V字型表面織構(gòu)在油潤(rùn)滑條件下的摩擦學(xué)性能

吳元博, 楊學(xué)鋒, 王守仁, 成健, 張輝, 鹿重陽(yáng), 陳海龍

(1.濟(jì)南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250022; 2.湖北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 湖北 武漢 430000)

近年來(lái),摩擦學(xué)新理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,兩運(yùn)動(dòng)摩擦副接觸表面并不是越光滑摩擦因數(shù)越小,接觸表面的合理織構(gòu)可以提高其摩擦學(xué)性能[1-5]。每年由于各種形式的摩擦磨損造成約80%的零件損壞和40%的能量損耗,直接導(dǎo)致了高達(dá)數(shù)千億的經(jīng)濟(jì)損失[6-9]。因此,尋找一種提高工件表面摩擦學(xué)性能的表面織構(gòu)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。表面織構(gòu)是一種通過(guò)在金屬或者非金屬表面加工制備出具有特定尺寸和分布規(guī)律的圖案陣列[10],提高了其表面摩擦學(xué)性能。凹坑和溝槽是2種典型的織構(gòu)單元,異形織構(gòu)——如網(wǎng)紋和異形凹坑,都是在此基礎(chǔ)上衍生出來(lái)的。凹坑織構(gòu)供油能力差,但可以促進(jìn)油膜形成較高的流體動(dòng)壓力[11-13]。溝槽織構(gòu)的供油能力強(qiáng),可以快速帶走磨屑。并且在對(duì)溝槽織構(gòu)的研究中,發(fā)現(xiàn)平行于滑動(dòng)方向的溝槽有利于表面的供油行為,而垂直于運(yùn)動(dòng)方向的溝槽更有利于形成動(dòng)壓力[14]。實(shí)驗(yàn)證實(shí),凹坑、網(wǎng)紋和斷紋3種不同織構(gòu),在干摩擦下,凹坑織構(gòu)的摩擦因數(shù)穩(wěn)定性最好,斷紋次之,網(wǎng)紋最差[15]。在超疏水表面減阻方面,減阻率會(huì)隨著凹槽槽寬增大而增大,受凹槽深度影響不明顯,矩形凹槽比U形凹槽有更好的減阻效果[16]。通過(guò)研究同種織構(gòu)不同織構(gòu)密度在不同速度和加載力條件下對(duì)摩擦因數(shù)的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)表面織構(gòu)可以使摩擦副在低速下進(jìn)入流體潤(rùn)滑區(qū)域,擴(kuò)大了流體潤(rùn)滑的區(qū)域[17]。通過(guò)理論分析不同截面類(lèi)型的表面織構(gòu)和表面形狀對(duì)摩擦副潤(rùn)滑特性的影響,發(fā)現(xiàn)不同截面類(lèi)型和表面形狀對(duì)摩擦副的摩擦因數(shù)和承載能力有很大影響,并且獲得了部分特定工況下的最優(yōu)織構(gòu)參數(shù)和類(lèi)型[18]。可見(jiàn),織構(gòu)不同,工況不同,減摩抗磨的作用機(jī)理不同,不同織構(gòu)在何種工況下起到最佳效果還有待討論,需要繼續(xù)加大針對(duì)不同織構(gòu)的摩擦學(xué)特性研究,更深入地了解每種織構(gòu)，有利于根據(jù)工況設(shè)計(jì)相應(yīng)的最優(yōu)織構(gòu)。V型織構(gòu)作為異形織構(gòu)的一種,類(lèi)似于相互交叉的溝槽織構(gòu)。兩者不同之處在于它的每個(gè)織構(gòu)單元是獨(dú)立的,而不是像交叉溝槽織構(gòu)一樣是相通的。相通的織構(gòu)在提高潤(rùn)滑油流動(dòng)性、排除磨屑方面要優(yōu)于相互獨(dú)立的織構(gòu),但流動(dòng)性增強(qiáng)的副作用是承壓能力的減弱。當(dāng)流動(dòng)方向?yàn)閺腣型織構(gòu)開(kāi)口處流向尖端處時(shí),潤(rùn)滑油被V型織構(gòu)不斷擠壓,潤(rùn)滑油壓力增加,油膜承壓能力提高。

因此本文以V型表面織構(gòu)為研究對(duì)象,使用MATLAB對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,結(jié)合Stribeck曲線(xiàn),并通過(guò)Fluent軟件對(duì)V型織構(gòu)進(jìn)行仿真分析,深入研究其摩擦學(xué)性能。

1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本實(shí)驗(yàn)選取載荷和速度2個(gè)因素,載荷因素選取6個(gè)水平,速度因素選取5個(gè)水平,水平數(shù)的增加可以更清楚地反應(yīng)出它們與摩擦因數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。V字型表面織構(gòu)使用Coherent公司的Libra-HE型飛秒激光器進(jìn)行織構(gòu)微雕刻,單個(gè)V型織構(gòu)的開(kāi)口夾角為45°,單邊長(zhǎng)度0.8 mm,單邊寬度0.15 mm,加工深度在32 μm左右,均勻分布,總面積占有率為10%。激光加工技術(shù)熱影響小、刻劃精細(xì)、加工清潔。實(shí)驗(yàn)載荷分別選取50 N,80 N,100 N,150 N,180 N,200 N,速度分別選取40 r/min,80 r/min,120 r/min,160 r/min,200 r/min。在MMG-10多功能摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn),利用特殊設(shè)計(jì)的帶有正方形凹槽的對(duì)磨件保證整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程都在油潤(rùn)滑條件下進(jìn)行。加工完成的試件如圖1所示。

圖1 加工完成后的V字型表面織構(gòu)示意圖

1.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

摩擦因數(shù)取1 600個(gè)數(shù)據(jù)的平均值。在本實(shí)驗(yàn)中每組摩擦因數(shù)皆會(huì)取1 800個(gè)值，只需要后1 600個(gè)并取其平均值。由于表格并不能直觀體現(xiàn)整體趨勢(shì)和變化規(guī)律,所以使用MATLAB軟件將數(shù)據(jù)處理成三維圖像,處理結(jié)果如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果三維圖

1.2 結(jié)果分析

根據(jù)圖2可以看出在轉(zhuǎn)速一定時(shí),隨著加載力的增大-即載荷的增大,摩擦因數(shù)呈現(xiàn)一個(gè)減少的趨勢(shì)，利用MATLAB自帶的擬合工具箱-curve fitting tool進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。幾組數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果都表示,在速度一定時(shí),摩擦因數(shù)和加載力呈類(lèi)線(xiàn)性關(guān)系，即通過(guò)濾波耦合后符合一定的線(xiàn)性規(guī)律。但是由圖2可以看出,摩擦因數(shù)存在一個(gè)固定的“谷”。無(wú)論速度的值為多少,只要加載力為100 N時(shí),摩擦因數(shù)總要比相鄰的2個(gè)加載力80 N,150 N要小。雖然存在由誤差導(dǎo)致的可能性,但是根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看每個(gè)速度值都會(huì)遇到這個(gè)現(xiàn)象。而且速度越小時(shí),“谷”越明顯,隨著速度增大,“谷”逐漸減小。當(dāng)加載力過(guò)小時(shí),表面油膜的穩(wěn)定性較低,摩擦因數(shù)較大;當(dāng)加載力增大時(shí),表面油膜的穩(wěn)定性提高,摩擦因數(shù)較小。當(dāng)加載力在一定值域內(nèi)時(shí),油膜穩(wěn)定性和加載力會(huì)出現(xiàn)一個(gè)平衡點(diǎn),即加載力剛好使得油膜穩(wěn)定性提高。一旦偏離這個(gè)點(diǎn),加載力會(huì)使得油膜破裂,從而增大摩擦因數(shù),這就出現(xiàn)了“峰”。但是隨著加載力的持續(xù)增大,油膜還是向著更穩(wěn)定的方向發(fā)展,摩擦因數(shù)朝著減小的方向發(fā)展，這種現(xiàn)象便不再明顯,只有到達(dá)下一個(gè)平衡點(diǎn)時(shí)才會(huì)再次出現(xiàn)“谷”和“峰”的波動(dòng)。在討論2個(gè)自變量對(duì)1個(gè)因變量的影響時(shí),大多使用MATLAB的多元線(xiàn)性回歸指令-regeress。帶入實(shí)驗(yàn)結(jié)果后得到方程

y=0.248-0.000 76x1-0.000 33x2

(1)

式中，y表示摩擦因數(shù),x1為加載力,x2為速度。相關(guān)系數(shù)R2的值為0.69,F統(tǒng)計(jì)值為30.23,與其對(duì)應(yīng)的P值為1.28×10-7N/m2。根據(jù)以上MATLAB的計(jì)算結(jié)果可知,加載力和速度對(duì)摩擦因數(shù)存在函數(shù)關(guān)系;并且由于x1的系數(shù)大于x2,說(shuō)明加載力對(duì)摩擦因數(shù)的影響能力要大于速度。

圖3和圖4分別為不同加載力和不同速度時(shí),通過(guò)改變速度和加載力得到的Stribeck曲線(xiàn)。Stribeck曲線(xiàn)作為探尋摩擦因數(shù)μ與速度v、黏度η以及載荷p三者關(guān)系的曲線(xiàn),可以通過(guò)曲線(xiàn)變化趨勢(shì)區(qū)分3個(gè)變量對(duì)摩擦因數(shù)的影響能力。

圖3 不同加載力下的Stribeck曲線(xiàn)

圖4 不同速度下的Stribeck曲線(xiàn)

由圖3中可以看出,加載力不同時(shí),摩擦因數(shù)變化規(guī)律有著顯著差異。在加載力為50 N時(shí),摩擦因數(shù)隨著速度的增大而減小,但各個(gè)潤(rùn)滑區(qū)域區(qū)分度不高,不能有效地辨別各個(gè)潤(rùn)滑區(qū)域的范圍,且整體摩擦因數(shù)偏大。隨著加載力的增大,摩擦因數(shù)逐漸降低,并且各潤(rùn)滑區(qū)域界限逐漸分明,在低速下也可以進(jìn)入流體潤(rùn)滑狀態(tài)。由圖4可以看出,速度不同時(shí),摩擦因數(shù)變化規(guī)律差異性較小,40 r/min與80 r/min相比曲線(xiàn)變化規(guī)律相似,并且隨著速度的增加,相鄰曲線(xiàn)的相似度越來(lái)越高。在同一速度下,加載力增大到一定壓力時(shí),摩擦因數(shù)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)急劇下降的過(guò)程,并且速度越大,這種下降過(guò)程越明顯。具體表現(xiàn)為:當(dāng)速度越大,加載力小于突變值時(shí),摩擦因數(shù)穩(wěn)定,變化越突然,但是變化幅度小;隨著速度的減小,摩擦因數(shù)波動(dòng)增加,但依然保持原有變化規(guī)律。由以上結(jié)果,說(shuō)明加載力對(duì)摩擦因數(shù)的影響比重要大于速度,這與之前MATLAB的分析結(jié)果一致。

1.3 織構(gòu)表面的摩擦磨損

即使V字型織構(gòu)具有良好的減摩性能,但是依舊不能避免試件磨損。圖5為試件表面磨損SEM圖。由圖可以看出在V字型織構(gòu)的尖端部分存在凹坑,且分布在尖端部分的兩側(cè)。在遠(yuǎn)離尖端部分的區(qū)域凹坑較少且不在織構(gòu)邊緣。這是由于尖端部分潤(rùn)滑油流速快,流體中的氣泡產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象釋放能量,從而造成了對(duì)織構(gòu)表面的侵蝕,逐漸形成氣蝕坑。在遠(yuǎn)離尖端的地方流速降低,侵蝕效果減弱。

圖5 V字型織構(gòu)表面磨損的SEM圖

2 仿真分析

2.1 模型建立

在進(jìn)行Fluent仿真分析之前,首先要確定研究對(duì)象并建立模型。實(shí)驗(yàn)試件的V字型織構(gòu)呈環(huán)形排列。在Fluent進(jìn)行仿真時(shí)如果按照試件建立模型,精度可能不夠,而且計(jì)算量會(huì)非常大。所以,采用管中窺豹的方法-通過(guò)某一個(gè)V字型織構(gòu)的分析結(jié)果來(lái)體現(xiàn)整體的規(guī)律。

利用Solidworks建立單個(gè)V字型織構(gòu)的模型,并利用ICEM CFD進(jìn)行網(wǎng)格劃分,得到結(jié)果如圖6所示。將劃分好網(wǎng)格的模型導(dǎo)入到Flurnt中。

圖6 網(wǎng)格劃分

2.2 模型的邊界條件

模型假設(shè):①由于是單一V字型織構(gòu),并且面1相鄰的2個(gè)側(cè)面相互對(duì)稱(chēng),壓強(qiáng)可以看做相等,且其不影響流動(dòng),設(shè)為墻壁。②在V字型織構(gòu)表面的油膜被看做是一個(gè)完整的油膜,沒(méi)有破裂處。③油膜受到的壓力值為加載力與對(duì)磨件與試件的實(shí)際接觸面積的比值。

(2)

由(2)式知50 N時(shí)輸入壓強(qiáng)應(yīng)為562 429.7 Pa,仿真時(shí)取值560 000 Pa。除了壓強(qiáng)輸入面1、壓強(qiáng)輸出面2,其余面均為墻壁;但面3設(shè)置為可移動(dòng)墻壁,移動(dòng)方向?yàn)橛擅?向面2,以代表實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下的對(duì)磨件的移動(dòng)。移動(dòng)速度

(3)

由(3)式可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速為100 r/min時(shí),對(duì)磨件的平均線(xiàn)速度為0.01 m/s。

邊界條件:油密度ρ=895 kg/m3,潤(rùn)滑油動(dòng)力黏度μ=0.055 Pa·s。進(jìn)油壓強(qiáng)(面1)p分別為560 000 Pa(50 N),1 120 000 Pa(100 N),1 680 000 Pa(150 N),2 240 000 Pa(200 N),出油壓強(qiáng)(面2)為0 Pa。面3為移動(dòng)壁面,取平均線(xiàn)速度v=0.01 m/s。壓強(qiáng)均為相對(duì)壓力Gauge Pressure,設(shè)置重力方向?yàn)閅軸負(fù)方向,值為9.8 m/s2,采用SIMPLE算法求解。

2.3 仿真結(jié)果

由于是在極小范圍內(nèi)取得單個(gè)V字型織構(gòu),模型設(shè)定的垂直方向即Y軸方向壓力值相同。仿真結(jié)果所選用的面為整個(gè)模型的對(duì)稱(chēng)面,即與面1和面2正交且過(guò)模型中心的面4。圖7和圖8分別為4種壓力下的壓強(qiáng)分布云圖和湍流強(qiáng)度比較圖。

圖7 4種壓強(qiáng)下的壓力分布云圖

圖8 4種壓強(qiáng)下的湍流強(qiáng)度比較圖

2.4 仿真結(jié)果分析

當(dāng)潤(rùn)滑油流過(guò)織構(gòu)存在區(qū)域時(shí),V字型織構(gòu)內(nèi)部的壓強(qiáng)小,潤(rùn)滑油流動(dòng)表面的壓強(qiáng)大。由于二者存在壓差,潤(rùn)滑油會(huì)有從表面流向織構(gòu)內(nèi)部的趨勢(shì),這樣不利于潤(rùn)滑油保持其自身穩(wěn)定性。但根據(jù)圖7可以看出,流體壓強(qiáng)并沒(méi)有在織構(gòu)存在區(qū)域大幅度下降,而是伴隨著流體流經(jīng)織構(gòu)區(qū)域,高壓區(qū)向上移動(dòng),與低壓區(qū)形成了一個(gè)明顯的斜線(xiàn)分界線(xiàn)。這就表示織構(gòu)不僅沒(méi)有使得潤(rùn)滑油的壓強(qiáng)驟降,還使其高壓區(qū)上移,減少了織構(gòu)對(duì)流體壓強(qiáng)的負(fù)影響,提高了油膜穩(wěn)定性。并且,隨著流體壓強(qiáng)的增加,織構(gòu)的影響范圍更加廣泛,由圖7可以看出壓強(qiáng)越大,高壓區(qū)域越遠(yuǎn)離織構(gòu),這樣就最大限度地降低了織構(gòu)附近的壓差,間接增加了油膜的穩(wěn)定性。通過(guò)圖8可以看出,壓強(qiáng)不同對(duì)湍流強(qiáng)度的影響是十分明顯的。在壓強(qiáng)為560 000 Pa時(shí),湍流強(qiáng)度較大的地方為V字型織構(gòu)內(nèi)部以及出口部分,其余部分湍流強(qiáng)度較小。隨著壓強(qiáng)的增加,湍流強(qiáng)度較大的區(qū)域逐漸由V字型織構(gòu)內(nèi)部蔓延至織構(gòu)表面。雖然湍流強(qiáng)度的增大會(huì)提高摩擦力,但是由于其增加了流動(dòng)性,也間接提高了油膜的穩(wěn)定性。油膜破裂對(duì)摩擦因數(shù)造成的影響要遠(yuǎn)大于湍流強(qiáng)度對(duì)摩擦因數(shù)的影響。所以,整體來(lái)說(shuō)摩擦因數(shù)還是隨著壓強(qiáng)的增大而減小的。

3 結(jié) 論

①V字型表面織構(gòu)可以在加載力及速度不斷增大的情況下,減小摩擦因數(shù)。②加載力與速度對(duì)摩擦因數(shù)的影響呈近線(xiàn)性關(guān)系，在一定誤差范圍內(nèi)可以通過(guò)二元線(xiàn)性方程表示,且加載力對(duì)摩擦因數(shù)的影響能力更強(qiáng)。③V字型織構(gòu)磨損的主要方式是氣蝕磨損,它的主要區(qū)域是V字型表面織構(gòu)的尖端部分。④V字型織構(gòu)減小摩擦因數(shù)的原理與提高油膜穩(wěn)定性有著很大的關(guān)系。通過(guò)壓強(qiáng)分布云圖和湍流強(qiáng)度云圖都可以分析出在壓強(qiáng)不斷增加時(shí)油膜的速度和流動(dòng)軌跡,湍流強(qiáng)度云圖也證明了尖端部分的磨損與流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的改變。