒融入不同基載液會形成潤滑性能不同的磁流體，需研究不同組合的磁流體潤滑性能。

2)表面織構(gòu)選擇不佳甚至可能導(dǎo)致軸承性能下降，而表面織構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)涉及大量參數(shù)，通常需要使用高級計(jì)算模型，因此，表面織構(gòu)的成功應(yīng)用在很大程度上依賴于系統(tǒng)、準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，能夠在各類工況下準(zhǔn)確評估表面織構(gòu)對軸承性能的影響。

3)基于磁流體微循環(huán)效應(yīng)等理論研究基礎(chǔ)，已經(jīng)對表面織構(gòu)與磁流體潤滑的協(xié)同作用進(jìn)行了初步探究；但目前對表面織構(gòu)化磁流體滑動軸承的研究缺乏理論模型和仿真計(jì)算，需要建立精確的理論模型來評判不同織構(gòu)的分布、形狀以及幾何參數(shù)對磁流體滑動軸承潤滑性能的影響，進(jìn)一步明確磁流體作用下表面織構(gòu)化滑動軸承的潤滑機(jī)理。

鑒于以上研究的不足，深入探究表面織構(gòu)與磁流體潤滑的協(xié)同作用機(jī)理，拓展表面織構(gòu)在磁流體滑動軸承上的應(yīng)用是未來的研究課題，并具有廣闊的應(yīng)用前景。