表面微細(xì)造型對(duì)兩滑動(dòng)表面摩擦潤(rùn)滑性能的影響

表面微細(xì)造型對(duì)兩滑動(dòng)表面摩擦潤(rùn)滑性能的影響

近年來(lái)，作為改變機(jī)械摩擦性能的可控技術(shù)，規(guī)則表面形狀受到了科學(xué)家的高度重視。近年來(lái),試驗(yàn)證明潤(rùn)滑表面的微細(xì)形貌可以有效地提高兩滑動(dòng)表面潤(rùn)滑效果,隨后出現(xiàn)了各種表面微細(xì)形貌加工方法。不同的微細(xì)造型的加工方法,加工的表面微細(xì)造型具有不同的幾何形貌。如Etison激光微細(xì)加工形成的表面微細(xì)球冠造型;XiaoleiW采用RIE技術(shù)的圓柱形微坑;美國(guó)Kentucky大學(xué)軸承和密封實(shí)驗(yàn)室的LIGA技術(shù)可以制作截面為三角形、菱形和六邊形等造型的微細(xì)形貌;德國(guó)Erlangen-Nuremberg大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的MGeiger等人采用受激分子激光(Excimerlaser)和光掩膜投影技術(shù)在工件表面加工截面為三角形等形貌的微細(xì)造型。本文作者建立不同微細(xì)造型幾何形貌的數(shù)值模型,結(jié)合微細(xì)形貌潤(rùn)滑理論模型,采用多重網(wǎng)格法,分析不同幾何形貌對(duì)摩擦潤(rùn)滑性能的影響。1模型分析1.1小尺寸擬合幾何參數(shù)方程兩相對(duì)滑動(dòng)的平面副簡(jiǎn)化為一個(gè)矩形滑塊和一個(gè)無(wú)限大平面,并認(rèn)為滑塊和無(wú)限大平面均為剛性的。相對(duì)滑動(dòng)的速度為U,微細(xì)造型的滑塊的承載量為W。微細(xì)造型在滑塊表面規(guī)則排列,在X,Y方向上均勻分布,如圖1所示。圖2為微細(xì)造型為激光微細(xì)加工造型的圓柱形幾何形貌,均布的凹腔在滑塊表面占有了相同的正方形控制區(qū)域。根據(jù)微細(xì)形貌的面積占有率可以確定該正方形區(qū)域的邊長(zhǎng),并以此建立微細(xì)造型的幾何參數(shù)方程。圖2中η,ξ為單微坑單元上的局部坐標(biāo),表面截面為圓形的微細(xì)造型的面積占有率可定義為:Sp=πr2p/r21(1)式中:Sp為無(wú)量綱面積占有率;rp為凹腔半徑;r1為假想正方形控制區(qū)域邊長(zhǎng)。凹腔形狀如表1所示。表1中列出了要討論的幾種不同形貌的表面微細(xì)造型。對(duì)圓柱造型、球冠造型和錐形的表面微細(xì)形貌,rp表示在工件表面的圓截面的半徑;在正六角形、三角形和正方形截面的微細(xì)造型中,lp表示在工件表面的幾何造型的邊長(zhǎng)。本文中的控制區(qū)域設(shè)定為2r1×2r1的正方形。確定了微細(xì)造型控制單元的尺寸大小,即可通過(guò)控制單元的坐標(biāo)η,ξ來(lái)定義微細(xì)造型的位置和幾何形狀。如對(duì)球冠造型的微細(xì)形貌的定義:hp(η,ξ)=√(h2pmax+r2p2hpmax)2-(η2+ξ2)-r2p-h2pmax2hpmax(η2+ξ2)≤r2p(2)式中:hpmax為微細(xì)形貌的最大深度。1.2膜厚與壓力p的二維穩(wěn)態(tài)響應(yīng)假設(shè):(1)潤(rùn)滑劑的體積力與粘性力相比,可忽略不計(jì);(2)流體在摩擦界面上無(wú)滑動(dòng);(3)潤(rùn)滑劑是不可壓縮流體,其密度不隨壓力變化;(4)在潤(rùn)滑油膜厚度h方向不計(jì)壓力的變化;(5)與粘性力相比,可以忽略潤(rùn)滑劑在運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣性力的影響,潤(rùn)滑劑是牛頓流體;(6)潤(rùn)滑劑在間隙中的流動(dòng)是層流,油膜中不存在渦流和湍流;(7)沿膜厚h方向油膜粘度數(shù)值不變。這個(gè)假設(shè)沒(méi)有事實(shí)根據(jù),只是為了數(shù)值運(yùn)算方便所作的簡(jiǎn)化;(8)由于凹腔的直徑和深度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于表面粗糙度值,因此可以認(rèn)為除了凹腔之外,接觸表面的其它地方光滑,即不考慮粗糙度的影響;(9)發(fā)生空化現(xiàn)象時(shí)采用Reynold邊界條件即:p=pcav=0,如果p<0則在液氣混和邊界處dp/dn=0。根據(jù)上述假設(shè)所得的膜厚與壓力p的二維穩(wěn)態(tài)Reynold方程為:??x(h3?p?x)+??y(h3?p?y)=6μU?h?xp≥0(3)對(duì)方程中各參數(shù)進(jìn)行無(wú)量綱化:X=xrp?Y=yrp?Η=hhpmax?Ρ=pp0?ˉμ=μμ0式中:p0為環(huán)境壓強(qiáng),定義為一個(gè)大氣壓;U為滑動(dòng)速度;μ0、r0分別為環(huán)境條件下潤(rùn)滑油粘度和密度。無(wú)量綱化后的Reynold方程為:??X(Η3?Ρ?X)+??Y(Η3?Ρ?Y)=Λ1δ?Η?X(4)式中:Λ1=12μUp0rp?δ=hp2rp2參數(shù)的計(jì)算(1)摩擦ffFf=?(2)摩擦因素ff=FfW=?ΩηUhdxdy?Ωp(x?y)dxdy(6)3fmg求解過(guò)程采用全重網(wǎng)格法(FMG)作為方程的算法。本文問(wèn)題為非線性問(wèn)題,所以選用FAS全近似格式(FullApproximationScheme)。如圖3所示為FMG的求解過(guò)程,FMG法在每一層進(jìn)行一次V循環(huán)。為了采用粗網(wǎng)格來(lái)加速收斂,它可以在最細(xì)網(wǎng)格上產(chǎn)生一精確第一近似解,粗網(wǎng)格上的收斂解可以插值到細(xì)網(wǎng)格上作為此網(wǎng)格上的第一近似。隨后可以用粗網(wǎng)格修正來(lái)改進(jìn)。4微細(xì)造型油膜厚度和壓力分布圖4為不同微細(xì)造型在相同工況下的油膜和油壓立體圖。圖4中的所有微細(xì)造型的面積占有率為Sp=30%,微坑深度和外載荷相同條件下的油膜厚度和油膜壓力的立體圖。從圖中可以看出,微細(xì)造型的幾何結(jié)構(gòu)對(duì)油膜壓力立體圖和名義油膜厚度有著很大的影響。結(jié)果中所顯示的油膜厚度的幾何結(jié)構(gòu)圖中,任意點(diǎn)處油膜厚度為名義油膜厚度h0與微細(xì)造型凹腔深度hp之和。采用力平衡方程迭代計(jì)算的名義油膜厚度,顯示了微細(xì)造型對(duì)兩相對(duì)滑動(dòng)表面的舉升力效果的影響。提高表面的間隙,降低表面的摩擦磨損,避免了在兩工作平面間,膜厚較小導(dǎo)致潤(rùn)滑劑切應(yīng)變率增大,從而導(dǎo)致溫度上升,流體粘度下降,降低潤(rùn)滑膜的承載能力。圖5給出了不同微細(xì)造型油膜壓強(qiáng)分布的等值線圖。等值線圖顯示微細(xì)造型對(duì)油膜壓力分布有很大影響。在相同表面占有面積的條件下,有效的形成油壓油膜的區(qū)域有明顯的區(qū)別。圖中可以看出在表面截面均為圓形的微細(xì)造型中,球冠造型形成油壓的區(qū)域要明顯大于圓柱和圓錐造型。從圖5的結(jié)果中同樣可以看出,在單個(gè)微細(xì)造型的區(qū)域上,最高壓強(qiáng)并沒(méi)有出現(xiàn)在中心位置上。圖6為不同微細(xì)造型的名義油膜厚度和摩擦因數(shù)結(jié)果。從圖5和圖6中可以看出,在相同表面占有率和微細(xì)造型深度下,正三角形造型有效油膜壓力區(qū)域較大,在相對(duì)滑動(dòng)的表面中形成的間隙大,摩擦因數(shù)小。同時(shí)需要注意的是,在三角形微細(xì)造型中,30%的面積占有率已經(jīng)%,但對(duì)于表面截面為圓形的微細(xì)造型,最大面積占有率可達(dá)到78.5%,六角形的可達(dá)65%,正方形的最高可達(dá)50%。相對(duì)來(lái)說(shuō),表面截面為圓形的微細(xì)造型具有較大的性能提升空間,相對(duì)三角形和六邊形微細(xì)造型也更易加工和控制。5正三角形微造型影響通過(guò)對(duì)單個(gè)控制單元內(nèi)不同幾何形貌的微細(xì)造型分析比較可知,微細(xì)造型的幾何形貌類型對(duì)微細(xì)加工零件的潤(rùn)滑摩擦性能的影響相當(dāng)大。在表面截面均為