張素香 石艷青 于賀春

（1.中原工學(xué)院，河南鄭州，451191；2.信陽航空職業(yè)學(xué)院，河南信陽，464100）

振動性能是衡量錠子好壞的三大指標(biāo)之一。為提高錠子的振動性能，有研究人員從材料、結(jié)構(gòu)、尺寸［1-4］等不同方向進(jìn)行了研究。吳文靜等［5］通過仿真和試驗得出了鋁套管錠子的臨界轉(zhuǎn)速，且兩者誤差在8%以內(nèi)；吳云珍［6］通過模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)尖錐形鋁套管錠子的臨界轉(zhuǎn)速避開了其工作轉(zhuǎn)速15 000 r/min～18 000 r/min；莫帥等［7］研究了彈性管的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其彈性的影響，為錠子的使用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；王進(jìn)等［8］研究了不同徑向載荷對錠子振動性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)0.5 kg 徑向載荷下錠子的振動性能較好。這些前人的研究成果，均是從傳統(tǒng)視角出發(fā)，隨著仿生學(xué)研究的成熟，傳統(tǒng)的認(rèn)為表面光潔度越高，摩擦因數(shù)越小的理念逐漸被打破，研究人員將仿鯊魚皮形貌的盾鱗狀表面織構(gòu)通過緊密排列用于泳衣后，減小了泳衣與水之間的摩擦因數(shù)，減阻率在3%～5%［9］。吳波等［10］將仿黃緣真龍虱表面的圓形凹坑狀表面織構(gòu)應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)活塞裙部后發(fā)現(xiàn)，活塞磨損降低，氣缸功率和散熱效率提高。杜偉等［11］將仿貝殼的棱形紋理應(yīng)用于除草輪后，發(fā)現(xiàn)除草輪對土壤的擾動能力增強(qiáng)，降低了反作用力。阮鴻雁等［12］通過研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合表面織構(gòu)的動壓性能更好。張博［13］研究了鱗片狀、菱形和正六邊形等單一表面織構(gòu)對單彈性錠子振動性能的影響，發(fā)現(xiàn)仿生織構(gòu)可提升單彈性錠子的振動性能，但研究深度和廣度仍然有待進(jìn)一步提升。

本研究基于仿生學(xué)原理，將具有減阻作用的仿鯊魚皮、仿貝殼、仿黃緣真龍虱狀復(fù)合表面織構(gòu)應(yīng)用于錠子高速旋轉(zhuǎn)的表面，研究不同尺寸或形貌的復(fù)合表面織構(gòu)對雙彈性和單彈性錠子振動性能的影響，為提高錠子振動性能提供參考數(shù)據(jù)。

1 錠子結(jié)構(gòu)原理與軸心軌跡

1.1 結(jié)構(gòu)原理

圖1 為雙彈性錠子和單彈性錠子裝配示意圖。錠子主要分為上、下兩部分，上部的桿盤結(jié)合件在下部的錠腳和錠膽結(jié)合件支承下高速旋轉(zhuǎn)，完成錠子的功能，桿盤結(jié)合件與雙彈性支承組成雙彈性錠子，與單彈性支承組成單彈性錠子。

圖1 雙彈性錠子和單彈性錠子裝配示意圖

1.2 軸心軌跡

錠子可以簡化為垂直運(yùn)動的轉(zhuǎn)子，其振動性能可以用錠端軸心的運(yùn)動軌跡表示。通常情況下，錠子高速旋轉(zhuǎn)時X向和Y向受力不同，則振幅也不同，因此理想情況下，錠子軸心軌跡為橢圓形，其表達(dá)式如式（1）所示。X和Y向受力相同時為圓形，振幅如式（2）所示；考慮瞬時橫向沖擊外力，軸心軌跡為不規(guī)則形狀，振幅如式（3）所示，但外力消失后，軌跡又恢復(fù)正常。考慮錠子正進(jìn)動和反進(jìn)動，且兩者不相等時，軸心軌跡為花瓣形，軌跡相對坐標(biāo)如式（4）所示。

式中：x、y為轉(zhuǎn)子中心坐標(biāo)；X、Y為垂直于錠子轉(zhuǎn)軸的兩垂直方向的振幅；ωn為錠子臨界角速度；αx、αy為初相位；Ω為角速度；B1、B2為外力沖擊產(chǎn)生的振幅；ζ為軸心軌跡；n為轉(zhuǎn)速；i為虛數(shù)；t為時間。

2 復(fù)合表面織構(gòu)設(shè)計及試件制備

為研究具有減阻降磨作用的仿生表面織構(gòu)應(yīng)用于錠子后對錠子振動性能的影響，模擬具有減阻功效的鯊魚皮［14］、貝殼、黃緣真龍虱［15］表面形貌。其中，簡化鯊魚皮形貌為盾鱗狀，并沿對角線方向加工3 道溝槽；簡化貝殼表面為橢圓形，且橢圓邊緣有5 個微刺；簡化黃緣真龍虱表面形貌為圓形凹槽中間有圓形凸起，然后取YD61 型雙彈性錠子和YD61 型單彈性錠子各20 套，分為5 組，每組雙彈性錠子4 套，單彈性錠子4 套，共8 套。之后將仿鯊魚皮形貌、仿貝殼形貌和3 種不同尺寸的仿黃緣真龍虱形貌等共5 種不同類型或尺寸的仿生表面織構(gòu)通過激光微加工的方式分別加工在錠子的上軸承檔以下的外圓部位。表1 為仿生表面織構(gòu)加工參數(shù)。圖2 為具有減阻降磨功效的生物表面形貌圖。圖3 為仿生表面織構(gòu)加工后形貌圖。

表1 仿生表面織構(gòu)加工參數(shù)

圖2 具有減阻降磨功效生物表面形貌

為防止加工織構(gòu)后的錠子表面殘留的激光熔融顆粒在錠子工作過程中脫落，影響錠子的試驗性能，錠子在激光微加工仿生織構(gòu)之后，采用1 200 目、1 500 目、2 000 目的金相砂紙打磨仿生織構(gòu)表面，清除激光微加工產(chǎn)生的多余材料，并將織構(gòu)表面拋光，清洗。然后，依次將具有仿生表面織構(gòu)的錠子安裝在多功能錠子測量試驗臺上，當(dāng)錠速從2 000 r/min 增加到22 000 r/min 時，測量其錠端振幅，并對比分析仿生表面織構(gòu)加工前后不同仿生表面織構(gòu)對錠子錠端振幅的影響規(guī)律。

3 結(jié)果討論

圖4 為仿生表面織構(gòu)加工前后三維形貌圖。與無仿生表面織構(gòu)的錠子對比，加工不同類型的仿生表面織構(gòu)后，其織構(gòu)部位的尺寸誤差均有增加，說明仿生表面織構(gòu)加工的有效性。

3.1 仿鯊魚皮狀織構(gòu)的影響

圖5為仿鯊魚皮狀仿生表面織構(gòu)的雙彈性和單彈性錠子振幅圖。

圖5 仿鯊魚皮狀織構(gòu)彈性錠子振幅

由圖5 分析可知，在錠子上增加仿鯊魚皮狀仿生表面織構(gòu)后，在臨界轉(zhuǎn)速附近，雙彈性錠子的振幅由200 μm 大幅降低至120 μm 左右，之后隨著轉(zhuǎn)速的增加振幅在20 μm～40 μm 之間波動，與無織構(gòu)的雙彈性錠子相比，振幅略有降低。而對于相同結(jié)構(gòu)的單彈性錠子，在增加仿鯊魚皮狀仿生表面織構(gòu)后，在轉(zhuǎn)速大于10 000 r/min 時，其振幅略有下降，在20 μm 附近且波動較小?？傮w分析，仿鯊魚皮狀仿生表面織構(gòu)增加于相同條件下的雙彈性錠子和單彈性錠子后，臨界轉(zhuǎn)速影響范圍內(nèi)振幅大幅下降，遠(yuǎn)離臨界轉(zhuǎn)速則略有降低，這表明具有減阻作用的仿鯊魚皮狀仿生表面織構(gòu)與潤滑油共同作用可稍微提升雙彈性和單彈性錠子的振動性能。

3.2 仿貝殼狀織構(gòu)的影響

圖6為仿貝殼狀仿生表面織構(gòu)的雙彈性和單彈性錠子振幅圖。

圖6 仿貝殼狀織構(gòu)彈性錠子振幅

由圖6 可知，在錠子上增加仿貝殼狀仿生表面織構(gòu)后，當(dāng)轉(zhuǎn)速從2 000 r/min 增加到22 000 r/min 時，雙彈性錠子的振幅始終穩(wěn)定在25 μm 左右；而單彈性錠子在臨界轉(zhuǎn)速影響范圍內(nèi)振幅在50 μm 附近，遠(yuǎn)離臨界轉(zhuǎn)速后振幅在25 μm 附近波動。與無織構(gòu)的錠子相比，仿貝殼狀仿生表面織構(gòu)直接抑制了雙彈性和單彈性錠子在臨界轉(zhuǎn)速附近振幅大幅增加的狀況，但雙彈性錠子的抑制效果更明顯。變化規(guī)律表明：在錠子上增加合理尺寸的仿貝殼狀仿生表面織構(gòu)后，雙彈性錠子和單彈性錠子的振動性能均明顯提升，但雙彈性錠子的提升更顯著，仿貝殼狀仿生表面織構(gòu)使雙彈性錠子可以工作在任意轉(zhuǎn)速且振幅很小，并能滿足錠子的使用要求，為進(jìn)一步提升雙彈性錠子的振動性能提供研究方向。

3.3 仿黃緣真龍虱狀織構(gòu)的影響

3.3.1大尺寸織構(gòu)

圖7 為大尺寸仿黃緣真龍虱狀表面織構(gòu)的雙彈性和單彈性錠子的振幅圖。

圖7 大尺寸仿黃緣真龍虱狀織構(gòu)彈性錠子振幅

由圖7 可知，與無織構(gòu)的錠子相比，增加仿生表面織構(gòu)后，在臨界轉(zhuǎn)速影響范圍內(nèi)，雙彈性錠子振幅均值由200 μm 降低至90 μm，單彈性錠子均值由180 μm 降低至80 μm，過臨界轉(zhuǎn)速后，雙彈性錠子均值由40 μm 降低為20 μm，單彈性錠子均值則由25 μm 降低為15 μm。說明在錠子高速旋轉(zhuǎn)表面增加該大尺寸的仿生表面織構(gòu)后，雙彈性錠子和單彈性錠子的振動性能均有提升，但單彈性錠子的振動性能提升更顯著。與此同時，有文獻(xiàn)證實將仿黃緣真龍虱狀表面的圓形凹坑加中間凸起狀的織構(gòu)應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)活塞裙部，減少了活塞的磨損，說明仿黃緣真龍虱圓環(huán)形凹坑狀織構(gòu)不僅具有較好的耐磨性能而且有利于降低振幅。

3.3.2中尺寸織構(gòu)

圖8 為中尺寸仿黃緣真龍虱狀表面織構(gòu)的雙彈性和單彈性錠子振幅圖?？梢钥闯?，增加中尺寸仿生表面織構(gòu)后的雙彈性錠子不同轉(zhuǎn)速下振幅均值基本為25 μm，單彈性錠子臨界轉(zhuǎn)速影響范圍內(nèi)的最大振幅均值為100 μm，過臨界轉(zhuǎn)速后則穩(wěn)定在25 μm 附近，說明該中尺寸的仿生表面織構(gòu)對雙彈性錠子的振動性能提升明顯，對單彈性錠子僅在臨界轉(zhuǎn)速影響范圍內(nèi)有顯著影響。

圖8 中尺寸仿黃緣真龍虱狀織構(gòu)彈性錠子振幅

3.3.3小尺寸織構(gòu)

圖9 為小尺寸仿黃緣真龍虱狀表面織構(gòu)雙彈性和單彈性錠子振幅圖?？梢钥闯觯黾有〕叽绶律砻婵棙?gòu)后，在臨界轉(zhuǎn)速影響范圍內(nèi)，雙彈性錠子的振幅無明顯降低，而單彈性錠子的最大振幅均值由180 μm 減小至140 μm。過臨界轉(zhuǎn)速后，雙彈性錠子的振幅均值減小至25 μm 附近，單彈性錠子的振幅在15 μm～25 μm 范圍內(nèi)波動，結(jié)果表明該小尺寸仿生表面織構(gòu)可提升雙彈性錠子和單彈性錠子高速時的振動性能。

圖9 小尺寸仿黃緣真龍虱狀織構(gòu)彈性錠子振幅

綜合分析圖7～圖9 可知，3 種不同尺寸的仿黃緣真龍虱環(huán)形凹坑狀織構(gòu)中，中尺寸仿生表面織構(gòu)對雙彈性錠子不同轉(zhuǎn)速處的振動性能影響明顯，對單彈性錠子僅臨界轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的振幅明顯降低；大尺寸仿生表面織構(gòu)對不同轉(zhuǎn)速下的雙彈性錠子和單彈性錠子的振幅均有降低；小尺寸仿生表面織構(gòu)對遠(yuǎn)離臨界轉(zhuǎn)速的錠子振幅明顯降低。究其原因在于仿生表面織構(gòu)有凸體與凹體之分，凸體密度不同時，摩擦因數(shù)不同，而凹體織構(gòu)與凸體存在一定差異，凹體織構(gòu)在充分潤滑條件下可存儲潤滑油，在降低摩擦因數(shù)方面優(yōu)于凸體，且能捕獲磨粒，減小間距也易形成油膜，且微凹坑織構(gòu)的直徑與面積占有率對零件的摩擦性能影響顯著，但深度影響不顯著。這是凸體與凹體和面積占有率配合潤滑油共同作用的結(jié)果。

4 結(jié)語

（1）增加仿鯊魚皮狀的表面織構(gòu)可提升雙彈性錠子和單彈性錠子的振動性能。仿鯊魚皮表面織構(gòu)既減阻又降振。

（2）仿貝殼狀表面織構(gòu)可抑制臨界轉(zhuǎn)速對彈性錠子振幅的影響，雙彈性錠子可以工作在任意轉(zhuǎn)速且振幅較小；單彈性錠子在臨界轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)振幅大幅降低，但遠(yuǎn)離臨界轉(zhuǎn)速振幅降低不明顯。

（3）中尺寸仿黃緣真龍虱狀表面織構(gòu)可使雙彈性錠子在任意轉(zhuǎn)速下工作且振幅較小，對單彈性錠子影響不顯著；大尺寸仿黃緣真龍虱狀表面織構(gòu)可明顯提升雙彈性和單彈性錠子的振動性能；小尺寸仿黃緣真龍虱狀表面織構(gòu)可提升高速時雙彈性和單彈性錠子的振動性能。這是凸體和凹體以及面積占有率與潤滑油共同作用的結(jié)果。