侯晉升 王建梅 何 帥 常嘉娟

(太原科技大學(xué)重型機(jī)械教育部工程研究中心 山西太原 030024)

油膜軸承是我國高端裝備制造產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)件之一，具有承載能力大、使用壽命長、速度范圍寬及抗沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在軍工裝備、航天航空、鋼鐵冶金等行業(yè)。油膜軸承襯套通常由鋼體、鍍錫層和巴氏合金層組成，在高速重載工作條件下，軸承溫度升高，潤滑油黏度下降，潤滑油膜變薄甚至破裂，會導(dǎo)致軸承襯套表面發(fā)生劃傷、剝落、塑性流動、磨損以及蠕變等失效形式。固液潤滑界面的破壞，會造成油膜軸承工作性能下降乃至失效。磁性液體作為一種新型的智能材料，既具有磁性又具有液體的流動性，廣泛地被應(yīng)用于潤滑、密封等領(lǐng)域，可以有效地改善固液界面的潤滑性能，提高油膜軸承的工作性能，延長使用壽命。

近年來，隨著磁性液體的理論及材料的快速發(fā)展，并由于它能改善設(shè)備潤滑的穩(wěn)定性，提高潤滑性能，許多學(xué)者針對磁性液體做了許多理論和實驗研究。LI等[1]研究了不同顆粒含量的潤滑油基磁性液體的蠕變和恢復(fù)行為，并探究了流變現(xiàn)象的微觀機(jī)制。LI等[2]使用化學(xué)共沉淀法制備了Fe3O4納米顆粒，研究了影響納米Fe3O4顆粒磁性的因素。WANG等[3-4]通過化學(xué)共沉淀法制備了油基鐵磁流體，并對制備的磁性液體進(jìn)行化學(xué)表征以及穩(wěn)定性研究；還進(jìn)行了黏度測量實驗研究，推導(dǎo)了磁性液體黏度方程，設(shè)計了油膜軸承在溫度與外磁場強(qiáng)度影響因素下的黏度調(diào)控的方法。ZHANG等[5]為磁性液體潤滑油膜軸承設(shè)計了一種多層密匝螺線管外磁場模型，并推導(dǎo)了外磁場模型理論公式。LI等[6]利用由二氧化硅微球組成的混合磁性多相流體進(jìn)行磁感應(yīng)自組裝實驗，研究外部磁場強(qiáng)度、逆磁流變效應(yīng)和自組裝粒子結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。NIU等[7]提出一種質(zhì)量守恒的多相晶格玻爾茲曼(LB)模型來模擬多相流。HSU等[8]研究了在隨機(jī)表面粗糙度和無限長導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場共同作用下，鐵磁流體對長軸頸軸承潤滑性能的影響。結(jié)果顯示在距軸承中心適當(dāng)距離處放置無限長的導(dǎo)線磁場可以抑制長軸頸軸承的側(cè)面泄漏，從而延長了軸承的使用壽命。ZAKARIA等[9]根據(jù)動量方程和連續(xù)性方程推導(dǎo)出可控制薄膜壓力的雷諾方程，使用壓力分布函數(shù)研究了外磁場作用下非牛頓鐵磁流體潤滑的有限軸頸軸承的靜態(tài)和動態(tài)性能特征，并通過數(shù)值方法研究不同參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。徐浩等人[10]通過設(shè)計托輥內(nèi)外磁性液體密封件,實現(xiàn)了可靠的液體密封的同時還可對軸承進(jìn)行潤滑，并利用ANSYS有限元軟件分析磁性液體密封結(jié)構(gòu)的磁場強(qiáng)度分布規(guī)律。仿真結(jié)果表明,托輥的磁性液體密封結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。雖然磁性液體的理論及實驗方面已經(jīng)做了大量的研究，但對于磁性液體微觀作用機(jī)制還處于探索的階段，隨著納米技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，分子動力學(xué)模擬也逐漸成熟，它可以預(yù)測納米尺度上的材料動力學(xué)特性，還可以用于模擬與原子運(yùn)動路徑相關(guān)的基本過程，為實驗與理論提供指導(dǎo)，節(jié)省實驗成本。

本文作者從磁性液體中的磁性顆粒的含量入手，磁性顆粒選用Fe3O4粒子，利用分子動力學(xué)模擬的方法，通過分子動力學(xué)軟件進(jìn)行建模以及動態(tài)模擬，建立了體積分?jǐn)?shù)為5%、9.6%和14.7%的磁性液體潤滑固液界面模型，通過分析滑動過程中的摩擦因數(shù)、均方位移、動能、范德華勢能及溫度的變化，探究磁性顆粒含量對磁性液體潤滑性能的影響，揭示磁性顆粒含量對磁性液體潤滑性能的作用機(jī)制，為研究磁性液體固液界面潤滑性能的微觀機(jī)制提供參考。

1 磁性液體潤滑模型的建立

磁性液體作為油膜軸承的潤滑介質(zhì)，主要在軸承襯套與軸頸間起作用，襯套的內(nèi)層是巴氏合金層。因此，為了研究磁性顆粒含量對磁性液體潤滑性能的影響，利用分子動力學(xué)模擬軟件Material Studio建立磁性液體固液界面潤滑模型，固體層為巴氏合金復(fù)合材料模型，液體層為磁性液體模型。

1.1 巴氏合金復(fù)合材料模型的建立

試驗所用的巴氏合金主要由Cu6Sn5、SnSb、Sn 3種成分組成。因此，要建立3種成分的晶胞結(jié)構(gòu)。Cu6Sn5、SnSb的晶胞相關(guān)參數(shù)可以從數(shù)據(jù)庫ICSD中獲取，Sn晶胞的參數(shù)可以通過軟件的材料庫直接導(dǎo)入。利用分子動力學(xué)模擬軟件，根據(jù)材料晶胞的參數(shù)對Cu6Sn5、SnSb進(jìn)行晶胞結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，晶胞結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 各組分晶胞結(jié)構(gòu)

將3種晶胞的結(jié)構(gòu)導(dǎo)入軟件中，然后將晶胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行切片處理。切片處理后，再進(jìn)行超晶胞處理，最后構(gòu)建巴氏合金層。巴氏合金結(jié)構(gòu)由Cu6Sn5、SnSb、Sn 3種材料按照一定的比例組成[11]，其模型尺寸為4.5 nm×29.4 nm×2.04 nm，分子模型如圖2所示。

圖2 巴氏合金分子模型

1.2 磁性液體模型的建立

根據(jù)磁性液體的油基基載液烴類成分組成，在分子動力學(xué)軟件中搭建各種烴類分子模型結(jié)構(gòu)并優(yōu)化。從Material Studio自帶數(shù)據(jù)庫中引入Fe3O4分子結(jié)構(gòu)，運(yùn)用Amorphous Cell Tools工具將各烴類分子和Fe3O4按照比例進(jìn)行建模，磁性液體分子模型的密度為0.85 g/cm3，尺寸為4.6 nm×29.4 nm×2.1 nm，磁性液體分子模型如圖3所示。

圖3 磁性液體分子模型

1.3 潤滑模型的建立及優(yōu)化

為了探究磁性顆粒含量對磁性液體潤滑與穩(wěn)定性能的影響，建立了不同磁性顆粒含量的固液界面潤滑模型，中間層為磁性液體層，上下兩層為巴氏合金層。由于在微觀層面，磁性顆粒在基載液模型尺寸確定的情況下，無法實現(xiàn)等含量梯度的建模，故構(gòu)建了磁性液體體積分?jǐn)?shù)分別為5%、9.6%和14.7%的磁性液體固液界面潤滑模型，固液界面潤滑模型如圖4所示。

圖4 固液界面潤滑模型

為了更好地進(jìn)行分子動力學(xué)模擬，需要對潤滑模型進(jìn)行優(yōu)化，使模型的結(jié)構(gòu)更加合理。首先對潤滑系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化處理，優(yōu)化算法選擇Steepest decent，設(shè)置作用步數(shù)；然后進(jìn)行退火處理，設(shè)置退火溫度，反應(yīng)總步數(shù)為70 000。當(dāng)模型優(yōu)化完成后，進(jìn)行固液界面潤滑模擬，參照油膜軸承實際工作情況，設(shè)置模擬的初始溫度、壓力的控制方式，并在固體層表面施加一定的壓力。固液層相對滑動過程通過對上下固體層施加大小相等方向相反的速度實現(xiàn)，相對滑動速度設(shè)置為0.005 nm/ps，選擇合適的系統(tǒng)進(jìn)行模擬，界面潤滑過程如圖5所示。

圖5 固液界面潤滑的過程

2 結(jié)果與分析

2.1 摩擦因數(shù)

摩擦因數(shù)是表征固液界面之間潤滑狀態(tài)的主要參數(shù)，由公式(1)計算。

μ=f/F

(1)

式中：μ為摩擦因數(shù)；f為摩擦力；F為正壓力。

由此可見，軍功授爵制度在當(dāng)時各國都有了不同程度的運(yùn)用，這對鞏固新興地主階層的權(quán)力，提升軍隊?wèi)?zhàn)斗力，起到了巨大的作用。在實際運(yùn)用中秦國推行軍功授爵制度最為徹底，效果也最為明顯，最終為秦統(tǒng)一六國打下了堅實的基礎(chǔ)。

不同磁性顆粒含量的磁性液體潤滑狀態(tài)下，固液界面間的摩擦因數(shù)隨模擬時間的變化如圖6所示?？芍?，摩擦因數(shù)變化趨勢表現(xiàn)為先增長后下降，最終趨于穩(wěn)定。這是由于摩擦副開始滑動時，固液界面間要克服界面之間的靜摩擦力，摩擦因數(shù)增大；當(dāng)達(dá)到最大靜摩擦因數(shù)時，摩擦副開始相對滑動，界面間的靜摩擦因數(shù)變?yōu)閯幽Σ烈驍?shù)，摩擦因數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢；在穩(wěn)定滑動過程中摩擦副間的摩擦因數(shù)圍繞著動摩擦因數(shù)上下波動。通過對比不同磁性顆粒含量的磁性液體潤滑狀態(tài)下，固液界面間摩擦因數(shù)的變化情況，可知磁性顆粒體積分?jǐn)?shù)為14.7%的磁性液體潤滑下的摩擦因數(shù)，比體積分?jǐn)?shù)為5%的磁性液體下降了約67%。從分析可知，隨著磁性顆粒含量的增加，固液界面間的摩擦因數(shù)變小，原因是磁性粒子多呈球形，在微觀上將摩擦副的相對滑動運(yùn)動變?yōu)闈L動，并隨著磁性顆粒的增多，在摩擦副相對運(yùn)動過程中，會形成一層起到減摩作用的物理吸附膜，大幅度降低了摩擦因數(shù)，可有效地改善磁性液體的潤滑性能。

圖6 不同磁性顆粒體積分?jǐn)?shù)的磁性液體摩擦因數(shù)隨模擬時間的變化規(guī)律

2.2 均方位移(MSD)

根據(jù)布朗定律，分子總在不停做無規(guī)則運(yùn)動，均方位移是粒子隨時間移動后的位置相對于參考位置的偏差的量度，它隨時間的變化規(guī)律可以表征液態(tài)粒子的擴(kuò)散行為[12]。其定義式：

SMSD(Δt)=〈|r(t)-r(0)|2〉

(2)

式中：r(t)為原子t時刻的位置向量；r(0)為原子的初始位置。

對不同磁性顆粒含量的磁性液體進(jìn)行均方位移計算，結(jié)果如圖7所示?？芍?，磁性液體的均方位移隨著磁性顆粒含量的增大而增大，這說明磁性顆粒含量的增大，會使磁性液體中分子的擴(kuò)散能力增強(qiáng)[13]。分子擴(kuò)散能力增強(qiáng)，會導(dǎo)致磁性液體中的烴類分子或磁性顆粒與巴氏合金固體層表面接觸的機(jī)會增多，有一些分子或磁性顆粒就會附著在固體層的表面，在摩擦表面形成減摩抗磨性強(qiáng)的滲透層或擴(kuò)散層，進(jìn)行表面修復(fù)，使?jié)櫥瑮l件得到改善，提高磁性液體的潤滑性能。

圖7 不同磁性顆粒體積分?jǐn)?shù)的磁性液體均方位移

2.3 動能

動能變化是由于分子運(yùn)動引起的。對比不同磁性顆粒含量的磁性液體的動能變化，如圖8所示,可知初始階段，由于要克服靜摩擦力做功，使?jié)櫥到y(tǒng)的溫度迅速升高，分子運(yùn)動加劇，系統(tǒng)的動能迅速增大[14]；當(dāng)發(fā)生相對滑動后，系統(tǒng)的動能逐漸降低，最終趨于穩(wěn)定。由圖8可知，在穩(wěn)定滑動的過程中，磁性顆粒含量越多，所對應(yīng)的動能也大。這是由于磁性顆粒的含量增加，會使磁性液體分子的動能增加，分子運(yùn)動加快，會加大分子間距，減小分子鏈間的作用力，使相互吸引力減弱，進(jìn)而會提高磁性液體的流動性能，改善磁性液體的潤滑性能。

圖8 不同磁性顆粒體積分?jǐn)?shù)的磁性液體動能變化

2.4 范德華勢能

圖9 不同磁性顆粒體積分?jǐn)?shù)的磁性液體范德華勢能變化

2.5 溫度

圖10所示為不同磁性顆粒含量的磁性液體潤滑狀態(tài)下，潤滑系統(tǒng)溫度變化曲線。在初始階段，溫度急劇上升，這主要是由于摩擦副之間發(fā)生相對滑動時，克服靜摩擦力做功，導(dǎo)致系統(tǒng)的溫度升高；當(dāng)進(jìn)入相對滑動階段時，溫度會降低并逐漸趨于穩(wěn)定。從潤滑系統(tǒng)溫度變化過程可以發(fā)現(xiàn)，體積分?jǐn)?shù)為14.7%磁性液體潤滑系統(tǒng)溫度最大值比體積分?jǐn)?shù)為5%的溫度最大值降低了6.5 K。這說明磁性液體含量的增加會提高潤滑系統(tǒng)的導(dǎo)熱性能，原因是固體磁性顆粒具有較大的熱傳導(dǎo)系數(shù)，因此磁性顆粒的加入可以提高基液的導(dǎo)熱性；同時隨著單位體積磁性液體中磁性顆粒含量的增多，磁性顆粒會發(fā)生團(tuán)聚，顆粒周圍會產(chǎn)生大量粒子簇，由于粒子簇的存在，熱量的傳遞路徑變長，改善了磁性液體的導(dǎo)熱性能和傳熱性能，進(jìn)而提升了磁性液體的潤滑性能[15]。

圖10 不同磁性顆粒體積分?jǐn)?shù)的磁性液體溫度變化

3 結(jié)論

利用分子動力學(xué)模擬的方法，通過分子動力學(xué)軟件進(jìn)行建模以及動態(tài)模擬，建立了不同體積分?jǐn)?shù)磁性粒子的磁性液體潤滑固液界面模型，通過分析滑動過程中的摩擦因數(shù)、均方位移、動能、范德華勢能及溫度的變化，探究磁性顆粒含量對磁性液體潤滑性能的影響。主要結(jié)論如下：

(1)從微觀角度可以發(fā)現(xiàn)，磁性顆粒含量對磁性液體的潤滑性能有很大的影響，磁性顆粒含量增加，會使摩擦因數(shù)減少，從而可有效地改善的磁性液體的潤滑性能。其中磁性顆粒體積分?jǐn)?shù)為14.7%的磁性液體潤滑下的摩擦因數(shù)比體積分?jǐn)?shù)為5%的磁性液體下降了約67%。

(2)從均方位移、動能變化方面分析，磁性顆粒含量的增加，可以提高磁性液體分子的擴(kuò)散能力以及運(yùn)動能力，會使磁性液體中的一些分子附著在固體層的表面，形成減摩抗磨性強(qiáng)的滲透層或擴(kuò)散層，從而提高磁性液體的潤滑性能。

(3)從范德華勢能和溫度變化的角度分析，磁性顆粒含量的增大，會使磁性液體中分子之間的范德華力減小，會改變磁性液體的黏度，使導(dǎo)熱性能和傳熱性能增強(qiáng)，進(jìn)而提升磁性液體的潤滑性能。