表面織構(gòu)對滑動軸承混合潤滑特性的影響

雷渡民，王素華

(1.91872部隊，廣東 湛江 524009；2.海軍工程大學(xué) 船舶與動力學(xué)院，武漢 430033)

1 引言

以往對滑動軸承潤滑性能的計算主要基于軸和軸承處于動壓潤滑狀態(tài)，不需考慮表面粗糙度的影響。但實際上任何表面都存在著或大或小的表面粗糙度，當(dāng)兩潤滑表面之間的潤滑油膜非常薄時，就需考慮表面粗糙度對摩擦系統(tǒng)潤滑性能的影響。如柴油機的主軸承、活塞銷軸承等，由于其工作條件較為苛刻，當(dāng)流體動壓不能充分平衡施加在軸承上的載荷時，就會產(chǎn)生粗糙峰接觸，建立軸承潤滑模型就需考慮表面粗糙度的影響。

文獻(xiàn)[1]用Christensen的隨機模型對有限長動載粗糙軸承進(jìn)行了潤滑分析，推導(dǎo)出縱向粗糙型和橫向粗糙型的Reynolds方程和相應(yīng)承載力流量系數(shù)、摩擦因數(shù)公式，對有限長徑向軸承的兩種粗糙型Reynolds方程用差分方法進(jìn)行數(shù)值求解，得到了表面粗糙度對軸承承載力、流量因數(shù)和摩擦因數(shù)影響的圖表及一定工況下保證軸承處于完全流體動壓潤滑時軸頸與軸承表面粗糙度的臨界值。文獻(xiàn)[2]基于彈流潤滑理論、平均流量模型及微凸峰接觸理論，對發(fā)動機活塞銷軸承的混合潤滑進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：活塞銷軸承在發(fā)動機工作循環(huán)壓縮沖程后半段到排氣沖程的前半段時間內(nèi)，處于混合潤滑狀態(tài)。文獻(xiàn)[3]以某型四缸發(fā)動機為例，針對該型發(fā)動機曲軸第5主軸承的燒瓦現(xiàn)象，考慮了軸承表面粗糙度、空穴現(xiàn)象、彈性變形以及潤滑油黏壓效應(yīng)等影響因素，對曲軸主軸承分別進(jìn)行彈性流體動壓潤滑和熱彈性流體動壓潤滑數(shù)值模擬。在計算得到曲軸主軸承潤滑性能參數(shù)的基礎(chǔ)上，分析產(chǎn)生磨損的原因，并提出相應(yīng)的改進(jìn)方案。

表面織構(gòu)技術(shù)又稱表面微造型技術(shù)，在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域又稱之為仿生非光滑表面，是在表面加工具有一定形狀和分布的凹坑和微小溝槽的點陣，可改善軸承潤滑和摩擦磨損性能，延長使用壽命。目前對于表面織構(gòu)改善動壓潤滑性能的研究較多[4]，但對改善混合潤滑狀態(tài)性能的研究較少，文獻(xiàn)[5]雖建立了考慮表面粗糙度影響的表面織構(gòu)最優(yōu)參數(shù)設(shè)計模型，但該模型主要針對一個凹坑，其邊界條件也只針對一個凹坑，而對于真實接觸情況，每個織構(gòu)的邊界條件并不會完全相同。文獻(xiàn)[6]通過考察入口處織構(gòu)對無限寬平板影響時發(fā)現(xiàn)：只考慮一個織構(gòu)單元的邊界時織構(gòu)效應(yīng)為正，但采用無限寬平板整個邊界的影響時織構(gòu)效應(yīng)為負(fù)。因此下文建立了帶有表面織構(gòu)的滑動軸承混合潤滑模型，并考慮了軸承的整個邊界條件，考察了綜合表面粗糙度和織構(gòu)參數(shù)對滑動軸承(在混合潤滑狀態(tài)下)性能的影響。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 表面織構(gòu)滑動軸承混合潤滑模型

帶有織構(gòu)的剛性徑向滑動軸承工作在穩(wěn)態(tài)條件下，如圖1a所示，r為軸頸半徑，L為軸承寬度，x軸沿圓周方向，y軸沿軸線方向，z軸為液膜厚度方向。圓柱形凹坑織構(gòu)布置在軸承表面，每個凹坑半徑為rp，深度為hp，位于假想的邊長為Lx×Lx正方形控制單元的中央，如圖1b所示，則有

圖1 帶有織構(gòu)的徑向滑動軸承

(1)

式中：Sp為凹坑的面積比。

以下分析基于下列基本假設(shè)：(1)潤滑劑為Newton流體，黏度和密度保持不變；(2)流動為層流，忽略慣性力作用；(3)沿潤滑膜厚度方向不計壓力的變化；(4)與液膜厚度相比，軸承表面曲率半徑很大，忽略液膜曲率影響。

文獻(xiàn)[7]針對等溫條件下不可壓縮流體三維粗糙表面的動壓潤滑問題，推導(dǎo)出平均Reynolds方程

(2)

將其無量綱化，在不考慮時間的影響下Reynolds方程可變?yōu)?/p>

(3)

其中無量綱參數(shù)為

(4)

對于光滑表面軸承，兩表面間所形成的名義液膜厚度為

Hsmooth=1+εcosθ，

(5)

式中：ε為偏心率,ε=e/c；e為偏心量。

對于帶有織構(gòu)的軸承，織構(gòu)深度為hp,其無量綱深度Hp=hp/c，兩表面間所形成的無量綱名義液膜厚度如圖1b所示。

(6)

邊界條件采用Reynolds邊界條件：

2.2 軸承的承載力

混合潤滑狀態(tài)下軸承的承載力W分為兩部分，即油膜承載力W0和微凸峰接觸承載力WA，

(7)

對于微凸峰接觸承載力WA，本例采用文獻(xiàn)[8]提出的粗糙峰接觸模型來考察粗糙峰承載力的大小。假設(shè)表面粗糙峰高度為Gauss分布，則在彈性變形條件下，粗糙峰的平均接觸載荷為

參考文獻(xiàn)[9]的研究，假定k′=1.198×10-4，E′為軸和軸承的綜合彈性模量，F(xiàn)2.5(λ0)為粗糙峰高度的概率分布，則

(8)

2.3 軸承的摩擦力

與承載力類似，表面粗糙度存在時的摩擦力也由兩部分組成，即動壓油膜產(chǎn)生的黏性剪切力和粗糙峰之間的摩擦力，即

ufpc]rdθdy，

(9)

式中：φf，φfs，φfp為剪切力因子。

則軸承的摩擦因數(shù)為

(10)

3 計算結(jié)果與分析

計算使用的參數(shù)為：軸直徑D=80 mm，軸承寬度B=80 mm，間隙c=0.04 mm，潤滑油為15W/CD40，其黏度為0.012 75 Pa·s，忽略溫度對黏度的影響，轉(zhuǎn)速n=628 r/min，偏心率ε=0.8，軸承及軸的綜合彈性模量為7.4×1010Pa，軸及軸承表面粗糙度為1.6 μm，粗糙度方向參數(shù)為各向同性。

圖2和圖3分別表示不同織構(gòu)分布位置對軸承承載力和摩擦因數(shù)的影響，其中織構(gòu)深度hp=0.04 mm，織構(gòu)半徑rp=2 mm。圖中橫坐標(biāo)為不同的織構(gòu)形式，1表示光滑無織構(gòu)的軸承，2表示表面全部織構(gòu)的軸承，3，4，5，6，7分別表示織構(gòu)分布從180°，200°，220°，240°，260°開始至360°的軸承。由圖2可看出：軸承的承載力在軸承表面全部織構(gòu)時最小，而織構(gòu)分布在200°～360°時最大。由圖3可看出：軸承的摩擦因數(shù)在軸承表面全織構(gòu)時較大，這是由于承載力大幅下降，雖然摩擦力同時也有所下降，但摩擦因數(shù)卻是增加的。因此采用全織構(gòu)形式并不能改善軸承的潤滑性能，而對于部分織構(gòu)形式，其承載力與光滑軸承基本相同，但摩擦力均低于光滑軸承，因此摩擦因數(shù)都略低于光滑軸承，可有效改善軸承在混合潤滑狀態(tài)下的性能，其中織構(gòu)分布位置為200°～360°的效果最好。

圖2 不同織構(gòu)布置形式對承載力的影響

圖3 不同織構(gòu)布置形式對摩擦因數(shù)的影響

圖4和圖5分別為織構(gòu)半徑rp=2 mm，織構(gòu)分布位置為200°～360°參數(shù)條件下，承載力和摩擦因數(shù)隨織構(gòu)深度的變化規(guī)律。織構(gòu)深度分別為0.04，0.08，0.16和0.32 mm，對應(yīng)于無量綱織構(gòu)深度1，2，3，4。由圖4可看出：在混合潤滑狀態(tài)下載荷隨織構(gòu)深度的增大而減小，減小的幅度隨織構(gòu)深度的增大而降低。由圖5可看出：摩擦因數(shù)隨織構(gòu)深度的變化先增大后減小，且減小的幅度較大?？紤]到實際使用時首先應(yīng)滿足所需的承載能力，當(dāng)織構(gòu)較深時無法滿足承載的要求，同時軸承表面多將薄層材料粘附在軸瓦基體上，其厚度較薄，因此織構(gòu)無量綱深度在大于1.5的基礎(chǔ)上應(yīng)取較小的值。

圖4 無量綱織構(gòu)深度對承載能力的影響

圖5 無量綱織構(gòu)深度對摩擦因數(shù)的影響

圖6和圖7為織構(gòu)深度hp=0.04 mm，織構(gòu)分布位置為200°～360°條件下，承載力和摩擦因數(shù)隨織構(gòu)半徑的變化規(guī)律。由圖6可得出：在混合潤滑的前提下載荷隨織構(gòu)半徑的增大而先升高后降低，當(dāng)織構(gòu)半徑為2.5 mm時載荷最大；相反，摩擦因數(shù)隨織構(gòu)半徑的增大而先減小后增大，在織構(gòu)半徑為2.5 mm時摩擦因數(shù)最小。

圖6 織構(gòu)半徑對承載能力的影響

圖7 織構(gòu)半徑對摩擦因數(shù)的影響

圖8為織構(gòu)深徑比對織構(gòu)表面摩擦性能的影響，通過計算可獲得不同織構(gòu)半徑下的最佳無量綱深度，其值均為1，因此織構(gòu)深徑比對織構(gòu)表面摩擦學(xué)性能無明顯影響。

圖8 不同織構(gòu)半徑的最佳無量綱織構(gòu)深度

4 結(jié)論

(1)相對于光滑表面軸承，分布有織構(gòu)的軸承表面摩擦性能更好，但全織構(gòu)軸承表面的承載能力比光滑表面大大降低；部分織構(gòu)分布的軸承摩擦性能更好，承載力也與光滑表面的軸承接近。

(2)在所有部分織構(gòu)分布的軸承中，分布位置為200°～360°的軸承摩擦性能最好，承載能力也最大。

(3)織構(gòu)參數(shù)如織構(gòu)半徑和織構(gòu)深度對潤滑性能有重要影響，而深徑比對潤滑性能無明顯影響。