申子玉 嚴(yán)志軍 張盛為 姜淵源 王劍豪

(1.大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院 遼寧大連 116026；2.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津) 天津 300400)

表面微織構(gòu)會(huì)改變摩擦副間的潤(rùn)滑油的流場(chǎng)和壓力分布，從而影響其接觸和潤(rùn)滑狀態(tài)[1-4]，而織構(gòu)誘導(dǎo)產(chǎn)生的空化效應(yīng)[5]也對(duì)摩擦副承載會(huì)產(chǎn)生顯著影響。因此，合理地設(shè)計(jì)摩擦副表面的微織構(gòu)可以提高潤(rùn)滑性能，從而提高機(jī)械設(shè)備的穩(wěn)定性和使用壽命[6-7]。王麗麗等[8]在計(jì)入和未計(jì)入空化效應(yīng)條件下對(duì)比分析了微織構(gòu)分布特征對(duì)滑動(dòng)軸承摩擦副潤(rùn)滑特性的影響規(guī)律，結(jié)果表明，計(jì)入空化效應(yīng)時(shí)滑動(dòng)軸承的油膜最大壓力和承載力，大于未計(jì)入空化效應(yīng)時(shí)油膜的最大壓力和承載力。LIU等[9]研究發(fā)現(xiàn)，非對(duì)稱微織構(gòu)可以改變潤(rùn)滑油的壓力和渦旋的分布，從而影響摩擦副的承載力和摩擦因數(shù)。YAN等[10]研究表面微織構(gòu)誘導(dǎo)空化的分布模式及其對(duì)滑動(dòng)摩擦副潤(rùn)滑性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明，空化效應(yīng)會(huì)影響摩擦副的潤(rùn)滑性能，隨著速度的增加，空化效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，摩擦副的摩擦因數(shù)逐漸降低。

近些年，越來越多新型軸承開始采用復(fù)合材料與彈性材料。對(duì)于這類摩擦副，在其運(yùn)行的過程中，局部較為集中的應(yīng)力，不可避免地會(huì)導(dǎo)致壁面局部出現(xiàn)明顯彈性變形。因此，針對(duì)彈性摩擦副的潤(rùn)滑特性研究需要考慮到材料彈性變形的影響。WANG等[11]對(duì)摩擦副表面微織構(gòu)邊緣的接觸應(yīng)力和變形進(jìn)行了數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)接觸區(qū)和滑動(dòng)區(qū)會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中和變形，并且微織構(gòu)的面積密度和摩擦副所采用的材料會(huì)對(duì)彈性摩擦副表面的摩擦學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。史英劍[12]研究了附有織構(gòu)化表面PDMS摩擦副的摩擦與潤(rùn)滑特性，結(jié)果表明，PDMS材料表面的彈性變形會(huì)直接導(dǎo)致摩擦副摩擦因數(shù)的增加，從而影響摩擦潤(rùn)滑特性；而對(duì)于PDMS材料，在速度變化的條件下，無織構(gòu)區(qū)域的表面彈性變化量要明顯高于有織構(gòu)區(qū)域。張博[13]在UHMWPE表面加工微織構(gòu)陣列，研究發(fā)現(xiàn)彈性摩擦副表面織構(gòu)的存在，具有更好的減摩效果。王玉君等[14]通過對(duì)織構(gòu)型水潤(rùn)滑推力軸承軟彈流潤(rùn)滑的分析，發(fā)現(xiàn)隨著軸承材料彈性模量的降低，軸承內(nèi)最高壓力值逐漸降低，最大變形逐漸增加。

綜上，學(xué)者們對(duì)于微織構(gòu)誘導(dǎo)空化效應(yīng)，以及彈性織構(gòu)對(duì)摩擦副潤(rùn)滑特性的影響這兩方面已有研究報(bào)道，但對(duì)彈性材料表面微織構(gòu)對(duì)摩擦副潤(rùn)滑特性影響的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究中，均未考慮織構(gòu)誘導(dǎo)空化效應(yīng)的影響。因此，本文作者建立了考慮微織構(gòu)誘導(dǎo)空化效應(yīng)的二維彈性織構(gòu)計(jì)算模型，采用流固耦合方法計(jì)算潤(rùn)滑流場(chǎng)與材料變形之間的相互作用；對(duì)彈性材料表面微織構(gòu)對(duì)摩擦副空化現(xiàn)象和潤(rùn)滑特性開展模擬分析，研究彈性材料的彈性模量、織構(gòu)深度和間距以及摩擦副滑動(dòng)速度等因素對(duì)潤(rùn)滑性能的影響規(guī)律，并使用銷-盤實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究成果為彈性摩擦副表面微織構(gòu)的合理設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 模擬模型

以帶表面微織構(gòu)彈性材料的平面滑動(dòng)摩擦副為研究對(duì)象，摩擦副模擬區(qū)域的幾何模型如圖1所示，參數(shù)見表1。摩擦副上壁面為剛性的勻速滑動(dòng)壁面，下壁面為靜止剛性壁面，下壁面上粘貼帶織構(gòu)的彈性膜(固體域)，上壁面與彈性膜之間為潤(rùn)滑油流體域。彈性膜上有截面為方形的凹坑織構(gòu)。左側(cè)為潤(rùn)滑油的入口邊界，右側(cè)為出口邊界。

圖1 平面滑動(dòng)摩擦副結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic of the plane sliding friction pair

表1 模型參數(shù)Table 1 Structural parameters of model

依據(jù)Navier-Stokes (N-S)方程建立微織構(gòu)流體域的二維數(shù)值模型,同時(shí)做出如下假設(shè)：①潤(rùn)滑介質(zhì)為不可壓縮的牛頓流體，不計(jì)體積力的影響；②流體流動(dòng)為定常流動(dòng)，且壁面流體流速與壁面運(yùn)動(dòng)速度相同。

基于以上假設(shè)，N-S方程在x、y方向的展開式為

(1)

(2)

連續(xù)方程：

(3)

式中:ρ表示潤(rùn)滑油的密度;p代表油膜壓力;u和v分別代表x和y方向的流速;η表示潤(rùn)滑油的黏度。

流固耦合中，固體域的變形控制方程為

(4)

式中:Ms為固體質(zhì)量;Cs為阻尼;Ks為剛度;rs為固體位移;τs為固體受到的應(yīng)力。

在流固耦合交界面，應(yīng)滿足流體和固體應(yīng)力及位移變量的守恒，即應(yīng)滿足如下方程：

rf=rs

(5)

n·τf=n·τs

(6)

式中:n為流固界面法向量;rf和τf分別為流體的位移和應(yīng)力。

建模過程采用Fluent 17.0，為了耦合潤(rùn)滑流場(chǎng)與材料變形之間的相互作用，Time選用Transient，彈性薄膜材料變形模型為L(zhǎng)inear Elasticity，流固界面邊界條件選擇Intrinsic FSI，流固界面通過動(dòng)邊界方法耦合，動(dòng)網(wǎng)格方法選擇Smoothing Method。為了考慮微織構(gòu)誘導(dǎo)空化效應(yīng)的影響，空化模型選用Schnerr & Sauer模型。另外，壓力速度耦合選用Coupled方式，動(dòng)量項(xiàng)和能量項(xiàng)均選為Quick，流體狀態(tài)選擇k-ε湍流模型。

為了簡(jiǎn)化模擬模型，采用了如下量綱一化參數(shù)：

(7)

式中:F0為參考作用力，N。

流體對(duì)上壁面表面作用力包括切向摩擦力Fτ和

法向承載力Fη，F(xiàn)τ和Fη的公式分別為

(8)

(9)

為了更加方便地分析微織構(gòu)的潤(rùn)滑性能，采用了摩擦因數(shù)f來描述潤(rùn)滑性能的優(yōu)劣，其表達(dá)式如下：

(10)

用ANSYS mesh對(duì)模型計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。面網(wǎng)格選用全三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為70 000，收斂因子為1×10-5。流體域兩端設(shè)為壓力邊界條件，初始條件設(shè)置為0(環(huán)境壓力)。采用文中的計(jì)算方法所得的結(jié)果與文獻(xiàn)[15]結(jié)果對(duì)比，如圖2所示，結(jié)果基本吻合，表明了計(jì)算方法的正確性。

圖2 上壁面處的壓力分布Fig.2 Pressure distribution of the upper wall surface:(a)calculation results in this paper;(b)calculation results in reference 15

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 彈性摩擦副表面織構(gòu)的影響

將表1中的參數(shù)代入上述模擬模型，研究彈性材料表面微織構(gòu)對(duì)摩擦副潤(rùn)滑特性的影響。其中，模擬的彈性材料為聚氨酯丙烯酸酯類光固化樹脂，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所測(cè)材料的彈性模量，將彈性織構(gòu)的模擬彈性模量設(shè)定為7.5 MPa，對(duì)剛性織構(gòu)模擬時(shí)不考慮其壁面的彈性模量與變形。剛性與彈性織構(gòu)摩擦副的典型壓力分布如圖3所示，典型空化效應(yīng)如圖4所示。剛性和彈性材料在y方向的彈性變形量，及上壁面壓力分布如圖5所示。

圖3 剛性和彈性織構(gòu)的典型壓力分布Fig.3 Typical pressure distributions of rigid and elastie texture

圖4 剛性和彈性織構(gòu)的典型空化效應(yīng)Fig.4 Typical cavatation effects of rigid and elastie texture

從圖3、4可以看出，考慮壁面彈性變形(彈性織構(gòu))與未考慮壁面彈性變形(剛性織構(gòu))時(shí)，潤(rùn)滑油流體域中的壓力分布及空化效應(yīng)有明顯的區(qū)別。未考慮壁面彈性變形(剛性織構(gòu))時(shí)，由于微織構(gòu)的存在，在織構(gòu)的進(jìn)口區(qū)域形成一個(gè)低壓區(qū)，在織構(gòu)的出口區(qū)域形成一個(gè)高壓區(qū)；另外剛性織構(gòu)摩擦副上織構(gòu)的進(jìn)口區(qū)域由于油膜壓力的急劇下降會(huì)產(chǎn)生小范圍的空化現(xiàn)象。與剛性織構(gòu)摩擦副相比，彈性織構(gòu)摩擦副上織構(gòu)進(jìn)口低壓區(qū)和出口高壓區(qū)均向后(下游方向)延伸，空化現(xiàn)象也更為明顯。

從圖5可以看出，下壁面上彈性材料在織構(gòu)前由于低壓產(chǎn)生微小的向上彈性變形，織構(gòu)后的彈性材料由于高壓被壓縮，呈較明顯的向下彈性變形。彈性材料的彈性變形延緩了進(jìn)出口區(qū)域油膜壓力的急劇變化趨勢(shì)，使得彈性織構(gòu)的低壓區(qū)和高壓區(qū)向后延伸。

圖5 剛性和彈性材料的彈性變形與壓力分布Fig.5 Elastic deformation and pressure distribution of rigid and elastic texture:(a)elastic deformation in Ydirection;(b)upper wall pressure distribution

彈性材料的織構(gòu)相比于剛性材料的織構(gòu)對(duì)摩擦副潤(rùn)滑性能的改善作用更為明顯，主要原因在于摩擦副的彈性變形對(duì)油膜的壓力分布和空化效應(yīng)的影響。與剛性織構(gòu)摩擦副相比，下壁面上覆蓋彈性織構(gòu)的摩擦副向下變形量更顯著，彈性織構(gòu)摩擦副的平均油膜厚度增加，所以摩擦副的承載力提升；另一方面，在流體動(dòng)壓潤(rùn)滑條件下，空化現(xiàn)象的存在是微織構(gòu)提升摩擦副潤(rùn)滑性能的主要原因之一，而彈性織構(gòu)摩擦副的空化效應(yīng)更加明顯，使得摩擦副由油潤(rùn)滑變?yōu)闅庥蛢上酀?rùn)滑，降低了摩擦副的摩擦力。

2.2 彈性模量的影響

為研究壁面彈性模量對(duì)彈性摩擦副潤(rùn)滑特性的影響，保持表1中其余參數(shù)不變，選取彈性織構(gòu)的彈性模量E分別為5、10、15、20、25 MPa，代入上述模型進(jìn)行數(shù)值模擬，得到不同彈性模量下潤(rùn)滑油流體域內(nèi)的空化相分布如圖6所示，彈性變形與平均油膜厚度如圖7所示，摩擦力、承載力以及摩擦因數(shù)如圖8所示。

圖6 不同彈性模量摩擦副的空化效應(yīng)Fig.6 The cavatation effects of the friction pairs with different elastic modulus

圖7 不同彈性模量摩擦副的彈性變形與平均油膜厚度Fig.7 Elastic deformation and average oil film thickness of the friction pairs with different elastic modulus:(a)elastic deformation in Y direction;(b)average oil film thickness

圖8 不同彈性模量摩擦副的承載力、摩擦力(a)和摩擦因數(shù)(b)Fig.8 The load capacity and friction(a),friction coefficient(b) of the friction pairs with different elastic modulus

如圖6和圖7所示，隨著摩擦副材料彈性模量的上升，彈性織構(gòu)摩擦副的空化效應(yīng)和彈性變形越不明顯，與剛性織構(gòu)摩擦副相接近。與剛性織構(gòu)摩擦副相比，摩擦副的彈性變形使得彈性織構(gòu)摩擦副的平均油膜厚度增大，且摩擦副的彈性模量越小，其平均油膜厚度越大。

如圖8所示，隨著摩擦副材料彈性模量的增加，摩擦副的摩擦力逐漸上升，承載力逐漸下降，摩擦因數(shù)逐漸上升。這是由于彈性模量越大，織構(gòu)誘導(dǎo)的空化效應(yīng)越不明顯，因此彈性摩擦副的摩擦力上升。另一方面，摩擦副的平均油膜厚度隨著彈性模量的增加而減小，因而承載力下降。與剛性織構(gòu)摩擦副相比，彈性織構(gòu)摩擦副的摩擦力更小，承載力更大，使得彈性織構(gòu)摩擦副的潤(rùn)滑性能更好。

2.3 微織構(gòu)深度的影響

為研究微織構(gòu)深度對(duì)彈性摩擦副潤(rùn)滑特性的影響，保持表1中其余參數(shù)不變，選取織構(gòu)的量綱一深度H為0.5、0.75、1、1.25、1.5、1.75，代入上述模型進(jìn)行數(shù)值模擬，得到不同織構(gòu)深度下潤(rùn)滑油流體域內(nèi)的空化相分布如圖9所示，摩擦力、承載力以及摩擦因數(shù)如圖10所示。

如圖9所示，隨著彈性織構(gòu)深度的增加，空化區(qū)域先增加后減小，當(dāng)H=0.75和1時(shí)，織構(gòu)內(nèi)流場(chǎng)產(chǎn)生的空化面積百分比最大;由于織構(gòu)內(nèi)渦流的影響，空化分布在織構(gòu)進(jìn)口后方流場(chǎng)的上層區(qū)域。如圖10所示，彈性織構(gòu)的深度對(duì)摩擦副的摩擦力、摩擦因數(shù)和承載力有顯著的影響，當(dāng)H處于0.75附近時(shí)，摩擦副的摩擦力和摩擦因數(shù)最小而承載力最大，其中量綱一摩擦力為4.92，摩擦因數(shù)為0.22，量綱一承載力為22.2。圖9中，當(dāng)H=0.75和1時(shí)，織構(gòu)內(nèi)流場(chǎng)產(chǎn)生的空化面積百分比最大，流場(chǎng)中氣體的占比最大，此時(shí)空化效應(yīng)對(duì)摩擦力與承載力的影響最大，使得摩擦副的摩擦因數(shù)顯著減小。表明對(duì)于不同的彈性材料，存在一個(gè)最優(yōu)織構(gòu)深度使得潤(rùn)滑性能最好。產(chǎn)生的原因在于對(duì)應(yīng)于最優(yōu)深度，織構(gòu)內(nèi)部的空化現(xiàn)象最為明顯，使得總的承載力提高，且空化面積增加使得摩擦力降低，從而潤(rùn)滑性能最好。

圖9 不同織構(gòu)深度摩擦副的空化效應(yīng)Fig.9 The cavatation effects of the friction pairs with different texture depth

圖10 不同深度織構(gòu)摩擦副的承載力、摩擦力(a)和摩擦因數(shù)(b)Fig.10 The load capacity and friction(a),friction coefficient(b) of the friction pairs with different texture depth

2.4 滑動(dòng)速度的影響

為研究滑動(dòng)速度對(duì)彈性摩擦副潤(rùn)滑特性的影響，保持表1中其余參數(shù)不變，選取上壁面滑動(dòng)速度v為5、10、15、20、25、30 m/s，代入上述模型進(jìn)行數(shù)值模擬，得到不同速度下摩擦副的空化效應(yīng)如圖11所示，摩擦力、承載力以及摩擦因數(shù)如圖12所示。

上壁面的滑動(dòng)速度以及下壁面的彈性變形對(duì)流場(chǎng)的壓力分布和空化效應(yīng)有顯著影響，如圖11和圖12所示，隨著壁面滑動(dòng)速度的增加，織構(gòu)進(jìn)口區(qū)域的空化效應(yīng)更為明顯。隨著壁面滑動(dòng)速度的增加，彈性摩擦副的摩擦力和承載力不斷增加。當(dāng)v從5 m/s增加到15 m/s，速度的增加使得織構(gòu)的微區(qū)流體動(dòng)壓效應(yīng)及空化效應(yīng)增強(qiáng)，顯著提升了摩擦副的承載力，因此摩擦副的摩擦因數(shù)顯著下降;當(dāng)v從15 m/s增加到20 m/s時(shí)，織構(gòu)出口區(qū)域由于彈性變形，降低了織構(gòu)出口區(qū)域的楔形效應(yīng)，遏制了承載力的增加趨勢(shì)，因此彈性摩擦副的摩擦因數(shù)上升;當(dāng)v從20 m/s增加到30 m/s，由于摩擦副的承載力繼續(xù)上升，摩擦因數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖11 不同速度下摩擦副的空化效應(yīng)Fig.11 The cavatation effects of the friction pair under different speed

圖12 不同速度下摩擦副的承載力、摩擦力(a)和摩擦因數(shù)(b)Fig.12 The load capacity and friction(a),friction coefficient (b) of the friction pair under different speed

上述現(xiàn)象表明，彈性變形使得空化現(xiàn)象更加明顯，從而對(duì)提高承載力降低摩擦因數(shù)有正面作用；但另一方面彈性變形降低了織構(gòu)的楔形效應(yīng)，也對(duì)摩擦副承載力和減摩效果有負(fù)面影響。彈性材料摩擦副的潤(rùn)滑性能是上述因素耦合作用的結(jié)果。

2.5 織構(gòu)間距的影響

為了研究織構(gòu)間的相互影響，需在模型中心位置設(shè)計(jì)2個(gè)相同尺寸的織構(gòu)。設(shè)織構(gòu)的量綱一間距D=d/w，速度取10 m/s，對(duì)2個(gè)織構(gòu)間距D分別為0.5、1、1.5、2、2.5的情況進(jìn)行模擬求解分析。不同間距織構(gòu)的空化效應(yīng)如圖13所示，摩擦力、承載力以及摩擦因數(shù)如圖14所示。

彈性摩擦副表面兩織構(gòu)的間距對(duì)摩擦力、承載力和空化效應(yīng)有顯著的影響，如圖13所示，前方織構(gòu)的出口區(qū)域由于高壓向下變形，后方織構(gòu)進(jìn)口區(qū)域由于低壓向上變形，其出口區(qū)域由于高壓向下變形;織構(gòu)的距離對(duì)織構(gòu)之間的壓力分布以及空化現(xiàn)象均有顯著影響,織構(gòu)間距越小，兩織構(gòu)間的相互影響就更加強(qiáng)烈。如圖13所示，當(dāng)兩織構(gòu)間距較小時(shí)(D=0.5、1)，前方織構(gòu)出口區(qū)域的高壓影響使得后方織構(gòu)進(jìn)口區(qū)域的低壓區(qū)變小，與后方織構(gòu)相比，前方織構(gòu)誘導(dǎo)產(chǎn)生的空化效應(yīng)更加明顯；當(dāng)織構(gòu)間距由0.5變?yōu)?，前方織構(gòu)的空化效應(yīng)減小，后方織構(gòu)的空化效應(yīng)增加?？棙?gòu)間距越大(D≥1)，收斂楔形流道越長(zhǎng)，后方織構(gòu)受到前方織構(gòu)的影響就越小，空化效應(yīng)也就更加明顯。

圖13 不同織構(gòu)間距時(shí)摩擦副的空化效應(yīng)Fig.13 The cavatation effects of the friction pairs with different texture spacing

如圖14所示，當(dāng)D由0.5變?yōu)?時(shí)，前方織構(gòu)誘導(dǎo)的空化面積減小，后方織構(gòu)誘導(dǎo)的空化面積略有增加，但前后兩織構(gòu)的總空化面積下降，使得摩擦副的摩擦力上升；當(dāng)D≥1時(shí)，兩織構(gòu)的總空化面積逐漸增加，摩擦力下降。隨著織構(gòu)間距的增加，摩擦副承載力的增加更為明顯，摩擦副的摩擦因數(shù)隨著織構(gòu)間距的增大不斷下降。彈性變形所導(dǎo)致的織構(gòu)間收斂楔形流道對(duì)摩擦副潤(rùn)滑特性有積極的影響，合理布置彈性摩擦副表面織構(gòu)的間距，可以使摩擦副的潤(rùn)滑性能更好。

圖14 不同織構(gòu)間距時(shí)摩擦副的承載力、摩擦力(a)和摩擦因數(shù)(b)Fig.14 The load capacity and friction(a),friction coefficient (b) of the friction pairs with different texture spacing

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)材料的制備

織構(gòu)化彈性膜、彈性膜夾具以及織構(gòu)化剛性試樣的結(jié)構(gòu)如圖15所示。

圖15 3D打印示意Fig.15 Schematic of 3D Print

打印所用樹脂材料均選用聚氨酯丙烯酸酯類光固化樹脂，其中織構(gòu)化彈性膜材料選用柔性樹脂，彈性膜夾具和織構(gòu)化剛性試樣的材料選用剛性樹脂。使用Solidworks 軟件繪制，并用Wiiboox 3D打印機(jī)打印出實(shí)驗(yàn)材料，如圖16所示。

圖16 3D打印實(shí)驗(yàn)試樣Fig.16 3D Print samples

采用彈性模量測(cè)試儀，依據(jù)文獻(xiàn)[16]及GB/T 1447—2005[17]的方法對(duì)彈性材料的彈性模量進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量環(huán)境溫度為20 ℃，測(cè)得彈性薄膜材料的彈性模量為7.50 MPa。

3.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)

使用自制可視化銷-盤實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖17所示。

圖17 實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig.17 Structure of experimental apparatus

如圖17所示，與支撐桿連接的上試樣夾具將上試樣固定，可通過轉(zhuǎn)動(dòng)加載機(jī)構(gòu)上方的加載手輪向支撐桿施加垂直載荷，并用壓力傳感器作為加載力傳感器7，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)施加的加載力；下試樣為透明玻璃，下試樣通過夾具與旋轉(zhuǎn)臺(tái)固定連接，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)；支撐桿上連接有壓力傳感器作為摩擦力傳感器2，用于測(cè)量摩擦力；上下試樣之間加入潤(rùn)滑油，形成流體潤(rùn)滑；使用顯微鏡從下方透過下試樣觀察并采集摩擦副之間的空化圖像。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

參考文獻(xiàn)[9]的實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速范圍，根據(jù)表2中的參數(shù)，通過改變轉(zhuǎn)速對(duì)彈性織構(gòu)摩擦副和剛性織構(gòu)摩擦副進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性。實(shí)驗(yàn)的環(huán)境溫度為20 ℃，為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每組速度下的有效實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次，取摩擦因數(shù)的平均值與標(biāo)準(zhǔn)偏差作為最終結(jié)果。實(shí)驗(yàn)采集到的空化現(xiàn)象如圖18所示，彈性織構(gòu)與剛性織構(gòu)摩擦副隨轉(zhuǎn)速變化的摩擦因數(shù)如圖19所示。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 2 Parameters of experiments

如圖18所示，隨著摩擦副滑動(dòng)速度的增加，剛性織構(gòu)摩擦副沒有觀察到空化現(xiàn)象，彈性織構(gòu)摩擦副出現(xiàn)了空化現(xiàn)象。隨著速度的增加，空化氣泡拖出織構(gòu)，并向織構(gòu)出口區(qū)域延伸，如圖18(c)所示。

圖18 實(shí)驗(yàn)空化效應(yīng)Fig.18 Cavatation effects of the experiments:(a)rigid texture;(b)elastic texture;(c)exit of elastic texture

如圖19所示，隨著速度的增加，由于流體動(dòng)壓潤(rùn)滑作用，剛性織構(gòu)和彈性織構(gòu)摩擦副的摩擦因數(shù)都呈下降趨勢(shì)。由于彈性織構(gòu)誘導(dǎo)產(chǎn)生的空化現(xiàn)象顯著，使得相同工況下，彈性織構(gòu)摩擦副的摩擦因數(shù)比剛性織構(gòu)摩擦副的摩擦因數(shù)更小。當(dāng)n≥30 r/min(0.095 m/s)時(shí)，渦流現(xiàn)象導(dǎo)致能量的耗散，使得剛性織構(gòu)摩擦副的摩擦因數(shù)下降趨勢(shì)變緩。隨著速度的增加，壁面的彈性變形抑制了織構(gòu)出口區(qū)域高壓峰值的持續(xù)上升，因此彈性織構(gòu)摩擦副摩擦因數(shù)的下降趨勢(shì)變緩。

圖19 不同速度下摩擦副的摩擦因數(shù)Fig.19 Friction coefficient of the friction pair under different speed

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果相似，與剛性織構(gòu)相比，由于織構(gòu)的楔形效應(yīng)，在織構(gòu)進(jìn)出口區(qū)域形成低壓區(qū)和高壓區(qū)，彈性織構(gòu)的壁面發(fā)生彈性變形，改變了流場(chǎng)的壓力分布，使得織構(gòu)進(jìn)口區(qū)域低壓區(qū)更大，更容易誘導(dǎo)空化現(xiàn)象的產(chǎn)生?？栈?yīng)對(duì)摩擦副的潤(rùn)滑性能有顯著的影響，在文中的實(shí)驗(yàn)工況下，彈性織構(gòu)摩擦副比剛性織構(gòu)摩擦副的摩擦因數(shù)更小，摩擦因數(shù)下降了7.1%～17.9%，潤(rùn)滑性能更好。

4 結(jié)論

(1)彈性材料表面織構(gòu)對(duì)摩擦副的潤(rùn)滑性能以及空化效應(yīng)的影響與剛性材料表面織構(gòu)不同，彈性材料表面織構(gòu)摩擦副的彈性變形使得低壓區(qū)域向織構(gòu)出口區(qū)域延伸，更有利于誘導(dǎo)空化現(xiàn)象的產(chǎn)生，空化效應(yīng)也更加顯著。

(2)彈性材料織構(gòu)摩擦副的彈性變形增大了摩擦副的平均油膜厚度，提高了摩擦副的承載力。彈性材料織構(gòu)摩擦副比剛性織構(gòu)摩擦副的摩擦因數(shù)更小，潤(rùn)滑性能更好，在文中實(shí)驗(yàn)工況下摩擦因數(shù)下降了7.1%～17.9%。在一定范圍內(nèi)，摩擦副彈性模量越小，織構(gòu)誘導(dǎo)空化現(xiàn)象越顯著，彈性變形逐漸增大，彈性摩擦副的潤(rùn)滑性能越好。

(3)與剛性材料表面織構(gòu)相似，織構(gòu)深度、滑動(dòng)速度和織構(gòu)間距對(duì)彈性材料表面織構(gòu)摩擦副的潤(rùn)滑性能產(chǎn)生顯著影響。存在最優(yōu)織構(gòu)深度(H=0.75)，使得彈性摩擦副的摩擦力最小且承載力最大。適當(dāng)增大滑動(dòng)速度以及織構(gòu)間距可以提高彈性摩擦副的潤(rùn)滑性能。