弹性材料表面织构对摩擦副润滑性能的影响_申子玉.pdf

2023 年 2 月第 48 卷 第 2 期润滑与密封LUBICATION ENGINEEINGFeb.2023Vol.48 No.2DOI:10.3969/j.issn.02540150.2023.02.008文献引用:申子玉，严志军，张盛为，等弹性材料表面织构对摩擦副润滑性能的影响 J 润滑与密封，2023，48(2):5261Cite as:SHEN Ziyu，YAN Zhijun，ZHANG Shengwei，et alEffect of elastic material with surface texture on lubrication performance of fric-tion pair J Lubrication Engineering，2023，48(2):5261*基金项目:国家自然科学基金项目(51779023)收稿日期:20211031;修回日期:20220103作者简介:申子玉(1998)，男，硕士研究生，研究方向为流体润滑。Email:shenziyudlmu 。通信作者:严志军(1967)，男，博士，教授，研究方向为船舶设备管理与维修理论、润滑与故障诊断技术。Email:。弹性材料表面织构对摩擦副润滑性能的影响*申子玉1严志军1张盛为1姜渊源1王剑豪2(1.大连海事大学轮机工程学院辽宁大连 116026;2.中国北方发动机研究所(天津)天津 300400)摘要:为了研究弹性材料表面微织构对摩擦副空化现象和润滑特性的影响，建立考虑空化效应的二维弹性织构计算模型，采用流固耦合方法计算润滑流场与材料变形之间的相互作用。对比刚性材料表面微织构，从弹性模量、滑动速度、微织构深度以及织构间距等方面分析弹性材料表面织构对摩擦副润滑性能的影响，通过实验验证模拟结果的准确性。结果表明:弹性织构摩擦副比刚性织构摩擦副摩擦因数更小，润滑性能更好;存在最优织构深度，使得弹性织构摩擦副的摩擦力最小且承载力最大;适当增大滑动速度以及织构间距可以提高弹性摩擦副的润滑性能;随着弹性模量的降低，弹性变形和油膜厚度增加，空化现象更为显著，摩擦副的润滑性能得到提升。关键词:微织构;空化现象;润滑性能;弹性变形;弹性模量中图分类号:TH117.1Effect of Elastic Material with Surface Texture onLubrication Performance of Friction PairSHEN Ziyu1YAN Zhijun1ZHANG Shengwei1JIANG Yuanyuan1WANG Jianhao2(1.Marine Engineering College，Dalian Maritime University，Dalian Liaoning 116026，China;2.China North Engine esearch Institute(Tianjin)，Tianjin 300400，China)Abstract:In order to study the effect of the elastic material with surface microtextures on the cavitation phenomenonand lubrication characteristics of friction pair，an elastic texture 2D calculation model considering cavitation effect was es-tablished，and the fluidsolid coupling method was used to calculate the interaction between the lubrication flow field andmaterial deformationCompared with the rigid material with textures，the influence of elastic material with textures on thelubrication performance of the friction pair was analyzed in terms of elastic modulus，sliding velocity，texture depth and tex-ture spacingThe accuracy of the simulation results was verified by experimentsThe results show that elastic texture frictionpairs have smaller friction coefficient and better lubrication performance than rigid texture friction pairsThere is an optimaltexture depth，which makes the friction force of the elastic texture friction pair minimum and the bearing capacity maxi-mumThe increase of sliding speed and texture spacing can improve the lubrication performance of elastic friction pairWiththe decrease of the material elastic modulus，the elastic deformation and the oil film thickness increase，cavitation phenome-non becomes more significant，and the lubrication performance of the friction pair is improvedKeywords:microtexture;cavitation phenomenon;lubrication performance;elastic deformation;elastic modulus表面微织构会改变摩擦副间的润滑油的流场和压力分布，从而影响其接触和润滑状态14，而织构诱导产生的空化效应5 也对摩擦副承载会产生显著影响。因此，合理地设计摩擦副表面的微织构可以提高润滑性能，从而提高机械设备的稳定性和使用寿命67。王丽丽等8 在计入和未计入空化效应条件下对比分析了微织构分布特征对滑动轴承摩擦副润滑特性的影响规律，结果表明，计入空化效应时滑动轴承的油膜最大压力和承载力，大于未计入空化效应时油膜的最大压力和承载力。LIU 等9 研究发现，非对称微织构可以改变润滑油的压力和涡旋的分布，从而影响摩擦副的承载力和摩擦因数。YAN 等10 研究表面微织构诱导空化的分布模式及其对滑动摩擦副润滑性能的影响规律，结果表明，空化效应会影响摩擦副的润滑性能，随着速度的增加，空化效应逐渐增强，摩擦副的摩擦因数逐渐降低。近些年，越来越多新型轴承开始采用复合材料与弹性材料。对于这类摩擦副，在其运行的过程中，局部较为集中的应力，不可避免地会导致壁面局部出现明显弹性变形。因此，针对弹性摩擦副的润滑特性研究需要考虑到材料弹性变形的影响。WANG 等11 对摩擦副表面微织构边缘的接触应力和变形进行了数值分析，发现接触区和滑动区会发生应力集中和变形，并且微织构的面积密度和摩擦副所采用的材料会对弹性摩擦副表面的摩擦学性能产生显著影响。史英剑12 研究了附有织构化表面 PDMS 摩擦副的摩擦与润滑特性，结果表明，PDMS 材料表面的弹性变形会直接导致摩擦副摩擦因数的增加，从而影响摩擦润滑特性;而对于 PDMS 材料，在速度变化的条件下，无织构区域的表面弹性变化量要明显高于有织构区域。张博13 在 UHMWPE 表面加工微织构阵列，研究发现弹性摩擦副表面织构的存在，具有更好的减摩效果。王玉君等14 通过对织构型水润滑推力轴承软弹流润滑的分析，发现随着轴承材料弹性模量的降低，轴承内最高压力值逐渐降低，最大变形逐渐增加。综上，学者们对于微织构诱导空化效应，以及弹性织构对摩擦副润滑特性的影响这两方面已有研究报道，但对弹性材料表面微织构对摩擦副润滑特性影响的数值模拟和实验研究中，均未考虑织构诱导空化效应的影响。因此，本文作者建立了考虑微织构诱导空化效应的二维弹性织构计算模型，采用流固耦合方法计算润滑流场与材料变形之间的相互作用;对弹性材料表面微织构对摩擦副空化现象和润滑特性开展模拟分析，研究弹性材料的弹性模量、织构深度和间距以及摩擦副滑动速度等因素对润滑性能的影响规律，并使用销盘实验台对模拟结果进行实验验证。研究成果为弹性摩擦副表面微织构的合理设计提供理论依据。1模拟模型以带表面微织构弹性材料的平面滑动摩擦副为研究对象，摩擦副模拟区域的几何模型如图 1 所示，参数见表 1。摩擦副上壁面为刚性的匀速滑动壁面，下壁面为静止刚性壁面，下壁面上粘贴带织构的弹性膜(固体域)，上壁面与弹性膜之间为润滑油流体域。弹性膜上有截面为方形的凹坑织构。左侧为润滑油的入口边界，右侧为出口边界。图 1平面滑动摩擦副结构示意Fig.1Schematic of the plane sliding friction pair表 1模型参数Table 1Structural parameters of model参数原始数值几何长度 l/mm12油膜厚度 h0/mm001上壁面滑动速度 u/(ms1)10织构宽度 w/mm02织构深度 hp/mm001弹性模量 E/MPa75润滑油黏度 1/(Pas)01润滑油密度 1/(kgm3)892进口压力 pin/Pa101 3251出口压力 pout/Pa101 3251空化压力 pc/Pa29 18531依据 NavierStokes(NS)方程建立微织构流体域的二维数值模型，同时做出如下假设:润滑介质为不可压缩的牛顿流体，不计体积力的影响;流体流动为定常流动，且壁面流体流速与壁面运动速度相同。基于以上假设，NS 方程在 x、y 方向的展开式为 uux+vuy()=px+2ux2+2uy2()(1)uvx+vvy()=py+2vx2+2vy2()(2)连续方程:ux+vy=0(3)式中:表示润滑油的密度;p 代表油膜压力;u 和v 分别代表 x 和 y 方向的流速;表示润滑油的黏度。流固耦合中，固体域的变形控制方程为Msd2rsdt2+Csdrsdt+Ksrs+s=0(4)式中:Ms为固体质量;Cs为阻尼;Ks为刚度;rs为固体位移;s为固体受到的应力。在流固耦合交界面，应满足流体和固体应力及位移变量的守恒，即应满足如下方程:rf=rs(5)nf=ns(6)式中:n 为流固界面法向量;rf和 f分别为流体的位移和应力。建模过程采用 Fluent 17.0，为了耦合润滑流场与352023 年第 2 期申子玉等:弹性材料表面织构对摩擦副润滑性能的影响材料变形之间的相互作用，Time 选用 Transient，弹性薄膜材料变形模型为 Linear Elasticity，流固界面边界条件选择 Intrinsic FSI，流固界面通过动边界方法耦合，动网格方法选择 Smoothing Method。为了考虑微织构诱导空化效应的影响，空化模型选用 Schnerr Sauer 模型。另外，压力速度耦合选用 Coupled 方式，动量项和能量项均选为 Quick，流体状态选择 k 湍流模型。为了简化模拟模型，采用了如下量纲一化参数:W=wl，H=hph0，F=FF0，F=FF0(7)式中:F0为参考作用力，N。流体对上壁面表面作用力包括切向摩擦力 F和法向承载力 F，F和 F的公式分别为F=dr(8)F=pdr(9