復合表面織構對錠子振動性能的影響研究

張素香 石艷青 于賀春

（1.中原工學院，河南鄭州，451191；2.信陽航空職業學院，河南信陽，464100）

振動性能是衡量錠子好壞的三大指標之一。為提高錠子的振動性能，有研究人員從材料、結構、尺寸［1-4］等不同方向進行了研究。吳文靜等［5］通過仿真和試驗得出了鋁套管錠子的臨界轉速，且兩者誤差在8%以內；吳云珍［6］通過模態分析發現尖錐形鋁套管錠子的臨界轉速避開了其工作轉速15 000 r/min～18 000 r/min；莫帥等［7］研究了彈性管的結構參數對其彈性的影響，為錠子的使用提供基礎數據；王進等［8］研究了不同徑向載荷對錠子振動性能的影響，結果發現0.5 kg 徑向載荷下錠子的振動性能較好。這些前人的研究成果，均是從傳統視角出發，隨著仿生學研究的成熟，傳統的認為表面光潔度越高，摩擦因數越小的理念逐漸被打破，研究人員將仿鯊魚皮形貌的盾鱗狀表面織構通過緊密排列用于泳衣后，減小了泳衣與水之間的摩擦因數，減阻率在3%～5%［9］。吳波等［10］將仿黃緣真龍虱表面的圓形凹坑狀表面織構應用于內燃機活塞裙部后發現，活塞磨損降低，氣缸功率和散熱效率提高。杜偉等［11］將仿貝殼的棱形紋理應用于除草輪后，發現除草輪對土壤的擾動能力增強，降低了反作用力。阮鴻雁等［12］通過研究發現復合表面織構的動壓性能更好。張博［13］研究了鱗片狀、菱形和正六邊形等單一表面織構對單彈性錠子振動性能的影響，發現仿生織構可提升單彈性錠子的振動性能，但研究深度和廣度仍然有待進一步提升。

本研究基于仿生學原理，將具有減阻作用的仿鯊魚皮、仿貝殼、仿黃緣真龍虱狀復合表面織構應用于錠子高速旋轉的表面，研究不同尺寸或形貌的復合表面織構對雙彈性和單彈性錠子振動性能的影響，為提高錠子振動性能提供參考數據。

1 錠子結構原理與軸心軌跡

1.1 結構原理

圖1 為雙彈性錠子和單彈性錠子裝配示意圖。錠子主要分為上、下兩部分，上部的桿盤結合件在下部的錠腳和錠膽結合件支承下高速旋轉，完成錠子的功能，桿盤結合件與雙彈性支承組成雙彈性錠子，與單彈性支承組成單彈性錠子。

圖1 雙彈性錠子和單彈性錠子裝配示意圖

1.2 軸心軌跡

錠子可以簡化為垂直運動的轉子，其振動性能可以用錠端軸心的運動軌跡表示。通常情況下，錠子高速旋轉時X向和Y向受力不同，則振幅也不同，因此理想情況下，錠子軸心軌跡為橢圓形，其表達式如式（1）所示。X和Y向受力相同時為圓形，振幅如式（2）所示；考慮瞬時橫向沖擊外力，軸心軌跡為不規則形狀，振幅如式（3）所示，但外力消失后，軌跡又恢復正常。考慮錠子正進動和反進動，且兩者不相等時，軸心軌跡為花瓣形，軌跡相對坐標如式（4）所示。

式中：x、y為轉子中心坐標；X、Y為垂直于錠子轉軸的兩垂直方向的振幅；ωn為錠子臨界角速度；αx、αy為初相位；Ω為角速度；B1、B2為外力沖擊產生的振幅；ζ為軸心軌跡；n為轉速；i為虛數；t為時間。

2 復合表面織構設計及試件制備

為研究具有減阻降磨作用的仿生表面織構應用于錠子后對錠子振動性能的影響，模擬具有減阻功效的鯊魚皮［14］、貝殼、黃緣真龍虱［15］表面形貌。其中，簡化鯊魚皮形貌為盾鱗狀，并沿對角線方向加工3 道溝槽；簡化貝殼表面為橢圓形，且橢圓邊緣有5 個微刺；簡化黃緣真龍虱表面形貌為圓形凹槽中間有圓形凸起，然后取YD61 型雙彈性錠子和YD61 型單彈性錠子各20 套，分為5 組，每組雙彈性錠子4 套，單彈性錠子4 套，共8 套。之后將仿鯊魚皮形貌、仿貝殼形貌和3 種不同尺寸的仿黃緣真龍虱形貌等共5 種不同類型或尺寸的仿生表面織構通過激光微加工的方式分別加工在錠子的上軸承檔以下的外圓部位。表1 為仿生表面織構加工參數。圖2 為具有減阻降磨功效的生物表面形貌圖。圖3 為仿生表面織構加工后形貌圖。

表1 仿生表面織構加工參數

圖2 具有減阻降磨功效生物表面形貌

為防止加工織構后的錠子表面殘留的激光熔融顆粒在錠子工作過程中脫落，影響錠子的試驗性能，錠子在激光微加工仿生織構之后，采用1 200 目、1 500 目、2 000 目的金相砂紙打磨仿生織構表面，清除激光微加工產生的多余材料，并將織構表面拋光，清洗。然后，依次將具有仿生表面織構的錠子安裝在多功能錠子測量試驗臺上，當錠速從2 000 r/min 增加到22 000 r/min 時，測量其錠端振幅，并對比分析仿生表面織構加工前后不同仿生表面織構對錠子錠端振幅的影響規律。

3 結果討論

圖4 為仿生表面織構加工前后三維形貌圖。與無仿生表面織構的錠子對比，加工不同類型的仿生表面織構后，其織構部位的尺寸誤差均有增加，說明仿生表面織構加工的有效性。

3.1 仿鯊魚皮狀織構的影響

圖5為仿鯊魚皮狀仿生表面織構的雙彈性和單彈性錠子振幅圖。

圖5 仿鯊魚皮狀織構彈性錠子振幅

由圖5 分析可知，在錠子上增加仿鯊魚皮狀仿生表面織構后，在臨界轉速附近，雙彈性錠子的振幅由200 μm 大幅降低至120 μm 左右，之后隨著轉速的增加振幅在20 μm～40 μm 之間波動，與無織構的雙彈性錠子相比，振幅略有降低。而對于相同結構的單彈性錠子，在增加仿鯊魚皮狀仿生表面織構后，在轉速大于10 000 r/min 時，其振幅略有下降，在20 μm 附近且波動較小。總體分析，仿鯊魚皮狀仿生表面織構增加于相同條件下的雙彈性錠子和單彈性錠子后，臨界轉速影響范圍內振幅大幅下降，遠離臨界轉速則略有降低，這表明具有減阻作用的仿鯊魚皮狀仿生表面織構與潤滑油共同作用可稍微提升雙彈性和單彈性錠子的振動性能。

3.2 仿貝殼狀織構的影響

圖6為仿貝殼狀仿生表面織構的雙彈性和單彈性錠子振幅圖。

圖6 仿貝殼狀織構彈性錠子振幅

由圖6 可知，在錠子上增加仿貝殼狀仿生表面織構后，當轉速從2 000 r/min 增加到22 000 r/min 時，雙彈性錠子的振幅始終穩定在25 μm 左右；而單彈性錠子在臨界轉速影響范圍內振幅在50 μm 附近，遠離臨界轉速后振幅在25 μm 附近波動。與無織構的錠子相比，仿貝殼狀仿生表面織構直接抑制了雙彈性和單彈性錠子在臨界轉速附近振幅大幅增加的狀況，但雙彈性錠子的抑制效果更明顯。變化規律表明：在錠子上增加合理尺寸的仿貝殼狀仿生表面織構后，雙彈性錠子和單彈性錠子的振動性能均明顯提升，但雙彈性錠子的提升更顯著，仿貝殼狀仿生表面織構使雙彈性錠子可以工作在任意轉速且振幅很小，并能滿足錠子的使用要求，為進一步提升雙彈性錠子的振動性能提供研究方向。

3.3 仿黃緣真龍虱狀織構的影響

3.3.1大尺寸織構

圖7 為大尺寸仿黃緣真龍虱狀表面織構的雙彈性和單彈性錠子的振幅圖。

圖7 大尺寸仿黃緣真龍虱狀織構彈性錠子振幅

由圖7 可知，與無織構的錠子相比，增加仿生表面織構后，在臨界轉速影響范圍內，雙彈性錠子振幅均值由200 μm 降低至90 μm，單彈性錠子均值由180 μm 降低至80 μm，過臨界轉速后，雙彈性錠子均值由40 μm 降低為20 μm，單彈性錠子均值則由25 μm 降低為15 μm。說明在錠子高速旋轉表面增加該大尺寸的仿生表面織構后，雙彈性錠子和單彈性錠子的振動性能均有提升，但單彈性錠子的振動性能提升更顯著。與此同時，有文獻證實將仿黃緣真龍虱狀表面的圓形凹坑加中間凸起狀的織構應用于內燃機活塞裙部，減少了活塞的磨損，說明仿黃緣真龍虱圓環形凹坑狀織構不僅具有較好的耐磨性能而且有利于降低振幅。

3.3.2中尺寸織構

圖8 為中尺寸仿黃緣真龍虱狀表面織構的雙彈性和單彈性錠子振幅圖。可以看出，增加中尺寸仿生表面織構后的雙彈性錠子不同轉速下振幅均值基本為25 μm，單彈性錠子臨界轉速影響范圍內的最大振幅均值為100 μm，過臨界轉速后則穩定在25 μm 附近，說明該中尺寸的仿生表面織構對雙彈性錠子的振動性能提升明顯，對單彈性錠子僅在臨界轉速影響范圍內有顯著影響。

圖8 中尺寸仿黃緣真龍虱狀織構彈性錠子振幅

3.3.3小尺寸織構

圖9 為小尺寸仿黃緣真龍虱狀表面織構雙彈性和單彈性錠子振幅圖。可以看出，增加小尺寸仿生表面織構后，在臨界轉速影響范圍內，雙彈性錠子的振幅無明顯降低，而單彈性錠子的最大振幅均值由180 μm 減小至140 μm。過臨界轉速后，雙彈性錠子的振幅均值減小至25 μm 附近，單彈性錠子的振幅在15 μm～25 μm 范圍內波動，結果表明該小尺寸仿生表面織構可提升雙彈性錠子和單彈性錠子高速時的振動性能。

圖9 小尺寸仿黃緣真龍虱狀織構彈性錠子振幅

綜合分析圖7～圖9 可知，3 種不同尺寸的仿黃緣真龍虱環形凹坑狀織構中，中尺寸仿生表面織構對雙彈性錠子不同轉速處的振動性能影響明顯，對單彈性錠子僅臨界轉速范圍內的振幅明顯降低；大尺寸仿生表面織構對不同轉速下的雙彈性錠子和單彈性錠子的振幅均有降低；小尺寸仿生表面織構對遠離臨界轉速的錠子振幅明顯降低。究其原因在于仿生表面織構有凸體與凹體之分，凸體密度不同時，摩擦因數不同，而凹體織構與凸體存在一定差異，凹體織構在充分潤滑條件下可存儲潤滑油，在降低摩擦因數方面優于凸體，且能捕獲磨粒，減小間距也易形成油膜，且微凹坑織構的直徑與面積占有率對零件的摩擦性能影響顯著，但深度影響不顯著。這是凸體與凹體和面積占有率配合潤滑油共同作用的結果。

4 結語

（1）增加仿鯊魚皮狀的表面織構可提升雙彈性錠子和單彈性錠子的振動性能。仿鯊魚皮表面織構既減阻又降振。

（2）仿貝殼狀表面織構可抑制臨界轉速對彈性錠子振幅的影響，雙彈性錠子可以工作在任意轉速且振幅較小；單彈性錠子在臨界轉速范圍內振幅大幅降低，但遠離臨界轉速振幅降低不明顯。

（3）中尺寸仿黃緣真龍虱狀表面織構可使雙彈性錠子在任意轉速下工作且振幅較小，對單彈性錠子影響不顯著；大尺寸仿黃緣真龍虱狀表面織構可明顯提升雙彈性和單彈性錠子的振動性能；小尺寸仿黃緣真龍虱狀表面織構可提升高速時雙彈性和單彈性錠子的振動性能。這是凸體和凹體以及面積占有率與潤滑油共同作用的結果。