林國(guó)斌 潘 伶 郭錦陽(yáng)

(福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福州市摩擦與潤(rùn)滑行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新中心 福建福州 350108)

在機(jī)械生產(chǎn)中，常會(huì)出現(xiàn)高速、載荷沖擊、工作溫度變化范圍寬等工況，機(jī)械零件相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面不可避免地會(huì)發(fā)生摩擦磨損，進(jìn)而產(chǎn)生大量微小磨屑。采用潤(rùn)滑劑分離摩擦表面是降低摩擦磨損的有效方法之一[1-3]。其中，部分磨屑會(huì)隨著廢油排出，但仍有磨屑會(huì)殘留在潤(rùn)滑油中[4-5]。磨屑作為潤(rùn)滑油中的雜質(zhì)，一方面會(huì)進(jìn)入零件接觸潤(rùn)滑區(qū)，加劇零件的磨損；另一方面磨屑的存在會(huì)改變潤(rùn)滑油的摩擦學(xué)性能，無(wú)法保證設(shè)備的運(yùn)行精度[1-2，6]。

在精密機(jī)械中，由于關(guān)鍵零部件(如軸承、齒輪)長(zhǎng)期處于服役狀態(tài)，并且承受較高的載荷，易出現(xiàn)乏油工況，此時(shí)潤(rùn)滑體系中的磨屑會(huì)隨著流體流動(dòng)直接與壁面發(fā)生接觸[7-8]，導(dǎo)致機(jī)械系統(tǒng)的傳遞效率下降，縮減使用壽命[9]。沈明學(xué)等[10]通過(guò)試驗(yàn)指出在同粒徑下角形磨屑比圓形磨屑磨損程度更大，易形成嵌入坑式表面形貌。DONG等[11]對(duì)比分析了在含砂和純水潤(rùn)滑條件下的磨損行為，表明磨損量和表面粗糙度隨著滑動(dòng)速度、載荷和砂礫濃度的增加而增加。

盡管磨屑對(duì)潤(rùn)滑體系的影響受到了眾多關(guān)注，但是當(dāng)潤(rùn)滑薄膜進(jìn)入納米量級(jí)時(shí)，此時(shí)宏觀上的流體力學(xué)規(guī)律不再適用，并且實(shí)物試驗(yàn)也無(wú)法實(shí)時(shí)觀察到磨屑在潤(rùn)滑油中的動(dòng)態(tài)行為，如磨屑吸附于壁面、團(tuán)聚現(xiàn)象和沉積等過(guò)程[12-14]。分子動(dòng)力學(xué)(Molecular Dynamics，MD)方法通過(guò)計(jì)算牛頓運(yùn)動(dòng)方程得到體系原子在任意時(shí)刻下的演變過(guò)程，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于納米尺度下研究材料的力學(xué)響應(yīng)過(guò)程[15-17]。本文作者采用摩擦學(xué)試驗(yàn)和分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)合的方法，以正十六烷為基礎(chǔ)油(烷烴類分子是基礎(chǔ)油的主要成分，正十六烷分子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，廣泛應(yīng)用于實(shí)際潤(rùn)滑試驗(yàn)和MD模擬中[18-20])，考慮潤(rùn)滑油中混入因磨損而產(chǎn)生的磨屑(Fe)，通過(guò)設(shè)置不同粒徑的磨屑和油膜厚度，比較在不同載荷下潤(rùn)滑油膜的密度分布、壓縮率，分析剪切過(guò)程中潤(rùn)滑體系的力學(xué)響應(yīng)和不同粒徑磨屑的動(dòng)態(tài)行為特征，并進(jìn)一步探究在乏油工況下磨屑對(duì)潤(rùn)滑油潤(rùn)滑性能的影響。

1 摩擦試驗(yàn)

微納米劃痕儀(MST)利用探針對(duì)待測(cè)樣品表面進(jìn)行劃痕試驗(yàn)，可以測(cè)定摩擦過(guò)程中的摩擦因數(shù)、磨損率、應(yīng)力-應(yīng)變曲線等微觀力學(xué)數(shù)據(jù)[21-24]。

試驗(yàn)主要原料和試劑包括：十六烷基礎(chǔ)油(純度99%，上海紫一試劑廠生產(chǎn))；磨屑鐵(純度99.8%，粒徑50 nm，南宮市鑫盾合金焊材噴涂有限公司生產(chǎn))；分散劑三聚磷酸鈉(純度≥99.9%，無(wú)錫市亞泰聯(lián)合化工有限公司生產(chǎn))；基底材料為直徑12 mm的純鐵(上表面粗糙度為Ra0.05～0.1 μm)；壓頭為直徑1 mm的金屬鋼球。

稱取一定質(zhì)量的基礎(chǔ)油、磨屑和分散劑混合并充分?jǐn)嚢?5 min，用超聲波處理器振蕩分散15 min，間隔5 min連續(xù)處理3次，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%和0.5%的含磨屑潤(rùn)滑劑。

試驗(yàn)采用的微納米劃痕儀為奧地利Anton Paar公司生產(chǎn)的微納米壓/劃痕儀(MST2)，如圖1所示。試驗(yàn)時(shí)，首先用微納米劃痕儀首先對(duì)滴入潤(rùn)滑劑的基底進(jìn)行預(yù)掃描，然后進(jìn)行微納米劃痕試驗(yàn)。試驗(yàn)條件為：在30～100 mN的載荷作用下，探針以3 mm/min的速度滑動(dòng)，滑動(dòng)距離為3 mm。試驗(yàn)后采用光學(xué)顯微鏡對(duì)劃痕形貌進(jìn)行掃描。

圖1 微納米劃痕儀

圖2所示為不含磨屑和含磨屑潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑時(shí)在不同負(fù)載下的摩擦力和正壓力的變化情況?？梢园l(fā)現(xiàn)，在不同載荷條件下，含磨屑的潤(rùn)滑劑所對(duì)應(yīng)的摩擦力FL均大于不含磨屑潤(rùn)滑劑所對(duì)應(yīng)的摩擦力，并且磨屑的加入使得FL的振蕩幅度增大。這一方面是由于磨屑的存在提高了潤(rùn)滑油的黏度，另一方面是由于在劃痕試驗(yàn)過(guò)程中，劃痕儀的壓頭與磨屑之間發(fā)生相互碰撞或擠壓變形。

圖2 不含磨屑和含磨屑潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑時(shí)不同載荷下摩擦力FL的變化

圖3所示為含磨屑潤(rùn)滑油在不同磨屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下的摩擦因數(shù)。可以發(fā)現(xiàn)，含質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%磨屑的潤(rùn)滑油摩擦因數(shù)反而小于含質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%磨屑的潤(rùn)滑油，這是由于適量的磨屑會(huì)沉積到壁面不平整部分，起到填充修補(bǔ)作用效應(yīng)，同時(shí)還會(huì)在剪切過(guò)程中發(fā)生滾動(dòng)，從而降低磨損。

圖3 含不同濃度鐵屑潤(rùn)滑油的摩擦因數(shù)

圖4所示為含磨屑潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑下試樣劃痕形貌光學(xué)顯微鏡照片。可以看到含有磨屑潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑下試樣的劃痕深度小于不含磨屑潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑下的劃痕深度，這是由于磨屑會(huì)吸附在摩擦表面形成保護(hù)層，避免摩擦副之間的直接接觸。

圖4 不同潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑下同載荷下劃痕形貌光學(xué)顯微鏡照片

2 分子動(dòng)力學(xué)模擬

2.1 模型的建立

圖5所示是MD模擬過(guò)程中所使用的納米間隙潤(rùn)滑模型，x、y方向施加周期性邊界條件，z方向施加非周期邊界條件。模型在x、y方向的尺寸為13.8 nm×8.1 nm。上下平行壁面均為體心立方晶體Fe(100)晶面，壁面厚度為2.3 nm。上、下固體壁面均分為3層，用于施加邊界條件的外層剛性層(黃色)、用于提供環(huán)境影響因素的中間層恒溫層(綠色)、用于提取力學(xué)特性的內(nèi)層自由變形層(紫色)。上、下壁面之間填充有潤(rùn)滑劑，包括正十六烷基礎(chǔ)油(灰色)和磨屑Fe(綠色)。MD模擬受限于有限的計(jì)算機(jī)集群的計(jì)算量，無(wú)法做到完全實(shí)現(xiàn)實(shí)際試驗(yàn)條件。當(dāng)磨屑過(guò)大時(shí)，會(huì)在壓縮階段便與壁面接觸，無(wú)法達(dá)到研究的目的。經(jīng)過(guò)模擬調(diào)試，確定磨屑Fe在潤(rùn)滑油中的體積分?jǐn)?shù)為1.89%。不含磨屑Fe的潤(rùn)滑體系原子總數(shù)為79 320個(gè)(780個(gè)正十六烷分子)；含磨屑Fe的體系原子總數(shù)為79 322個(gè)(770個(gè)正十六烷分子，磨屑Fe的粒徑為2.2 nm)。

圖5 邊界納米潤(rùn)滑模型

2.2 模擬過(guò)程

MD模擬過(guò)程通過(guò)大規(guī)模原子/分子并行模擬器(Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator，LAMMPS)實(shí)現(xiàn)[24]。模擬中采用第二代力場(chǎng)COMPASS力場(chǎng)(Condensed-phase Optimized Molecular Potential for Atomistic Simulation Studies)對(duì)烷烴分子進(jìn)行模擬[25]。金屬壁面鐵原子之間的相互作用采用Finnis-Sinclair(FS)EAM勢(shì)函數(shù)[26]，其他不同分子上的原子和相同分子上間距在3個(gè)原子以上的原子之間的非鍵作用采用Lennard-Jones(L-J)勢(shì)[27]，截?cái)喟霃饺? nm。鐵屑和壁面原子之間也使用L-J勢(shì)，磨屑與壁面原子之間的作用參數(shù)為：ε壁-屑=12.33 kJ/mol，σ壁-屑=0.22 nm。其他原子有關(guān)的參數(shù)如表1所示。

表1 L-J參數(shù)

MD模擬過(guò)程包括弛豫、加壓和剪切3個(gè)階段。首先在NVT系綜下對(duì)潤(rùn)滑劑分子和金屬原子進(jìn)行充分弛豫，弛豫時(shí)間為0.2 ns，使體系的總能量收斂于常數(shù)值1×10-6；隨后在接下來(lái)的0.5 ns內(nèi)用NVE系綜代替NVT系綜，并引入加壓階段，通過(guò)固定剛性層2并施加載荷于剛性層1達(dá)到加壓的效果；將為了傳導(dǎo)體系由于加壓產(chǎn)生的熱量，運(yùn)用Nose-Hoover恒溫方法控制恒溫層3、4的溫度，設(shè)置溫度為303 K，溫度阻尼系數(shù)設(shè)置為100 fs；最后在剪切階段，沿x方向給上下壁面的剛性層施加大小相等，方向相反的速度±10 m/s。為了保證能夠得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，剪切運(yùn)動(dòng)的距離應(yīng)大于13.8 nm，故模擬時(shí)間取1.4 ns。整個(gè)MD模擬的時(shí)間步長(zhǎng)取1 fs。

3 結(jié)果和討論

3.1 加壓階段

在實(shí)際應(yīng)用中，通常假設(shè)潤(rùn)滑油是不可壓縮的。但是當(dāng)油膜厚度減小到納米尺度時(shí)，潤(rùn)滑油的壓縮性能對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)的剛度、阻尼和摩擦學(xué)性能的影響不可忽略[28]。通過(guò)對(duì)潤(rùn)滑體系施加載荷，體系高度Lz會(huì)隨著載荷的增加而逐漸減小，潤(rùn)滑油膜厚度變薄。通過(guò)比較潤(rùn)滑體系Lz的變化，可計(jì)算出潤(rùn)滑油的壓縮率。加壓階段，沿z向給剛性層2分別施加0.25～2.0 GPa的載荷。為了保持磨屑Fe結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，先沿z向施加20 MPa的壓力至體系高度穩(wěn)定后，再繼續(xù)施加到目標(biāo)壓力。

圖6所示為不同潤(rùn)滑體系壓縮率隨載荷的變化?？梢钥闯?，磨屑的存在會(huì)降低油膜的壓縮率，并且隨著載荷的增加，磨屑對(duì)潤(rùn)滑體系油膜壓縮率的影響越顯著。當(dāng)載荷從0.25 GPa增加到2.0 GPa時(shí)，兩體系之間壓縮率的差值從0.35%提高到1.05%，說(shuō)明磨屑的存在能夠提高油膜的抗壓縮性能，并且隨著壓力的增大，效果越明顯[29]。

圖6 不同潤(rùn)滑體系的壓縮率隨載荷的變化

為了直觀地觀察體系中潤(rùn)滑油分子的分布情況，沿z方向?qū)Ⅲw系高度分為1 000等分，以原子中心所在位置為各原子的質(zhì)心，計(jì)算出各等分中潤(rùn)滑油的密度，并在0.2 ns內(nèi)取均值，從而得到密度分布曲線。圖7(a)所示是不同載荷下不含磨屑的潤(rùn)滑體系在不同載荷下沿z向的密度分布曲線?；A(chǔ)油分子的密度分布曲線在壁面間發(fā)生振蕩，近壁面處出現(xiàn)類固化現(xiàn)象。當(dāng)pz不大于1.0 GPa時(shí)，密度分布曲線有7個(gè)波峰，6個(gè)波谷，且靠近壁面的波谷值接近0，可見(jiàn)油膜此時(shí)分為7層；當(dāng)pz=1.5 GPa和2.0 GPa時(shí)，油膜密度峰值個(gè)數(shù)減少為6，中心層的密度降低，油膜分為6層，這是由于體系高度Lz在重載條件下降低，油膜厚度不足以形成7層結(jié)構(gòu)。圖8(a)所示是pz=1.5 GPa下的密度分布云圖，可以看出不含磨屑的油膜此時(shí)分為6層，在中間區(qū)域呈現(xiàn)無(wú)序結(jié)構(gòu)，表明流體分子糾纏。圖7(b)所示是含有磨屑的潤(rùn)滑體系在不同載荷下，沿z向的密度分布曲線，可以觀察到在重載條件下油膜仍分為7層，近壁面處的密度峰值和不含磨屑的潤(rùn)滑體系相近，這也進(jìn)一步說(shuō)明鐵屑的存在提高了油膜的抗壓縮性。圖8(b)所示的密度分布云圖也顯示含磨屑潤(rùn)滑體系的油膜分為7層，但是磨屑的存在會(huì)使得潤(rùn)滑油分子的運(yùn)動(dòng)受到阻礙(雖然潤(rùn)滑體系已經(jīng)是平衡狀態(tài)，但是基礎(chǔ)油分子始終處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài))，從而對(duì)自身附近的密度分布產(chǎn)生一定的擾動(dòng)，如圖中紅框部分所示。

圖7 不同載荷下不同潤(rùn)滑體系沿z向的密度分布

圖8 pz=1.5 GPa時(shí)不同潤(rùn)滑體系的密度分布云圖

3.2 剪切階段

當(dāng)潤(rùn)滑體系加壓到穩(wěn)定狀態(tài)后，潤(rùn)滑油分子充滿上下固體壁面之間。此時(shí)保持體系的加壓狀態(tài)，并給體系的剛性層1、2在x向施加方向相反，大小為10 m/s的剪切速度。圖9所示是在303 K、500 MPa和相對(duì)剪切速度為20 m/s條件下，不同潤(rùn)滑體系的速度分布。由于正十六烷為牛頓流體，在不考慮界面滑移時(shí)沿x向速度應(yīng)是線性分布，如圖中虛線所示。然而實(shí)際中，基礎(chǔ)油分子的自身纏繞、在近壁面處的類固化和磨屑的運(yùn)動(dòng)，均會(huì)對(duì)體系的速度分布vx產(chǎn)生影響。在2種潤(rùn)滑體系中，遠(yuǎn)離金屬壁面潤(rùn)滑劑的速度分布大致呈線性關(guān)系，而近壁面處潤(rùn)滑劑的速度分布呈非線性關(guān)系，且存在與壁面速度相同的區(qū)段。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，含磨屑的潤(rùn)滑體系與不含磨屑的潤(rùn)滑體系的速度分布曲線并不會(huì)重合，說(shuō)明磨屑的存在會(huì)影響潤(rùn)滑體系內(nèi)流體流動(dòng)，這一方面是由于磨屑導(dǎo)致流體黏度增加，另一方面是磨屑自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)擾亂了流體分子的運(yùn)動(dòng)。

圖9 pz=1.5 GPa時(shí)不同潤(rùn)滑體系的速度分布

3.2.1 摩擦因數(shù)

圖10所示是2種潤(rùn)滑體系在邊界潤(rùn)滑狀態(tài)下模擬得到的摩擦力FL與正壓力FN的關(guān)系?？梢钥闯觯?.25～2.0 GPa載荷條件下，含磨屑的潤(rùn)滑體系的摩擦力總是大于無(wú)磨屑的潤(rùn)滑體系，并且隨著正壓力的增大，2個(gè)體系摩擦力的差值也逐漸變大。這一結(jié)果和GHAFFARI等[30]得到的趨勢(shì)一致，出現(xiàn)這種情況的原因是磨屑的存在使得潤(rùn)滑體系中潤(rùn)滑油的黏度升高，并且會(huì)加劇流體的無(wú)序流動(dòng)，從而導(dǎo)致體系需要克服更大的力進(jìn)行剪切運(yùn)動(dòng)。在納米尺度下，物體之間的黏附力對(duì)潤(rùn)滑體系的力學(xué)結(jié)果有顯著影響，因此在計(jì)算摩擦因數(shù)μ時(shí)，引入公式[31]

圖10 含磨屑與不含磨屑潤(rùn)滑體系的摩擦力與正壓力關(guān)系

FL=μ(L0+FN)=F0+μ·FN

(1)

式中：L0為恒定的影響因子；F0是摩擦力偏量(Derjaguin offset)。

用式(1)對(duì)MD模擬得到的結(jié)果進(jìn)行擬合，擬合直線的y軸截距即為摩擦力偏量，斜率即為摩擦因數(shù)。因此，不含磨屑潤(rùn)滑體系的摩擦力偏量為20.24 eV/nm，摩擦因數(shù)為0.109，與試驗(yàn)得到的摩擦因數(shù)(0.09～0.12)吻合；含磨屑潤(rùn)滑體系的摩擦力偏量為22.68 eV/nm，摩擦因數(shù)為0.131，與試驗(yàn)得到的摩擦因數(shù)(0.12～0.18)吻合。

3.2.2 磨屑運(yùn)動(dòng)

磨屑在剪切過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)同樣也會(huì)影響著潤(rùn)滑油性能，但是這一現(xiàn)象很難通過(guò)試驗(yàn)觀察到，而借助MD模擬能夠直觀地得到磨屑的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過(guò)程。通過(guò)可視化軟件OVITO處理輸出文件，選取磨屑同一軸線上的原子，統(tǒng)計(jì)不同時(shí)刻下的原子坐標(biāo)信息，從而計(jì)算在一段時(shí)間內(nèi)的滾動(dòng)角速度。圖11所示是在剪切過(guò)程中磨屑沿著x軸的滾動(dòng)，標(biāo)記磨屑直徑(紅線)與水平線(綠線)的夾角α(磨屑在剪切過(guò)程中主要受到x向上的作用力，沿其他軸的滾動(dòng)角度很少)。當(dāng)時(shí)間t從0.45 ns到0.55 ns時(shí)，α從70°變成95°，說(shuō)明磨屑在這個(gè)過(guò)程存在滾動(dòng)；當(dāng)t=0.65 ns時(shí)，α仍為95°，說(shuō)明磨屑在0.55～0.65 ns階段沒(méi)有滾動(dòng)，這可能是因?yàn)槟バ寂c上下壁面之間的相互作用力阻礙了磨屑的運(yùn)動(dòng)，此時(shí)磨屑與壁面之間是滑動(dòng)摩擦；當(dāng)t=1.3 ns時(shí)，α變成了-20°，磨屑再次發(fā)生滾動(dòng)。在整個(gè)剪切過(guò)程中，磨屑同時(shí)存在滾動(dòng)和滑動(dòng)，說(shuō)明在剪切中同時(shí)存在滾動(dòng)摩擦和滑動(dòng)摩擦。

圖11 磨屑在剪切過(guò)程中的滾動(dòng)

為了進(jìn)一步了解磨屑的粒徑對(duì)潤(rùn)滑油摩擦性能的影響，在不改變磨屑體積分?jǐn)?shù)的前提下，將磨屑粒徑D從2.2 nm分別減少至1.8和1.5 nm，此時(shí)潤(rùn)滑體系中磨屑的個(gè)數(shù)n相應(yīng)地變?yōu)?個(gè)和3個(gè)(如圖12所示)。如圖13所示，通過(guò)比較在不同載荷下磨屑沿著x軸的角速度，可以發(fā)現(xiàn)3種粒徑的磨屑均存在角速度接近于0的點(diǎn)，這也說(shuō)明滑動(dòng)摩擦和滾動(dòng)摩擦同時(shí)存在于剪切過(guò)程中，符合圖11中觀察到的現(xiàn)象。圖13(a)所示是pz=0.5 GPa時(shí)磨屑的角速度，可以發(fā)現(xiàn)粒徑越小的磨屑在剪切過(guò)程中表現(xiàn)出的滾動(dòng)角速度波動(dòng)幅度更大以及擁有大的角速度極值，這是因?yàn)榱叫〉哪バ际艿接湍ゎ惞虒拥挠绊戄^小，并且固體壁面對(duì)磨屑的作用力降低，更容易產(chǎn)生滾動(dòng)。圖13(b)所示是pz=1.5 GPa時(shí)磨屑的角速度，磨屑的表現(xiàn)趨勢(shì)與pz=0.5 GPa時(shí)相似，但是各個(gè)粒徑的磨屑的角速度波動(dòng)幅度和角速度最大值都減小，這是因?yàn)殡S著載荷的增加，油膜厚度減少，類固層油膜的密度變大阻礙磨屑的運(yùn)動(dòng)，壁面對(duì)磨屑的約束變大。

圖13 不同載荷下不同粒徑磨屑的角速度

此外，不同粒徑磨屑在剪切過(guò)程中摩擦因數(shù)的值也不相同，D=1.5 nm磨屑的摩擦因數(shù)為0.118，而D=1.8 nm磨屑摩擦因數(shù)為0.123，均小于D=2.2 nm磨屑的摩擦因數(shù)，說(shuō)明潤(rùn)滑體系的摩擦因數(shù)會(huì)隨著磨屑粒徑的增大而增大，也符合實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中觀察到的現(xiàn)象[32]。一方面這是由于粒徑越小的磨屑在剪切過(guò)程中滾動(dòng)速度越大，破壞油膜的分層，導(dǎo)致流體紊亂；另一方面粒徑的變化也會(huì)引起流體黏度的改變，這一現(xiàn)象符合NAMBURU等[33]的試驗(yàn)結(jié)果。

3.3 混合潤(rùn)滑

在精密機(jī)械和重載設(shè)備中，摩擦副兩表面間間隙很小，往往難以形成完全流體潤(rùn)滑，而瞬時(shí)存在邊界潤(rùn)滑或混合潤(rùn)滑狀態(tài)。為了更好地探究在乏油工況下磨屑對(duì)潤(rùn)滑體系的影響，在上下壁面間設(shè)置少量潤(rùn)滑油分子(200個(gè))，分析在剪切過(guò)程中潤(rùn)滑體系的摩擦因數(shù)、固體壁面的應(yīng)力分布和磨屑的運(yùn)動(dòng)情況。此時(shí)潤(rùn)滑油膜無(wú)法承受載荷而發(fā)生破裂，上下固體壁面與磨屑直接接觸。圖14所示是載荷pz=0.75 GPa時(shí)，潤(rùn)滑體系的FL隨時(shí)間的變化曲線?？梢?jiàn)，不含磨屑的潤(rùn)滑體系在整個(gè)剪切過(guò)程中摩擦力均穩(wěn)定在41 eV/nm附近，而含磨屑潤(rùn)滑體系的摩擦力均大于不含磨屑的潤(rùn)滑體系，這是由于磨屑與壁面的接觸區(qū)域出現(xiàn)黏著磨損，阻礙壁面的運(yùn)動(dòng)。

圖14 pz=0.75 GPa時(shí)，不同粒徑磨屑剪切過(guò)程中摩擦力隨時(shí)間的變化

同時(shí)含不同磨屑的潤(rùn)滑體系在剪切過(guò)程中的摩擦力也不相同，隨著磨屑粒徑降低，磨屑與壁面的接觸面積減小，剪切過(guò)程中的最大摩擦力也隨之減小。在t=0.66～1.35 ns內(nèi)，含1個(gè)磨屑潤(rùn)滑體系的摩擦力從257 eV/nm降低到171 eV/nm，含2個(gè)磨屑潤(rùn)滑體系的摩擦力從223 eV/nm降低到99 eV/nm，含 3個(gè)磨屑潤(rùn)滑體系的摩擦力從231 eV/nm降低到78 eV/nm。潤(rùn)滑體系摩擦力出現(xiàn)減小的原因是磨屑在擠壓作用下發(fā)生塑性變形，隨著剪切過(guò)程吸附在上下固體壁面，粒徑小的磨屑甚至?xí)M(jìn)一步地發(fā)生破碎。在t=1.35～1.5 ns內(nèi)，含2個(gè)和3個(gè)磨屑潤(rùn)滑體系摩擦力出現(xiàn)振蕩增加，這是由于潤(rùn)滑體系進(jìn)入新一輪剪切過(guò)程，隨著固體壁面的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，吸附在上下固體壁面的破碎磨屑產(chǎn)生接觸，增大了體系的摩擦力。這也符合實(shí)際工況中，當(dāng)過(guò)量磨屑進(jìn)入零部件潤(rùn)滑區(qū)域時(shí)，會(huì)破壞潤(rùn)滑油膜，導(dǎo)致進(jìn)一步磨損引發(fā)零件失效[34]。同時(shí)，粘附在壁面上的磨屑碎片會(huì)形成一層“保護(hù)層”，防止上下壁面直接接觸破壞表面形貌，與試驗(yàn)觀察到的現(xiàn)象相符。

圖15所示是在載荷pz=0.75 GPa、t=0.55 ns時(shí)，含不同粒徑磨屑潤(rùn)滑體系的von Mises應(yīng)力云圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，磨屑在上壁面的擠壓作用下發(fā)生嚴(yán)重形變，并且粒徑小的磨屑變形現(xiàn)象最為嚴(yán)重，發(fā)生破碎。3種潤(rùn)滑體系中的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在磨屑內(nèi)部，并且隨著磨屑粒徑變小，內(nèi)應(yīng)力逐漸增大，磨屑最大應(yīng)力值分別為28.3、29.5和30.1 GPa，這也符合小粒徑的磨屑在剪切過(guò)程中比較容易發(fā)生破碎的現(xiàn)象。圖16所示是在載荷pz=1.50 GPa時(shí)，含D=2.2 nm磨屑的潤(rùn)滑體系在不同時(shí)刻下的von Mises應(yīng)力云圖，可以發(fā)現(xiàn)在重載作用下，磨屑的變形程度加劇，內(nèi)應(yīng)力相應(yīng)增大至32.8 GPa，并且在t=0.95 ns時(shí)磨屑發(fā)生破碎，粘附在固體壁面。進(jìn)一步說(shuō)明大粒徑的磨屑會(huì)惡化潤(rùn)滑油的摩擦性能。

圖15 pz=0.75 GPa，t=0.55 ns時(shí)，含不同粒徑磨屑潤(rùn)滑體系的應(yīng)力分布

圖16 pz=1.50 GPa，D=2.2 nm時(shí)，潤(rùn)滑體系不同時(shí)刻下的應(yīng)力分布

4 結(jié)論

(1)MD模擬得到不含磨屑的潤(rùn)滑體系在邊界潤(rùn)滑狀態(tài)的摩擦因數(shù)為0.109，含有磨屑的潤(rùn)滑體系在邊界潤(rùn)滑狀態(tài)的摩擦因數(shù)為0.131，符合磨屑的摩擦學(xué)試驗(yàn)結(jié)果；含小粒徑磨屑的潤(rùn)滑體系的摩擦因數(shù)比含大粒徑磨屑的潤(rùn)滑體系的小，說(shuō)明磨屑聚集長(zhǎng)大現(xiàn)象會(huì)惡化潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑性能。

(2)磨屑的存在會(huì)降低油膜的壓縮率；在載荷作用下，不含磨屑的潤(rùn)滑體系和含有磨屑的潤(rùn)滑體系均出現(xiàn)分層現(xiàn)象；重載條件下，磨屑的存在會(huì)影響油膜的分層現(xiàn)象，并且對(duì)磨屑附近的密度分布產(chǎn)生一定的擾動(dòng)。

(3)在剪切過(guò)程中，磨屑同時(shí)存在滑動(dòng)摩擦和滾動(dòng)摩擦；在乏油工況下，粒徑小的磨屑在剪切過(guò)程中更容易發(fā)生變形破碎。