仿生表面織構在農林機械中的研究現狀

張桔幫,王海軍,陳文剛,尹紅澤,井培堯

(西南林業大學 機械與交通學院,昆明 650224)

0 引言

仿生學是人類運用從自然界中發現的機理和規律,借鑒生物身上的某些特性來解決科學問題的交叉型學科。例如,人們探索鳥類昆蟲的某些特性解決航空航天難題,利用水中生物的優勢特點解決船舶問題等。仿生摩擦學通過研究生物(如穿山甲、貝殼、蜣螂、荷葉及豬籠草等)的特殊表面織構和紋理,利用其體表具有優異摩擦學性能的特點,解決機械表面摩擦學問題。在機械設備中,因摩擦副之間的摩擦磨損造成了大量的損耗和能源浪費,故優化機械表面摩擦副的摩擦學性能研究具有重要的意義。國內外研究表明,仿生表面織構(仿照或借鑒生物表面紋理,在摩擦副表面加工出非光滑表面)能夠起到減摩減阻、提高耐磨性能的作用,是繼表面涂層、表面熱處理、潤滑劑改良和潤滑劑填充等技術的又一摩擦學研究方向。為此,論述了國內外仿生表面織構減摩減阻的研究現狀,并探討分析了其在農林機械的應用現狀和前景。

1 自然界中精湛的仿生學設計

生物在漫長的生長進化過程中,體表形成了能夠抵抗風沙侵蝕、增加耐磨性和減阻潤滑等特點的優秀生物摩擦學紋理結構,以應對復雜多樣的自然環境。例如,穿山甲鱗片表面具有平行于摩擦方向的細致紋理,能夠減小磨損降低土壤對自身的損傷;鯊魚皮表面具有減阻結構,能夠減小海水阻力從而快速游動;貝殼具有很好的力學性能,表面織構能夠減小海水泥沙的侵蝕;沙漠蜥蜴體表具有微凸起,能夠抵抗風沙的沖蝕;蜣螂頭部非光滑表面具有降阻減粘的作用;蚯蚓體表的紋路和潤濕性具有減粘減阻的作用;荷葉表面具有良好的疏水結構,能夠自我清潔等。目前,國內外學者們主要采用顯微分析及數值模擬等方式對生物表面微織構開展全面的研究。

馬云海等以穿山甲鱗片為研究對象,對其紋理橫、縱兩個模式下與土壤磨料進行磨損實驗,發現穿山甲鱗片紋理與其滑動方向的取向對其摩擦磨損性能密切相關:磨料的滑動速度越低,磨損量的比值就越大;穿山甲鱗片的橫向紋理試樣磨損量是縱向紋理試樣磨損量的2～3倍,縱向紋理形態比橫向紋理形態表現出更好的耐磨性。高峰等對新疆巖蜥與變色沙蜥的體表織構進行了顯微分析和研究,采用PU-6400型雕刻機分別在45鋼、硬鋁合金和超高分子量聚乙烯上加工仿生表面凹坑織構,并進行抗沖蝕摩損性能實驗。研究發現:新疆巖蜥和變色沙蜥體表鱗片的排列與鱗片形狀的耦合形成了典型的溝槽結構,能減小風沙侵襲過程中砂礫對身體的沖蝕磨損,減輕對自身的損傷;且某些不具備高硬度的材料經過適當的表面織構化處理后,也具有優良的抗沖蝕磨損性能。

秦立果等通過掃描電子顯微鏡獲取鯊魚盾鱗的微觀結構(見圖1),構建出簡化的幾何模型單元,并設計了不同分布規則和排布的非光滑仿生結構表面。其利用fluent軟件對建立的計算域模型進行流體動力學仿真,數值模擬結果表明:仿生非光滑表面均減少了摩擦阻力;當入口速度為5m/s時,對齊排布的簡化盾鱗結構表面的減阻率可達到17.86%。吳娜等對蜣螂頭部進行激光三維掃描分析處理,建立了簡化的三面楔模型,并進行了不同運動方向的受力分析,發現蜣螂唇基的形狀使得蜣螂在挖土打洞的過程中受到較小的阻力,還能通過頭部轉動調節楔角的大小,減小推土阻力和挖掘阻力。Liu等利用3D激光掃描儀掃描蚯蚓的波紋體表面,提取蚯蚓表面紋理曲線,并采用3D打印技術以光敏樹脂為原料打印仿生試樣,研究用于潤滑和減阻的土壤接合部件的減阻性能。試驗結果表明:仿生樣品具有很好的降阻性能,減少阻力率為22.65%～34.89%。

圖1 生物鯊魚皮的SEM圖[18]Fig.1 SEM diagram of biological shark skin

2 仿生表面織構加工、形貌類型及減摩減阻機理

2.1 仿生表面織構加工、形貌類型及研究

目前,仿生表面織構的加工方式主要包括電火花加工、激光加工、電解加工、軟刻蝕、掃描探針刻蝕及電化學沉積技術等,且隨著仿生對象的多樣化,仿生織構的形狀也在不斷創新,其形貌主要有槽型[28]、網形[29]、橢圓形[30,31]、三角形[32,33]、菱形[34]、六邊形[35]、圓形[36]、組合形[37]及箭頭形等。

Lu等采用微EDM(電火花加工)切割技術在Ni3Al合金表面加工等間隔的凹槽覆蓋整個樣品表面(見圖2),并采用激光添加劑制造技術,將固體潤滑劑Sn-Ag-Cu粉末填充到表面微槽中,研究表面微織構和固體潤滑劑協同作用對Ni3Al合金摩擦磨損性能的影響。實驗結果表明:表面微織構和固體潤滑劑協同下的Ni3Al合金摩擦磨損性能優異;在接觸界面上形成的固體潤滑膜可減少Ni3Al基質之間的直接接觸;在摩擦作用下的界面處產生的Ni3Sn2,用作連接Ni3Al基質和Sn-AG-Cu合金的轉運層,促進了自適應摩擦結構的形成。黃明吉等采用LQL-F20A型激光打標機在316L不銹鋼微絲表面加工出不同深度和間距的網狀織構,并采用往復式小行程微動摩擦磨損試驗機進行實驗。實驗結果表明:對不銹鋼微絲表面進行網狀織構化處理,可提高其摩擦磨損性能;相同條件下網狀織構化試樣與無織構試樣相比,摩擦因數降低了28%,磨損深度降低了72%。厲淦等采用激光微加工技術在316L不銹鋼表面加工出溝槽型微織構,并采用往復式摩擦磨損試驗機進行摩擦磨損對比實驗。實驗結果表明:織構試樣與無織構試樣相比,織構試樣表面摩擦因數減小且具有更好的耐磨性;織構的結構參數對摩擦磨損性能有重要影響,當溝槽寬度為100μm、間距為200μm時,減摩抗磨性能最佳。

Zhong等采用激光加工技術在AISI-1045鋼的表面加工出六邊形紋理試樣,以研究織構幾何特征和操作條件對摩擦性能的影響。實驗結果表明:表面紋理區域密度為25%的六角形紋理試樣具有最小的摩擦因數,其與光滑的表面相比,可將摩擦因數降低至41%。其中,滑動取向角為θ=0°和θ=90°方向的紋理試樣表面可以產生較大的承載力和較低的摩擦因數。張幼軍等采用激光加工技術在304不銹鋼表面進行織構化處理,加工出了圓形、三角形、矩形3種表面織構試樣,并采用UMT TriboLab摩擦磨損試驗機對式樣進行摩擦磨損性能分析。實驗結果表明:圓形微織構流體動壓潤滑效果最顯著,減摩抗磨性能最好,三角形微織構次之,矩形微織構最差;相同速度、載荷與潤滑劑條件下,微織構直徑大于160μm時,摩擦因數減小趨勢變緩,微織構間距為200μm時摩擦因數最小。鄭清春等采用激光加工技術在鈦合金試樣盤表面制備菱形織構,并建立織構化關節表面流體動壓潤滑數學模型,分析研究織構幾何參數(菱形織構對角線長度b和深度hp)對摩擦性能的影響規律。實驗結果表明:隨著菱形織構參數b和深度hp的增加,摩擦因數呈先增加后減小的趨勢;在菱形織構參數b為447μm、深度hp為10μm時,存在最小摩擦因數為0.14。該研究表明,微織構的存在能夠實現流體動壓潤滑效應,從而改善關節副的摩擦學性能。謝永等采用激光加工技術在304鋼表面制備三角形微織構試樣,并采用MRTR-1多功能摩擦磨損試驗機進行對比實驗,探究不同旋轉直徑(15、25、35mm)及不同轉速(100、200、300r/min)下三角微織構試樣的摩擦磨損性能。實驗結果表明:三角微織構試樣的摩擦磨損性能優異,與無織構試樣相比,平均摩擦因數明顯降低,最大降幅達14.89%;在旋轉直徑為35mm、轉速為300r/min的條件下,減摩抗磨性能更佳。

T10、T19、T28、T35為編號,溝槽密度分別為10%、19%、28%和35%圖2 表面溝槽和溝槽沉積顯微圖像[38]Fig.2 Microscopic images of surface grooves and groove deposits

2.2 仿生表面減摩減阻機理

仿生表面織構的減摩減阻機理與摩擦副之間的摩擦形式密切相關,在干摩擦、邊界潤滑、流體潤滑及混合潤滑等不同條件下,減摩機理也不同,具體如下:①干摩擦條件下,摩擦副表面脫落下來的磨粒和磨屑會加劇磨損,而仿生表面織構能有效儲存磨損脫落的磨粒和磨屑,達到“儲存池”的效果,減小磨損;同時,仿生表面織構有效減少了摩擦副表面的實際接觸面積,進而起到降低摩擦、減小磨損的作用。②邊界潤滑或混合潤滑條件下,仿生表面織構儲存磨粒和磨屑的同時也能儲存潤滑劑,兩摩擦副之間的相對運動和在一定載荷作用下,接觸表面會發生一定的擠壓變形,從而擠出表面織構內儲存的潤滑液,達到“二次潤滑”的效果,既減小摩擦,也在一定程度上起到防止咬合的作用。③流體潤滑條件下,存在流體的動壓潤滑作用。流體動壓潤滑常伴隨“空化”現象的產生,當摩擦副的上下表面產生相對速度U時,潤滑液在收斂區域形成正壓力,發散區域產生負壓,但空化現象會抑制負壓力的產生,導致正壓大于負壓(見圖3),這種不對稱的壓力使得潤滑膜具備了一定的承載力,分開摩擦副表面,獲得較小的摩擦因數。

3 仿生表面在農林機械中的應用

仿生表面織構是改善摩擦磨損性能的重要研究方向,目前該領域在農林機械中的研究及運用也逐漸得到拓展。

圖3 流體動壓潤滑機理示意圖[42]Fig.3 Schematic diagram of hydrodynamic lubrication mechanism

王立冬等參照狗獾爪趾曲線和穿山甲鱗片表面結構,設計了6種不同型號的雙耦合仿生減阻深松鏟,并通過田間實驗和離散元法仿真模擬,驗證了雙耦合仿生減阻深松鏟的減阻及防粘附性能,發現雙耦合仿生深松鏟具有良好的減阻性能。實驗結果表明:F5-40型雙耦合仿生鏟(見圖4)減阻效果最為理想,在30cm和35cm耕深下的平均減阻率分別為17.42%、27.24%;同時,仿生凹槽結構的深度、邊緣圓角大小對深松作業有影響,凹槽深度越深減阻效果越好,土壤擾動也越小。Li等受穿山甲鱗片結構的啟發,用3D打印獲得了具有穿山甲鱗片結構的仿生表面板,設計出一種新型仿生馬鈴薯挖掘鏟,如圖5所示。

圖4 深松鏟模型圖[52]Fig.4 Model diagram of deep loosening shovel

圖5 仿生馬鈴薯挖掘鏟示意圖[53]Fig.5 schematic diagram of bionic potato digging shovel

通過離散單元法(DEM)模擬實驗和物理測試實驗,研究粘性土質地區土體與挖掘機的粘結阻力特性,發現在合適的參數下,仿生鏟的減阻性能優于普通鏟。物理測試結果表明:與普通鏟相比,最佳參數仿生鏟樣品在土槽試驗中的減阻率為22.26%,在野外試驗中的減阻率為14.19%,為仿生鏟的工程應用和結構參數優化提供了基礎參考數據。羅震等參照土壤動物蜣螂的體表特性,設計出表面具有球冠形凸包的仿生栽植器,并通過離散元仿真分析和田間實驗的方式,探究仿生栽植器的降阻減粘效果。仿真結果表明:相較于普通栽植器,仿生栽植器具備一定的降阻效果,入土深度最大時,仿生栽植器所受總應力減小了7.6%。田間試驗表明:相較于普通栽植器,仿生栽植器最高減粘率為57.71%,最低為21.89%。Wu等基于已建立的仿真模型,模擬和優化曲柄軸承表面的織構紋理,以提高軸承表面油膜壓力,降低摩擦因數。仿真結果表明:在曲柄軸承表面上設計的織構紋理對改善潤滑效應和摩擦損失具有明顯作用,優化后的紋理,最大油膜壓力增加了44.8%,而接觸區域的接觸力最大值和摩擦因數明顯減少了22%和25%,為仿生表面織構在軸承中的應用提供參考。

馬浩等在316L不銹鋼試樣表面制備出深度為1mm的圓柱形凹坑、圓錐形凹坑、柱球形凹坑3種形狀的仿生非光滑表面,研究低速大扭矩水壓馬達配流盤的耐磨性,發現仿生非光滑表面的凹坑可以有效存儲海水和磨屑,降低磨料磨損,能有效提升低速大扭矩水壓馬達配流摩擦副的摩擦學性能。其中,面積分布率為15%的圓錐形凹坑仿生非光滑表面配流盤為改善應力分布、提高耐磨性能的最佳表面形態。李偉光等采用納米級脈沖激光器在硬質合金(YG8)表面加工微坑織構,研究木材參數(如含水率、木材切面、纖維方向和運動速度等)對木材與硬質合金摩擦副中摩擦因數的影響規律。實驗結果表明:在橫切面上微坑直徑越小,摩擦因數越大。其中,運動速度和木材含水率對表面摩擦因數有較大影響,木材中的自由水有利于降低合金刀具與木材表面間的摩擦因數,當含水率為生材狀態時,表面微坑織構更有利于降低摩擦因數。該研究為仿生表面技術在木材切削刀具的優化提供參考和指導。孫健峰等仿照蚯蚓頭部舒張形態下的表面織構形貌,在SK-5彈簧鋼表面加工出寬度為138.3μm、深度33.5μm的微溝槽,設計出一種蚯蚓仿生微織構刀具(見圖6),并通過摩擦磨損試驗和剪切試驗研究電動修剪機仿生刀具的摩擦磨損性能。研究結果表明:載荷為300g時,溝槽間距為1.3mm的仿生刀具體積磨損量最小;載荷為400g時,間距為1.6mm的仿生刀具摩擦因數和體積磨損量最小,具有明顯減磨特性;載荷為500g時,間距為1.6mm的仿生刀具摩擦因數最小。相同剪切次數下,溝槽間距1.6mm的仿生刀具能有效提升刀具抗磨性能,且樹枝直徑越大微織構刀具抗磨效果越明顯。趙雄等仿照土壤動物步甲的大顎表面結構,在樹木移植機鏟片表面加工出球冠形凸起,對鏟片進行受力分析并建立力學模型,探究仿生鏟片切削土壤時所受阻力特性,以改善整機能耗問題。仿真結果表明:鏟片最佳切削角為83°,表面最佳凸起直徑為14mm,凸起中心距為4mm,凸起高度為4mm。對比實驗表明:仿生鏟片有效減阻為11.11%,證明了仿生非光滑鏟片具有較好的減阻特性,為樹木移植機減阻降耗提供參考。

(a)剪切直徑15mm樹枝試驗的磨損面積與剪切次數關系圖

(b)無織構刀具 (c)1.6mm間距微織構刀具圖6 剪切試驗與刀具[58]Fig.6 Shear test and cutting tools

4 展望

大量的研究表明,仿生表面織構能有效改善機械摩擦副的摩擦學性能,對優化摩擦因數、磨損量、承載能力及阻力系數等參數有重要意義。目前,仿生表面技術已在發動機氣缸、活塞環、軸承、刀具及沖壓模具等領域得到廣泛運用。就現階段而言,仿生表面技術在農林機械中的研究及運用仍需注意以下幾點:

1)目前,仿生表面織構技術的研究工作大多是以重復性的對比實驗來開展,缺乏理論模型的建立和仿真模擬研究。因此,理論模型的建立和仿真方法的探索是今后研究的主要方向。

2)在對材料、仿生形貌、織構深度及最佳織構占比等參數研究的同時,還應結合農林機械工況惡劣的特點,進行特定工況條件的研究設計。

3)充分吸收國內外研究成果,結合仿生表面技術優勢特點,對筑床機、移栽機、插條機、深松機等具有觸土部件的機具進行研究設計,以此來解決農林機械觸土部件摩擦磨損問題,提高其工作效率和服役壽命。

4)木材加工機械中,主要采用新型超硬材料、陶瓷材料及表面處理技術等來提高刀具的耐磨減阻性能。同時,應加強仿生表面技術在該領域的研究及應用,以解決加工難題。