內(nèi)燃機(jī)缸套表面織構(gòu)對油膜承載能力的影響

崔增霸，張曉東

（1.太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，山西 太原 030024）

1 引言

表面織構(gòu)化技術(shù)即在材料的表面制備出微米級或者毫米級的具有一定尺寸、形態(tài)和分布樣式的圖案結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到減輕材料磨損程度，改善摩擦性能等要求[1-4]。比如在速度較低、載荷較重或摩擦表面處于邊界潤滑的狀態(tài)下，容納于織構(gòu)內(nèi)的潤滑劑會在摩擦表面產(chǎn)生“二次潤滑”，減少邊界潤滑的發(fā)生[5]；在高速、輕載的工況下，表面織構(gòu)可起到微流體動壓軸承的作用，能夠有效地加大動壓效應(yīng)，明顯地增強(qiáng)摩擦副的承載能力[6]；表面織構(gòu)也能夠俘獲因摩擦產(chǎn)生的磨屑顆粒，避免三體磨粒磨損現(xiàn)象的發(fā)生，同時削弱摩擦面的犁溝磨損等[7]。

為了提高缸套-活塞摩擦副的摩擦學(xué)性能，國內(nèi)外研究人員做了非常多的工作。表面織構(gòu)在內(nèi)燃機(jī)缸套-活塞摩擦副中的應(yīng)用最早可以追溯到20世紀(jì)80年代。缸套表面織構(gòu)的研究起始于微凸體和微凹體，現(xiàn)階段已有微凹體是改善缸套-活塞摩擦副摩擦學(xué)性能的有效結(jié)構(gòu)這樣的結(jié)論[8]。目前缸套內(nèi)表面廣泛使用的珩磨網(wǎng)紋織構(gòu)是Michail S.K.和Barber G.C.提出的。他們研究發(fā)現(xiàn)粗糙表面上的表面方向參數(shù)和輪廓偏斜度會對油膜厚度產(chǎn)生影響[9]。隨后，大量研究者們對缸套表面織構(gòu)進(jìn)行了研究：文獻(xiàn)[10]在活塞裙部表面制備了微凹坑織構(gòu)，通過摩擦磨損試驗(yàn)?zāi)M發(fā)動機(jī)真實(shí)的運(yùn)動狀態(tài)，考察微凹坑織構(gòu)的尺寸參數(shù)對摩擦副摩擦系數(shù)的影響。試驗(yàn)表明：在轉(zhuǎn)速載荷條件確定的情況下，微凹坑織構(gòu)表現(xiàn)出最優(yōu)的減摩效果。文獻(xiàn)[11]研究在面接觸的情況下，改變潤滑油量，摩擦副表面不同深度凹坑的潤滑效果，同時觀察氣泡的存在情況，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)在適合的凹坑深度下，氣泡就不易跑出凹坑，承載能力最明顯，摩擦性能最佳[11]。但上述研究缺少對活塞環(huán)在缸套不同位置的動態(tài)運(yùn)動特征、潤滑模式的考慮。目前的研究中，已有了缸套兩端珩磨條紋的傾角大，中間傾角小的三段組合型表面織構(gòu)[12]。

考慮到活塞運(yùn)動時速度與載荷的變化，設(shè)計(jì)了4 種形狀不同、深度相同、面積率相同的表面織構(gòu)，使用ANSYS Workbench中的mesh功能劃分網(wǎng)格后使用fluent分析和對比其在同樣的速度、載荷下潤滑油膜的承載能力；從4種織構(gòu)形貌中挑出一種承載力最高的織構(gòu)，進(jìn)一步分析其深度、直徑對承載力的作用，希望通過這種設(shè)計(jì)找到能提升活塞/缸套摩擦副整體性能的織構(gòu)形貌。

2 不同形貌的表面織構(gòu)承載性能分析

2.1 表面織構(gòu)建模以及邊界條件設(shè)置

在研究活塞環(huán)/缸套摩擦副在摩擦過程中油膜的承載能力的過程中，考慮到織構(gòu)尺寸對于活塞環(huán)/缸套整體而言十分微小，因此可使摩擦副的兩個表面近似為無限大的平面，上表面定義為活塞環(huán)外側(cè)面（滑動壁面），下表面定義為帶微織構(gòu)的缸套內(nèi)表面（靜止壁面）。為降低計(jì)算量與計(jì)算難度，選擇單個織構(gòu)作為研究目標(biāo)，而且將織構(gòu)分布形式的影響排除在外，所建立的4種織構(gòu)形式，如圖1所示。

圖1 表面織構(gòu)圖案模型Fig.1 Geometric Model of Surface Texture

采用圓形織構(gòu)作為例子，圓形織構(gòu)的結(jié)構(gòu)、尺寸參數(shù)以及邊界條件的設(shè)置情況，如圖2所示。在圖2當(dāng)中，hs—織構(gòu)的深度；hg—活塞環(huán)-缸套摩擦副的表面間隙；L—表面織構(gòu)計(jì)算單元的邊長，圖中的L取0.45mm，上下表面均設(shè)置為靜止壁面，而且靠近壁面的流體和壁面的速度是一致的，設(shè)置上壁面作平移運(yùn)動，速度的大小為v，速度方向由實(shí)心箭頭指出，如圖2所示。設(shè)置下壁面靜止不動。前、后壁面分別被設(shè)置為周期性邊界，左、右壁面分別被設(shè)置為壓力入口、壓力出口[13]。

圖2 圓形織構(gòu)參數(shù)設(shè)置Fig.2 Parameter Setting of Circular Texture

2.2 表面織構(gòu)模型的CFD求解

ANSYS Workbench 是一款優(yōu)秀的力學(xué)分析技術(shù)集成平臺，能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、仿真、優(yōu)化等功能的一體化。在平臺中能使用Fluid Flow（FLUENT）模塊進(jìn)行流體動力學(xué)分析，使用Design Exploration 模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。Fluid Flow 模塊一般包括前處理器、求解器和后處理器[14]，前處理器的功能是簡化模型的創(chuàng)建以及模型網(wǎng)格的劃分，求解器是流體域數(shù)值計(jì)算的最重要部位，后處理器通過云圖、流線圖等方式表示各種物理量的計(jì)算結(jié)果，能繪制圖表以便求解結(jié)果的表達(dá)。

織構(gòu)模型的網(wǎng)格是在Fluid Flow 模塊的前處理器中劃分完成的，采用的網(wǎng)格類型均為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，最后生成的網(wǎng)格質(zhì)量都大于0.7，這對三維模型來說，網(wǎng)格的精度已然滿足要求。圓形織構(gòu)的網(wǎng)格劃分，如圖3所示。

圖3 圓形織構(gòu)網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh Generation of Cycle Texture

網(wǎng)格導(dǎo)入到Fluent模塊后第一步要檢查計(jì)算區(qū)域，并將網(wǎng)格單位轉(zhuǎn)換為“mm”，可將“SIMPLE”算法應(yīng)用到流體域的求解過程中，動量項(xiàng)使用二階迎風(fēng)格式，壓力項(xiàng)使用“standard”格式。想要使得求解結(jié)果較為精確，同時求解效率又不能太低，故將參數(shù)的迭代誤差設(shè)為10-5。邊界條件方面需要說明的是：為了模擬發(fā)動機(jī)做功沖程時活塞環(huán)/缸套摩擦副的工作環(huán)境，不同的運(yùn)動壁面速度會對應(yīng)不同的進(jìn)出口壓力。模型的壓力入口處的壓力為缸內(nèi)燃?xì)庾饔糜诨钊h(huán)上端的總壓，這與氣缸內(nèi)燃?xì)鈮毫κ谴笾孪嗟鹊模粔毫Τ隹跒榛钊h(huán)下端面受到的壓力，這個值能從以下公式[15-17]得到。其公式為：

模型的參數(shù)以及邊界條件設(shè)置[18]，如表1所示。

表1 圓形織構(gòu)模型參數(shù)以及邊界設(shè)置Tab.1 Circular Texture Model Parameters and Boundary Settings

2.3 求解結(jié)果對比與分析

開啟Fluid Flow模塊中的層流模型，計(jì)算運(yùn)動表面潤滑油膜的承載能力。各種圖案織構(gòu)的滑動表面在速度為12.5m/s時的壓力云圖，如圖4所示。

圖4 織構(gòu)的壓力云圖Fig.4 Stress Nephogram of Texture

各種織構(gòu)具有同樣的深度、直徑和表面間隙（依次是5μm、100μm、8μm），從圖中可以看出來織構(gòu)附近區(qū)域沿著流體運(yùn)動的方向先是產(chǎn)生了油膜壓力較低的區(qū)域，然后產(chǎn)生了油膜壓力較高的區(qū)域，這是由于表面織構(gòu)能夠同時產(chǎn)生收斂楔和發(fā)散楔，當(dāng)潤滑油經(jīng)過發(fā)散楔的時候，油膜壓力會突然下降，而在經(jīng)過收斂楔時油膜壓力則會突然上升。

各種織構(gòu)運(yùn)動表面在表面滑動速度為12.5m/s時油膜壓力的三維分布圖，如圖5所示。從圖中可以看出圓形織構(gòu)的最大油膜壓力要比其他種類圖案的織構(gòu)大，直接地證明了采用圓形織構(gòu)所形成的附加流體動壓效應(yīng)要更強(qiáng)，所以說它的承載能力相對于其他類型織構(gòu)而言是最好的。

圖5 織構(gòu)壓力分布云圖Fig.5 Pressure Distribution of Texture

各種織構(gòu)在不同運(yùn)動速度下的運(yùn)動表面平均油膜承載能力，如圖6所示?？梢姡诳紤]發(fā)動機(jī)活塞—缸套摩擦副的實(shí)際工作環(huán)境時，在高速時圓形織構(gòu)的油膜承載能力與其他織構(gòu)相比，提升約6%，與光滑無織構(gòu)平面相比，提升約10.1%；但是在中低速的情形下，不同形狀的表面織構(gòu)所產(chǎn)生的油膜承載能力中，平均油膜壓力最大的橢圓形織構(gòu)與平均油膜壓力最小的無織構(gòu)光滑平面相比，僅僅提高了0.3%，其他類型的織構(gòu)油膜壓力的提升更是小于0.3%。

圖6 不同織構(gòu)在不同速度下表面油膜承載能力Fig.6 Surface Bearing Capacity of Different Textures at Different Speeds

造成這種現(xiàn)象的原因是在中低速時，表面織構(gòu)引起的動壓潤滑效應(yīng)減弱，導(dǎo)致不同類型織構(gòu)產(chǎn)生流體動壓能力的差別降低，而且考慮到活塞/缸套摩擦副在做功沖程時的實(shí)際工作環(huán)境，在中低速時潤滑油會受到極大的外界壓力，導(dǎo)致潤滑油流體靜壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流體動壓，因而不同織構(gòu)油膜的承載能力相差不大。

因此，可以得到這樣的結(jié)論：在模擬發(fā)動機(jī)高溫高壓環(huán)境的條件下，滑動面高速滑動時，圓形織構(gòu)可以得到更好的油膜承載能力，而在低中速的時候，織構(gòu)的類型變化對于油膜承載能力的影響可以忽視。

3 圓形織構(gòu)參數(shù)對油膜承載力的影響

在以上仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，想要得到織構(gòu)的參數(shù)對油膜承載力的作用，故針對圓形織構(gòu)，通過改動織構(gòu)的深度、直徑來分析其油膜承載能力。

圓形織構(gòu)在直徑為（50～160）μm，深度為（5～100）μm時的油膜承載能力變化的情況，如圖7、圖8所示。其中缸套/活塞環(huán)摩擦副表面的間隙大小為8μm（即最小油膜厚度為8μm），滑動表面的滑動速度大小為12.5m/s。

圖8 不同深度的圓形織構(gòu)油膜承載力隨不同直徑的變化Fig.8 Average Load-Carrying Capacity Changes with Different Diameter Under Different Textural Depth

從圖7可以看得出來，不同直徑的圓形織構(gòu)其油膜承載能力隨著織構(gòu)深度變化的規(guī)律是不同的，但是整體上在一定的深度范圍內(nèi)，織構(gòu)的油膜承載能力是隨著織構(gòu)深度的加深呈現(xiàn)遞減的趨勢，因此在選擇織構(gòu)深度時因盡量選擇較小的值，另外需要注意的是，盡管較小的織構(gòu)深度能帶來較大的油膜承載能力，但是織構(gòu)深度太小導(dǎo)致儲存潤滑油少，對處于邊界潤滑的摩擦副幫助較小，而且從磨損角度來看，太淺的織構(gòu)容易被磨損消耗掉[19]。

圖7 不同直徑的圓形織構(gòu)油膜承載力隨不同深度的變化Fig.7 Average Load-Carrying Capacity Changes with Textural Depth Under Different Diameter

從圖8可以看得出來，當(dāng)織構(gòu)的深度小于24μm左右時，織構(gòu)的直徑越大織構(gòu)油膜承載能力越強(qiáng)，當(dāng)織構(gòu)的深度大于24μm時，織構(gòu)的直徑越大油膜承載能力越小。

綜合圖7、圖8可以得出這樣的結(jié)論，選擇織構(gòu)深度為20μm，織構(gòu)直徑為160μm 時整體上能保持較高的油膜承載能力，而織構(gòu)也不容易被快速磨損且有一定的儲油能力。

4 織構(gòu)深度、直徑參數(shù)對油膜承載能力的敏感性

參數(shù)敏感性的研究可以排除一些對于設(shè)計(jì)目標(biāo)而言不重要的設(shè)計(jì)變量，大大簡化了研究過程。通過Workbench 優(yōu)化設(shè)計(jì)功能的使用可以得到織構(gòu)深度、直徑參數(shù)對于油膜承載能力的敏感性，如圖9～圖11所示。

對比圖9與圖10可以發(fā)現(xiàn)，織構(gòu)深度這一參數(shù)對油膜承載能力的敏感性也隨著織構(gòu)直徑的變化而變化，在織構(gòu)直徑為50μm時，織構(gòu)深度對油膜承載能力的敏感性比較低；織構(gòu)直徑為160μm時，織構(gòu)深度對油膜承載能力的敏感性大大提高；比較圖9和圖11能夠知道織構(gòu)直徑這一參數(shù)對油膜承載能力的敏感性受到織構(gòu)深度很大的影響，當(dāng)織構(gòu)深度為5μm時，直徑越大，油膜承載承載能力越強(qiáng)；深度為100μm時，參數(shù)直徑越大，油膜承載能力越小，敏感性隨著深度的變化有很大的改變，這與圖8所示規(guī)律是一致的。可以得知，織構(gòu)的直徑與織構(gòu)深度這兩個參數(shù)對于油膜承載能力的作用是互相影響的。因此在研究織構(gòu)參數(shù)的過程中不能只考慮單個因素，而應(yīng)該綜合考慮。

圖9 直徑為50μm、深度為5μm圓形織構(gòu)參數(shù)對油膜承載力的敏感性Fig.9 Local Sensitivity of Circular Texture Parameters to Oil Film Carrying Capacity（Diameter is 50μm and Depth is 5μm）

圖10 直徑為160μm、深度為5μm圓形織構(gòu)參數(shù)對油膜承載力的敏感性Fig.10 Local Sensitivity of Circular Texture Parameters to Oil Film Carrying Capacity（Diameter is 160μm and Depth is 5μm）

圖11 直徑50μm、深度為100μm圓形織構(gòu)參數(shù)對油膜承載力的敏感性Fig.11 Local Sensitivity of Circular Texture Parameters to Oil Film Carrying Capacity（Diameter is 50μm and Depth is 100μm）

5 結(jié)論

（1）采用Fluent軟件進(jìn)行4種不同形狀表面織構(gòu)潤滑油膜承載能力仿真分析，可以得知在低中速時，織構(gòu)的形狀對油膜承載能力的影響并不大，而在高速時圓形織構(gòu)與其他織構(gòu)相比，其油膜承載能力有6%的提升，與無織構(gòu)光滑表面相比有10.1%的提升。

（2）不同直徑的圓形織構(gòu)其油膜承載能力隨著織構(gòu)深度變化的規(guī)律是不同的，但是整體上在一定的深度范圍內(nèi)，織構(gòu)的油膜承載能力是隨著織構(gòu)深度的加深呈現(xiàn)遞減的趨勢；當(dāng)織構(gòu)的深度小于24μm左右時，織構(gòu)的直徑越大織構(gòu)油膜承載能力越強(qiáng)，當(dāng)織構(gòu)的深度大于24μm時，織構(gòu)的直徑越大油膜承載能力越小。織構(gòu)直徑、深度這兩個參數(shù)對于油膜承載能力的作用是互相影響的。綜合考慮選擇織構(gòu)深度為20μm，織構(gòu)直徑為160μm能在整體上保持較高的油膜承載能力，而織構(gòu)也不容易被快速磨損且有一定的儲油能力。

（3）采用Workbench 中的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，可以得到設(shè)計(jì)參數(shù)對于目標(biāo)變量的敏感性。因此在研究織構(gòu)參數(shù)的過程中如果某一個參數(shù)已經(jīng)確定，就可以得到另一個參數(shù)對目標(biāo)變量的敏感性，確定此變量對于設(shè)計(jì)目的而言有沒有重要影響，從而在設(shè)計(jì)之初剔除或者保留此參數(shù)，大大降低了設(shè)計(jì)者的工作量。