馮永龍，阿達(dá)依·謝爾亞孜旦，卞傳星

(新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830017)

0 前言

齒輪作為機(jī)械裝備中關(guān)鍵的動(dòng)力傳輸部件，其摩擦性能的好壞直接影響著齒輪系統(tǒng)的使用壽命和傳動(dòng)精度[1]。

早期摩擦學(xué)理論認(rèn)為，粗糙度是產(chǎn)生摩擦的主要原因[2]。但是經(jīng)超精加工獲得的表面摩擦因數(shù)反而劇增[3]，所以當(dāng)表面粗糙度達(dá)到一定程度時(shí)，再提高加工精度意義不大。近年來(lái)，通過(guò)織構(gòu)化摩擦副表面來(lái)提高潤(rùn)滑特性和耐磨性得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛的研究。YU 等[4]采用逐次超松弛法獲得了圓形、橢圓形和三角形凹坑產(chǎn)生的平均動(dòng)壓力，得出織構(gòu)承載能力明顯受到幾何形狀和表面織構(gòu)方向影響的結(jié)論。BEN-TSUR[5]在凸輪軸上設(shè)計(jì)了條紋型織構(gòu)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)磨損量降低了26%。徐勁力等[6]利用Fluent軟件對(duì)織構(gòu)參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)化研究，分析了織構(gòu)參數(shù)對(duì)油膜承載力和壁面摩擦力的影響規(guī)律，但未進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。劉東雷等[7]對(duì)凹坑、斷紋、網(wǎng)紋織構(gòu)進(jìn)行分析，得出了凹坑織構(gòu)具有更佳的耐摩性能。韓志武等[8]對(duì)織構(gòu)化齒輪的耐磨性進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)具有凹坑形貌的齒輪耐磨性較常規(guī)齒輪提高了近20%。呼詠等人[9]利用9種條紋狀仿生圓柱滾子試件對(duì)輥試驗(yàn)?zāi)M了齒輪副的嚙合傳動(dòng)，結(jié)果表明齒輪的抗接觸疲勞性能較普通齒輪提高 20%以上。鄧澍杰[10]對(duì)不同凹坑形貌的齒輪進(jìn)行嚙合性能試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：圓形凹坑直徑為500 μm時(shí)傳動(dòng)誤差是光滑齒面的近2倍，而300 μm時(shí)傳動(dòng)穩(wěn)定性最優(yōu)。

大多數(shù)研究中所設(shè)計(jì)的織構(gòu)形狀均為凹坑和條紋狀，得出凹坑具有更佳的摩擦性能。凹坑屬于封閉空間的幾何織構(gòu)，而條紋狀織構(gòu)屬于開(kāi)放空間，有泄壓的作用，不利于增大流體動(dòng)壓效應(yīng)，并且在齒面微織構(gòu)研究中，如果微織構(gòu)尺寸過(guò)大，會(huì)破壞齒面漸開(kāi)線，使齒輪系統(tǒng)產(chǎn)生較大的傳動(dòng)誤差和振動(dòng)噪聲。因此，文中設(shè)計(jì)了尺寸更小的長(zhǎng)方形織構(gòu)。此類(lèi)織構(gòu)既有條紋狀織構(gòu)導(dǎo)流的作用，又有封閉空間凹坑提高動(dòng)壓效應(yīng)的作用，可產(chǎn)生較高的油膜承載力和較強(qiáng)的剛度，織構(gòu)內(nèi)填充的潤(rùn)滑介質(zhì)還充當(dāng)表面織構(gòu)去除材料，以此來(lái)彌補(bǔ)齒面完整性，修復(fù)漸開(kāi)線，減小傳動(dòng)誤差，同時(shí)還可以提高潤(rùn)滑性能。

針對(duì)以上問(wèn)題，利用平板試件與摩擦磨損機(jī)對(duì)摩模擬齒輪嚙合傳動(dòng)，對(duì)其摩擦性能進(jìn)行基礎(chǔ)研究，采用激光打標(biāo)機(jī)在經(jīng)熱處理的45鋼試件表面加工出不同形狀與面積率的織構(gòu)，利用往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)分析織構(gòu)面積率和形狀對(duì)摩擦因數(shù)的影響規(guī)律，并結(jié)合Fluent仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)論，為后續(xù)齒面納米級(jí)織構(gòu)的摩擦性能研究提供試驗(yàn)支持。

1 幾何模型建立

微織構(gòu)的特征尺寸和油膜厚度均為微米級(jí)，在模擬中可以忽略齒面曲率，簡(jiǎn)化為兩個(gè)無(wú)限平行的平面。圖1為織構(gòu)化表面的二維幾何模型，根據(jù)表面幾何形狀分為正方形織構(gòu)(Z)、圓形織構(gòu)(Y)、長(zhǎng)方形織構(gòu)(C)。

圖1 二維幾何模型

表1為表面織構(gòu)特征，固定每種形狀織構(gòu)的面積和深度不變，根據(jù)織構(gòu)間距不同分別將3種織構(gòu)分為面積率不同的織構(gòu)化表面。

表1 表面織構(gòu)特征Tab.1 Feature of surface texture

2 仿真分析

2.1 基本控制方程

基于N-S方程，建立三維潤(rùn)滑模型求解流體域。為簡(jiǎn)化模型，需假設(shè)：(1) 摩擦副為剛體，不會(huì)發(fā)生形變; (2) 流體的黏度和密度為常數(shù)，流體為不可壓縮的牛頓流體，并忽略體積力; (3) 流體流動(dòng)是層流和定常流動(dòng); (4) 其余 N-S 方程的基本假設(shè)[11]。

基于以上假設(shè)，N-S方程和連續(xù)性方程如下：

x方向：

(1)

y方向：

(2)

z方向：

(3)

連續(xù)性方程：

(4)

式中：u、v、w分別為流體沿x、y、z方向的速度；ρ、η分別為潤(rùn)滑油的密度和動(dòng)力黏度；p為油膜壓力。

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

采用Fluent 2021 R1對(duì)計(jì)算域求解，仿真結(jié)果的精確度取決于網(wǎng)格質(zhì)量。采用Mesh軟件對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，織構(gòu)底部選用四面體網(wǎng)格，以便適應(yīng)不同形狀織構(gòu)，進(jìn)出口區(qū)域劃分邊界層網(wǎng)格。

圖2所示為單個(gè)織構(gòu)二維流體域，織構(gòu)的下壁面固定，上壁面沿x正方向的相對(duì)速度U=5 m/s，左右邊界設(shè)為周期性邊界。流體密度為895 kg/m3，動(dòng)力黏度為13.514 5 mPa·s。因?yàn)橛?jì)算域內(nèi)流體雷諾數(shù)小，所以用層流模型求解，壓力/速度耦合用Simplec方法，壓力項(xiàng)用Second Order格式，動(dòng)量項(xiàng)用Quick差分格式進(jìn)行差分。

圖2 二維計(jì)算域Fig.2 2D computational domain

2.3 計(jì)算參數(shù)

織構(gòu)表面油膜承載力Fz可通過(guò)上壁正壓力的面積加權(quán)積分獲得，摩擦力Fx可通過(guò)潤(rùn)滑膜移動(dòng)壁面x方向剪應(yīng)力的面積加權(quán)積分獲得，量綱一化油膜剛度Kz可近似表示為式(9)[12]。經(jīng)量綱一化后參數(shù)如下：

(5)

Fz=?PdXdY

(6)

Fx=?τdXdY

(7)

(8)

(9)

2.4 仿真結(jié)果

2.4.1 織構(gòu)面積率對(duì)潤(rùn)滑性能的影響

為研究織構(gòu)面積率對(duì)摩擦副摩擦性能的影響，以正方形織構(gòu)為例，求得織構(gòu)面積率與上壁面承載力、摩擦力和摩擦因數(shù)的關(guān)系曲線如圖3所示。隨著面積率的增大，摩擦因數(shù)逐漸減小，油膜承載力逐漸增大，摩擦力變化相對(duì)較小，這與文獻(xiàn)[13]的結(jié)論一致。因?yàn)槊娣e率越大，織構(gòu)分布越密集，相同面積內(nèi)間距越小微織構(gòu)數(shù)目越多，產(chǎn)生的流體動(dòng)壓效應(yīng)越明顯，因此油膜承載力就越大，油膜完整性也越好，有效減小了摩擦副之間的直接接觸，使摩擦因數(shù)逐漸減小。

圖3 不同面積率下的承載力、摩擦力和摩擦因數(shù)

2.4.2 織構(gòu)形狀對(duì)潤(rùn)滑性能的影響

圖4所示為織構(gòu)面積率為17%時(shí)，織構(gòu)形狀與上壁面承載力、摩擦力和摩擦因數(shù)的關(guān)系曲線。可得：摩擦力受形狀的影響較小，摩擦因數(shù)大小分別為CZ>Y。正方形和圓形織構(gòu)的潤(rùn)滑性能相差不大，相比這兩種織構(gòu)，長(zhǎng)方形織構(gòu)為封閉空間內(nèi)的槽形織構(gòu)，凹槽較長(zhǎng)時(shí)，凹槽對(duì)流體具有導(dǎo)流作用，可提高慣性效應(yīng)，同時(shí)長(zhǎng)方形織構(gòu)的出口截面積較小，收斂區(qū)域較小，可增大動(dòng)壓效應(yīng)，產(chǎn)生更強(qiáng)的動(dòng)壓力。由于流體動(dòng)壓效應(yīng)的傳遞性使高壓區(qū)周?chē)哂懈蟾鶆虻膲毫Α?/p>

圖4 不同形狀下的承載力、摩擦力和摩擦因數(shù)

2.4.3 織構(gòu)表面油膜剛度分析

圖5所示為3種形狀織構(gòu)的面積率與油膜剛度的關(guān)系曲線，隨著織構(gòu)面積率的增大，正方形和圓形織構(gòu)的油膜剛度先快速增大后緩慢變化，長(zhǎng)方形織構(gòu)的油膜剛度緩慢增大?？棙?gòu)面積率越小，單位面積內(nèi)產(chǎn)生的油膜承載力也越小，導(dǎo)致油膜剛度較小，油膜容易破裂，造成干摩擦。面積率變大時(shí)，單位面積內(nèi)產(chǎn)生的油膜承載力增大，表面平均油膜壓力增大，且分布更均勻，使油膜更完整，不易破裂，能起到較好的潤(rùn)滑作用。正方形和長(zhǎng)方形織構(gòu)的油膜剛度相差不大，長(zhǎng)方形織構(gòu)具有更好的油膜剛度。

圖5 不同面積率和形狀織構(gòu)的油膜剛度

3 試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)設(shè)備和材料

利用激光打標(biāo)機(jī)加工不同形狀、不同間距的織構(gòu)試件。選用MWF-500往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，如圖6所示。試驗(yàn)中采用的潤(rùn)滑油為 L-AN-15機(jī)械油，該潤(rùn)滑油在室溫25 ℃條件下運(yùn)動(dòng)黏度為15.1 mm2/s，密度為895 kg/m3。

圖6 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)Fig.6 Friction and wear tester

試件材料選用經(jīng)熱處理后的45鋼，試件表面依次采用600～1 500目砂紙進(jìn)行精磨，去除試樣表面的機(jī)械加工痕跡。然后將試樣放入超聲波清洗機(jī)清洗10 min去除試樣表面雜質(zhì)。烘干后獲得試樣微觀形貌如圖7所示。由于織構(gòu)尺度小，激光加工精度還不夠，所以存在加工誤差，使織構(gòu)微觀形貌和仿真存在一定的差距。

試驗(yàn)的壓緊力為100 N，主軸轉(zhuǎn)速為100 r/min，試驗(yàn)分別得出3種形狀織構(gòu)在4種面積率時(shí)的摩擦因數(shù)。每組試驗(yàn)重復(fù)2次，結(jié)果取平均值。

圖7 織構(gòu)化表面微觀形貌

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖8為各形狀織構(gòu)在不同面積率時(shí)的平均摩擦因數(shù)，可以看出：隨著面積率的增大，摩擦因數(shù)逐漸減小，這與仿真結(jié)果基本一致。較小面積率的微織構(gòu)產(chǎn)生的流體動(dòng)壓效果并不明顯，不能顯著提高潤(rùn)滑油膜的承載力，而且其存儲(chǔ)潤(rùn)滑油的效果也不明顯，不能通過(guò)充足的潤(rùn)滑油介質(zhì)將磨損磨粒帶到微織構(gòu)里；較大面積率的微織構(gòu)其動(dòng)壓效應(yīng)更明顯，而且儲(chǔ)油能力更強(qiáng)，能保證接觸面的充分潤(rùn)滑，有效地起到了減摩效果[14]。在不同面積率下，長(zhǎng)方形織構(gòu)的平均減摩率為12.8%，圓形織構(gòu)為5.6%，正方形織構(gòu)為4.2%。

圖8 不同面積率和形狀織構(gòu)的平均摩擦因數(shù)

圖9所示不同形狀織構(gòu)在不同面積率時(shí)的減摩率，可看出：在相同載荷下，織構(gòu)形狀和面積率對(duì)減摩效果均有較大的影響，其中長(zhǎng)方形織構(gòu)為減摩性能最優(yōu)的織構(gòu)，面積率為17%時(shí)減摩效果最好，減摩率達(dá)到18.06%，圓形織構(gòu)面積率為17%時(shí)減摩率達(dá)到了11.11%，正方形織構(gòu)面積率為17%時(shí)減摩率達(dá)到了15.28%。正方形和圓形織構(gòu)在面積率為4.7%時(shí)減摩率為負(fù)值，說(shuō)明此時(shí)織構(gòu)不僅沒(méi)有起到減摩的作用，反而將摩擦因數(shù)分別增大了4.17%和1.39%，因?yàn)槊娣e率較小時(shí)，單位面積內(nèi)的織構(gòu)面積較小，不能產(chǎn)生明顯的動(dòng)壓效應(yīng)，反而增大了表面粗糙度。

圖9 不同面積率和形狀織構(gòu)的減摩率

4 結(jié)論

(1)織構(gòu)形狀和面積率對(duì)摩擦副減摩性能均有較大影響，隨著織構(gòu)面積率增大，摩擦因數(shù)逐漸減小。

(2)仿真結(jié)果表明：長(zhǎng)方形織構(gòu)具有導(dǎo)流作用且處于封閉空間，能夠產(chǎn)生更大的油膜承載力油膜剛度，使表面壓力分布更均勻，摩擦性能更好。

(3)正方形和圓形織構(gòu)面積率為4.7%時(shí)，不僅沒(méi)有減摩，反而增大摩擦，說(shuō)明合理設(shè)計(jì)微織構(gòu)才能有效提高摩擦副的摩擦性能。