油潤滑下不同槽寬網(wǎng)狀織構(gòu)表面潤滑特性研究

王超，曾良才，2，3，陳娟，2，伍妮妮，2，鄧江洪，2

(1.武漢科技大學冶金裝備及其控制教育部重點實驗室，湖北武漢 430081；2.武漢科技大學機械傳動與制造工程湖北省重點實驗室，湖北武漢 430081；3.武漢科技大學精密制造研究院，湖北武漢 430081)

0 前言

目前，采用表面織構(gòu)的設(shè)計提高摩擦學性能已經(jīng)成為各界學者研究的熱點。常見的表面織構(gòu)主要有圓形、橢圓形、正方形、三角形和V形[1-4]。表面織構(gòu)已成功應(yīng)用于止推軸承、軸頸軸承、缸套、活塞環(huán)、活塞銷和鉆頭等多種設(shè)備中[2]，以提高表面的摩擦及潤滑性能。相關(guān)研究已經(jīng)證實表面織構(gòu)能夠促進兩表面相對運動時產(chǎn)生收斂油楔，從而將兩表面分隔開，形成流體動壓潤滑，使得潤滑效果更好[5-8]。目前液壓元件廣泛應(yīng)用于各種機械裝備中，但是在液壓元件摩擦副間隙表面，由于潤滑性能的影響使得液壓元件存在潤滑失效及影響壽命的問題，故采用表面織構(gòu)技術(shù)提高間隙表面的潤滑性能[9]。

網(wǎng)狀織構(gòu)作為表面織構(gòu)的典型形狀之一，國內(nèi)外許多學者都對表面織構(gòu)潤滑性能的影響進行了研究。MA等[10]進行了網(wǎng)狀織構(gòu)油膜承載力的數(shù)值分析，通過織構(gòu)參數(shù)預(yù)測最大化油膜承載力。紀敬虎等[11]對交叉溝槽類織構(gòu)進行流體潤滑的數(shù)值分析，研究得出油膜承載力隨著溝槽寬度的增大而增大，存在最佳的溝槽寬度等尺寸使得交叉溝槽所產(chǎn)生的流體動力潤滑效應(yīng)達到最強。徐鵬飛等[12]研究得出：當網(wǎng)紋角度為45°時，摩擦副的摩擦因數(shù)顯著降低，影響摩擦因數(shù)的主要參數(shù)為網(wǎng)狀織構(gòu)寬度，其次為網(wǎng)狀織構(gòu)深度和角度。 SUH等[13]研究發(fā)現(xiàn)：網(wǎng)狀織構(gòu)寬度和角度是影響摩擦學特性的重要參數(shù)。BOUASSIDA等[14]通過數(shù)值分析得出網(wǎng)狀織構(gòu)凹槽寬度、深度以及角度等參數(shù)對承載力的影響不同。何陽等人[15]通過仿真以及實驗的方法研究網(wǎng)狀表面織構(gòu)不同參數(shù)對軸承的摩擦學性能的影響，結(jié)果表明：合適的網(wǎng)狀紋理表面織構(gòu)可改善潤滑條件，提高摩擦學性能。由此可見，現(xiàn)階段關(guān)于網(wǎng)狀織構(gòu)表面的研究大多是針對具體工況下網(wǎng)狀織構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計展開的，少有結(jié)合潤滑油性能和表面潤濕性能進行的。

然而，現(xiàn)有研究表明這兩者對表面的潤滑承載特性有較大的影響，如KOVALCHENKO等[16]對激光表面織構(gòu)在不同黏度潤滑油下的流體動壓潤滑影響進行了研究，得出激光織構(gòu)表面的有益效果在高速度以及高黏度潤滑油工況下更明顯。金微等人[17]研究固/液界面潤濕性對油膜潤滑的影響，得出疏油表面(接觸角大)有較好的成膜能力以及較高的油膜承載力。王權(quán)岱等[18-19]的研究表明：在流體動壓潤滑下疏水表面的摩擦特性要優(yōu)于親水表面，且表面能越大，越多的潤滑油分子被London力吸附到表面，并在力場的作用下形成有序膜，因而潤滑膜越厚，對潤滑越有利。故潤滑油黏度和表面潤濕性對潤滑特性有著很大的影響。

因此本文作者針對4種不同寬度的網(wǎng)狀織構(gòu)表面，通過測量其表面接觸角、油膜承載力和摩擦因數(shù)等綜合分析網(wǎng)狀織構(gòu)對間隙表面潤滑特性的影響，為液壓元件摩擦副間隙表面的設(shè)計提供一定的參考。

1 實驗

1.1 實驗儀器

圖1所示為UTM-3(Bruker，美國)型摩擦磨損實驗機和實驗樣品裝夾示意。采用銷盤對磨的方式進行摩擦實驗。實驗前將40 mm×40 mm方形不銹鋼板用定位銷固定在摩擦機下方旋轉(zhuǎn)油槽中，將端面加工有網(wǎng)狀織構(gòu)的銷形試樣用專用夾具固定在壓力傳感器下方，織構(gòu)化銷端面與不銹鋼板進行旋轉(zhuǎn)對磨。

圖1 實驗裝置示意

1.2 網(wǎng)狀織構(gòu)試樣

圖2所示為網(wǎng)狀織構(gòu)形貌示意，網(wǎng)狀織構(gòu)凹槽間隔長度b，凹槽寬度為c，凹槽角度α，織構(gòu)的深度h。采用銷-盤摩擦副進行摩擦學性能實驗研究。銷的材料為銅鋅合金，盤為不銹鋼正方形板，且厚度為4 mm，利用摩擦實驗機進行動壓潤滑實驗。

圖2 網(wǎng)狀織構(gòu)示意

為了更直觀地表征織構(gòu)的三維形狀和尺寸，采用Contour GT-K(Bruker，美國)白光干涉儀觀測網(wǎng)狀織構(gòu)的表面形貌。實驗中采用4種不同尺寸的網(wǎng)狀織構(gòu)參數(shù)如表1所示，且織構(gòu)深度h為0.1 mm，織構(gòu)凹槽角度α為45°，織構(gòu)凹槽間隔長度b為不變量，值為1.4 mm。

表1 網(wǎng)狀織構(gòu)尺寸參數(shù)

1.3 實驗參數(shù)

實驗前將實驗樣品用無水乙醇進行超聲清洗，自然風干。上試樣(銷)及下試樣(盤)由專用夾具固定在摩擦機傳感器位置及旋轉(zhuǎn)油槽中，保證樣品接觸面的平行位置關(guān)系[20-22]，調(diào)整設(shè)置銷與盤的間隙為4～5 μm，位置傳感器精度為0.01 μm。依次設(shè)置旋轉(zhuǎn)油槽的轉(zhuǎn)速為200、400、600、800 r/min。實驗時間為5 min。整個工作環(huán)境是在2種不同黏度潤滑油的條件下完成，2種潤滑油的密度和動力黏度如表2所示。潤滑油的溫度保持在25 ℃，且實驗環(huán)境溫度為室溫25 ℃。

2 結(jié)果與分析

2.1 接觸角測量

固、液、氣三相的交界點上固-液界面與液-氣界面切線之間的夾角為接觸角[23-24]。圖3所示為靜態(tài)接觸角示意。研究表明，小接觸角的固體表面具有高表面能，而大接觸角的表面具有低表面能[25]，接觸角大于90°的疏水表面有較高的勢能壘[17，26]，液滴鋪展所需的能量阻礙大，具有較高的承載力[27]。

圖3 靜態(tài)接觸角示意

不同尺寸網(wǎng)狀織構(gòu)的接觸角是由光學接觸角/表界面張力測量儀(型號：DropMeterTMExperience A-300)測得，如圖4所示。液滴大小為6 μL，相比于接觸角為86.5°的無織構(gòu)表面，樣品4接觸角角度為126°，具有較低表面能和高勢能壘，疏水性能最佳，承載力表現(xiàn)最好；樣品1、樣品2和樣品3的接觸角分別為114°、119°和122°，具有較高的表面能和較低的勢能壘，疏水性能次之。由此可見在樣品端面加工網(wǎng)狀織構(gòu)可提高該表面的疏水性能，使得固體表面具有低表面能和高勢能壘，可以提高油膜承載力。

圖4 網(wǎng)狀織構(gòu)靜態(tài)接觸角

2.2 潤滑油膜承載性能實驗

圖5所示為相同實驗條件下，2種不同黏度潤滑油、不同轉(zhuǎn)速下油膜承載力的變化，圖中的油膜承載力均值是由實驗過程中100～200 s測得的穩(wěn)定油膜承載力取平均值得出的。理論上，隨著轉(zhuǎn)速的增加，油膜承載力會不斷增大后趨于穩(wěn)定，但實驗過程中在低轉(zhuǎn)速運行時，不同尺寸網(wǎng)狀織構(gòu)油膜承載能力不穩(wěn)定，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速較低時會出現(xiàn)油膜承載力變大的情況，但隨著轉(zhuǎn)速增加，油膜承載力趨于穩(wěn)定。相較于無織構(gòu)表面的油膜承載力，網(wǎng)狀織構(gòu)表面無論加入高黏度潤滑油或低黏度潤滑油，都有利于產(chǎn)生更大的流體動壓，增加油膜承載能力。這是因為浸沒在油液中的兩配合面做相對旋轉(zhuǎn)運動時，表面間隙中產(chǎn)生流體動壓力。研究表明，流體動壓力由網(wǎng)狀凹槽內(nèi)局部空化引起[28]，網(wǎng)狀凹槽的存在使得間隙油膜具有“收斂楔”，能夠提供額外的油膜舉升力，形成足夠壓力的潤滑油膜，進而產(chǎn)生流體動壓潤滑。

圖5 不同網(wǎng)狀織構(gòu)平均化油膜承載力

圖5(a)為采用A類潤滑油(低黏度潤滑油)時，在不同轉(zhuǎn)速下網(wǎng)狀織構(gòu)油膜承載力的變化。在同一黏度潤滑油的不同轉(zhuǎn)速下，油膜承載力都有增大的趨勢，每一個樣品增大的時間不同，樣品油膜承載力前面的不穩(wěn)定變化是由于在轉(zhuǎn)速從無到有、由慢到快的過程中，無法形成完整的油膜。隨著實驗的進行，轉(zhuǎn)速逐漸穩(wěn)定，油膜承載力趨于穩(wěn)定。在轉(zhuǎn)速為200 r/min時，油膜承載力最小為0.002 N。在轉(zhuǎn)速為600 r/min和800 r/min時，織構(gòu)表面進入完全流體動壓潤滑狀態(tài)，且油膜承載力達到最大為0.52 N。網(wǎng)狀織構(gòu)在B類潤滑油(高黏度潤滑油)條件、不同轉(zhuǎn)速下油膜承載力的變化如圖5(b)所示。油膜承載力的大小變化趨勢與低黏度潤滑油下結(jié)果相似，且與低黏度油的測試結(jié)果相比較，實驗結(jié)果更穩(wěn)定，200 r/min油膜承載力最小為0.004 N，600 r/min時油膜承載力最大為0.48 N。

圖6所示為轉(zhuǎn)速為600 r/min時5個試樣不同黏度潤滑油油膜承載力的均值對比。可以看出：高黏度油(B類)總是比低黏度潤滑油(A類)的油膜承載力大。

圖6 600 r/min下網(wǎng)狀織構(gòu)表面的平均油膜承載力

在網(wǎng)狀織構(gòu)角度、凹槽深度都相同的條件下，不同黏度潤滑油、不同織構(gòu)凹槽寬度下呈現(xiàn)不同程度的油膜承載力。對比不同凹槽寬度的網(wǎng)狀織構(gòu)，在低黏度潤滑油下、凹槽寬度為0.2 mm的試樣中，油膜承載力最低為0.002 N，隨著網(wǎng)狀織構(gòu)凹槽寬度依次增加到0.25、0.3、0.4 mm，油膜承載力也依次增加。在高黏度潤滑油下凹槽寬度為0.4 mm的試樣No.4有更好的流體動壓效應(yīng)，油膜承載力最大為0.46 N，即在高黏度潤滑油下試樣No.4的流體動壓和油膜承載力最大，如圖6所示。這表明適當增大寬度和深度的比值有利于改善網(wǎng)狀織構(gòu)間隙表面潤滑效果。

在摩擦實驗過程中，以200、400、600、800 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)并施加5 N的載荷，得到在高黏度潤滑油下不同凹槽寬度對摩擦因數(shù)的影響，如圖7所示。在不同凹槽寬度下對應(yīng)摩擦因數(shù)在0.019～0.109之間波動，隨著網(wǎng)狀織構(gòu)凹槽寬度的增加摩擦因數(shù)呈下降趨勢。網(wǎng)狀織構(gòu)的凹槽寬度為0.2、0.25、0.3 mm時摩擦因數(shù)顯著降低；當網(wǎng)狀織構(gòu)的凹槽寬度為0.4 mm時，摩擦因數(shù)降到最低且波動很小，依此推斷當網(wǎng)狀織構(gòu)凹槽寬度為0.4 mm時，最佳摩擦因數(shù)最小為0.019。由圖7可知：在相同的網(wǎng)狀織構(gòu)下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，摩擦因數(shù)不斷減小，在600 r/min和800 r/min摩擦因數(shù)最小分別為0.019和0.022。由上述分析可知：在高黏度潤滑油下轉(zhuǎn)速達到600 r/min和800 r/min時，油液潤滑的潤滑狀態(tài)進入流體動壓潤滑，使得油膜承載力增大，摩擦因數(shù)減小。

圖7 不同網(wǎng)狀織構(gòu)的摩擦因數(shù)隨速度的變化

分析接觸角、油膜承載力和摩擦因數(shù)關(guān)系可以推測得：接觸角大的疏水表面摩擦因數(shù)越小，對潤滑越有利；且接觸角越大的表面使得樣品表面的勢能壘越高，更有利于油膜的生成，使得油膜承載力增大，摩擦因數(shù)減小。降低摩擦因數(shù)除了考慮疏水性，還可研究如微區(qū)流體動壓、空化、織構(gòu)區(qū)最低壓力等因素。上述推測以及其他影響因素為后面研究減摩機制提供了思路。

3 結(jié)論

為了使液壓元件摩擦副間隙表面有更好的潤滑性能，對4種不同尺寸網(wǎng)狀織構(gòu)表面進行實驗研究，對比分析凹槽寬度對網(wǎng)狀織構(gòu)表面的潤濕性能、油膜承載力和摩擦因數(shù)的影響，通過研究不同轉(zhuǎn)速和不同黏度潤滑油下油膜承載力的變化規(guī)律，探討了表面性能、工況參數(shù)和潤滑性能三者間的相互影響，得到以下結(jié)論：

(1)網(wǎng)狀織構(gòu)在高黏度潤滑油下凹槽寬度為0.4 mm的油膜承載力最大，摩擦因數(shù)最低，流體動壓潤滑性能表現(xiàn)最好，其接觸角為126°，有較好的疏水性能，疏水表面有較高的勢能壘，液滴鋪展所需的能量阻礙大，樣品表面的疏水性越好，油膜承載力越大，流體動壓越明顯，更有利于減摩減阻，提高潤滑性能。

(2)網(wǎng)狀織構(gòu)在高黏度潤滑油下的油膜承載力要優(yōu)于低黏度潤滑油，這是因為采用低黏度潤滑油進行實驗時，油膜不穩(wěn)定。表明黏度越高越利于動壓潤滑，油膜承載力越大，達到穩(wěn)定油膜承載力的時間越快，潤滑性能越好。

(3)轉(zhuǎn)速的變化對油膜承載力有一定的影響，合適的轉(zhuǎn)速更容易形成流體動壓潤滑，油膜承載力更大。當潤滑膜厚度一致時，轉(zhuǎn)速對摩擦因數(shù)的影響不明顯，并且在潤滑油黏度較高時轉(zhuǎn)速對油膜承載力的影響更為明顯。

研究結(jié)果表明：設(shè)計網(wǎng)狀織構(gòu)合適的參數(shù)尺寸時，應(yīng)該綜合考慮潤滑油黏度和兩配合面相對速度這2個因素，同時，進一步證實通過網(wǎng)狀織構(gòu)增強油潤滑摩擦副表面潤滑性能的可行性。