基于摩擦学的表面织构技术应用研究进展_王素华

2007年12月第32卷第12期润滑与密封LUBR I CATI O N ENGI N EER I N GDec 12007Vol 132No 1123基金项目:国家863计划项目(2006AA04Z321)1收稿日期:2007-07-18作者简介:王晓雷(1963—),男,教授,博士.E 2mail:xl_wang @nuaa 1edu 1cn 1边界润滑条件下表面微细织构减摩特性的研究3王晓雷　王静秋　韩文非(南京航空航天大学江苏省精密与微细制造技术重点实验室　江苏南京210016)摘要:表面织构(Surface texture )已被证明是一种提高表面承载力和改善表面摩擦学特性的有效方法。

然而在边界润滑条件下,500n m )相对滑动速度为摩效果。

关键词:中图分类号:under Boundary Lubr i ca ti onW a ng Xi ao l e i W a ng J i ngq i u Ha n W e nfe i(J iangsu Key Laborat ory of Precisi on &M icr o 2manufacturing Technol ogy,Nanjing University of Aer onautics &A str onautics,Nanjing J iangsu 210016,China )Abstract:Surface texture has p r oven t o be effective t o i mp r ove the load carrying capacity and tribological p r operties ofcontacting surfaces .However,it is still unclear how surface texture influences the tribol ogical p r operties under boundary lu 2brication condition .Five kinds of scratch patterns were fabricated on the steel surface with vari ous dep th and density (125～500n m )by a nano 2indentor,and their tribological p r operties were evaluated under boundary lubricati on using a modified four 2ball tester at the load of 100～300N and relative sliding s peed of 0119～1133m /s .It is sho wn that a l ow dense pat 2tern of scratches with the dep th of 125nm has an obvious fricti on reducti on effect .Keywords:surface texture;boundary lubricati on;fricti on;scratch　纳米技术的出现开创了技术革命的新时代。

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。

2020年5月第4J卷第5期Vol.44No.5May2020 MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING1X)1:1().11973/jxgccl202005009表面织构化对摩擦学性能影响的研究进展李甜甜，孙耀宁，张丽，王国建（新疆大学机械工程学院，乌鲁木齐830047）摘要：表面织构技术是通过微细加工技术在材料表面加工出具有一定几何形貌与尺寸，且排列规律的图案.从而改善材料表面摩擦学性能的新型表面改性技术。

表面织构因在改善材料摩擦学特性方面具有的突出优势而在机械摩擦配副中发挥着重要的作用。

介绍了常见的表面织构加工技术，阐述了不同工况下表面织构的减磨机理，总结了表面织构形貌及其几何参数对耐磨性能的影响.并展望了表面织构技术的未来发展方向。

关键词：摩擦学性能；表面织构；减磨机理；织构形貌；几何参数中图分类号：TH117文献标志码：A文章编号：1000-3738（2020）05-0044-05 Research Progress on Effect of Surface Texturing on Tribological PropertiesLI Tiantian.SUN Yaoning.ZHANG Li,WANG Guojian(School of Mechanical Engineering,Xinjiang University,Urumqi830047,China)Abstract:Surface texture technique is a new type surface modification technique*which can effectively improve the tribological properties of materials through machining patterns with a certain shape and size,and with regular arrangement on the surface of materials by micro-fabrication technique.Surface texture plays an important role in mechanical friction pairs because of its outstanding advantages in improving the tribological characteristics of materials.The common texture preparation methods are introduced；the wear reducation mechanism of surface texture under different working conditions is described；the influence of surface texture topography and its geometric parameters on the wear resistance is summarized.The development direction of surface texture technology is prospected.Key words:tribological property；surface texture；wear reduction mechanism；texture topography；geometric parameter0引言摩擦磨损是机械系统中普遍存在的问题，约2/3工程材料损失量和80%机械零部件失效事故都是由摩擦磨损造成的据统计，英国、美国、日本、德国等发达国家每年因摩擦磨损而造成的经济损失占国民生产总值的1%〜2%。

基于摩擦学的表面织构技术应用研究进展王素华,吴新跃海军工程大学摘要:表面织构是在摩擦面上加工出具有一定尺寸和排列的凹坑或微小沟槽的点阵,可有效改善表面摩擦学性能。

本文介绍了表面织构的几何参数和加工方法,总结了表面织构技术在机械部件、材料加工、磁存储设备、摩擦制动等方面的研究进展,展望了未来表面织构技术可能的发展方向。

关键词:表面织构技术;摩擦学性能;应用中图分类号:TG174.4;TH117文献标志码:AResearch on Applications of Surface Texturing Based on TribologyWang Suhua,Wu XinyueAbstract:Surface texturing has generate controlled opti mal shapes and locations of micro-dimples,that could i mprove the overall tri bological performance.The geometrical parameters and techniques of surface texture were introduced.The applications of surface texturin g like mechanical parts,material processi ng,magnetic storage and friction braking were reviewed.Some potential researches on surface texturing were put forward.Keywords:surface texturing;triblogical properties;application1引言摩擦磨损是工业设备失效的主要原因之一,据统计大约有80%的零件损坏是由于各种形式的磨损引起,磨损不仅消耗能源和材料,而且加速设备报废、导致频繁更换零件,对经济造成极大的损失[1]。

摩擦学与表面工程技术研究随着人类现代科技的不断发展，摩擦学和表面工程技术也在不断得到重视和发展。

摩擦学是研究物体在接触状态下相对运动行为的科学，而表面工程技术是对材料表面和界面进行改良和优化的技术。

这两个领域的研究对于现代工业的发展至关重要。

摩擦学的研究可以追溯到几百年前，当时人们在自行车和轮船等交通工具上对摩擦学进行了深入的探索。

但是，随着工业的发展和技术的不断革新，摩擦学的研究和应用领域也得到了不断的扩展。

目前，摩擦学的应用已经涵盖了很多方面，包括重要的机械工业、航空航天工业、电子工业、医疗保健和生命科学等领域。

特别是在机械工业中，摩擦学的应用非常广泛，例如，发动机、汽车零件、轮轴、轴承等部件都需要进行摩擦学的研究和设计。

另外，表面工程技术的研究也是当今工业发展中必不可少的组成部分。

表面工程技术，一般包括表面改性、表面涂覆、表面加工和表面结构设计等方面。

表面改性是指通过物理、化学或机械的手段，改变材料表面的结构、化学成分、物理状态和机械性能等方面的技术。

表面涂覆技术则是将具有某种性能的涂料或材料涂在其它基材表面上的技术，常用于防腐、防磨、耐高温和防粘附等方面。

表面加工技术主要涉及到材料表面的高效纳米加工和表面改性，可以大大提高材料表面的硬度、强度、密度和耐蚀性。

表面结构设计技术则是通过调整材料表面的形状、大小、分布和排列等方面的结构，来达到预期的性能目标。

摩擦学和表面工程技术的研究也有相互交叉和依存的关系。

比如，在机械工业中，材料表面的涂覆和改性可以显著提高零部件的摩擦磨损性能，并能够减少摩擦噪声。

同时，表面加工也可以提高材料表面的亲疏水性和润滑性，从而进一步提高零部件的性能。

因此，摩擦学和表面工程技术的研究对于生产和工程领域均有着重要意义。

在摩擦学和表面工程技术研究领域中，我国也取得了一系列的研究成果。

例如，在机械工业和航空航天工业中对于气、液、固三相界面复杂作用的研究，以及对于含异物的氧化铜表面摩擦性能的研究等都达到了世界领先水平。

摩擦学的研究进展与应用摩擦学，顾名思义，是指研究物体相对运动过程中摩擦现象的科学领域。

作为一门交叉学科，摩擦学涵盖了材料科学、机械工程、物理学等多个学科，具有广泛的研究领域和应用前景。

在工业生产和科技创新中，摩擦学的研究和应用已经发挥了重要的作用。

一、摩擦学的研究进展近年来，摩擦学的研究进展主要体现在以下几个方面：1.微观结构分析摩擦过程中，物体之间的接触面发生变化，直接影响到摩擦力的大小和方向。

因此，微观结构分析成为了研究摩擦的重要方向。

近年来，随着原子力显微镜、扫描电镜等成像技术的发展，科学家们开始研究材料表面的微观结构和化学成分，以深入探究摩擦现象的本质。

2.新材料研发材料的摩擦特性会直接影响到机械系统的运行效率和寿命。

因此，新材料的研发是摩擦学研究的重点之一。

目前，科学家们正在研发一些摩擦系数低、耐磨性好的材料，如纳米多孔材料、纤维素基材料等，而这些新材料的研发也将为未来的机械系统和工业生产带来新的突破。

3.智能化设计为了有效降低机械系统的摩擦损失，人们开始尝试利用智能化设计技术来优化摩擦部件的结构和工作方式。

例如，通过微电机和传感器的结合，可以精确控制机械部件的运动状态，从而实现节能减排和延长机械寿命的效果。

二、摩擦学的应用摩擦学的研究成果主要应用于以下几个领域：1.航天器设计摩擦学是航天器设计中不可缺少的一部分。

在卫星和火箭的发射、运行和着陆过程中，摩擦力和热量的影响都将直接影响到卫星的运行效率和寿命。

因此，航天器的轨迹控制和气动热力学参数分析等都需要摩擦学的支持。

2.汽车工业在汽车工业中，摩擦学的应用主要体现在发动机和变速箱等关键部件的设计和制造中。

通过对发动机和变速箱的摩擦特性的研究和优化，可以提高汽车的运行效率和节省燃油。

3.机械加工在机械加工中，摩擦学也发挥着重要的作用。

通过研究和优化切削和磨削等工艺的摩擦特性，可以改善加工过程中的加工精度和工件表面质量。

4.生物医学生物医学领域中，摩擦学主要应用于人工关节等医疗器械的设计和制造。

第54卷 第4期2023年7月太原理工大学学报J O U R N A L O F T A I Y U A N U N I V E R S I T Y O F T E C HN O L O G YV o l .54N o .4 J u l .2023引文格式:林乃明,王杰,王强,等.轴向柱塞泵柱塞副的摩擦学特性及其表面织构化研究进展[J ].太原理工大学学报,2023,54(4):585-598.L I N N a i m i n g ,WA N G J i e ,WA N G Q i a n g ,e t a l .P r o g r e s s o n t r i b o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s a n d s u r f a c e t e x t u r i n g of p l u ng e r p a i r s i n a x i a l p i s t o n p u m p [J ].J o u r n a l o f T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e ch n o l o g y,2023,54(4):585-598.收稿日期:2022-08-29;修回日期:2023-04-18基金项目:国家自然科学基金资助项目(51501125);山西省应用基础研究计划项目(201901D 111063);山西省回国留学人员科研资助项目(2020-035) 第一作者:林乃明(1981-),博士,副教授,主要从事金属材料表面改性的研究,(E -m a i l )l n m l z 33@126.c o m通信作者:吴玉程(1962-),博士,教授,主要从事能源材料㊁表面工程等的研究,(E -m a i l )w y c @t yu t .e d u .c n 轴向柱塞泵柱塞副的摩擦学特性及其表面织构化研究进展林乃明1,王 杰1,王 强1,王焕焕1,袁 烁1,刘志奇2,曾群锋3,吴玉程4(1.太原理工大学材料科学与工程学院,太原030024;2.太原科技大学机械工程学院,太原030024;3.西安交通大学现代设计及转子轴承系统教育部实验室,西安710049;4.合肥工业大学有色金属与加工国家地方联合工程研究中心,合肥230009)摘 要:ʌ目的ɔ为提升柱塞泵的性能㊁寿命与安全运行提供参考㊂ʌ方法ɔ从理论计算及仿真的角度综述了柱塞副的油膜特性,针对其厚度场㊁压力场和温度场进行了分析,概述了柱塞副的摩擦学特性㊁润滑介质和匹配材料对其摩擦学行为的影响,列举了具有更低磨损率的柱塞副匹配材料,阐述了表面织构的润滑减摩机理及表面织构的形状㊁面积率和尺寸及分布方式等因素对柱塞副摩擦学性能的影响㊂ʌ结论ɔ轴向柱塞泵是液压装备的核心元件,被称作液压系统的 心脏 ㊂柱塞泵关键摩擦副服役状态下的磨损严重威胁着装备的可靠运行和长寿命服役安全,更是制约柱塞泵发展和应用的技术瓶颈㊂柱塞副是轴向柱塞泵中数量最多㊁最为关键的摩擦副之一,其摩擦学性能直接决定了柱塞泵的服役寿命㊂当柱塞副油膜润滑不良时,轴向柱塞泵会严重损坏㊂关键词:轴向柱塞泵;柱塞副;油膜;摩擦学特性;表面织构中图分类号:T G 141 文献标识码:AD O I :10.16355/j .c n k i .i s s n 1007-9432t yu t .2023.04.002 文章编号:1007-9432(2023)04-0585-14P r o g r e s s o n T r i b o l o gi c a l C h a r a c t e r i s t i c s a n d S u r f a c e T e x t u r i n g o f P l u n g e r P a i r s i n A x i a l P i s t o n P u m pL I N N a i m i n g 1,W A N G J i e 1,W A N G Q i a n g 1,W AN G H u a n h u a n 1,Y U A N S h u o 1,L I U Z h i q i 2,Z E N G Q u n f e n g 3,W U Y u c h e n g4(1.C o l l e g e o f M a t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ,T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ,T a i yu a n 030024,C h i n a ;2.S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ,T a i y u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ,T a i yu a n 030024,C h i n a ;3.L a b o r a t o r y o f M o d e r n D e s i g n a n d R o t o r B e a r i n g S y s t e m ,M i n i s t r y o f Ed u c a t i o n ,X i a n J i a o t o n g U n i ve r s i t y ,X i a n 710049,C h i n a ;4.N a t i o n a l a n d L o c a l J o i n t E n g i n e e r i n g Re s e a r c h C e n t e rf o r N o n f e r r o u s M e t a l s a n d P r o c e s s i ng ,H e f e i U n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ,H e fe i 230009,C h i n a )A b s t r a c t :ʌP u r po s e s ɔI t w a s e x p e c t e d t o p r o v i d e a r e f e r e n c e f o r i m p r o v i n g t h e p e r f o r m a n c e ,l i f e t i m e a n d s e r v i c e s a f e t y o f p i s t o n p u m p.ʌM e t h o d s ɔT h i s w o r k r e v i e w e d t h e o i l f i l m c h a r a t e r i s -t i c s o f p l u n ge r p a i r sf r o m t h e v i e w o f t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n a n d s i m u l a t i o n .T h e t h i c k n e s s f i e l d ,p r e s s u r e f i e l d ,a n d t e m p e r a t u r e f i e l d o f o i l f i l m w e r e a n a l yz e d t o e l u c i d a t e t h e l u b r i c a t i o n p e r -f o r m a n c e .T h e t r i b o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f p l u n ge r p a i r s ,a n d t h e ef f e c t o f l u b r i c a t i o n m e d i u m a n d m a t c h i ng m a t e r i a l s o n th ei r t r i b o l o g i c a l b e h a v i o r w e r e s u mm a r i z e d .T h e p l u n ge r p a i r s m a t c -h i n g ma t e r i a l s w i t h l o w w e a r r a t e a t p r e s e n t w e r e e n l i s t e d .T h e l ub r ic a t i o n a nd f r i c t i o n re d u c t i o n m e c h a n i s m of s u r f a c e t e x t u r e ,a n d t h e e f f e c t o f t e x t u r e s h a pe ,a r e a r a t i o ,s i z e ,a n d d i s t r i b u t i o n o n t r i b o l o g i c a l p r o p e r t i e s of p l u ng e r p a i r s w e r e e l u c i d a t e d .ʌC o n c l u s i o n s ɔA x i a l p i s t o n p u m p is t h e c o r e c o m p o n e n t o f h y d r a u l i c e q u i p m e n t ,k n o w n a s t h e 'h e a r t 'o f h y d r a u l i c s ys t e m.T h e w e a r o f k e y f r i c t i o n p a i r s o f p i s t o n p u m p i n s e r v i c e c o n d i t i o n s e r i o u s l y t h r e a t e n s t h e r e l i a b l e o pe r a t i o n a n d l o n g l if e s e r v i c e s a f e t y o f e q u i p m e n t ,a n d i s a l s o a t e c h n i c a l b o t t l e n e c k r e s t r i c t i ng th e d e v e l -o p m e n t a n d a p p l i c a t i o n o f p i s t o n p u m p .P l u n g e r p a i r s a r e o n e o f t h e m o s t n u m e r o u s a n d k e yf r i c -t i o n p a i r s i n a x i a l p i s t o n p u m p ,a n d t h e i r t r i b o l og i c a l p e r f o r m a n c e d i r e c t l y de t e r m i n e s t h e s e r v i c e l if e o f p i s t o n p u m p .T h e a x i a l p i s t o n p u m p w i l l b e s e r i o u s l y d a m ag e d i f th e p l u n g e r pa i r s a r e w i t h po o r l u b r i c a t i o n .K e yw o r d s :A x i a l p i s t o n p u m p ;P i s t o n p a i r ;O i l f i l m p r o p e r t i e s ;T r i b o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ;S u r f a c e t e x t u r e液压传动是液体介质进行能量与信号传递㊁转化㊁分配和控制的一种传动方式,是现代机械传动与控制的关键技术之一[1]㊂液压泵是液压传动系统的核心及动力源,其效率的高低决定着液压系统的服役性能与使用寿命[2]㊂轴向柱塞泵(图1(a))因其容积效率高㊁运转平稳㊁噪声低㊁工作压力高等优势而广泛应用于液压传动系统[3-4]㊂轴向柱塞泵主要有两种类型,分别为斜盘式和斜轴式,而本文主要针对的是斜盘式轴向柱塞泵,其中共存在三组关键摩擦副如图1(b )所示:1)由滑靴与斜盘形成的滑靴缸膛柱塞缸体轴斜盘阀（a ）轴向柱塞泵滑靴副配流副柱塞副（b ）斜盘式轴向柱塞泵的摩擦副图1 轴向柱塞泵及斜盘式轴向柱塞泵摩擦副示意图F i g .1 S c h e m a t i c d i a g r a m o f a n a x i a l p i s t o n p u m p an d f r i c t i o n p a i r s o f a s w a s h p l a t e a x i a l p i s t o n p u m p副;2)由柱塞与缸体形成的柱塞副;3)由缸体与配流盘形成的配流副[5]㊂与斜盘式轴向柱塞泵不同的是,斜轴式不存在滑靴副㊂轴向柱塞泵在高速㊁高压以及交变应力等复杂㊁苛刻工况下服役[5]㊂柱塞副对柱塞泵的作用主要有三方面:首先是密封作用,合理的摩擦副间隙可以形成密封面,防止液压油泄露;其次是润滑作用,由于柱塞副间存在润滑油膜,使得配副间由原来的干摩擦变为润滑膜分子间的摩擦,极大避免了磨损,提高了泵的使用寿命;最后是传递动力的作用,其运动示意图如图2所示,在高速旋转过程中,柱塞副将传递和承受较大的力或力矩作用[7-8]㊂综上,柱塞副的性能对其服役可靠性和使用寿命有极大影响[9-11]㊂图2 柱塞副的运动示意图F i g .2 M o t i o n d i a g r a m o f p l u n ge r p a i r s 若柱塞副之间的间隙过大,将导致液压油从中泄漏,挤压作用难以形成;若柱塞副之间的间隙过小,则不能形成润滑油膜,这会导致两者直接接触从而造成柱塞副间的干摩擦磨损现象[12,13]㊂具体地,685太原理工大学学报 第54卷当液压油中存在固体颗粒及一定量的腐蚀介质时,柱塞副会受到磨粒磨损和腐蚀磨损作用,而液压泵内若存在残留气泡,在局部高压区发生溃灭时则会造成柱塞副的气蚀损伤,严重影响了柱塞副的服役行为(表现为振动㊁噪声㊁效率降低)㊂因此,降低泵的磨损,提高其寿命是当前需要解决的关键问题[14-16]㊂本文从轴向柱塞泵柱塞副的油膜特性和摩擦学特性出发,综述了的润滑减摩机理及表面织构化对柱塞副摩擦学性能的影响,旨在为促进轴向柱塞泵的研发和应用提供参考㊂1油润滑轴向柱塞泵柱塞副油膜特性柱塞副的主要作用是通过柱塞在缸体中的往复运动,使容腔容积发生变化,进行吸油和排油,进而实现机械能向液压能的转化㊂在运行过程中,柱塞与缸体之间会形成一层间隙油膜,其性能直接影响着泵的寿命,柱塞副的润滑性能主要由油膜的厚度决定,油膜厚度主要受油膜压力和温度分布的影响,为了保证泵的正常运行,需要保证活塞-缸体内随时存在压力油膜,使摩擦副处于完全液体润滑状态[17]㊂轴向柱塞泵柱塞副的油膜特性,是影响磨损的主要参数㊂柱塞受到的径向力会使油膜厚度减小,导致其磨损更加严重[18]㊂研究柱塞副润滑性能的三大重要因素包括油膜的压力场㊁厚度场及温度场㊂目前,国内外研究者对柱塞副油膜特性开展了广泛的研究,而研究方法主要有理论计算和仿真分析㊂1.1理论计算目前,国内研究者对柱塞副油膜特性的研究大多基于仿真软件建立虚拟样机进行模拟[18-19],在建立模型求解过程中,以恒温为前提,忽略了实际工况的需要,对实际应用意义不大㊂马俊等[19]针对柱塞副中的实际温度进行了理论分析和数值求解,基于柱塞副能量方程,ρc p vΔθ=Δ㊃(ζΔθ)+μΘD.(1)假设流体热传导系数为常数,温度在相邻网格间线性变化,能量方程可简化为,a pθp=a EθE+a WθW+a NθN+a SθS+b.(2)其中,a P=a E+a W+a N+a S.(3)对方程(2)采用超松迭代法进行求解,并结合边界条件,分别沿长度方向和圆周方向得到油膜的温度场㊂柱塞泵在运行过程中,柱塞会受到复杂多变的力,使得柱塞与缸体的中心无法重合,进而产生一定的偏心,导致油膜形成不规则的形状㊂宋旸[20]基于对柱塞偏心的数学描述,建立了油膜的厚度场模型,通过数值求解,得到油膜的厚度方程,h=(R b c o sφk-x p)2+(R b s i nφk-y p)2-R k.(4)若考虑柱塞副弹性变形的影响,油膜的厚度方程可表示为,h p=h+δp.(5)式中:(x p,y p)表示任意截面的偏心坐标,R k表示柱塞的半径,φk表示偏心角,δp表示柱塞副表面的弹性变形㊂此厚度方程为后续油膜压力分布的研究奠定了基础㊂为研究柱塞副的油膜压力分布,王克龙等[21]提出了轴向柱塞泵柱塞副油膜流固热耦合模型的算法,先基于N a v i e r-S t o k e s方程Δp=Δ㊃(μΔv)(6)将公式(6)在各方向进行分解,并根据边界条件,u z=zc=u c,v z=z c=v c,u z=zp=u p,v z=z p=v p.(7)得到柱塞副油膜特性方程,即雷诺方程,-Δ㊃(ρh312μΔp)+ρv p2㊃Δh+ρv p㊃Δz p+ρ h t=0.(8)结合得到油膜的厚度分布情况h,柱塞表面的运动速度v p,柱塞表面的挤压速度 h t,柱塞副油膜的压力边界条件,求解雷诺方程,从而获得柱塞副油膜上的压力分布p.1.2仿真分析为了更加形象地表示油膜特性,提高结果的准确度和可靠性,并对理论计算结果进行验证,在建立了油膜的温度场㊁厚度场及压力场数学模型的基础上,还有不少学者利用各种仿真软件将其描绘出来,为之后的实验研究提供理论基础㊂以下归纳了部分研究者对油膜特性的仿真分析㊂油膜的厚度可以直观地反映轴向柱塞泵中柱塞和缸体之间的接触情况,当柱塞副油膜厚度过低时,会导致过大的摩擦和磨损,为减低磨损损伤,提高轴向柱塞泵的使用寿命,张梦俭等[22]通过MA T L A B 软件分析得到了柱塞副油膜厚度的分布情况如图3所示,主轴转速分别设置600r/m i n㊁900r/m i n㊁785第4期林乃明,等:轴向柱塞泵柱塞副的摩擦学特性及其表面织构化研究进展1200r /m i n ㊁1500r /m i n .仿真结果表明,主轴转速越快,油膜厚度变化越小,越趋于稳定㊂4035302520油膜厚度/ μm 10.50.51xy（a ）600 r/min 2624222018161412油膜厚度/ μm 10.50.51xy（b ）900 r/min 4035302520油膜厚度/ μm 10.50.51x y（c ）1 200 r/min 3025201510油膜厚度/ μm 10.50.51xy（d ）1 500 r/min图3 不同主轴转速下柱塞副油膜的厚度F i g .3 O i l f i l m t h i c k n e s s o f p l u n g e r p a i r s a t d i f f e r e n t s p i n d l e s pe e d s 国内研究机构针对油膜温度特性的研究,较多关注在设计合理的结构,减少泵中能量的散发㊂俞奇宽等[23]利用仿真手段研究了柱塞副油膜的温度场分布,并使用MA T L A B 建立了温度场的仿真程序,输入主要的仿真物理参数,得到入口油温为40ħ下油膜的温度场如图4所示㊂此模拟误差控制在ʃ0.7ħ,研究表明,油膜温度沿着轴向逐渐上升,且在油膜中段,温升最高可达10ħ,而油膜两侧温升较为缓慢,最根本的原因是油膜两端柱塞的偏心量较大,黏性耗散较高㊂适当的温度可以使油膜黏性较好,润滑更充分,有利于降低泵的磨损,提高寿命㊂605550454035温度/ ℃4020100200300周向/ （°）轴向/ m m35302520151053503002502001501005052504846444240温度/ ℃周向/ （°）轴向/ mm图4 油膜温度仿真结果(入口温度40ħ)[23]F i g .4 S i m u l a t i o n r e s u l t s o f o i l f i l m t e m p e r a t u r e (i n l e t t e m pe r a t u r e 40ħ)[23]柱塞和缸体的弹性变形会对油膜的厚度产生影响,进而间接影响柱塞副的磨损率㊂卫昌辰[24]通过观察动态润滑膜的流动状态,对柱塞副进行了受力分析,在此基础上,建立了油膜压力模型,并通过调节单一工况参数(负载压力㊁主轴转速㊁斜盘倾角),利用MA T L A B 软件研究了实际深海环境中油膜的润滑特性如图5所示㊂结果表明,柱塞在不同倾角下所受到的力不相同,这会导致油膜的形貌时刻发生变化㊂当柱塞施加给油膜的作用力与外力达到平衡时,油膜便可保持动态稳定,进入稳定磨损阶段㊂除此之外,还有部分学者同时对两种油膜特性模型进行了仿真分析㊂张雪超[25]根据柱塞副所处位置的不同,分别构建了关于柱塞副油膜的厚度场与压力场的模型,继而使用MA T L A B 软件进行885太原理工大学学报 第54卷6420压力/ M P a 10.500100200300400X 圆周位置/ （°）Y 轴向位置（a ）Φ＝2°50403020100压力/ M P a10.500100200300400X 圆周位置/ （°）Y 轴向位置（b ）Φ＝30°6420压力/ M P a 10.500100200300400X 圆周位置/ （°）Y 轴向位置（c ）Φ＝90°151050压力/ M P a10.500100200300400X 圆周位置/ （°）Y 轴向位置（d ）Φ＝182°图5 不同转角下柱塞副油膜的分布F i g .5 D i s t r i b u t i o n o f o i l f i l m o f p l u n g e r p a i r s a t d i f f e r e n t r o t a t i o n a n gl e s 了多种参数(包括转速与压力)下柱塞副油膜的仿真分析㊂同时,作者还采用有限体积法进行网格划分并将油膜压力场控制方程进行了离散化求解㊂研究表明,当柱塞副受到外界压力作用时会在缸体中转变为倾斜的状态,并且当其受到的压力不断增大时,倾斜程度增大,而油膜的厚度在减小,处于此种状态时能从压力分布图中看到明显的压力尖峰㊂但是该结果未能与实验结果吻合,实验压力曲线呈三角形,而仿真曲线呈矩形波形,主要原因在于配流机构,当压力增大后,配流机构泄漏增大,不能持续保持高压㊂2 轴向柱塞泵柱塞副的摩擦学特性2.1 基础理论轴向柱塞泵虽应用广泛,但随着更高性能液压系统的需求,解决轴向柱塞泵的磨损问题迫在眉睫㊂柱塞副作为轴向柱塞泵的关键摩擦副之一[26],其长期面临着高压高速带来的磨损损伤和失效问题㊂轴向柱塞泵运行过程复杂,柱塞的受力情况复杂多变,因此可以通过力学分析描述柱塞的磨损行为[27-28]㊂卢义敏等[27]使用MA T L A B 软件对柱塞的受力情况进行了数值模拟,通过旋转缸体使其处于不同转角时对柱塞受力进行求解,并选取了柱塞与缸体间的合适间隙来平衡泄露和磨损,研究表明柱塞前端比后端受力更大,磨损更多,当柱塞和缸体间隙为6~10μm 时,液压泵整体工况较好㊂实际上,柱塞与缸体之间存在套筒,大多数研究者在受力分析时未能充分考虑其影响,导致结果与实际产生偏差㊂申儒林等[28]分析了柱塞在缸体内往复运动时柱塞所受到的力,结果表明,由于柱塞副的间隙远大于柱塞与套筒的间隙,会使保持运动状态中的柱塞在发生偏心时,其末端与缸孔之间的缝隙变大,造成的挤压就会变小,因此,为了反映真实情况就需要对柱塞中段部分进行详细受力分析㊂除了运行过程中发生必要的磨损之外,轴向柱塞泵所处环境及柱塞副的材料也影响其磨损性能㊂在2.2中将具体阐述国内外学者针对环境及材料对柱塞副磨损特性影响的研究㊂2.2 介质对柱塞副摩擦学特性的影响柱塞副的液压介质可分为油介质和水介质㊂随着更多高难度大型项目在极寒环境中的开发,液压油的低温性能较差而导致大多数的普通液压泵无法进行正常工作,因此,提高液压油的低温性能,使其具有良好的流动性㊁合适的黏度成为迫切需要解决的问题㊂马海军[29]从黏度㊁比热容㊁热膨胀性㊁倾点㊁凝点㊁闪点等角度对矿物油系液压油和难燃型液压油进行了对比,结果表明,在-40ħ的低温环境中,L -H S 32液压油更好的满足了低倾点及高粘度的要求㊂在航天液压系统中,随着越来越轻量化要求的提出,以煤油作为液压介质成为了一个新的趋势㊂姜继海等[32]分析了以煤油为介质的轴向柱塞泵摩985 第4期 林乃明,等:轴向柱塞泵柱塞副的摩擦学特性及其表面织构化研究进展擦副寿命较传统轴向柱塞泵的优劣势,煤油可直接从发动机传导,不需要额外携带油箱,还可作为燃料为其他系统提供动力,但是由于其黏度较低,容易导致柱塞与缸体直接接触,从而造成干摩擦,寿命降低㊂为应对更大的需求,轴向柱塞泵的使用环境已扩展到海水中,但由于海水介质黏度较低,润滑性相对较差,导致柱塞副容易发生润滑失效现象[24],因此,对海水中柱塞副磨损特性的研究成为重中之重㊂由于海水几乎没有边界润滑的能力,再加上海水中存在固体杂质,使得柱塞副发生严重的黏着磨损,所以必须进行技术探究,寻求合理的解决方案㊂杨曙东[31]在进行理论计算的基础上,配合计算机仿真分析与实验研究相结合的方法,研制出了国内第一台中高压海水泵,该泵使用高分子复合材料作缸套,并设计了配合长度为定值的缸孔柱塞副结构和配合间隙,突破性地解决了柱塞和缸孔在干摩擦环境下的互相刮削及泄漏问题㊂张涛华[32]主要研究的对象是轴向柱塞泵柱塞副在海水中的磨损形式,结果表明,最主要的磨损形式包括腐蚀磨损㊁气蚀磨损及冲蚀磨损㊂腐蚀磨损主要是由于海水中的大量粒子构成了电化学腐蚀,形成了对柱塞副的极大破坏,其影响因素具体如图6所示[32];而柱塞副在海水中发生气蚀磨损,是由于大量气泡破裂产生局部冲击高压,对柱塞造成破坏;冲蚀磨损则是海水中的颗粒物垂直冲击柱塞副表面,释放出比表面结合力更大的能量造成的结果㊂微观组织表面粗糙度塑性硬度电位极化阻抗腐蚀性溶液黏度电导率温度运动类型接触面性质速度载荷纯化膜的生成电化学材料腐蚀介质零部件/工况图6 腐蚀磨损的主要影响因素[32]F i g .6 M a i n i n f l u e n c i n g fa c t o r s o f c o r r o s i v e w e a r [32]腐蚀磨损是摩擦副在相互摩擦和腐蚀介质共同作用下发生的磨损现象,在摩擦副的相互接触过程中,不仅破坏了材料表面的保护膜,使其丧失保护效应,而且直接磨耗了材料,因此,腐蚀磨损后果更加严重[33]㊂综上所述,柱塞泵的磨损形式为腐蚀磨损㊁气蚀磨损和冲蚀磨损,海水中颗粒物较多㊁介质黏度低且容易气化等则是造成磨损行为的主要原因㊂要想从根本上解决柱塞副摩擦磨损的难题,还需要从材料选取上着手,2.3将具体阐述柱塞副材料匹配的选取,并对其性能优劣进行了测试㊂2.3 材料对柱塞副摩擦学特性的影响除介质外,材料对柱塞副摩擦特性也值得被深入研究㊂现如今,轴向柱塞泵摩擦副材料的匹配形式主要包含3种类型:硬基材与硬基材配对㊁硬基材与软基材配对㊁(硬+软)基材与硬基材配对[34]㊂其中,柱塞副主要采用软/硬材料的匹配形式,该形式的优点是导热好及抗黏着磨损能力强,但仍存在缺陷,如耐磨粒磨损能力差[34]㊂在日常的工作环境中,有不少学者就对材料影响进行了实验分析,L I U e t a l [35]选择了7对材料进行实验,调整转速从100r /m i n 到1200r /m i n,在确认系统运行正常后加载,压力从2M P a 到12M P a ,最终,选择速度和压力分别为1200r /m i n 和12M P a,每2h 记录一次,观察测量腐蚀磨损,试验结果表明,柱塞材料为1C r 18N i 9T i,缸体材料为T o r l o n 4301时,磨损性能最好,这是由于与司太立合金㊁M o n e l k 500合金㊁T C 4合金和1C r 18N i 9T i 相比,T o r l o n 4301柱塞表面熔质合金的硬度较高,耐磨能力较高㊂此外,导热系数也是柱塞副材料选择中必须考虑的一个因素㊂同年Z H A N G e t a l [36]研究了在70M P a 超高压情况下摩擦副材料的选择,研究表明,30C r 2M o V A 材料的硬度较低,陶瓷材料的硬度较高,而硬度越高,摩擦系数相对越低,因此30C r 2M o V A 材料的摩擦系数较高,磨损率相对较高;陶瓷材料摩擦系数较低,磨损率相对较小㊂海水泵已被广泛用于发电厂㊁炼铁厂㊁化工厂等行业,海水被用作海水淡化和制盐设备的原料与冷却水[37],在海水环境中柱塞副材料的选择是当前面临的比较大的问题㊂焦素娟等[38]分析了水润滑条件下柱塞副材料为改性聚醚醚酮与不锈钢时的摩擦磨损特性㊂研究发现,柱塞副在高载荷下发生严重的塑性变形,磨损机理主要为疲劳磨损,该配副仅适用于小载荷工况,该研究为后续高聚物材料在摩擦副中的应用提供了依据㊂在软/硬材料的匹配形式中,陶瓷作为一种硬度较高的材料,常常被用在柱塞副的缸体中㊂Y A N Ge t a l[39]使用MM -200磨损测量仪研究了940不锈095太原理工大学学报 第54卷钢与氧化铝陶瓷配对的柱塞副的摩擦磨损性能,在水润滑条件下调节负荷为196N ,速度为0.84m /s ,持续时间1h ,通过磨损测量仪记录摩擦力矩和滑动距离之间的关系如图7所示㊂结果表明,940不锈钢表面磨损严重,表面细条纹较多,氧化铝陶瓷表面有黑色金属颗粒,磨痕平均宽度为14.6mm ,二者接触边缘有过热的黄色斑点㊂将不锈钢与工程塑料匹配进行同样条件下的摩擦磨损测试,结果表明,实验后不锈钢表面无磨损现象,这是因为工程塑料块在不锈钢表面产生了一层塑料转移膜,降低了二者间的摩擦阻力㊂0.80.70.60.50.40.30.20.10T / （N ·m -1）1234567S / 103 m图7 水润滑条件下摩擦力矩与滑动距离的关系[37]F i g .7 R e l a t i o n s h i p b e t w e e n f r i c t i o n t o r q u e a n d s l i d i n gd i s t a n ce u n d e r w a t e r l u b r i c a t i o n c o n d i t i o n[37]晏小伟[40]在前人的基础上综合分析了金属材料㊁工程塑料㊁工程陶瓷在海水中的摩擦磨损性能,结合海水泵摩擦副的选材原则,对柱塞副进行了材料设计,研究表明,T C 4/T O R L O N 4301柱塞副效果最好,转速为1500r /m i n ㊁压力为14M P a 时,其磨损性能依然很好㊂杨金祥[41]对柱塞和缸体的尺寸以及柱塞所能承受的最大P V 值进行了设计计算,最终发现氮化硅陶瓷作为柱塞材料,T O R L O N4301P A I 作为缸体的材料,可以很好地满足P V 值要求,并且该柱塞副耐磨性好,尺寸稳定㊂申凤梅[42]研究了海水环境下多种材料与C F R P E E K 配对的柱塞副的耐磨性能,发现碳化硅陶瓷和氮化硅陶瓷与C F R P E E K 配对时,摩擦系数最小,大致为0.1.廖武举等[43]在M C F -10摩擦磨损试验机上模拟了海水情况下无烧结陶瓷S i C 与工程塑料P E E K 450-F C 30的磨损性能,实验结束后用电子显微镜观察其表面形貌并对其磨损机理作出了分析㊂结果表明,该摩擦副磨损率相对较低,耐磨性能相对较好㊂就摩擦磨损机理而言,工程塑料的磨损大致分为两个阶段,第一阶段为刚开始时的黏着磨损,第二阶段为摩擦过程中工程塑料向陶瓷表面的转移㊂李东林等[44]研究了1C r 17N i 2/C F R P E E K 和17-4P H /C F R P E E K 两种配对的柱塞副摩擦特性实验,研究表明,柱塞副配对材料1C r 17N i 2/C F R -P E E K 比17-4P H /C F R P E E K 的耐磨性能好㊂从以上研究可以看出在柱塞副匹配形式中不仅陶瓷材料发挥重要作用,高聚物材料也得到了高度认可㊂本节从柱塞副的磨损特性基础理论研究出发,分别综述了介质和材料对柱塞副磨损特性的影响㊂其中,柱塞副材料的选取情况汇总见表1㊂由表1可知,在现有的研究结果中以碳化硅陶瓷作为柱塞的设计材料时,柱塞副具有更好的摩擦磨损性能㊂表1 柱塞副材料选择情况汇总表T a b l e 1 S u mm a r y o f m a t e r i a l s e l e c t i o n f o r p l u n ge r p a i r s 材料方法结论参考文献30C r 2M o V A /陶瓷70M P a 超高压陶瓷磨损较弱[36]940不锈钢/氧化铝负荷196N ,速度0.84m /s ,持续时间1h940不锈钢表面磨损严重[37]7对不同材料加载压力从2M P a 到12M P a ,调整转速从100r /m i n 到1200r /m i n1C r 18N i 9T i /T o r -l o n 4301磨损最弱[38]1C r 17N i 2/C F R -P E E K 和17-4P H/C F R P E E K /1C r 17N i 2/C F R -P E E K 比17-4P H /C F R P E E K 的耐磨性好[39]不同材料与C F R -P E E K 配对/碳化硅和氮化硅与C F R P E E K 配对时,摩擦系数最低,在0.1左右[40]陶瓷S i C /P E E K 450-F C 30/摩擦学性能较好[41]氮化硅陶瓷/T O R -L O N 4301P A I/摩擦系数小,耐磨性好,尺寸稳定[42]3 表面织构对摩擦学特性的影响由于轴向柱塞泵的使用环境十分复杂,易造成其关键摩擦副磨损损伤,进而严重影响了柱塞泵的服役性能,为此,在选择好合适的柱塞副材料后需要寻求一种表面处理方法来进一步减小泵的损伤㊁提高其寿命㊂前文所述研究尚未达到解决轴向柱塞泵减阻耐磨问题的理想效果,而表面织构化技术为其研究提供了崭新的设计思路㊂近几年来,离子氮化㊁碳氮共渗㊁离子注入㊁P V D 硬质涂层已被广泛运用于表面强化[45]㊂而表面织构化(如图8)技术作为一种改善材料表面摩擦性能的方法被世界各地的研究小组所熟知,因其成本低㊁效率高㊁精度高㊁热影响区小而被广泛应用㊂R A O e t a l [46]研究了4个织构宽度(包括1mm ㊁2mm ㊁3mm ㊁4mm )对耐磨硼铸铁/195 第4期 林乃明,等:轴向柱塞泵柱塞副的摩擦学特性及其表面织构化研究进展球墨铸铁摩擦副磨损性能的影响,研究发现,2mm 宽度更有利于提高球墨铸铁的低速磨损性能,3mm 宽度更有利于提高高速磨损性能,应根据液压泵实际工作环境来设计凹槽的尺寸㊂V I G N E S H e t a l[47]研究了单排凹窝㊁单排凹槽㊁双排凹窝㊁双排凹槽等椭圆织构的几何分布对黄铜摩擦学性能的影响,结果表明,具有双排凹槽椭圆织构试样的摩擦系数较单排凹槽椭圆织构试样的摩擦系数降低了59%,较大的凹窝直径和细长比进一步提高了具有双排凹窝椭圆织构的摩擦学性能㊂（a）凹坑（b）沟槽（c）凸起图8典型表面织构特征图F i g.8 T y p i c a l s u r f a c e t e x t u r e c h a r a c t e r i s t i c s3.1表面织构的润滑减摩机理郑龙[49]发现,自然界中,毛蛤㊁龙虾㊁鲨鱼等生物体表呈现出非光滑表面形态,如图9所示,其中毛蛤与龙虾类似,呈现放射状棱纹凸起,这可以增强其体表抵抗水中沙砾和急流磨损的能力;同样,微观下能观察到鲨鱼体表交错分布着许多微小盾磷,每片盾磷表面有V型凹槽,该结构可实现湍流减阻目的㊂受自然界生物的启发而新兴的表面织构化技术对提高轴向柱塞泵减摩性能方面提供了新思路㊂两个物体表面之间的纳米级接触会有很高的吸附力,从而产生很大的摩擦,极大的缩短机器的寿命㊂表面织构化技术可以实现增大表面粗糙度的效果,起到减摩的作用,由此来提高其耐磨性,其作用示意图如图10所示,润滑条件下表面织构可以储存润滑介质,使润滑连续进行;流体润滑状态下起到增强动压效应的作用;边界润滑条件下可以充当润滑剂,降低摩擦系数㊂干摩擦条件下,表面织构可以捕龙虾鲨鱼毛蛤棱纹型刚毛型V型凹槽图9典型水生动物及其微观表面形貌[49-50]F i g.9 T y p i c a l a q u a t i c a n i m a l s a n d t h e i r m i c r o s c o p i c s u r f a c e m o r p h o l o g y[49-50]获磨屑,降低磨粒磨损,减小摩擦接触面积㊁抑制黏着磨损[50-52]㊂3.2表面织构几何参数的影响3.2.1织构形状的影响表面织构的类型较多,主要包括凹坑㊁凸起㊁凹槽以及各类混合形貌㊂目前对表面织构的润滑减摩的研究多集中在凹坑型和凹槽型两种类型[53]㊂麻凯等[54]在不同载荷情况下研究了表面织构形貌对柱塞摩擦性能的影响,实验结果表明,在400N载荷情况下,椭圆㊁圆形㊁方形表面织构的摩擦系数相对于未进行表面织构化的基体的摩擦系数分别减少了1.1%㊁18.3%㊁14.1%;在高载荷600N工况下,分别减少了35.3%㊁35.3%㊁19.1%.于海武等[55]采用数值方法分析了织构形状对工件表面摩擦性能的影响㊂研究表明,椭圆形表面织构在众多织构形貌中减摩效果最优,正方形表面织构次之,圆形表面织构减摩效果最差㊂S E G U e t a l[56]比较了多形状复合织构(圆和椭圆㊁圆和三角形㊁圆和方形)和单形状织构接触面的摩擦学性能,分别在干燥和润滑,23~25ħ的室温和相对湿度为46%~50%的条件下,进行了滑动摩擦试验㊂实验结果表明,在干燥和润滑条件下,多形状纹理表面的摩擦系数波动较低㊁相对稳定,摩擦系数波动较小㊂295太原理工大学学报第54卷。