线接触摩擦副织构化表面动压润滑性能

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

Hydrodynamic Lubrication Performance of TexturedSurface under Linear ContactHua Xijun Chen Meiyun Fu Yonghong Zhou Wan Ge Hanqing(College of Mechanical Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang Jiangsu 212013，China) ·Abstract：In order to study the hydrodynamic lubrication performance of textured surface under linear contact，the theo。

retical model was set up and analyzed by multi- d method，and the influence of the working condition parameters(1oad，speed)and micro-texturing parameters(area density，depth over diameter ratios)on the film pressure were discused.Thefriction tests were performed to study the relation between friction coeficient and area density under linear contact using aMMW-1 A friction and wear tester。The results show that the average film pressure of textured surface increases with in-crease of the load and speed，and increases first and then decreases with the increase of the micro-texture area density，anddecreases with increase of the depth over diameter ratios.Moreover the friction coeficient decreases first an d then increasesand at last decreases with the increase of the micro-texture area density.There exists a optimal micro-texture area density，which makes the average film pressure and the friction coeficient of textured surface the maximum.The test results verifythe numerical analysis resuhs，it is shown that the textured surface under linear contact has better friction reducing property。

Keywords：linear contact；textured Surface；multi-grid method；film pressure大量的理论研究和科学试验表明 ，在摩擦副表面进行规则的激光微织构处理，能够显著改善摩擦副表面的摩擦学性能。微织构能储备-定的润滑油 ，有利于形成微流体动压润滑，提高表面整体润滑性能。

基金项目：国家自然科学基金项目 (51175233)；江苏势技支撑计 划项 目 (BE2010060)；镇 江市工业科技支撑 项 目(GY2012039)；江 苏 省 高 校 自然 科 学 研 究 计 划 项 目(07KJIM60035)。

收稿日期：2012-07-30作者简介：华稀 (1966-)，男，工学博士，教授，主要从事激光表面改性与摩擦学设计、固体润滑等方面的研究工作。

近年来，对微织构表面的摩擦学性能研究主要是采用面面接触 ，而对于高副接触形式下的织构化表面摩擦学研究则相对较少。Mourier等 对织构化表面的弹流润滑机制进行了研究。他指出微织构的几何尺寸和滑滚比能够改变压力分布，从而能够控制油膜的承载力。Kovalchenko等 。 比较了在点接触条件下抛光表面、粗糙表面、织构化表面和高密度织构4种表面的摩擦磨损情况♂果表明，高密度的微织构表面磨损最严重。王晓雷等Ⅲ 研究了在线接触油润滑条件下不同微织构半径在不同滑动速度下对减摩性能的影响♂果表明，微凹坑的直径为20 m时减摩性能最优。李兵等人 研究了激光微织构表面的摩擦特性，并进行了线接触摩擦试验♂果表明，在2 润滑与密封 第38卷滑滚比较小时，摩擦因数随着微织构直径增大而增大。

本文作者以线接触摩擦副织构化表面为研究对象，通过建立相应的流体润滑理论分析模型，运用多重网格法H 进行数值求解。并以润滑油膜的平均量纲-压力为主要衡量指标，研究了工况参数 (载荷、转速)和微织构参数 (面积占有率、深径比)对油膜压力的影响。同时在 MMW-1A万能摩擦磨损试验机上进行了摩擦试验，研究了在线接触条件下微织构面积占有率与摩擦因数的关系。

1 数学模型1.1 几何模型选取的线接触模型-个为圆柱滚子，-个为加工有规则微凹腔织构的无限长平面，如图1所示。

图1 线接触织构化表面几何简图Fig 1 Geometric sketch of textured surface under linear contact假设微织构半径为 ，中心深度为h。。每个微织构都处在-个假想的控制单元内。每个控制单元为边长为L的正方形。微织构的面积占有率为s。，微织构深径比为 ，则：Js 等， 。

. - p1.2 基本方程1.2.1 Reynolds控制方程本文作者做了以下基本假设 ：(1)润滑介质为不可压缩 Newton流体、层流，忽略体积力和惯性力；(2)沿膜厚方向，不考虑压力变化；(3)不考虑表面粗糙度、油膜曲率的影响；(4)滚子在不断的旋转中得到充分的润滑；(5)流体在摩擦界面无滑动；(6)忽略热效应和时变效应的影响。

因此，等温线接触稳态润滑的Reynolds控制方程为 ：击( 警)旦Oyf 71考)-式中：h为名义油膜厚度 (IT1)；P为润滑油膜流体压力 (Pa)；叼为润滑油在压力 P下 的动力黏度(Pa·S)；P为润滑油的密度 (kg/m )；U为两个表面间的相对运动速度 (m/s)。

Reynolds方程边界条件为：f n 吣 1.2.2 膜厚方程fh。 ，( )隹力X2- - ∈式中：h为名义油膜厚度；h。为中心油膜厚度；R为 2 数值求解当量曲率半径；E为材料的综合弹性模量。 2.1 数学模型的tm-4L 2： 黏压方程 设毒，y-rp，日 h ho，P 10 P， 70e叩 rp 0 0式中：叼为压力为P时的黏度； 。为大气压下 (P。

101 300 Pa)的黏度，取 r/。0.06 Pa·S；Ot为黏压系数，-般可取Ot2.3×10 m /N。

1.2.4 密压方程n - n f 1 ：鱼 ： p p0 了 J式中：P。为环境压力下的润滑剂密度，P。840kg/m 。

'70 Poolds方程变为：0( filO P]， a ( a pI式中： 。 3o Urp。

膜厚方程变为 ：4 润滑与密封 第 38卷着载荷的增大而增大。这是由于载荷的增大使得润滑油膜变薄，相对应的油膜压力则增大。

3.3 转速的影响图5示出了微织构面积占有率 S 0.125 7、深径比s0.1时 ，不同载荷下平均量纲-压力随转速的变化曲线∩见，当载荷-定时，转速增大，油膜的平均量纲-压力随之增大；转速减小时，油膜量纲- 压力也随之减校这是由于转速的增加，加速了润滑油的黏性作用，从而使得油膜压力增大。

4.03.53.02.5：鱼2.01.5。 1.0O.5U 511o l 000l 5tlU Z0002 500 OUU月，fr·rain。 )图5 不同载荷下平均量纲-压力随转速的变化曲线 (S。0.125 7，80.1)Fig 5 Variation of average dimensionless pressure with speedsunder different loads(S 0.125 7，s0.1)3.4 微织构面积占有率的影响图6示出了载荷 Q1 000 N、转速n500 r/min时，不同深径比下平均量纲-压力随面积占有率的变化曲线。

L5I.41.21.0；0.80.60.40.20.00 0.10 0.20 0.30 0.40图6 不同深径比下平均量纲-压力随面积占有率的变化曲线 (Q1 000 N，n500#min)Fig 6 Variation of average dimensionless pressure witharea density under different depth over diameterratios(Q1 000 N，n500 r/min)可见，润滑油膜的平均量纲-压力与微织构面积占有率成近似抛物线关系。当面积占有率不断增大时，油膜的平均量纲-压力先增大后减小；存在最优面积占有率S 0.282 7，使得油膜压力达到了最大值。这是由于当微织构面积占有率增大时，微织构所产生的动压效应就越来越明显，油膜压力也就越来越大；但是当面积占有率达到-定数值时，两个表面的实际接触面积变得相对很小了，接触面油膜整体厚度增加，油膜承载力降低，因此油膜压力也就减小了。

3.5 微 织构深径 比的影响图7示出了载荷 Q1 000 N、转速 n500 r/rain时，不同面积占有率下平均量纲-压力随深径比的变化曲线∩见，润滑油膜的平均量纲-压力随着微织构深径比的变化较大。当深径比不断增大时，油膜的平均量纲-压力急剧减校这是由于微织构深径 比增大使得微织构区域润滑油膜厚度变厚，相应的油膜压力则减校5.55.04.54.03.53.02.S2.01.51.0O.S0.0图7 不同面积占有率下平均量纲-压力随深径比的变化曲线 (Q1 000 N，n500 r/min)Fig 7 Variation of average dimensionless pressure withdepth over diameter ratios under diferent areadensity(Q1 000 N，n500 r/min)4 摩擦试验结果与分析为了验证数值模拟结果，本文作者还进行了相应的摩擦学性能试验研究。试验采用的是 MMW.1A万能摩擦磨损试验机，接触形式为线接触。试样材料为球墨铸铁，经等温淬火处理后洛氏硬度为 HRC43～51。试样分为上偶件、中轴偶件、下偶件。在上、下偶件的表面都加工有-定面积密度的微织构， 35m，h。7 m。试验条件为室温，载荷为 1 000 N。

图8示出了不同转速下微织构面积占有率与摩擦因数的关系曲线。

2013年第 1期 华稀等：线接触摩擦副织构化表面动压润滑性能 5. 0.05 0.05 0.15 0.25 0.35Sp图8 不同转速下摩擦因数随面积占有率的变化曲线 (Q1 000 N)Fig 8 Variation of friction coeficient with area densityunder diferent speeds(Q1 000 N)可以看出，随着微织构的面积占有率的不断增大，摩擦因数呈先减畜增大再减小的变化趋势。转速-定时，存在着最优的微织构面积占有率，使得摩擦因数最校总体来讲，有微织构的试样较光滑试样(S。0)而言，摩擦因数都基本下降。当微织构的面积占有率不断增大时，由于微织构的动压润滑效应，试样表面的摩擦因数不断减校但当微织构面积占有率增大到-定程度时，润滑油膜的实际承载面积较小，削弱了流体动压效应，使得试样表面的摩擦因数又增大。然而，当微织构的面积占有率很大时，即微织构之间的间距很小，这时候近似于全膜润滑，故试样表面的摩擦因数再次降低。

当S ：0.096 2时，在不同转速条件下试样表面的摩擦因数都达到最校低速 (n100 r/min)时，较光滑试样摩擦因数降低了24.7%；中速 (n300r/min)时，较光滑试样摩擦因数降低了26.5%；高速 (n500 r/min)时，较光滑试样摩擦因数降低了25.3%。因此，在线接触摩擦副表面进行织构化处理体现出较好的减摩特性。

5 结论(1)理论研究表明，线接触摩擦副织构化表面的油膜平均量纲-压力随着载荷和转速的增大而增大，随着微织构面积占有率的增大而先增大后减小，随着深径比的增大而减小；存在最优的微织构面积占有率，使得油膜平均量纲-压力最大。

(2)摩擦试验表明，线接触摩擦副织构化表面的摩擦因数随着微织构面积占有率的增大而先减畜增大再减小，存在最优的微织构面积占有率，使得摩擦因数最校