表面微織構(gòu)對關(guān)節(jié)軸承耐摩性能的影響*

張幼軍， 孫靜婷， 苑澤偉， 郎玲琪， 臺立剛， 高興軍

(1. 沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 沈陽 110870； 2. 遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001)

關(guān)節(jié)軸承在承受大的徑向載荷時還會承受一定的軸向載荷，具有載荷能力大、抗沖擊、耐腐蝕、耐磨損、自調(diào)心、潤滑好等特點[1]，在航空航天機(jī)械、水利機(jī)械、汽車減震器等行業(yè)應(yīng)用廣泛.其中，飛機(jī)主起落架中的航空關(guān)節(jié)軸承由于工作環(huán)境要求嚴(yán)苛，承受復(fù)雜載荷與較大的裝配應(yīng)力，且對形狀精度要求很高，因此，摩擦副表面極易發(fā)生磨損，不但影響關(guān)節(jié)軸承的承載能力和服役壽命以及起落架的使用性能和經(jīng)濟(jì)效益，還影響飛機(jī)飛行安全和人身安全.影響關(guān)節(jié)軸承摩擦磨損的因素主要有微觀硬度、加工精度、表面微織構(gòu)與潤滑條件.

為了提高關(guān)節(jié)軸承等核心零部件的耐磨性，陸續(xù)出現(xiàn)了電火花表面強(qiáng)化[2]、離子注入技術(shù)[3]、超聲表面滾壓技術(shù)[4]等表面強(qiáng)化技術(shù).摩擦學(xué)和仿生學(xué)的相關(guān)研究和實踐已表明摩擦副表面并非越光滑就越耐磨；在摩擦副表面加工出具有一定形貌的微織構(gòu)能夠起到捕獲磨損顆粒形成微儲油槽以儲存潤滑介質(zhì)、有效降低磨粒磨損及減少犁溝、產(chǎn)生動壓潤滑效應(yīng)進(jìn)而提高承載能力、降低表面磨損的作用[5-8].相關(guān)參數(shù)只有在一定范圍內(nèi)，微織構(gòu)才能更好地起到減少摩擦的作用[9]，常見的微織構(gòu)有凹坑型與溝槽型[10].由于航空關(guān)節(jié)軸承貧潤滑現(xiàn)象比較普遍，難以進(jìn)行強(qiáng)制潤滑，因此提出表面微織構(gòu)技術(shù).近年來，表面微織構(gòu)及其摩擦學(xué)特性研究受到了廣泛關(guān)注，可成功應(yīng)用于發(fā)動機(jī)[11]、MEMS[12]、人工關(guān)節(jié)[13]、重載齒輪及軸承傳動[14-15]等眾多領(lǐng)域.其中，通過對金屬、陶瓷、軟材料等[16]固體表面進(jìn)行織構(gòu)化處理，對于改善摩擦副的摩擦學(xué)性能起到了積極的作用.目前，加工表面織構(gòu)的主要方式有離子刻蝕、表面噴丸處理、激光微加工技術(shù)、電子束刻蝕、微細(xì)電火花加工法[17-18]、機(jī)械微刻等.其中，激光微加工作為一種非接觸性加工方法，因其具有應(yīng)用材料范圍廣、精度高、效率高以及對環(huán)境無污染等優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用，激光技術(shù)進(jìn)行凹坑陣列加工也逐漸出現(xiàn)在微織構(gòu)研究中[19-20].隨著多種表面強(qiáng)化技術(shù)的產(chǎn)生，表面織構(gòu)與表面合金化、表面涂層與表面織構(gòu)、表面織構(gòu)與表面潤滑[21]、表面織構(gòu)與表面機(jī)械強(qiáng)化[22]等復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)的優(yōu)勢更為突出.

雖然上述學(xué)者對表面織構(gòu)與表面強(qiáng)化進(jìn)行深入研究，但是并沒有分析表面微織構(gòu)與超聲滾壓復(fù)合技術(shù).本文分析了表面微織構(gòu)與超聲滾壓復(fù)合對表面摩擦副摩擦磨損性能的影響.帶有合理分布形式微織構(gòu)的摩擦副接觸表面能產(chǎn)生明顯的動壓潤滑效應(yīng)，提高油膜承載性能[23]，因此，采用Fluent流體分析軟件對微織構(gòu)形狀及尺寸參數(shù)進(jìn)行分析.結(jié)合摩擦磨損試驗，利用超聲滾壓技術(shù)對304不銹鋼進(jìn)行表面強(qiáng)化，之后通過激光微加工技術(shù)加工出具有不同尺寸的圓形凹坑，研究不同粗糙度的表面、織構(gòu)參數(shù)和負(fù)載對摩擦磨損性能的影響，為關(guān)節(jié)軸承的減摩抗磨提供理論依據(jù).

1 數(shù)值模擬與摩擦磨損試驗方法

1.1 有限元模型的建立及參數(shù)設(shè)定

在關(guān)節(jié)軸承上加工微織構(gòu)，由于單個織構(gòu)尺寸很小，所取尺寸的曲率可以忽略不計，因此可以將其簡化成平面，近似看作直線運動.采用Gambit 2.3.16分別建立方形微織構(gòu)、圓形微織構(gòu)與三角形微織構(gòu)模型，如圖1所示.圖1中，L為微織構(gòu)間距，V為上壁面相對下表面的運動速度，h0為油膜厚度，D為微織構(gòu)直徑，H為微織構(gòu)深度.

圖1 不同微織構(gòu)的三維模型

采用ANSYS 15.0中Fluid Dynamics的Fluent 15.0進(jìn)行仿真，設(shè)定邊界條件：以單個織構(gòu)為研究對象，將上壁面與帶有微織構(gòu)的下壁面設(shè)定成WALL，上壁面以0.4 m/s的速度沿X軸正方向運動，下壁面固定不動，前、后、左、右各壁面設(shè)定成周期性邊界條件，用來模擬流體區(qū)域中規(guī)則排列的微織構(gòu)陣列.

1.2 摩擦磨損試驗及試樣制備方法

本試驗采用如圖2所示的UMT TriboLab摩擦磨損試驗機(jī)進(jìn)行磨損試驗.選用旋轉(zhuǎn)模塊，上試件固定，下試件旋轉(zhuǎn).上試件采用9Cr18鋼球，直徑為7.99 mm，下試件采用304鋼盤，直徑為69.85 mm，厚度為6.53 mm，表面顯微硬度為219 HV.10W-40潤滑劑出自?？松梨谑陀邢薰?

圖2 UMT TriboLab摩擦磨損試驗機(jī)

圖3 表面微織構(gòu)

圖4 微織構(gòu)截面圖

為了研究不同微織構(gòu)參數(shù)對潤滑性能的影響，本文進(jìn)行了相關(guān)摩擦磨損試驗，試驗設(shè)計如表1所示，其中，F(xiàn)為上試件的下壓力.

表1 試驗設(shè)計

2 結(jié)果與分析

2.1 有限元模擬結(jié)果及分析

2.1.1 不同形狀微織構(gòu)模擬

對矩形、圓形與三角形微織構(gòu)進(jìn)行流體力學(xué)模擬，通過模擬結(jié)果分析微織構(gòu)形狀對流體動壓潤滑效果的影響.不同形狀微織構(gòu)的壓力云圖如圖5所示.微織構(gòu)左側(cè)壓力為負(fù)值，右側(cè)壓力為正值，在微織構(gòu)與平面相交處壓力值最大.當(dāng)潤滑劑由左側(cè)進(jìn)入微織構(gòu)時，沿滑動方向兩摩擦副表面間距開始變小.沿滑動方向上潤滑劑的流量也隨之減少，并逐漸形成收斂楔.此時在收斂間隙處形成壓力為正值的潤滑膜，而在發(fā)散間隙處形成壓力為負(fù)值的潤滑膜，當(dāng)負(fù)壓力過大時產(chǎn)生空穴現(xiàn)象，導(dǎo)致在微織構(gòu)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的壓力分布不對稱，從而改善摩擦副之間潤滑性能，減小摩擦力.根據(jù)流體動壓潤滑理論，潤滑劑產(chǎn)生的壓力值越大，所能承受的載荷越大，潤滑效果越好.圖6為不同形狀微織構(gòu)的最大壓力圖.由圖5～6可知，圓形微織構(gòu)的正壓力值最大，產(chǎn)生的動壓潤滑效果最好.

2.1.2 不同微織構(gòu)直徑對流體壓力的影響

微織構(gòu)的間距L=150 μm，深度H=20 μm，油膜厚度h0=10 μm，直徑分別為80、120、160、200和240 μm，研究不同直徑下圓形微織構(gòu)對摩擦副潤滑性能的影響.不同直徑微織構(gòu)的壓力分布云圖如圖7所示.圖8為不同直徑微織構(gòu)的最大壓力圖.由圖8可以看出，隨著微織構(gòu)直徑的增加，最大壓力值隨之增大，動壓潤滑效果顯著，油膜壓力逐漸增大，潤滑性能越來越好，摩擦磨損變小.

圖5 不同形狀微織構(gòu)壓力云圖

圖6 不同形狀微織構(gòu)最大壓力

2.1.3 不同微織構(gòu)間距對流體壓力的影響

微織構(gòu)的直徑D=120 μm，深度H=20 μm，油膜厚度h0=10 μm，間距分別為100、150、200、25和300 μm，通過改變微織構(gòu)間距來研究圓形微織構(gòu)間距對摩擦副潤滑性能的影響.不同間距微織構(gòu)的壓力分布云圖如圖9所示.

圖7 不同直徑微織構(gòu)壓力云圖

圖8 不同直徑微織構(gòu)最大壓力

圖10為不同間距微織構(gòu)油膜的最大壓力值變化.由圖10可知，油膜最大壓力值最優(yōu)參數(shù)為間距L=200 μm.間距L小于200 μm時，隨著間距L的增加，油膜的最大壓力值增加，動壓效果明顯，潤滑性能提升.當(dāng)間距L大于200 μm時，隨著間距L的增加，油膜的最大壓力值減小，動壓潤滑效果減弱，潤滑性能變差.因此，當(dāng)直徑D為120 μm，深度H為20 μm，間距L為200 μm時，動壓潤滑效果最明顯，潤滑性能最好.這是因為織構(gòu)間距過小，不利于形成有效的油膜，使摩擦副處于邊界和混合潤滑狀態(tài).織構(gòu)間距過大會導(dǎo)致織構(gòu)面密度減小，潤滑性能下降.

2.2 摩擦磨損試驗結(jié)果及分析

2.2.1 不同直徑微織構(gòu)的摩擦磨損性能

圖11為在載荷20 N、速度0.2 m/s的貧油潤滑條件下，不同直徑微織構(gòu)的摩擦系數(shù)變化曲線.由圖11可以看出，織構(gòu)面摩擦系數(shù)均在0.05～0.1之間.隨著載荷及速度增加，各織構(gòu)面摩擦系數(shù)迅速增加；隨著載荷和速度達(dá)到恒定值后，摩擦系數(shù)穩(wěn)定在某個值上下波動.同時可以看出，隨著織構(gòu)直徑的增加，摩擦系數(shù)逐漸減小.圖12為摩擦系數(shù)隨直徑變化曲線.由圖12可以看出，微織構(gòu)直徑在80～160 μm時，摩擦系數(shù)急劇減小，直徑在160～200 μm時，摩擦系數(shù)緩慢減小.

因為微織構(gòu)延伸了摩擦副油膜流體動壓潤滑的發(fā)生范圍.微織構(gòu)儲存的潤滑劑在摩擦過程中，通過摩擦副相互擠壓，將微織構(gòu)中儲存的潤滑油擠壓到接觸表面，從而形成連續(xù)致密的潤滑油膜，產(chǎn)生了二次潤滑效應(yīng).若微織構(gòu)過小則潤滑介質(zhì)較難浸入到凹坑內(nèi)，不利于連續(xù)潤滑油膜的產(chǎn)生.若一定范圍內(nèi)微織構(gòu)直徑越大，則儲存的潤滑油越多，越有利于摩擦副表面間形成流體動壓潤滑效果與二次潤滑，越有利于減摩抗磨.過大直徑的微織構(gòu)雖然可以儲存磨屑，但當(dāng)摩擦副間相互擠壓時，也可能從擠壓出來的潤滑油中粘連磨屑，從而劃傷試件表面，所以要適當(dāng)選取直徑.

圖9 不同間距微織構(gòu)壓力云圖

圖10 不同間距微織構(gòu)最大壓力

圖11 不同直徑微織構(gòu)摩擦系數(shù)變化曲線

圖12 摩擦系數(shù)隨直徑變化曲線

圖13為微織構(gòu)試驗前后的三維輪廓圖.由圖13可以看出，微織構(gòu)直徑小的磨斑呈現(xiàn)較深較寬的溝槽狀，直徑大的微織構(gòu)有較輕的磨損.從磨斑形貌來看微織構(gòu)磨損是由于犁溝和黏著所致，磨屑存留在微坑內(nèi)，這表明微坑在摩擦過程中起到了捕獲磨屑的作用，從而減少了磨粒磨損.

2.2.2 不同間距微織構(gòu)的摩擦磨損性能

圖14為在載荷20 N、速度0.2 m/s的貧油潤滑條件下，不同間距微織構(gòu)的摩擦系數(shù)變化曲線.由圖14可以看出，織構(gòu)面摩擦系數(shù)均在0.05～0.1之間，隨著載荷及速度增加，各織構(gòu)面摩擦系數(shù)迅速增加，隨著載荷和速度達(dá)到恒定值后，摩擦系數(shù)穩(wěn)定在某個值上下波動.同時可以看出，織構(gòu)間距為200 μm時摩擦系數(shù)最小.圖15為摩擦系數(shù)隨間距變化曲線.由圖15可以看出，微織構(gòu)間距在100～200 μm時，摩擦系數(shù)呈下降趨勢；微織構(gòu)間距在200～250 μm時，摩擦系數(shù)呈上升趨勢，摩擦系數(shù)在微織構(gòu)間距為200 μm時達(dá)到最小值.

圖13 不同直徑微織構(gòu)三維輪廓

在一定條件下，存在最佳間距的微織構(gòu)使得摩擦系數(shù)有最小值.微織構(gòu)間距太小時，不利于致密潤滑油膜的形成，此時磨損較為嚴(yán)重.當(dāng)微織構(gòu)間距小于最優(yōu)值時，增加其間距，則微織構(gòu)群體由于協(xié)同作用，導(dǎo)致動壓潤滑效應(yīng)逐漸明顯，潤滑油膜的承載力增加，摩擦系數(shù)減??；而當(dāng)微織構(gòu)間距大于最優(yōu)值時，此時流體動壓效應(yīng)發(fā)生相互干涉，導(dǎo)致潤滑油膜承載力下降，摩擦系數(shù)增加.

圖14 不同間距微織構(gòu)摩擦系數(shù)變化曲線

圖15 摩擦系數(shù)隨間距變化曲線

圖16為微織構(gòu)試驗前后的三維輪廓圖.在微織構(gòu)間距為200 μm時磨損程度較輕；微織構(gòu)間距為100 μm時磨斑呈較深較寬的溝槽狀，此時微織構(gòu)的間距過小，接觸副處于邊界磨損和混合磨損狀態(tài)，磨損較為嚴(yán)重.微織構(gòu)間距為150 μm與間距為100 μm相比，磨損情況較輕.微織構(gòu)間距為250 μm時，磨損情況較微織構(gòu)間距為200 μm時嚴(yán)重.

3 結(jié) 論

本文通過分析得出如下結(jié)論：

1) 方形微織構(gòu)、圓形微織構(gòu)和三角形微織構(gòu)對流體壓力影響規(guī)律為：方形微織構(gòu)小于三角形微織構(gòu)小于圓形微織構(gòu)，其中圓形微織構(gòu)產(chǎn)生的正壓力值最大，流體動壓潤滑效果最顯著，減摩抗磨性能最好.

2) 在相同速度、載荷與潤滑劑條件下，不同直徑微織構(gòu)的摩擦系數(shù)隨著直徑的增加而減小，并且當(dāng)微織構(gòu)直徑大于160 μm時，摩擦系數(shù)降低程度逐漸減慢，潤滑性能在微織構(gòu)直徑為200 μm時最佳.這與模擬結(jié)果大致相同.

圖16 不同間距微織構(gòu)三維輪廓

3) 在相同速度、載荷與潤滑劑條件下，針對不同間距微織構(gòu)的摩擦系數(shù)，在間距為200 μm時的摩擦系數(shù)有最小值；微織構(gòu)間距小于200 μm時，隨著間距的增加，摩擦系數(shù)逐漸減小；當(dāng)微織構(gòu)間距大于200 μm時，隨著間距的增加，摩擦系數(shù)也逐漸增加.