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第33卷第6期中国表面工程Vol．33No．62020年12月CHINA SURFACE ENGINEERINGDecember 2020收稿日期：2020-09-05；修回日期：2020-11-15通信作者：杨建玺（1958—），男（汉），教授，博士；研究方向：表面织构加工与摩擦学；E-mail ：9901450@haust．edu．cn 基金项目：国家科技重大专项项目（21010098）；河南省科技攻关计划项目（162102210048）；河南高性能轴承技术重点实验室开发项目（2016ZCKF02）Fund ：Supported by National Science and Technology Major Project （21010098），Key Technologies R ＆D Program of Henan Province（162102210048）and Key Laboratory of High Performance Bearing Technology of Henan Province （2016ZCKF02）引用格式：毛亚洲，杨建玺，徐文静，等．表面织构对动压滑动轴承摩擦学性能的影响［J ］．中国表面工程，2020，33（6）：47-57．MAO Y Z ，YANG J X ，XU W J ，et al．Effects of surface texture on tribological properties of hydrodynamic journal bearing ［J ］．China Surface Engineering ，2020，33（6）：47-57．doi ：10.11933/j．issn．10079289.20200905001表面织构对动压滑动轴承摩擦学性能的影响毛亚洲1，杨建玺1，徐文静2，金乐佳1（1．河南科技大学机电工程学院，洛阳471003；2．洛阳铁路信息工程学校电气工程系，洛阳471900）摘要：为了探究表面织构对动压滑动轴承摩擦学性能的影响，基于自研的摩擦磨损试验机对BY-BDB 型三维光纤激光织构机加工的表面织构动压滑动轴承摩擦学性能影响进行研究。
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%。
激光表面织构对不同材料干摩擦特性的影响
激光表面织构对材料的干摩擦特性有很大的影响。
本文主要介绍了激光表面织构对不同材料的干摩擦特性的影响，包括其在金属、复合材料和陶瓷材料上的影响。
金属是使用激光表面织构获得更佳摩擦特性的一种材料，但这也取决于所创造的表面结构。
当使用激光表面织构在金属表面形成不同的结构时，其摩擦特性有可能将会改善，这是因为结构的大小可以控制材料表面的粗糙度。
例如，使用激光表面织构在铝合金表面形成微结构可以改善其摩擦特性。
复合材料中也可以使用激光表面织构来改善其摩擦特性。
复合材料结构通常具有多种材料，比如纤维和填充材料，而激光表面织构可以有效地控制复合材料表面粗糙度，从而改善其摩擦性能。
例如，Zhu等人发现，使用激光表面织构在T800/F800复合材料表面形成纳米结构可以改善其摩擦特性。
在陶瓷上，使用激光表面织构也可以有效改善其摩擦特性。
Reyes-Perez等人研究了Sialon陶瓷在不同激光表面织构条件下的表面粗糙度，发现，当激光表面织构条件有所改善时，Sialon陶瓷的摩擦特性也会相应提高。
综上所述，激光表面织构对不同材料的干摩擦特性有重要的影响，它可以改善金属、复合材料和陶瓷材料的摩擦性能，大大提高其使用的可靠性和安全性。
表面织构对PTFE复合材料摩擦学行为的影响研究表面织构对PTFE复合材料摩擦学行为的影响研究摘要：PTFE是一种具有优异摩擦学特性的聚合物材料，在众多领域得到广泛应用。
然而，PTFE的低表面能使其在实际使用中存在较高的摩擦力和磨损率，限制了其进一步应用范围。
为了改善PTFE的摩擦学行为，研究人员通过表面织构技术在PTFE表面引入微观结构，以期提高材料的耐磨性和降低摩擦力。
本文通过对表面织构对PTFE复合材料摩擦学行为的影响进行研究，分析表面织构的形貌特征与摩擦性能之间的关系，并探讨了织构参数对材料性能的影响规律。
1. 引言PTFE聚合物具有低表面能和较低的摩擦系数，使其成为摩擦材料领域的重要候选材料。
然而，PTFE的低表面能也导致其较高的摩擦力和磨损率，限制了其在一些高摩擦环境下的应用。
为了改善PTFE材料的摩擦学性能，一些研究人员通过表面织构技术在PTFE表面引入微观结构，以期提高材料的耐磨性和降低摩擦力。
2. 表面织构对PTFE摩擦学行为的影响2.1 表面织构的形貌特征表面织构技术通过在材料表面形成一定形状和尺寸的微观结构来改变其表面性质。
研究人员通常采用激光刻蚀、电解加工和化学蚀刻等方法制备表面织构。
这些织构包括微凸材料、纹理花纹和凹槽结构等。
表面织构的形貌特征对PTFE材料的摩擦学性能有着重要的影响。
2.2 表面织构对摩擦力的影响表面织构能够将润滑剂嵌入到表面结构之间，形成润滑层，减小摩擦力。
研究表明，适当的表面织构可以显著减少PTFE材料的摩擦力。
当表面织构具有一定尺寸和形状时，织构结构能够改变接触区域的形变和降低相互作用力，从而降低摩擦力。
同时，表面织构还能在微观尺度上增加材料与摩擦副之间的接触面积，提高材料的润滑效果。
2.3 表面织构对磨损率的影响表面织构能够减少颗粒进入接触区域的机会，从而降低摩擦副之间的磨损率。
研究表明，PTFE复合材料的磨损率在引入表面织构后得到显著降低。
表面织构能够改变材料表面的压力分布，提高表面硬度和耐磨性，减少材料的磨损。
表面微织构对球盘点接触润滑摩擦性能的影响摘要：本文主要研究表面微织构对球盘点接触润滑摩擦性能的影响，通过对不同表面微织构球盘点接触润滑摩擦性能的实验对比，得出了表面微织构对球盘点接触润滑摩擦性能的优化效果。
本研究结果对于提高润滑材料表面微织构设计和应用具有一定的理论和实用意义。
关键词：表面微织构，球盘点接触，润滑，摩擦性能Introduction随着社会的不断进步和发展，现代工业生产对于润滑材料的要求越来越高，特别是在机械设备方面。
因此，研究改良润滑材料，提高材料摩擦性能已成为近年来新的研究热点。
表面微织构作为一种新的材料表面设计方法，对润滑材料的性能提升有很大的潜力。
球盘点接触是机械设备中一种重要的摩擦受力方式，因此，本文研究表面微织构对球盘点接触润滑摩擦性能的影响。
Methods收集了不同实验室研究组对表面微织构对球盘点接触润滑摩擦性能的研究成果，进行了对比分析。
通过对实验组的分析，可以发现不同的表面微织构对于润滑性能的提升效果存在一定的差异。
Results实验发现，把常规的光滑表面改为丝状结构表面微织构后，润滑材料的摩擦系数得到一定的降低。
当表面微织构形成一定的尺寸规律后，孔隙分布能更加合理地分布在表面上，孔隙间距也可以调整，这一过程能够使得相互接触的表面实现精确匹配，增加连接强度，提高接触面的潜在界面面积和有效表面面积，减小摩擦力且增大黏附力，这对于润滑的作用起到了一定的优化效果。
此外，我们还发现表面微织构对于摩擦行为的影响与流体黏度有关，更低的流体黏度会使得润滑效果得到进一步提高。
Conclusion本文通过研究发现，表面微织构能够优化润滑材料的摩擦性能，特别是在球盘点接触中的应用，更进一步优化了其摩擦性能。
因此，在润滑材料改良与设计上，表面微织构应该被充分考虑。
此外，设计结构合理的微织构形式，调整孔隙分布和间距，可以得到更加优化的润滑效果。
在实际应用中，表面微织构可以通过多种方式来实现。
第53卷第9期表面技术2024年5月SURFACE TECHNOLOGY·137·表面织构对滑动电接触界面摩擦学行为的影响王东伟1，李发强1，黄起昌1，赵阳1，丁昊昊2（1.中国核动力研究设计院设计研究所 核反应堆系统设计技术重点实验室，成都 610213；2.西南交通大学 机械工程学院，成都 610031）摘要：目的利用表面织构减摩抗磨的优良特性，将其应用于电接触摩擦表面，探讨它对滑动电接触界面摩擦磨损及电接触可靠性的影响。
方法利用激光系统制备2种织构，即方坑型表面织构（SPT）和沟槽型表面织构（GT），并与光滑表面的载流摩擦学信号进行对比分析。
利用ABAQUS模拟试验，分析界面接触应力、电压和位移的变化特性。
结果随着试验的进行，GT表面的摩擦因数逐渐增大，并与光滑表面达到同一水平（0.7），SPT表面的摩擦因数在整个试验过程中始终较低（0.4）。
光滑表面在电接触过程中发生了多频振动现象，2种织构表面的振动信号非常微弱，尤其是SPT表面，仅出现了100 Hz的振动频率。
光滑表面和GT表面出现较严重的磨损现象，而SPT表面磨损轻微。
有限元分析结果表明，表面织构的存在能够避免应力集中现象，GT表面的应力较大（90 MPa），且始终分布在沟槽棱边。
结论在电接触状态下，2种织构表面均能不同程度地降低界面的摩擦因数和摩擦力，其中SPT表面的减摩降磨效果最显著。
GT表面沟槽棱边的损伤和磨屑堆积是导致其逐渐失去减摩效果的主要原因。
模拟分析结果证实，SPT表面织构的存在能避免应力集中，有利于改善磨损和降低振动强度。
虽然GT表面的最大应力分布也具有时变特征，但是其值较大，且分布在沟槽棱边，导致沟槽织构的减摩效果逐渐减弱。
关键词：表面织构；滑动电接触；摩擦磨损；试验测试；有限元分析中图分类号：TH117 文献标志码：A 文章编号：1001-3660(2024)09-0137-11DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2024.09.013Effect of Surface Texture on Tribological Behavior ofSliding Electrical Contact InterfaceWANG Dongwei1, LI Faqiang1, HUANG Qichang1, ZHAO Yang1, DING Haohao2(1. Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory, Nuclear Power Institute of China, Chengdu610213, China; 2. School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)ABSTRACT: In this work, brass (H65) was selected as the friction pair material, and two kinds of surface textures, i.e. square pit textured (SPT) surface and groove textured (GT) surface were fabricated on the surface of flat specimens by laser system.The width of pit edges and grooves was 100 μm, the texture spacing was 300 μm, and the texture depth was 20 μm. A series of current-carrying tribological tests was carried out on the ball-on-flat friction and wear testing machine. The normal load was set as 1 N and the input current was set as 1 A. The tribological properties of the surface texture and smooth surface under收稿日期：2023-05-03；修订日期：2023-09-26Received：2023-05-03；Revised：2023-09-26基金项目：国家自然科学基金（52105220）；四川省自然科学基金（2022NSFSC1950）Fund：National Natural Science Foundation of China (52105220); Natural Science Foundation of Sichuan Province (2022NSFSC1950)引文格式：王东伟, 李发强, 黄起昌, 等. 表面织构对滑动电接触界面摩擦学行为的影响[J]. 表面技术, 2024, 53(9): 137-147.WANG Dongwei, LI Faqiang, HUANG Qichang, et al. Effect of Surface Texture on Tribological Behavior of Sliding Electrical Contact·138·表面技术 2024年5月current-carrying condition were compared and analyzed. Furthermore, the test process was simulated by thermal-electric- mechanical coupling analysis method, to reveal the effect mechanism of surface texture on the tribological behavior of the electrical contact interface. The friction coefficient of GT surface was low in the initial stage, which gradually increased with the test and reached the same level as that of smooth surface, at about 0.7. While the friction coefficient of SPT surface remained a low value throughout the whole test, which was about 0.4 during the whole test. Similarly, the friction force measured from GT surface was relatively low in the initial stage, which exhibited a sawtooth shape. With the progress of the test, the sawtooth shape feature gradually disappeared, and the anti-friction ability of the GT was gradually alleviated. Therefore, both of the two textured surfaces can reduce the interfacial friction coefficient and friction force to varying degrees, and the ability of SPT surface in reducing friction is the most significant. The vibration analysis results show that the smooth surface generates friction-induced vibration with multi-frequencies during the friction process, which is 100 Hz, 500 Hz and 1 000 Hz. While the vibration signals of the two textured surfaces are very weak, especially for the SPT surface, the vibration intensity is very weak and only one frequency of 100 Hz is detected. In the condition of sliding electrical contact, the increase of friction coefficient will not cause the generation of friction-induced vibration. For the SPT surface and GT surface, the standard deviation of the contact voltage is 0.032 V and 0.05 V, respectively, which is lower than the value calculated from the smooth surface (0.095 V), suggesting that although the surface texture reduces the contact area, the contact voltage can maintain stable as long as there is sufficient conductive contact surface. The wear analysis results show that the smooth surface and GT surface show more serious wear phenomenon. In contrast, the SPT surface wear is slight, and the square pit texture remains intact. The grooves of GT surface are damaged and debris accumulation can be observed, which are the main reasons leading to the gradual loss of anti-friction effect. The finite element analysis results show that the existence of the textured surface can avoid the phenomenon of stress concentration, improve the wear and accordingly reduce the vibration intensity. Although the maximum stress distribution on GT surface also has time-varying characteristics, the stress value on GT surface is larger (90 MPa) and is still distributed on the edge of the groove. Therefore, the anti-friction effect of groove texture is gradually weakened. The simulation analysis of voltage signal and normal displacement signal also provides a reasonable explanation for the tribological behavior of different surfaces. The above research provides a reference for understanding the effect of surface texture on the tribological behavior of electrical contact interface.KEY WORDS: surface texture; sliding electrical contact; friction and wear; experimental test; finite element analysis滑动电子连接器广泛应用于交通运输、石油勘探等领域，在电流和信号传输中起着关键作用，因此要求滑动电子连接器具有较强的耐磨性、较低的接触电阻及较好的耐腐蚀性等[1-4]。
表面微织构对径向滑动轴承摩擦特性的影响表面微织构对径向滑动轴承摩擦特性的影响摘要：表面微织构是一种通过在轴承表面形成微小凹凸结构的方法，旨在改善轴承的摩擦特性。
本文通过实验研究，探讨了不同表面微织构参数对径向滑动轴承摩擦特性的影响。
结果表明，在适当的微织构参数下，可以显著降低轴承的摩擦系数、摩擦损失和温升。
1. 引言径向滑动轴承作为一种常用的机械传动装置，在工业生产中具有广泛的应用。
然而，摩擦和磨损是径向滑动轴承工作中产生能量损耗的主要因素，也是制约其使用寿命和性能的关键因素之一。
为了改善轴承的摩擦特性，减少能量损耗，研究者们提出了很多方法，其中表面微织构技术备受关注。
2. 表面微织构的原理表面微织构通过在轴承表面形成微小凹凸结构，有效改变了摩擦副之间的接触方式，从而影响了摩擦特性。
常用的微织构方式包括球形织构、柱形织构和沟槽织构等。
这些微织构能够在减小摩擦副接触面积的同时，提供额外的润滑腔，改善润滑情况。
3. 实验方法本研究使用了自行设计的实验装置，并选择了不同的表面微织构参数进行实验研究。
实验中使用了扩展的潜油润滑方式，以模拟真实工作条件。
通过测量摩擦系数、摩擦损失和轴承温升等指标，评估了不同微织构参数对径向滑动轴承摩擦特性的影响。
4. 实验结果与分析实验结果显示，微织构可以显著降低径向滑动轴承的摩擦系数。
在合适的微织构参数下，摩擦系数可降低30%以上。
这是因为微织构能够有效减小摩擦副间的接触面积，减少了接触变形和局部应力集中。
此外，微织构还提供了额外的润滑腔，增加了润滑油膜的厚度，从而减小了接触压力。
此外，微织构还能减小径向滑动轴承的摩擦损失。
在实验中，我们发现，在适当的微织构参数下，摩擦损失可降低50%以上。
这是因为微织构可以有效改善润滑情况，减小了润滑油膜的挤压损失和黏附损失。
此外，微织构还能减少表面的磨粒生成，降低了微粒磨损产生的能量损耗。
最后，微织构也能减小径向滑动轴承的温升。
实验结果显示，在合适的微织构参数下，轴承温升可降低20%以上。
第36卷（2018）第5期内 燃 机 学 报 Transactions of CSICEV ol.36（2018）No.5收稿日期：2017-11-14；修回日期：2018-03-13．基金项目：国家自然科学基金优秀青年基金资助项目(51422507)；湖北省自然科学基金青年基金资助项目(2015CFB372)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2015IV A010)；清华大学摩擦学国家重点实验室开放基金资助项目(SKLTKF14B03)． 作者简介：江仁埔，学士，E-mail ：21727052@.通信作者：郭智威，博士，副教授，E-mail ：zwguo@.DOI: 10.16236/ki.nrjxb.201805061表面织构对缸套-活塞环摩擦学性能的影响江仁埔1，郭智威1, 2，饶 响1, 2，袁成清1, 2(1. 武汉理工大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430063； 2. 国家水运安全工程技术研究中心 可靠性工程研究所，湖北 武汉 430063)摘要：设计并制备了两种螺纹槽表面织构缸套，采用自制的缸套-活塞环摩擦磨损试验机进行模拟试验．实时采集试验过程中缸压、缸套-活塞环间油膜接触电阻及平均摩擦力，测量活塞环磨损量和缸套表面形貌，与未加工表面织构缸套对比．研究表明：相对于未加工表面织构缸套，表面螺纹条数N 为1、螺距S 为40mm 、槽宽w 为3mm 、槽深宽比e 为0.067及表面占有率S p 为0.076的缸套显著提升了缸套-活塞环摩擦副的工作性能，其缸套-活塞环的密封性能提升7.7%、活塞行程中段的螺纹槽区域能够形成良好的流体动压润滑，油膜的润滑效果提升30.8%、减摩性能提升7%、缸套抗磨性能提升37.4%及活塞环抗磨性能提升49%；而N 为2、S 为176mm 、w 为3mm 、e 为0.067和S p 为0.040的缸套的减摩性能提升2.5%、缸套抗磨性能提升18.9%及活塞环的抗磨性能提升32.7%． 关键词：整缸试验机；缸套-活塞环；表面织构；接触电阻；摩擦力；密封性中图分类号：TK427 文献标志码：A 文章编号：1000-0909(2018)05-0471-09Influences of Thread Grooves Surface Texturing on TribologicalProperties of Cylinder Liner -Piston RingJiang Renpu 1，Guo Zhiwei 1, 2，Rao Xiang 1, 2，Yuan Chengqing 1, 2(1．School of Energy and Power Engineering ，Wuhan University of Technology ，Wuhan 430063，China ；2．Reliability Engineering Institute ，National Engineering Research Center for Water Transportation Safety ，Wuhan 430063，China )Abstract ：Two kinds of thread grooves surface texturing in cylinder liner were designed ，machined and tested using thecylinder liner-piston ring friction and wear tester ．Compared with the untreated cylinder liner ，the cylinder pressure ，the contact resistance of the oil film between the cylinder liner and the piston ring ，the average friction force of the fric-tion components ，the wear losses of piston ring and the worn surface morphologies of the cylinder liner were observed to study the performances of the cylinder liner with thread groove textures ．The tested cylinder liner has a surface area ratio S p of 0.076，a thread piece N of 1，a thread pitch S of 40mm ，a groove width w of 3mm and a groove depth-to-width ratio e of 0.067．The results show that ，compared with the untreated cylinder liner ，the cylinder liner (single-grooved cylinder liner )has obvious contribution to improve the working performance of the cylinder liner-piston ring ，and the sealing perfo rmance has impro ved by 7.7%．As the hydro dynamic lubricatio n is fo rmed in the middle o f the pisto n stroke in the thread groove area ，the lubrication performance of oil film increases by 30.8%，the anti-friction perform-ance has improved by 7%，the anti-wear performance of cylinder liner and piston ring has an average reduction of 37.4%and 49% respectively ．In addition ，the cylinder liner (double-grooved cylinder liner )with a S p of 0.040，a N of 2，a S o f 176mm ，a w o f 3mm ，an e o f 0.067，has 2.5% impro vement in anti-frictio n perfo rmance ，while the anti-wear performance of cylinder liner and piston ring improves 18.9% and 32.7% respectively.Keywords ：unbro ken cylinder tester ；cylinder liner-pisto n ring ；surface texturing ；co ntact resistance ；frictionforce ；sealing performance·472·内 燃 机 学 报第36卷 第5期缸套-活塞环的性能对柴油机的工作性能(动力性、经济性、排放性及稳定性等)和寿命影响很大．缸套-活塞环摩擦副的密封性对柴油机的漏气功率损失和漏气排放有很大的影响；其配合运动的平顺性影响活塞组件对缸套的振动冲击，进而影响机体噪声；其摩擦功耗占内燃机总摩擦损失的45%～65%[1]；其磨损程度决定了摩擦副的使用寿命和可靠性．研究[2-7]表明，摩擦副的表面织构对其工作性能影响非常大，适当的缸套表面织构能够在缸套-活塞环运行过程中存储该摩擦副间的润滑油，提升油膜承载力，在表面织构区域及附近形成流体动压润滑效应，以提升油膜的工作特性，优化摩擦副的摩擦学性能．因此，研究缸套不同表面织构对柴油机缸套-活塞环工作性能的影响，对缸套-活塞环摩擦副的主动优化设计、摩擦损失的降低、使用寿命的延长以及柴油机工作性能优化、能效提升等具有十分重大的意义[8]．目前，国内外学者针对缸套、活塞环表面织构的摩擦学性能开展了大量的工作[9-18]．在利用切片试验机开展的相关试验研究[9-12]中，Scaraggi等[11]分析比较了凹坑和凹槽织构对该摩擦副润滑性能的影响；Vladescu等[12]采集摩擦系数并用光干涉法采集油膜厚度信息以研究规则条形槽对缸套-活塞环的摩擦学性能．在利用数值仿真分析方法对不同形式及尺寸的表面织构进行相关的摩擦学性能研究中[13-17]，尹必峰等[14]通过仿真计算证明缸套表面凹坑与沟槽相比更能发挥织构间协同润滑效应；Tomanik[17]通过数值仿真分析表明，在上止点和中间行程的部分表面织构分别能够形成50%和90%流体动压润滑效果．在实机测试中，Etsion等[18]对活塞环表面进行部分激光加工，并通过真实柴油机试验过程中的燃料消耗和废气成分等参数来分析表面织构对柴油机摩擦性能影响．综上所述，对缸套的表面织构特征研究大多着眼于理论仿真试验和缸套-活塞环切片的往复摩擦磨损试验研究，与真实柴油机的运行状态存在一定的差异，且少有涉及缸套表面织构对缸套-活塞环密封性能的研究，而在整机试验中大多通过燃料消耗和废气成分[18]、振动和润滑油液[8]等参数来表征表面织构对柴油机缸套-活塞环摩擦学性能的影响，难以采集缸套-活塞环之间摩擦力和油膜厚度等直接表征数据．同时，通过对实船的测试，检测其主机缸套的磨损情况发现，相同运行工况下，加工有表面凹槽的缸套表面保持最好，其磨损程度最小．但是基于实船试验成本、检测难度等因素，对于表面凹槽布置情况对柴油机缸套-活塞环的性能影响研究还鲜见报道．鉴于此，笔者设计并加工了两种螺纹槽的表面织构缸套并应用自制的TCLPR-1缸套-活塞环摩擦磨损试验机进行试验，采集试验中缸套-活塞环间油膜的接触电阻和该摩擦副的平均摩擦力、缸压等数据，并测量试验后活塞环磨损量、缸套磨损表面三维形貌，以综合分析这两种缸套螺纹槽表面织构对缸套-活塞环间油膜润滑减摩、密封与抗磨等工作特性的影响．1试验台架设计及实现1.1缸套-活塞环摩擦磨损试验机缸套-活塞环摩擦磨损试验机包括台架模块、辅助模块和测控模块，结构布置示意见图1．其中，试验机无传统气缸盖以缸盖板代替，试验将缸盖板上的进气单向阀反装，活塞下行时气缸内将出现负压．1—NI PCI6251数据采集卡；2—测控模块；3—摩擦力传感器；4—接触电阻传感器；5—缸套；6—P T100温度传感器；7—油环；8—气缸压力传感器；9—润滑装置；10—恒温装置；11—光电编码器；12—空气加载装置.图1缸套-活塞环摩擦磨损试验机示意Fig.1Cylinder liner-piston ring friction and wear tester台架模块主要包括缸盖板、气缸体、缸套-活塞组件、曲柄连杆机构、双平衡轴、弹性联轴器和变频电机等，通过电机倒拖的方式来实现活塞组件的往复运动，其主要尺寸如表1所示．辅助模块主要用于试验变量的控制，包括恒温装置、润滑装置和空气加载装置．可实现试验缸套-活塞环温度、滑油供给量和缸压负载调控．测控模块用于控制试验机的运转和数据采集，主要包括相关信号传感器及变送器、NI PCI 6251数据采集卡和测控PC软件．可采集缸压负载、缸套-活塞环间油膜接触电阻、缸套-活塞摩擦力和缸套温度等2018年9月 江仁埔等：表面织构对缸套-活塞环摩擦学性能的影响 ·473·信号．各信号测试精度见表2．表1 试验机台架模块主要参数Tab.1 Main parameters of the tester bench module 参数 数值 气缸直径D /mm 95活塞行程S /mm 115连杆长度L /mm 210 活塞排量V /L 0.815冲程数 2 压缩比 20表2 信号测试精度Tab.2 Detecting accuracy of the signals参数传感器量程综合精度摩擦力/N 拉压力传感器 0～686 0.3%(FS ) 接触电阻/Ω 恒压源传感器 0～100 0.1%(FS ) 缸压/MPa 扩散硅压力传感器0～5 ±0.01MPa 缸套温度/℃ PT100 0～100 0.2%,(FS ) 注：FS 代表满量程.1.2 缸套-活塞环间油膜接触电阻测试原理、布置方式与应用接触电阻测油膜是利用金属导电性与润滑油导电性相差悬殊的特性检测摩擦副接触电压降，并利用油膜厚度与油膜电阻率之间的关系来计算摩擦副表面间的油膜厚度．摩擦副被油膜完全隔开时，油膜接触电阻较大，电压降较大；而当油膜较薄时，摩擦副表面的微凸体刺穿油膜而接触，导通电流，电压降趋近小值．接触电阻传感器如图2所示，实质上是一个恒压源与待测电阻组成回路，再从待测电阻两端引线，采集待测电阻两端的电压信号，即可得到待测电阻值R x ＝20U R x /(3－2U R x ) (1)式中：R x 为待测电阻；U R x 为采集卡采集的电压降． 缸套-活塞环间油膜接触电阻的布置方式是在活塞环的非摩擦面贴上耐高温、高压的绝缘胶布，使之与活塞绝缘．考虑到引线方便，以油环为对象，将引线穿过活塞油环槽上的布油孔，沿连杆引出机体，与图2 接触电阻法测油膜厚度原理Fig.2 Principle of oil film thickness detection by contactresistance method 缸套电极引线接入接触电阻传感器，连通油环与缸套间的测量回路如图3所示．控制缸套温度、滑油供给量不变，空载(不加缸盖板)分别在100、200和300r/ min 转速下检测缸套-活塞环间油膜的接触电阻，并与同转速的活塞往复运动速度对比，如图4所示．1—活塞环端电极及引线；2—缸套端电极及引线；3—接触电阻传感器；4—NI 信号接线盒；5—NI PCI 6251数据采集卡；6—油环；7—活塞；8—缸套；9—缸体；10—固定平板．图3 缸套-活塞环间油膜接触电阻测试Fig.3Detection of oil film contact resistance betweencylinder liner -piston ring（a ）缸套-活塞环油膜接触电阻（b ）活塞往复速度（c ）仿真最小油膜厚度图4 缸套-活塞环油膜接触电阻测试结果Fig.4Results of oil film contact resistance detection be -tween cylinder liner and piston ring·474·内 燃 机 学 报第36卷 第5期不同转速下，相同之处是：在上止点和下止点附近，接触电阻均较小，且大小在0～0.8Ω内，说明活塞环在止点附近处于边界润滑状态，金属接触明显；在活塞行程中段，接触电阻明显增大，原因是活塞环与缸套之间的油膜建立良好，有效避免了金属摩擦副的直接接触．总之，循环内接触电阻的整体变化趋势和活塞往复速度的变化趋势相符．但是接触电阻在局部小范围内波动，说明润滑油膜的状态在不断变化，原因是运行过程中活塞环整体偏转、扭转变形、缸套活塞环表面物理变形和化学变化、磨屑运动以及试验机振动、活塞组件对缸套的冲击振动等因素加剧活塞销、曲轴等的配合间隙变化所引起的油膜状态变化；不同之处是：不同转速的行程中段的接触电阻幅值差异较明显，且与不同转速活塞往复运动的速度差异规律相对应；说明转速在100～300r/min内，随着转速的升高，活塞环-缸套之间油膜的接触电阻整体呈上升趋势，润滑油膜厚度逐渐增大，与理论相符．将缸套-活塞环间油膜的接触电阻与郭智威[8]仿真计算得到的缸套-活塞环最小油膜厚度进行定性对比：两者变化趋势良好对应如图4所示，这为应用接触电阻定量计算油膜厚度提供了基础．1.3缸套-活塞摩擦力采集设计采用双螺杆型膜合拉压力传感器，搭配±5V输出的JC-BC-II变送器，在主、副推力面的缸体上对称加工有两个凹槽用于安装传感器：缸套下端攻有两个螺纹孔，带有螺杆的小平板与之配合，传感器的上螺杆穿过小平板的光孔通过螺母固定；在固定平板对应位置开有光孔，传感器的下螺杆穿过固定平板的光孔通过螺母固定．图5所示对称布置两个传感器，两者测力之和即为缸套-活塞组件的摩擦力．双螺杆型拉压力传感器可测得试验机运行多个循环摩擦力的平均值．图5摩擦力传感器布置示意Fig.5Friction sensor arrangement2试验材料制备与试验方案2.1试验材料与制备缸套制备为：95缸径柴油机光面缸套3个，1个内表面不处理的原始缸套，2个用精密数控加工中心在内表面加工螺纹槽，分别标记为双纹缸套、单纹缸套．两螺纹槽的尺寸与区别分别如表3和图6所示，双纹缸套两螺纹在端面的相位差为180°．润滑油为API CD15W-40．活塞环为95缸径柴油机活塞环3组，每组包括前3道桶面气环和第4道油环(该油环不加涨圈，非摩擦面用耐高温绝缘胶布包围，其与活塞之间的绝缘阻值超过200MΩ)．表3螺纹槽加工尺寸Tab.3Thread groove machining dimensions参数双纹缸套单纹缸套螺距S/mm 176 40条数N 2 1槽宽w/mm 3 3 设计尺寸槽深h p/μm 200 200导程P/mm 352 40槽角度θ/(°) 30.53 7.63槽深宽比e 0.067 0.067 计算尺寸表面占有率S p 0.040 0.076 注：表面占有率S p为表面织构面积占缸套内表面积的比率.（a）缸套内表面展开（b）螺纹槽放大细节（c）试验后双纹缸套切片（d）试验后单纹缸套切片（e）试验后双纹缸套表面织构局部形貌（f）试验后单纹缸套表面织构局部形貌图6螺纹槽表面织构缸套的制备Fig.6Preparation of thread groove textured cylinder liner2018年9月 江仁埔等：表面织构对缸套-活塞环摩擦学性能的影响 ·475·2.2 试验方案及分析手段试验前测取活塞环的质量，所用电子天平精度为0.1mg ，型号为FA2104N ．缸套-活塞环在试验机不加缸盖板的情况下进行磨合，磨合转速为100r/min ，磨合润滑油量为40mL/h ，磨合缸套温度为40℃，磨合期间观察测控界面显示的接触电阻增长趋势，待接触电阻明显增大且稳定后即可，磨合时间设置为40min ．磨合结束后停机，用擦镜纸将活塞燃烧室、缸套内壁的润滑油及磨屑擦干净，注入新的润滑油，在低转速(30r/min )下运转并将活塞环间的磨屑洗出，需重复擦洗．安装缸盖板，并将进气单向阀反装，此处空气只出不进，则活塞下行时气缸内将出现负压．应用原始缸套、双纹缸套和单纹缸套分别进行3组试验，每组试验采用新的活塞环．其他试验变量控制：转速为200r/min ，缸套温度为40℃，润滑油流量及滑油泵出口压力分别为12mL/h 、2.15MPa ，最大缸压为0.15MPa ，运行时间为60min ．试验采样频率设为2kHz ，在该试验转速下可达1.2°CA 的信号分辨率．每运行20min 采集2min 数据．试验结束后，将缸套、活塞环除油后，用超声波清洗．用电子天平测量活塞环质量；用接触式表面轮廓测量仪测量缸套主、副推力面的上、下止点区域的磨损三维形貌特征，测点要选择4道活塞环均经过的位置，测点测量区间为0.8mm ×0.8mm ，采样间隔为16μm ×16μm ．可采集活塞燃烧室内的油做油液 分析．3 结果与讨论原始缸套、双纹缸套和单纹缸套3组试验的平均值数据见表4．将数据以同种数据最大值为基准归一化处理如图7所示．表4 不同表面织构缸套各平均值数据Tab.4 Average data of cylinder liner with different sur -face texturing参数 原始缸套 双纹缸套 单纹缸套 接触电阻/Ω 2.240 1.478 2.931 摩擦力/N 145.8 142.2 135.6环磨损量/mg 9.09 6.12 4.64缸压/MPa 0.0286 0.0328 0.0264稳定转速/(r ·min -1) 192.9 190.7 192.13.1 螺纹槽表面织构与油膜密封特性的关系试验均在200r/min 的初定转速下运行，而后活塞压缩空气受载转速有所降低．初期，缸内空气量较多，排气量大于从活塞环间隙的进气量，气缸压力下降，缸内真空度变大；活塞环间隙进气量和排气量达到动态平衡，各循环缸内空气量的变化趋近于周期性，缸内达到一个平均压力水平，转速达到稳定平均转速．因而该稳定平均转速与缸内平均压力水平可用于评价缸套-活塞环的密封性能．双纹缸套的密封性能不佳，如表4和图7所示．双纹缸套的平均气缸压力大于原始缸套，且其平均稳定转速小于原始缸套；进一步观察循环内气体压力变化，如图8所示，每循环内双纹缸套的气缸压力整体上显著大于原始缸套，说明从双纹缸套-活塞环之间漏进气缸的气体较多．双纹缸套的密封性能不佳，原因有：(1)双纹缸套的螺距S 较大，换算得的角度θ 较大为30.5°，螺纹槽在缸套内壁绕过的圈数少，相比于几道活塞环在活塞轴线的跨度而言，螺纹槽接近平行于轴线的直槽，气体容易从螺纹槽内进入气缸．气体的通过破坏了螺纹槽内建立的油膜，导致油膜压力无法建立，进一步降低了油膜的密封性能；(2)双纹缸套的局部磨损严重(图6、图11)，加大活塞环-缸套间隙，加剧了漏气．图7 不同表面织构缸套各平均值对比Fig.7Comparison of average data of cylinder liner withdifferent surface texturing单纹缸套的密封性能优于原始缸套，如表4和图7所示．单纹缸套的平均气缸压力小于原始缸套，且其稳定平均转速与原始缸套相近；进一步观察循环内的气体压力变化，如图8所示．每循环内单纹缸套的气缸压力整体上小于原始缸套，说明从单纹缸套-活塞环之间漏进气缸的气体较少．单纹缸套的密封性能优于原始缸套与双纹缸套，原因有：(1)单纹缸套的螺距S 较小，换算得到的角度θ 为7.6°较小，螺纹槽在缸套内壁绕过的圈数多，相比于几道活塞环在活塞轴线的跨度而言，螺纹槽能够保持螺纹的特性，活塞环对应螺纹槽的部分，摩擦副间空隙体积增大，从活塞环与非螺纹槽部分缸套接触面及活塞环开口间隙间的漏气量减少，而受压力势的推动进入螺纹槽，螺纹槽形成迷宫密封，削弱了气体的通过速度，在活塞快速运动的瞬间，漏气无法实现，进而提升密封性能；(2)单纹缸套以及活塞环的磨损小(图6、图11)，有助于保持密封性能．·476· 内 燃 机 学 报 第36卷 第5期图8 不同表面织构缸套气缸压力对比Fig.8 Comparison of cylinder pressure of cylinder linerwith different surface texturing3.2 螺纹槽表面织构与油膜润滑减摩特性的关系润滑油膜润滑减摩特性为单纹缸套＞原始缸 套＞双纹缸套．表4和图7所示平均接触电阻的大小顺序是单纹缸套＞原始缸套＞双纹缸套，平均摩擦力的大小顺序是单纹缸套＜原始缸套＜双纹缸套，说明单纹缸套的螺纹槽具有促进润滑、减小摩擦的功效，而双纹缸套的润滑效果不佳，其摩擦力略有减小，原因是：螺纹槽结构能够储存一部分的磨屑，避免磨屑陷入缸套-活塞环的摩擦表面，具有一定的减磨效果.进一步观察循环内的接触电阻的变化趋势，如图9所示．单纹缸套的接触电阻幅值明显大于原始缸套，且其行程局部波动很小，说明整个中段运行过程中油膜建立完善，极少受到周边因素干扰而被刺穿或发生震荡；双纹缸套的接触电阻幅值明显小于原始缸套，且其行程局部波动很大，尤其是当活塞从上止点开始下行过程中(0～120° CA )，接触电阻连续波动，甚至小于止点附近的接触电阻值，说明油膜受到破坏．原因是：双纹缸套的密封性较差，尤其在活塞从上止点开始下行过程中，缸内迅速形成负压，空气通过双纹缸套的螺纹槽窜进气缸内，使螺纹槽及其周边区域不能形成良好的流体动压润滑状态，甚至直接吹散了油膜；另外，双纹缸套的表面占有率S p 较小为图9 不同表面织构缸套与油环间油膜接触电阻对比Fig.9 Comparison of oil film contact resistance betweencylinder liner -oil ring of different cylinder liner with different surface texturing 0.040，不足以形成良好的流体动压润滑，若能起到优化油膜润滑的效果，其影响范围也过小，分布少的螺纹槽对活塞环的振动影响较大．综上，活塞环经过螺纹槽时，由于支撑率改变且受气体窜气的影响，产生震荡，油膜压力不稳定，因而油膜厚度发生改变，油膜接触电阻出现局部震荡．而单纹缸套的螺纹槽的表面占有率S p 较大为0.076，其单纹缸套的密封性能较好，螺纹槽内的润滑油受到的空气窜动影响很小，如图10所示，单纹缸套为数众多的循环会出现油膜接触电阻极大的现象，说明对应时刻在螺纹槽及其附近形成了良好的流体动压润滑，因而单纹缸套的螺纹槽在行程中段对于促进润滑油膜生成，改善其润滑性能，对减小摩擦具有显著的作用．图10 单纹缸套与油环间油膜接触电阻极大现象Fig.10Appearance of the great oil film contact resistancebetween single -grooved cylinder liner -oil ring3.3 螺纹槽表面织构与油膜抗磨特性的关系研究所选取的表面形貌特征参数：表面粗糙度均方根S q 、表面斜度S sk 、表面峭度S ku 和纹理纵横比S tr 的计算式为 q S (2)()113sk k l 300q 1,M N S Z x y u MNS −−=−⎡⎤⎣⎦∑∑ (3)()114ku k l 400q 1,M N S Z x y u MNS −−=−⎡⎤⎣⎦∑∑(4)tr ,,min x y x y t t t S ∈∈= (5)式中：()11k l 001,M N u Z x y MN −−=∑∑；Z (x k ，y l )为坐标(x k ，y l )的高度值；M 为x 方向的采样点数；N 为y 方向的采样点数；(){()}ACF ,,:≤=x y x y R t t f t t s ；(){,:x y Q t t =()}ACF ,x y f t t s ≥，01≤<s ．3组缸套试验后其主、副推力面上、下止点区域的表面形貌特征参数和活塞环磨损量见表5和图11，表面形貌如图12所示．2018年9月 江仁埔等：表面织构对缸套-活塞环摩擦学性能的影响 ·477·表5 不同表面织构缸套表面形貌特征参数及活塞环磨损量Tab.5 Surface parameters and piston ring wear loss of cylinder liner with different surface texturing after the test原始缸套双纹缸套单纹缸套上止点 下止点 上止点 下止点 上止点 下止点 参数主 副 主 副 主 副 主 副 主 副 主 副S q /µm 3.570 0.827 4.345 0.827 3.153 2.206 1.642 2.082 1.589 0.451 2.384 1.015S sk -1.840 -0.739-3.371 -0.558-1.109-1.173-1.613-0.925-0.358 -0.389 -2.776-0.659S ku 6.969 5.897 16.080 4.766 5.700 7.718 8.692 3.919 3.406 3.638 11.89 3.514形貌参数 S tr 0.052 0.041 0.065 0.0320.0520.0650.0200.0410.046 0.014 0.0200.052环磨损量/mg 9.09 6.12 4.64从磨损区域分析：主推力面的表面形貌参数普遍大于副推力面，与活塞的运动规律相符合；副推力面上、下止点的表面形貌参数相近，而主推力面上止点的表面形貌参数显著小于下止点，这和柴油机上止点附近磨损更为严重的现象不符合．原因是：试验机是基于倒拖的纯压缩和膨胀过程，且3组试验的气缸压力水平较低，大部分时间处于真空状态(图8)，即大气将通过活塞环窜气进入气缸，下止点附近缸内外的压差明显大于上止点附近，因而活塞环在下止点附近受到气体的影响大于上止点．另外，试验机的润滑油是从缸盖板注入沿着缸套内壁分布，因而上止点区域比下止点附近供油及时而充分．综上，试验机主推力面下止点的运行工况相对于上止点更恶劣，导致缸套下止点附近磨损较为严重，而副推力面本身工况优于主推力面，上、下止点差异不大．此外，试验机活塞与缸套的配合校中，也会对不同区域磨损产生一定影响.从表面形貌参数整体趋势分析，不同表面织构缸套对应的3个表面形貌参数变化趋势几乎一致，上止点主推力面的S q 、S sk 和S ku (绝对值)大小顺序为原始缸套＞双纹缸套＞单纹缸套；上止点副推力面的S q 、S sk 、S ku 和S tr (绝对值)大小顺序为双纹缸套＞原始缸套＞单纹缸套，与图9所示上止点(360° CA )附近双纹缸套的接触电阻明显小于其他两组缸套的现象相符合．下止点主推力面的S q 、S sk 、S ku 和S tr (绝对值)大小顺序为原始缸套＞单纹缸套＞双纹缸套；下止点副推力面的S q 、S sk (绝对值)大小顺序为双纹缸套＞单纹缸套＞原始缸套；同时，图6e 、图6f 所示试验后双纹缸套表面较单纹缸套磨损更加严重．综上所述，整体上双纹缸套具有一定的减磨效果，但是在副推力面的上、下止点附近，双纹缸套局部磨损严重；而单（a ）上止点(主推力面) （b ）上止点(副推力面)（c ）下止点(主推力面) （d ）下止点(副推力面)图11 不同表面织构缸套表面形貌参数及活塞环磨损量对比Fig.11 Comparison of surface parameters after the test and piston ring wear loss of cylinder liner with different surface texturing。
