（機械制造及其自動化專業(yè)論文）基于ns方程的微造型表面動壓潤滑性能的研究.pdf

江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 表面微造型( s u r f a c et e x t u r i n g ) 以其優(yōu)異改善摩擦副表面潤滑摩擦性能的特 點得以快速發(fā)展。開展微造型表面潤滑摩擦性能的研究不僅對微造型潤滑摩擦理 論的發(fā)展和完善有著重要的意義，而且對工程應(yīng)用中合理設(shè)計所需的微造型表面 奠定了理論基礎(chǔ)。 目前對流體潤滑的理論研究絕大部分是以雷諾方程為基礎(chǔ)的。本文在分析了 微造型的幾何模型特點和慣性力可能產(chǎn)生的影響后，確定了以更加精確的數(shù)學(xué)模 型n s 方程作為微造型動壓潤滑研究的理論基礎(chǔ)，并選用基于n s 方程的c f d 方 法作為分析工具，建立了微造型表面潤滑分析的c f d 模型，定義幾何模型參數(shù)、 邊界條件，討論了控制方程的離散和求解方法，并對建立的計算模型進行了誤差 評估。通過對建立的c f d 模型的求解，對比基于n s 方程和雷諾方程求解微造型 表面動壓潤滑之間的差異，提出由于微造型的存在和增加的雷諾數(shù)而產(chǎn)生的慣性 力將對微造型動壓潤滑產(chǎn)生可觀的影響，而不能被忽略，并在考察慣性力的情況 下分析了五種微造型類型和微造型幾何參數(shù)對動壓潤滑的影響情況，得出隨著雷 諾數(shù)r e 和微造型無量綱化的寬度、+ 的增加承載能力也隨著增強，潤滑流場中漩 渦對承載能力起到反作用影響，提高承載應(yīng)該盡量的避免渦流的產(chǎn)生，對所考察 的幾何造型微造型無量綱化的深度在o 5 礦 1 之間時將得到較優(yōu)的承載力能力的 主要結(jié)論。 關(guān)鍵詞：表面微造型，動壓潤滑，n - s 方程，c f d ，慣性力影響 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t s u r f a c et e x t u r i n ga so n ep e r f e c tw a yf o re n h a n c i n gt f i b o l o g i c a lp r o p e r t i e so f m e c h a n i c a la p p l i c a t i o n sr e c e i v e dd e e p l yd e v e l o p m e n ti nr e c e n ty e a r s ，t h er e s e a r c ho f m i c r o - t e x t u r i n g o n t r i b o l o g i c a lp r o s p e r i t i e s n o t o n l y h a s s i g n i f i c a n tm e a n i n g t o t h e m i c r o d i m e n s i o n a lt r i b o l o g i c a lt h e o r y , b u ta l s ov e r yi m p o r t a n tt ot h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nf o r d e s i g n i n gs u i t a b l es u r f a c et e x t u r i n ga sn e e d e d f o rm o r et h a nac e n t u r y ，f l u i df i l ml u b r i c a t i o np r o b l e m sh a v et r a d i t i o n a l l yb e e n a n a l y z e du s i n gt h er e y n o l d se q u a t i o n ，s i n c er e y n o l d se q u a t i o ni s r e d u c e df r o m n a v i e r - s t o k e se q u a t i o n s ，t h e r ea r es om a n yl i m i t e di ns o l u t i o nt h el u b r i c a t i o np r o b l e m s ， s ot h ep a p e rp u tf o r w a r dm o r ep r e c i s i o ne q u a t i o n ，n a v i e r - s t o k e se q u a t i o nt os o l v et h e h y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o no f t e x t u r e ss u r f a c e su n d e rs u c hs i t u a t i o n t h ed i s s e r t a t i o nb e g i nw i t l la n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r so ft e x t u r e ds u r f a c e sa n dt h e i n e r t i a lf o r c ee f f e c t , a n df i n do u tt h ep o s s i b l ed e f e c t so fr e y n o l d se q u a t i o n sa n ds t o k e s e q u a t i o n si ns o l v i n gt e x t u r e ds u r f a c e s ，t h e ns e l e c tc f d w h i c hb a s e do nn a v i e r - s t o k e s e q u a t i o n sa st h et o o lt os t u d yt h eh y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o no ft e x t u r e ds u r f a c e s a f t e r t h a te s t a b l i s h e dt h ec f da n a l y s i sm o d e l ，d e f m e dt h eg e o m e t r i cp a r a m e t e r s ，s t a t e dt h e b o u n d a r yc o n d i t i o n s ，d i s c u s s e dt h eg o v e r n i n ge q u a t i o n s ，d i s c r e t i z a t i o na n ds o l v eo ft h e g o v e r n i n ge q u a t i o n s b yc o m p a r i n gt h ed i f f e r e n c e so fu s i n gn a v i e r - s t o k e se q u a t i o n s a n du s i n gr e y n o l d se q u a t i o n si ns o l v i n gt h eh y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o no ft e x t u r e d s u r f a c e s ，t e v i e w e dt h ei n e r t i a le f f e c t ，t h e np u to u tt h a tt h ei n e r t i a lf o t c ee f f e c tt h en e t p r e s s u r ed e e p l yd u et ot h ec o m b i n e de f f e c to ft h ep r e s e n c eo ft h et e x t u r e ds u r f a c e sa n d o ft h e i n c r e a s i n gr e y n o l d sn u m b e r , a n dc a n t b en e g l e c t t h e na n a l y z e dt h e h y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o no ff i v ed i f f e r e n tt y p e st e x t u r e ds u r f a c ei n c l u d i n g 也ei n e r t i a l f o r c ee f f e c ta n df i n do u tm o r eo p t i m u mg e o m e t r i cp a r a m e t e r se x i to nt e x t u r e ds u r f a c e ， i n c r e a s i n gt h ew i d t h 、卅a n dd e s i g n i n gt h ed e e po ft e x t u r ei nt h ez o n eo fo 5 礦 1 c a n g e tp e r f e c th y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o ne f f e c t k e yw o r d s ：s u r f a c et e x t u r i n g ，h y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o n ，n a v i e r - s t o k e se q u a t i o n ，c f d i n e r t i a lf o i ee f f e c t i i 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 y 9 7 s i $ 0 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同 意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許 論文被查閱和借閱。本人授權(quán)江蘇大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部內(nèi)容或 部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制 i 手段保存和匯編本學(xué)位論文。 本學(xué)位論文屬于 學(xué)位論文作者簽名： 洳。占年月弓日 保密口，在年解密后適用本授權(quán)書。 不保密醇 引薔、i 胃 指導(dǎo)撕簽名：荔1 金使 年月日 獨創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨立 進行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的內(nèi)容以外，本論文不 包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究 做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意 識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名：蘿- 、孑、寓 日期：護。鄉(xiāng)年夕月廖日 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論丈 1 1 本課題的研究背景 第一章緒論 機械裝置系統(tǒng)中，存在著各種各樣的摩擦副。這些摩擦副之間的摩擦不僅影 響機械系統(tǒng)的工作性能和運行效率，甚至是導(dǎo)致其失效的主要原因l l 】，其結(jié)果將造 成能量損失、效率降低、溫度升高、表面磨損，產(chǎn)生振動和噪音，縮短使用壽命。 由于機械裝置的廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，摩擦性能的改進將產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益。 減少摩擦的方法很多，在物體表面上進行微造型，以產(chǎn)生動壓效果減少摩擦 技術(shù)就是其中的一種。在物體表面加工微觀幾何造型，以改善物體摩擦性能即表 面微造型技術(shù)早在2 0 世紀(jì)5 0 年代后期就由s a l a m a 等人嘲開始研究。隨后的近 4 0 年許多學(xué)者紛紛投入到該領(lǐng)域的實驗和理論研究中去，對諸如機械密封 ( 3 1 1 4 5 】【6 】州、活塞環(huán)【8 1 9 j i o j 以及推力軸承 i l 】 1 2 1 的表面微造型加工的研究更成為近期熱 點。 人們發(fā)現(xiàn)表面微細形貌在相互運動摩擦的物體表面主要有以下一些作用：1 ) 使相互平行的摩擦表面產(chǎn)生動壓潤滑；2 ) 減少摩擦表面的摩擦系數(shù)，從而減少摩 擦力或摩擦力矩；3 ) 提高承載能力；4 ) 微孔( 槽) 可以作為儲油槽，為邊界潤滑提 供潤滑或為剛啟動的摩擦表面提供潤滑；5 ) 微孔( 槽) 可以用作儲屑槽，容納由于 邊界潤滑或干摩擦產(chǎn)生的磨屑，從而減少磨損，延長使用壽命。 隨著摩擦學(xué)理論和實驗研究的深入，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)谋砻嫖⒂^幾何形貌可顯著改 善潤滑抗磨性能。微造型的幾何參數(shù)主要包括微細形貌的幾何形狀和微造型的分 布。幾何形狀包括微造型截面形狀、尺寸大小以及凹槽或凸起等，微造型的分布 包括造型在表面的位置、分布的幾何形狀以及微造型的密度( 微形貌間的距離) 等。選擇合適的造型，優(yōu)化幾何參數(shù)，可大幅度減少摩擦力( 摩擦力矩) ，提高承 載能力與抗磨損能力，因此，根據(jù)摩擦副表面的潤滑抗磨性能要求，優(yōu)化設(shè)計與 之匹配的具有確定幾何形貌的理想表面，以及采取特定有效的工藝方法和手段， 來實施相應(yīng)的表面微觀造型，便成為近年來特別是當(dāng)前頗具吸引力的研究課題。 當(dāng)前對微造型的研究主要是以試驗為手段的，雖然研究取得了一定的效果， 但是帶有微造型表面的多種機制裝置的承載和潤滑情況還遠遠未知，實驗研究能 解決的問題依然有限，特別是對微造型參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計研究，試驗耗資昂貴，試 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 驗條件受到許多限制，也存在測量誤差，許多問題還需要用理論模型配合解決。 因此可以用于研究微造型各自參數(shù)影響的理論分析變得十分重要。 1 2 課題來源 本課題來源于國家自然科學(xué)基金項目5 0 4 7 5 1 2 2 ：規(guī)則微觀幾何形貌表面的 設(shè)計與制造機理研究；江蘇省十五科技攻關(guān)項目b e 2 0 0 3 0 1 3 ：高性能節(jié)能環(huán) 保型發(fā)動機的激光珩磨技術(shù)與裝備；江蘇省高校自然科學(xué)研究計劃重點項目 0 3 k j a 4 6 0 0 2 0 ： 基于摩擦學(xué)理論的激光表面微觀造型改性機理研究。 本課題的主要研究工作就是嘗試采用基于n s 方程的計算流體( c f d ) 方法 分析微造型表面產(chǎn)生動壓潤滑的情況，分析微造型表面是否能產(chǎn)生動壓效應(yīng)，產(chǎn) 生什么樣的效應(yīng)，分析慣性力項對微造型表面的動壓的影響情況，分析微造型類 型和幾何參數(shù)對動壓的影響，分析微造型潤滑流域情況，試圖找出較優(yōu)的微造型 表面設(shè)計。 1 3 表面微造型動壓潤滑的研究現(xiàn)狀 由于摩擦的廣泛存在，潤滑性能的改進就可以產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益，因此， 如果物體表面的微細形貌能影響和改變物體表面的摩擦性能，那么研究表面微造 型潤滑效果將意義重大。當(dāng)前，圍繞著微造型表面能否改善潤滑效果，產(chǎn)生怎樣 的潤滑效果，影響因素是什么等問題，學(xué)術(shù)界和工程界投入了大量的人力物力進 行了探索和研究，也取得了一定的成果。 1 3 1 表面微造型改變摩擦性能的研究 在物體表面加工出微造型以改善物體摩擦性能即表面微造型技術(shù)研究可以追 溯到上世紀(jì)5 0 年代。1 9 5 2 年，s a l a m a 。1 在對推力軸承的試驗中發(fā)現(xiàn)，在平行表面 上的表面微細形貌，即表面粗糙度對軸承的性能有很大的影響，由于表面微細形 貌的存在，能夠在平行的相對滑動的軸承表面形成支撐載荷的流體動力壓強。 2 0 世紀(jì)6 0 年代，h a m i l t o n “”提出了在相對平行的兩表面間，如機械密封環(huán)表 面，相對滑動的條件下，能夠形成液體潤滑的理論，并認為在平行運動表面間的 潤滑機制的形成是建立在表面的不規(guī)則性以及由此產(chǎn)生的油膜氣穴的基礎(chǔ)上。在 1 9 6 8 年，a n n o “4 1 通過研究認為微細形貌潤滑理論有別于經(jīng)典潤滑理論。經(jīng)典潤滑 理論認為在相對平行的表面和牛頓流體條件下，不能形成流體動壓油膜。在試驗 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 和理論計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，a n n o 提出的微細形貌潤滑理論指出在每個微細形貌區(qū) 域內(nèi)存在壓強分布，并認為所產(chǎn)生的動壓分布能夠有效支撐外載荷。軸上帶有和 沒有微造型的向心軸承的承載情況由s n e g o v s k i i 和b u l y u k “”通過試驗的方法進 行了研究，作者發(fā)現(xiàn)軸上包含微溝槽的承載能力比軸上沒有微溝槽的承載在滑動 速度從3 0 一6 0 m s 時性能提高了1 5 2 倍。g k r i g h t m i r e 和h g a n d e r s o nb i i i j r ，1 9 8 7 年在懸掛墊圈軸承“”的試驗中，對溝槽面積密度1 6 的表面造型和無溝 槽表面的進行比較，摩擦系數(shù)降低了7 3 。2 0 0 0 年，h e n r yh 將表面微造型技 術(shù)應(yīng)用到刀具表面，以此來降低磨損增加刀具壽命“”，在壽命試驗中，表面造型 試樣的壽命是微造型試樣壽命的1 0 倍之多。以色列表面技術(shù)公司r o n e n 等人“ 已經(jīng)通過實驗證明在即使在兩平行摩擦副之間，若有一個表面加工出微坑，可以 形成良好的流體動壓潤滑。 近年來，e t s i o n “州“利用激光表面微造型技術(shù)對機械密封、活塞環(huán)以及平行的 推力軸承表面進行微孔造型，從理論上進行了模擬分析，并用實驗的方法進行了 驗證，e t s i o n 在對進行過激光表面微造型在水中運轉(zhuǎn)的機械密封的檢測發(fā)現(xiàn)，通 過選擇適當(dāng)?shù)奈⒃煨蛶缀螀?shù)，摩擦力矩可減少多達6 5 。另一項由德國人做的對 經(jīng)過表面微造型的使用在油中的機械密封檢測發(fā)現(xiàn)可減少4 0 的摩擦力矩。l s s t e p h e n s 等利用改進的l i g a 方法對相互滑動的表面進行微造型，使用數(shù)值模擬方 法o “分析了圓柱、四方形、菱形、三角形等微觀形貌幾何截面的變化對摩擦力和 泄漏的影響。此外，2 0 0 1 年x i a l e iw a n g 。2 1 利用反應(yīng)離子蝕刻技術(shù)對s i c 材質(zhì)的推 力軸承和機械密封進行了研究，通過實驗方法得到s i c 材質(zhì)的物體表面經(jīng)過造型 后對摩擦性能的影響，優(yōu)化的微坑參數(shù)能夠有效提高承載能力達2 多。 國內(nèi)對微造型表面改善潤滑效果的研究還比較少。2 0 0 2 年華東理工大學(xué)的于 新奇等1 對激光2 n x ：多孔端面機械密封的動壓分析時也得出機械密封面上的微孔 可產(chǎn)生明顯的動壓效應(yīng)。同年，清華大學(xué)的汪家道等捌在流體潤滑計算的基礎(chǔ)上， 對雙曲拋物凹坑的參數(shù)對平均油膜壓力的影響進行了分析。并選用f a l e x 三銷環(huán) 試驗裝置，研究對象在面接觸情況下，不同尺寸的規(guī)則凹坑對粗糙面潤滑的影響。 結(jié)果表明，當(dāng)規(guī)則凹坑表面尺寸適當(dāng)時，其潤滑效果比無規(guī)則凹坑表面的試件有 較大提高。天津工業(yè)大學(xué)激光應(yīng)用研究所的林子光等“”。，通過s r v 試驗、t i m k e n 試驗和發(fā)動機挺桿的臺架試驗，發(fā)現(xiàn)激光微精處理后的表面輪廓有明顯凹坑的試 件，具有較高的抗擦傷能力。 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 默上聰述的物體裝匿徽造型搜零都是爆予液缽潤滑豹，e t s i o n 、y u r i k l i g e r i a n 等還將該技術(shù)遙麗劐予氣密封俘上去。“陽1 ，鍵取得了好的潤滑效栗。 可見徽造型襲爵確實能徽好的瀲善潤滑效果。 1 ，3 。2 徽逡型類擐靼a 釋參數(shù)辯瀑擦憷麓的影璃 避一步研究襲礤豹體寢西徽造型的幾何參數(shù)影響甚至決定莆物體襲鬣的摩擦 性麓，改謄物體摩擦性戇主簧逢透過優(yōu)化微造型熬類整 葶曩足褥參數(shù)這至l 妁。 決定徽造型的主要參數(shù)蠢檄造鍪酶凡訝形狀秘徽造型的分鑫。幾何形狀餐活 徽遺裂截霜形狀、尺寸大小戩及凹槽或凸起等，微造蹙的分布包括造裂農(nóng)表瑟黔 位鼙、分布斡幾翅形狀以及微造型的密度( 激形藐溺豹躐離) 等。疆1 - i ( a ) 是在 滔塞環(huán)襲蕊嬲工戇徽孔造型戳，鷹1 - t 國) 是程菜一接力藩攘表強瓤工豹三角形駟 槽。圖i - 2 加工的是正六邊形微造型，圖i - 2 ( a ) 怒凸越的，圖1 - 2 ( b ) 是凹橫。 圍1 - 1 造型凡 哥形狀及分霈嘏辯1 翟1 噸& 逛及髏橫游菠六邊澎遺型?！?，綴過磷究笈現(xiàn)，褒所有參數(shù)中，擻我深度與徽孑0 蠱徑的澆值( 深經(jīng)魄) 對摩 擦力( 摩擦力艇) 影響較大。e t s i o n 窟1 9 9 9 年發(fā)表靜脊關(guān)楓械密封的遵論和實驗 4 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論丈 研究的論文中提出來該觀點【引。2 0 0 1 年r o n e n 等發(fā)表的用激光表面微造型技術(shù)降 低活塞環(huán)與汽缸套摩擦力的論文中也表述了同樣觀點 8 1 。 e t s i o n 在對機械密封的研究過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)密封件壓力增大到一定值時，經(jīng)過 普通造型的表面的和未經(jīng)造型的表面摩擦力矩差距不大( 圖1 3 ) 4 1 。為了能承受 更大的載荷，e t s i o n 在摩擦表面進行了局部造型( p a r t i a ls u r f a c et e x t u r i n g ) ( 圖1 4 ) 。 局部造型是相對于全局造型( f u l ls u r f a c et e x t u r i n g ) 而言的，是在摩擦表面的一部 分進行造型，該造型部分靠近壓力大端，且增大微孔密度。該舉措首先應(yīng)用在機 械密封表面，并經(jīng)過實驗證明有顯著的效果( 圖1 5 ) 。2 0 0 4 年，e t s i o n 等 7 將局 部造型應(yīng)用到活塞環(huán)表面，建立了理論模型，分析并比較了局部造型與全局造型 在降低摩擦力上的差異，指出了最優(yōu)的局部造型系數(shù)f b 。，w + = o 6 ( b 。造型寬度， w 一活塞環(huán)寬度) 。通過數(shù)值模擬和分析在平行的推力軸承【1 1 1 的局部造型顯示，軸 承的承載能力隨著微孔的面積密度增加而增加的( 圖1 - 6 ) 。 u 哺i t d 噼 圖1 - 3 經(jīng)過表面微造型和未造型的s i c s i c 密封件單元載荷下摩擦力矩的對比f 4 i p r e _ h 聊f l 墻7 i l 圖1 5 經(jīng)過局部造型和未經(jīng)過造型的密封件 密封壓力下的摩擦力矩【7 1 絮囂o “ “i a l l y r s e 。x 。l u r “?！啊薄?圖1 - 4 表面全局造型與局部造型“0 1 圖卜6 部分激光表面微造型的滑板模型“1 s i c 由于材質(zhì)的特殊性可以和水在摩擦狀態(tài)下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可以獲得較低的 摩擦力，因此被認為是用水潤滑的機械密封和推力軸承的富有應(yīng)用前景的材料。 x i a o l e iw a n g 等在s i c 制作的機械密封和推力軸承表面進行微孔造型，用實驗方法 考察了該摩擦狀態(tài)下摩擦副表面摩擦性能的變化，發(fā)現(xiàn)造型可以進一步減小摩擦 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 力，提高承載能力。x i a o l c iw a n g 根據(jù)實驗繪制了推力軸承承載能力圖 2 2 1 ，發(fā)現(xiàn)微 孔在最優(yōu)的幾何形體和分布情況下承載能力比未進行微造型的軸承可提高兩倍。 ls s t e p h e n s 2 l 等用數(shù)值方法研究了微細形貌( 包括凸起和凹坑) 對摩擦力和 泄漏的影響。研究發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)對形貌的形狀不敏感，對截面尺寸很敏感，而泄 漏率對形貌形狀和尺寸都敏感。研究還發(fā)現(xiàn)在確定條件下，凸起的形貌比凹坑帶 來的泄漏少。 于新奇”3 等通過對激光加工多孔端面機械密封的試驗和數(shù)值分析得出：介質(zhì) 粘度越大，轉(zhuǎn)速越高，密封開啟力和液膜剛度越大；非孔區(qū)液膜厚度越小，密封開 啟力和液膜剛度越大；在微孔直徑一定時，微孔深度和微孔密度對密封開啟力和液 膜剛度有很大影響，并存在最佳值。 清華大學(xué)汪家道【2 4 【2 5 1 等研究了無窮大面接觸規(guī)則凹坑的潤滑優(yōu)化問題，并得 出隨油膜間隙的增加，最優(yōu)化凹坑深度隨之近似成線形增加；但凹坑表面橢圓半徑 與凹坑間距之比對凹坑的最優(yōu)化深度沒有明顯的影響。 可以看出，表面微造型幾何參數(shù)影響甚至決定著承載能力和動壓效果的產(chǎn)生， 國內(nèi)外的很多學(xué)者都在試圖通過優(yōu)化表面微造型的設(shè)計來改善摩擦副的潤滑情 況，并取得一定的成績。 13 3 微造型動壓潤滑數(shù)值分析的研究現(xiàn)狀 表面形貌對潤滑的影響己得到廣泛承認和實踐驗證。對于這些加工表面形貌 和參數(shù)優(yōu)化，許多學(xué)者進行了一定程度的研究，但都主要集中在實驗研究上，然而，試 驗研究越來越暴露出其中多方面的缺點和局限性，特別是對微造型參數(shù)的優(yōu)化設(shè) 計研究，試驗耗資昂貴，試驗條件受到許多限制，如模型尺寸，邊界條件的影響 等，也存在測量誤差，因此對微造型表面動壓潤滑的理論研究和分析逐漸成為人 們研究的熱點。 由于微造型表面潤滑情況復(fù)雜，很難得到解析解，所以目前對微造型的研究 大都集中在數(shù)值計算上。目前數(shù)值計算中理論模型大都建立雷諾方程為控制方程 的基礎(chǔ)上，建立潤滑油膜厚度方程和邊界條件，對微造型潤滑問題進行數(shù)值求解 分析，如e t s i o n p z 0 1 等人在研究激光造型表面在機械密封和滑動軸承中的應(yīng)用時， 采用穩(wěn)態(tài)雷諾方程和r e y n o l d s 邊界條件建立理論模型。模型中設(shè)定最小油膜厚度 為定值，e t s i o n 通過有限差分法將潤滑問題線性化，運用g a u s s s e i d e l 超松弛迭 代求解代數(shù)方程。l e o n i db u r s t e i n 和d o vi n g m a n 3 4 , 3 5 ，采用半s o m m e r f e l d 邊界條 6 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 件建立理論模型，通過解析計算求得圓柱微坑和球冠微坑幾何參數(shù)對油壓、承載 等性能的影響，但這種邊界條件，在壓強邊界處不能滿足流量連續(xù)性。s t e p h e n s ， l s 等 2 1 , 3 6 在分析l i g a 技術(shù)加工的表面微造型摩擦潤滑性能時，采用的理論模型 是建立在單個微造型單元區(qū)域上的，和e t s i o n 相似，理論模型也是采用了穩(wěn)態(tài)雷 諾方程和雷諾氣穴條件( s w i f t - - s t i e b e r 條件) 。g u s t a v oc 等【37 j 在研究通過表面微 造型優(yōu)化潤滑零件性能時，以相對滑動摩擦平面上立方體微細形貌為物理原型， 采用穩(wěn)態(tài)雷諾方程求解油壓分布。通過對簡化工況分析，提高對微造型參數(shù)優(yōu)化 設(shè)計的理解。 國內(nèi)在微造型摩擦潤滑數(shù)值計算方面的研究起步較晚，對理論模型和數(shù)值計 算方法的研究還很少。2 0 0 3 年，汪家道等【2 4 】分析認為在互相垂直方向上規(guī)則凹坑 間距不變的無窮大面接觸潤滑中，規(guī)則凹坑所形成的油膜壓力具有周期性，因此 可以取一個周期性單元進行研究。模型中采用雙曲拋物面方程描述凹坑形貌，給 定摩擦副間名義油膜厚度，以穩(wěn)態(tài)雷諾方程為控制方程。2 0 0 4 年，于新奇1 對激 光加工多孔端面非接觸機械密封分析，通過模型簡化和假設(shè)，采用單個微造型控 制單元為物理模型，控制單元上流體動力潤滑通過穩(wěn)態(tài)雷諾方程給出，按半索莫 菲爾德( h a l f - s o m m e r f e l d ) 空化邊界條件消去負壓。 以上對微造型的數(shù)值分析都是采用雷諾方程的，都是通過設(shè)定氣穴邊界條件 求解的。2 0 0 5 年瑞典的f r e d r i ks a h l i n 等人 3 8 1 采用基于n s 方程的c f d 方法分析 了二維簡單的圓柱和樣條形微造型表面的動壓潤滑情況。 總之，表面形貌對潤滑的影響已得到廣泛承認和實踐驗證。對于微造型和參 數(shù)優(yōu)化，許多學(xué)者進行了一定程度的研究，但都主要集中在實驗研究上，且主要是對 實驗的定性解釋，理論研究到目前為止仍很少，并且理論研究基本都是建立在雷諾 方程上的。 1 4 本課題的研究目的和研究意義 綜上所述，適當(dāng)?shù)谋砻嫖⒃煨涂梢燥@著的改善著物體表面的摩擦性能，改善 物體摩擦性能可以通過優(yōu)化微造型的幾何參數(shù)來達到目的。 基于微造型技術(shù)的實驗研究多，但理論研究相對而言還很少，許多理論研究 尚不成熟，研究的范圍還不全面，雖然有許多物理因素影響動壓效果，但在不同的 應(yīng)用場合和工況條件下影響動壓效果的物理因素是不同的，且對動壓潤滑的影響程 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 度和方式也是多樣的，單獨的研究并能夠區(qū)分它們的影響將是很重要和有意義的。 雷諾方程是從n s 方程推導(dǎo)出來的，推導(dǎo)過程中做了一定的簡化，對一些可 能影響微造型表面潤滑的因素，如慣性力項等的考察是有局限性的，本課題研究 的主要目的是嘗試采用基于n s 方程的計算流體( c f d ) 方法分析微造型表面產(chǎn) 生動壓潤滑的情況，分析微造型表面是否能產(chǎn)生動壓效應(yīng)，產(chǎn)生什么樣的效應(yīng)， 分析慣性力項對微造型表面的動壓的影響情況，分析微造型類型和幾何參數(shù)對動 壓的影響，分析微造型潤滑流域情況，試圖采用n s 方程出發(fā)找到較優(yōu)的激光微 造型表面設(shè)計參數(shù)，從而使具有這種造型的摩擦副表面的耐磨性和潤滑性能大大 提高；另外一個目的就是嘗試從n s 的角度研究潤滑問題，為更加全面考察微造 型表面的影響因素尋求種新的方法和思路。 從n s 方程的角度分析潤滑問題，考察了慣性力在微造型表面潤滑中的作用， 進一步發(fā)展了微造型表面潤滑理論，采用基于n s 方程c f d 方法分析潤滑問題， 為研究傳統(tǒng)潤滑研究中雷諾方程和s t o k e s 方程所不能克服的局限性問題開辟新的 研究途徑；經(jīng)濟上通過優(yōu)化微造型設(shè)計提高潤滑效果并將其應(yīng)用到發(fā)動機、軸承、 導(dǎo)軌，軸瓦，活塞銷，滑動密封環(huán)，控制套，端面密封上，將大大降低能耗、提 高產(chǎn)品壽命和可靠性，經(jīng)濟價值和潛力巨大。 1 5 本課題研究內(nèi)容及論文結(jié)構(gòu)安排 本課題研究的對象是根據(jù)實際情況簡化后的兩平行平板，一平板上進行微觀 幾何造型并固定，另一平板光滑相對固定的微造型平板做平行運動。 本文的研究內(nèi)容就是嘗試采用基于n s 方程的計算流體力學(xué)( c f d ) 的方法 分析微造型表面動壓潤滑的情況，通過理論和數(shù)值分析尋求微造型表面產(chǎn)生動壓 潤滑的情況，考察慣性力對微造型表面動壓潤滑的影響，通過潤滑流場中壓力分 布、流線分布、移動壁面的摩擦力和摩擦系數(shù)分析，從流場的角度，考察不同微 造型幾何類型和幾何參數(shù)對動壓效果的影響情況，最后給出較優(yōu)化的幾何造型參 數(shù)設(shè)計。 根據(jù)以上研究內(nèi)容，本文各章節(jié)安排如下： 第一章：緒論。首先，闡述了選題的背景和本文課題的背景和來源，然后介 紹了表面微造型動壓潤滑的研究現(xiàn)狀，著重從表面微造型改變摩擦性能的研究、 微造型的幾何參數(shù)對摩擦性能的影響，表面微造型動壓潤滑研究的現(xiàn)狀和存在的 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 問題三個方面進行了闡述，最后講述了本課題的研究目的、研究意義、研究內(nèi)容 和本論文組織。 第二章：微造型表面動壓潤滑的基本理論及計算流體力學(xué)在潤滑中的應(yīng)用。 本章首先論述了流體潤滑的基本理論、基本理論方程，接著分析了微造型表面潤 滑的特點方面及慣性項對微造型動壓可能存在的影響，確定了n s 方程作為分析 微造型表面動壓潤滑的理論方程；接著分析了基于n s 方程的c f d 特點、用于潤 滑分析的可行性研究，及計算流體方法在潤滑中的應(yīng)用。 第三章：本章建立了微造型表面動壓潤滑分析的c f d 模型。首先給出了簡化 的幾何模型，討論了控制方程、控制方程的無量綱化，及方程解法，定義了邊界 條件并討論了有限元網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格選取，最后對c f d 數(shù)學(xué)模型的誤差進行了評 價。 第四章：微造型表面動壓潤滑的三維數(shù)值模擬。對建立的c f d 模型進行求解， 驗證了合適微造型表面確實可以產(chǎn)生動壓效果，在理論分析了慣性力產(chǎn)生的基礎(chǔ) 上，通過比較基于n s 方程和雷諾方程求解結(jié)果的差異，考察了慣性力的影響， 然后分析了雷諾數(shù)、微造型類型和幾何參數(shù)對動壓效果的影響情況，給出了較優(yōu) 化的幾何造型參數(shù)。 第五章：總結(jié)和展望。對本文整體內(nèi)容和研究結(jié)果進行了綜合概括，闡述自 己研究工作的價值及今后需要進一步深入研究的工作。 9 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章微造型表面動壓潤滑的基本理論及 計算流體力學(xué)在潤滑中的應(yīng)用 動壓潤滑的研究大多是采用雷諾方程為理論基礎(chǔ)的，本章在分析了流體潤滑的 基本理論和基本理論方程的基礎(chǔ)上，根據(jù)微造型的特點在分析慣性力的可能產(chǎn)生 的影響后，選擇了n s 方程作為求解微造型表面動壓問題的理論模型，并選擇了 基于n s 方程的c f d 方法作為分析工具，并討論了該方法在分析潤滑的可行性研 究及其在潤滑分析中的應(yīng)用，為以后的數(shù)值分析做好了理論基礎(chǔ)。 2 1微造型表面動壓潤滑的基本理論 21 1 流體潤滑基礎(chǔ)理論 流體力學(xué)潤滑是研究如何使用流體膜有效的將運動副分隔開的問題。一般說 來，減小摩擦和抵抗磨損的辦法主要從兩個方向著手，一方面是內(nèi)因解決，即提 高材料的抗摩能力，亦即研究和開發(fā)抗摩材料。抗摩材料的性能應(yīng)當(dāng)包括高的耐 磨損能力和低的摩擦系數(shù)。另一方面則是從外因著手，即采用潤滑劑隔離運動副 的辦法，這就是潤滑。潤滑的目的是要形成和保持一層潤滑膜。但是，在運動表 面之間的潤滑膜不定是完整的，其中的一個重要問題是運動表面的粗糙度與潤 滑膜厚度具有怎樣的相互關(guān)系。按照這種關(guān)系，潤滑分為厚膜潤滑和薄膜潤滑。 厚膜潤滑以流體的力承受全部載荷并且實現(xiàn)運動表面的完全隔離為標(biāo)志，因而， 厚膜潤滑的必要條件是潤滑膜厚度在整個作用區(qū)域內(nèi)都能淹沒粗糙峰。當(dāng)這一點 不能實現(xiàn)時，則在某些分散的局部區(qū)域內(nèi)粗糙峰相互接觸。此時，流體潤滑膜的 分隔和固體的接觸并存，潤滑膜并不完整。這種摩擦稱為薄膜潤滑。當(dāng)潤滑膜的 厚度小于平均粗糙度時，就出現(xiàn)了所謂的邊界潤滑。在潤滑機理上，薄膜潤滑與 厚膜潤滑是不同的：薄膜潤滑起主要作用的是表面的物理和化學(xué)過程，而厚膜潤 滑則主要取決于潤滑劑的流體力學(xué)行為。所以，可以將厚膜潤滑稱為流體力學(xué)潤 滑 3 9 1 。本課題研究的油膜厚度為厚油膜潤滑，即為完全潤滑。 通過在物體表面加工微造型改變物體表面摩擦性能，減少摩擦力，提高物體 承載能力，增加抗磨損能力等已經(jīng)有越來越多的人達成共識，投入此領(lǐng)域研究的 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 人也越來越多，但是基于微造型技術(shù)的實驗研究多，但理論研究相對而言還很少， 許多理論研究尚不成熟。實驗研究能解決的問題依然有限，許多問題需要用理論 模型配合解決。研究微造型表面動壓潤滑問題，就是根據(jù)摩擦潤滑的基本理論， 研究微造型表面產(chǎn)生潤滑的原因及其影響因素，提高摩擦副表面的潤滑效果。 在一定條件下，兩摩擦表面可以被一薄層粘性流體完全分開，并由所建立的 流體膜壓力平衡外載荷，這種狀態(tài)稱為流體潤滑。流體力學(xué)潤滑可以大大降低摩 擦系數(shù)、減少磨損和改善摩擦副的工作性能。 根據(jù)潤滑膜壓力產(chǎn)生的原理不同，流體潤滑可以分為流體靜力潤滑 ( h y d r o s t a t i cl u b f i c a t i o n ) 和流體動力潤滑( h y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o n ) 兩大類。 流體靜力潤滑，是靠外部的油泵把壓力油送入支承面，把兩表面隔離，從而建立 潤滑油膜支承外載荷。流體動力潤滑，則是由摩擦表面的幾何形狀和相對運動， 借助粘性流體的動力學(xué)作用，使其產(chǎn)生潤滑油膜壓力來支承外載荷的。 在摩擦副表面進行微造型并進行參數(shù)優(yōu)化的目的，就是為了產(chǎn)生好的動壓效 果，提高承載和改善摩擦性能的。 2 1 2 摩擦潤滑的基本理論方程 流體潤滑問題研究中所用到的基本方程，主要是納維一斯托克斯方程 ( n a v i e r s t o k e s 方程，或縮寫成卜s 方程) 及其變形一雷諾方程，流動的連續(xù)性 方程，潤滑劑的狀態(tài)方程( 粘度和密度方程) ，表面彈性變形方程，以及能量方程 等。微造型表面的潤滑問題，仍然是流體潤滑的范疇，其研究的出發(fā)點仍然是依 據(jù)這些基本方程。 n - s 方程是摩擦潤滑研究中最基本的方程，它是流體在流場中的運動方程，主 要包含有粘度、密度、速度等參數(shù)，這些參數(shù)一方面決定了流體的壓力場和溫度 場，這些壓力場和承載表面的變形同時又影響著這些參數(shù)，因此除了最基本的描 述流體運動的n - s 方程及其簡化形式( 如廣泛應(yīng)用的雷諾方程等) ，某些情況下還 必須聯(lián)立連續(xù)性方程、能量方程、表面的彈性變形方程及潤滑劑的狀態(tài)方程等才 能得到最后的結(jié)果。 通用直角坐標(biāo)形式的全n s 方程為： p 魯= 如一巹十去h z 等一；( 豢十芳+ 等 + 。：也， 茜 玎( 鼉+ 茜 + 丟 吁( 誓+ 警) p 魯= 螞一考+ 茜 叩 z 芬一吾( 善+ 等+ 誓 + 。：舶， 甜誓+ 甜烈i s 融 u y + 8 砂u j1 p 告= 艙一老+ 毫 玎 2 警一吾( 警+ 芬+ 等 + 。：山， 去 刁( 警+ 豢 + 導(dǎo) 等+ 誓 由于三個坐標(biāo)方向，因此有三個n s 方程。它的各項有以下物理意義： p 罷單位體積流體所受的慣性力。 刪孑作用在單位體積流體上的質(zhì)量力a 挈，孚，罷作用在單位體積流體表面的壓力梯度a 魄鯽o z 后面的項是流體表面的粘性力項。 總體i t - s 方程的物理意義為： 質(zhì)量加速度( 慣性力) = 體積力+ 壓差力( 壓強梯度) + 粘性力( 粘性應(yīng)力散度) s t o k e s 方程是n s 方程省略了慣性項p 害的簡化，其形式為： 胞一警+ 去 叩 2 等一詈( 豢+ 等+ 警 ) + 專 刁( 等+ 等 。：勘， 十荊警+ 剴：” q 一考十號m z 等一；( 警十等+ 警) + 魯 叩( 等+ 警 。：m ， 十荊警+ 剖- o 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 p g ：老+ 魯 叩 z 爹一； 豢十等+ 警 ) + 去 叩( 警+ 警) 。：。， + 荊等+ 剴= 。 s t o k e s 方程主要適用于r e l 的極慢的蠕流和爬流情況“，這時慣性力與粘 性力相比為小量，即此時粘性力對流動起到主導(dǎo)主用的情況。 雷諾方程比s t o k e s 簡化的更多，是n s 方程在以下假設(shè)下得到的： ( 1 ) 潤滑劑的體積力與粘性力相比，可忽略不計，即流體不受額外的附加力 場的作用； ( 2 ) 流體在摩擦界面上無滑動，即貼于表面的流體速度與表面運動速度相 同。 ( 3 ) 潤滑劑是不可壓縮流體，其密度不隨壓力變化； ( 4 ) 在潤滑油膜厚度h 方向不計壓力的變化，即沿y 軸方向壓力不變。 ( 5 ) 與油膜厚度h 相比較，運動副表面的曲率半徑要大的多，因而忽略油膜 曲率的影響，不計表面移動速度方向的改變，即用平移速度代替轉(zhuǎn)動速度； ( 6 ) 與粘性力相比，可以忽略潤滑劑在運動時的慣性力的影響，包括流體加 速的力和油膜彎曲的離心力； ( 7 ) 潤滑劑是牛頓流體，即剪切力正比于剪應(yīng)變率； ( 8 ) 潤滑劑在間隙中的流動是層流，油膜中不存在渦流和湍流；且不計其流 動中的慣性效應(yīng)： ( 9 ) 潤滑劑是不可壓縮的 ( 1 0 ) 潤滑劑的粘度在縫隙中保持不變，即不計溫度與壓力對粘度的影響。 從而得出雷諾方程的一般形式： 旦o x ( 叢r 豺旦0 5 , ( 叢r 豺s 阻l o x 嘞) ( 2 - 。) l蘇jl砂一。j 應(yīng)用最廣的是雷諾方程及其在各種具體條件下的變形形式及其求解。s t o k e s 方程和雷諾方程都是對n s 進行一定的假設(shè)下推導(dǎo)出來了。由于微造型表面的特 殊性，這種假設(shè)有可能掩蓋了動壓產(chǎn)生的某些重要的影響因素，甚至動壓產(chǎn)生的 真實原因，采用雷諾方程和s t o k e s 方程分析微造型表面是有其局限性的。 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 213 對流項( 慣性力項) 的影響分析 流體潤滑中，慣性項與粘性項的比為。( r 否2 ) ，其中r e 是雷諾數(shù)r e ：p u l 叩 ( l ：油膜厚度尺度) ，否是間隙比否= 嘗( 油膜厚度) 。一般情況下，否很小， l 而r e 又不會很大( 一般為1 0 0 1 0 3 ) ，所以d 礦) 乜的情況，即這種情況微觀形貌才生的慣性力將很小，可以被忽 略，并且由于微觀形貌的周期或跨度表面形貌造成的油膜厚度不均勻性，而引起 的壓力分布不連續(xù)的情況也可以被忽略了，這種情況經(jīng)典潤滑理論進行求解是合 適的，并且也得到了人們的認可。 如果微觀表面的空間跨距和平均油膜厚度在同一個數(shù)量級上( e l r o d “，給出 了下限為l 1 5 ) 的情況，在這種情況下，如果微觀尺寸和油膜尺寸在同一 個數(shù)量級上，將會許多產(chǎn)生小的流場，這些流場如果距離很近，將相互影響，當(dāng) 粗糙表面的跨度( 波形) 可以和油膜厚度或者表面形貌幾何尺寸相比較的時候，在 油膜厚度方向上的這些區(qū)域的壓力分布將不再是常量，這種情況對于經(jīng)典雷諾方 程的沿油膜厚度方向壓力不變的假設(shè)也將不再成立。這種情況在很久以前就被人 注意到了，并且認識到需要建立更加完整的數(shù)學(xué)和物理模型來解決這種問題。 s t o k e s 方程系統(tǒng)“3 1 是首先被采用求解這種問題的數(shù)學(xué)模型，采用這種模型可以將 特定流場采用特定的長度尺寸進行處理，這樣就克服了將整個油膜厚度上的壓力 1 4 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 p 作為常量的假設(shè)。 但s t o k e s 方程是n s 方程去掉了慣性力項的簡化，因此這種數(shù)學(xué)模型僅僅適 合低雷諾數(shù)r e l 的情況，慣性力與粘性力相比為小量。而通常情況胎將在1 0 0 到 1 0 2 1 0 3 之間，高的甚至可以達到1 0 4 1 0 5 ，這與s t o k e s 模型的適用情況非常的矛 盾，顯然這不符合通常的微造型表面的流體潤滑的要求。 對微造型的幾何，表面油膜厚度h 和長度尺度具有可比性( 在一個數(shù)量級上) ， 即否的值增大，慣性力的影響將顯著加強，所以在微造型動壓潤滑中，即使在通常 的胎( 1 0 0 1 0 3 ) 情況，也將會產(chǎn)生很大的慣性力。以氣缸活塞環(huán)為例，活塞環(huán)直徑 d = 1 l o m m ，曲柄角速度國= 5 0 0 0 r m i n ，動力粘度脅= o 0 6 p a s ，密度為8 0 0 k g m 3 時候，l = 1 0 “的時候，r e = 6 7 的情況，萬= o 1 ，時候，這時候的線速度為4 5 m s 速度不算很大，此時o ( r e 否2 ) = o 0 6 7 ，還不是很大，但考慮到潤滑介質(zhì)動力粘度 隨著溫度的下降和速度的提高，r e 提高了1 0 0 倍，這個時候慣性項的影響將會很 大甚至超過了粘性項的影響。 因此，對微造型表面，當(dāng)雷諾數(shù)逐漸增大時，有必要考慮慣性力的影響情況， 并且應(yīng)該回到納維一斯托克斯( n - s 方程) 進行求解，所以本文選擇了基于n s 方 程的計算流體方法分析微造型表面的動壓問題。 2 2 計算流體力學(xué)( c f d ) 及其在動壓潤滑中的應(yīng)用 計算流體力學(xué)( c f dc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 其基本方程就是n ，s 方程， 近年來的c f d 的發(fā)展，為采用計算機數(shù)值方法進行分析多種流體狀態(tài)成為可能， 用n s 方程在三維空間，甚至在復(fù)雜幾何區(qū)域分析動壓潤滑問題成為可能。 22 1 計算流體