黃仲，林秉敬，李孝欽

(廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建廈門 361024)

0 前言

仿生織構(gòu)來(lái)源于仿生學(xué)，自然界中的生物為了生存，會(huì)在它們的體表生成各種各樣適應(yīng)周圍環(huán)境的組織結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究者通過(guò)各種試驗(yàn)和數(shù)值模擬方式，對(duì)仿生織構(gòu)技術(shù)的減摩和抗磨損性能進(jìn)行了廣泛的研究[1]。吉林大學(xué)呼詠等人[2]開(kāi)展了仿生圓柱滾子模擬齒輪嚙合傳動(dòng)的研究，發(fā)現(xiàn)仿生織構(gòu)對(duì)摩擦學(xué)性能有著積極作用，表面潤(rùn)滑性能改善，抗接觸疲勞能力增強(qiáng)。吉林大學(xué)的楊洪秀[3]在活塞表面加工仿生微織構(gòu)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對(duì)比無(wú)織構(gòu)表面，摩擦磨損性能得到很大提升，原因在于織構(gòu)可以儲(chǔ)存油液，儲(chǔ)存的潤(rùn)滑油可以起到二次潤(rùn)滑和冷卻散熱的作用，進(jìn)行減摩減震，延長(zhǎng)活塞使用壽命。錢權(quán)[4]仿照鯊魚皮在隔水管表面加工了溝槽形織構(gòu)，并且研究了其減阻性能，隨著溝槽數(shù)量增加，減阻率先減小再增加，當(dāng)溝槽數(shù)量n=32時(shí)，減阻率高達(dá)55.3%。MIAO等[5]在缸套上加工織構(gòu)，開(kāi)展了缸套-活塞環(huán)的低副面面織構(gòu)摩擦性能研究，結(jié)果表明添加織構(gòu)性能得到提升。DING等[6]對(duì)密封圈的DLC 薄膜上的織構(gòu)表面的端面密封性能展開(kāi)了研究，結(jié)果表明低副端面之間的振動(dòng)摩擦性能得到了好的提升。目前，織構(gòu)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(duì)點(diǎn)面、線面等高副接觸下的織構(gòu)對(duì)表面摩擦學(xué)性能影響的研究仍然較為少見(jiàn)。

織構(gòu)類型多種多樣，有凹坑形、溝槽形、凸包形等[7]。針對(duì)不同的表面特性需求，加工的織構(gòu)也不一樣，較為常見(jiàn)的是凹坑形織構(gòu)和溝槽形織構(gòu)。矩形溝槽織構(gòu)主要借鑒于蚯蚓頭部的紋理結(jié)構(gòu)[8]。蚯蚓在土壤里爬行過(guò)程中，頭部的溝槽織構(gòu)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化出如圖1所示的矩形溝槽[9-10]，其中W為溝槽織構(gòu)寬度，L為溝槽織構(gòu)長(zhǎng)度，s為溝槽織構(gòu)間距，H為溝槽織構(gòu)深度。通過(guò)矩形溝槽形織構(gòu)化表面的流體動(dòng)壓模型的仿真求解和銷盤式摩擦試驗(yàn)研究，綜合分析點(diǎn)面高副接觸下矩形溝槽形織構(gòu)化表面的潤(rùn)滑特性，及其織構(gòu)參數(shù)對(duì)摩擦性能的影響。

圖1 溝槽表面織構(gòu)幾何尺寸

1 微溝槽織構(gòu)表面的潤(rùn)滑理論及其數(shù)學(xué)計(jì)算模型

1.1 接觸副表面流體動(dòng)壓潤(rùn)滑理論

動(dòng)壓潤(rùn)滑原理是在油潤(rùn)滑工作條件下通過(guò)摩擦副上下表面間形成不等的流體壓力呈現(xiàn)出流體動(dòng)壓效果[11]。織構(gòu)化試樣表面流體動(dòng)壓潤(rùn)滑如圖2中所示，其中U為上下表面的相對(duì)速度，潤(rùn)滑液在收斂區(qū)域形成正壓力，發(fā)散區(qū)域產(chǎn)生負(fù)壓。潤(rùn)滑液在收斂區(qū)域與發(fā)散區(qū)域由于空化現(xiàn)象的產(chǎn)生形成不等的流體壓力，收斂區(qū)域大于發(fā)散區(qū)域，從而產(chǎn)生額外的承載力，起到減摩的作用。所以空化現(xiàn)象越強(qiáng)，產(chǎn)生的額外承載力越大。

圖2 動(dòng)壓效應(yīng)示意

1.2 控制方程推導(dǎo)

Navier-Stokes方程(以下簡(jiǎn)稱N-S方程)，是描述黏性流體動(dòng)量守恒的運(yùn)動(dòng)方程，在流體力學(xué)中有十分重要的意義，應(yīng)用廣泛的Reynolds方程也是在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來(lái)的。N-S方程求解非常困難和復(fù)雜，大部分情況下無(wú)法獲得其精確解，一般情況下都是針對(duì)具體的情況，通過(guò)對(duì)方程簡(jiǎn)化來(lái)獲取近似的結(jié)果[12]。在N-S方程的基本假設(shè)下，再做出以下假定：

(1)潤(rùn)滑劑被視為不可壓縮流體且黏度和密度為常數(shù)；

(2)沿z平面對(duì)稱分布，即考慮二維表面織構(gòu)情況；

(3)忽略體積力(如重力、磁力等)的作用，忽略對(duì)流項(xiàng)；

(4)考慮穩(wěn)態(tài)情況，不考慮黏溫、黏壓效應(yīng)；

(5)流體流動(dòng)為定常流動(dòng)，且壁面流體流速與壁面運(yùn)動(dòng)速度相同。

根據(jù)上述假設(shè)時(shí)，描述流體穩(wěn)態(tài)流動(dòng)簡(jiǎn)化后的N-S方程沿x方向?yàn)?/p>

(1)

沿y方向?yàn)?/p>

(2)

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

描述流體穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的連續(xù)性方程為

(3)

雖然模型在一定程度上進(jìn)行了簡(jiǎn)化，但通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法來(lái)進(jìn)行求解依舊難以獲取其解析解。文中采用ANSYS下的Fluent模塊來(lái)求解該計(jì)算模型。

2 CFD仿真模型建立

將圖3織構(gòu)平面展開(kāi)得到如圖4(a)長(zhǎng)為πD，寬為B的矩形平面區(qū)域。圖4(b)為截取的單個(gè)溝槽區(qū)域，作為仿真的計(jì)算單元，W為溝槽寬度，其中T為計(jì)算單元的周期長(zhǎng)度，文中取值為溝槽寬度的4倍。

圖3 40Cr織構(gòu)試樣

圖4 40Cr試樣織構(gòu)平面展開(kāi)圖(a)及溝槽單元(b)

為了更加直觀地表達(dá)溝槽織構(gòu)摩擦運(yùn)動(dòng)時(shí)的潤(rùn)滑情況，考慮單個(gè)周期的溝槽和二維情況，選取單元溝槽織構(gòu)進(jìn)行仿真求解，建立如圖5所示溝槽織構(gòu)截面平面仿真模型。

圖5 CFD溝槽織構(gòu)仿真模型

其中：T為計(jì)算單元的周期長(zhǎng)度尺寸；h0為摩擦副的最小油膜厚度，對(duì)于閉式浸油或富油潤(rùn)滑狀態(tài)，最小油膜厚度h0一般為0.5～0.9 μm[13]，文中設(shè)置h0=1 μm；H為溝槽織構(gòu)深度尺寸；W為溝槽織構(gòu)寬度尺寸；R為銷的曲率半徑，其值為5 mm。

3 溝槽微織構(gòu)CFD仿真分析

通過(guò)ANSYS的Fluent模塊求解基于N-S方程建立的CFD溝槽織構(gòu)仿真模型。依托溝槽織構(gòu)表面流體動(dòng)壓潤(rùn)滑理論，在轉(zhuǎn)速n固定、潤(rùn)滑條件相同的情況下，采用控制變量法研究溝槽織構(gòu)寬度、深度對(duì)模型流體域上壁面正壓區(qū)油膜壓力及動(dòng)壓性能參數(shù)大小的影響規(guī)律，進(jìn)而反映對(duì)表面摩擦性能的影響。

文中根據(jù)試驗(yàn)機(jī)工況，設(shè)置銷的轉(zhuǎn)速n1=500 r/min，計(jì)算得到角速度ω1=52.36 rad/s。

在ANSYS Workbench的DesignModeler中創(chuàng)建二維幾何模型[11]，Mesh模塊下進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用三角形非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，設(shè)置邊界層3層，生長(zhǎng)率為1.2，第一層網(wǎng)格高度0.1 μm，線節(jié)點(diǎn)尺寸同樣設(shè)置為0.1 μm。然后進(jìn)入Fluent軟件，開(kāi)啟多相流混合模型，選用Schnerr &Sauer空化模型，文中分析的是穩(wěn)態(tài)、不可壓縮、定溫、層流狀態(tài)下的溝槽織構(gòu)模型潤(rùn)滑情況，層流模型Fluent也默認(rèn)打開(kāi)。介質(zhì)為一定密度和動(dòng)力黏度的潤(rùn)滑油和空氣，第一相選擇的是流體介質(zhì)中常用工程油Fuel-oil-liquid，密度以及動(dòng)力黏度值參考惠克 L-CKC 68 號(hào)中負(fù)荷齒輪油進(jìn)行設(shè)置，密度ρ設(shè)置為850 kg/m3，動(dòng)力黏度η設(shè)置為0.057 97 kg/(m·s)；第二相為空氣，參數(shù)保持默認(rèn)設(shè)置。邊界條件的設(shè)置中，設(shè)置進(jìn)出口為周期性邊界，上壁面為旋轉(zhuǎn)移動(dòng)壁面，上文已求到轉(zhuǎn)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(jìn)行初始化設(shè)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(shè)為0，迭代次數(shù)2000。

3.1 仿生溝槽寬度對(duì)表面摩擦性能的影響

圖6給出了在織構(gòu)深度H為10 μm時(shí)，不同織構(gòu)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(gòu)深度下油膜承載力曲線

通過(guò)空化氣相圖的分布情況來(lái)分析溝槽寬度的大小對(duì)空化效應(yīng)的影響程度。不同顏色代表了不同體積分?jǐn)?shù)的空氣，其中紅色部分為空氣體積分?jǐn)?shù)最大的區(qū)域。從圖6可以看出：空化效應(yīng)隨著溝槽寬度的增大呈先增后減的趨勢(shì)。這是因?yàn)閯傞_(kāi)始時(shí)織構(gòu)面積增大，潤(rùn)滑液在內(nèi)部的流動(dòng)距離增加，利于潤(rùn)滑，但是隨著流動(dòng)距離繼續(xù)增大，容易出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象。在織構(gòu)寬度W從150 μm增加到450 μm時(shí)，空氣體積分?jǐn)?shù)不斷增大，空化效應(yīng)增強(qiáng)。在溝槽寬度為450 μm左右時(shí)，存在最大值。

3.2 仿生溝槽深度對(duì)齒面摩擦性能的影響

圖8給出了織構(gòu)寬度W為450 μm時(shí)、不同織構(gòu)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(gòu)深度從5 μm變化到10 μm時(shí)，空穴區(qū)域變大了，紅色區(qū)域迅速增加；而從10 μm變化到15 μm時(shí)，空穴區(qū)域不再增加，反而從中部向內(nèi)凹陷。這是因?yàn)樵谙嗤瑢挾葪l件下，隨著深度的增加，在長(zhǎng)距離的流動(dòng)中，根據(jù)能量守恒定律，潤(rùn)滑液的流速呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，太深的織構(gòu)不利于潤(rùn)滑。

圖8 不同織構(gòu)深度下的空化氣相圖

圖9 不同織構(gòu)寬度下油膜承載力曲線

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 仿生微溝槽織構(gòu)的制備

從廠家購(gòu)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(jìn)行打磨，再使用拋光機(jī)將試樣拋光至Ra<1 μm。采用無(wú)水乙醇清洗10 min，風(fēng)干。然后再使用皮秒激光器在試樣表面加工微織構(gòu)，參考文獻(xiàn)[14-15]以及前期對(duì)激光各種參數(shù)的不斷調(diào)試，選取激光參數(shù)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(jī)拋光工件，清理激光加工時(shí)熔融在試樣表面的殘屑，無(wú)水乙醇清洗10 min，風(fēng)干。在40Cr試樣表面加工溝槽微織構(gòu)的表面形貌如圖10所示，圖11為織構(gòu)深度10 μm的織構(gòu)單元微觀圖。使用zygo輪廓儀對(duì)試樣微織構(gòu)表面輪廓進(jìn)行測(cè)量，圖12為微織構(gòu)試樣的表面輪廓圖樣例，可以看出：微織構(gòu)的寬度和深度都在微米級(jí)尺度，與設(shè)計(jì)幾何形貌基本一致。

圖10 溝槽織構(gòu)試樣

圖11 試樣試驗(yàn)前織構(gòu)單元微觀圖

圖12 表面輪廓測(cè)量圖樣例(10 μm)

4.2 摩擦磨損試驗(yàn)

使用多功能立式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)在相同載荷和轉(zhuǎn)速的條件下進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，如圖13所示，分析不同織構(gòu)參數(shù)對(duì)摩擦因數(shù)的影響。采用惠克L-CKC68號(hào)中負(fù)荷油進(jìn)行潤(rùn)滑，按照摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)載荷范圍，結(jié)合試驗(yàn)室設(shè)備條件，選取了一個(gè)合適的載荷，載荷約為100 N，轉(zhuǎn)速控制在500 r/min。每組試驗(yàn)時(shí)間為0.5 h。

圖13 多功能立式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

4.3.1 織構(gòu)寬度對(duì)摩擦因數(shù)的影響

圖14顯示的是在深度10 μm、不同寬度下織構(gòu)化表面摩擦因數(shù)與時(shí)間的關(guān)系?？梢钥闯觯涸诳棙?gòu)深度大于380 μm時(shí)，織構(gòu)化表面的摩擦因數(shù)明顯低于無(wú)織構(gòu)化表面。這表明在點(diǎn)面高副接觸的情況下，織構(gòu)化的溝槽表面具有減摩性能。這主要是因?yàn)樵嚇颖砻娴臏喜勰軆?chǔ)存潤(rùn)滑油，從而提高潤(rùn)滑油膜的形成速率和維持潤(rùn)滑油膜的存在，進(jìn)而能顯著降低干摩擦出現(xiàn)的概率和減少摩擦磨損。

圖14 深度10 μm不同寬度下織構(gòu)的摩擦因數(shù)

此外，摩擦因數(shù)隨著織構(gòu)寬度W變大先減小后增大。這是因?yàn)閯傞_(kāi)始隨著織構(gòu)變大，潤(rùn)滑液流速增大，流體動(dòng)壓效應(yīng)也隨之加強(qiáng)，產(chǎn)生的流體動(dòng)壓力起到減摩的作用；而后隨著織構(gòu)寬度W的繼續(xù)增大，空化效應(yīng)減弱，流體動(dòng)壓力減小，摩擦因數(shù)也隨之增大，與仿真結(jié)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(gòu)化的表面摩擦因數(shù)與時(shí)間的關(guān)系圖。從圖15與圖16中可以看出，在不同深度下，織構(gòu)寬度對(duì)摩擦因數(shù)的影響規(guī)律是一致的，也即，隨著摩擦因數(shù)隨著織構(gòu)寬度W變大先減小后增大。

圖16 深度15 μm不同寬度下織構(gòu)的摩擦因數(shù)

4.3.2 織構(gòu)深度對(duì)摩擦因數(shù)的影響

圖17是不同深度下織構(gòu)化表面的摩擦因數(shù)對(duì)比柱狀圖，表1是不同織構(gòu)模型下的摩擦因數(shù)的平均值。

表1 不同織構(gòu)模型下的摩擦因數(shù)平均值

圖17 不同深度下織構(gòu)化表面的摩擦因數(shù)

從圖17可以看出：在相同的織構(gòu)寬度W條件下，隨著織構(gòu)深度H的增加，摩擦因數(shù)先減小后增大。這是因?yàn)樵诹黧w潤(rùn)滑時(shí)，剛開(kāi)始織構(gòu)深度的增加，有利于流體動(dòng)壓的產(chǎn)生，但隨著織構(gòu)深度繼續(xù)增大，將會(huì)增大織構(gòu)之間潤(rùn)滑液的流動(dòng)距離，從而減弱了織構(gòu)產(chǎn)生的流體動(dòng)壓效果，從而導(dǎo)致摩擦因數(shù)增加。通過(guò)摩擦磨損試驗(yàn)可以得出，在試驗(yàn)范圍內(nèi)最佳的微織構(gòu)參數(shù)為：織構(gòu)寬度W為450 μm，織構(gòu)深度H為10 μm。

5 結(jié)論

(1)構(gòu)建了點(diǎn)面高副接觸的情況下，仿生溝槽微織構(gòu)的流體動(dòng)壓潤(rùn)滑理論仿真模型，用Fluent仿真求解織構(gòu)參數(shù)對(duì)空化效應(yīng)的影響，得出改變織構(gòu)參數(shù)可以影響空化效果，改變油膜壓力，進(jìn)而對(duì)試樣表面摩擦磨損性能產(chǎn)生影響，空化效果隨著微織構(gòu)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(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，研究點(diǎn)面高副接觸的情況下，織構(gòu)化參數(shù)對(duì)摩擦因數(shù)的影響。結(jié)果表明：在織構(gòu)深度大于380 μm時(shí)，織構(gòu)化表面的摩擦因數(shù)明顯低于無(wú)織構(gòu)化表面，摩擦因素隨著微織構(gòu)的寬度和深度的增加均是先減小后增大，通過(guò)改變微織構(gòu)的參數(shù)可以調(diào)控摩擦界面的摩擦行為，實(shí)現(xiàn)減摩。

(3)通過(guò)仿真和摩擦磨損試驗(yàn)可以得出，仿真與試驗(yàn)的結(jié)果具有一致性。仿生溝槽微織構(gòu)存在最佳參數(shù)，在此試驗(yàn)范圍內(nèi)最佳的微織構(gòu)參數(shù)為織構(gòu)寬度W為450 μm，織構(gòu)深度H為10 μm。