表面微细造型对两滑动表面摩擦润滑性能的影响

表面微细造型对两滑动表面摩擦润滑性能的影响

近年来，作为改变机械摩擦性能的可控技术，规则表面形状受到了科学家的高度重视。近年来,试验证明润滑表面的微细形貌可以有效地提高两滑动表面润滑效果,随后出现了各种表面微细形貌加工方法。不同的微细造型的加工方法,加工的表面微细造型具有不同的几何形貌。如Etison激光微细加工形成的表面微细球冠造型;XiaoleiW采用RIE技术的圆柱形微坑;美国Kentucky大学轴承和密封实验室的LIGA技术可以制作截面为三角形、菱形和六边形等造型的微细形貌;德国Erlangen-Nuremberg大学机械工程学院的MGeiger等人采用受激分子激光(Excimerlaser)和光掩膜投影技术在工件表面加工截面为三角形等形貌的微细造型。本文作者建立不同微细造型几何形貌的数值模型,结合微细形貌润滑理论模型,采用多重网格法,分析不同几何形貌对摩擦润滑性能的影响。1模型分析1.1小尺寸拟合几何参数方程两相对滑动的平面副简化为一个矩形滑块和一个无限大平面,并认为滑块和无限大平面均为刚性的。相对滑动的速度为U,微细造型的滑块的承载量为W。微细造型在滑块表面规则排列,在X,Y方向上均匀分布,如图1所示。图2为微细造型为激光微细加工造型的圆柱形几何形貌,均布的凹腔在滑块表面占有了相同的正方形控制区域。根据微细形貌的面积占有率可以确定该正方形区域的边长,并以此建立微细造型的几何参数方程。图2中η,ξ为单微坑单元上的局部坐标,表面截面为圆形的微细造型的面积占有率可定义为:Sp=πr2p/r21(1)式中:Sp为无量纲面积占有率;rp为凹腔半径;r1为假想正方形控制区域边长。凹腔形状如表1所示。表1中列出了要讨论的几种不同形貌的表面微细造型。对圆柱造型、球冠造型和锥形的表面微细形貌,rp表示在工件表面的圆截面的半径;在正六角形、三角形和正方形截面的微细造型中,lp表示在工件表面的几何造型的边长。本文中的控制区域设定为2r1×2r1的正方形。确定了微细造型控制单元的尺寸大小,即可通过控制单元的坐标η,ξ来定义微细造型的位置和几何形状。如对球冠造型的微细形貌的定义:hp(η,ξ)=√(h2pmax+r2p2hpmax)2-(η2+ξ2)-r2p-h2pmax2hpmax(η2+ξ2)≤r2p(2)式中:hpmax为微细形貌的最大深度。1.2膜厚与压力p的二维稳态响应假设:(1)润滑剂的体积力与粘性力相比,可忽略不计;(2)流体在摩擦界面上无滑动;(3)润滑剂是不可压缩流体,其密度不随压力变化;(4)在润滑油膜厚度h方向不计压力的变化;(5)与粘性力相比,可以忽略润滑剂在运动时的惯性力的影响,润滑剂是牛顿流体;(6)润滑剂在间隙中的流动是层流,油膜中不存在涡流和湍流;(7)沿膜厚h方向油膜粘度数值不变。这个假设没有事实根据,只是为了数值运算方便所作的简化;(8)由于凹腔的直径和深度都远远大于表面粗糙度值,因此可以认为除了凹腔之外,接触表面的其它地方光滑,即不考虑粗糙度的影响;(9)发生空化现象时采用Reynold边界条件即:p=pcav=0,如果p<0则在液气混和边界处dp/dn=0。根据上述假设所得的膜厚与压力p的二维稳态Reynold方程为:∂∂x(h3∂p∂x)+∂∂y(h3∂p∂y)=6μU∂h∂xp≥0(3)对方程中各参数进行无量纲化:X=xrp‚Y=yrp‚Η=hhpmax‚Ρ=pp0‚ˉμ=μμ0式中:p0为环境压强,定义为一个大气压;U为滑动速度;μ0、r0分别为环境条件下润滑油粘度和密度。无量纲化后的Reynold方程为:∂∂X(Η3∂Ρ∂X)+∂∂Y(Η3∂Ρ∂Y)=Λ1δ∂Η∂X(4)式中:Λ1=12μUp0rp‚δ=hp2rp2参数的计算(1)摩擦ffFf=∬(2)摩擦因素ff=FfW=∬ΩηUhdxdy∬Ωp(x‚y)dxdy(6)3fmg求解过程采用全重网格法(FMG)作为方程的算法。本文问题为非线性问题,所以选用FAS全近似格式(FullApproximationScheme)。如图3所示为FMG的求解过程,FMG法在每一层进行一次V循环。为了采用粗网格来加速收敛,它可以在最细网格上产生一精确第一近似解,粗网格上的收敛解可以插值到细网格上作为此网格上的第一近似。随后可以用粗网格修正来改进。4微细造型油膜厚度和压力分布图4为不同微细造型在相同工况下的油膜和油压立体图。图4中的所有微细造型的面积占有率为Sp=30%,微坑深度和外载荷相同条件下的油膜厚度和油膜压力的立体图。从图中可以看出,微细造型的几何结构对油膜压力立体图和名义油膜厚度有着很大的影响。结果中所显示的油膜厚度的几何结构图中,任意点处油膜厚度为名义油膜厚度h0与微细造型凹腔深度hp之和。采用力平衡方程迭代计算的名义油膜厚度,显示了微细造型对两相对滑动表面的举升力效果的影响。提高表面的间隙,降低表面的摩擦磨损,避免了在两工作平面间,膜厚较小导致润滑剂切应变率增大,从而导致温度上升,流体粘度下降,降低润滑膜的承载能力。图5给出了不同微细造型油膜压强分布的等值线图。等值线图显示微细造型对油膜压力分布有很大影响。在相同表面占有面积的条件下,有效的形成油压油膜的区域有明显的区别。图中可以看出在表面截面均为圆形的微细造型中,球冠造型形成油压的区域要明显大于圆柱和圆锥造型。从图5的结果中同样可以看出,在单个微细造型的区域上,最高压强并没有出现在中心位置上。图6为不同微细造型的名义油膜厚度和摩擦因数结果。从图5和图6中可以看出,在相同表面占有率和微细造型深度下,正三角形造型有效油膜压力区域较大,在相对滑动的表面中形成的间隙大,摩擦因数小。同时需要注意的是,在三角形微细造型中,30%的面积占有率已经%,但对于表面截面为圆形的微细造型,最大面积占有率可达到78.5%,六角形的可达65%,正方形的最高可达50%。相对来说,表面截面为圆形的微细造型具有较大的性能提升空间,相对三角形和六边形微细造型也更易加工和控制。5正三角形微造型影响通过对单个控制单元内不同几何形貌的微细造型分析比较可知,微细造型的几何形貌类型对微细加工零件的润滑摩擦性能的影响相当大。在表面截面均为