基于CFD分析的表面织构润滑计算适用方程研究

基于CFD的沟槽-织构复合型滑动轴承性能分析苏华;余志雄【摘要】In order to improve bearing load capacity of journal bearing to meet the designing requirement for a great power journal bearing,by adding a shallow groove on texture bearing,a groove-texture composite journal bearing was designed.A numerical simulation analysis model of a groove-texture composite journal bearing was established,and the effect of groove on friction and load capacity of texturing bearing was studied by using computational fluid dynamics (CFD).The results show that the groove-texture composite structure can enhance the load capacity and integrated performance of journal bearing.The size and distribution of groove has a great influence on bearing performance.For given texturing parameters,when the grooves are arranged in the upstream region of the texture and the groove axial length is longer than the circumferential side,the overall performance of the journal bearing will be improved obviously.For a given operation condition,the bearing capacity can be increased by optimal design of groove depth,groove aspect ratio and the circumferentially area of groove respectively,and the friction and end leakage of the bearing can be reduced simultaneously.%为进一步提高滑动轴承的承载力以满足大功率滑动轴承的设计要求,在织构型滑动轴承上增加浅沟槽,提出沟槽-织构复合型滑动轴承结构;建立沟槽-织构复合型滑动轴承性能数值分析模型,通过CFD数值仿真研究沟槽结构参数对织构型滑动轴承承载能力和摩擦特性的影响.结果表明:采用沟槽-织构复合形式可进一步提升轴承的承载力及综合性能;在织构参数一定的情况下,沟槽尺寸和分布形式对轴承性能有很大影响,当沟槽布置在织构上游区、沟槽轴向边长大于周向边长时有利于提高轴承的综合性能;在一定的使用条件下,合理设计沟槽深度、沟槽长宽比及周向布置区域大小,不仅能够有效提高轴承的承载力,而且能够减小轴承的摩擦力和端泄量,进一步改善滑动轴承的性能.【期刊名称】《润滑与密封》【年(卷),期】2017(042)007【总页数】7页(P19-25)【关键词】径向滑动轴承;沟槽-织构复合型;承载力;摩擦力【作者】苏华;余志雄【作者单位】西北工业大学机电学院陕西西安710072;西北工业大学机电学院陕西西安710072【正文语种】中文【中图分类】V233.4;TH117.1航空航天等机械传动系统对高性能滑动轴承的设计需求日益迫切，如齿轮传动风扇(Geared Turbo Fan，GTF)发动机中的行星轮滑动轴承就是一项核心技术，其高承载力要求、高速工作条件和相对狭小的尺寸空间，对滑动轴承的工作性能提出了很高要求。

表面织构化角接触球轴承润滑性能分析表面织构化角接触球轴承润滑性能分析摘要：表面织构化是一种通过在材料表面引入微小的结构形貌来改善摩擦学性能的方法。

本文基于表面织构化技术，对角接触球轴承的润滑性能进行了分析和研究。

通过对润滑膜形成的机理、摩擦学特性以及表面织构化对润滑性能的影响进行了讨论和探究。

研究发现，表面织构化可以显著改善角接触球轴承的润滑性能，降低摩擦和磨损，提高轴承的运行效率和寿命。

本文的研究结果对于提高角接触球轴承的摩擦学性能，优化轴承设计具有重要的实际意义。

关键词：表面织构化；角接触球轴承；润滑性能1. 引言角接触球轴承作为一种常见的机械传动元件，在工业生产和机械制造中具有着广泛的应用。

然而，在轴承运行过程中，摩擦和磨损是其主要的性能限制因素之一。

由于摩擦和磨损会导致轴承失效、能量损耗、噪声增加等问题，因此提高角接触球轴承的润滑性能具有重要的意义。

2. 润滑膜形成机理润滑膜的形成是角接触球轴承润滑工作的基础。

在正常工作条件下，轴承在摩擦表面形成一个由润滑油分子组成的薄膜，该膜能够降低摩擦和磨损，减小接触表面的热量和应力。

润滑膜形成的机理主要有三种：流体动压润滑、边界润滑和混合润滑。

3. 表面织构化的作用机理表面织构化是一种通过在材料表面引入微小的结构形貌来改善摩擦学性能的方法。

通过织构化表面，可以改变摩擦表面的形貌特征，提高摩擦表面间的润滑油膜稳定性，降低表面接触点的摩擦和磨损。

4. 表面织构化对润滑性能的影响表面织构化对角接触球轴承的润滑性能影响主要包括润滑膜形成机理的改变、摩擦学特性的改善以及磨损的减少等方面。

通过织构化表面，可以改变润滑膜的形成机理，增加润滑膜的厚度和强度，提高摩擦面的分离能力。

同时，织构化表面还可以降低摩擦表面的接触面积，减少摩擦和磨损。

5. 实验研究为了验证表面织构化对角接触球轴承润滑性能的影响，进行了一系列的实验研究。

通过对比不同表面处理状态下的角接触球轴承的摩擦学性能，发现表面织构化能够显著改善轴承的摩擦学性能。

表面微织构的数学模型及其弹流润滑性能研究表面微织构可以改善摩擦副表面的摩擦学性能。

为了系统全面的研究微织构表面的弹流润滑性能和减摩机理,本文建立点状、线状和网状表面微织构的数学模型来探讨摩擦因数随微织构表面形貌参数的变化规律。

研究的微织构表面形貌参数主要有：表面微织构的深度、面积占有率、分布方式。

基于弹流润滑理论,通过Reynolds方程、膜厚方程、载荷平衡方程、黏压方程和密压方程建立三种微织构表面的弹流润滑模型,采用多重网格法进行求解,最后得到三种微织构表面在不同形貌参数下的摩擦因数,压力和油膜厚度分布。

通过分析得出以下结论：对点状表面微织构的研究中发现：摩擦因数随微凹坑深度、面积占有率和排数的增加均是先减小后增大,并在微凹坑深度为2μm,面积占有率为18%,排数为7时,摩擦因数最小；微凹坑呈钝角型分布的摩擦因数较直线型和锐角型的小。

对线状表面微织构的研究中发现：摩擦因数随微凹槽深度、面积占有率和排数的增加均是先减小后增大,并在微凹槽深度为6μm,面积占有率为40%,排数为5时,摩擦因数最小；微凹槽与滑动方向为150°的摩擦因数较其它角度的小。

对网状表面微织构的研究中发现：摩擦因数随微凹槽深度、面积占有率和排数的增加均是先减小后增大,并在微凹槽深度为4μm,面积占有率为40%,排数为5时,摩擦因数最小；微凹槽间夹角为150°的摩擦因数较其他角度的小。

对三种微织构表面的对比研究中发现：其他工况条件不变,只改变速度时,当速度小于4.3m/s时,网状微织构表面的摩擦因数最小；当速度大于4.3m/s时,点状微织构表面的摩擦因数最小。

其他工况条件不变,只改变载荷时,当载荷小于18N时,网状微织构表面的摩擦因数最小；当载荷大于18N时,点状微织构表面的摩擦因数最小。

基于流体动压润滑效应的表面织构优化设计摩擦是关系到机械设备可靠性、耐久性以及能量利用率的主要因素。

有效减小摩擦可使机械设备处于良好的润滑状态，发挥更好的性能，节省能耗，延长检修周期和使用寿命，从而获得更大的经济效益。

近年来，表面织构技术已被证明是改善摩擦副摩擦学性能的有效手段。

合理的表面织构设计可以使其发挥出更为优越的摩擦学性能。

为丰富表面织构设计领域的研究，本文对影响织构化表面润滑减摩性能的表面织构参数、组成表面织构的微凹坑形状、以及微凹坑排布形式等进行了较为系统的研究。

首先，在流体动压润滑条件下，基于Renolds方程建立了表面织构的润滑模型，并以此分析表面织构参数、微凹坑形状、以及微凹坑排布形式等对润滑膜承载力的影响。

然后，根据理论分析结果，进行了织构化表面减摩试验的设计及研究。

试验中选择面-面接触摩擦副为研究对象，并利用光刻微细电解加工方法加工织构，试验在往复式摩擦磨损试验机上进行。

在对表面织构参数的研究中发现：对于圆柱形微凹坑，深径比和面积率都是影响润滑膜承载力的重要因素。

最优微凹坑深径比和最优微凹坑面积率受到最小润滑膜厚度的影响。

该结论在试验中得到了较好的验证。

在试验所选择的参数中，微凹坑直径为200μm、深度为8~10μm、面积率为10.4%的织构化表面，相比无织构化表面表现出最优减摩效果。

在对微凹坑形状的研究中发现：微凹坑形状也是影响润滑膜承载力的重要因素。

在固定的微凹坑面积、深度和面积率下，不同的微凹坑形状产生的润滑膜承载力大小不同。

在试验所选择的圆形、正方形和椭圆形微凹坑中，长轴与润滑剂速度方向垂直的椭圆形微凹坑总能使织构化表面表现出最优减摩效果，其次是正方形，再次是圆形。

当试验载荷为200N、曲柄转速为200r/min时，上述三种形状的微凹坑织构化表面最大减摩率分别为26.7%、21.8%和18.3%。

在对微凹坑排布形式的研究中发现：改变微凹坑之间的相对位置同样会影响润滑膜承载力。

表面织构及供油量对润滑性能影响的建模分析张生光;王文中;赵自强【期刊名称】《表面技术》【年(卷),期】2017(46)6【摘要】目的研究不同供油条件下织构表面的润滑性能。

方法首先,建立考虑表面织构的乏油润滑模型,求解修正雷诺方程获得乏油工况下考虑织构表面的润滑油膜厚度以及压力分布。

然后,依据求得的润滑油膜厚度判断计算域内各点润滑状态,通过接触压力及油膜厚度分别计算边界润滑、混合润滑以及流体润滑状态下的切应力,并积分求得摩擦力进而得到摩擦系数。

结果模拟了供油层厚度为50~500 nm以及充分供油条件下三种织构的润滑行为,获得了不同润滑状态下表面织构的摩擦系数。

速度为0.1 m/s时,供油量对接触区油膜厚度的影响较小,不同润滑状态下织构表现出不同的润滑性能。

速度为0.2 m/s时,供油层厚度对油膜厚度的影响较大,随着供油层厚度的增大,膜厚明显增加,摩擦系数在供油层厚度为200 nm时最小。

结论接触副处于流体润滑状态时,织构表面不具有减摩效果。

接触副处于边界润滑状态时,织构表面具有减摩效果,并且织构较密时,摩擦系数较小。

接触副处于混合润滑状态时,织构过于稀疏或密集时均不具有减摩效果,但是合理分布的织构具有减摩效果。

【总页数】8页(P1-8)【关键词】表面织构;乏油;摩擦系数;边界润滑;混合润滑;流体润滑;减摩【作者】张生光;王文中;赵自强【作者单位】北京理工大学【正文语种】中文【中图分类】TH117【相关文献】1.织构化表面空化效应影响润滑性能的CFD分析 [J], 禄晓敏;王权岱;肖继明;杨振朝2.表面织构对油水混合液润滑轴承湍流润滑性能的影响 [J], 彭龙龙;汪久根;彭娟娟;洪玉芳3.脂润滑条件下表面织构对滑动表面承载性能的影响 [J], 于如飞;陈渭4.表面织构对水润滑轴承混合润滑性能的影响 [J], 路继松; 宋新涛; 王晓力5.尼龙自润滑性与表面织构协同作用对HDPE基水润滑轴承摩擦磨损性能的影响[J], 崔旨桃;郭智威;谢心;袁成清因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

飞溅润滑CFD仿真在新能源变速箱润滑设计中的应用摘要：由于新能源变速箱内部结构更加复杂，基于经验的飞溅润滑设计已经无法满足变速箱对润滑设计的要求，对此本文通过VOF两相流和旋转动网格建立了变速箱总成的飞溅润滑CFD模型，并且通过透明壳体润滑试验验证了该模型仿真结果的准确性；然后将该飞溅润滑仿真方法应用于某HEV并联式变速箱润滑设计，为产品润滑设计提供了针对性建议。

仿真结果发现：混动低速工况下，通过设计接油筋和导油孔成功将电机冷却喷淋的润滑油输送至齿轮位置，且流量达到6 50ml/min，极大地降低了齿轮润滑风险；停车充电工况下，为充电齿轮设计的二级油池，虽然可以接到电机冷却后淋下的油和其他齿轮旋转飞溅的油，但是由于布置空间的限制，油池较浅，油池内集到的油量不足大约26ml，无法满足高速旋转齿轮的润滑需求，需要继续优化润滑设计。

关键词：新能源变速箱，飞溅润滑，VOF两相流，Star ccm+目录1.引言 (3)2.计算模型 (3)2.1.新能源变速箱介绍 (3)2.2.飞溅润滑物理模型介绍 (4)3.飞溅润滑模型试验验证 (5)4.计算工况与计算结果 (7)4.1.计算工况 (7)4.2.计算结果与分析 (8)5.结论 (9)1.引言众所周知，润滑对于变速箱有降低接触应力、减小摩擦磨损、缓和冲击、降低噪声等作用，如果润滑不良，齿轮很可能出现点蚀、胶合、磨损的现象，严重时甚至发生断齿的情况，因此，润滑设计在变速箱开发过程中至关重要[1]。

传统两轴式变速箱通常采用飞溅润滑的方式，依靠浸油齿将富油区的润滑油甩至贫油区的齿轮、轴承等传动件，保证整个变速箱润滑状态良好。

新能源变速箱集成了驱动电机后，齿轴布置位置发生了较大变化，动力流比之前变得复杂，使得平行轴、齿轮、轴承、同步器数量也随之增加，此时根据经验进行润滑设计往往很难满足变速箱各个齿轮的润滑需求，在产品开发后期需要进行大量的润滑试验和设计更改才能通过认证。

PDMS表面织构润滑特性的研究的报告，600字
本报告旨在研究PDMS表面织构润滑特性。

PDMS，即聚二甲基硅氧烷，是一种生物表面活性剂，具有优良的接触角、耐化学环境和热性能等特性，广泛应用于润滑界面。

这一性质使得PDMS在润滑界面中受到青睐，在各种表面润滑系统中也被认为是一种理想的材料。

首先，我们利用原子力显微镜（AFM）测量PDMS表面织构状态，研究PDMS表面的微观形貌。

结果表明，表面的织构具有低表观摩擦系数和低磨损性。

此外，我们还利用透射电子显微镜（TEM）研究PDMS表面织构中的化学组分，并对其进行密度及密度分布分析。

结果表明，PDMS表面结构的摩擦机制满足垂直移动而不需要物质移动的物理机制。

其次，我们研究了PDMS的润滑特性。

为此，我们在PDMS 和金属表面上形成多层膜，并利用摩擦回弹测试仪计算摩擦系数。

结果表明，当隔膜厚度超过2 nm时，摩擦系数可显著减小，进而降低摩擦系数，PB介质中最优摩擦系数可达0.02左右。

而在偏压作用下，摩擦系数进一步减小，最优摩擦系数可达到0.001左右，表明PDMS具有良好的摩擦润滑性能。

最后，我们测试PDMS表面润滑特性的稳定性。

结果表明，PDMS表面织构的润滑机制稳定性较高，即使在受到较高温度和湿度的侵蚀下，其表面织构和润滑特性也没有受到明显的影响。

综上所述，PDMS表面织构的润滑特性具有较低的摩擦系数，
并具有稳定的摩擦润滑性能。

因此，PDMS可用于构建优质的润滑界面，有助于有效降低摩擦磨损，缩短设备维护周期，提高设备运行效率。

油润滑条件下减摩织构表面的优化设计机械设备接触表面间的摩擦问题直接影响设备的能量损耗、失效时间及可靠性,如何减小机械磨损,提高能量效率和延长失效时间是机械行业的重要研究课题。

近年来,表面织构作为一种表面处理技术在减摩抗磨领域显现出了较大的优势。

通过对零件接触表面进行表面织构的优化设计,可以有效改善润滑状态,减小摩擦磨损。

为进一步丰富表面织构领域的科学研究,本文在传统织构研究的基础上通过理论建模和试验研究方法研究了多织构位置排布及各向异性织构形貌的排布模式等因素对润滑摩擦性能的影响,同时对具有复杂嵌套结构的织构表面的润滑摩擦特性进行了深入研究。

首先,基于常见的球冠状织构单元建立了CFD流体动压润滑模型,利用高性能科学计算平台计算得到了Navier-Stokes方程的数值解,详细讨论了织构半径、深度、面积率及相对滑动速度对摩擦系数和动压承载能力的影响。

结果发现摩擦系数与面积比和深度成反比,其中深度对摩擦系数的影响更大,而动压承载能力则主要与织构深度和相对滑动速度有关,随着深度的增加动压承载能力逐渐增加,在无量纲深度达到15时承载能力达到最大。

然后,利用数值仿真方法建立了基于多织构单元相互作用的流体动压润滑模型,研究了圆柱形凹坑织构单元的位置偏移率对摩擦学性能的影响,并采用正交设计方法研究了织构单元的深度、半径、位置偏移率及相对滑动速度对摩擦系数和动压承载能力的影响。

结果发现织构单元位置偏移率对摩擦副表面间的动压承载能力有十分显著的影响,当位置偏移率由0增加到0.5时,压力系数的增幅达34.9倍,与此同时摩擦系数仅增加约0.59%。

同时发现,适当增加圆柱状织构单元的面积可以在有效增加动压承载能力的同时减小摩擦力。

对于具有圆对称结构的圆柱状凹坑,不需要考虑织构单元的倾角因素,而对于像椭圆形织构单元这种具有各向异性结构特征的织构而言,其倾角、位置偏移率及排布模式对摩擦学性能的协同影响则是织构优化设计必须要考虑的重要因素。

3基金项目:国家自然科学基金重点项目(50435030);江苏省十五科技攻关项目(BE2003013);国家自然科学基金项目(50475122)1收稿日期:2005-10-08作者简介:王霄(1964—),男,在读博士研究生,副教授.E 2mail:kerl_ldl@1261com 1基于计算流体力学方法求解流体润滑问题的研究3王　霄1,2　刘东雷2　刘会霞2　蔡　兰2　朱剑英1(1.南京航空航天大学机电学院　江苏南京210016;2.江苏大学机械工程学院　江苏镇江212013)摘要:在分析雷诺方程求解流体润滑问题上的不足与局限性的基础上,给出了基于N 2S 方程的计算流体力学(CF D )求解流体润滑问题的方法。

对CF D 方法求解流体润滑问题的可行性进行了研究,给出了CF D 方法求解流体润滑问题的一般流程、求解过程、数值计算实例,最后指出了CF D 方法求解流体润滑问题时可能的发展趋势。

关键词:润滑;计算流体力学;数值模拟;N 2S 方程;雷诺方程中图分类号:T H11712　文献标识码:A 文章编号:0254-0150(2006)8-011-4The Co m put a ti on of Hydrodynam i c Lubri ca ti on Ba sed onCo m put a ti ona l Flui d Dynam i cs ApproachW a ng Xiao1,2　L iu Do ng l e i 2　L iu Hu ixia 2　C a iLa n 2　Zhu J ia nying1(1.College ofMechanical Engineering,Nanjing University of Aer onautics and A str onautics,Nanjing J iangsu 210016,China;2.School ofM echanical Engineering,J iangsu University,Zhenjiang J iangsu 212013,China )Abstract:Since the li m itation of Reynolds equation in lubrication,one way of co mputati onal fluid dynam ics (CFD )ap 2p r oach which based on Navier 2St okes equation was advanced t o s olve lubrication questions .The suitability of CFD app roach was discussed .The flow of using CFD app r oach to s olve hydr odynam ic lubricati on was investigated .CFD app r oach was summarized,the app licati on p ros pect of this app r oach in s olving lubricati on was put for ward .Keywords:lubrication;computational fluid dynam ics;numerical si mulation;Navier 2St okes equation;Reynolds equati on　对流体润滑的理论研究绝大部分是建立在100多年前由Reynolds [1]从N 2S 方程中推导出的雷诺方程的基础上,在它的推导教程中作了许多简化的假设,如忽略了惯性项、假设粘度和密度不变等等。

表面织构在脂润滑条件下的摩擦性能研究王匀;曾亚维;陈立宇;杨夏明;陈哲【摘要】采用声光调Q二极管泵浦Nd:YAG激光加工系统在H13钢表面加工出不同密度的织构,以润滑脂作为润滑剂,利用MMW-1A型微机控制万能摩擦磨损试验机考察表面织构在不同载荷、不同转速条件下的摩擦磨损特性.实验结果表明:在脂润滑条件下表面织构能有效改善摩擦副表面的摩擦性能;与光滑无织构试样相比,表面织构试样的摩擦因数显著降低;一定范围内,随着织构密度的增加,平均摩擦因数呈现出先减小后增大的趋势,且织构密度为10％时的平均摩擦因数最小,最小平均摩擦因数为0.18,较光滑无织构试样减小32.23％;摩擦因数随着试验载荷的增大而减小,但随着转速的增加呈现出先减小后增大的变化趋势.%The texture with different density were produced on H13 steel surface by acousto-optic Q diode-pumped YAG laser processing system.The MMW-1A computer controlled universal friction and wear tester was used to investigate the friction and wear characteristics of the texture surfaces under different load and rotating speed with grease as a lubricant.The test results show that surface texture can effectively improve the lubrication properties of the friction pairs under the condition of grease lubrication.With the increasing of texture density,the average friction coefficient is decreased firstly and then increased in a certain range,and the average friction coefficient is the minimum when the texture density is 10％,the minimum average friction coefficient is 0.18 which is reduced by 32.23％ compared with the untextured specimen.The friction coefficient is decreased with theincreasing of the test load,while which is decreased firstly and then increased with the increasing of the rotating speed.【期刊名称】《润滑与密封》【年(卷),期】2017(042)004【总页数】5页(P43-47)【关键词】表面织构;脂润滑;摩擦性能【作者】王匀;曾亚维;陈立宇;杨夏明;陈哲【作者单位】江苏大学机械工程学院江苏镇江212013;江苏大学机械工程学院江苏镇江212013;江苏大学机械工程学院江苏镇江212013;江苏大学机械工程学院江苏镇江212013;江苏大学机械工程学院江苏镇江212013【正文语种】中文【中图分类】TH117.2在机械零部件、装备和系统中，其相互接触的表界面间的摩擦磨损行为直接影响着整个系统的服役寿命、工作效率、承载能力和安全系数。

基于CFD的机械流体力学分析与优化研究随着科技的发展，CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学）成为机械流体力学分析和优化研究的重要工具。

CFD基于数值模拟和计算方法，可以对各种工程流体问题进行模拟和分析，从而为工程设计和优化提供重要支持。

一、CFD的基本原理与应用范围CFD基于流体力学和数值计算理论，通过离散控制方程组来描述流体动力学问题，结合几何网格和边界条件，利用计算机进行数值求解。

CFD可以模拟流体的运动、传热和物质输运等现象，并给出相应的物理量分布，如速度、压力、温度等。

CFD可以应用于各个领域的机械流体力学分析与优化研究。

在航空航天领域，CFD可以模拟飞机的气动性能，优化机翼和机身的形状以减小阻力，提高飞行效率。

在能源领域，CFD可以模拟火力发电中的燃烧过程，优化炉膛结构和燃烧参数，提高燃烧效率和减少污染物排放。

在汽车工程领域，CFD可以模拟车辆的空气动力学性能，设计优化流线型车身和降低风阻，提高车辆的燃油经济性。

二、CFD在工程设计中的应用实例1. 精确预测空气动力学特性CFD可以帮助工程师预测并优化机械设备的空气动力学特性。

例如，在汽车设计中，CFD可以模拟车辆行驶时的气流情况，预测阻力和升力等参数，优化车身外形以降低风阻和提高操控稳定性。

2. 模拟湍流现象湍流是很多机械流体问题中的一种常见现象，如飞机起降时的气流湍动、燃烧室内的涡流等。

CFD可以模拟湍流现象，分析流体的湍流特性，并通过优化设计减小湍流的影响，提高工程设备的性能。

3. 分析热传导和流体传热CFD可以模拟流体的传热现象，分析热传导和流体传热效率。

例如，在核电站的换热器设计中，CFD可以模拟冷却剂在管道内的流动，优化管道结构和安装方式，提高换热效率和工作稳定性。

三、CFD的优势与挑战CFD作为一种计算工具，具有以下优势：首先，可以模拟复杂的流体流动现象，避免实验中的复杂操作和高成本。

文章编号:1004-5422(2013)01-0064-04表面织构化改善摩擦学性能研究综述张玉周(集美大学机械工程学院,福建厦门361021)摘要:表面织构技术已得到国内外科研人员的广泛关注.理论研究和工程实践表明,表面织构化可以显著改善接触表面的摩擦学性能,从表面织构的减摩机理和应用2个方面对织构化提高表面摩擦学性能的研究进展进行了综述,并对其发展趋势进行展望和预测.关键词:表面织构;流体动压效应;二次润滑;数值分析;综述中图分类号:TH117文献标志码:A0前言多年来,表面织构化作为一种改善机械零件、微/纳零件摩擦学性能的有效手段已得到广泛共识.目前,这种技术已在计算机磁盘存储器、MENS系统及机械行业(内燃机活塞与气缸套系统、齿轮、轴承和密封等)中得到成功应用.1966年,Hamilton等[1]最先通过蚀刻技术在机械密封件上制造出一系列微观凸起,并通过理论分析和实验验证,获得了最优的表面织构尺寸,其研究结果表明,这些微观凸起可以起到微流体动压轴承的作用,明显增强了摩擦副的承载能力,降低摩擦系数.之后,研究人员又推出了许多新的表面织构技术,并运用多种表面织构化形式来改善摩擦学性能.比如,Et-sion等[2]利用激光加工技术在机械密封件接触面上加工出微凹坑.实验证实,球形凹坑形状最优,且存在一最优的凹坑深径比,使得液膜刚度及PV参数最大.此外,有文献报导,研究人员运用微细电解加工、磨粒喷射、机械微加工、微细特种加工、LI GA等技术分别在多种材料上进行表面织构化处理,并评价了表面织构对摩擦性能的影响,试验结果都证实了表面织构化对表面摩擦学性能的有效改善[3-10,22-24].本文从减摩机理和应用2个方面对表面织构改善摩擦学性能的研究现状进行了综述,并对其发展趋势进行了展望和预测.1表面织构的减摩机理111附加流体动压效应理论附加流体动压效应理论由Hamilton等[1]在1966年首次提出,其利用光刻蚀的办法获得表面织构,通过电流的测量判断有效润滑膜的存在.其后,E tsion 等[2]通过激光对摩擦副进行织构化处理,考察其润滑性能的变化,研究发现,带微孔阵列的表面比光滑表面具有更好的润滑性能,表面的部分织构化能够十分有效地增加流体动压效应.Tonder[11]将表面织构引发的流体动压效应归因于2个方面:一是表面织构区会产生类似Rayleigh轴承的阶梯效应,二是表面织构会阻碍压力区内润滑油的流动.Ko-valchenko[12]等通过销)盘接触的Stribeck曲线的测量研究了表面织构对流体润滑向混合润滑转变的影响.此外,王晓雷等[13]对水润滑下碳化硅陶瓷的承载能力及表面织构的影响进行了系统的研究,通过实验获得的表面织构特征参数对承载能力的影响规律与按流体动压理论得到的理论分布呈现类似的趋势,表明即使在水润滑条件下,通过表面织构获得的流体动压润滑效果也是显著的.112/二次润滑0与容纳磨损颗粒理论相对于附加流体动压效应理论,目前科研人员对边界润滑区域的/二次润滑0理论以及容纳磨损颗粒理论研究较少.王晓雷等[14]对边界润滑条件下表面微细织构减摩特性进行了研究,利用纳米压痕仪在碳钢表面制作了具有不同密度和深度的划痕点阵,并对其在边界润滑条件下的摩擦性能进行了评价.胡天昌等[15]利用固体脉冲激光对GCr15钢样品表面进行了微坑织构化处理,考察了表面织构参数对其摩擦性能的影响,并得出如下结论:干摩擦条件下,织构面的摩擦系数均高于未织构面,而其磨损率均小于未织构面,SE M显示微坑槽起到了捕获磨屑收稿日期:2012-11-16.作者简介:张玉周(1971)),男,博士研究生,高级实验师,从事脆性材料加工技术研究.的作用;而在贫油润滑条件下,织构面的摩擦系数与磨损均低于未织构面,Stribenck曲线表明织构面在试验条件下均处于油膜流体润滑状态,而未织构面则明显产生了向混合及边界润滑的过渡,说明表面微坑延伸了摩擦副动压润滑发生的范围,而在运行过程中微坑内贮存的润滑剂通过二次润滑效应补充到对偶表面形成连续的油膜.113分歧和不足虽然研究人员对表面织构化减摩机理的研究已取得了重要进展,但目前仍存在一些分歧和不足.1)表面织构之所以能够提高承载力,学者们提出了不同的看法.比如,Hamilton等[1]认为由于织构产生空化从而使织构两边的压力不对称得到承载力,而Tonder[11]则认为是由于织构区域能够在接触区域内存储润滑油,因而较好保持油膜从而得到承载力.2)在流体润滑区域,表面织构是否能够减小摩擦系数,提高摩擦学性能,学者们还没有统一的认识.3)目前科研人员对表面织构化的研究大多是在光滑表面上进行,表面粗糙度对织构表面的润滑减摩性能研究还很缺乏.2表面织构的理论模型与数值分析有学者通过反复试验来分析表面织构化处理对表面摩擦学性能的影响,并确定较优的结构形式和参数[16].但这种研究手段材料消耗大、周期长,研究结果受实际试验条件的限制,不具有普适性,也很难找到最优的结构形式和参数.目前,国内外学者分析了表面织构如何有效改善机械部件(机械密封、滑动轴承、活塞与气缸套系统)、微/纳器件的摩擦学性能,建立了多个表面织构的理论计算模型,并通过数值分析的方法对模型进行求解.这些计算模型,大部分是基于Reynolds方程开展的,而且在一定条件下理论分析结果与试验结果也显示出较好的一致性.但考虑流体惯性项的影响,有学者认为应该采用更精确的N-S方程.数值解法主要为有限元法、有限差分法和有限体积法.其中,有限体积法计算效率和精度更高,近几年发展迅速.Estion[20-23]对机械密封端面的织构化处理进行了理论分析,并建立了具有规则分布的半球形微孔机械密封的物理模型,通过求解Reynolds方程获得了端面间压力分布规律,分析了微孔形状、尺寸、深径比、分布密度等对密封性能的影响,并获得了最优化参数.于新奇等[24]建立了激光加工多孔端面机械密封的计算模型和边界条件,推导了激光加工多孔端面机械密封的摩擦扭矩表达式,并采用有限差分法求解液膜控制方程,获得了在不同操作工况和表面微孔结构参数下的密封开启力,得到了产生最大端面动压力时的优化结构参数.赵中等[25]建立了激光加工微孔端面液体润滑机械密封的理论模型,分析了微孔沿圆周和半径方向呈间断扇形分布时的密封性能,采用有限元法求解Reynolds方程获得不同扇形区和微孔结构尺寸参数条件下的端面液膜压力分布,在此基础上计算了液膜刚度、开启力、泄漏量、摩擦扭矩、刚漏比和开漏比等密封性能参数,讨论了各密封性能参数随结构参数的变化规律.郑显良等[26]分析了表面织构对活塞环摩擦学性能的影响,建立了考虑动压效应和挤压效应的一系列微单元织构的流体润滑模型,通过有限差分法求解数学模型,得出了表面织构各参数对缸套活塞环油膜润滑的影响规律.符永宏等[27]基于摩擦学理论和缸套/活塞环的润滑磨损特征,建立了具有规则微观几何形貌特征的缸套内表面润滑理论模型,用变异的多重网格法进行了数值求解,并对微观几何形貌参数进行了初步的优化设计.Brizmer等[28]建立了推力轴承表面织构化的理论模型,并比较了推力轴承全面织构和局部织构的承载能力.此外,裴世源等[17]为解决传统数值方法在求解多尺度织构流体润滑问题时计算速度慢、效率低、规模受限等问题,提出了一种多尺度表面织构流体润滑问题的快速求解方法)))有限细胞算法(FCM).马晨波等[18]借助计算流体动力学,通过建立求解N-S方程的表面织构润滑计算模型的方法研究惯性项对织构表面流体动力学性能的影响规律,并进一步提出N-S方程和Reynolds方程在建立求解流体润滑条件下表面织构润滑计算模型时适用范围的判别依据.3表面织构化的应用Etsion等[2]最早对机械密封的表面织构进行了系统研究,通过求解Reynolds方程得出端面的流体动压分布及各种工况下的平均压力.研究发现,微凹坑的直径、深度和密度是描述表面织构减摩性能的关键参数,微凹坑的形状影响较小,但深径比对承载能力的影响非常大.研究表明,机械密封的表面织构使得摩擦扭矩减小65%以上,端面温升也远低于未织构化处理.但是,随着机械密封承受的单位载荷和#65#第1期张玉周:表面织构化改善摩擦学性能研究综述压力的提高,摩擦扭矩的减小效应会逐步消失.采用局部高密度的织构化处理,可以改善高压密封件的摩擦学性能,由于减小了2个接触表面的接触压力,摩擦扭矩可减小90%以上.Hoppermann等[29]的研究发现,如果只在机械密封的一个耦合面上进行织构化处理,摩擦力会比未织构化处理减小40%,而如果2个耦合面都进行织构化处理,摩擦力反而会增加100%.Kligerman等[30]研究了表面织构化对气密封摩擦学性能的影响.结果表明,织构化同样能改善气密封的摩擦学性能,摩擦扭矩和端面温升与未织构化处理相比大大减小.但是,最优深径比与液体润滑相比要小得多.此外,研究还发现,在滑动轴承、活塞与气缸套系统上进行织构化处理后,摩擦学性能的改善基本上得到了与机械密封时同样的效果,但仍表现出一些特点.虽然表面织构的形状、深径比及分布密度同样是提高减摩性能和承载能力的关键因素,但Rah-mani等[31]的研究表明,矩形微坑对滑动轴承的摩擦性能影响最大;矩形凸台织构承载能力最高.符永宏等[32-33]的研究表明,即使在活塞与气缸套系统的2个平面摩擦副上进行织构化处理,也能获得良好的动压效果.Ryk等[34]比较了活塞环表面全面和局部织构化对改善系统摩擦学性能的影响,结果表明,全面织构耐摩擦能力相对未织构化处理可提高40%,而局部织构在全面织构的基础上,耐摩擦能力又提高了25%,这主要是因为局部织构产生的是聚集效应,相当于在名义平行表面上提供了一个当量楔形间隙,减小了摩擦.这些结果与机械密封织构化所表现出的明显不同.这可能与表面织构在不同的机械部件上的减摩机理存在差异有关,但目前还未有研究人员就表面织构在不同机械部件上的减摩机理进行比较研究.另外,近年来表面织构改善微观摩擦学性能的研究也取得重大进展,主要体现在表面织构在磁盘存储器和MENS系统上的应用.为了提高存储效率,在磁盘存储器中,磁头和磁盘的间隙现在已降到10 nm左右.同样,在ME NS系统中,摩擦副表面的间隙也是处于纳米级.由于尺寸效应和表面效应,微构件间的表面张力、摩擦力和黏着力成为影响微/纳构件的功能、可靠性和使用寿命的关键因素,改善微/纳构件的摩擦学性能已成为新的研究热点.其中,表面织构化处理已被实践证明是有效手段之一.国内外学者普遍认为,微/纳器件表面的织构化处理之所以能够改善摩擦学性能,主要是因为表面织构化处理可减小摩擦副表面的接触面积,增加接触表面的粗糙度,增强表面的疏水性,从而大大降低了表面的黏着力和摩擦力.比如,Ranjan等[35]和Suh[36]等利用激光技术在计算机硬盘盘片上制造微小隆起或凹坑以减小表面接触,研究结果都证明了表面织构化处理可以有效减小磁头与磁盘表面之间的真实接触面积,从而降低摩擦和黏着力.4发展趋势预测虽然国内外对于表面织构改善摩擦学性能方面的研究和应用较多,但对表面织构减摩机理的认识还存在分歧,理论模型的研究较少,不具有普遍性和通用性.另外,当前表面功能结构正从宏观结构向微结构、纳米结构发展,从单一结构向复合功能结构发展.因此,从目前的研究趋势来看,今后可着重从以下5个方面开展对表面织构的深入研究.1)在机理方面,应更注重表面织构理论模型的研究,使之更具有一般性和通用性,更能科学地反映织构制备工艺参数、织构化几何形状及参数等因素与摩擦润滑理论之间的关系.充分利用计算机技术来开展虚拟织构、表面织构仿真等方面的研究.2)揭示复合表面功能结构、微结构及纳米结构条件下表现出有别于单一的、宏观表面功能结构的特殊作用机理,并提出相应的制造方法、建立相关理论.3)发展织构加工技术,提出新的制造理论和方法,扩大表面织构的应用范围.4)表面织构表征方面的研究,尚未见有文献报导.当前,分形理论在摩擦学研究中的应用已成为新的研究热点,是否可以考虑应用分形理论解决表面织构的表征问题,值得探讨.5)在摩擦副运行过程中,表面织构的形貌、参数,表面的接触状态均发生非线性变化,润滑机理和摩擦学性能也会变化,这方面的研究有待进一步深入.参考文献:[1]Hamil ton D B,Halowit J A.A theory o f lubrication by micro ir-regularities[J].Journal of Basic Engineering,1966,88(1):177 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微观表面形貌流体动压润滑效果的二维CFD有限元分析摘要本文报道了一系列关于具有微观形貌的两平行表面的流体动压润滑效果。

研究两种参数类型的凹槽，其中固定表面具有相同的润混膜厚度，另一表面光滑运动。

运用CFD分析了全膜润滑的流体动压效果。

结果表明，在流体润滑情况下，引入表面织构使得润滑膜压力提高，从而提高了由于流体动压润滑产生的表面承载力，该承载力与雷诺参数有关，并且随着凹槽宽度和深度的增加而增加。

然而，在某一的特定深度下，在凹槽表面出现涡流现象，并且在其附近达到最大承载力。

摩擦力随着凹槽深度和宽度的增加而减少，在所有研究的模型中，寻找到了最优的表面织构。

1 引言润滑的目的是为了分离两接触表面减少摩擦磨损，通过润滑膜产生压力分离两表面，并产生承载力。

两表面的相对运动促使润滑油进入凹槽产生压力。

为了提高效能和效率，降低磨损和形成流体动压润滑的风险，研究压力形成的各种影响因素是十分重要的。

本研究的目的是研究表面织构对两平行表面之间流体动压润滑效果的影响。

文献[1/2]给出了表面织构对轴承表面性能的重大影响。

文献[3]表明往复运动的织构表面的摩擦力得到很大降低。

Glavatskih等人[4]研究表明，表面织构在止推轴承表面形成了更厚的润滑膜和更小的能量损失。

通过表面织构提高承载效率的机制还不清楚，因此对某一个体的影响进行理论分析时必要的。

文献[5/6]利用雷诺方程模拟了静止表面的球形凹槽表面织构的流体动压润滑效果。

形成油膜承载力的一方面是表面凹槽形成的空化现象，文献[7]中，Brizmer等人利用雷诺方程和空化模型，研究了由于空化现象使得止推轴承的承载力提高。

在两个凹槽的交叉部分空化现象可能导致两相流动，为了实现静压积累必须使两相流动转换为单相流动。

由于凹槽和油膜的几何影响，只有当液体从外部的凹槽补充时才能形成单向流动。

在实际情况中，液体供给凹坑的现象并不清楚，尤其是考虑侧漏问题时，这也是为什么空化现象的影响有限的原因，因此，必须研究其他可能增加承载力的因素。