弹性材料表面织构对摩擦副润滑性能的影响_申子玉.pdf
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1、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-t
2、ion 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 3
3、00400)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
4、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 e
5、search 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,
6、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 o
7、f 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
8、 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 el
9、astic 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
10、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
11、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
12、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
13、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,
14、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 NavierStok
15、es(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;
16、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
17、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)为了更加方便地分析微织构的润滑性能,采用了摩擦因数 f 来描述润滑性能的优劣,其表达式如下:f=F/F(10)用 ANSYS mesh 对模型计算区域进行网格划分。面网格选用全三角形网格,网格总数为
18、 70 000,收敛因子为 1105。流体域两端设为压力边界条件,初始条件设置为 0(环境压力)。采用文中的计算方法所得的结果与文献 15结果对比,如图 2 所示,结果基本吻合,表明了计算方法的正确性。图 2上壁面处的压力分布Fig.2Pressure distribution of the upper wall surface:(a)calculation results in this paper;(b)calculation results in reference 152模拟结果与分析2.1弹性摩擦副表面织构的影响将表 1 中的参数代入上述模拟模型,研究弹性材料表面微织构对摩擦副润滑特
19、性的影响。其中,模拟的弹性材料为聚氨酯丙烯酸酯类光固化树脂,根据实验所测材料的弹性模量,将弹性织构的模拟弹性模量设定为 7.5 MPa,对刚性织构模拟时不考虑其壁面的弹性模量与变形。刚性与弹性织构摩擦副的典型压力分布如图 3 所示,典型空化效应如图 4 所示。刚性和弹性材料在 y 方向的弹性变形量,及上壁面压力分布如图 5 所示。图 3刚性和弹性织构的典型压力分布Fig.3Typical pressure distributions of rigid and elastie texture图 4刚性和弹性织构的典型空化效应Fig.4Typical cavatation effects of r
20、igid and elastie texture从图 3、4 可以看出,考虑壁面弹性变形(弹性织构)与未考虑壁面弹性变形(刚性织构)时,润滑油流体域中的压力分布及空化效应有明显的区别。未考虑壁面弹性变形(刚性织构)时,由于微织构的存在,在织构的进口区域形成一个低压区,在织构的出口区域形成一个高压区;另外刚性织构摩擦副上织构的进口区域由于油膜压力的急剧下降会产生小范围的空化现象。与刚性织构摩擦副相比,弹性织构摩擦副上织构进口低压区和出口高压区均向后(下游方向)延伸,空化现象也更为明显。45润滑与密封第 48 卷从图 5 可以看出,下壁面上弹性材料在织构前由于低压产生微小的向上弹性变形,织构后的弹
21、性材料由于高压被压缩,呈较明显的向下弹性变形。弹性材料的弹性变形延缓了进出口区域油膜压力的急剧变化趋势,使得弹性织构的低压区和高压区向后延伸。图 5刚性和弹性材料的弹性变形与压力分布Fig.5Elastic deformation and pressure distribution of rigidand elastic texture:(a)elastic deformation in Ydirection;(b)upper wall pressure distribution弹性材料的织构相比于刚性材料的织构对摩擦副润滑性能的改善作用更为明显,主要原因在于摩擦副的弹性变形对油膜的压力分布和
22、空化效应的影响。与刚性织构摩擦副相比,下壁面上覆盖弹性织构的摩擦副向下变形量更显著,弹性织构摩擦副的平均油膜厚度增加,所以摩擦副的承载力提升;另一方面,在流体动压润滑条件下,空化现象的存在是微织构提升摩擦副润滑性能的主要原因之一,而弹性织构摩擦副的空化效应更加明显,使得摩擦副由油润滑变为气油两相润滑,降低了摩擦副的摩擦力。2.2弹性模量的影响为研究壁面弹性模量对弹性摩擦副润滑特性的影响,保持表 1 中其余参数不变,选取弹性织构的弹性模量 E 分别为 5、10、15、20、25 MPa,代入上述模型进行数值模拟,得到不同弹性模量下润滑油流体域内的空化相分布如图 6 所示,弹性变形与平均油膜厚度如
23、图 7 所示,摩擦力、承载力以及摩擦因数如图 8所示。如图 6 和图 7 所示,随着摩擦副材料弹性模量的上升,弹性织构摩擦副的空化效应和弹性变形越不明显,与刚性织构摩擦副相接近。与刚性织构摩擦副相比,摩擦副的弹性变形使得弹性织构摩擦副的平均油膜厚度增大,且摩擦副的弹性模量越小,其平均油膜厚度越大。图 6不同弹性模量摩擦副的空化效应Fig.6The cavatation effects of the friction pairs with different elastic modulus552023 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图 7不同弹性模量摩擦副的弹性变形
24、与平均油膜厚度Fig.7Elastic deformation and average oil film thickness of the friction pairs with different elasticmodulus:(a)elastic deformation in Y direction;(b)average oil film thickness图 8不同弹性模量摩擦副的承载力、摩擦力(a)和摩擦因数(b)Fig.8The load capacity and friction(a),friction coefficient(b)of the friction pairs wit
25、h different elastic modulus如图 8 所示,随着摩擦副材料弹性模量的增加,摩擦副的摩擦力逐渐上升,承载力逐渐下降,摩擦因数逐渐上升。这是由于弹性模量越大,织构诱导的空化效应越不明显,因此弹性摩擦副的摩擦力上升。另一方面,摩擦副的平均油膜厚度随着弹性模量的增加而减小,因而承载力下降。与刚性织构摩擦副相比,弹性织构摩擦副的摩擦力更小,承载力更大,使得弹性织构摩擦副的润滑性能更好。2.3微织构深度的影响为研究微织构深度对弹性摩擦副润滑特性的影响,保持表 1 中其余参数不变,选取织构的量纲一深度 H 为 0.5、0.75、1、1.25、1.5、1.75,代入上述模型进行数值模
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