表面微織構對關節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. 沈陽工業大學 機械工程學院， 沈陽 110870； 2. 遼寧石油化工大學 機械工程學院， 遼寧 撫順 113001)

關節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、自調心、潤滑好等特點[1]，在航空航天機械、水利機械、汽車減震器等行業應用廣泛.其中，飛機主起落架中的航空關節軸承由于工作環境要求嚴苛，承受復雜載荷與較大的裝配應力，且對形狀精度要求很高，因此，摩擦副表面極易發生磨損，不但影響關節軸承的承載能力和服役壽命以及起落架的使用性能和經濟效益，還影響飛機飛行安全和人身安全.影響關節軸承摩擦磨損的因素主要有微觀硬度、加工精度、表面微織構與潤滑條件.

為了提高關節軸承等核心零部件的耐磨性，陸續出現了電火花表面強化[2]、離子注入技術[3]、超聲表面滾壓技術[4]等表面強化技術.摩擦學和仿生學的相關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能夠起到捕獲磨損顆粒形成微儲油槽以儲存潤滑介質、有效降低磨粒磨損及減少犁溝、產生動壓潤滑效應進而提高承載能力、降低表面磨損的作用[5-8].相關參數只有在一定范圍內，微織構才能更好地起到減少摩擦的作用[9]，常見的微織構有凹坑型與溝槽型[10].由于航空關節軸承貧潤滑現象比較普遍，難以進行強制潤滑，因此提出表面微織構技術.近年來，表面微織構及其摩擦學特性研究受到了廣泛關注，可成功應用于發動機[11]、MEMS[12]、人工關節[13]、重載齒輪及軸承傳動[14-15]等眾多領域.其中，通過對金屬、陶瓷、軟材料等[16]固體表面進行織構化處理，對于改善摩擦副的摩擦學性能起到了積極的作用.目前，加工表面織構的主要方式有離子刻蝕、表面噴丸處理、激光微加工技術、電子束刻蝕、微細電火花加工法[17-18]、機械微刻等.其中，激光微加工作為一種非接觸性加工方法，因其具有應用材料范圍廣、精度高、效率高以及對環境無污染等優勢而被廣泛應用，激光技術進行凹坑陣列加工也逐漸出現在微織構研究中[19-20].隨著多種表面強化技術的產生，表面織構與表面合金化、表面涂層與表面織構、表面織構與表面潤滑[21]、表面織構與表面機械強化[22]等復合強化技術的優勢更為突出.

雖然上述學者對表面織構與表面強化進行深入研究，但是并沒有分析表面微織構與超聲滾壓復合技術.本文分析了表面微織構與超聲滾壓復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的摩擦副接觸表面能產生明顯的動壓潤滑效應，提高油膜承載性能[23]，因此，采用Fluent流體分析軟件對微織構形狀及尺寸參數進行分析.結合摩擦磨損試驗，利用超聲滾壓技術對304不銹鋼進行表面強化，之后通過激光微加工技術加工出具有不同尺寸的圓形凹坑，研究不同粗糙度的表面、織構參數和負載對摩擦磨損性能的影響，為關節軸承的減摩抗磨提供理論依據.

1 數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設定

在關節軸承上加工微織構，由于單個織構尺寸很小，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、圓形微織構與三角形微織構模型，如圖1所示.圖1中，L為微織構間距，V為上壁面相對下表面的運動速度，h0為油膜厚度，D為微織構直徑，H為微織構深度.

圖1 不同微織構的三維模型

采用ANSYS 15.0中Fluid Dynamics的Fluent 15.0進行仿真，設定邊界條件：以單個織構為研究對象，將上壁面與帶有微織構的下壁面設定成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、右各壁面設定成周期性邊界條件，用來模擬流體區域中規則排列的微織構陣列.

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摩擦磨損試驗機進行磨損試驗.選用旋轉模塊，上試件固定，下試件旋轉.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

圖3 表面微織構

圖4 微織構截面圖

為了研究不同微織構參數對潤滑性能的影響，本文進行了相關摩擦磨損試驗，試驗設計如表1所示，其中，F為上試件的下壓力.

表1 試驗設計

2 結果與分析

2.1 有限元模擬結果及分析

2.1.1 不同形狀微織構模擬

對矩形、圓形與三角形微織構進行流體力學模擬，通過模擬結果分析微織構形狀對流體動壓潤滑效果的影響.不同形狀微織構的壓力云圖如圖5所示.微織構左側壓力為負值，右側壓力為正值，在微織構與平面相交處壓力值最大.當潤滑劑由左側進入微織構時，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，而在發散間隙處形成壓力為負值的潤滑膜，當負壓力過大時產生空穴現象，導致在微織構區域內產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.根據流體動壓潤滑理論，潤滑劑產生的壓力值越大，所能承受的載荷越大，潤滑效果越好.圖6為不同形狀微織構的最大壓力圖.由圖5～6可知，圓形微織構的正壓力值最大，產生的動壓潤滑效果最好.

2.1.2 不同微織構直徑對流體壓力的影響

微織構的間距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對摩擦副潤滑性能的影響.不同直徑微織構的壓力分布云圖如圖7所示.圖8為不同直徑微織構的最大壓力圖.由圖8可以看出，隨著微織構直徑的增加，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 不同形狀微織構壓力云圖

圖6 不同形狀微織構最大壓力

2.1.3 不同微織構間距對流體壓力的影響

微織構的直徑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，通過改變微織構間距來研究圓形微織構間距對摩擦副潤滑性能的影響.不同間距微織構的壓力分布云圖如圖9所示.

圖7 不同直徑微織構壓力云圖

圖8 不同直徑微織構最大壓力

圖10為不同間距微織構油膜的最大壓力值變化.由圖10可知，油膜最大壓力值最優參數為間距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.織構間距過大會導致織構面密度減小，潤滑性能下降.

2.2 摩擦磨損試驗結果及分析

2.2.1 不同直徑微織構的摩擦磨損性能

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

因為微織構延伸了摩擦副油膜流體動壓潤滑的發生范圍.微織構儲存的潤滑劑在摩擦過程中，通過摩擦副相互擠壓，將微織構中儲存的潤滑油擠壓到接觸表面，從而形成連續致密的潤滑油膜，產生了二次潤滑效應.若微織構過小則潤滑介質較難浸入到凹坑內，不利于連續潤滑油膜的產生.若一定范圍內微織構直徑越大，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.過大直徑的微織構雖然可以儲存磨屑，但當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，所以要適當選取直徑.

圖9 不同間距微織構壓力云圖

圖10 不同間距微織構最大壓力

圖11 不同直徑微織構摩擦系數變化曲線

圖12 摩擦系數隨直徑變化曲線

圖13為微織構試驗前后的三維輪廓圖.由圖13可以看出，微織構直徑小的磨斑呈現較深較寬的溝槽狀，直徑大的微織構有較輕的磨損.從磨斑形貌來看微織構磨損是由于犁溝和黏著所致，磨屑存留在微坑內，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，不同間距微織構的摩擦系數變化曲線.由圖14可以看出，織構面摩擦系數均在0.05～0.1之間，隨著載荷及速度增加，各織構面摩擦系數迅速增加，隨著載荷和速度達到恒定值后，摩擦系數穩定在某個值上下波動.同時可以看出，織構間距為200 μm時摩擦系數最小.圖15為摩擦系數隨間距變化曲線.由圖15可以看出，微織構間距在100～200 μm時，摩擦系數呈下降趨勢；微織構間距在200～250 μm時，摩擦系數呈上升趨勢，摩擦系數在微織構間距為200 μm時達到最小值.

圖13 不同直徑微織構三維輪廓

在一定條件下，存在最佳間距的微織構使得摩擦系數有最小值.微織構間距太小時，不利于致密潤滑油膜的形成，此時磨損較為嚴重.當微織構間距小于最優值時，增加其間距，則微織構群體由于協同作用，導致動壓潤滑效應逐漸明顯，潤滑油膜的承載力增加，摩擦系數減??；而當微織構間距大于最優值時，此時流體動壓效應發生相互干涉，導致潤滑油膜承載力下降，摩擦系數增加.

圖14 不同間距微織構摩擦系數變化曲線

圖15 摩擦系數隨間距變化曲線

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

3 結 論

本文通過分析得出如下結論：

1) 方形微織構、圓形微織構和三角形微織構對流體壓力影響規律為：方形微織構小于三角形微織構小于圓形微織構，其中圓形微織構產生的正壓力值最大，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，不同直徑微織構的摩擦系數隨著直徑的增加而減小，并且當微織構直徑大于160 μm時，摩擦系數降低程度逐漸減慢，潤滑性能在微織構直徑為200 μm時最佳.這與模擬結果大致相同.

圖16 不同間距微織構三維輪廓

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