高副接觸下溝槽形織構對40Cr表面摩擦性能的影響

黃仲，林秉敬，李孝欽

(廈門理工學院機械與汽車工程學院，福建廈門 361024)

0 前言

仿生織構來源于仿生學，自然界中的生物為了生存，會在它們的體表生成各種各樣適應周圍環境的組織結構。近年來，國內外研究者通過各種試驗和數值模擬方式，對仿生織構技術的減摩和抗磨損性能進行了廣泛的研究[1]。吉林大學呼詠等人[2]開展了仿生圓柱滾子模擬齒輪嚙合傳動的研究，發現仿生織構對摩擦學性能有著積極作用，表面潤滑性能改善，抗接觸疲勞能力增強。吉林大學的楊洪秀[3]在活塞表面加工仿生微織構，結果發現對比無織構表面，摩擦磨損性能得到很大提升，原因在于織構可以儲存油液，儲存的潤滑油可以起到二次潤滑和冷卻散熱的作用，進行減摩減震，延長活塞使用壽命。錢權[4]仿照鯊魚皮在隔水管表面加工了溝槽形織構，并且研究了其減阻性能，隨著溝槽數量增加，減阻率先減小再增加，當溝槽數量n=32時，減阻率高達55.3%。MIAO等[5]在缸套上加工織構，開展了缸套-活塞環的低副面面織構摩擦性能研究，結果表明添加織構性能得到提升。DING等[6]對密封圈的DLC 薄膜上的織構表面的端面密封性能展開了研究，結果表明低副端面之間的振動摩擦性能得到了好的提升。目前，織構的減摩降磨性能研究主要集中在面面低副接觸的情況下，針對點面、線面等高副接觸下的織構對表面摩擦學性能影響的研究仍然較為少見。

織構類型多種多樣，有凹坑形、溝槽形、凸包形等[7]。針對不同的表面特性需求，加工的織構也不一樣，較為常見的是凹坑形織構和溝槽形織構。矩形溝槽織構主要借鑒于蚯蚓頭部的紋理結構[8]。蚯蚓在土壤里爬行過程中，頭部的溝槽織構能起到減阻耐磨、防止蚯蚓受傷的作用。

本文作者將蚯蚓體表結構簡化出如圖1所示的矩形溝槽[9-10]，其中W為溝槽織構寬度，L為溝槽織構長度，s為溝槽織構間距，H為溝槽織構深度。通過矩形溝槽形織構化表面的流體動壓模型的仿真求解和銷盤式摩擦試驗研究，綜合分析點面高副接觸下矩形溝槽形織構化表面的潤滑特性，及其織構參數對摩擦性能的影響。

圖1 溝槽表面織構幾何尺寸

1 微溝槽織構表面的潤滑理論及其數學計算模型

1.1 接觸副表面流體動壓潤滑理論

動壓潤滑原理是在油潤滑工作條件下通過摩擦副上下表面間形成不等的流體壓力呈現出流體動壓效果[11]。織構化試樣表面流體動壓潤滑如圖2中所示，其中U為上下表面的相對速度，潤滑液在收斂區域形成正壓力，發散區域產生負壓。潤滑液在收斂區域與發散區域由于空化現象的產生形成不等的流體壓力，收斂區域大于發散區域，從而產生額外的承載力，起到減摩的作用。所以空化現象越強，產生的額外承載力越大。

圖2 動壓效應示意

1.2 控制方程推導

Navier-Stokes方程(以下簡稱N-S方程)，是描述黏性流體動量守恒的運動方程，在流體力學中有十分重要的意義，應用廣泛的Reynolds方程也是在此基礎上推導出來的。N-S方程求解非常困難和復雜，大部分情況下無法獲得其精確解，一般情況下都是針對具體的情況，通過對方程簡化來獲取近似的結果[12]。在N-S方程的基本假設下，再做出以下假定：

(1)潤滑劑被視為不可壓縮流體且黏度和密度為常數；

(2)沿z平面對稱分布，即考慮二維表面織構情況；

(3)忽略體積力(如重力、磁力等)的作用，忽略對流項；

(4)考慮穩態情況，不考慮黏溫、黏壓效應；

(5)流體流動為定常流動，且壁面流體流速與壁面運動速度相同。

根據上述假設時，描述流體穩態流動簡化后的N-S方程沿x方向為

(1)

沿y方向為

(2)

式中：x、y為坐標向量；u、v分別為沿x、y方向的速度；ρ為潤滑劑密度；η為潤滑劑動力黏度；p為潤滑油油膜壓力。

描述流體穩態流動的連續性方程為

(3)

雖然模型在一定程度上進行了簡化，但通過數值計算的方法來進行求解依舊難以獲取其解析解。文中采用ANSYS下的Fluent模塊來求解該計算模型。

2 CFD仿真模型建立

將圖3織構平面展開得到如圖4(a)長為πD，寬為B的矩形平面區域。圖4(b)為截取的單個溝槽區域，作為仿真的計算單元，W為溝槽寬度，其中T為計算單元的周期長度，文中取值為溝槽寬度的4倍。

圖3 40Cr織構試樣

圖4 40Cr試樣織構平面展開圖(a)及溝槽單元(b)

為了更加直觀地表達溝槽織構摩擦運動時的潤滑情況，考慮單個周期的溝槽和二維情況，選取單元溝槽織構進行仿真求解，建立如圖5所示溝槽織構截面平面仿真模型。

圖5 CFD溝槽織構仿真模型

其中：T為計算單元的周期長度尺寸；h0為摩擦副的最小油膜厚度，對于閉式浸油或富油潤滑狀態，最小油膜厚度h0一般為0.5～0.9 μm[13]，文中設置h0=1 μm；H為溝槽織構深度尺寸；W為溝槽織構寬度尺寸；R為銷的曲率半徑，其值為5 mm。

3 溝槽微織構CFD仿真分析

通過ANSYS的Fluent模塊求解基于N-S方程建立的CFD溝槽織構仿真模型。依托溝槽織構表面流體動壓潤滑理論，在轉速n固定、潤滑條件相同的情況下，采用控制變量法研究溝槽織構寬度、深度對模型流體域上壁面正壓區油膜壓力及動壓性能參數大小的影響規律，進而反映對表面摩擦性能的影響。

文中根據試驗機工況，設置銷的轉速n1=500 r/min，計算得到角速度ω1=52.36 rad/s。

在ANSYS Workbench的DesignModeler中創建二維幾何模型[11]，Mesh模塊下進行網格劃分，采用三角形非結構化網格，設置邊界層3層，生長率為1.2，第一層網格高度0.1 μm，線節點尺寸同樣設置為0.1 μm。然后進入Fluent軟件，開啟多相流混合模型，選用Schnerr &Sauer空化模型，文中分析的是穩態、不可壓縮、定溫、層流狀態下的溝槽織構模型潤滑情況，層流模型Fluent也默認打開。介質為一定密度和動力黏度的潤滑油和空氣，第一相選擇的是流體介質中常用工程油Fuel-oil-liquid，密度以及動力黏度值參考惠克 L-CKC 68 號中負荷齒輪油進行設置，密度ρ設置為850 kg/m3，動力黏度η設置為0.057 97 kg/(m·s)；第二相為空氣，參數保持默認設置。邊界條件的設置中，設置進出口為周期性邊界，上壁面為旋轉移動壁面，上文已求到轉速為52.36 rad/s，下壁面為固定壁面。

求解算法選擇Coupled，迭代求解前進行初始化設定，沿x、y方向的速度初始值以及流體域的壓力初始值均設為0，迭代次數2000。

3.1 仿生溝槽寬度對表面摩擦性能的影響

圖6給出了在織構深度H為10 μm時，不同織構寬度W下的空化氣相圖，圖7為垂直方向油膜承載力曲線。

圖6 不同溝槽寬度下的空化氣相圖

圖7 不同織構深度下油膜承載力曲線

通過空化氣相圖的分布情況來分析溝槽寬度的大小對空化效應的影響程度。不同顏色代表了不同體積分數的空氣，其中紅色部分為空氣體積分數最大的區域。從圖6可以看出：空化效應隨著溝槽寬度的增大呈先增后減的趨勢。這是因為剛開始時織構面積增大，潤滑液在內部的流動距離增加，利于潤滑，但是隨著流動距離繼續增大，容易出現雙峰現象。在織構寬度W從150 μm增加到450 μm時，空氣體積分數不斷增大，空化效應增強。在溝槽寬度為450 μm左右時，存在最大值。

3.2 仿生溝槽深度對齒面摩擦性能的影響

圖8給出了織構寬度W為450 μm時、不同織構深度H下的空化氣相圖，圖9為油膜承載力曲線。從圖8可以看出：織構深度從5 μm變化到10 μm時，空穴區域變大了，紅色區域迅速增加；而從10 μm變化到15 μm時，空穴區域不再增加，反而從中部向內凹陷。這是因為在相同寬度條件下，隨著深度的增加，在長距離的流動中，根據能量守恒定律，潤滑液的流速呈現先增加后減小的趨勢，太深的織構不利于潤滑。

圖8 不同織構深度下的空化氣相圖

圖9 不同織構寬度下油膜承載力曲線

4 試驗驗證

4.1 仿生微溝槽織構的制備

從廠家購置材料為40Cr的φ32 mm×10 mm大小的毛坯試樣，選取粒度分別為200、400、800、1 500、2 000目的金相砂紙進行打磨，再使用拋光機將試樣拋光至Ra<1 μm。采用無水乙醇清洗10 min，風干。然后再使用皮秒激光器在試樣表面加工微織構，參考文獻[14-15]以及前期對激光各種參數的不斷調試，選取激光參數為：脈沖頻率為20 kHz，輸出功率為6 W，掃描速度為100 mm/s。激光加工后，再次使用拋光機拋光工件，清理激光加工時熔融在試樣表面的殘屑，無水乙醇清洗10 min，風干。在40Cr試樣表面加工溝槽微織構的表面形貌如圖10所示，圖11為織構深度10 μm的織構單元微觀圖。使用zygo輪廓儀對試樣微織構表面輪廓進行測量，圖12為微織構試樣的表面輪廓圖樣例，可以看出：微織構的寬度和深度都在微米級尺度，與設計幾何形貌基本一致。

圖10 溝槽織構試樣

圖11 試樣試驗前織構單元微觀圖

圖12 表面輪廓測量圖樣例(10 μm)

4.2 摩擦磨損試驗

使用多功能立式摩擦磨損試驗機在相同載荷和轉速的條件下進行摩擦磨損試驗，如圖13所示，分析不同織構參數對摩擦因數的影響。采用惠克L-CKC68號中負荷油進行潤滑，按照摩擦磨損試驗機載荷范圍，結合試驗室設備條件，選取了一個合適的載荷，載荷約為100 N，轉速控制在500 r/min。每組試驗時間為0.5 h。

圖13 多功能立式摩擦磨損試驗機

4.3 試驗結果

4.3.1 織構寬度對摩擦因數的影響

圖14顯示的是在深度10 μm、不同寬度下織構化表面摩擦因數與時間的關系。可以看出：在織構深度大于380 μm時，織構化表面的摩擦因數明顯低于無織構化表面。這表明在點面高副接觸的情況下，織構化的溝槽表面具有減摩性能。這主要是因為試樣表面的溝槽能儲存潤滑油，從而提高潤滑油膜的形成速率和維持潤滑油膜的存在，進而能顯著降低干摩擦出現的概率和減少摩擦磨損。

圖14 深度10 μm不同寬度下織構的摩擦因數

此外，摩擦因數隨著織構寬度W變大先減小后增大。這是因為剛開始隨著織構變大，潤滑液流速增大，流體動壓效應也隨之加強，產生的流體動壓力起到減摩的作用；而后隨著織構寬度W的繼續增大，空化效應減弱，流體動壓力減小，摩擦因數也隨之增大，與仿真結果具有一致性。

圖15與圖16分別顯示在深度5 μm與15 μm下，不同寬度下織構化的表面摩擦因數與時間的關系圖。從圖15與圖16中可以看出，在不同深度下，織構寬度對摩擦因數的影響規律是一致的，也即，隨著摩擦因數隨著織構寬度W變大先減小后增大。

圖16 深度15 μm不同寬度下織構的摩擦因數

4.3.2 織構深度對摩擦因數的影響

圖17是不同深度下織構化表面的摩擦因數對比柱狀圖，表1是不同織構模型下的摩擦因數的平均值。

表1 不同織構模型下的摩擦因數平均值

圖17 不同深度下織構化表面的摩擦因數

從圖17可以看出：在相同的織構寬度W條件下，隨著織構深度H的增加，摩擦因數先減小后增大。這是因為在流體潤滑時，剛開始織構深度的增加，有利于流體動壓的產生，但隨著織構深度繼續增大，將會增大織構之間潤滑液的流動距離，從而減弱了織構產生的流體動壓效果，從而導致摩擦因數增加。通過摩擦磨損試驗可以得出，在試驗范圍內最佳的微織構參數為：織構寬度W為450 μm，織構深度H為10 μm。

5 結論

(1)構建了點面高副接觸的情況下，仿生溝槽微織構的流體動壓潤滑理論仿真模型，用Fluent仿真求解織構參數對空化效應的影響，得出改變織構參數可以影響空化效果，改變油膜壓力，進而對試樣表面摩擦磨損性能產生影響，空化效果隨著微織構的寬度和深度的增加均是先增加后減小。

(2)在多功能立式摩擦磨損試驗機上進行試驗，研究點面高副接觸的情況下，織構化參數對摩擦因數的影響。結果表明：在織構深度大于380 μm時，織構化表面的摩擦因數明顯低于無織構化表面，摩擦因素隨著微織構的寬度和深度的增加均是先減小后增大，通過改變微織構的參數可以調控摩擦界面的摩擦行為，實現減摩。

(3)通過仿真和摩擦磨損試驗可以得出，仿真與試驗的結果具有一致性。仿生溝槽微織構存在最佳參數，在此試驗范圍內最佳的微織構參數為織構寬度W為450 μm，織構深度H為10 μm。