趙 濤 王優(yōu)強(qiáng) 胡 宇 何 彥 李夢(mèng)杰 朱玉玲

(1.青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院 山東青島 266520；2.工業(yè)流體節(jié)能與污染控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東青島 266520)

進(jìn)入21世紀(jì)，全球海洋事業(yè)迅速發(fā)展，海洋資源的開(kāi)發(fā)利用成為了世界經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的一大支柱。海水液壓馬達(dá)作為海洋探索的重要執(zhí)行元件有著極其重要的作用。然而，由于海水特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，海水液壓馬達(dá)中的關(guān)鍵摩擦副之一——端面配流副在海水中工作時(shí)極易因腐蝕、磨損而失效[1]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要通過(guò)采用新材料[2-3]、改變潤(rùn)滑方式[4-5]、進(jìn)行涂層防護(hù)[6-7]等方法提高其摩擦學(xué)性能。隨著表面織構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，利用織構(gòu)表面效應(yīng)來(lái)進(jìn)一步提高摩擦副的摩擦磨損性能有很大的潛力。

表面織構(gòu)被認(rèn)為是提高摩擦副表面摩擦學(xué)性能的有效方法之一。JONES和SCHMID[8]通過(guò)高頻率循環(huán)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)得到織構(gòu)化表面的磨損性能明顯優(yōu)于光滑表面的結(jié)論。WAKUDA等[9]通過(guò)銷(xiāo)盤(pán)實(shí)驗(yàn)?zāi)M了具有很高接觸壓力的圓柱/平面接觸界面，研究發(fā)現(xiàn)織構(gòu)化陶瓷摩擦副表面的摩擦特性與微坑大小和密度有很大關(guān)系，密度為5%～20%的微坑表面減摩效果最好。LIU等[10]通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究的方法，發(fā)現(xiàn)織構(gòu)的幾何參數(shù)對(duì)摩擦副表面的摩擦學(xué)性能有顯著影響，最優(yōu)幾何參數(shù)取決于其所處的操作條件。袁明超[11]通過(guò)正交試驗(yàn)分析了表面織構(gòu)的不同參數(shù)對(duì)活塞環(huán)/缸套摩擦副摩擦學(xué)性能的影響，得出凹坑的直徑對(duì)摩擦副摩擦因數(shù)的影響最為顯著，當(dāng)速度與載荷較高時(shí)，表面織構(gòu)作用明顯。SAEIDI等[12-13]研究了不同工況下織構(gòu)的不同參數(shù)對(duì)摩擦副摩擦學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，織構(gòu)直徑和面積率對(duì)摩擦因數(shù)的影響較大。GALDA等[14]研究了乏油條件下速度和載荷對(duì)織構(gòu)化表面的影響，發(fā)現(xiàn)在低速低載條件下，織構(gòu)的作用效果更明顯。

近年來(lái)，部分學(xué)者對(duì)海水液壓馬達(dá)關(guān)鍵部件進(jìn)行摩擦學(xué)研究，探索織構(gòu)化表面對(duì)其減摩抗磨性能的影響。梁瑛娜等[15-16]利用FLUENT仿真分析非光滑表面滑靴副的流體動(dòng)壓支撐效應(yīng)，并通過(guò)自制的試驗(yàn)臺(tái)對(duì)加有織構(gòu)的滑靴副進(jìn)行了摩擦磨損測(cè)試，結(jié)果表明：織構(gòu)能夠產(chǎn)生良好的動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)，織構(gòu)的存在可以使?jié)櫥汉湍バ即鎯?chǔ)在其中，降低磨粒磨損，加工有織構(gòu)的摩擦副的摩擦因數(shù)和磨損率相較于光滑表面均大幅降低。孫怡龍等[17]利用ANSYS 軟件，分析了不同密度及不同深徑比凹坑對(duì)雙織構(gòu)(上圓柱下圓錐)低速大扭矩水液壓馬達(dá)配流副等效摩擦應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)織構(gòu)化表面可以減小應(yīng)力集中，有效降低摩擦副表面最大等效摩擦應(yīng)力。WANG等[18]通過(guò)在CFRPEEK試樣上加工圓球形、橢球形和三棱柱型仿生織構(gòu)，與光滑試樣進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)合適的非光滑表面能夠有效地降低摩擦副的摩擦因數(shù)，其中，橢球形織構(gòu)的摩擦性能最好。馬浩等人[19-20]通過(guò)對(duì)比不同形狀的織構(gòu)化配流副表面，發(fā)現(xiàn)圓形織構(gòu)具有最好的流體動(dòng)壓潤(rùn)滑性能。但目前為止，很少有學(xué)者探究同一織構(gòu)的不同參數(shù)對(duì)海水液壓馬達(dá)配流副潤(rùn)滑性能的影響規(guī)律。

本文作者利用FLUENT軟件，在不同轉(zhuǎn)速、不同面積率下對(duì)不同直徑的橢圓形織構(gòu)進(jìn)行仿真分析，探究其影響規(guī)律，為加工織構(gòu)化配流副表面提供理論依據(jù)。

1 仿真模型的建立

1.1 表面織構(gòu)幾何模型及FLUENT模型選擇

文中根據(jù)WANG等[18]和YU等[21]的研究成果，選擇潤(rùn)滑效果最好的垂直于滑動(dòng)方向的橢圓形織構(gòu)布置在配流副表面；同時(shí)為節(jié)省運(yùn)算時(shí)間、提高精度，故選取配流副的一個(gè)具有表面織構(gòu)的圓環(huán)單元進(jìn)行計(jì)算，如圖1(a)所示，圓環(huán)單元尺寸如圖1(b)所示。

定義凹坑總面積與單元圓環(huán)總面積的比值為凹坑面積占有率A，則

式中：a、b分別為橢圓的短半軸長(zhǎng)、長(zhǎng)半軸長(zhǎng)，mm；x為凹坑數(shù)量；R、r分別為圓環(huán)單元模型的外、內(nèi)半徑，mm。

XU等[22]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)短軸比為2∶1的橢圓形織構(gòu)能有效地減摩抗磨，而過(guò)大的長(zhǎng)短軸比則會(huì)加劇磨損。故文中選取橢圓形織構(gòu)的長(zhǎng)短軸比為2∶1。文中設(shè)計(jì)3種不同尺寸的橢圓形織構(gòu)，其長(zhǎng)短軸分別是1.6、0.8 mm，1.2、0.6 mm和0.8、0.4 mm，在文中表示為1.6/0.8、1.2/0.6、0.8/0.4 mm；織構(gòu)面積率分別是5%、8%、10%、13%、18%、21%；織構(gòu)深度保持不變，為0.4 mm。

文中主要研究海水潤(rùn)滑下織構(gòu)化配流副表面的流體動(dòng)壓效應(yīng)，故采用不可壓縮流體、定常、湍流模型進(jìn)行分析。湍流模型選用旋轉(zhuǎn)流動(dòng)分析性能更好的Realizablek-ε模型。工作介質(zhì)為海水，其密度為1 025 kg/m3，動(dòng)力黏度為1.037×10-3Pa·s。

1.2 網(wǎng)格劃分及無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

網(wǎng)格質(zhì)量的好壞會(huì)影響仿真分析結(jié)果，合適的網(wǎng)格能加快計(jì)算收斂速度，提高運(yùn)算精度。文中利用ANSYS自帶的Mesh模塊對(duì)水膜單元模型進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，求解偏好為CFD Fluent，運(yùn)用能夠較好捕捉曲率變化的Curvature法，關(guān)聯(lián)度采用Medium，跨度中心角設(shè)置為Fine。文中模型的網(wǎng)格質(zhì)量系數(shù)的平均值約為0.75，偏斜系數(shù)的平均值約為0.27，配流盤(pán)水膜單元模型及網(wǎng)格劃分如圖2(a)、(b)所示。在保證計(jì)算精度同時(shí)，為減少計(jì)算時(shí)間，文中以1.2/0.8 mm的橢圓形織構(gòu)水膜為例進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，如圖3所示。隨著單元總數(shù)的減小，水膜上表面最大壓力基本保持不變，網(wǎng)格質(zhì)量隨單元總數(shù)的減小也基本趨于平緩。根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果，整個(gè)計(jì)算模型的單元總數(shù)取1 764 315個(gè)，即對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格尺寸為0.03 mm。

圖2 配流盤(pán)水膜模型及局部網(wǎng)格劃分

圖3 無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

1.3 邊界條件及計(jì)算參數(shù)的設(shè)置

邊界條件設(shè)置如圖4所示:與轉(zhuǎn)子相接觸的表面設(shè)置為動(dòng)面，且沿主軸做逆時(shí)針勻速圓周運(yùn)動(dòng)，取主軸轉(zhuǎn)速分別為500、1 500、2 500 r/min；固定壁面設(shè)置為與配流副表面相接觸的表面，圓環(huán)內(nèi)表面設(shè)置為壓力入口邊界，圓環(huán)外表面設(shè)置為壓力出口邊界，取進(jìn)出口壓力均為0。采用 SIMPLEC 算法進(jìn)行求解，壓力項(xiàng)選用Body Force Weighted，其余項(xiàng)均選用Second Order Upwind。

圖4 邊界條件

2 結(jié)果分析與討論

2.1 計(jì)算模型有效性驗(yàn)證

為保證計(jì)算模型的有效性，設(shè)定模型幾何參數(shù)、控制方程、邊界條件及網(wǎng)格劃分方法與文獻(xiàn)[15]保持一致，但設(shè)定其工作條件與文中保持一致。如圖5所示為文中模型與文獻(xiàn)[15]中模型的壓力對(duì)比情況，文中壓力變化趨勢(shì)與文獻(xiàn)[15]中壓力變化趨勢(shì)基本一致，表明文中采用的計(jì)算模型和計(jì)算方法較為合理。

圖5 文中方法計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[15]結(jié)果對(duì)比

2.2 水膜上表面壓力分布

為探究橢圓形織構(gòu)表面的水膜承載特性，取轉(zhuǎn)速為2 500 r/min，面積率為13%的3種不同尺寸的橢圓形織構(gòu)進(jìn)行了分析，其二維壓力云圖、三維壓力山峰圖如圖6所示。設(shè)定摩擦副繞軸線順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，由圖6(a)、(c)、(e)可知，沿順時(shí)針?lè)较?，凹坑處的水膜壓力呈現(xiàn)出先減小后增大的現(xiàn)象，最小負(fù)壓出現(xiàn)在凹坑中心偏后位置，最大正壓出現(xiàn)在凹坑邊緣。結(jié)合三維壓力山峰圖，可以發(fā)現(xiàn)最大負(fù)壓均小于最大正壓，織構(gòu)化水膜的整體壓力為正，即不同尺寸的橢圓形凹坑均能產(chǎn)生良好的水膜承載力。凹坑處水膜壓力先減小后增大的原因是加工在摩擦副表面的橢圓形織構(gòu)在液體流動(dòng)過(guò)程中會(huì)形成微小的收斂楔和發(fā)散楔[23]，水在流經(jīng)凹坑時(shí)，凹坑的前緣會(huì)產(chǎn)生發(fā)散楔，導(dǎo)致水膜壓力下降，而水在流過(guò)凹坑時(shí)，凹坑后緣會(huì)形成收斂楔，水膜壓力急劇升高。

圖6 不同尺寸的橢圓形凹坑的壓力云圖和壓力山峰圖

2.3 面積率及轉(zhuǎn)速對(duì)不同尺寸橢圓形織構(gòu)的影響

圖7所示為不同尺寸橢圓形織構(gòu)在不同轉(zhuǎn)速下的平均水膜壓力隨面積率的變化情況?？芍?，在相同面積率下，3種不同尺寸織構(gòu)的水膜壓力都隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，這是因?yàn)樗た倝河蓜?dòng)壓和靜壓組成且由動(dòng)壓主導(dǎo)[15]。動(dòng)壓的表達(dá)式為ρv2/2。隨著轉(zhuǎn)速的不斷增大，動(dòng)壓也隨之增大，從而導(dǎo)致總壓增大。對(duì)比3種不同尺寸織構(gòu)的壓力曲線，相同尺寸的橢圓形織構(gòu)在不同轉(zhuǎn)速下其水膜壓力隨面積率的變化呈現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，并且，轉(zhuǎn)速越大，變化越顯著。另外，不同尺寸橢圓形織構(gòu)的水膜壓力隨面積率的變化呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。其中，尺寸為0.8/0.4、1.6/0.8 mm的橢圓形織構(gòu)的水膜壓力隨面積率的變化總體呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，其最優(yōu)面積率分別為13%和18%；而1.2/0.6 mm的橢圓形織構(gòu)總體呈現(xiàn)出不斷增大的變化趨勢(shì)，其最優(yōu)面積率為21%。通過(guò)對(duì)比3種尺寸的橢圓形凹坑，可以發(fā)現(xiàn)隨著織構(gòu)尺寸的不斷增大，橢圓形織構(gòu)的最優(yōu)面積率的變化趨勢(shì)為先增大后減小。

圖7 不同尺寸橢圓形織構(gòu)在不同轉(zhuǎn)速下水膜壓力隨轉(zhuǎn)速的變化

針對(duì)以上變化規(guī)律，文中以直徑為0.8/0.4 mm的橢圓形織構(gòu)為例，分析得到面積率為8%、13%和21%的織構(gòu)化表面的單個(gè)凹坑內(nèi)的流跡線和壓力曲線，如圖8所示。隨著面積率的增大，凹坑內(nèi)已成核渦旋先向右上移動(dòng)再回落，在凹坑面積率為13%時(shí)，渦旋離摩擦副上壁面最近，產(chǎn)生的流體動(dòng)壓效應(yīng)最強(qiáng)。通過(guò)對(duì)比壓力曲線圖，面積率為8%的凹坑在89°～90.5°的低壓區(qū)的壓力波動(dòng)范圍較大，能量損失大，故其整體水膜支撐力最?。欢娣e率為13%和18%的凹坑在此范圍內(nèi)的壓力集中在-200 Pa左右，但面積率為18%的凹坑水膜壓力波動(dòng)較面積率為13%的凹坑的水膜壓力波動(dòng)大；另外，面積率的增大導(dǎo)致織構(gòu)間距不斷減小，當(dāng)織構(gòu)間距過(guò)小時(shí)，相鄰織構(gòu)的發(fā)散楔和收斂楔相互影響顯著，即前一個(gè)凹坑的收斂區(qū)與后一個(gè)凹坑的發(fā)散區(qū)部分抵消[24]，故而，面積率為18%的織構(gòu)表面凹坑內(nèi)的高壓區(qū)不及面積率為13%的織構(gòu)表面。綜上所述，面積率為13%的織構(gòu)表面整體水膜支撐力最大，面積率為18%的織構(gòu)次之。

由以上分析可知，直徑為0.8/0.4、1.2/0.6和1.6/0.8 mm的橢圓形織構(gòu)的最優(yōu)面積率分別是13%、21%和18%，在此基礎(chǔ)上，文中進(jìn)一步探究不同直徑的橢圓形織構(gòu)在各自最優(yōu)面積率下的最大水膜壓力隨轉(zhuǎn)速的變化，如圖9所示。3種不同直徑橢圓形織構(gòu)的水膜壓力都隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，其中直徑為1.6/0.8 mm的橢圓形織構(gòu)表面水膜壓力最高，直徑為1.2/0.6 mm的橢圓形織構(gòu)表面水膜壓力次之；直徑為0.8/0.4 mm的橢圓形織構(gòu)表面水膜壓力最低。

圖9 不同尺寸織構(gòu)表面最大水膜壓力隨轉(zhuǎn)速的變化

圖10所示為2 000 r/min下不同直徑橢圓形凹坑的流跡線和速度梯度。對(duì)比圖10(a)、 (c)和(e)，可以發(fā)現(xiàn)凹坑的右上角存在一個(gè)成形的渦旋，隨著凹坑直徑的不斷增大，成形渦旋不斷向收斂楔方向移動(dòng)；而在凹坑的左下角逐漸形成一個(gè)小渦旋。結(jié)合圖10(b)、(d)和(f)，隨著凹坑直徑的增大，右上角的渦旋體積不斷減小，流體動(dòng)能轉(zhuǎn)換成漩渦能量的效應(yīng)減弱，水膜壓力上升，且凹坑的左下角在渦旋形成的過(guò)程中，速度梯度變化更加緊密，流體動(dòng)壓效應(yīng)愈加明顯；另外，凹坑尺寸的增大使撞擊凹坑底部的水流束更加集中，產(chǎn)生更大的回流沖擊效應(yīng)。通過(guò)以上各點(diǎn)的綜合作用，使得在一定范圍內(nèi)，凹坑尺寸越大，水膜壓力越高。

圖10 2 000 r/min下不同直徑凹坑的流跡線和速度梯度

3 結(jié)論

建立橢圓形織構(gòu)液壓馬達(dá)配流副表面模型，分析織構(gòu)參數(shù)對(duì)水膜承載性能的影響，仿真結(jié)果表明：

(1)不同尺寸的橢圓形織構(gòu)均能產(chǎn)生良好的水膜承載力，其水膜承載力隨面積率的變化呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，但相同尺寸的橢圓形織構(gòu)隨面積率的變化呈現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)不同的織構(gòu)尺寸選擇不同的面積率。

(2)在相同面積率下，轉(zhuǎn)速越高，織構(gòu)的水膜承載力越強(qiáng)，故在高轉(zhuǎn)速配流副中，織構(gòu)能夠產(chǎn)生更好的承載效果。

(3)通過(guò)對(duì)比不同尺寸的橢圓形織構(gòu)在各自最優(yōu)面積率下對(duì)水膜承載力的影響，無(wú)論在多大轉(zhuǎn)速下，1.6/0.8 mm的橢圓形織構(gòu)能表現(xiàn)出較優(yōu)的水膜承載性能。