湯勇 唐恒 萬(wàn)珍平 袁偉 陸龍生 李宗濤

(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院∥廣東省功能結(jié)構(gòu)與器件智能制造工程實(shí)驗(yàn)室， 廣東 廣州 510640)

減少運(yùn)動(dòng)部件的摩擦、磨損，提高機(jī)械系統(tǒng)的承載能力和服役壽命，一直是摩擦學(xué)研究領(lǐng)域的重要課題.現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)摩擦副表面的潤(rùn)滑、防護(hù)和抗磨減摩等性能提出了更高的要求，這也促使研究者致力于探索新的表面處理方法來(lái)提高材料的抗磨性能.近年來(lái)，表面織構(gòu)技術(shù)作為一種降低摩擦、減小磨損和提高表面承載力的有效手段已得到廣泛認(rèn)可[1- 2]，并已被成功應(yīng)用于眾多領(lǐng)域[3- 7].其中，以在內(nèi)燃機(jī)缸套-活塞環(huán)[5]、軸承[6]和機(jī)械密封[7]等流體潤(rùn)滑狀態(tài)下的應(yīng)用最為廣泛，其原理主要是利用織構(gòu)產(chǎn)生的附加動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)來(lái)提高表面承載能力并降低表面摩擦.

Hamilton等[8]于1966年最先提出通過(guò)表面織構(gòu)來(lái)改善摩擦副之間的潤(rùn)滑性能，發(fā)現(xiàn)加工含微凸體的旋轉(zhuǎn)軸密封端面能夠形成附加的動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)，從而增強(qiáng)摩擦副的承載能力和降低摩擦系數(shù)，并通過(guò)對(duì)表面微凸體楔形效應(yīng)及空穴效應(yīng)的研究得到了動(dòng)壓潤(rùn)滑油膜的形成機(jī)制.1996年，Etsion等[9]建立了織構(gòu)化機(jī)械密封在流體動(dòng)壓條件下的潤(rùn)滑模型，從理論上分析了表面織構(gòu)的減摩效果.此后，表面織構(gòu)在改善摩擦學(xué)性能方面的效能開(kāi)始受到廣泛關(guān)注.目前，隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，有關(guān)表面織構(gòu)的研究日趨增多，與此同時(shí)，流體動(dòng)壓潤(rùn)滑作為摩擦較小的潤(rùn)滑形式，其在表面織構(gòu)中的應(yīng)用也得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛重視.然而，大量的研究表明，表面織構(gòu)的流體動(dòng)壓潤(rùn)滑性能受諸如織構(gòu)幾何形狀、織構(gòu)分布形式及織構(gòu)幾何參數(shù)等眾多因素的影響，如何在特定工況下對(duì)表面織構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其達(dá)到最優(yōu)的潤(rùn)滑減摩效果，成為了當(dāng)前摩擦學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).到目前為止，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在理論與試驗(yàn)方面對(duì)流體潤(rùn)滑狀態(tài)下摩擦副織構(gòu)化表面的摩擦學(xué)性能開(kāi)展了大量研究，并取得了一定的學(xué)術(shù)成果.

文中對(duì)表面織構(gòu)流體動(dòng)壓潤(rùn)滑性能的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，回顧了表面加工技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，闡述了表面織構(gòu)的形態(tài)特征及流體潤(rùn)滑機(jī)制，討論了表面織構(gòu)形狀和方向、表面織構(gòu)分布、表面織構(gòu)參數(shù)、表面粗糙度、速度和載荷等因素對(duì)織構(gòu)化表面潤(rùn)滑減摩性能的影響，總結(jié)了表面織構(gòu)流體潤(rùn)滑理論的研究現(xiàn)狀，指出了當(dāng)前表面織構(gòu)在潤(rùn)滑減摩應(yīng)用中存在的問(wèn)題，并進(jìn)行科學(xué)預(yù)測(cè)與展望.

1 表面織構(gòu)簡(jiǎn)述

1.1 表面織構(gòu)加工技術(shù)

表面織構(gòu)加工技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)表面織構(gòu)微觀形貌幾何參數(shù)可控性的關(guān)鍵.隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種先進(jìn)的表面織構(gòu)加工技術(shù)，主要包括：激光表面織構(gòu)技術(shù)(LST)[7]、基于X射線光刻技術(shù)的MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))加工技術(shù)(LIGA)[10]、反應(yīng)離子蝕刻技術(shù)(RIE)[11]、壓刻技術(shù)[12]、表面噴丸處理技術(shù)[13]、數(shù)控振動(dòng)加工技術(shù)[14]和光刻微細(xì)電解加工技術(shù)[15]等.LIGA和RIE加工過(guò)程復(fù)雜且成本較高；噴丸處理對(duì)環(huán)境污染較大且加工精度較低；數(shù)控振動(dòng)加工技術(shù)只能對(duì)圓柱形零件表面進(jìn)行加工，應(yīng)用范圍較窄；而激光表面織構(gòu)技術(shù)由于加工速度快、加工材料范圍廣、對(duì)織構(gòu)形狀及尺寸易于控制等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于表面織構(gòu)加工領(lǐng)域.然而，每種加工技術(shù)在加工過(guò)程中都存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況加以選擇.圖1所示為通過(guò)上述表面織構(gòu)加工技術(shù)加工完成的各種不同形態(tài)特征的表面織構(gòu)形貌，其中平行凹槽、圓形和矩形凹坑為應(yīng)用最廣的3種表面織構(gòu).目前，對(duì)于表面織構(gòu)在潤(rùn)滑減摩方面的研究主要以凹坑形和凹槽形為主，對(duì)凸包形和鱗片形的表面織構(gòu)研究較少.

圖1 表面織構(gòu)形態(tài)特征Fig.1 Morphological characteristics of surface textures

1.2 表面織構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

大量試驗(yàn)研究表明，組成表面織構(gòu)的微凹坑的幾何參數(shù)是影響表面織構(gòu)流體動(dòng)壓潤(rùn)滑性能的主要因素.圖2為徑向滑動(dòng)軸承表面織構(gòu)的圓形凹坑和方形凹坑參數(shù)示意圖，其他形狀的微凹坑均可采用類(lèi)似的表達(dá)形式對(duì)其幾何參數(shù)進(jìn)行描述.

表面織構(gòu)上的任意一個(gè)微凹坑均可通過(guò)三維形貌(基本形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu))和尺寸(基本尺寸和深度)來(lái)進(jìn)行描述.目前，文獻(xiàn)中普遍采用參數(shù)λ(深徑比，λ=htexture/l；htexture和l分別為微凹坑的最大深度和沿滑動(dòng)方向的長(zhǎng)度；當(dāng)微凹坑為圓形時(shí)，l為凹坑的直徑)來(lái)對(duì)微凹坑的特征進(jìn)行描述.然而，僅采用參數(shù)λ還不能完全反映出微凹坑的基本形狀和內(nèi)部特征.因此，從整個(gè)接觸區(qū)域出發(fā)，表面織構(gòu)還可以采用微凹坑面積率B(B=Atextured/Ac=αβ)、表面織構(gòu)密度ρtexture和相對(duì)微凹坑深度S(S=htexture/h0)等參數(shù)對(duì)其特征進(jìn)行描述.其中：Atextured為凹坑所在區(qū)域面積，Ac為零件表面面積，α(α=Xtextured/Xc)被

圖2 徑向滑動(dòng)軸承的表面織構(gòu)參數(shù)

Fig.2 Surface texturing parameters for radical sliding bearings

定義為織構(gòu)沿x軸方向的擴(kuò)展，β(β=Ytextured/Yc)被定義為織構(gòu)沿y軸方向的擴(kuò)展.在極坐標(biāo)系中，α=φtextured/φc被定義為織構(gòu)沿圓周方向的擴(kuò)展，β=Ytextured/Yc被定義為沿徑向的擴(kuò)展，如圖3所示.對(duì)于均勻分布的微織構(gòu)，可采用表面織構(gòu)密度ρtexture來(lái)對(duì)其進(jìn)行描述，相應(yīng)的表達(dá)式為：ρtexture=Atexture/Acell或ρtexture=NAtexture/Atextured，N為微凹坑的數(shù)量，Acell為微凹坑單元所占面積，Atexture為微凹坑所占面積.在一些收斂接觸中，還可采用收斂比K(K=h1/h0-1)進(jìn)行描述.但是，在使用以上參數(shù)對(duì)微凹坑進(jìn)行描述時(shí)需要特別注意以下兩點(diǎn)：有些文獻(xiàn)中出現(xiàn)的高度比Hr(Hr=(htexture+h0)/h0=S+1)常被誤認(rèn)為是相對(duì)微凹坑深度S；在局部織構(gòu)中Atextured≠Ac.在上述的表面織構(gòu)參數(shù)中，λ、ρtexture、S、α和β被認(rèn)為是對(duì)表面織構(gòu)摩擦學(xué)性能影響最大也是最重要的設(shè)計(jì)參數(shù).

2 各參數(shù)對(duì)表面織構(gòu)潤(rùn)滑性能的影響

表面形貌對(duì)摩擦副的摩擦行為及潤(rùn)滑性能有很大的影響，通過(guò)在摩擦副表面加工出具有一定規(guī)則形貌的織構(gòu)，可以顯著改善摩擦副的摩擦特性和潤(rùn)滑效果.大量試驗(yàn)研究表明，流體潤(rùn)滑狀態(tài)下表面織構(gòu)的摩擦學(xué)性能會(huì)受到表面織構(gòu)形狀和方向、表面織構(gòu)分布、表面織構(gòu)參數(shù)、表面粗糙度以及速度、載荷等工況參數(shù)的影響.

2.1 表面織構(gòu)形狀和方向的影響

球帽形凹坑(底部為球帽形的圓形凹坑)(見(jiàn)圖2(a))和平底方形凹坑(見(jiàn)圖2(b))是目前最常用的2種表面織構(gòu)形貌.近年來(lái)，隨著表面織構(gòu)加工技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了各種不同形態(tài)特征和復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的表面織構(gòu)，如圖1和4所示.

圖3 密封圈和推力滑動(dòng)軸承的表面織構(gòu)參數(shù)Fig.3 Surface texturing parameters for seals and thrusting bearings

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已就表面織構(gòu)幾何形狀對(duì)摩擦副表面動(dòng)壓滑潤(rùn)性能的影響做了大量研究.Qiu等[16]在氣體潤(rùn)滑軸承中對(duì)球帽形凹坑、橢圓體凹坑、平底圓形凹坑、平底橢圓形凹坑、平底三角形凹坑和平底V形凹坑6種不同形貌微凹坑的摩擦磨損性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在相同測(cè)試條件下，橢圓體凹坑能獲得最大的潤(rùn)滑膜承載力，是最佳的幾何形貌選擇.然而，由于橢圓體凹坑的加工過(guò)程復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中多采用更容易加工的球帽形凹坑來(lái)替代橢圓體凹坑.

Nakano等[17]采用銷(xiāo)-盤(pán)法摩擦磨損實(shí)驗(yàn)在潤(rùn)滑條件下對(duì)平行凹槽、網(wǎng)狀凹槽和圓形凹坑的摩擦學(xué)性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)圓形凹坑可以有效降低表面摩擦，且摩擦系數(shù)低于光滑表面，而平行凹槽和網(wǎng)狀凹槽的摩擦系數(shù)均高于光滑表面.然而，呂文斐等[18]通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出了完全相反的研究結(jié)果，他們采用YAG納秒激光器在45#鋼板表面制備出3種不同間距的點(diǎn)、槽和網(wǎng)格紋理，并考察了其在不同潤(rùn)滑狀態(tài)下的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格狀形貌表面相對(duì)于點(diǎn)和凹槽形貌表面具有更小的摩擦系數(shù)和更好的耐磨性.

Yu等[19]采用數(shù)值方法研究了具有不同形狀及方位的微凹坑在動(dòng)壓潤(rùn)滑條件下的潤(rùn)滑膜壓力分布情況，發(fā)現(xiàn)微凹坑形狀及方位對(duì)潤(rùn)滑膜承載力有很大的影響，在所研究的微凹坑形狀及方位中，當(dāng)速度方向垂直于橢圓形的長(zhǎng)軸方向時(shí)，能夠產(chǎn)生最大的潤(rùn)滑膜流體動(dòng)壓力，從而提高表面織構(gòu)的潤(rùn)滑性能.該團(tuán)隊(duì)[20]還采用化學(xué)刻蝕的方法在商用發(fā)動(dòng)機(jī)缸套用硼銅合金鑄鐵上加工了圓形、正方形和橢圓形的3種微凹坑表面織構(gòu)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在相同面積率下，橢圓形微凹坑能得到最佳的減摩效果.

Costa等[21]采用織構(gòu)化平面與圓柱體作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，研究了圓形微凹坑、平行凹槽和V形凹槽對(duì)表面流體動(dòng)壓潤(rùn)滑性能的影響，發(fā)現(xiàn)V形凹槽能夠有效增大動(dòng)壓潤(rùn)滑膜的厚度，而平行凹槽產(chǎn)生的流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效果最差；實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)平行凹槽的開(kāi)槽方向?qū)α黧w動(dòng)壓力也有一定的影響，但會(huì)受到載荷大小的制約——在較高載荷下，由于摩擦副表面的接觸寬度變大，垂直于速度方向上的凹槽在接觸區(qū)域內(nèi)的比例相對(duì)增大，從而增強(qiáng)了流體動(dòng)壓效應(yīng)，提高了油膜厚度.然而，Yuan等[22]利用往復(fù)式摩擦試驗(yàn)法研究了凹槽方向?qū)Ρ砻婵棙?gòu)潤(rùn)滑性能的影響，得出了與Costa等相反的結(jié)論，即在較低的載荷下垂直于速度方向的凹槽具有更好的減摩效果.但在大多數(shù)情況下，凹槽方向與速度方向成一定夾角時(shí)其減摩效果會(huì)更好.

微凹坑邊緣與摩擦副表面之間形成的收斂楔是表面織構(gòu)產(chǎn)生潤(rùn)滑膜流體動(dòng)壓力的主要原因，然而，不同的微凹坑橫截面形狀會(huì)形成不同的收斂楔，從而導(dǎo)致不同的潤(rùn)滑膜流體動(dòng)壓力.Nanbu等[23]研究了不同底部特征的表面織構(gòu)對(duì)金屬試件表面彈流潤(rùn)滑性能的影響，相關(guān)示意如圖4所示，結(jié)果表明織構(gòu)底部具有微楔形或微階梯形的凹坑能增加潤(rùn)滑油膜的厚度.但是，Shen等[24]所得到的研究結(jié)果卻恰恰相反，他們通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)對(duì)3種不同底部特征的圓形凹坑圓盤(pán)的表面動(dòng)壓潤(rùn)滑性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)平底圓形凹坑具有最大的潤(rùn)滑膜承載能力.

圖4 不同底部特征的表面織構(gòu)Fig.4 Surface textures with different bottom shapes

通過(guò)以上研究發(fā)現(xiàn)：在相同的摩擦工況下，可以通過(guò)優(yōu)化表面織構(gòu)形狀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)提高其表面在流體潤(rùn)滑條件下的潤(rùn)滑減摩性能.但實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，接觸類(lèi)型和摩擦工況往往不盡相同，所以在織構(gòu)的選擇上難以形成統(tǒng)一的結(jié)論.不過(guò)，橢圓、V形等非軸對(duì)稱(chēng)織構(gòu)在提高潤(rùn)滑膜承載力和降低表面摩擦系數(shù)方面的能力要普遍優(yōu)于常用的圓形織構(gòu).由于受到加工技術(shù)的限制，目前對(duì)于表面織構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究還相對(duì)較少.

2.2 表面織構(gòu)分布形式的影響

在以往的研究中，表面織構(gòu)的設(shè)計(jì)均采用將微凹坑按正方形網(wǎng)格的形式進(jìn)行排布(相鄰微凹坑位于正方形的4個(gè)頂點(diǎn))的方法，然而，當(dāng)表面織構(gòu)產(chǎn)生潤(rùn)滑膜流體動(dòng)壓力時(shí)，相鄰微凹坑之間會(huì)相互影響，因此，研究微凹坑的排布形式對(duì)表面織構(gòu)潤(rùn)滑性能的影響具有重要意義.

圖5所示為3種常用的微凹坑排布系列.圖5(a)所示的第1種微凹坑排布系列是將最底部一行的微凹坑固定不動(dòng)，其他的凹坑行相對(duì)其向左錯(cuò)動(dòng)，使挪動(dòng)后的凹坑列與運(yùn)動(dòng)方向呈一定角度θ，通過(guò)改變?chǔ)鹊拇笮?lái)獲得不同的微凹坑排布形式.圖5(b)所示為另兩種微凹坑排布系列，由于每個(gè)微凹坑處于一個(gè)邊長(zhǎng)為Xcell和Ycell的矩形單元內(nèi)，在保證單元面積不變的情況下，通過(guò)改變邊長(zhǎng)來(lái)調(diào)整微凹坑沿x軸和y軸方向之間的距離，可得到不同的微凹坑排布形式，并采用比值r(r=Xcell/Ycell)來(lái)表示(r>1時(shí)為系列2，r<1為系列3).

圖5 微凹坑排布形式設(shè)計(jì)方法

Fig.5 Design methods of arrangement patterns of micro-dimples

于海武等[25]率先利用理論方法分析了表面織構(gòu)在產(chǎn)生流體動(dòng)壓力時(shí)微凹坑之間的相互影響，并通過(guò)往復(fù)式摩擦試驗(yàn)法對(duì)3種微凹坑排布系列的表面織構(gòu)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在微凹坑直徑、深度和面積率一定的情況下，微凹坑之間相對(duì)位置的改變會(huì)對(duì)表面織構(gòu)的減摩性能產(chǎn)生很大影響.王洪濤等[26]通過(guò)數(shù)值模擬研究了微圓柱凹坑織構(gòu)平面在全膜潤(rùn)滑條件下的摩擦學(xué)性能，分析了織構(gòu)單元排布形式對(duì)表面摩擦力和動(dòng)壓承載能力的影響，發(fā)現(xiàn)織構(gòu)單元的排布形式對(duì)油膜承載能力有很大的影響，當(dāng)織構(gòu)單元位置偏移率由零增加到0.5時(shí)，摩擦表面間的動(dòng)壓承載力增幅達(dá)34.9倍，而摩擦力僅小幅增加.Bai等[27]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了不同工況下橢圓形表面微織構(gòu)的分布形式對(duì)摩擦學(xué)性能及表面溫度的影響，發(fā)現(xiàn)相比于單行的橢圓微凹坑，雙行橢圓微凹坑的表面摩擦系數(shù)和溫度分別降低了58%和59%，主要原因是雙行橢圓微凹坑增大了動(dòng)壓承載力并減小了表面接觸面積.

為了滿(mǎn)足現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)高摩擦學(xué)性能的需要，研究者們又提出了部分(局部)織構(gòu)表面設(shè)計(jì)的概念，即在高壓區(qū)的鄰近區(qū)域加工高密度分布織構(gòu).T?nder[28]通過(guò)研究首次發(fā)現(xiàn)，在摩擦表面入口區(qū)的微觀幾何形貌可沿運(yùn)動(dòng)方向形成有效的收斂間隙.經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的研究后又發(fā)現(xiàn)[29]，在入口區(qū)摩擦表面進(jìn)行局部織構(gòu)化處理，不僅可以提高潤(rùn)滑油膜的剛度和穩(wěn)定性，還可以減少磨損和減小摩擦力.Kligerman等[30]在活塞環(huán)表面局部區(qū)域加工了微織構(gòu)，并對(duì)織構(gòu)相對(duì)位置進(jìn)行了排布，通過(guò)理論研究發(fā)現(xiàn)，相比于全織構(gòu)表面，部分織構(gòu)表面的平均摩擦力在窄環(huán)中可降低約30%，在寬環(huán)中最高可降低55%.Yu等[31]在脂潤(rùn)滑條件下對(duì)徑向軸承表面的局部微織構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)將微織構(gòu)設(shè)計(jì)在沿軸承轉(zhuǎn)動(dòng)方向壓力上升的區(qū)域有助于提高軸承的使用性能，但相鄰織構(gòu)之間的距離不能太大，否則將不利于增強(qiáng)軸承的承載能力.

為了揭示局部織構(gòu)產(chǎn)生流體動(dòng)壓承載力的機(jī)理，Brizmer等[32]在流體潤(rùn)滑條件下對(duì)全織構(gòu)化和局部織構(gòu)化的摩擦表面油膜的承載能力進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)全織構(gòu)化摩擦表面的微凹坑形成的空化效應(yīng)能夠抑制微凹坑間產(chǎn)生的相互作用，因此其沿運(yùn)動(dòng)方向所產(chǎn)生的流體動(dòng)壓力呈周期性分布，而局部織構(gòu)化摩擦表面的相鄰微凹坑之間的相互作用強(qiáng)烈，形成凹坑的“富集效應(yīng)”，從而導(dǎo)致在織構(gòu)化區(qū)域的潤(rùn)滑油膜壓力呈階梯狀遞增，進(jìn)而產(chǎn)生較強(qiáng)的潤(rùn)滑油膜承載能力，如圖6所示.

圖6 局部和全部織構(gòu)化摩擦副表面油膜壓力的典型分布

Fig.6 Typical distributions of local pressure loading on oil film for friction pair with partial and full texture

上述研究表明，合理的表面微凹坑排布形式能夠有效降低摩擦，增強(qiáng)表面的動(dòng)壓承載能力，提高潤(rùn)滑膜厚度.但是，目前有關(guān)表面織構(gòu)排布形式的研究主要集中在圓形及橢圓形等比較容易加工的微凹坑，對(duì)其他形狀微凹坑排布形式的研究較少，且對(duì)同一形狀表面微凹坑的排布形式也未形成統(tǒng)一的結(jié)論.在局部織構(gòu)表面的研究方面，學(xué)者們普遍認(rèn)為局部織構(gòu)表面在流體潤(rùn)滑條件下的摩擦學(xué)性能要優(yōu)于全織構(gòu)表面.

2.3 表面織構(gòu)參數(shù)的影響

微凹坑幾何參數(shù)是影響表面織構(gòu)流體動(dòng)壓潤(rùn)滑性能的主要因素，合適的表面織構(gòu)幾何參數(shù)設(shè)計(jì)可使織構(gòu)化表面表現(xiàn)出最優(yōu)的潤(rùn)滑減摩性能.

Wang等[33]利用反應(yīng)離子刻蝕在推力軸承表面加工了圓形微凹坑，在水潤(rùn)滑條件下對(duì)不同尺寸、深度和密度的微凹坑的承載能力進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)圓形微凹坑存在最優(yōu)的深徑比λ和面積率B，使表面承載能力相對(duì)于無(wú)織構(gòu)表面至少提升2倍.當(dāng)直徑d=350 μm、深度htexture=3.2 μm、表面織構(gòu)密度ρtexture=5%時(shí)，能獲得最大的承載力.該團(tuán)隊(duì)[34]還對(duì)水潤(rùn)滑條件下碳化硅陶瓷單一尺寸凹坑、混合了不同尺寸的凹坑和無(wú)織構(gòu)表面的承載能力進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)混合了不同尺寸凹坑的表面織構(gòu)相比于單一尺寸凹坑的表面織構(gòu)，其承載能力顯著提高，是無(wú)織構(gòu)表面的3倍.

Tang等[35]就表面織構(gòu)密度對(duì)中碳鋼織構(gòu)表面摩擦學(xué)性能的影響進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)表面織構(gòu)密度為5%時(shí)，織構(gòu)表面可以產(chǎn)生最大的動(dòng)壓承載力，并達(dá)到最優(yōu)的減摩效果，表面摩擦力和表面磨損失重最大可分別降低38%和72%.Zhang等[36]采用銷(xiāo)-盤(pán)實(shí)驗(yàn)研究了混合潤(rùn)滑條件下巴氏合金盤(pán)表面圓形微凹坑的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)具有較低微凹坑密度(ρtexture=8.6%)的表面織構(gòu)更有利于降低表面摩擦力.

Galda等[37]通過(guò)摩擦試驗(yàn)研究了鑄鐵塊表面微織構(gòu)參數(shù)對(duì)潤(rùn)滑狀態(tài)轉(zhuǎn)變的影響，發(fā)現(xiàn)在較低速度下，表面織構(gòu)可以促使摩擦副由混合潤(rùn)滑狀態(tài)進(jìn)入流體動(dòng)壓潤(rùn)滑狀態(tài)；而當(dāng)微凹坑面積率B≤20%時(shí)，織構(gòu)化表面能夠以最快的速度促使摩擦副由混合潤(rùn)滑狀態(tài)進(jìn)入流體動(dòng)壓潤(rùn)滑狀態(tài).Wang等[38]采用脈沖激光雕刻方法在AISI1045鋼試樣表面加工出圓環(huán)狀表面織構(gòu)，并在油潤(rùn)滑條件下研究了織構(gòu)幾何參數(shù)、密度等因素對(duì)摩擦學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)圓環(huán)織構(gòu)的內(nèi)半徑和外半徑對(duì)摩擦學(xué)性能有顯著的影響，圓環(huán)寬度為200 μm時(shí)可有效減小織構(gòu)表面摩擦，同時(shí)發(fā)現(xiàn)織構(gòu)單元間距存在最優(yōu)值，間距過(guò)大或者過(guò)小均不利于表面減摩.

Wang等[39]對(duì)目前最優(yōu)表面織構(gòu)密度的研究進(jìn)行了綜述，發(fā)現(xiàn)理論研究所得最優(yōu)表面織構(gòu)密度通常高于實(shí)驗(yàn)值，在油滑潤(rùn)條件下金屬表面織構(gòu)密度在5%≤ρtexture≤13%范圍內(nèi)時(shí)最有利于摩擦力的降低，當(dāng)表面織構(gòu)密度超過(guò)20%時(shí)，摩擦力通常會(huì)增加.

到目前為止，有關(guān)表面織構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究已有很多，然而所得結(jié)果間的分散性很大，尚未形成統(tǒng)一的、具有指導(dǎo)意義的表面織構(gòu)設(shè)計(jì)方法和理論.從已有研究成果可知，微凹坑的深徑比λ和面積率B是影響表面織構(gòu)摩擦學(xué)性能的2個(gè)重要參數(shù)，也是目前表面織構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的研究重點(diǎn).對(duì)于全織構(gòu)化表面，存在最優(yōu)的深徑比λ和密度ρtexture，但其取值會(huì)受工況條件影響.低密度(5%≤ρtexture≤20%)表面織構(gòu)具有更優(yōu)的摩擦學(xué)性能.

2.4 工況參數(shù)及表面粗糙度的影響

即使在相同的織構(gòu)參數(shù)下，由于工況條件的不同，織構(gòu)所表現(xiàn)出的摩擦學(xué)性能也會(huì)不同.除織構(gòu)形狀、織構(gòu)排布和織構(gòu)參數(shù)外，工況參數(shù)(速度、載荷、潤(rùn)滑油黏度等)及表面粗糙度也是影響表面織構(gòu)摩擦行為及潤(rùn)滑性能的重要因素.

Kovalchenko等[40]通過(guò)銷(xiāo)-盤(pán)實(shí)驗(yàn)對(duì)織構(gòu)表面、光滑表面和粗糙表面的潤(rùn)滑狀態(tài)轉(zhuǎn)變進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)：在較低滑動(dòng)速度下，3種表面的摩擦系數(shù)均隨著速度的增加而減??；在較高滑動(dòng)速度下，摩擦副表面都進(jìn)入完全流體潤(rùn)滑狀態(tài)，3種表面的摩擦因數(shù)相差不大；在高黏度潤(rùn)滑油下，3種表面的摩擦系數(shù)都有所下降.分析實(shí)驗(yàn)獲得的Stribeck曲線發(fā)現(xiàn)，織構(gòu)表面在整個(gè)測(cè)試區(qū)域都處于摩擦系數(shù)較低的動(dòng)壓潤(rùn)滑階段，粗糙表面和光滑表面則出現(xiàn)了明顯的潤(rùn)滑狀態(tài)轉(zhuǎn)變.在更高載荷和更低速度下，表面織構(gòu)可促使?jié)櫥瑺顟B(tài)從動(dòng)壓潤(rùn)滑轉(zhuǎn)為混合潤(rùn)滑，并擴(kuò)大摩擦副表面的動(dòng)壓潤(rùn)滑區(qū)域.

Andersson等[41]在研究鋼表面織構(gòu)摩擦學(xué)性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，在潤(rùn)滑油黏度較高的條件下，具有較低面積密度和較大深徑比的表面織構(gòu)能夠獲得較好的摩擦學(xué)性能；而在潤(rùn)滑油黏度較低的條件下，具有較高面積比和較小深徑比的表面織構(gòu)僅在低滑移速度時(shí)才能得到較優(yōu)的摩擦學(xué)性能.

呂文斐等[18]考察了不同潤(rùn)滑狀態(tài)下45#鋼平板表面織構(gòu)對(duì)摩擦學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)：由于激光織構(gòu)化加工增加了材料表面的粗糙度，在Hersey數(shù)較小時(shí)，織構(gòu)化表面試樣的摩擦系數(shù)要大于光滑表面試樣，說(shuō)明織構(gòu)的引入不利于材料摩擦系數(shù)的降低；但是，隨著潤(rùn)滑劑黏度、運(yùn)行速度的增加和載荷的減小，表面織構(gòu)逐漸顯現(xiàn)出其在提高材料表面摩擦學(xué)性能方面的優(yōu)勢(shì).研究還發(fā)現(xiàn)：在動(dòng)壓潤(rùn)滑區(qū)域，表面織構(gòu)的作用不明顯；而在邊界潤(rùn)滑和混合潤(rùn)滑區(qū)域，表面織構(gòu)能夠有效提高摩擦學(xué)性能，這也與Kovalchenko等[40]的研究結(jié)果一致.

Henry等[42]對(duì)無(wú)織構(gòu)和具有局部矩形織構(gòu)的推力瓦軸承的潤(rùn)滑特性進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)：在低載荷條件下，相比于無(wú)織構(gòu)表面，局部織構(gòu)表面的摩擦力矩最高可減少32%；而在高載荷下，局部織構(gòu)的減摩效果不明顯，甚至更差；當(dāng)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)，高載荷下的無(wú)織構(gòu)表面和局部織構(gòu)表面的摩擦力矩均要比轉(zhuǎn)速為6 000 r/min時(shí)的大.

為探討表面粗糙度對(duì)織構(gòu)化表面摩擦學(xué)性能的影響，馬國(guó)亮等[43]采用球-盤(pán)式摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)硅橡膠試樣表面織構(gòu)在不同粗糙度條件下的潤(rùn)滑特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)摩擦副表面處于混合潤(rùn)滑狀態(tài)時(shí)，試樣表面粗糙度存在一個(gè)使織構(gòu)化試樣表現(xiàn)出最優(yōu)摩擦學(xué)性能的最優(yōu)范圍.Qiu等[44]采用JFO(Jakobsson-Floberg-Olsson)空化模型對(duì)推力軸承表面織構(gòu)的摩擦學(xué)性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)表面粗糙度可以增強(qiáng)潤(rùn)滑油膜的承載能力，但作用效果非常有限.

上述研究表明，工況參數(shù)對(duì)表面織構(gòu)的摩擦學(xué)性能有很大的影響，相同參數(shù)的表面織構(gòu)在不同的工況條件下可能會(huì)表現(xiàn)出完全相反的摩擦學(xué)特性.因此，在工程應(yīng)用中，對(duì)于表面織構(gòu)潤(rùn)滑減摩機(jī)理的研究必須在實(shí)際工況條件下進(jìn)行；而在實(shí)際研究中，應(yīng)著重探討不同表面粗糙度下織構(gòu)化表面的摩擦學(xué)性能.

3 表面織構(gòu)流體潤(rùn)滑理論研究

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在探求表面織構(gòu)的潤(rùn)滑減摩機(jī)理方面主要是以試驗(yàn)研究為主，但試驗(yàn)研究存在周期長(zhǎng)、耗材大、影響因素多等缺點(diǎn)，不具有普適性.對(duì)表面織構(gòu)的潤(rùn)滑理論研究則不受上述因素的影響，通過(guò)建立合適的數(shù)學(xué)或物理模型，分析不同參數(shù)下表面織構(gòu)的潤(rùn)滑減摩性能是國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者研究織構(gòu)性能的方法.

3.1 織構(gòu)流體動(dòng)壓形成機(jī)理

由流體動(dòng)壓形成機(jī)理可知，由于沒(méi)有收斂間隙，具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩平行光滑摩擦副表面之間是不能形成壓力油膜的，因而無(wú)法產(chǎn)生流體動(dòng)壓承載力.表面織構(gòu)正好可為兩平行表面提供有規(guī)律的收斂間隙.如圖7所示，當(dāng)潤(rùn)滑劑由摩擦副表面進(jìn)入微凹坑區(qū)域時(shí)，在收斂間隙處會(huì)產(chǎn)生正的潤(rùn)滑膜壓力，而在發(fā)散間隙處壓力會(huì)有所降低，甚至出現(xiàn)負(fù)壓，當(dāng)負(fù)壓達(dá)到某一極限值時(shí)就會(huì)產(chǎn)生空穴現(xiàn)象，從而在每個(gè)微凹坑區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)的壓力分布，使?jié)櫥ぞ哂幸欢ǖ某休d力[8].表面織構(gòu)上的每一個(gè)微凹坑相當(dāng)于一個(gè)微小流體動(dòng)壓潤(rùn)滑軸承，可以產(chǎn)生附加動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)，促使摩擦副表面形成流體動(dòng)壓潤(rùn)滑，進(jìn)而提高表面的整體潤(rùn)滑性能.

圖7 表面織構(gòu)流體動(dòng)壓潤(rùn)滑形成機(jī)理

Fig.7 Formation mechanism of fluid hydrodynamic lubrication of surface texture

3.2 理論模型

在理論模型方面，研究者們主要采用Reynolds和Navier-Stokes(N-S)方程對(duì)表面織構(gòu)的潤(rùn)滑問(wèn)題進(jìn)行分析求解.其中，Reynolds方程是N-S方程的特殊表達(dá)形式，它忽略了流體慣性力、體積力等的影響.相比于N-S方程，Reynolds方程的計(jì)算量較少，計(jì)算時(shí)間相對(duì)較短，但計(jì)算結(jié)果的精度不高.

2003年，Arghir等[45]首先建立了基于N-S方程的單個(gè)微坑流體動(dòng)壓潤(rùn)滑模型，研究了不同形狀微坑的動(dòng)壓潤(rùn)滑性能，發(fā)現(xiàn)微坑動(dòng)壓潤(rùn)滑的形成是由流體的慣性作用造成的.隨后，大量的研究也證明了這一結(jié)論[46- 47]，由此引發(fā)了研究者們對(duì)Reynolds方程在表面織構(gòu)理論建模上的可行性及適用范圍的探討.

Feldman等[48]建立了單一的三維微坑模型，對(duì)比研究了簡(jiǎn)化的Reynolds方程和精確的N-S方程，發(fā)現(xiàn)盡管Reynolds方程和N-S方程在局部壓力上的求解結(jié)果有所差別，但在總承載力上的差別并不大.Li等[49]建立了滑塊軸承整個(gè)織構(gòu)傾斜面的模型，對(duì)比研究了Reynolds方程和CFD(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))方法下方形截面織構(gòu)粗糙度的動(dòng)壓潤(rùn)滑計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)表面輪廓高度大于膜厚的10%時(shí)，Reynolds方程不再適用.Dobrica等[50]深入分析了無(wú)限寬平行滑動(dòng)軸承表面織構(gòu)的雷諾方程和慣性作用的有效性，發(fā)現(xiàn)只要微坑深徑比λ足夠大、雷諾數(shù)Re足夠小，Reynolds方程在滑動(dòng)軸承表面織構(gòu)中的應(yīng)用便是有效的.他們還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)考慮流體慣性項(xiàng)的影響后，Reynolds方程的精度會(huì)有很大提高.

Reynolds方程和N-S方程都具有自身的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，雖然N-S方程的計(jì)算結(jié)果要比Reynolds方程的精確，但并不能由此而完全替代Reynolds方程.因此，在研究表面織構(gòu)潤(rùn)滑問(wèn)題時(shí)應(yīng)根據(jù)具體的工況及需求來(lái)選擇合適的計(jì)算模型.

3.3 空化現(xiàn)象

空化現(xiàn)象不僅發(fā)生在發(fā)散接觸面，在單個(gè)微凹坑內(nèi)部(見(jiàn)圖7)或相鄰微凸體之間也會(huì)發(fā)生.近年來(lái)，表面織構(gòu)空化現(xiàn)象及其對(duì)動(dòng)壓潤(rùn)滑的作用機(jī)理受到了廣泛關(guān)注，空化也被認(rèn)為是表面織構(gòu)動(dòng)壓潤(rùn)滑的形成機(jī)理之一[51- 52].

由于空化現(xiàn)象的存在，在理論研究時(shí)需引入空化邊界條件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)控制方程的求解.目前常用的空化邊界條件主要有3種：Half-Sommerfeld、Rey-nolds及JFO空化邊界條件[53].Reynolds空化邊界條件計(jì)算精度較高，應(yīng)用較廣，但流量不守恒.Hirayama等[54]對(duì)螺旋槽滑動(dòng)軸承的潤(rùn)滑性能進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，建立了考慮和未考慮空化現(xiàn)象的Reynolds方程，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)建立理論模型時(shí)空化現(xiàn)象不能被忽略.Zhang等[55]在研究表面織構(gòu)對(duì)摩擦副動(dòng)壓潤(rùn)滑的影響時(shí)，通過(guò)顯微鏡直接觀測(cè)到了織構(gòu)區(qū)域附近空化現(xiàn)象的存在，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Reynolds、JFO空化模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)JFO空化模型的計(jì)算結(jié)果更接近于實(shí)驗(yàn)結(jié)果.Qiu等[56]在對(duì)密封圈表面織構(gòu)空化現(xiàn)象的研究中發(fā)現(xiàn)，相比于其他空化模型，JFO空化模型能夠更有效地預(yù)測(cè)表面織構(gòu)的空化現(xiàn)象.目前，對(duì)于表面織構(gòu)流體潤(rùn)滑邊界條件的選擇，有些學(xué)者認(rèn)為，JFO空化邊界條件對(duì)分析表面織構(gòu)動(dòng)壓潤(rùn)滑非學(xué)重要[55- 56]；但也有部分學(xué)者指出，Reynolds和JFO空化邊界條件在非平行的滑塊或軸承中區(qū)別很小[57- 58].因此，應(yīng)根據(jù)表面織構(gòu)的類(lèi)型和具體的運(yùn)行工況來(lái)確定合適的邊界條件.

4 結(jié)語(yǔ)

雖然國(guó)內(nèi)外就流體潤(rùn)滑狀態(tài)下表面織構(gòu)對(duì)摩擦學(xué)性能改善的研究和應(yīng)用較多，但是由于表面織構(gòu)減摩機(jī)理的復(fù)雜性、工況和實(shí)驗(yàn)條件的多變性等因素，目前對(duì)表面織構(gòu)潤(rùn)滑減摩機(jī)理的認(rèn)識(shí)還不夠完善，相關(guān)研究仍缺乏綜合性和系統(tǒng)性，尚未形成流體潤(rùn)滑狀態(tài)下表面織構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的完整理論.結(jié)合目前的研究現(xiàn)狀和表面織構(gòu)的應(yīng)用需求，今后可著重從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究：

(1)深入研究表面織構(gòu)動(dòng)壓潤(rùn)滑減摩機(jī)理，分析影響表面織構(gòu)動(dòng)壓潤(rùn)滑性能的關(guān)鍵因素；系統(tǒng)地研究織構(gòu)幾何形狀、幾何參數(shù)及分布方式等對(duì)織構(gòu)動(dòng)壓潤(rùn)滑性能的影響規(guī)律，分析織構(gòu)參數(shù)之間的相互作用及聯(lián)系；建立能夠有效指導(dǎo)表面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)、物理模型.

(2)已有研究表明，納米表面織構(gòu)可改善微觀摩擦學(xué)性能，而現(xiàn)有的宏觀表面織構(gòu)摩擦學(xué)規(guī)律和理論已經(jīng)不再適用于納米表面織構(gòu)，今后應(yīng)加強(qiáng)對(duì)納米表面織構(gòu)在流體潤(rùn)滑條件下的研究.

(3)目前對(duì)于表面織構(gòu)形貌表征方法的研究相對(duì)較少，缺少科學(xué)、有效的表面織構(gòu)表征和快速測(cè)量方法，故后續(xù)可針對(duì)表面織構(gòu)形貌表征方法展開(kāi)研究.

(4)發(fā)展織構(gòu)加工技術(shù)，對(duì)復(fù)雜表面織構(gòu)和復(fù)合表面織構(gòu)的動(dòng)壓潤(rùn)滑機(jī)理進(jìn)行深入研究，如對(duì)復(fù)雜形狀、復(fù)雜底面結(jié)構(gòu)、多尺度和多分布形式的表面織構(gòu)進(jìn)行研究.

(5)現(xiàn)有的對(duì)表面織構(gòu)在流體潤(rùn)滑條件下的研究都是以理論研究或摩擦磨損試驗(yàn)為主，難以為表面織構(gòu)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供必要的研究基礎(chǔ)，今后可加強(qiáng)表面織構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用工況下的研究.

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