趙金玲 崔金磊 王 靜

(1.青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 山東青島 266520；2.東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 上海 201620)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，具有高硬度、高強(qiáng)度、耐磨損、耐高溫、耐腐蝕的高性能陶瓷材料已被廣泛應(yīng)用到諸多高新技術(shù)領(lǐng)域[1]，如工程陶瓷軸承已成功地運(yùn)用到航空發(fā)動(dòng)機(jī)、高速客車以及精密機(jī)床等的主軸上[2]。如今，如何改善陶瓷材料的摩擦學(xué)性能，進(jìn)一步提高其使用壽命是人們所重點(diǎn)關(guān)心的問(wèn)題。研究表明，在接觸副表面設(shè)計(jì)出一定形貌的表面紋理(如表面粗糙度、微凹坑、溝槽等)可有效提高其摩擦學(xué)性能[3-4]。

早在20世60年代，HAMILTON等[5]就提出可利用表面微凸起產(chǎn)生的附加動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)來(lái)改善摩擦學(xué)性能。因?yàn)橥蛊鸬囊贿吪c摩擦副的另一面之間形成收斂楔會(huì)產(chǎn)生流體動(dòng)壓力，而凸起的另一邊的發(fā)散楔產(chǎn)生的負(fù)壓由于氣穴的產(chǎn)生得到了限制，最終為相對(duì)滑動(dòng)表面產(chǎn)生額外承載力，而達(dá)到降低摩擦因數(shù)的目的。近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)表面形貌改善摩擦學(xué)性能的研究做了大量工作。田園等人[6]利用原位成型方法制得了表面微織構(gòu)陶瓷材料，對(duì)此材料進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)溝槽型紋理試樣的摩擦因數(shù)較為平穩(wěn)，且與無(wú)織構(gòu)試樣相比，最大、最小摩擦因數(shù)分別減少了約33.3%和18.2%。鮑雨梅等[7]采用激光技術(shù)在等離子噴涂 HA/ZrO2生物涂層表面制備了圓形和橢圓形表面織構(gòu)形貌，發(fā)現(xiàn)一定參數(shù)的織構(gòu)陣列，可有效減小摩擦因數(shù)，且長(zhǎng)軸平行于上表面運(yùn)動(dòng)方向的橢圓形織構(gòu)能產(chǎn)生更多的承載力，具有更優(yōu)的減摩、抗磨效果。方媛等人[8]利用激光技術(shù)在Al2O3/Mo層狀自潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)陶瓷表面制備了微坑型表面形貌，研究表明，微凹坑特殊的結(jié)構(gòu)特征和集成固體潤(rùn)滑劑優(yōu)異的減摩抗磨性能能使氧化鋁/鉬復(fù)合陶瓷在室溫、中溫區(qū)域的摩擦學(xué)性能得到顯著改善，可實(shí)現(xiàn)材料在較寬溫度范圍內(nèi)的連續(xù)潤(rùn)滑。邢佑強(qiáng)[9]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論研究了多尺度微織構(gòu)陶瓷刀具表面的摩擦磨損性能，發(fā)現(xiàn)在干摩擦條件下，微織構(gòu)可減小試樣表面的磨粒磨損和黏結(jié)。張記云[10]對(duì)不同形貌的微織構(gòu)自潤(rùn)滑陶瓷刀具進(jìn)行切削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)與無(wú)織構(gòu)刀具相比，具有橫向紋理的陶瓷刀具具有良好的切削性能。以上關(guān)于表面形貌改善陶瓷材料摩擦學(xué)性能的研究多集中在實(shí)驗(yàn)方面，且多為面接觸的混合潤(rùn)滑或干摩擦狀態(tài)，對(duì)于點(diǎn)接觸熱彈流全膜潤(rùn)滑數(shù)值模擬陶瓷表面紋理的研究還比較少見(jiàn)。

基于此，本文作者以氧化鋯(ZrO2)陶瓷材料與鋼材(Steel)組成的點(diǎn)接觸副為研究對(duì)象，在兩固體表面分別設(shè)計(jì)出具有連續(xù)性的波狀橫峰，使用點(diǎn)接觸瞬態(tài)非牛頓熱彈流模型，通過(guò)數(shù)值模擬求解兩表面的波狀橫峰互相追趕及超越過(guò)程中的相互作用及影響，同時(shí)分析橫峰尺度和接觸固體尺度對(duì)接觸區(qū)潤(rùn)滑性能的影響，以期為工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 粗糙度函數(shù)及膜厚方程

設(shè)定兩固體a、b表面各自具有連續(xù)波狀橫峰，粗糙度函數(shù)分別記為δa(x,t)和δb(x,t)，參考文獻(xiàn)[11]中的粗糙度模型，則

Aa,b/2|x-(xi+ua,bt)+iLa,b|≤Ba,b,i=0,1,2,3…

(1)

式中：Aa,b、Ba,b、La,b分別為兩固體表面橫峰的高度、半寬和波長(zhǎng)；ua,b為接觸副表面速度；t為橫峰進(jìn)入接觸區(qū)的時(shí)間；xi為初始時(shí)刻(t=0)首個(gè)橫峰的中心位置。

為方便研究?jī)杀砻鏅M峰如何相互影響及作用，膜厚方程寫為

h(x,y,t)=hb(x,y,t)-ha(x,y,t)

(2)

式中：ha和hb分別表示兩接觸固體a、b的膜厚方程，其表達(dá)式為

(3)

式中：E′為當(dāng)量彈性模量；Ea、Eb分別為兩固體表面的彈性模量；νa、νb分別為固體a、b的泊松比;Δ是兩固體表面的彈性變形之和，

1.2 Reynolds方程

考慮時(shí)變效應(yīng)的Reynolds方程[12]為

(4)

式中：p為流體壓力；h為油膜厚度；ue= (ua+ub)/2為卷吸速度；Reynolds方程的邊界條件及其他參數(shù)詳見(jiàn)文獻(xiàn)[13]。

1.3 黏壓黏溫方程

選用Ree-Eyring非牛頓流體[14]，其本構(gòu)方程為

(5)

流體表觀黏度[15]：

η=η0exp{(lnη0+9.67)×

(6)

1.4 密壓密溫方程

潤(rùn)滑油密度、壓力和溫度之間采用Dowson和Higginson回歸經(jīng)驗(yàn)公式[16]：

(7)

式中：ρ0為潤(rùn)滑油環(huán)境密度。

1.5 載荷平衡方程

外載荷w與油膜壓力p在整個(gè)計(jì)算域上的平衡方程為

(8)

式中：w= 2πabpH/ 3；pH為最高接觸壓力；a、b分別為接觸橢圓的短、長(zhǎng)半徑。

1.6 潤(rùn)滑油和兩固體的能量方程

(9)

(10)

式中：c、ca,b分別為潤(rùn)滑油、兩接觸固體的比熱容；k、ka,b分別為潤(rùn)滑油、兩接觸固體的熱傳導(dǎo)系數(shù)，邊界條件同文獻(xiàn)[13]。

1.7 摩擦因數(shù)

μ=(fa+fb)/(2w)

(11)

fa=-2?τx|z=0dxdy；fb=-2?τy|z=hdxdy

式中：fa、fb分別為固體a、b表面的摩擦力。

2 數(shù)值方法

文中選用兩接觸副為光滑表面時(shí)的穩(wěn)態(tài)解為算例初始條件，對(duì)于全部算例，氧化鋯陶瓷及鋼材表面上連續(xù)橫峰的首個(gè)橫峰的初始位置分別為Xa=-11.6，Xb=- 2.9，計(jì)算域取Xin=-3.6，Xout=1.52，Yin=-3.2，Yout=3.2。彈性變形求解采用多重網(wǎng)格積分法，壓力求解采用多重網(wǎng)格法，網(wǎng)格層數(shù)采用5層，最高層網(wǎng)格共有513×129個(gè)節(jié)點(diǎn)。兩固體熱層厚2.5a，設(shè)Z方向上油膜內(nèi)的溫度節(jié)點(diǎn)n=16，兩固體的溫度節(jié)點(diǎn)nza=nzb=8。時(shí)間間隔Δt=0.01，連續(xù)橫峰首次在接觸區(qū)X=0處相遇共經(jīng)歷725個(gè)瞬時(shí)。定義每個(gè)瞬時(shí)壓力、溫度及載荷的相對(duì)誤差分別為ERRP、ERRW和ERRT，直到ERRP<10-4、ERRW<10-5、ERRT<10-4時(shí)迭代終止。

3 輸入?yún)?shù)

表1 接觸固體及潤(rùn)滑油的參數(shù)(T0=303 K)Table 1 Properties of contact bodies and oil(T0=303 K)

4 結(jié)果和討論

4.1 接觸副材料的影響

為明晰陶瓷材料對(duì)潤(rùn)滑特性的影響，先將ZrO2-Steel與Steel-Steel接觸副在理想光滑條件下膜厚和溫度場(chǎng)的異同進(jìn)行對(duì)比。前期研究[17]表明，對(duì)于ZrO2-Steel接觸副，ZrO2為快速運(yùn)動(dòng)表面時(shí)接觸區(qū)會(huì)得到更厚的彈流油膜。文獻(xiàn)[18-19]中也證實(shí)，接觸材料的熱導(dǎo)率對(duì)EHL機(jī)制中的摩擦學(xué)行為有非常重要的影響，即當(dāng)高速表面的導(dǎo)熱系數(shù)小于低速表面時(shí)會(huì)得到更厚的膜厚、更大的壓力和更高的油膜溫度，且摩擦因數(shù)也會(huì)小于低速表面使用低導(dǎo)熱系數(shù)的情況。所以文中設(shè)定氧化鋯為快速運(yùn)動(dòng)表面，鋼材為慢速表面，且固定接觸半徑R=0.04 m。

圖1所示為滑滾比Σ=1.2時(shí)兩組接觸副在XOZ截面上的膜厚分布曲線。可知，ZrO2-Steel接觸區(qū)內(nèi)的平均膜厚可達(dá)到1.4 μm左右，而對(duì)于Steel-Steel接觸副，平均膜厚只有1.1 μm左右，比前者減小約20%。

圖1 兩組接觸副在XOZ截面上的膜厚分布曲線Fig 1 Film thickness distribution curves on XOZ cross-sections for two different contact pairs

為解釋這種差異，圖2給出了上述2種接觸副在對(duì)稱平面上X= 0列潤(rùn)滑油流速分布情況?？梢?jiàn)ZrO2-Steel接觸副潤(rùn)滑油的流速明顯比Steel-Steel接觸副慢，為維持流量守恒，前者的平均膜厚必然大于后者[17]。

圖2 兩組接觸副在對(duì)稱平面上X=0列潤(rùn)滑油流速分布情況Fig 2 Flow distribution curves of lubricant at column X=0 on the symmetry plane for two different contact pairs

流速的差異又源于陶瓷材料的熱學(xué)特性導(dǎo)致的接觸區(qū)溫度場(chǎng)的不同。圖3給出了與圖1及圖2對(duì)應(yīng)的兩組接觸副在XOZ截面上的溫度等值線圖，縱坐標(biāo)代表膜厚方向，z/h=0對(duì)應(yīng)快速表面，z/h=1為慢速表面。因此圖3(a)中氧化鋯陶瓷為下表面，鋼材為上表面。

由圖3可知，ZrO2-Steel接觸區(qū)內(nèi)會(huì)有更高的油膜溫度，且圖3(a)中最高溫度約在z/h=0.3處，即更靠近氧化鋯陶瓷表面。而圖3(b)所示的Steel-Steel接觸副，油膜的最高溫度稍靠近慢速表面，約在z/h=0.58處。原因在于氧化鋯的熱傳導(dǎo)系數(shù)很小，傳熱困難。圖3(a)中盡管氧化鋯為快速表面經(jīng)由對(duì)流帶走的熱量較慢速表面更多，但顯然此時(shí)熱傳導(dǎo)起了主導(dǎo)的作用。圖3(b)中因兩表面材料相同，溫度差異主要是由對(duì)流作用造成。溫度場(chǎng)的差異，會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑劑黏度的不同，進(jìn)而影響接觸區(qū)內(nèi)潤(rùn)滑油流速，最終導(dǎo)致平均膜厚的差異，如圖1所示。

圖3 兩組接觸副在XOZ截面上的溫度等值線圖Fig 3 Temperature contour plots on XOZ cross-sections for two different contact pairs (a) ZrO2-Steel contact pair;(b) Steel-Steel contact pair

文中以下關(guān)于表面連續(xù)波狀橫峰對(duì)ZrO2-Steel接觸副的討論，亦將氧化鋯陶瓷始終作為快速表面。

4.2 連續(xù)橫峰的瞬態(tài)效應(yīng)

同樣固定接觸半徑R=0.04 m，則接觸橢圓短半徑a=0.654 mm，對(duì)于光滑接觸表面情況，由4.1小節(jié)數(shù)值計(jì)算得hcen=1.362 μm，hmin=0.649 μm。

在ZrO2-Steel接觸副兩固體表面分別設(shè)計(jì)連續(xù)波狀橫峰形貌，且設(shè)定橫峰的高度Aa,b=0.69 μm，半寬Ba,b=62 μm，相鄰橫峰間的波長(zhǎng)La,b=248 μm。

基于點(diǎn)接觸瞬態(tài)非牛頓熱彈流潤(rùn)滑模型，圖4給出了連續(xù)波狀橫峰進(jìn)入接觸區(qū)后4個(gè)典型時(shí)刻(N=725、995、1 002、1 008)XOZ截面上兩接觸表面的膜厚及壓力分布情況。如圖4(a)所示，當(dāng)N=725時(shí)，接觸副兩表面的首對(duì)橫峰在接觸區(qū)X=0處相遇，雖然兩橫峰的高度和Aa+Ab=1.38 μm，已超過(guò)光滑情況時(shí)兩表面間的膜厚值1.362 μm，但接觸區(qū)仍可保持全膜潤(rùn)滑狀態(tài)。之后，陶瓷表面上的橫峰會(huì)逐漸趕超鋼材表面上的橫峰，兩峰交錯(cuò)，將在壓力曲線上各自產(chǎn)生一個(gè)局部高壓，如圖4(b)所示，相較于圖4(a)發(fā)現(xiàn)兩表面橫峰的高度有所增加。隨著陶瓷表面的橫峰繼續(xù)向鋼材表面上的另一橫峰靠近，兩橫峰所引起的局部高壓開(kāi)始互相干涉、融合，直至完全疊加，如圖4(c)、(d)所示，表現(xiàn)在壓力曲線上發(fā)現(xiàn)其峰值明顯增大。反過(guò)來(lái)，如此高的壓力峰又會(huì)在接觸表面上產(chǎn)生很大的彈性變形，使兩表面的橫峰被壓低壓平，致使其高度明顯降低。可見(jiàn)，兩接觸副表面的連續(xù)橫峰在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)存在瞬態(tài)效應(yīng)，從而引起壓力和油膜的擾動(dòng)現(xiàn)象，其過(guò)程大致重復(fù)圖4(a)—(d)。

圖4 ZrO2-Steel接觸副兩表面皆有橫向波狀凸峰時(shí)4個(gè)典型時(shí)刻XOZ截面上的壓力和膜厚分布Fig 4 Pressure and film thickness distribution on the XOZ section at four instants when both surfaces of the ZrO2-Steel contact pair have wavy transverse ridges(a) N=725;(b)N=995;(c)N=1 002;(d)N=1 008

圖5(a)、(b)對(duì)應(yīng)圖4(b)、(d)兩典型時(shí)刻XOZ截面上的溫度分布。由圖5可知，油膜中層及接觸副兩表面的溫度Tm、Ta、Tb的變化趨勢(shì)大致和圖4中的壓力曲線相似，即在橫峰的中心位置會(huì)出現(xiàn)溫度峰值，且油膜中層的溫度Tm最高，陶瓷表面的溫度Ta次之，而鋼材表面的溫度Tb最低。通常接觸副中的快速表面會(huì)因?qū)α髯饔脦ё吒嗟臒崃浚憩F(xiàn)出較低的溫度，但氧化鋯陶瓷(ZrO2)材料的導(dǎo)熱率僅有3 W/(m·K)，還不足鋼材(Steel)的1/15，從而導(dǎo)致其表面?zhèn)鳠崂щy(近乎絕熱)，而運(yùn)動(dòng)慢的鋼材卻因良好的熱傳導(dǎo)性使其表面溫度達(dá)到了最低。

圖5 ZrO2-Steel接觸副兩表面皆有橫向波狀凸峰時(shí)2個(gè)典型時(shí)刻XOZ截面上的溫度分布Fig 5 Temperature distribution on the XOZ section at two instants when both surfaces of the ZrO2-Steel contact pair have wavy transverse ridges (a)N=995;(b)N=1008

4.3 波長(zhǎng)的干涉效應(yīng)

文中將主要分2種情況進(jìn)一步討論連續(xù)橫峰的波長(zhǎng)L對(duì)ZrO2-Steel接觸副潤(rùn)滑狀態(tài)的影響(1)陶瓷和鋼材表面分別設(shè)定3種等波長(zhǎng)連續(xù)橫峰形貌；(2)陶瓷和鋼材表面設(shè)定2種不等波長(zhǎng)連續(xù)橫峰形貌。

圖6給出了整個(gè)接觸區(qū)都已被連續(xù)橫峰所覆蓋，且兩接觸副表面橫峰波長(zhǎng)La,b分別為165、248、330 μm時(shí)摩擦因數(shù)μ及最小油膜厚度hmin隨時(shí)間的變化情況。由圖6(a)可知，摩擦因數(shù)值會(huì)在一定范圍內(nèi)來(lái)回波動(dòng)，且波長(zhǎng)越短，波動(dòng)頻率越高，波動(dòng)幅度越大，反之亦然。具體以La,b=248 μm為例，其摩擦因數(shù)μ在0.011 3～0.013 7之間來(lái)回波動(dòng)，同工況下理想光滑表面的摩擦因數(shù)值為0.013 7，說(shuō)明在接觸副表面設(shè)計(jì)出連續(xù)波狀橫峰在全膜潤(rùn)滑時(shí)可起到降低摩擦因數(shù)的作用，這與CHANG[11]在1992年研究的Steel-Steel線接觸副兩表面粗糙度對(duì)彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑影響的結(jié)論是一致的，即在全膜潤(rùn)滑狀態(tài)下，線接觸副兩表面的粗糙度隨接觸副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和相互作用會(huì)起到降低摩擦因數(shù)，改善摩擦學(xué)性能的目的。圖6(b)表明，最小油膜厚度同樣遵循上述變化規(guī)律，且與摩擦因數(shù)成反對(duì)稱關(guān)系，即最小膜厚越厚，摩擦因數(shù)越小。

圖6 ZrO2-Steel接觸副兩表面具有相同粗糙形貌時(shí)摩擦因數(shù)和最小膜厚隨時(shí)間的變化曲線Fig 6 Time variation curves of friction coefficient (a) and minimum film thickness (b) when the ridges of two surfaces of ZrO2-Steel contact pair have the same wavelengths

圖7給出了固定鋼材表面的橫峰波長(zhǎng)Lb為248 μm不變，在氧化鋯陶瓷表面分別設(shè)定165、330 μm 2種不同波長(zhǎng)時(shí)摩擦因數(shù)μ隨時(shí)間的變化情況。對(duì)于兩接觸副表面粗糙形貌不同的情況，其相近的橫峰相互作用發(fā)生在不同時(shí)刻，兩接觸副表面的橫峰幾乎很難相遇。由圖7可知，摩擦因數(shù)仍在一定范圍內(nèi)來(lái)回波動(dòng)，只是相較于圖6(a)兩表面粗糙形貌相等的情況，其摩擦因數(shù)的變化范圍明顯減小了，且波動(dòng)不再遵循來(lái)回往復(fù)的規(guī)律性變化，而是變得沒(méi)有規(guī)律可循。同時(shí)，此情況下，當(dāng)陶瓷表面的波長(zhǎng)La小于鋼材表面波長(zhǎng)Lb時(shí)會(huì)得到更小的摩擦因數(shù)值。

圖7 ZrO2-Steel接觸副兩表面具有不同粗糙形貌時(shí)摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化曲線Fig 7 Time variation curves of friction coefficient with time when the ridges of two surfaces of ZrO2-Steel contact pair have different wavelengths

4.4 接觸區(qū)及連續(xù)橫峰的尺度效應(yīng)

表2 不同尺度R下的理想光滑表面穩(wěn)態(tài)解結(jié)果Table 2 The steady-state solutions of ideal smooth surfaces under different scales R

對(duì)于文中所有算例都設(shè)定Hertz壓力pH=1 GPa，由表2可知，Hertz接觸半徑a會(huì)隨R的增大而增大，且保持正比關(guān)系，因此，后面討論的尺度效應(yīng)要保證各橫峰參數(shù)與曲率半徑R成正比關(guān)系，詳見(jiàn)表3。

表3 不同尺度參數(shù)R對(duì)應(yīng)的橫峰參數(shù)Table 3 The ridge size corresponding to different R

按照表3所示的尺度進(jìn)行數(shù)值求解，將R=0.004和0.06 m在N=1 008時(shí)刻的壓力、膜厚以及兩固體表面和油膜中層的溫度繪于圖8中。

圖8 尺度R對(duì)ZrO2-Steel接觸副XOZ截面上膜厚、壓力及溫度的影響(N=1 008)Fig 8 Effect of R on film thickness,pressure and temperature distributions at N=1 008 (a) R=0.004 m;(b) R=0.06 m

由圖8可知，兩尺度下連續(xù)橫峰所引起的量綱一壓力和膜厚差別不大，但溫度曲線卻變化明顯，即曲率半徑R=0.06 m所對(duì)應(yīng)的接觸區(qū)內(nèi)各溫度明顯要高于R=0.004 m的情況。另外，大尺度下油膜中層與兩固體表面間的溫度差要明顯大于小尺度的情況。造成此現(xiàn)象的原因是，曲率半徑R越大兩表面速度差越大(Δu=ua-ub=1.2ue，參考表2)，因此，大尺度下剪切發(fā)熱量會(huì)更多。同時(shí)，小尺度R=0.004 m的膜厚很小，這使油膜內(nèi)部的熱量會(huì)很快通過(guò)接觸副表面?zhèn)鞒鼋佑|區(qū)，進(jìn)而導(dǎo)致三條曲線差別較小。另外，入口區(qū)(X<-1)溫度也會(huì)隨曲率半徑R的增大而有所增大。

該結(jié)論與文獻(xiàn)[20]中研究的尺度效應(yīng)對(duì)滾滑工況下彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑的影響具有一致性，即尺度效應(yīng)對(duì)熱彈流動(dòng)力潤(rùn)滑性能的影響非常顯著。當(dāng)接觸區(qū)尺寸改變時(shí)，剪切熱將成為影響油膜溫度最重要的因素，當(dāng)接觸區(qū)尺度足夠大時(shí)，Eyring流體的有效黏度幾乎與牛頓流體的有效黏度相同，此時(shí)可忽略非牛頓效應(yīng)，尺度效應(yīng)將占主導(dǎo)地位；反之，當(dāng)接觸區(qū)尺度足夠小時(shí)，可忽略尺度效應(yīng)。

為進(jìn)一步分析不同尺度R對(duì)ZrO2-Steel接觸副潤(rùn)滑狀態(tài)的影響，圖9給出了N=1 008時(shí)刻四組不同接觸尺度(R=0.004、0.02、0.04、0.06 m)下所對(duì)應(yīng)的摩擦因數(shù)、中心膜厚以及最小膜厚值?？芍行哪ず駂cen和最小膜厚hmin均隨曲率半徑R的增大而增大，但最小膜厚的增長(zhǎng)趨勢(shì)很緩，在R為0.02～0.06 m的范圍內(nèi)幾乎沒(méi)有太大變化，而摩擦因數(shù)μ卻隨曲率半徑R的增大呈不斷減小趨勢(shì)。

圖9 ZrO2-Steel接觸副不同尺度下最小膜厚、中心膜厚和摩擦因數(shù)變化情況(N=1 008)Fig 9 Comparisons of friction coefficient,minimum film thickness and central film thickness of ZrO2-Steel contact pair under different scales(N=1 008)

5 結(jié)論

(1)相較于Steel-Steel接觸副，選用導(dǎo)熱系數(shù)小的氧化鋯陶瓷作為快速運(yùn)動(dòng)表面組成ZrO2-Steel接觸副會(huì)得到更大膜厚。

(2)ZrO2-Steel接觸副兩表面的連續(xù)橫峰在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中會(huì)在壓力和溫度曲線的對(duì)應(yīng)位置引起局部高峰，反過(guò)來(lái)，橫峰所引起的局部高壓又會(huì)壓低橫峰的高度。由于瞬時(shí)效應(yīng)，不同時(shí)刻所引起壓力、膜厚及溫度的變化會(huì)有所不同。

(3)接觸副表面的連續(xù)橫峰在全膜潤(rùn)滑時(shí)可起到降低摩擦因數(shù)的作用，隨橫峰在接觸區(qū)內(nèi)運(yùn)動(dòng)其值會(huì)在一定范圍內(nèi)來(lái)回波動(dòng)，且橫峰波長(zhǎng)越短，波動(dòng)頻率越高，波動(dòng)幅度越大。另外，當(dāng)兩固體表面的橫峰波長(zhǎng)不等時(shí)，摩擦因數(shù)的波動(dòng)幅度會(huì)減小。

(4)接觸區(qū)的尺度越大，接觸區(qū)內(nèi)油膜中層及兩固體表面的溫度越高，所引起的熱效應(yīng)越明顯，接觸區(qū)內(nèi)整體膜厚越厚，摩擦因數(shù)越小。