變密度微圓坑表面織構(gòu)在往復(fù)運動下的減摩作用

朱 華 歷建全 陸斌斌 馬晨波

(中國礦業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院,徐州 221116)

摩擦磨損是機械失效的主要形式之一,如何減少摩擦磨損,提高材料表面的摩擦學(xué)性能,一直是摩擦學(xué)工作者的重點研究課題.近年來的研究發(fā)現(xiàn),在摩擦表面人為加工出微織構(gòu)可以有效提高摩擦學(xué)性能[1-3],并在計算機硬盤[4]、滑動軸承[5]、機械密封[6]、發(fā)動機缸套[7-8]等諸多方面得到應(yīng)用.目前對表面織構(gòu)的研究主要集中在摩擦學(xué)性能試驗和潤滑減摩機理研究,并取得了許多研究成果[9-10].本文針對內(nèi)燃機活塞-缸套往復(fù)對稱變速運動的特點,設(shè)計了不同形式的變密度織構(gòu)表面的摩擦副,在往復(fù)運動條件下進行了摩擦試驗,研究表面織構(gòu)密度及其組合方式對潤滑減摩的作用效果,以此獲得往復(fù)運動方式下低摩擦系數(shù)較優(yōu)表面織構(gòu)的設(shè)計方法.

1 試驗

1.1 表面織構(gòu)設(shè)計

文獻[8]根據(jù)缸套表面工作長度上的潤滑磨損狀況將缸套內(nèi)壁分成 3個不同的區(qū)域,根據(jù)摩擦學(xué)理論,在這 3個不同區(qū)域上加工不同形式的激光珩磨織構(gòu).通過臺架摩擦磨損試驗得到織構(gòu)化缸套的磨損量比未經(jīng)織構(gòu)化缸套小得多,但是并沒有與同形式均勻密度織構(gòu)化缸套進行試驗對比.為了深入研究均勻密度織構(gòu)與變密度織構(gòu)對往復(fù)運動下潤滑減摩的不同影響,本文在 Q235鋼試件上設(shè)計了 0.1,0.3,0.5等 3種均勻密度的微織構(gòu)和由其組合得到的 8種變密度微織構(gòu)進行對比試驗.均勻密度的微織構(gòu)是由一系列分別在 x和 y方向上均勻排列的圓坑組成,其密度定義為微圓坑總面積與織構(gòu)表面總面積的比值,計算方法為

式中,Sp為織構(gòu)密度;rp為微圓坑的半徑;Lx和 Ly分別為在 x和y方向上微圓坑的中心距.當(dāng)Lx=Ly=L時,Sp=π(rp/L)2.

試驗表面微圓坑織構(gòu)直徑為300μm,x和y方向上微圓坑的中心距為 L,在設(shè)計 Sp=0.1,0.3,0.5三種密度下,分別計算得到 L=840,480,376μm.

表面織構(gòu)用 DXP2004軟件設(shè)計,在電路板雕刻機上加工而成.依據(jù) Ronen等[7]提出的織構(gòu)微孔的深徑比在 0.1～0.18之間時摩擦力最小的研究結(jié)論,設(shè)計加工的圓坑深度 hp=40μm.圖 1所示為不同表面織構(gòu)形式,表 1為不同織構(gòu)形式的密度組合.

1.2 試件與摩擦試驗

摩擦試驗采用面-面摩擦副.上試件采用直徑4mm、長度 35 mm的 Gr15鋼銷,其硬度為 HRC 60;下試件采用厚度為 5mm表面織構(gòu)化和無織構(gòu)化的平面 Q235鋼塊,其硬度為 HRC 14.

圖1 表面織構(gòu)形式(單位：mm)

表1 不同織構(gòu)形式的密度組合

試驗前,上試件銷端面和下試件鋼塊摩擦面都經(jīng)過磨平與拋光處理,使其表面粗糙度達到0.02μm左右.由于銷試件的直徑為 4 mm,鋼塊表面織構(gòu)化的區(qū)域為寬度 6 mm的矩形.為了便于織構(gòu)加工和摩擦試驗,在每個鋼塊試件的表面上加工出一組 6mm×30 mm的織構(gòu)區(qū)域,相鄰區(qū)域間隔為 1 mm.織構(gòu)加工完成后,試件表面再次進行拋光處理.

試驗在 UMT-Ⅱ型摩擦試驗機上進行,該試驗機可以進行旋轉(zhuǎn)與往復(fù)運動摩擦試驗,本試驗采用往復(fù)運動摩擦形式.上試件銷固定在上試件夾具中保證其垂直與穩(wěn)定,下試件鋼塊固定在由電機驅(qū)動的凸輪-連桿機構(gòu)從動件的平臺上以實現(xiàn)往復(fù)運動.這種往復(fù)運動與活塞-缸套系統(tǒng)相似.織構(gòu)區(qū)域長度方向與運動方向相一致.試驗中,通過測力傳感器測量摩擦力或摩擦系數(shù).

受試驗機行程的限制,試驗中往復(fù)運動的行程設(shè)計成24mm,這樣也能方便地將織構(gòu)表面的接觸區(qū)域(長 24mm)分成四等份或六等份(見圖 1).試驗載荷根據(jù) 195S型柴油機的活塞-缸套系統(tǒng)的表面接觸載荷的大小變化,采用 5,28和 50 N三種載荷,分別對應(yīng)名義接觸壓力 0.4,2.2和 4 MPa.試驗轉(zhuǎn)速為 20,50,100,150,200和 250 r/min,在設(shè)計試驗行程條件下,分別對應(yīng)平均滑動速度0.016,0.04,0.08,0.12,0.16和 0.2 m/s.試驗過程中載荷不變,速度從 20 r/min逐步增加到250 r/min,每種速度持續(xù)摩擦 5 min.摩擦試驗采用 30#機械油潤滑,試驗溫度保持在室溫,此時潤滑油運動黏度約為 55 mm2/s.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 均勻密度織構(gòu)的減摩效果

圖 2所示是載荷 5 N條件下,0.1,0.3,0.5三種均勻密度織構(gòu)表面與無織構(gòu)表面摩擦副試件作往復(fù)運動時摩擦系數(shù)隨滑動速度的變化曲線.

圖2 不同均勻密度織構(gòu)表面摩擦系數(shù)隨速度的變化(載荷為 5 N)

從圖 2中可以看出,摩擦系數(shù)呈現(xiàn)出隨著速度增加而減小的現(xiàn)象,其中密度為 0.5的織構(gòu)表面在所有試驗速度下的摩擦系數(shù)明顯高于無織構(gòu)表面和其他均勻密度織構(gòu)表面,并且其摩擦系數(shù)一直隨速度的增大而降低,且沒有到達平穩(wěn)階段;密度為 0.3的織構(gòu)表面的摩擦系數(shù)曲線與無織構(gòu)表面相近,并沒有明顯區(qū)別,僅在較低滑動速度(0.016m/s)時摩擦系數(shù)比無織構(gòu)表面低;密度為 0.1的織構(gòu)表面的摩擦系數(shù)比無織構(gòu)表面明顯要小,而且摩擦系數(shù)變化趨勢與無織構(gòu)表面十分相似,如同無織構(gòu)表面的摩擦系數(shù)曲線往下平移了一樣.從圖 2中還可以看出,在有織構(gòu)情況下,表面織構(gòu)的減摩效果隨著織構(gòu)密度的增加而變差.

表面織構(gòu)的減摩作用主要取決于接觸面積、接觸形式、摩擦副材料、潤滑劑和潤滑條件等.到目前為止,對于表面織構(gòu)作用機理的解釋主要包括：作為儲油器為接觸表面提供潤滑劑[3];減小接觸面積以減少黏著磨損[4];產(chǎn)生動壓力以提高承載能力等[9].但從圖 2的結(jié)果可見,表面織構(gòu)密度并非越高越好,織構(gòu)密度的增加在減少接觸面積的同時也導(dǎo)致表面接觸壓力的增加,并且使得接觸表面變得更加粗糙.因此,密度為 0.5的織構(gòu)并沒有表現(xiàn)出最佳的減摩效果,而是起到了相反的作用.由此可見,表面織構(gòu)密度必須在一個合適的范圍內(nèi),才能起到潤滑減摩的良好效果.

與無織構(gòu)表面相比,3種直徑 300μm的均勻密度圓坑織構(gòu)中,密度 0.1的織構(gòu)表面減摩效果最好.

2.2 變密度織構(gòu)的減摩效果

2.2.1 低密度織構(gòu)在中間區(qū)域

圖 3所示為載荷 5 N條件下,中間區(qū)域為低密度兩端區(qū)域為高密度的變密度織構(gòu)表面的摩擦系數(shù)隨滑動速度的變化曲線.

圖3 中間低密度的變密度織構(gòu)表面摩擦系數(shù)隨速度的變化(載荷為 5N)

由圖 3可以看出,密度組合為 05-0.3-0.1-0.3-0.5的織構(gòu)表面在試驗速度下的摩擦系數(shù)明顯高于無織構(gòu)表面;密度組合為 0.5-0.1-0.5和 0.5-0.3-0.5的織構(gòu)表面在滑動速度超過 0.16m/s時,摩擦系數(shù)開始低于無織構(gòu)表面;密度組合為 0.3-0.1-0.3的織構(gòu)表面在速度超過 0.1 m/s時,摩擦系數(shù)開始低于無織構(gòu)表面.這表明 2種密度組合的織構(gòu)表面在較高速度下能有效降低摩擦系數(shù).

合適的密度變化在較高速度條件下能夠改善摩擦性能.如前所述,圓坑織構(gòu)作為儲油器能起到儲存潤滑油的作用,將圓坑近似為圓柱體,其單位面積區(qū)域的儲油量 V為面積比 Sp與圓坑深度 hp的乘積,即

中間區(qū)域織構(gòu)密度低兩端區(qū)域織構(gòu)密度高的變密度織構(gòu)表面由于接觸區(qū)域兩端織構(gòu)密度 Sp大,則儲油量 V大.當(dāng)相對滑動速度增加到一定值時,潤滑油由于黏度作用能隨摩擦副表面的運動而形成流動,當(dāng)運動由一端向中間時,在密度發(fā)生變化的交界處,由于織構(gòu)密度 Sp由大變小,儲油空間V變小,從高儲油區(qū)帶入的潤滑油被擠壓而導(dǎo)致油壓升高,油膜厚度增加,摩擦副實際接觸面積減小,最終使得表面摩擦系數(shù)減小,此時類似于形成一個油楔.這種效果只有在潤滑油形成流動時才明顯,因為滑動速度較高時,潤滑油能夠隨摩擦副運動而充分流動.滑動速度較低時,潤滑油不能充分流動起來,對潤滑油的擠壓效果不明顯,因而達不到減摩效果.相反,由于分布在接觸區(qū)域兩端的高密度織構(gòu)減小了實際接觸面積而提高了實際接觸壓力,從而使得表面更容易產(chǎn)生黏著摩擦.

密度組合為 05-0.3-0.1-0.3-0.5的織構(gòu)表面的摩擦系數(shù)明顯高于無織構(gòu)表面,這可能主要是如前面分析過的均勻密度為 0.5和 0.3的微織構(gòu)并不能有效降低摩擦系數(shù),而 05-0.3-0.1-0.3-0.5的變密度織構(gòu)是將摩擦接觸區(qū)域平均分成六等份(見圖 1),其中各種密度分別占兩等份,而其中0.5與 0.3這 2種密度的織構(gòu)占其中四等份,這 2種織構(gòu)將起主要作用.

與無織構(gòu)表面相比,4種變密度的織構(gòu)表面中,0.3-0.1-0.3的織構(gòu)表面的減摩效果最好.

2.2.2 高密度織構(gòu)在中間區(qū)域

圖 4所示為載荷 5N條件下,中間區(qū)域為高密度兩端區(qū)域為低密度的變密度織構(gòu)表面的摩擦系數(shù)隨滑動速度的變化曲線.

圖4 中間為高密度的變密度織構(gòu)表面摩擦系數(shù)隨速度的變化(載荷為 5 N)

由圖 4可以看出,在試驗載荷與速度下,所有中間區(qū)域為高密度的變密度織構(gòu)均沒有起到提高減摩性能的作用,其摩擦系數(shù)均高于無織構(gòu)表面(2種密度組合的變密度織構(gòu)表面僅在較低滑動速度 0.016m/s時,摩擦系數(shù)稍低于無織構(gòu)表面).由前面對中間區(qū)域為低密度的變密度織構(gòu)的分析可知,在密度變化的交界處,在較高速度下有利于產(chǎn)生油壓從而提高承載能力.中間區(qū)域為高密度微孔時,運動由一端向中間時,在密度變化的交界處,由于織構(gòu)密度 Sp由小變大,儲油空間 V變大,此時盡管在高速時,潤滑油能夠被帶動起來,但是并不會被擠壓而使油壓升高;由于對稱性,雖然從中間向一端運動時,會經(jīng)歷織構(gòu)密度 Sp由大變小的交界處,但是由于此時是運動的減速階段,因此會對潤滑油流動產(chǎn)生一定的阻礙作用,造成潤滑油的擠壓效果不明顯.而且由前面分析可知高密度的均勻織構(gòu)的減摩效果并不好,因此與中間區(qū)域為低密度的變密度織構(gòu)表面的潤滑減摩作用相反,中間區(qū)域為高密度的變密度織構(gòu)表面將會起阻滑增摩的作用.

2.3 2種最優(yōu)織構(gòu)的減摩效果比較

由載荷 5N條件下的試驗研究結(jié)果表明,在 3種均勻密度織構(gòu)中,密度 0.1的織構(gòu)表面減摩效果最優(yōu);在 8種變密度織構(gòu)中,0.3-0.1-0.3的織構(gòu)表面減摩效果最優(yōu).在往復(fù)運動條件下這 2種不同性質(zhì)的表面織構(gòu)何種更優(yōu),更能適應(yīng)載荷的變化,還需要作進一步的對比研究.圖 5所示是在 5,28和50N三種載荷條件下,均勻密度 0.1的織構(gòu)表面與 0.3-0.1-0.3的變密度織構(gòu)表面以及無織構(gòu)表面的摩擦系數(shù)對比試驗結(jié)果.

圖5 較優(yōu)密度織構(gòu)表面摩擦系數(shù)隨速度的變化

從圖 5(a)可以看出,在較低載荷 5N時,密度0.1的織構(gòu)減摩效果最為顯著,在所有試驗速度下摩擦系數(shù)均低于 0.3-0.1-0.3的變密度織構(gòu)和無織構(gòu)表面;變密度織構(gòu)表面在速度為 0.016 m/s和超過 0.1 m/s時摩擦系數(shù)低于無織構(gòu)表面.密度為0.1的織構(gòu)表面在速度為 0.016 m/s時摩擦系數(shù)比無織構(gòu)表面降低了約 23%;當(dāng)速度超過 0.1 m/s時,摩擦系數(shù)比無織構(gòu)表面降低了約 50%.

從圖 5(b)和(c)可以看出,載荷為 28和 50 N的試驗結(jié)果相似.在中載和高載情況下,密度 0.1的織構(gòu)仍然具有較為顯著的減摩效果,但是在較高滑動速度下,0.3-0.1-0.3的變密度織構(gòu)減摩效果更為顯著.在載荷 28 N條件下,滑動速度超過0.1m/s時,密度 0.1的織構(gòu)表面的摩擦系數(shù)比無織構(gòu)表面降低了約 37%,而 0.3-0.1-0.3的變密度表面的摩擦系數(shù)降低到 0.03以下,并且當(dāng)速度超過 0.16m/s時,摩擦系數(shù)降低到 0.02左右,比無織構(gòu)表面降低了約 60%.在載荷 50 N條件下,滑動速度超過 0.1m/s時,密度為 0.1均勻織構(gòu)表面的摩擦系數(shù)比無織構(gòu)表面降低了約 25%,而 0.3-0.1-0.3的變密度織構(gòu)表面的摩擦系數(shù)比無織構(gòu)表面降低了約 42%,并且當(dāng)速度達到 0.2 m/s時,摩擦系數(shù)達到了 0.023.

從圖 5可以看出,在較高載荷情況下,0.3-0.1-0.3的變密度織構(gòu)在較高滑動速度時比密度0.1的織構(gòu)更加有效地提高了減摩性能.這說明在較高速度下合適的中間區(qū)域為低密度的變密度織構(gòu),比均勻密度織構(gòu)有利于減小摩擦.而在較低載荷條件下,0.3-0.1-0.3的變密度織構(gòu)在較高速度時雖未表現(xiàn)出比 0.1的織構(gòu)更好的減摩效果,但也具有良好表現(xiàn).因此,綜合考慮活塞-缸套往復(fù)對稱變速運動的特點,缸套表面織構(gòu)應(yīng)該設(shè)計成如 0.3-0.1-0.3中間區(qū)域為低密度兩端區(qū)域為高密度的對稱變密度織構(gòu).

3 結(jié)論

1)在較低載荷(5 N)條件下,與其他均勻密度織構(gòu)表面相比,密度為 0.1的均勻織構(gòu)表面在較寬的相對滑動速度范圍內(nèi)表現(xiàn)出最佳的減摩效果;在中等載荷(28N)和較高載荷(50 N)條件下,較低的滑動速度下的減摩效果顯著.

2)中間區(qū)域為低密度兩端區(qū)域為高密度的變密度織構(gòu)表面的潤滑減摩效果比中間區(qū)域為高密度兩端區(qū)域為低密度的變密度織構(gòu)表面的潤滑減摩效果好.后者將會起阻滑增摩的作用.

3)在較低載荷(5 N)條件下,與密度組合為0.5-0.1-0.5和 0.5-0.3-0.5的變密度織構(gòu)相比,0.3-0.1-0.3的變密度織構(gòu)減摩效果最好.在中等載荷(28 N)和較高載荷(50 N)條件下, 0.3-0.1-0.3的變密度織構(gòu)在較高滑動速度下(超過0.1m/s)能達到最佳的潤滑減摩效果.

4)表面織構(gòu)化是一種減少摩擦,提高摩擦學(xué)性能的有效方法;變密度織構(gòu)在改善往復(fù)運動摩擦副的減摩性能方面有著很大的潛力;變密度織構(gòu)在往復(fù)運動摩擦副接觸表面中的設(shè)計應(yīng)該是低密度織構(gòu)在中間,高密度織構(gòu)在兩端,密度的高低應(yīng)該有一個合適的范圍.

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