滑動摩擦副表面變織構的潤滑與承載特性研究

何 濤，陳強曼，陳國瑜，王傳禮,5，黃 森，沈 浩

（1.安徽理工大學機械工程學院，安徽淮南 232001；2.流體動力與機電系統國家重點實驗室，浙江杭州 310027；3.礦山智能裝備與技術安徽省重點實驗室，安徽淮南 232001；4.安徽理工大學人工智能學院，安徽淮南 232001；5.安徽礦山機電裝備協同創新中心，安徽淮南 232001）

摩擦損耗了世界上1/3的一次性能源，其導致的工程裝備報廢率占80%左右[1-2]。往復式摩擦副作為應用最廣泛的摩擦副之一，其表面的摩擦和磨損嚴重影響著機械裝備的正常運行和使用壽命。織構減摩是指在摩擦副表面加工規律分布的微米級凹坑陣列形貌，以達到提高油膜承載力、二次潤滑、減輕摩擦磨損和容納微磨粒的作用，該想法源于自然界的微結構減摩現象[3]。早在20世紀60年代，Hamilton等[4]提出借助表面微凸起產生附加動壓力的設想，隨后以Etsion、王靜秋等[5-6]為代表的國內外學者在織構的結構優化、加工制造及潤滑機理等方面開展了廣泛研究。近年來，隨著微細加工技術的發展，織構在端面密封、滑動摩擦副的潤滑和減摩等方面得到廣泛應用[7-10]。

Mao等[11]開展了高速液壓缸密封界面織構潤滑機理研究，分析了均勻分布的單一尺寸織構氣穴及柱塞的傾角對密封界面動壓潤滑性能的影響。胡威[12]提出了軸向柱塞泵柱塞副表面織構化的設想，并研究了均勻分布的單一尺寸織構對液膜承載力的影響。何霞等[13]研究了惡劣工況下壓裂泵動密封副的摩擦學性能，結果表明，均勻分布的單一尺寸織構面積占比為5.86%的試件的摩擦系數、溫升和磨損量相比于無織構試件分別減小了80%、90%和79.3%。孫藝文等[14]對比分析了泥漿泵的仿生活塞（在工作表面加工凹槽形仿生單元體）與標準活塞的使用壽命，發現仿生活塞可增大儲油空間，合理設計凹槽形仿生單元體可使BW-160型泥漿泵活塞的使用壽命最大提高69.52%。馬晨波[15]借助往復銷盤摩擦磨損試驗，驗證了變面積比織構在提高滑動摩擦副的減摩性能方面有較大潛力，尤其適用于高速重載場合。徐波[16]針對內燃機缸套-活塞環的織構化摩擦副開展了減摩和控油的協同優化，提出了缸套分區差異織構化技術，使得機油與燃油的消耗比從0.051%降至0.041%。

上述研究均表明，織構具有減摩功能，但因受到加工技術的制約，已有研究大多局限于均勻分布的單一尺寸織構。為此，筆者針對滑動摩擦副表面提出一種變織構（尺寸多樣的織構）結構，并通過建立排布方式不同的單一尺寸織構以及方形排布變織構的CFD（computational fluid dynamics，計算流體力學）仿真模型，對變織構的潤滑與承載特性進行研究。

1 織構仿真模型建立及參數設置

1.1 織構仿真模型建立

圖1（a）所示為織構化滑動摩擦副的幾何模型。由于摩擦副表面的織構數量較多，為簡化計算，選取僅含單個或數個織構的單元并建立相應的二維CFD仿真模型。織構的形貌種類較多，其中球冠形織構的綜合潤滑與承載性能較好，且加工難度相對于其他形貌的織構要低[17]。圖1中：L為滑動摩擦副的軸向長度，p1、p2分別為滑動摩擦副配合間隙兩端的壓力，u為滑動摩擦副的運動速度，h0為滑動摩擦副的配合間隙；l為所選取織構單元的長度，pi、po分別為織構單元入口和出口的壓力，r為織構半徑，hp為織構深度。

圖1 織構化滑動摩擦副的幾何模型和所選取織構單元的仿真模型Fig.1 Geometric model of textured sliding friction pair and simulation model of selected texture unit

1.2 初始仿真參數設置

如圖1（b）所示，設置織構單元上壁面固定，下壁面運動（速度為u），左、右壁面為帶壓力梯度的周期邊界。其中，周期邊界的壓力梯度為：

采用mixture多相流模型，設置PISO壓力-速度耦合算法及PRESTO離散格式；選擇水為工作介質，設其空化壓力為3 168 Pa，動力黏度η=1.003×10-3N·s/m2，密度ρ=998.2 kg/m3。

常見織構的直徑一般為幾十至幾百微米，深度為幾微米到幾十微米，深徑比為0.001～0.020，面積占比一般為5%～15%[18]。由于水的黏度比液壓油小，同等條件下水的泄漏更為嚴重。一般油壓元件摩擦副的配合間隙為12～25 μm，綜合考慮加工制造水平及泄漏情況，水壓元件的密封間隙應小于油壓元件的密封間隙，一般為3.8～8.0 μm[19]。此外，當織構的深度與液膜厚度的比值接近1時，其動壓承載能力較好[20-21]。綜合考慮上述因素，在仿真分析時，設滑動摩擦副的配合間隙h0=5 μm，織構深度與滑動摩擦副配合間隙相等，即hp=h0=5 μm。結合文獻[3]中的參數設置情況，取織構半徑r=20 μm；滑動摩擦副軸向長度L=10 mm，運動速度u=0.2 m/s，配合間隙兩端的壓力差Δp=10 MPa，根據式（1）得出周期邊界的壓力梯度為1.0 kPa/μm。

2 排布方式對織構潤滑與承載特性的影響

常見的織構空間排布方式如圖2所示，可分為方形排布（錯位角θ=0°）和錯位排布（錯位角θ=10°，20°和30°）。為分析排布方式對單一尺寸織構的潤滑與承載性能的影響，取織構的x、z向間距均為100 μm，并以200 μm×100 μm的矩形單元作為計算的最小單元。

圖2 不同的織構排布方式示意Fig.2 Schematic diagram of different texture arrangements

根據上述參數，先利用CAD（computer aided design，計算機輔助設計）軟件建立單一尺寸織構單元的幾何模型，再將幾何模型導入Fluent軟件進行網格劃分及參數設置。通過仿真計算錯位角θ=0°，10°，20°和30°時織構單元表面壓力p的分布情況，進而通過式（2）積分得到織構單元表面的法向（y向）承載力F。

2.1 織構表面的壓力分布

圖3所示為不同排布方式下單一尺寸織構單元表面（僅顯示2個織構）的壓力分布情況。由圖可知，織構的收斂楔處因動壓效應而產生了壓力凸峰（正壓區），織構的發散楔處產生了壓力凹谷（負壓區）。通過對比發現，方形排布的單一尺寸織構單元表面的正壓峰值最大，為11.1 kPa，負壓峰值的絕對值最小，為9.6 kPa；隨著錯位角θ的增大，織構單元表面的正壓峰值逐漸減小，負壓峰值的絕對值逐漸增大。產生上述現象的原因是隨著錯位角θ的增大，織構之間的實際有效距離逐漸增大，前一織構出口處的高壓對后一織構入口處的低壓的抵消作用逐漸減弱，導致織構之間的協同潤滑作用逐漸減弱。

圖3 不同排布方式下單一尺寸織構單元表面的壓力分布（u=0.2 m/s）Fig.3 Pressure distribution on the surface of single-size texture units under different arrangements(u=0.2 m/s)

2.2 織構表面的承載力

圖3中的壓力凸峰表示承載力為正，壓力凹谷表示承載力為負，織構表面的綜合承載力由正、負承載力疊加而成。4種排布方式下單一尺寸織構單元表面壓力對應的正承載力峰值均大于對應的負承載力峰值的絕對值，且正壓區的面積也比負壓區大，由此可見不同排布方式下單一尺寸織構單元表面均產生了正的綜合承載力。但在仿真條件下，4種排布方式的單一尺寸織構單元表面的負壓均高于水的空化壓力，因此幾乎未產生空化效應。

為了定量比較4種排布方式下單一尺寸織構單元表面的綜合承載力，通過進一步仿真得到在不同的滑動摩擦副運動速度下各織構單元表面承載力的變化曲線，如圖4所示。從圖中可以看出，單一尺寸織構單元表面的承載力隨滑動摩擦副運動速度的增大均呈線性增大趨勢，但其增大速度有所不同。在滑動摩擦副運動速度從0 m/s上升到0.5 m/s的過程中，方形排布的單一尺寸織構單元表面承載力的增大速度最快；隨著錯位角的增大，單一尺寸織構單元表面承載力的增大速度逐漸減小。由此可見，方形排布織構的承載力最大。

圖4 不同排布方式下單一尺寸織構單元表面承載力的變化曲線Fig.4 Variation curves of bearing force on the surface of single-size texture units under different arrangements

綜上所述，方形排布的單一尺寸織構的潤滑性能最強且承載力最大；隨著錯位角的增大，單一尺寸織構的潤滑與承載性能逐漸減弱。基于此，在研究變織構的潤滑與承載性能時，采用方形排布方式。

3 變織構的潤滑與承載性能研究

3.1 變織構的尺寸參數

為研究變織構的尺寸變化對潤滑與承載性能的影響，沿x方向取12個方形排布的球冠形織構（每個織構的間距為100μm）作為一個單元（x方向長度為1200μm），建立相應的二維CFD仿真模型進行分析，并以半徑r=25μm、深度hp=5μm的單一尺寸織構（方形排布）單元作為對照組。按照x方向上織構的半徑和深度的不同，將變織構分為A（小-大-小）、B（大-小-大）、C（淺-深-淺）、D（深-淺-深）四種類型，各類變織構的尺寸變化均關于x方向中心對稱，并以一串數組表示其尺寸參數，如“20-25-20”表示沿x方向按照半徑中間大兩端小的分布方式等間距設置12個織構，其中前3個織構的半徑為20μm，中間6個的半徑為25μm，最后3個的半徑為20μm。根據文獻[18-21]中相關參數的設置和結論，4類變織構單元的尺寸參數設置如表1所示，其他壓力梯度及邊界條件等均與上文相同。

表1 不同變織構單元的尺寸參數設置Table 1 Dimensional parameter setting of different variable textures

3.2 變織構單元表面的壓力分布

鑒于4類方形排布變織構單元表面的壓力分布規律基本一致，其中A4、B4、C4及D4型變織構的尺寸變化最具代表性，本文僅給出這4個變織構單元中心截面（沿x向）的壓力云圖，如圖5所示。由圖可知，各織構單元中均出現了多處高壓集聚區和低壓集聚區，其中織構的收斂楔處為高壓集聚區，發散楔處為低壓集聚區。除了對照組的單一尺寸織構單元外，變織構單元中各織構附近的壓力分布均不相同。由此可見，尺寸變化導致織構表面的壓力分布發生變化。

圖5 不同織構單元中心截面的壓力分布云圖Fig.5 Cloud diagram of pressure distribution in central section of different texture units

圖6所示為半徑不同的變織構單元中心截面的壓力分布曲線。從圖中可以看出，在織構的收斂楔處和發散楔處分別出現不同程度的正壓區域和負壓區域。對于對照組中的單一尺寸織構單元，其中心截面的壓力分布曲線為周期性波動曲線，由12個單織構中心截面的壓力分布曲線疊加而成。對于A4型變織構單元，在x=-600～0 μm段，其中心截面的整體壓力為正，且先增大后減小；在x=0～600 μm段，其中心截面的整體壓力為負，且先減小后增大。對于B4型變織構單元，其中心截面的壓力分布與A4型相反。借助Origin軟件分析得到A4型和B4型變織構單元中心截面的壓力分布曲線的趨勢線，結果表明這2條趨勢線分別近似呈正、余弦規律波動。

圖6 半徑不同的變織構單元中心截面的壓力分布曲線Fig.6 Pressure distribution curves of central section of variable texture units with different radii

圖7所示為深度不同的變織構單元中心截面的壓力分布曲線。從圖中可以看出，C4、D4型變織構單元中心截面的壓力分布曲線的趨勢線也分別近似呈正、余弦規律波動。對于C4型變織構單元，在x=-600～0 μm段，其中心截面的整體壓力為正，且先增大后減小；在x=0～600 μm段，其中心截面的整體壓力為負，且先減小后增大。而D4型變織構單元中心截面的壓力分布與C4型相反。

圖7 深度不同的變織構單元中心截面的壓力分布曲線Fig.7 Pressure distribution curves of central section of variable texture units with different depths

出現上述現象的原因是不同尺寸單織構的壓力（正壓或負壓）對織構單元整體的壓力分布有顯著影響。如圖5所示，變織構單元整體的壓力分布不是單織構壓力分布的復制組合。由于不同尺寸單織構的壓力分布不同，前一織構出口處高壓與后一織構入口處低壓的抵消作用發生變化，導致織構之間的協同潤滑作用改變。對于A4、C4型變織構單元，在其前半段（x=0～600 μm），第1至第6號織構的負壓占主導地位，且第3和第4號織構的負壓的絕對值達到最大；而在后半段（x=-600～0 μm），第7至第12號織構的正壓占主導地位，且第9和第10號織構的正壓值達到最大。而對于B4、D4型變織構單元，由于其單織構尺寸的變化趨勢分別與A4、C4型相反，故其中心截面的壓力分布分別與A4、C4型相反。

3.3 變織構單元表面的承載力

圖8和圖9所示分別為不同的滑動摩擦副運動速度（0～0.5 m/s）下A型和B型變織構單元表面承載力的變化曲線。由圖可知，除A1、A2型外，A4型變織構單元表面的承載力與單一尺寸織構單元（對照組）基本接近，A3型的承載力明顯大于對照組；除B1型外，B2、B3和B4型變織構單元表面的承載力明顯大于對照組。由此說明，合理改變織構半徑有助于提升變織構的潤滑與承載性能。對比圖8和圖9可知，半徑兩端大中間小的B1、B2、B3和B4型變織構單元表面的承載力分別大于A1、A2、A3和A4型，且A2型的承載力比A4型小，B2型的承載力比B4型大。由此說明，兩端織構的半徑越大，越有助于潤滑液的進入，使得潤滑作用更加充分，則織構表面的承載力越大。此外，在B型變織構單元中，B3型的承載力明顯大于B4型，說明兩端半徑大的織構的占比越大，則變織構的潤滑性能越強，承載力越大。

圖8 A型變織構單元表面承載力的變化曲線Fig.8 Change curve of bearing force on the surface of A-type variable texture unit

圖9 B型變織構單元表面承載力的變化曲線Fig.9 Change curve of bearing force on the surface of B-type variable texture unit

圖10和圖11所示分別為不同的滑動摩擦副運動速度（0～0.5 m/s）下C型和D型變織構單元表面承載力的變化曲線。由圖可知，雖然織構深度的變化范圍較小，但其導致的承載力變化范圍較大，說明深度對承載力的影響較大。所有C型和D型變織構單元表面的承載力均大于單一尺寸織構單元（對照組），說明改變織構深度有助于提升變織構的潤滑與承載性能。對比圖10和圖11可知，深度兩端深中間淺的D1、D2、D3和D4型變織構單元表面的承載力大于C1、C2、C3和C4型，且C2型的承載力比C4型的小，D2型的承載力比D4型的大。由此說明，兩端織構的深度越深，越有助于潤滑液的進入，使得潤滑作用更加充分，則織構表面的承載力越大。此外，在D型變織構單元中，D3型的承載力明顯大于D4型，說明兩端深度深的織構的占比越大，則變織構的潤滑性能越強，承載力越大。

圖10 C型變織構單元表面承載力的變化曲線Fig.10 Change curve of bearing force on the surface of C-type variable texture unit

圖11 D型變織構單元表面承載力的變化曲線Fig.11 Change curve of bearing force on the surface of D-type variable texture unit

4 結論

本文以球冠形織構為研究對象，分析了不同排布方式對單一尺寸織構表面的壓力分布和承載力的影響，并研究了4類方形排布變織構的潤滑與承載特性，得到的結論如下。

1）方形排布（錯位角θ=0°）的單一尺寸織構表面的承載力最大，而隨著錯位角的增大，織構之間的有效距離逐漸增大，前一織構出口處的高壓對后一織構入口處的低壓的抵消作用逐漸減弱，導致織構之間的協同潤滑作用減弱，承載力減小。

2）不同排布方式下單一尺寸織構的壓力分布曲線由多個單織構的壓力分布曲線疊加而成；而對于方形排布的變織構，其前后織構的協同潤滑作用發生改變，導致其壓力分布曲線的趨勢線近似呈正、余弦規律波動。

3）4類方形排布的變織構相對于方形排布的單一尺寸織構更有助于潤滑與承載性能的提升。在4類方形排布變織構中，B型的承載力比A型的大，D型的比C型的大，說明兩端織構半徑越大或深度越深，或該類織構的占比越大，則變織構的潤滑性能越強，承載力越大。

研究結果可為織構化滑動摩擦副表面潤滑和減摩性能的改善提供重要的理論參考。