何 陽 郭智威 吳祖旻 袁成清

(1.武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 湖北武漢 430063; 2.國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心,可靠性工程研究所 湖北武漢 430063)

水潤滑軸承可以減少環(huán)境污染并且降低成本，具有極好的前景，近年來水潤滑軸承也有了越來越廣泛的應(yīng)用[1]。然而水作為一種潤滑介質(zhì)，其黏度較低，這使得穩(wěn)定的潤滑液膜難以形成且承壓能力較弱，所以對(duì)水潤滑軸承的親水性及自潤滑性能提出了較高要求[2]。

為了改善水潤滑軸承潤滑條件，諸多學(xué)者通過模擬和試驗(yàn)的對(duì)比分析優(yōu)選出了具有優(yōu)異水潤滑性能的軸承材料[3]，同時(shí)也有許多研究人員通過在軸承表面添加適當(dāng)?shù)谋砻婕y理來進(jìn)一步改善水潤滑軸承的性能。

早在19世紀(jì)OSBORNE REYNOLDS就詳細(xì)地用理論證明了摩擦表面上水力壓力的存在，這種水力壓力能夠分離摩擦表面，以達(dá)到減摩抗磨的效果[4]。在20世紀(jì)，HAMILTON等已經(jīng)驗(yàn)證了表面微凸體可以改善摩擦面的潤滑條件[5]。自此表面紋理的相關(guān)研究便受到了許多研究人員的重視。2006年，RYK和ETISON[6]發(fā)現(xiàn)表面紋理可以在汽缸活塞環(huán)摩擦副中有效降低摩擦因數(shù)。2016年GHERCA等[7]提出了一種表面織構(gòu)推力軸承的有限元模型，計(jì)算表明在一定條件下將紋理布置在推力軸承上可以改善其流體力學(xué)性能和摩擦性能。隨后，PEI等[8]用有限元的方法研究了9種表面紋理對(duì)浮動(dòng)環(huán)軸承潤滑性能的影響，結(jié)果表明表面織構(gòu)會(huì)顯著影響軸承的潤滑性能，同時(shí)凹狀織構(gòu)更適合工程應(yīng)用。但目前對(duì)于何種凹狀織構(gòu)具有最優(yōu)的性能還沒有明確的結(jié)論。

凹狀網(wǎng)狀織構(gòu)產(chǎn)生的溝槽能夠作為潤滑劑的儲(chǔ)蓄池，亦能收存磨損過程中產(chǎn)生的磨屑，避免其磨損主軸[9-11]；同時(shí)網(wǎng)狀紋理還能促進(jìn)水進(jìn)入摩擦表面，可以促進(jìn)潤滑水膜的形成。相對(duì)于豎列溝槽，網(wǎng)紋織構(gòu)具有更好的流通性，其中的液體不容易堵塞，能更好地促進(jìn)潤滑水膜的形成。但是表面紋理勢(shì)必會(huì)降低軸承與主軸之間的有效摩擦面積，在相同的受力條件下，會(huì)導(dǎo)致比壓增大。因此，為了開展水潤滑軸承表面網(wǎng)紋幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文作者通過仿真計(jì)算不同網(wǎng)紋密度和深度下軸承的水壓變化趨勢(shì)，得到能產(chǎn)生最大水膜承載力的網(wǎng)紋深度和密度的范圍。在模擬分析的基礎(chǔ)上，利用3D打印制作試樣并通過試驗(yàn)分析網(wǎng)紋織構(gòu)各參數(shù)對(duì)水潤滑軸承性能的影響，為水潤滑軸承表面網(wǎng)紋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用提供依據(jù)。

1 仿真過程及結(jié)果

1.1 仿真過程

如圖1所示，為了對(duì)不同網(wǎng)紋織構(gòu)水潤滑軸承的潤滑條件進(jìn)行比較分析，根據(jù)使用的試驗(yàn)設(shè)備對(duì)軸承和潤滑流場(chǎng)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，上部為錫青銅盤，下部為簡(jiǎn)化的網(wǎng)紋織構(gòu)軸承，外部包圍流域，中間間隔為10 μm厚的水膜。為控制變量，網(wǎng)紋溝槽的寬度設(shè)定為1 mm，建立深度分別為1、1.25、1.5、1.75、2 mm，網(wǎng)紋間隔分別為10、7.5、5 mm的網(wǎng)紋織構(gòu)試樣模型。為便于描述，將模型名稱簡(jiǎn)化為Sn1Dn2(n1為網(wǎng)紋間隔，n2為網(wǎng)紋深度)，其中網(wǎng)紋深度為1 mm的各模型如圖2(a)、(c)所示。

圖1 仿真模型示意Fig 1 Simulation model

圖2 深度為1 mm的各網(wǎng)紋試樣模型Fig 2 Mesh textured sample models with the depth of 1 mm (a)S10D1;(b)S7.5D1;(c)S5D1

仿真使用Workbench和Fluent在System coupling中進(jìn)行固液耦合[12]。由于要使用dynamic mesh，所以對(duì)潤滑流域采用四面體網(wǎng)格劃分[13]，同時(shí)盡量減少網(wǎng)格數(shù)量并對(duì)水膜兩邊的表面加密，對(duì)與固體交界的區(qū)域分別命名，網(wǎng)格數(shù)量平均17萬，如圖3(a)所示。通過切塊對(duì)固體劃分六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量平均為12 000，如圖3(b)、(c)所示。

圖3 S5D1的網(wǎng)紋試樣模型網(wǎng)格劃分示意Fig 3 The mesh textured sample model with a spacing of 5 mm and a depth of 1 mm (a)external area;(b)whole model of solid; (c) mesh textured model

在Workebench中首先設(shè)置錫青銅盤和網(wǎng)紋試樣(PLA)的材料屬性以對(duì)應(yīng)后續(xù)的試驗(yàn)條件，然后設(shè)置邊界條件如下：(a)錫青銅盤上表面受0.5 MPa載荷；(b)固定網(wǎng)紋試樣的下表面；(c)在Connection中添加錫青銅盤旋轉(zhuǎn)的Joint并設(shè)置繞z軸50 r/min的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；(d)設(shè)置與液體交界面為Fluid solid interface。

在Fluent中設(shè)置瞬態(tài)分析，采用RNG k-epsilon模型[14-15]，流體域使用Water-Liquid。對(duì)固液交界面分別建立system coupling的動(dòng)網(wǎng)格，對(duì)流域的外表面設(shè)置Stationary。因?yàn)橹饕切D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以動(dòng)網(wǎng)格方式采用Smoothing和Remeshing，Remeshing使用Local cell的重構(gòu)方式。

最后在Workebench和Fluent中設(shè)置相同的時(shí)間步長和步數(shù)，導(dǎo)入到系統(tǒng)耦合模塊中添加Date Transfer進(jìn)行耦合運(yùn)算。重復(fù)進(jìn)行上述的過程，從而得到各組模型的仿真結(jié)果。

1.2 仿真結(jié)果

因?yàn)楦鹘M仿真的表面水壓最大點(diǎn)和流速圖大致相同，所以僅給出了S5D1網(wǎng)紋試樣表面的水壓和流速圖，如圖4所示。從圖4(a)中可以看出，水壓在網(wǎng)紋溝槽出口處達(dá)到最大值，在溝槽底部水壓達(dá)到最小值，摩擦表面的水膜承壓能力也相對(duì)較高，這說明網(wǎng)紋織構(gòu)能夠增大摩擦表面間的水力壓力，促進(jìn)水膜形成。圖4(b)中流速大小呈軸對(duì)稱分布，符合物理實(shí)際，溝槽內(nèi)的流速低于表面流速，證實(shí)溝槽在對(duì)摩過程中可以儲(chǔ)存潤滑液從而提高潤滑性能。

圖4 流速與水壓云圖Fig 4 The contour flow rate and water pressure (a)surface water pressure details;(b)surface flow rate

圖5顯示的是各網(wǎng)紋試樣在給定的邊界條件下水膜內(nèi)最大正壓力的變化趨勢(shì)。在相同深度下，網(wǎng)紋越密集水壓越大；對(duì)于同樣的網(wǎng)紋密集程度，水壓基本隨著網(wǎng)紋深度的增加先增大后減小。水膜內(nèi)正壓力越大，水膜的承載能力越大，所以在給定條件下，網(wǎng)紋對(duì)水膜的促進(jìn)作用隨著深度的增加先增大后減小，同時(shí)隨密集程度的增加而增加。由于表面紋理本身會(huì)導(dǎo)致表面摩擦副有效接觸面積變小而影響軸承的力學(xué)性能，摩擦因數(shù)的變化仍無法確定，須通過試驗(yàn)進(jìn)一步探究網(wǎng)紋織構(gòu)對(duì)水潤滑軸承摩擦磨損性能的影響。

圖5 各網(wǎng)紋試樣最大水壓變化趨勢(shì)Fig 5 The variation trend of maximum water pressure of different mesh textured samples

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

在仿真的基礎(chǔ)上，使用CBZ-1試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦試驗(yàn)。如圖6所示，該試驗(yàn)機(jī)由主機(jī)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和控制與采集系統(tǒng)構(gòu)成。試驗(yàn)過程中，試件固定在裝滿蒸餾水的底座上，錫青銅盤固定在試驗(yàn)機(jī)的旋轉(zhuǎn)主軸上，通過主軸的旋轉(zhuǎn)和下壓實(shí)現(xiàn)表面對(duì)摩試驗(yàn)。利用扭矩傳感器、壓力傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，輸入到計(jì)算機(jī)利用LabVIEW系統(tǒng)通過以下公式計(jì)算并記錄每秒的摩擦因數(shù)：

(1)

式中:μ為摩擦因數(shù)；T為扭矩；F為摩擦力；r為材料旋轉(zhuǎn)半徑。

圖6 CBZ-1摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)Fig 6 The CBZ-1 friction and wear tester

對(duì)摩試驗(yàn)結(jié)束后，使用LI型激光干涉式表面輪廓儀(華中科技大學(xué)生產(chǎn))對(duì)材料的摩擦表面進(jìn)行觀測(cè)，并分析網(wǎng)紋織構(gòu)水潤滑軸承的磨損機(jī)制。測(cè)量試驗(yàn)前后對(duì)摩件的質(zhì)量并計(jì)算磨損質(zhì)量，研究不同條件下軸的磨損量。

2.2 試驗(yàn)材料及方案設(shè)計(jì)

對(duì)摩件選用常見的艦船尾軸軸套材料錫青銅，軸承材料選用PLA(聚乳酸)。PLA材料是一種新型的環(huán)保材料，具有較高的熱穩(wěn)定性和硬度，目前已經(jīng)能夠規(guī)?；慨a(chǎn)。錫青銅及PLA材料的力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

表1 錫青銅盤與PLA材料力學(xué)性能

依據(jù)仿真計(jì)算選取了結(jié)果較好或具有代表性的網(wǎng)紋參數(shù)，并使用3D打印方式制作了試件，包括尺寸為S5D1、S5D1.5、S10D1.5以及無網(wǎng)紋試樣。將4種試樣分別在50 r/min和250 r/min的條件下進(jìn)行一共8組試驗(yàn)。50 r/min是試驗(yàn)機(jī)的最低轉(zhuǎn)速，250 r/min是船舶軸承的常見轉(zhuǎn)速。每組試驗(yàn)共計(jì)運(yùn)行2 h，使用蒸餾水作為潤滑介質(zhì)，試驗(yàn)載荷為0.5 MPa。圖7所示為250 r/min高速條件下摩擦磨損試驗(yàn)后的S5D1網(wǎng)紋試樣與其對(duì)磨銅盤，從宏觀上可以看出銅盤的磨損更為顯著，S5D1試樣表面也有比較明顯的磨痕。

圖7 高速試驗(yàn)后S5D1試樣與其對(duì)磨銅盤Fig 7 S5D1 sample and its counter-grinding copper disc after high-speed test

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 摩擦因數(shù)分析

圖8顯示了不同密度與深度的網(wǎng)紋織構(gòu)試樣分別在50 r/min和250 r/min的條件下進(jìn)行2 h對(duì)摩試驗(yàn)的平均摩擦因數(shù)。除S5D1.5試樣外各試樣在高轉(zhuǎn)速條件下的摩擦因數(shù)均低于低轉(zhuǎn)速條件下的摩擦因數(shù)，這是因?yàn)樵诘娃D(zhuǎn)速條件下難以形成穩(wěn)定的潤滑水膜，摩擦副間的潤滑條件較差[16]。高轉(zhuǎn)速條件會(huì)使網(wǎng)紋處水膜正壓力上升將兩接觸面分開，從而降低摩擦因數(shù)。

從圖8中可以看出，在50 r/min條件下，S5D1.5網(wǎng)紋試樣的摩擦因數(shù)最低，說明合適的網(wǎng)紋織構(gòu)可以有效降低摩擦因數(shù)；在低轉(zhuǎn)速條件下摩擦因數(shù)隨著網(wǎng)紋的密集程度以及深度的增加而減小，這與仿真結(jié)果相同，說明過于疏或淺的網(wǎng)紋織構(gòu)試件在低速條件下，水膜內(nèi)的壓力無法完全分離摩擦副，摩擦副間的潤滑狀態(tài)較差。同時(shí)，由于表面網(wǎng)紋織構(gòu)的溝槽進(jìn)出口容易磨損產(chǎn)生磨屑，所以S5D1試樣和S10D1.5試樣在50 r/min下摩擦因數(shù)還大于無網(wǎng)紋試樣。而在250 r/min下，S5D1試樣的摩擦因數(shù)大幅降低至低于無網(wǎng)紋試樣，說明轉(zhuǎn)速的提高對(duì)網(wǎng)紋試樣潤滑水膜的形成起到了更大的促進(jìn)作用，從而極大地降低了網(wǎng)紋試樣的摩擦因數(shù)。而S10D1.5試樣在高轉(zhuǎn)速條件下仍難以形成穩(wěn)定的水膜，因而摩擦因數(shù)高于無網(wǎng)紋試樣。

結(jié)合試驗(yàn)和仿真結(jié)果，在50 r/min下，間距5 mm、深1.5 mm左右的網(wǎng)紋織構(gòu)可以最大化地降低摩擦因數(shù)；在250 r/min下，S5D1試樣的摩擦因數(shù)最低，S5D1.5試樣的摩擦因數(shù)與S5D1試樣相比略有上升。這是因?yàn)镾5D1.5在低轉(zhuǎn)速條件下由于網(wǎng)紋的影響已經(jīng)形成了良好的潤滑條件，再增加轉(zhuǎn)速網(wǎng)紋產(chǎn)生的增益效果很小；同時(shí)高轉(zhuǎn)速條件下應(yīng)力更集中，溝槽的入口和出口處更容易產(chǎn)生磨屑，導(dǎo)致S5D1.5試樣在高轉(zhuǎn)速條件下摩擦因數(shù)上升。

圖8 50 r/min和250 r/min下各試樣的平均摩擦因數(shù)Fig 8 Average friction coefficient of each sample at 50 r/min and 250 r/min

3.2 表面形貌及磨損機(jī)制分析

表2給出了50 r/min和250 r/min轉(zhuǎn)速下用激光干涉表面輪廓儀測(cè)量得到的各試樣表面磨損形貌圖，圖9顯示了統(tǒng)計(jì)的50 r/min和250 r/min條件下各試樣摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)束后的Sq、Sz值，Sq是區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)輪廓偏距的均方根值，Sz為表面十點(diǎn)峰-谷高度的平均值，Sq、Sz可以反映試樣表面的粗糙程度。從表2中各試樣的表面形貌圖可以明顯地看出，2種轉(zhuǎn)速下無網(wǎng)紋試樣和S10D1.5試樣的微凸和凹槽最為明顯，犁溝現(xiàn)象突出，其磨損機(jī)制很可能是磨粒磨損；在50 r/min條件下S5D1試樣表面也有較為明顯的犁溝，說明低轉(zhuǎn)速下該試樣也未能形成穩(wěn)定的潤滑水膜，而這種現(xiàn)象在250 r/min的條件下有所改善，這與摩擦因數(shù)分析得到的結(jié)果一致。在2種轉(zhuǎn)速下，S5D1.5試樣表面都無明顯的犁溝，磨損比較均勻，這是因?yàn)樯蠲艿木W(wǎng)紋在2種情況下都形成了穩(wěn)定的水膜，從而改善了磨損后的表面形貌。

表2 摩擦試驗(yàn)后各試樣表面形貌

如圖9所示，在2種工況下S5D1.5試樣都比其他試樣表面光滑，說明當(dāng)網(wǎng)紋深度和密度合適時(shí)，網(wǎng)紋織構(gòu)可以有效改善軸承的潤滑條件，從而改善摩擦試驗(yàn)后試樣的表面形貌。S10D1.5網(wǎng)紋試樣表面比S5D1.5試樣更粗糙，這驗(yàn)證了在一定范圍內(nèi)，隨網(wǎng)紋密集度的增加，其對(duì)潤滑水膜形成的促進(jìn)作用增加。另外，在2種轉(zhuǎn)速條件下S5D1網(wǎng)紋試樣表面都比S5D1.5網(wǎng)紋試樣粗糙，同樣驗(yàn)證了網(wǎng)紋深度的增加對(duì)潤滑水膜的形成有促進(jìn)作用。但S5D1網(wǎng)紋試樣和S5D1.5網(wǎng)紋試樣的粗糙度差距在250 r/min條件下極大地降低了，這是因?yàn)榫W(wǎng)紋過淺時(shí)，在低轉(zhuǎn)速條件下難以形成穩(wěn)定的潤滑水膜，而在高轉(zhuǎn)速條件下也可以形成較好的潤滑水膜。

圖9 50 r/min和250 r/min下各試樣的Sq、Sz值Fig 9 Sq and Sz values of each sample at 50 r/min and 250 r/min

3.3 磨損量分析

圖10顯示了各組試驗(yàn)的錫青銅盤分別在50 r/min和250 r/min的轉(zhuǎn)速下的磨損量?？梢?，與S5D1.5試樣對(duì)摩的銅盤在2種轉(zhuǎn)速下的磨損量都是最小的，這是因?yàn)镾5D1.5試樣在2種轉(zhuǎn)速下形成的水膜都最穩(wěn)定，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了形貌分析得出的結(jié)果。50 r/min轉(zhuǎn)速下S5D1和S10D1.5試樣表面都難以形成穩(wěn)定的潤滑水膜，與兩者對(duì)摩的銅盤的磨損量都大于與無網(wǎng)紋試樣對(duì)摩的銅盤。250 r/min轉(zhuǎn)速下S10D1.5試樣表面仍難以形成穩(wěn)定的潤滑水膜，所以與之對(duì)摩的銅盤的磨損量最大；S5D1試樣表面形成了較穩(wěn)定的潤滑水膜，但水膜承載能力不如S5D1.5試樣，所以這組試驗(yàn)中銅盤磨損量?jī)H稍高于S5D1.5試驗(yàn)組。

圖10 50 r/min和250 r/min下各試樣的磨損量Fig 10 Wear mass losses of the samples at 50 r/min and 250 r/min

4 結(jié)論

(1)仿真結(jié)果表明，在忽略空蝕的條件下，相同的轉(zhuǎn)速和載荷下水膜承載能力基本隨著網(wǎng)紋深度的增加先增大后減小。

(2)試驗(yàn)結(jié)果表明，合適的網(wǎng)狀紋理表面織構(gòu)能夠有效改善水潤滑軸承的潤滑條件，進(jìn)而提升軸承摩擦磨損性能。在文中試驗(yàn)條件下間隔為5 mm、深度在1.5 mm左右的網(wǎng)紋織構(gòu)為最優(yōu)的處理方式。

(3)試驗(yàn)結(jié)果表明，網(wǎng)紋織構(gòu)促進(jìn)穩(wěn)定的水膜形成的同時(shí)也由于應(yīng)力集中等原因會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，過深或過淺的網(wǎng)紋都會(huì)導(dǎo)致摩擦因數(shù)的增大。