表面异构微槽滑动副的动压润滑性能比较

张彦虎，华希俊，张宗涛，符永宏，2

（1江苏大学机械工程学院，镇江，212013；2弗吉尼亚大学工程与应用科学学院，弗吉尼亚州夏洛茨维市，22903）

表面异构微槽滑动副的动压润滑性能比较

张彦虎1，华希俊1，张宗涛1，符永宏1，2

（1江苏大学机械工程学院，镇江，212013；2弗吉尼亚大学工程与应用科学学院，弗吉尼亚州夏洛茨维市，22903）

为表面微结构的主动设计提供参考，采用基于纳维－斯托克斯方程的计算流体动力学方法，在垂直主流方向零压条件下对表面具有数种槽造型的滑动副进行全膜厚润滑分析。建立异形同尺度微槽几何模型，以牛顿流体和层流假设进行非光滑流场计算，在3种滑动速度下以造型壁面的剪应力和总压为基础讨论摩擦情况，并分析造型的诱导动压和润滑流场油膜压力极值位置，对比了不同造型对应润滑场的净黏性力。单向滑动工况数值模拟表明：不同类型槽的动压润滑性能差异显著；梯形类槽表现出较好的动压润滑性能，光滑壁面上各点相对摩擦因子最大值仅为0．54，非光滑诱导动压增量达13．8%，压力极值位置与理论支撑中心偏心率为7%。

造型表面；动压润滑；有限体积法；数值分析

随着摩擦学理论和实验技术的发展，表面规则造型成为显著改善摩擦副表面摩擦学性能的重要设计因素［1］。激光表面造型（laser surface texturing，LST）技术因具有非接触、高效、高精度和绿色环保等优势，得到较广泛的工程应用［2］，应用该技术在摩擦副表面加工出适当的表面形貌可起到实现微动润滑、储存润滑油及收集磨粒等功用［3－5］。H．L．Costa等［4］用针－盘试验表明表面适当造型能提高承载能力，降低剪切摩擦。同时，MEMS技术的发展对工作表面微造型的优化设计也提出要求［6］。然而，雷诺方程通常运用于随机粗糙模型，而人工主动设计的表面造型摩擦副呈一定的规则性［7］。另外，雷诺方程适用于雷诺粗糙度润滑分析，其基本特征为粗糙面的最大峰值应远小于油膜厚度，而人工表面造型的粗糙度不具有该特征［8］。胡勇等［9］以表面矩形造型为例，对比了雷诺方程和N－S方程，指出不宜采用前者分析造型壁面的动压润滑性能。

雷诺方程分析人工粗糙壁润滑性能的方法有一定的局限性，有学者采用计算流体动力学（computer fluid of dynamical，CFD）方法进行流体动压润滑研究。Petra［10］对矩形和样条形表面造型的非光滑润滑流场作了开拓性分析，提出CFD能可靠地模拟润滑工况，并就凹坑表面对滑动轴承的润滑影响做了研究，发现大、小收敛比时情况各异，但均可使摩擦系数减小。Fredrik Sahlin［11］采用二维CFD分析表面造型对滑动副动压润滑的影响，发现承载能力随雷诺数和造型槽的深度和宽度的增大而增强，而摩擦力随造型槽深度和宽度的增大而减弱。K．P．Gertzos［12］结合动网格技术和自定义函数对比分析宾汉姆流体和牛顿流体润滑的径向轴承，发现模拟结果与试验测试良好吻合。

基于CFD的N－S方程分析润滑问题的方法已经引起足够的重视，但目前还未就多种异构槽表面造型的滑动摩擦副的动压润滑性能给以分析，也未对两槽及多槽之耦合的动压润滑开展研究。本文选取发动机缸套／活塞环关键摩擦副进行润滑模拟分析。

1 模拟试验

1．1 试验条件

某型汽油发动机缸体内径d＝66mm，行程H＝74mm，曲轴转速为ω＝2500～5500r／min。下面对其表面造型后的低速润滑工况作数值模拟。

考虑到单个造型的尺寸微观性，忽略曲率半径的影响，近似地简化曲面型滑动副为平面型。选取相同水平的基本参数（hp、w、L和B）的6种表面造型，在3种剪切速度下，对比分析造型壁面的不同造型形貌对滑动副润滑性能的影响。6种造型分别为：圆弧型槽（AG）、等腰三角槽（IG）、样条型槽（SG）、普通三角槽（TG）、等腰梯形槽（IT）和直角梯形槽（RT），如图1所示。

图1 表面异构槽滑动副的截面示意图Fig．1Cross sketches of various micro－grooves textured on the sliding surface

1．2 计算方法

用CFD法结合N－S方程求解不同造型时的润滑流场，润滑油选择CFD计算模块中的机油，壁面材料为钢。设为压力入口、出口边界，且P1＝P2＝0［13］，计算流场工作压力置缺省值，即1atm，工作温度设为常温，即300K；壁面无滑移条件［14］，其中上壁面（光滑壁面）滑动，速度为u（文中依次选取u＝0．1m／s，0．6m／s，1m／s），下壁面（造型壁面）固定；考虑到两槽的耦合影响，在此未设置周期性边界条件。计算模型选取稳态层流，速度－压力耦合方程、SIMPLE算法［15］，激活能量方程，不考虑惯性力［8］，文中默认源项设置。

对CFD输出结果处理时，选取摩擦系数和动压力作为主要研究对象就非光滑摩擦副的润滑性能作以讨论。由文献［10］给出：

对式（1）、（2）作近似简化，可得摩擦系数

在此，取光滑壁面上的剪应力和总压力分别为τ值和p值，并定义摩擦因子。

式（3）中的W、F、τ、p 分别为单位宽度的油膜压力、摩擦力、剪切力和黏性压力。

对于非光滑诱导的动压力分析，选取入口处的初始动压pd0为参考，计算特征点（以无量纲位置x＊＝2x／L表示）处的相对动压因子p＊d＝pd／pd0。

1．3 数学模型

为单独讨论表面槽造型对动压润滑的影响，假设两工作面平行，即不考虑楔形效应。简化的滑动副如图2所示，并作如下假设：

1）沿z向压力为常数；2）忽略对流项；3）不考虑粘温、粘压效应；4）忽略彻体力。

描述润滑油流动的二维不可压缩N－S方程、连续性方程和能量方程分别如下：

式（8）中：h0为滑动摩擦副的基础理想化膜厚，hp为造型区的附加膜厚。

不同的造型直接对应不同的hp，从而对动压润滑性能产生不同的影响。

图2 表面某槽造型滑动副的流体润滑模型Fig．2One illustrated HL model of sliding tribo－pairs with micro－grooves

2 结果与分析

2．1 光滑壁面的相对摩擦

不同造型对应的相对摩擦因子f＊分布不同，其值在造型一区和二区的变化也不同。速度u＝0．1 m／s和0．6m／s时，圆弧凹槽两区的f＊基本不变，u＝1m／s时稍有减小；等腰三角槽从一区到二区的f＊极大值基本不变，极小值减小；样条型槽从一区到二区f＊减小，其幅度随速度的增大而增大；等腰梯形槽的f＊从一区到二区增大，幅度随速度增大而明显增大；直角梯形槽的f＊从一区到二区减小，且速度越大减小越多；普通三角槽的f＊从一区到二区增大。u＝0．6m／s时不同造型两区耦合所对应光滑壁面处的相对摩擦系数如图3所示。对同一造型而言，摩擦系数随着剪切速度的增大而明显地增大。

图3 u＝0．6m／s时光滑壁面上的摩擦因子Fig．3Schematic of f＊ on the upper at u＝0．6m／s

2．2 润滑场的净黏性力

动压润滑理论中，油膜承载的基础是润滑液流场存在黏性。在此选取上、下壁面黏性力的差值即净黏性力W＊为参考因子就承载能力作以讨论，图4是异构槽对应的润滑流场净黏性力。

图4 异构槽对应的润滑流场净黏性力Fig．4Schematic of the net visous force

由图4可知，不同造型时该值变化明显，3种剪切速度下同种造型槽对应的净黏性力大小相差甚远，且速度越大净黏性力也越大；相同剪切速度时，不同造型对应的净黏性力不同，其中样条型槽的最大，等腰梯形槽和圆弧槽次之，直角梯形槽、普通三角槽的较小，等腰三角槽的最小。

2．3 相对动压力的分布

槽造型壁面的非光滑在非零剪切速度下诱导动压产生，不同造型对应的相对动压力不同，等腰梯形槽的动压值在3种剪切速度下均最大，但波动最小；等腰三角槽和样条型槽的次之，圆弧槽造型的诱导动压最小，但其波动幅度较大；直角梯形槽的诱导动压值中等，但波动程度很大。另外，在不同的剪切速度下，多种造型非光滑诱导动压力的变化基本一致，但普通三角槽在u＝0．1m／s和u＝0．6m／s时相对其他造型产生的诱导动压力较小，而u＝1m／s时有明显增大。其中，滑动速度为0．1m／s时，光滑的滑动壁面上产生的诱导动压如图5所示。

图5 u＝0．1m／s时光滑壁面上相对动压力Fig．5Schematic of Pd＊ on upper at u＝0．1m／s

2．4 油膜极值压力位置偏移分析

为保持力矩平衡，摩擦副工作表面上所承受的压力极值位置应与理论上的支撑中心应重合。平行两板形成的滑动副的理论支撑中心在几何中心处，维持动压润滑过程稳定。表面造型改变了光滑工作面上压力峰值位置，不同造型时如图6所示。

图6 异构两槽对应的压力极值位置Fig．6Critic point of preesure for two grooves

由图6可见两槽区的变化不同：第1槽区，条型槽的偏离程度最大，接近于56%，三角槽的最小，但也接近39%；第2槽区，样条型槽的偏离程度亦最大，接近于32%，而直角梯形槽造型压力极值位置与支撑中心偏距最小，其值接近于7%。

综上对不同参数的讨论，不同的造型在不同的动压润滑因素方面优劣不同，为此，选取摩擦因子（权重为0．4）和承载能力（动压力权重为0．3；净黏性力权重为0．3）为主要因素，对影响动压润滑性能至关重要的参数进行因素水平评价，如表1所示。通过加权分析可知，梯形类表面造型槽对动压润滑的积极影响较大。

表1 评价表面不同槽造型动压润滑性能的因素水平Tab．1Level of factors on valuing HL performance for various micro－groove

3 结论

1）直角梯形槽平均相对摩擦因子最小；样条型槽对应的润滑场净黏性力最大；等腰梯形槽的诱导动压力最大，且变化平缓；直角梯形槽对应的油膜相对稳定性最好。综合分析，梯形类表面微槽造型的动压润滑效果较好。

2）在3种剪切速度下对比6种表面槽造型的动压润滑性能发现，随着相对滑动速度的增大，摩擦因子和承载能力都增大。

3）壁面传热对润滑性能影响很大，计算中尽管引入了能量方程，但并未对温度参数给予讨论，故需进一步研究粘温效应的影响。

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Lubricity Comparison of Various Micro－grooves on
a Flat Surface of Sliding Tribo－pairs

ZHANG Yanhu1，HUA Xijun1，ZHANG Zongtao1，FU Yonghong1，2
（1School of Mechanical Engineering，University of Jiangsu，Zhenjiang 212013，China；2School of Engineering ＆ Applied Science，University of Virginia，Virginia 22903，U．S．A）

For the purpose of adaptive design of micro－structures on working surfaces，influence of microgrooved surfaces one of sliding tribo－pairs of plain pads on hydrodynamic lubrication were analyzed，Navier－Stokes equations were used，zero－load in the vertical direction to sliding of wall were supposed，and laminar model and SIMPLE algorithm in Control Volume Method were adopted．To begin with modeling of kinds of micro－grooves，and then chose series of computing models to solve，respectively．For various textures，load supporting capacities of oil－film were calculated in the form of a net viscous force，friction coefficient and dynamical pressure of the viscous film fluids were compared．It was found that SG－groove showed a good load－supporting capacity，RT－groove expressed a lower friction coefficient（f＊max＝0．54）and owned a most stability of film thickness（ε＝7%），IT－groove＇s dynamical pressure was a larger one in the process of single－direction sliding．Level of various factors comparison concomitantly，trapezium grooves textured on the sliding face of tribo－pairs were more helpful for hydrodynamic lubrication．

texturing surface；hydrodynamics lubrication；control volume method；numerical analysis

TH117

A

2009－09－04

江苏省六大人才高峰项目（08－B－04），中国兵器装备集团公司技术创新资金项目（Q10090561），中国博士后基金项目（20070420190），教育部留学回国基金（留2007－1108号）。

张彦虎（1985－），男，硕士研究生，专业方向为表面激光微造型与摩擦学设计；e－mail：zyh4014＠163．com。