T形溝槽表面織構對金屬-橡膠密封副摩擦性能的影響

唐杰，曾杰，魯鑫

(中國民航大學航空工程學院，天津 300300)

0 前言

近年來，隨著國民經濟的增長，民航業發展尤為迅速，柱塞泵作為飛機液壓系統中最關鍵的動力元件，其使用壽命直接影響飛機的安全性能，其中位于壓力端的金屬-橡膠密封副是最易發生失效的組件之一，主要失效形式為腐蝕條件下的磨粒磨損。在橡膠表面進行織構是可以有效提高潤滑摩擦副表面摩擦性能的技術，可以有效改善金屬-橡膠摩擦副的摩損情況。孫建芳等分別在干摩擦與油潤滑條件下分析了不同織構的摩擦性能，發現與未織構表面相比，織構表面的減摩效果更好。蘇峰華等進一步研究了潤滑工況下不銹鋼表面不同深度微溝槽的摩擦性能，結果表明：微溝槽深度的變化顯著影響不銹鋼表面的摩擦性能，且當微溝槽深度為 10 μm時，產生的楔形效應最好。表面織構對減摩性能的影響一直是學術界研究的重點。諸多摩擦學領域的專家學者已經對摩擦過程進行了理論性的探究，目前普遍認為表面織構的作用機制為邊界潤滑狀態下的附加流體動壓效應、二次潤滑效應以及干摩擦下狀態下的容納磨屑作用。ETSION、RYK、KLIGERMAN等在密封元件上設計并使用激光加工織構，通過大量試驗發現表面織構有明顯的降低試樣摩擦力矩的作用，最高可達 65%。張長桃等發現織構的面積率會對金屬-聚甲醛摩擦副磨損行為產生影響，橡膠織構面積率在10%時磨損率最小，而隨著織構占比的增加磨損率會增大。王煥杰等發現在軟材料和硬材料的摩擦副中將織構布置在軟材料上摩擦性能最優。MENEZES 和KAILAS研究發現表面織構可以捕獲磨屑、保留潤滑劑，有利于消除磨粒磨損，促進轉移膜的形成，還可以使接觸面受力更加均勻，增加承載能力。SHI和NI建立了用于計算流體動壓潤滑的CFD 模型，認為油膜承載能力的變化主要取決于微溝槽的數量與尺寸。表面織構圖案的研究主要包括凹坑和溝槽兩大類。溝槽形織構已被證實擁有較好的流體動壓效應和捕獲磨屑等作用。但目前，對于T形溝槽表面摩擦性能的研究相對較少，缺少T形溝槽織構對摩擦學特性分析。

綜上，本文作者基于流體潤滑原理，建立T形溝槽表面織構化金屬-橡膠摩擦副潤滑理論模型，并通過數值模擬分析T形溝槽不同的寬度系數比、深度系數比對金屬-橡膠摩擦副油膜承載能力和摩擦因數的影響規律，豐富和完善金屬-橡膠摩擦副溝槽織構化條件下的摩擦學理論。

1 理論模型

1.1 幾何模型

采用3000型壓裂泵柱塞-橡膠密封副為研究對象，柱塞工作參數參照文獻[21]。其中，柱塞直徑為 114.3 mm，沖程為 203 mm，沖次為5.5次/s，往復運動速度取平均速度=2.24 m/s，L-CKD150 潤滑油黏度=0.134 57 Pa·s。在織構化金屬表面劃分×的周期排布單元區域，如圖1(a)所示，以此作為計算單元，設計每條T形溝槽位于單元區域中心。T形溝槽分為上下兩部分，如圖1(b)所示，上寬為，下寬為，上高為，下高為，金屬與橡膠間的最小油膜厚度即摩擦副間隙為，形溝槽寬度系數比定義為下部分寬度與上部分寬度的比值，為=。溝槽深度系數比定義為下部分深度與上部分深度的比值，為=。文中除特別說明外，織構方向都默認為方向，速度為方向。

圖1 T形溝槽示意

1.2 數學模型

目前對織構的研究主要通過試驗開展，但由于試驗要求精度高、成本大、周期長，甚至可能因為一些外界因素使得到的結果與原結果相反。用數學模型構建織構參數可以有效避免此類問題，在幾何模型中，織構處于單元模型的中間位置，油膜厚度的變化是織構處產生額外壓力的基本條件。文中設置橡膠材料為三元乙丙橡膠。LI等研究三元乙丙橡膠的性能，發現它在加入和不加入增塑劑的情況下，其彈性模量都大于1.5×10Pa。SHINKARENKO等研究發現，對于軟材料和硬材料的接觸問題，當軟材料的彈性模量大于1×10Pa時可以忽略軟材料對油膜厚度的影響。由此可以得出油膜厚度的方程:

(1)

式中：為最小油膜厚度；為表面織構的厚度。

文中僅考慮密封副在全油潤滑的狀態下，基于經典Reynolds方程建立柱塞-橡膠密封副表面壓力分布的數學方程：

(2)

式中：、分別為選擇單元的長度；為選擇的液壓油密度；為液壓油的動力黏度；為油膜厚度；為油膜壓力；為兩摩擦副的相對運動速度。

在整個控制單元內，將表面壓力進行區域積分，可以獲得油膜承載力:

(3)

利用剪切應力計算區域積分，即為摩擦力：

(4)

織構化表面的摩擦因數為摩擦力和油膜承載力的比值，即：

=

(5)

2 仿真模擬

2.1 仿真模型建立

通過ANSYS-DesignModeler軟件，建立織構三維流體模型，如圖2所示。選用25.36×10的網格進行仿真計算模擬。為保證計算精度,選擇六面體網格進行網格劃分，并在邊界處加密處理。

圖2 三維流體模型

為更接近真實試驗條件，設定面為動壁面，并給定速度為1 m/s，入口以及出口設置為壓力進口以及出口，壓力等于標準大氣壓，其余壁面為固定壁面，流體區域的密度為850 kg/m，動力黏度為0.046 78 Pa·s。

2.2 仿真試驗設計

參照文獻[24]，設置溝槽織構面積比為72%、=150 μm、=5 μm、=10 μm。將T形溝槽寬度比與深度比一一配對，形成如表1所示的仿真試驗分組。通過改變T形溝槽下部分的寬度，控制溝槽的寬度系數比，設置下部分寬度分別為30、60、90、120、150 μm，對應寬度系數比分別為20%、40%、60%、80%、100%。同理，通過改變T形溝槽下部分的深度控制溝槽的深度系數比，設置下部分深度分別為1、2、3、4、5 μm，對應深度系數比分別為20%、40%、60%、80%、100%。

表1 仿真試驗分組

3 計算結果與分析

3.1 T形溝槽織構對油膜承載力的影響

按照表1對不同寬度系數比和深度系數比的T形溝槽進行流體動壓性能大小規律的研究。圖3所示為T形溝槽寬度系數比和深度系數比對油膜承載力的影響規律。

圖3 α和β對油膜承載能力的影響

控制單一變量，在深度系數比相同情況下分析寬度系數比對承載力的影響。分別在一至五組中橫向對比油膜承載能力，可得：隨著T形溝槽寬度系數比的增加，油膜承載力先增大后減小再增大，在寬度系數比為40時油膜承載力最大，當寬度系數比大于40時油膜承載力會先減小再急劇增大。這是因為當寬度系數比增大時，T形溝槽上下兩部分的協同作用增強，溝槽織構儲存油液的能力增大，同時會增大T形溝槽織構內部潤滑油的渦流強度，油液慣性效應增強，使得油膜承載力增大，在寬度比系數為40%處達到最大；隨著T形溝槽寬度比的增加，下部分體積增加，渦流強度下降導致油液慣性效應減弱，同時，織構的承壓區逐漸減少，導致油膜承載力減小；隨著寬度比系數進一步增大到100%，T形溝槽織構會轉變為矩形溝槽織構，其內部渦流區會發生突變，油液慣性效應改變使承載力發生突變。

同理，在寬度系數比相同的情況下分析深度系數比的變化對承載力的影響。對比一至五組油膜承載力，可得：隨著深度系數比的增加，油膜承載力先增加后減小，在深度系數比為40～60時承載力最優。在深度系數比較小的時候，相對較小，相對較大，T形槽下部分深度較淺，其整體承壓能力較差，油膜承載力較差，同時，由于下部分深度較淺會導致渦流區較小，其渦流強度大小反映出的油液慣性效應也會減小。隨著深度系數比的增加，和的相對尺寸變化，的增加和織構協同效果的逐漸顯現，使得油膜承載力增加，在深度比為40～60時，2種影響因素使得油膜承載力達到最優；當再次逐漸增加時，織構協同效果降低，整體承壓因素較織構協同效果相比影響較小，其整體油膜承載力降低。

圖4所示為在寬度系數比40%-深度系數比60%條件下T形溝槽織構對于油膜承載力的影響仿真結果。可知：T形溝槽織構的存在使得油膜內部的壓力發生了梯度變化，并且在織構內部，沿著速度方向，油膜壓力在T形溝槽織構左端先出現了壓力發散，在織構右端壓力升高，兩側形成了動壓效應。這對于增大油膜壓力起著積極作用。

圖4 寬度系數比40%-深度系數比60%織構條件下油膜內部壓力

為進一步說明油膜壓力梯度變化的成因，對該模型的-截面進行分析。圖5所示為該截面軸線上油膜壓力變化曲線圖，圖6所示為該截面上的潤滑油壓力分布及速度矢量云圖。由圖 6(b)可知：在T形溝槽織構的右端有一定的渦流區，渦流的強度大小可反映出潤滑油內慣性效應的強弱，慣性效應的出現在一定程度上增大了油膜的承載力。

圖5 A-B橫截面上油膜壓力變化曲線

圖6 A-B橫截面上油膜壓力與速度分布圖

3.2 T形溝槽織構對等效摩擦因數的影響

按照表1對不同寬度系數比和深度系數比的T形溝槽進行流體動壓性能規律的研究。圖7所示為T形溝槽寬度系數比和深度系數比對摩擦因數的影響規律。

圖7 α和β對摩擦因數的影響

控制單一變量，在深度系數比相同情況下分析寬度系數比對摩擦因數的影響。分別在一至五組中橫向對比摩擦因數，可得：隨著T形溝槽寬度系數比α的增加，摩擦因數先下降后急劇上升，寬度系數比在趨近60%時有明顯上升隨后又逐漸下降。這是因為，當寬度系數比增大時，T形溝槽上下兩部分的協同作用增強，溝槽織構儲存油液的能力增強，同時流體動壓效應增大，且T形溝槽織構內部潤滑油的渦流強度得到增強，油液慣性效應增強，從而提高織構化表面的整體承載能力，減小摩擦因數，在寬度比系數為40%處達到最小。隨著T形溝槽寬度比的增加，下部分體積增加，渦流強度下降導致油液慣性效應減弱，同時，織構的承壓區逐漸減少，導致織構化表面的整體承載能力降低。隨著寬度比系數進一步增大到100%，T形溝槽織構會轉變為矩形溝槽織構，其內部渦流區會發生突變，油液慣性效應和流體動壓效應的改變使承載力發生突變。圖8所示為寬度系數比為40%和100%的溝槽橫截面示意圖，可以直觀地看出T形溝槽轉變為矩形溝槽，此時，其產生的流體動壓效應增大，從而提高了織構化表面的整體承載能力，降低織構化表面摩擦力，減小摩擦因數。

圖8 不同寬度系數比時溝槽橫截面示意

同理，在寬度系數比相同的情況下分析深度系數比的變化對摩擦因數的影響。對比一至五組摩擦因數可得，隨著深度系數比的增加，摩擦因數先減小后增加，在深度系數比為40～60時摩擦因數最優。深度系數比較小的時候，相對較小，相對較大，T形槽下部分深度較淺，其整體承壓能力較差，油膜承載力較差；同時，由于下部分深度較淺會導致渦流區較小，其渦流強度大小反映出的油液慣性效應也會減小。隨著深度系數比的增加，和的相對尺寸發生變化，由于的增加增強了織構上下兩部分的協同效果，且隨著流體動壓區域增大及渦流強度的增加，油膜承載力增強，摩擦因數減小，在深度比為40～60時，2種影響因素使油膜承載力達到最優。當再次逐漸增加，織構協同效果降低，且表面剪切力增大，進而使得摩擦力增大，摩擦因數減小。

4 結論

(1)T形溝槽織構可以產生較好的動壓效應，使得油膜內部壓力發生梯度變化，并且在織構內部沿速度方向，油膜內壓力在T形溝槽織構左端先出現了壓力分散，而織構右端壓力升高，形成了動壓效應。

(2)在流體動壓潤滑狀態下，T形溝槽寬度系數的增大，使流體動壓區域得到擴大，進而提高了油膜承載力，摩擦因數減小。寬度系數比大于40%后，T形溝槽上下兩部分的協同作用減弱，同時織構右端的渦流強度減弱，油液慣性效應減小，使油膜承載能力下降。寬度系數比增大到1時，T形溝槽織構轉變為矩形織構，增強了動壓效應。最優寬度系數比為40%。

(3)T形溝槽深度系數比的增加，使T形溝槽上下兩部分織構的協同作用增大，同時流體動壓區域擴大，承載能力增大。深度系數比過大，會降低兩部分之間的協同作用，承載能力下降。最佳深度系數比為40%～60%。