仿生織構形態對缸套-活塞環摩擦學性能的影響*

呂永剛 饒 響，2 郭智威，2

(1.武漢理工大學能源與動力工程學院 湖北武漢 430063；2.國家水運安全工程技術研究中心，可靠性工程研究所 湖北武漢 430063)

柴油機作為航運行業最重要的動力裝置，具有經濟性好、可靠性強、機動性好等優點。缸套-活塞環作為柴油機最重要的摩擦副之一,承擔著密封、導熱等作用，其工作環境惡劣，往往伴隨著高溫、高壓以及劇烈的摩擦磨損。據不完全統計，約80%船機零件的失效是由于磨損造成的,并且缸套-活塞環摩擦副的摩擦損耗占柴油機總摩擦損失45%～65%[1]。因此改善該配副的摩擦條件，對柴油機的可靠性，經濟性，環境友好性具有重要作用。

相關研究均表明適宜尺度的表面織構能改善缸套活塞環摩擦副的潤滑條件，提高油膜承載能力，減少其工作過程中的摩擦磨損[2-3],近年來關于表面織構技術對摩擦副表面摩擦學性能影響的研究不斷發展，文獻[4]的研究表明V形凹槽能有效增加油膜厚度改善潤滑條件;文獻[5]的研究結果表明織構間具有協同潤滑效應，且相較于溝槽型織構，凹坑型織構能更好地發揮這種效應。在微凹坑織構的研究中，文獻[6]研究了一種陣列式排布的微凹坑織構對機缸套-活塞環系統摩擦性能的影響，結果表明在合適的工況下微凹坑織構才會改善摩擦副的摩擦性能;文獻[7]研究了圓形、正方形和橢圓形3種微凹坑陣列，結果表明隨著載荷的增大，3種織構的減磨效果逐漸降低。

在微凹坑織構的研究中，研究對象多為陣列排布的微凹坑織構，但在重載荷下陣列排布的織構存在一定的局限性。隨著研究的深入，相關學者開展了對微凹坑織構排布模式的研究。文獻[8]的研究表明織構單元的排布模式對動壓承載能力有較大影響；文獻[9]的研究表明微凹坑相對位置變化對表面織構的減摩性能具有很大的影響；文獻[10]的研究表明對微凹坑織構進行合理的排布，使其錯開一定角度可明顯改善磨損形貌減少劃痕。

上述研究表明，對微凹坑織構的排布模式進行研究，可作為微凹坑織構優化設計的有效途徑。相關研究表明，可通過對仿生表面形態進行簡化處理得到預期的表面性能[11]。文獻[12-13]的研究表明，新疆巖蜥與變色沙蜥體表的耐磨減損機制均與其鱗片排布形式有關，覆瓦狀的鱗片排布形式加強了其鱗片抵抗沙粒沖蝕磨損的能力。這對于微凹坑織構的排布形式的研究有一定的借鑒作用。

為了進一步探究微凹坑織構的排布形式在表面織構技術中的作用，并用于改善缸套-活塞環的摩擦學性能，本文作者選取具有對稱性V形特征的菱形微凹坑織構作為織構的基本單元，同時參考新疆巖蜥與變色沙蜥鱗片的分布特征，設計了一種仿生排布的織構凹坑；應用激光刻蝕技術將其加工在缸套切片內表面，并使用陣列排布的紋理以及未經處理的原始缸套作對照，通過往復摩擦磨損試驗機考察其在不同工況下的摩擦學行為。

1 試驗部分

1.1 試驗方法

試驗在MWF-10微機控制的往復式摩擦磨損試驗機上進行，其結構原理如圖1所示。該試驗機利用微電機的倒拖帶動夾具，實現缸套的往復運動，轉速的大小可由微電機的調節控制，載荷則是由機械加壓裝置實現預設接觸壓力。該試驗機由驅動裝置、傳動裝置、加載裝置、夾緊裝置及數據采集設備(壓力傳感器、摩擦力傳感器、接觸電阻測量模塊、USB6009數據采集卡)構成。

圖1 MWF-10 摩擦磨損試驗機模型[5]

1.2 試樣制備

試驗采用S195型號缸套-活塞環組，使用線切割技術分別獲得尺寸為80 mm×120 mm的缸套切片，以及長度為60 mm的活塞環切片。使用大族牌激光刻蝕機對缸套內表面進行紋理的加工(加工前使用乙醇溶液對缸套進行清洗)。在激光刻蝕機控制軟件中通過對織構紋理的合理編排，設置相關工作參數，使缸套表面加工的紋理尺寸一致。激光刻蝕機工作參數設置如表1所示。

表1 激光刻蝕機加工紋理的工作參數

在織構的表面占有率的選取方面，文獻[14]的研究表明，凹坑表面占有率在15%左右時缸套-活塞環摩擦副的潤滑性能最佳；文獻[15]的研究表明，較低的表面占有率(7%、12%～14%)更有利于流體潤滑狀態的建立，綜合考量潤滑效果與加工難度，文中試驗選取表面占有率為12.5%。

通過激光刻蝕技術在缸套切片內部加工2種不同排布形式的紋理，具體的表面紋理結構及參數如圖2、3所示。圖4為試樣加工后的實機缸套表面紋理圖，且2種形式的織構表面占有率均約為12.5%。

圖2 單個紋理結構具體參數

圖3 不同表面結構缸套的具體表面紋理形貌

圖4 不同表面結構缸套的實機缸套表面紋理

1.3 摩擦磨損試驗

試驗以仿生排布的菱形織構為研究對象，并與原始缸套和陣列排布的菱形織構性能進行比較。試驗在MWF-10往復式摩擦磨損試驗機上進行，通過改變不同的工況對3種缸套-活塞環組進行試驗。

為了模擬船用低速機的工況，探究上述3種缸套-活塞環組在不同載荷下的工作情況，設計試驗轉速均為100 r/min，載荷分別為200、400、600 N，每組試驗進行90 min。試驗所用滑油為70 N中性基礎油，溫度為40 ℃時運動黏度為14 mm2/s，滑油供給量為0.8 mL/min。試驗過程中通過壓力傳感器、摩擦力傳感器、接觸電阻測量模塊，對壓力、摩擦力、油膜電阻進行測量；通過數據采集卡以及Labview自編程序對試驗過程中的數據進行實時采集并儲存，數據采集頻率設置為10 Hz。

2 結果與分析

2.1 接觸電阻

由于潤滑油膜與缸套和活塞環這類金屬導體電阻率相差較大，通過在缸套-活塞環摩擦副之間施加測量電路，可測得缸套-油膜-活塞環組成的系統的電阻值的大小。由于金屬導體電阻較小，接觸電阻的主要影響來自油膜厚度，因此可通過接觸電阻的大小判斷油膜厚度[16]，了解油液潤滑情況。

圖5顯示了不同工況下整個摩擦試驗過程中接觸電阻的實時變化，圖6顯示了不同工況下各組試驗的全程平均接觸電阻值的大小。由圖5(a)、(b)可知，在輕載荷200 N和中載荷400 N的工況下，織構組在整個試驗過程中的接觸電阻均大于原始缸套組。

圖5 不同載荷下各缸套組的全程接觸電阻

圖6 不同載荷下各缸套組的平均接觸電阻

在輕載荷200 N的工況下，相較于原始缸套組，仿生排布的織構與陣列排布的織構平均接觸電阻分別提高了368%、266%。在中載荷400 N的工況下，相較于原始缸套組，仿生排布的織構與陣列排布的織構平均接觸電阻分別提高了188.4%、91.3%。在重載荷600 N的工況下，由圖5(c)可知，陣列排布的織構在試驗過程中的接觸電阻走勢與原始缸套幾乎相同，且后期原始缸套組的接觸電阻略高于陣列排布的織構組，而仿生排布的織構組的平均接觸電阻相較于原始缸套組提高了65.8%。

通過接觸電阻的對比可知，在輕載荷200 N及中載荷400 N的工況下2種排布形式的織構的接觸電阻均高于原始缸套組，實現了潤滑效果的改善，其中仿生排布的織構的成膜效果要優于陣列排布的織構。在400 N的工況下，原始缸套組的接觸電阻在后期有小幅度的升高，但表面織構的缸套在接觸電阻上仍有一定的優勢。在600 N的重載荷下，由于載荷過高，在摩擦副之間難以形成足夠壓力的油膜，陣列排布的織構對油膜的形成并沒有產生促進作用，而仿生排布的織構仍能形成一定厚度的油膜，擁有比原始缸套更強的承載能力與更好的潤滑效果。

由于缸套表面紋理是由激光加工而成，對缸套表面造成了一定的破壞，當表面受到載荷時，織構凹坑附近一定區域范圍內會產生應力集中。在摩擦副工作過程中在載荷的作用下，菱形織構凹坑受到擠壓，V形尖端部分釋放凹坑儲存的油液，緩解摩擦。陣列排布的織構相較于仿生排布的織構凹坑間距離較小，局部應力集中程度較大，這就是重載荷下陣列排布的織構成膜效果不佳的原因。而仿生排布的織構極大程度地分散了織構凹坑，減少了應力集中的程度，避免局部壓力過大影響油膜的建立。仿生排布的織構實現了往復運動方向上的織構紋理特征的全覆蓋，有利于對摩擦副全局進行油液的補充與更新，增強了動壓油膜形成能力。

在織構間的協同潤滑效應的作用下，潤滑油從高壓油膜區域向低壓區域移動，油膜相對高壓區位于織構凹坑附近區域，相對低壓區為織構間區域，仿生排布的織構使得摩擦副間油膜的高、低壓區域不斷變化，減小了油膜壓力梯度與壓力極差，使得油膜更加穩定，改善潤滑效果，整體油膜厚度及接觸電阻值也隨之增大。由此表明織構仿生排布這種排布形式增強了織構凹坑間的協同潤滑效應的作用效果。

接觸電阻的分析表明，缸套表面織構的作用受載荷的影響較大，菱形織構對表面成膜潤滑有促進作用，但是成膜效果受到排布形式的影響較大。在重載下，陣列式排布幾乎對摩擦副之間油膜的形成沒有較為明顯的促進作用，但仿生排布形式便可實現重載荷下壓潤滑條件的改善。仿生排布的織構在3種試驗工況下接觸電阻最大，油膜的潤滑作用最強，對摩擦副表面形成了最佳的保護作用。

2.2 平均摩擦因數

圖7示出了不同載荷下各缸套組的平均摩擦因數。可以看出，在200 N的工況下，2種排布形式的織構摩擦因數相近，相較于原始缸套2種織構的缸套的摩擦因數降低了約33.9%；400 N的載荷下3種形式的缸套平均摩擦因數相差不大，仿生排布的織構平均摩擦因數相較于原始缸套降低了約5%，陣列排布的織構則相較于原始缸套提高了約4%；載荷為600 N時原始缸套的平均摩擦因數則最小，陣列排布的織構及仿生排布的織構相較于原始缸套平均摩擦因數分別提高了約14.7%與3.3%，使得能量損耗增加。

圖7 不同載荷下各缸套組的平均摩擦因數

原始缸套的平均摩擦因數隨著載荷的增加呈現下降的趨勢，這可能是由于隨著載荷的增加，一定程度上使得摩擦副表面硬化，改善了表面質量，使得摩擦副表面耐磨性能增強，摩擦因數降低。

綜合接觸電阻與平均摩擦因數的結果可知，部分試驗組(400 N載荷下的陣列排布的織構組，以及600 N載荷下的仿生排布的織構組)產生了平均接觸電阻值高于原始缸套但平均摩擦因數卻增大的現象。這是由于織構的存在，在摩擦副運行的過程中活塞環經過織構凹坑區域時接觸條件發生變化引起的[17]。上述兩實驗組的平均接觸電阻值均高于相同工況下的原始缸套組，說明形成了更好的潤滑條件，有助于摩擦副間滑動摩擦力的降低；但由于活塞環經過織構凹坑區域時接觸條件發生改變，增加了活塞環所受的徑向力，同時由于“入口抽吸”現象[18]，活塞環經過織構區域時油膜潤滑效果驟降，綜合影響下使得活塞環經過織構區域時摩擦因數驟增，產生平均摩擦因數高于同工況下的原始缸套組的結果。這種現象會使得摩擦副工作過程中能量損耗增加，同時隨著載荷的增加，其對缸套-活塞環摩擦副的摩擦學性能的影響也逐漸不可忽視，后期可通過優化織構凹坑尺寸緩解這種現象，以減小機械能的損失。

2.3 表面形貌

利用激光干涉位移表面輪廓儀對試驗后的缸套進行測量，可直觀反映試驗后缸套表面的磨損情況，分析各試驗組的磨損過程及耐磨減摩原理。

表面形貌測量時測量評價區域S尺寸為0.8 mm×0.8 mm，選取輪廓均方根偏差Sq、表面支承指數Sbi2個特征參數對磨損后的表面進行評價[19]。為了減少誤差，避免結果的偶然性，對缸套內表面選取4個位置進行測量，取4個位置數據的平均值作為最終形貌參數進行分析。表2為2種參數的平均值，圖8—10所示為不同載荷下各組缸套內表面的三維形貌。

圖8 不同載荷下原始缸套表面形貌

表2 試驗后表面參數的平均值

評價區域S

S={(x,y)∣x∈[a,b],y∈[c,d]}

(1)

最小二乘基準平面方程為

f(xi,yi)=a+bxi+cyj

(2)

三維輪廓均方根偏差為

(3)

式中：ηij=z(xi,yi)-f(xi,yi)，其中z(xi,yi)為表面各點的高度數據。

表面支承指數為

(4)

式中:η0.05為輪廓支承表面5%處的輪廓高度;h0.05為η0.05對應的標準高度。

圖9 不同載荷下陣列排布的織構缸套表面形貌

圖10 不同載荷下仿生排布的織構缸套表面形貌

Sq值是輪廓偏距的平方值，相當于高度的標準偏差，在相同的工況下Sq值的大小可用以表征摩擦過程中的磨損程度，Sq值越小則摩擦過程中對表面的磨損程度越小。由圖11中可知，3種工況下仿生排布的織構Sq值均為最小，原始缸套最大。從整體上看隨著載荷的增加Sq值有所下降，說明載荷增加使摩擦副間微凸體磨損加快，使得表面更平坦。

圖11 不同載荷下各缸套組均方根偏差Sq的趨勢

在3種工況下，仿生排布的織構均形成了較厚的油膜，實現了對摩擦副較好的潤滑作用，同時其排布形式能夠最大程度上對織構行間產生的磨屑進行收集，極大程度上限制了磨屑的運動以及對表面的刮蹭，使得磨損減少，磨損后表面最為平坦。陣列排布的織構雖然在重載荷下無成膜優勢，但是織構凹坑對磨屑的收集仍有一定的作用，抑制了磨料磨損，磨損后的表面質量優于原始缸套。而原始光滑缸套磨損情況最為嚴重，在工作過程中隨著磨屑的增加摩擦副間磨損加劇并產生了一定的間隙，為摩擦副間油膜的形成創造了條件，這就是試驗后期原始缸套組接觸電阻存在小幅上升趨勢的原因。

Sbi值為表面支承指數，可用以表示表面的支承性能，Sbi值越大表示該表面的支承性能越好。從圖12中可以看出，織構表面的表面支承指數相較于原始缸套組均有所提高，在200、400 N載荷下陣列式排布的織構的表面支承性能最好，在重載(600 N)的條件下，仿生排布的織構的支承性能最好。隨著載荷的增加，原始光滑缸套與仿生排布的織構缸套的表面支承性能逐漸增加，表面質量有所提升。而陣列排布的織構缸套表面支承性能呈現先升高再下降的趨勢。

上述現象主要是由于在滑動摩擦的過程中缸套表面發生了應變硬化[20-21],使得表面硬度有所提高。故隨著載荷的增加，原始缸套表面應變硬化程度提高，增強了耐磨性能，減少了不利于負載的形貌的形成，表面支承性能也逐漸升高。磨損后表面支承指數的差異主要與表面結構有關，相較于原始表面，織構表面的結構強度較低更易發生應變硬化，而仿生排布的織構缸套表面由于極大程度上分散了凹坑間距，所以其表面結構強度高于陣列式排布的織構表面，故在200、400 N的載荷下表面支承指數表現為陣列排布的織構表面最大，仿生排布的織構表面次之，原始缸套表面最小。

在600 N載荷下，在試驗后期陣列排布的織構組的接觸電阻低于原始缸套組，潤滑效果不佳，摩擦副間摩擦較為劇烈，積熱嚴重；且其缸套表面結構強度較低，在一系列不利因素的綜合影響下，陣列式排布的織構組磨損較為嚴重，導致在600 N的載荷下其表面支承指數下降。故陣列排布的織構組表現為隨著載荷的增加表面支承指數呈現先升高再減小的趨勢，如圖12所示。在所有試驗的工況下，仿生排布的織構的接觸電阻最大，潤滑條件最好，與缸套表面的應變硬化效應耦合，所以隨著載荷的增加，表面支承指數增加，且數值上高于原始缸套組。由于在600 N的載荷下仍能形成較好的潤滑條件，所以在該工況下仿生排布的織構組表面支承指數最高，表面承載能力最好。

圖12 不同載荷下各缸套組表面支承指數Sbi的趨勢

3 結論

(1)織構的排布形式對油膜厚度的影響較大，這一點在重載荷的工況下極為明顯，合理地優化排布形式能夠實現較好的動壓潤滑效果，陣列排布的菱形織構在重載下對摩擦副的潤滑幾乎沒有促進作用。

(2)仿生排布的菱形織構實現了往復運動方向上織構紋理特征的全覆蓋，能夠極大程度上限制磨屑的移動，對磨屑進行收集，有效降低磨損后的表面粗糙度，從而減少磨粒磨損，并增強滑油儲存能力。

(3)仿生排布的菱形織構在研究的工況下均能實現摩擦副較好的潤滑效果，提高表面支承能力，且能有效收集磨屑，降低磨損，改善磨損形貌，但在重載下平均摩擦因數略高于原始缸套，增加了機械能損失。