徐 行, 張立保, 舒現(xiàn)維, 郭 蕊, 王曉龍, 秦紅玲*

(1.三峽大學(xué) 水電機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與維護(hù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 宜昌 443000;2.中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所 固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730000)

多孔儲(chǔ)液介質(zhì)是工程應(yīng)用中重要的一類摩擦副材料，因具有制造成本低和儲(chǔ)液自循環(huán)潤(rùn)滑特性，被廣泛應(yīng)用在機(jī)械裝備和仿生關(guān)節(jié)等領(lǐng)域中[1-2].其設(shè)計(jì)理念源自生物關(guān)節(jié)軟骨的儲(chǔ)液自循環(huán)潤(rùn)滑行為，當(dāng)生物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，軟骨內(nèi)包覆的潤(rùn)滑介質(zhì)會(huì)由于載荷和速度的變化而析出，使關(guān)節(jié)獲得與運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度相適應(yīng)的潤(rùn)滑膜，而當(dāng)外部刺激消失時(shí)，潤(rùn)滑介質(zhì)會(huì)回注孔隙中儲(chǔ)存?zhèn)溆?這種自適應(yīng)供油的潤(rùn)滑方式不但增加了生物體運(yùn)動(dòng)的靈活性和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力，還降低了關(guān)節(jié)的摩擦磨損，使其可長(zhǎng)期服役[3-6].但由于多孔儲(chǔ)液介質(zhì)存在結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜以及對(duì)其潤(rùn)滑機(jī)理缺乏深刻理解的問(wèn)題，目前還難以實(shí)現(xiàn)多孔儲(chǔ)液介質(zhì)潤(rùn)滑狀態(tài)可控性以及環(huán)境自適應(yīng)性的設(shè)計(jì).

多孔儲(chǔ)液介質(zhì)的摩擦學(xué)性能可以從基體材料[7-8]、潤(rùn)滑介質(zhì)[9-10]、結(jié)構(gòu)參數(shù)[11-12]以及復(fù)雜工況[13-14]等多個(gè)方面進(jìn)行改善，目前已開(kāi)發(fā)了含油復(fù)合薄膜[15]、多孔含油軸承[16]、多孔仿生骨[17]以及多孔含油導(dǎo)軌[18]等多孔儲(chǔ)液介質(zhì)，相關(guān)研究表明多孔儲(chǔ)液介質(zhì)的固、液相材料性質(zhì)以及固相孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)影響潤(rùn)滑介質(zhì)在摩擦副表面的鋪展成膜進(jìn)而調(diào)控其摩擦學(xué)性能.多孔儲(chǔ)液介質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)潤(rùn)滑性能的影響是多維度的，提高孔隙率和孔隙直徑會(huì)在一定程度上降低材料的剛性，導(dǎo)致孔隙變形，增大介質(zhì)在孔隙中的流動(dòng)阻力，從而增加摩擦系數(shù)[19-20]；而合理設(shè)計(jì)孔隙結(jié)構(gòu)，優(yōu)化摩擦副表面微孔分布，有助于潤(rùn)滑介質(zhì)析出，增強(qiáng)油膜的流體動(dòng)壓效應(yīng)從而獲得優(yōu)異的潤(rùn)滑性能[21].隨著研究工作的進(jìn)一步深入，發(fā)現(xiàn)當(dāng)孔隙中潤(rùn)滑介質(zhì)填充不滿或部分消耗時(shí)，孔隙中的氣體會(huì)與潤(rùn)滑介質(zhì)在摩擦副表面形成氣-液二相參與潤(rùn)滑承載[22-23]，在摩擦過(guò)程中氣-液二相是起增阻還是減阻作用，則取決于氣-液二相在孔隙中的存在狀態(tài)[24-25].一方面當(dāng)氣-液二相進(jìn)入摩擦副間隙后會(huì)提高潤(rùn)滑介質(zhì)的黏度，產(chǎn)生黏滯力阻礙摩擦副的運(yùn)動(dòng)；另一方面當(dāng)氣-液二相穩(wěn)定存在于孔隙中，氣-液二相受壓承載會(huì)增強(qiáng)流體潤(rùn)滑效果[26-27].目前多孔儲(chǔ)液介質(zhì)多采用粉末冶金法和模板法等方法制備[28-31]，難以精確控制微孔的尺寸、分布和貫通性等參數(shù)，只能用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法估算.在分析承載能力和潤(rùn)滑性能時(shí)，很難明確相關(guān)性能的變化與微孔尺寸或分布等影響因素的對(duì)應(yīng)關(guān)系，只能做趨勢(shì)性模糊描述，多孔儲(chǔ)液介質(zhì)的微觀孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)與介質(zhì)承載能力及潤(rùn)滑承載能力間的耦合聯(lián)系還有待進(jìn)一步探究.探究微觀孔隙的結(jié)構(gòu)參數(shù)與介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以及氣-液二相界面存在狀態(tài)間的相互作用機(jī)理，有助于優(yōu)化多孔儲(chǔ)液介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)，延長(zhǎng)設(shè)備壽命并提高其使用可靠性.

基于此，本文中針對(duì)多孔儲(chǔ)液介質(zhì)孔隙中流體的動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)以及氣-液二相的相互作用，用數(shù)值分析了孔隙深度對(duì)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，試驗(yàn)研究了孔隙深度對(duì)多孔儲(chǔ)液介質(zhì)摩擦學(xué)性能的影響.研究表明孔隙深度會(huì)影響多孔儲(chǔ)液介質(zhì)的流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)與氣-液二相承載力，從而調(diào)控多孔儲(chǔ)液介質(zhì)的摩擦磨損行為.這項(xiàng)工作為多孔儲(chǔ)液介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)，也為繼續(xù)開(kāi)展多孔儲(chǔ)液介質(zhì)的潤(rùn)滑承載機(jī)理的研究奠定了基礎(chǔ).

1 多孔儲(chǔ)液介質(zhì)潤(rùn)滑減阻數(shù)值模擬

1.1 孔隙深度對(duì)多孔儲(chǔ)液介質(zhì)潤(rùn)滑升力的影響

Fig.1 The schematic diagram and parameters of the simulation model圖1 仿真模型及參數(shù)示意圖

多孔儲(chǔ)液介質(zhì)的表面微結(jié)構(gòu)會(huì)使得黏性流體進(jìn)入收斂間隙時(shí)，產(chǎn)生流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)，有效提高潤(rùn)滑介質(zhì)的潤(rùn)滑升力，從而減小摩擦系數(shù)，減輕磨損[32].為了探究孔隙深度對(duì)多孔儲(chǔ)液介質(zhì)潤(rùn)滑升力的影響，基于均勻化理論、納維-斯托克斯方程(N-S方程)以及連續(xù)性方程，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法(CFD)模擬了摩擦過(guò)程中潤(rùn)滑介質(zhì)在孔隙中的運(yùn)動(dòng)行為，并對(duì)其影響因素進(jìn)行分析.如圖1所示，選取相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的1個(gè)剖面，建立二維仿真模型，設(shè)定孔隙直徑(d)為1.0 mm，并分別模擬計(jì)算了孔隙深度(h)為2.5、5.0、7.5和10.0 mm時(shí)產(chǎn)生的潤(rùn)滑升力.假設(shè)流體為穩(wěn)態(tài)不可壓縮的層流，潤(rùn)滑膜厚(hmin)為100 μm，水動(dòng)力黏度為0.55 Pa·s，密度為1.0 g/cm3.摩擦副單向勻速運(yùn)動(dòng)，速度(V)為0.89 m/s.模型采用Geometry設(shè)計(jì)，通過(guò)CFD-mesh劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格邊長(zhǎng)設(shè)置為0.1 μm，通過(guò)Fluent 19.0進(jìn)行運(yùn)算并求解.

摩擦過(guò)程中不同孔隙深度的多孔儲(chǔ)液介質(zhì)流體壓力與潤(rùn)滑升力的模擬結(jié)果如圖2所示.如圖2(a)所示，潤(rùn)滑介質(zhì)從孔隙右側(cè)流出進(jìn)入摩擦界面，潤(rùn)滑介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)空間急劇變小，產(chǎn)生楔形效應(yīng)使得壓力增大，從而潤(rùn)滑承載.如圖2(b) 所示，潤(rùn)滑介質(zhì)產(chǎn)生的升力隨著孔隙深度的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，在多孔儲(chǔ)液介質(zhì)孔隙深度為7.5 mm時(shí)，升力達(dá)到最大值71.2 N/m，隨后隨孔隙深度增大開(kāi)始下降，當(dāng)孔隙深度為10.0 mm時(shí)，平均升力驟降為12 N/m，僅為最大值的1/6.雖然隨著孔隙深度的增加，多孔儲(chǔ)液介質(zhì)的儲(chǔ)液量增加，但如圖2(a)所示，在孔隙深度為5.0 mm 時(shí)孔隙內(nèi)部開(kāi)始出現(xiàn)回流曲線，根據(jù)經(jīng)典回流理論[33]，多孔儲(chǔ)液介質(zhì)孔隙中產(chǎn)生的回流現(xiàn)象會(huì)降低潤(rùn)滑升力，最終導(dǎo)致進(jìn)入收斂間隙的潤(rùn)滑介質(zhì)減少，從而削弱流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)，其原理示意圖如圖2(c)所示.隨著孔隙深度的不斷增加，回流現(xiàn)象逐漸明顯，當(dāng)孔隙深度小于7.5 mm時(shí)，尚未形成完整密集的回流曲線，表現(xiàn)為潤(rùn)滑升力隨著孔隙深度的增加而變大；當(dāng)孔隙深度繼續(xù)增大，達(dá)到10.0 mm時(shí)，潤(rùn)滑介質(zhì)在孔隙中形成了完整的回流循環(huán)，導(dǎo)致流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)明顯減弱，潤(rùn)滑升力驟降.CFD模擬結(jié)果表明孔隙深度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致回流現(xiàn)象明顯，使得潤(rùn)滑升力下降，從而削弱流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)，而孔隙過(guò)淺會(huì)使得進(jìn)入收斂間隙的潤(rùn)滑介質(zhì)減少，也會(huì)導(dǎo)致流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)減弱.因此，合理設(shè)計(jì)孔隙深度能夠增強(qiáng)多孔儲(chǔ)液介質(zhì)的流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)，在本設(shè)計(jì)條件下，孔隙深度為7.5 mm時(shí)潤(rùn)滑升力最大.

1.2 孔隙深度對(duì)氣-液二相承載能力的影響

在多孔儲(chǔ)液介質(zhì)中，潤(rùn)滑介質(zhì)充填不滿或當(dāng)潤(rùn)滑介質(zhì)隨著服役時(shí)長(zhǎng)的增加被部分消耗時(shí)，孔隙中會(huì)有氣體進(jìn)入或因空化現(xiàn)象，氣泡將與潤(rùn)滑介質(zhì)形成氣-液二相協(xié)同潤(rùn)滑[34].多孔儲(chǔ)液介質(zhì)孔隙中的氣-液二相分布存在著兩個(gè)臨界狀態(tài)，當(dāng)氣-液二相充滿孔隙，此時(shí)最大氣泡厚度等于摩擦副最大間距(hd)；當(dāng)氣-液二相脫離孔隙進(jìn)入摩擦副間隙時(shí)，則最大氣泡厚度為摩擦副間隙(hmin).當(dāng)氣-液二相穩(wěn)定存在孔隙中時(shí)，氣相與液相間的壓力差提供了氣-液二相承載力(ΔP)，而兩個(gè)臨界狀態(tài)間的氣-液二相承載力的差值為最小壓差(ΔPa).ΔPa代表了氣-液二相在孔隙中的極限承載能力，決定了氣-液二相的潤(rùn)滑效果.液相壓力低于ΔPa時(shí)，氣-液二相在孔隙中穩(wěn)定地受壓承載；液相壓力超過(guò)ΔPa，氣泡會(huì)被擠出孔隙，進(jìn)入摩擦副間隙，導(dǎo)致潤(rùn)滑介質(zhì)黏度增加，產(chǎn)生黏滯力阻礙摩擦副的運(yùn)動(dòng).多孔儲(chǔ)液介質(zhì)孔隙中氣-液二相承載模型如圖3(a)所示，根據(jù)彎月面力原理，則氣-液二相界面半徑(r)[35]為

Fig.2 (a) The pressure distribution streamline of the porous liquid storage medium with different pore depths; (b) The curve of lift force; (c) The backflow schematic diagram of the lubricating medium in the pore圖2 (a)多孔儲(chǔ)液介質(zhì)在不同孔隙深度模擬結(jié)果的流體壓力流線圖；(b)潤(rùn)滑升力曲線；(c)孔隙內(nèi)部潤(rùn)滑介質(zhì)的回流示意圖

式中：θ為液-固接觸角；α為氣-固接觸角；h1為氣泡厚度.若Pa和P1分別為氣-液二相界面附近的氣泡壓力與液體壓力，δ為氣-液二相界面的 Gibbs能，根據(jù)Laplace-Young方程[36]得式(2).

式(2)表明了氣-液二相的氣泡壓力(Pa)和液體壓力(P1)的差值與 Gibbs能(δ)以及界面半徑(r)間的數(shù)值關(guān)系.而ΔP代表著氣-液二相的最大承壓力，則聯(lián)立式(1)和(2)可得式(3).

Fig.3 (a) The load-bearing schematic diagram of the gas-liquid two-phase; (b) The minimum pressure difference and the increment in load-bearing capacity as a function of the pore depths圖3 (a)氣-液二相承載示意圖；(b)不同孔隙深度的最小壓差及承載能力增量變化曲線

若氣泡被擠出孔隙，則此時(shí)h1為hmin，α的值為0；當(dāng)氣泡穩(wěn)定存在孔隙中時(shí)，最大氣泡厚度(h1)等于摩擦副最大間距(hd)，氣泡受壓在孔隙中完全鋪展，α的值為0.根據(jù)式 (3)則有最小壓差(ΔPa)為

本研究中后續(xù)試驗(yàn)使用的摩擦副上下表面材料分別為聚乳酸和有機(jī)玻璃，均為親水表面，平均接觸角(θ)為 53°，氣-液二相界面的Gibbs能(δ)約為72.8 mN/m[37].從式(4)中可得出將氣泡擠出孔隙的最小壓差與孔隙深度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖3(b)所示.

由圖3可知，氣泡從孔隙中逃逸時(shí)氣-液二相的最小壓差(ΔPa)隨孔隙深度的增加而升高，這表明孔隙拘禁氣相的能力增強(qiáng)，氣-液二相的承載能力提高.同時(shí)在徑向載荷的作用下，摩擦副間距有減小的趨勢(shì)，孔隙中的氣泡將被進(jìn)一步壓縮而壓力增大，氣-液二相的承載能力將提高.可見(jiàn)，當(dāng)氣-液二相能夠穩(wěn)定存在于孔隙中時(shí)，孔隙深度越大，摩擦副的間距越小，承載能力越強(qiáng).圖3(b)表明ΔPa的增長(zhǎng)幅度隨著孔隙深度的增加逐漸減小，意味著孔隙深度越小，氣-液二相對(duì)增加潤(rùn)滑膜厚度以及提高承載能力的積極影響越顯著，但此時(shí)由于最小壓差變小，氣泡受壓容易從孔隙中逃逸，導(dǎo)致氣-液二相難以在孔隙中穩(wěn)定存在.因此，只有選取合適的孔隙深度，才能提高多孔儲(chǔ)液介質(zhì)的氣-液二相承載力.

2 多孔儲(chǔ)液介質(zhì)摩擦磨損試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)部分

針對(duì)上述模擬計(jì)算結(jié)果的可行性，設(shè)計(jì)摩擦學(xué)試驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)，并進(jìn)一步研究孔隙深度對(duì)多孔儲(chǔ)液介質(zhì)摩擦學(xué)性能的影響.多孔儲(chǔ)液介質(zhì)以聚乳酸(PLA)為基體材料，采用3D打印熔融沉積技術(shù)制備(System HD3510plus，深圳二乘以三科技技術(shù)有限公司)，PLA的基本參數(shù)列于表1中.3D打印工藝參數(shù)為溫度190 ℃、速度60 mm/s、填充密度100%.為模擬軸承的真實(shí)接觸狀態(tài)，試樣打印成與配副軸頸相適應(yīng)的弧形，打印試樣的結(jié)構(gòu)及尺寸如圖4所示.多孔儲(chǔ)液介質(zhì)的孔隙直徑1 mm，相鄰孔距2.6 mm，孔隙數(shù)量為8×21，孔隙深度分別為 0.0、2.5、5.0、7.5和10.0 mm.試驗(yàn)以純凈水為潤(rùn)滑介質(zhì)，將試樣置于裝有純凈水的真空容器中，利用真空泵(飛躍FY-1C-N)排除孔隙內(nèi)部及容器中的氣體，使純凈水灌入孔隙，得到不同孔隙深度的多孔儲(chǔ)液介質(zhì)試樣.

表1 PLA理化性質(zhì)的基本參數(shù)Table 1 The basic parameters of PLA

采用自行研制的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行環(huán)-環(huán)面接觸摩擦磨損試驗(yàn)[38]，試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖5所示.用于配副的軸頸為有機(jī)玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯)圓環(huán)，內(nèi)徑和外徑分別為150和170 mm.利用扭矩傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器和壓力傳感器分別實(shí)時(shí)采集摩擦系數(shù)、轉(zhuǎn)速和壓力等參數(shù).試驗(yàn)條件如下：恒定轉(zhuǎn)速100 r/min(線速度0.89 m/s)，載荷加載范圍為20～200 N，遞增梯度為20 N/30 s，試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間300 s，所有試驗(yàn)均重復(fù)進(jìn)行3次.

Fig.4 The schematic diagram of the sample structure圖4 試樣結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.5 The schematic diagram of test setup and test rig components: 1.motor; 2.coupling; 3.supporting seats; 4.supporting seats;5.loading device; 6.tangential press sensor; 7.fixture; 8.glass shaft; 9.sample; 10.tripod; 11.water tank; 12.high-speed camera圖5 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)臺(tái)部件示意圖：1.電機(jī)；2.聯(lián)軸器；3.支撐座；4.支撐座；5.施載把手；6.壓力傳感器；7.夾具；8.玻璃軸；9.試樣；10.三腳架；11.水箱；12.高速攝像機(jī)

試驗(yàn)結(jié)束后采用ST-400 三維形貌儀(美國(guó)NANOWEA公司生產(chǎn))對(duì)PLA試樣表面磨損形貌進(jìn)行表征，選取算數(shù)平均高度(Sa)作為特征參數(shù).采用 JSM-7500F掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)試樣磨損形貌進(jìn)行進(jìn)一步觀測(cè)分析.

2.2 結(jié)果與討論

不同孔隙深度的PLA試樣摩擦系數(shù)曲線如圖6所示，摩擦系數(shù)隨著載荷的增加先降低而后趨于平穩(wěn).運(yùn)行時(shí)，多孔儲(chǔ)液介質(zhì)中潤(rùn)滑介質(zhì)在熱效應(yīng)和孔隙變形的作用下從孔隙中析出，在摩擦副表面形成潤(rùn)滑膜.隨著載荷的增加，潤(rùn)滑效果增強(qiáng)，一方面是因?yàn)楣滔喙羌艿淖冃瘟侩S著載荷的增加而增加，更多的潤(rùn)滑介質(zhì)析出；另一方面，載荷增加使更多的表面微凸體進(jìn)入接觸狀態(tài)，真實(shí)接觸面積增大，實(shí)際接觸應(yīng)力下降，因此潤(rùn)滑狀態(tài)得到有效改善.圖6中，孔隙深度為5.0 mm的多孔儲(chǔ)液介質(zhì)在30 N左右摩擦系數(shù)出現(xiàn)突變，這是由于此時(shí)摩擦副的剪切力造成PLA表面微凸體脫落產(chǎn)生磨料，以及此時(shí)固相骨架的變形量相對(duì)較小，潤(rùn)滑介質(zhì)析出較少，未能形成連續(xù)穩(wěn)定的潤(rùn)滑膜導(dǎo)致摩擦系數(shù)突變.而隨著徑向載荷的增加，會(huì)加大磨料在對(duì)偶副間的接觸應(yīng)力，碾碎磨料，也會(huì)使得孔隙中的介質(zhì)進(jìn)一步析出，增加潤(rùn)滑膜厚度，改善潤(rùn)滑狀態(tài).

從圖6中可以看出，隨著孔隙深度的增加，摩擦系數(shù)呈現(xiàn)出先降低再增加的趨勢(shì)，在孔隙深度為7.5 mm時(shí)達(dá)到最低，在孔隙深度為10 mm時(shí)達(dá)到最高.如前所述，這是因?yàn)樵诳紫渡疃刃∮?.5 mm時(shí)，孔隙中流體運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的潤(rùn)滑升力隨著孔隙深度的增加持續(xù)上升，氣-液二相承載力逐步增大，流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)增強(qiáng).在孔隙深度為7.5 mm時(shí)，潤(rùn)滑升力達(dá)到最大值，此時(shí)摩擦系數(shù)也最低，當(dāng)孔隙深度繼續(xù)增加時(shí)，流體在孔隙中產(chǎn)生的回流效應(yīng)愈加明顯，減弱了流體動(dòng)壓效應(yīng)，摩擦系數(shù)逐漸增大至最大值.進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，孔隙深度為2.5與0.0 mm的摩擦系數(shù)曲線近乎重合，這源于孔隙的存在減少了摩擦副接觸面積，增大了實(shí)際接觸應(yīng)力，導(dǎo)致摩擦系數(shù)上升，而多孔結(jié)構(gòu)又會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生流體動(dòng)壓效應(yīng)與氣-液二相承載，有利于減小摩擦，故二者的摩擦系數(shù)比較接近.當(dāng)孔隙深度分別為5.0和7.5 mm時(shí)，摩擦系數(shù)曲線隨著摩擦過(guò)程的進(jìn)行逐漸接近，這可能是因?yàn)槟バ歼M(jìn)入孔隙以及表面磨損導(dǎo)致實(shí)際孔隙深度不斷變化，使孔隙中潤(rùn)滑介質(zhì)的驅(qū)動(dòng)力也隨之改變.此外，數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明多孔儲(chǔ)液介質(zhì)在孔隙深度為5.0和7.5 mm的氣-液二相承載力低于孔隙深度為10 mm的承載力，但在摩擦試驗(yàn)中孔隙深度為10 mm的多孔儲(chǔ)液介質(zhì)摩擦系數(shù)最大，表明多孔儲(chǔ)液介質(zhì)摩擦學(xué)性能主要受到流體動(dòng)壓效應(yīng)產(chǎn)生的潤(rùn)滑升力的影響.試驗(yàn)表明孔隙深度顯著影響多孔儲(chǔ)液介質(zhì)的潤(rùn)滑性能，與數(shù)值模擬結(jié)果相符.

Fig.6 The friction coefficient curves of the porous liquid storage media with different pore depths圖6 不同孔隙深度的多孔儲(chǔ)液介質(zhì)的摩擦系數(shù)曲線

為進(jìn)一步研究孔隙深度對(duì)多孔儲(chǔ)液介質(zhì)摩擦學(xué)性能的影響，對(duì)磨損前后多孔儲(chǔ)液介質(zhì)的表面進(jìn)行三維形貌掃描，并提取算數(shù)平均高度(Sa)作為特征參數(shù).磨損表面的三維形貌、磨損前后的表面算數(shù)平均高度(Sa)以及磨損量隨孔隙深度的變化如圖7所示.磨損后的Sa隨著孔隙深度的增加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，在孔隙深度小于7.5 mm時(shí)，Sa隨孔隙深度的增加而降低，這表明適當(dāng)?shù)目紫渡疃瓤梢杂行Ы档投嗫變?chǔ)液介質(zhì)的表面磨損.如圖7(d)所示，磨損量也呈現(xiàn)出與Sa相同的變化趨勢(shì)，當(dāng)孔隙深度為7.5 mm時(shí)，多孔儲(chǔ)液介質(zhì)的磨損量與無(wú)孔試樣(h=0.0 mm)相比降低了90.52%；而當(dāng)孔隙深度增加到10.0 mm時(shí)，磨損量雖有所增加，但與無(wú)孔試樣相比多孔儲(chǔ)液介質(zhì)的磨損量整體降低了35.24%～90.52%，耐磨性顯著提高.

不同孔隙深度的多孔儲(chǔ)液介質(zhì)磨損后的 SEM 微觀形貌圖如圖8所示，磨損表面存在細(xì)小的磨屑、少量的裂紋與犁溝，這是因?yàn)樵诜σ簼?rùn)滑的工況下，摩擦副表面的剪切力導(dǎo)致表面凸起的微結(jié)構(gòu)脫落形成磨料，當(dāng)磨料置于兩摩擦副表面之間時(shí)，產(chǎn)生的接觸應(yīng)力過(guò)大，使得磨料不斷被碾碎，法向載荷使磨料壓入摩擦副表面，同時(shí)切向力會(huì)致使磨料沿著相對(duì)滑動(dòng)的方向在摩擦副表面留下裂紋和犁溝，產(chǎn)生磨粒磨損.圖8(h)中多孔儲(chǔ)液介質(zhì)的孔隙邊緣被“磨平”，這是因?yàn)樵谕廨d荷的作用下，孔隙邊緣極易產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)，該微區(qū)潤(rùn)滑介質(zhì)的潤(rùn)滑升力和氣-液二相承載力不足，導(dǎo)致潤(rùn)滑膜被刺穿而發(fā)生干摩擦，磨損表面發(fā)生塑性變形、脫落和黏著等微觀力學(xué)行為.而孔隙邊緣因應(yīng)力集中發(fā)生的塑性變形以及產(chǎn)生的磨屑會(huì)封堵孔隙，破壞摩擦界面輸供液路徑，導(dǎo)致摩擦系數(shù)發(fā)生波動(dòng)以及磨損加劇，由此可見(jiàn)，本試驗(yàn)中PLA的磨損形式以磨粒磨損為主，并伴有輕微黏著磨損.

Fig.7 (a) The geometric topographies characteristics of the wear surfaces; (b, c) The arithmetic average height of the surface before and after wear; (d) Wear of the samples with different pore depths圖7 (a)磨損表面的三維形貌圖；(b, c)磨損前后的表面算數(shù)平均高度直方圖；(d) 不同孔隙深度樣品的磨損量

Fig.8 SEM micrograghs of the porous liquid storage medium (a) before wear and (b～f) with different pore depths after wear; (g, h)SEM micrograghs of pore before and after wear圖8 (a)多孔儲(chǔ)液介質(zhì)磨損前和(b～f)不同孔隙深度的多孔儲(chǔ)液介質(zhì)磨損形貌的SEM照片；(g, h)孔隙磨損前后形貌的SEM照片

3 結(jié)論

基于多孔儲(chǔ)液介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)中流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)以及氣-液二相承載，模擬計(jì)算了孔隙深度對(duì)多孔儲(chǔ)液介質(zhì)摩擦學(xué)性能的影響，根據(jù)計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)相關(guān)試驗(yàn)，對(duì)計(jì)算結(jié)果的可行性進(jìn)行了檢驗(yàn)，并進(jìn)一步探究了孔隙深度對(duì)多孔儲(chǔ)液介質(zhì)摩擦及磨損性能的影響，主要結(jié)論如下：

a.孔隙深度會(huì)影響多孔儲(chǔ)液介質(zhì)的流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng).隨著孔隙深度增加，儲(chǔ)液量增加，流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)增強(qiáng)；而孔隙深度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致孔隙內(nèi)的回流現(xiàn)象增強(qiáng)，削弱楔形效應(yīng)，導(dǎo)致潤(rùn)滑升力降低，自潤(rùn)滑性能變差.

b.面-面接觸潤(rùn)滑時(shí)，由于多孔結(jié)構(gòu)的作用，氣泡在摩擦副接觸面的孔隙中形成氣-液二相.多孔儲(chǔ)液介質(zhì)孔隙中氣-液二相的承載力隨著孔隙深度的增加而增加，但承載能力的增長(zhǎng)速率隨著孔隙深度的增加而減小.

c.摩擦試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬的結(jié)果一致，摩擦試驗(yàn)結(jié)果表明，多孔儲(chǔ)液介質(zhì)的摩擦系數(shù)隨著孔隙深度的增加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì).孔隙深度為7.5 mm時(shí)，多孔儲(chǔ)液介質(zhì)的摩擦系數(shù)相比無(wú)孔試樣降低了42.3%.PLA基多孔儲(chǔ)液介質(zhì)在水潤(rùn)滑條件下主要發(fā)生磨粒磨損，與無(wú)孔試樣相比，多孔儲(chǔ)液介質(zhì)的磨損量降低了35.24%～90.52%.