织构化冲压保冷机活塞裙部表面摩擦性能研究

织构化冲压保冷机活塞裙部表面摩擦性能研究

0几何模型建立与仿真发动机动力和油耗的摩擦磨损对汽车的油耗、油耗和效率有重要影响。桁磨纹理作为微织构的一种，20世纪40年代被应用于发动机缸套表面后上述研究均表明织构本身的结构参数、润滑油膜的厚度、雷诺数能对惯性效应产生影响，但是在众多的研究中均假设织构几何模型的油膜厚度是不变且存在的。众所周知，在实际摩擦过程中，油膜厚度并不是恒定的，大多数边界润滑情况下该值是跳动的，很多时候油膜是断裂的。另外，在运动过程中的上下表面也不存在绝对的光滑。本研究基于此两个方面，优化设计了流体几何模型，利用Fluent软件，结合试件摩擦接触状态，通过数值模拟的方法计算了边界润滑条件下，光滑表面以及具有条状纹理的上表面对于织构内部惯性效应的影响，获得了表征惯性效应强弱的流线分布，以及沿运动方向油膜内部压力变化曲线及压力云图，并对仿真结果进行了实际验证。其中条状纹理为机械磨床对上下试样表面加工时所呈现出的类似于桁磨纹理形貌的规律单向纹理。1数值模拟1.1流场变量对计算过程的影响Fluent软件基于Narier-Stokes方程求解流体问题，该方程组完整形式涉及众多的流场变量。同时鉴于本研究的重点在于流体内部的速度以及压力变化，并不涉及研究热传导所引发的其他方面作用。为进一步优化计算过程，做如下假设:(1)润滑油为不可压缩的牛顿流体;(2)润滑油的温度恒定不变，且其密度以及黏度为恒定值;(3)忽略流体重力的影响。1.2理论方程根据1.1的假设，同时结合Narier-Stokes式中ρ———润滑油的密度，kg/mμ———润滑油的动力黏度，kg/(m·s)1.3微织构表面模型图1a为未经优化的织构流场二维模型，该模型与多数织构数值模拟研究中所涉及的二维模型相类似，其中AH为运动表面，ABGH为摩擦副之间的润滑油膜，CDEF为三角微织构凹坑，其内部也充满润滑油，h为油膜的厚度，d为织构的深度，w为织构的宽度。多数研究采用这种模型的原因在于弹流体润滑使得摩擦副上下表面被油膜隔开。但是摩擦副之间的接触也存在很多的情况，例如边界润滑条件下油膜厚度小，非均匀分布。这就导致很多情况下摩擦副上表面AH与摩擦副下表面BCFG直接接触。鉴于此，为使得数值模拟的几何模型更加接近真实情况，将其设计成如图1b所示的模型，其中AD面为运动表面，ABCD为三角微织构凹坑区域，d为织构深度，w为织构宽度。为进一步探究边界润滑条件下非光滑运动上表面对织构内惯性效应的影响，将摩擦接触的上表面设计为条状纹理，该纹理的设计参考后期磨床加工的下试样表面的纹理形状。如图1c所示，其中m为条状纹理的深度。对图1b和图1c所示的2种几何模型展开计算。1.4网格独立性验证本研究采用2019R2版Fluent软件进行计算，为尽量降低网格尺寸对于最终计算结果的影响，采用四边形网格进行网格独立性验证之后确定所使用的网格的尺寸为0.00109mm×0.00109mm。计算边界条件:上壁面为运动壁面，速度为0.48m/s(该速度值与后期试验过程中的摩擦副上试样速度一致)，下壁面静止;计算模型采用Laminar层流模型;流体的密度与后期验证试验所用到的基础油的密度保持一致，为801.3kg/m1.5流场几何模型1.5.1惯性效应的影响惯性效应的强弱主要通过涡流的强度来反映。图2a为光滑表面与织构之间流场流线，图2b为条状纹理表面与三角微织构凹坑之间的流场流线。图2a和图2b2种模型内部流场均出现了涡流，说明在该几何参数以及运动速度下，光滑表面以及条状纹理表面与三角微织构凹坑之间形成的流场均可出现流体的惯性效应。条状纹理表面与织构间的内部流场存在更多的涡流，说明条状纹理有利于流体惯性效应的形成。2种流场的涡流在形状、数量、内部流速上均存在较大差别。图2a中光滑表面与织构之间流场的涡流沿运动方向呈现长扁状;涡流数量为1个;涡流最内部的流体速度接近0。图2b中条状纹理表面与织构内部流场涡流主要呈现为“鸡蛋”的形状;尺度较小;涡流数量为9个且分布均匀;涡流内部的流速明显高于光滑表面织构间流场中涡流内部流速;同时，沿运动方向，涡流的强度不断增加。对比图2a和图2b发现，加入桁磨纹理后，涡流的数量从1个变为9个说明涡流的数量受桁磨条纹个数的影响;涡流不仅分布于条状纹理沟槽内部流场，且各条状纹理间隔处也出现涡流。为进一步探究惯性效应对于不同织构化流场压力的影响，分析流场的压力分布以及织构化流场上表面的承载力变化见图3。由图3可以看出在流场几何模型的上拐角处压力梯度变化剧烈。图3a中流场上表面最小压力发生的地方对应于图2a中涡流的最左端，即涡流的速度起点;而压力最大的地方则对应于涡流的回流点;在起点与回流点之间流场上表面承载力沿速度方向缓慢增大。图4为不同流场上表面油膜承载力的变化曲线。图2～图4表明惯性效应的存在使得光滑表面与织构间形成的流场获得了额外的承载力。图3b所示的流场几何模型符合发生流体动压效应的几何条件，但是该流场中惯性效应仍占主要。这是因为图4b所示压力曲线出现了“周期性”变化，“周期性”变化的次数与涡流的数量保持一致，同时其压力最值变化的位置与图3a中的类似。产生这种“周期性”变化的同时，该流场后面产生的正向压力峰值相比第一次正向压力峰值均呈现递增状态，这表明惯性效应的作用效果可以“叠加”。数值模拟试验结果表明:该模拟试验条件下，在织构化流场中存在流体惯性效应，使得该流场获得额外的承载力:条状纹理与三角微织构凹坑之间的流场存在惯性效应的“叠加”效应，能够获得更高的承载力。2测试2.1表面粗糙度和表面粗糙度加工为进一步验证本次数值模拟试验结果的准确性，利用MMW-1A摩擦磨损试验机进行摩擦试验。除了进行数值模拟试验中涉及到的2种模型摩擦试验，还增加其他3组对比摩擦试验。每组对比试验试样组合中的上试样不同，下试样相同。试验中上下试样均为45钢环，上试样如图5a所示，内径42mm，外径50mm，厚度5mm;下试样如图5b所示，内径38mm，外径54mm，厚度10mm。利用磨床在上下试样表面加工出如图5c和图5d所示纹理。采用激光刻蚀的方式在光滑以及具有条状纹理的下试样表面加工出底边为1mm、底边上高为1mm、深度为0.1mm左右的等腰三角微凹坑，几何形状分布如5e和图5f所示，条状纹理与三角微织构凹坑复合表面局部形貌如图5g所示。2.2磨损预处理试验试验所用设备为MMW-1A立式万能摩擦磨损试验机，试验载荷200N，转速为100r/min。润滑油采用指数68的100号基础油，密度为801.3kg/m2.3表面条纹对摩擦系数的影响为后文表述方便，将试验组进行编号，试验组上下试样的类别与编号对应关系见表1。图6所示为摩擦系数变化曲线示意。图6a中GS试验组在稳定磨损阶段摩擦系数为0.065,XS试验组在稳定磨损阶段摩擦系数为0.062，相比之下摩擦系数降幅为4.6%。由图4a可知，GS流场上表面油膜承载力最大值为2.0×10同时结合其余试验组的试验数据，发现上试样表面为条状纹理的试样组合比上试样表面光滑的试样组合在稳定磨损阶段具有更低的摩擦系数。4组对比试验中，XG试验组摩擦系数最低，达到0.040。摩擦系数最高的试样组合为GF试验组，达到0.100。由图2～图4的数值仿真结果可知，条状纹理与其他表面所形成的流场内部会发生惯性回流，涡流的数量等于油膜承载力的峰值出现次数，且涡流的数量受条状纹理数量影响，涡流之间还存在“叠加”效应，使得该区域流体获得额外的承载力，导致上表面为条状纹理的试验组摩擦系数相对降低。上表面为光滑试样时，涡流的数量与三角微织构凹坑的数量有关，相比条状纹理细密的结构，光滑试样与其他表面间形成的流场内部涡流数量更少，使得上试样为光滑表面的试验组摩擦系数较高。在载荷200N、转速100r/min的工况下，带有条状纹理的上试样能够有效降低初始磨损阶段的摩擦系数，缩短摩擦副达到稳定磨损状态的时间。由图6可知，同一对比试验组中，上试样为条状纹理的试样组合在初始磨损阶段的摩擦系数几乎全部低于上试样表面光滑的试样组合。试样组合为XX和XG表面初始摩擦系数最低，为0.080左右。从初始磨损阶段到稳定磨损阶段用时最少的是XG表面试样组合，为140min左右，XX试样组合用时同样低于200min;光滑试样组用时最短的是GG试样组合，为240min。条状纹理的结构在储油存屑方面具有天然优势，因此在初始磨损阶段润滑状态更好，同时由于惯性效应以及动压效应的存在，使条状纹理试样组在减摩抗磨方面优势明显。3纳米流场的叠加效应(1)通过条状纹理和光滑表面两者与织构形成的流场的数值模拟对比试验，发现2种织构化流场内均发生了惯性效应，使得该流场获得额外的承载力;条状纹理与织构之间的流场存在惯性效应的“叠加”效应，能够获得更高的承载力。(