表面织构化磁流体滑动轴承的研究现状及进展

徐莹，王优强，赵涛

(1.青岛理工大学 机械与汽车工程学院，山东 青岛 266520；2.工业流体节能与污染控制教育部重点实验室，山东 青岛 266520)

滑动轴承广泛应用于各种机械的旋转装置中，在机械加工、医疗、电力、航空航天等领域起着非常重要的作用。在许多尖端领域，普通的旋转机械不能满足精度高，稳定性好的要求，磁流体是20世纪40年代被发现并于60年代获得应用的一种新型液态磁性材料，其由磁性颗粒、表面活性剂和基载液3部分组成，具有磁性和流动性双重特性。作为一种多功能润滑剂，磁流体具备优异的减摩性能，能满足滑动轴承高精度的性能要求[1-3]。2009年以来，我国对磁流体在机械领域的研究取得了一定的成果，磁流体滑动轴承在一些高精密仪器中得到了广泛应用[4]，如高速多边形扫描仪、光盘驱动器、录像机磁头旋转组件、视频记录仪气缸马达、陀螺仪等。

对于不同材料的滑动轴承，摩擦学性能的差异限制了其在苛刻条件下的工程应用[5]。表面织构技术由于加工方便、快速且清洁环保，在减摩领域受到广泛关注。在滑动轴承的摩擦副表面进行微织构优化设计能够改善其摩擦性能并节约能耗，但优化设计准则还不够明确[6-10]，因此，深入研究织构化滑动轴承的润滑性能，有利于优化织构设计，提高滑动轴承的工作性能。

鉴于磁流体特殊的润滑机制以及表面织构的储油减摩作用，本文对磁流体的影响因素以及表面织构形貌(形状、深度、排布方式等)和面积率对滑动轴承润滑性能的影响进行分析并指出当前存在的不足，通过分析磁流体与织构协同作用的研究现状，探讨表面织构影响磁流体滑动轴承润滑性能的机理，对表面织构化磁流体滑动轴承的应用前景进行展望。

1 磁流体滑动轴承研究现状及存在的问题

磁流体滑动轴承是以磁流体代替传统润滑剂进行润滑的滑动轴承，是20世纪60年代配合核动力技术发展起来的新型轴承。磁流体是将包裹着表面活性剂的纳米磁性固体颗粒均匀分散在液体载液中而形成的稳定的固液相混的胶状液体，具有很好的润滑性能[11-12]，磁流体润滑的主要优点如图1所示。

图1 磁流体润滑的主要优点Fig.1 Main advantages of magnetic fluid lubrication

在无外加磁场时，磁流体不表现磁性，呈现自由流动的液态，具有润滑功能；而在有外加磁场作用时，磁流体表现为超顺磁性，其黏度在一定范围内受外部磁场和磁性纳米颗粒的影响。基于上述特性，将磁流体用于滑动轴承润滑方面的研究成为热点。相对于普通滑动轴承，磁流体滑动轴承具有制造成本低，旋转精度高，噪声小，可自密封等优势，有很好的应用前景。

1965年，美国国家航空航天局首次将磁流体应用于宇航服和太空船可动部分的真空密封，在失重状态下起到了非凡的作用，至此磁流体成为了全世界广受瞩目的新型液体材料。20世纪70年代开始，磁流体转入民用，其制备方法也不断改进。与此同时，人们对磁流体轴承各种特性的理论研究也在不断加深，有学者对磁流体轴承的动态特性以及设计应用进行了系统概括，指出磁流体自密封效果很好地弥补了轴承的重力、离心力、振动以及冲击造成的泄漏，且磁流体作为润滑剂能提高轴承的承载能力[13-14]。

我国自20世纪70年代开展了对磁流体的研究并取得了巨大成就，其应用技术不断发展，在密封、轴承方面的应用也日渐成熟；但由于起步较晚，实力相对较弱，在磁流体的制备工艺和理论探索方面与国外尚有较大的差距。随着高速、高精度滑动轴承需求的增多，需要加快磁流体滑动轴承润滑性能的研究步伐，为制造业的智能化发展奠定理论基础。

1.1 外部磁场的影响

相对于单独的载液，即使在没有磁场的环境下，磁流体也具有较强的摩擦学性能。在外加磁场的作用下，各磁性颗粒被磁化并朝着外磁场的方向偏转，磁性颗粒发生旋转形成载液涡旋，致使磁流体黏度增大，从而提高轴承的承载力。文献[15]通过弹流润滑数值模拟对比了有无磁场作用下水基磁流体滑动轴承的膜厚和油膜压力，发现磁场作用下水基磁流体的膜厚比无磁场作用时有所增加，但压力没有明显变化。文献[16]研究了长径向轴承磁场分布均匀度对油膜承载力的影响，结果表明相对于均匀磁场，非均匀磁场可以提高油膜的承载力。

磁场对磁流体黏度的影响很大，文献[17]采用有限元分析方法设计了外加磁场并对轴承内部的磁场分布进行分析，结果表明在外加磁场的作用下，磁流体轴承润滑黏度发生变化，同时其承载能力相较于传统润滑轴承得到了提高，适用于高温、高速工况。文献[18]利用MATLAB计算所需要的主要参数并建立了磁流体滑动轴承静/动特性模型，试验结果表明磁流体的黏度随磁场的增强而增大，随温度的提高而降低。

目前研究采用的磁场源大都是永久磁铁，相应的磁流体滑动轴承的典型结构如图2所示[19]，其磁场强度的变化不易控制。有学者结合直流励磁电路进行研究：文献[20]设计了非接触式磁流体密封结构，利用电流改变磁场强度实现对磁流体膜黏度的控制；文献[21]对通电导线外加磁场的滑动轴承模型进行研究，发现单根导线所产生磁场强度的作用区域都较小，局部磁场强度的骤变还可能影响油膜稳定性；由于螺线管磁场和亥姆霍兹磁场可以在不均匀的区域产生不均匀的磁场，文献[22]通过数值仿真分析了永磁铁模型、螺线管模型和亥姆霍兹模型在油膜区的分布情况，结果表明这3种模型在靠近衬套或轧辊边缘处的磁场分布规律大体一致，都沿轴向呈现中间小，两端大的趋势，靠近轴承端部的磁场变化较明显，起到密封作用。

1—套管；2—永磁体；3-磁流体；4—非铁磁性定位环；5—轴。(a) 径向磁流体滑动轴承

磁场强度能够改变磁流体的黏度和油膜压力，从而引起磁流体滑动轴承润滑性能的变化，因此，实现磁场强度的可控调节并合理进行磁场分布将是未来研究的关键。

1.2 磁性纳米颗粒的影响

磁性颗粒所占的体积分数和磁粒大小是影响磁流体黏度的关键因素，磁性纳米颗粒受外磁场的作用会产生旋转和位移，从而影响轴承的润滑性能：文献[23-24]研究了磁性纳米颗粒直径以及基载液中颗粒浓度对滑动轴承润滑性能的影响，发现磁性纳米颗粒浓度的影响更大，并在此基础上深入研究了纳米磁性颗粒受磁场力产生旋转效应对滑动轴承润滑性能的影响；文献[25-26]对多孔材料磁流体滑动轴承的摩擦副表面进行研究，计算发现纳米磁性颗粒的旋转效应对轴承承载力、油膜支承力和压力分布等有着显著影响；文献[27-28]对平行圆盘之间以及球体与板之间的挤压流进行分析和计算，预测滑动轴承承载力随着纳米磁性颗粒浓度的增加而提高；文献[29]根据Shliomis模型建立了磁流体滑动轴承运动状态下的修正Reynolds方程，研究表明磁性纳米颗粒的旋转效应可提高轴承的刚度，从而提高承载力，而且可以通过影响磁流体动态阻尼特性提高油膜支承力；文献[30]以Shliomis模型为基础，综合考虑了磁性纳米颗粒的旋转黏度效应对滑动轴承动力学特性的影响，得到了轴承稳定性随磁性颗粒浓度和磁性颗粒旋转效应的变化规律，为确保轴承承载力与运转平稳性之间的平衡提供了理论基础。

当前，纳米磁性颗粒大多使用Fe3O4纳米粒子[31]，对Ni-Fe[32]，Co[33]和ε-Fe3N[34]等其他种类纳米磁性颗粒性能的研究较少；制备饱和磁化强度较高，具备超顺磁性纳米颗粒的磁流体，是轴承润滑研究的一个重要方向。

1.3 基载液的影响

磁流体的基载液主要有煤油、烃类、水、有机溶剂和磁性液体等，同一种磁性颗粒融入不同的基载液会呈现不同的润滑效果：文献[35]研究了不同基载液的磁流体对钛合金表面润滑性能的影响，发现基载液极性不同会造成不同的润滑效果，极性磁性颗粒的减摩作用会进一步增强，而非极性磁性颗粒则没有明显的减摩作用。近年来，磁性离子液体由于优良的热稳定性和良好的溶解性而受到学者们的关注：文献[36]对离子液体基磁流体在磁场、载流以及磁场-电流耦合工况下的润滑特性进行了系统研究，发现离子液体基磁流体的润滑性能仍然与外部磁场、磁性颗粒体积分数和磁粒大小有关；文献[37]通过试验对比了磁性离子液体与传统磁流体的摩擦学性能，发现磁性离子液体在不同载荷和滑动速度下均具有更好的摩擦学性能。

磁流体的基载液主要是油基载液、水基载液和离子液体载液，其中离子液体载液的磁流体常用于空间润滑，关乎航天器的基础技术，具有较大的研究空间。另外，基载液与表面活性剂的可溶性决定了磁流体的润滑特性，开发极优性能的磁流体并满足不同工况的要求是研究的新思路。

2 表面织构化滑动轴承研究现状及存在的问题

表面织构具有改善润滑的特性，已成为高精机械节能降耗的有效手段。在滑动轴承的应用中，通常在轴瓦或轴颈表面加工微凹坑或者微沟槽，表面微织构在轴瓦上的分布示意图及几何模型如图3所示[38]。在全膜润滑和混合润滑状态下，表面织构可以起到微小流体动压润滑作用，产生附加油膜压力，从而提高轴承承载力；在边界润滑状态下，表面织构能够储存和补充润滑介质，产生“二次润滑”；在干摩擦状态下，表面织构能够捕获磨损颗粒[39-43]，提升润滑状态。合理的表面织构优化设计能够起到减摩、润滑、节能的作用，但目前的优化设计准则还不够明确[44-45]，因此，研究织构化滑动轴承的润滑性能有利于优化织构设计，进一步提高滑动轴承的工作性能。

图3 轴瓦上的微织构分布示意图及滑动轴承的几何模型Fig.3 Diagram of microtexture distribution on bearing bush and geometric model of sliding bearing

2.1 表面织构形貌的影响

表面织构形貌包括凹形、凸形和鳞片形等，目前在滑动轴承上应用的主要是凹坑形和凹槽形。研究表明，织构形貌的大小、深度和分布位置对滑动轴承润滑性能有不同的影响。

对于表面织构形状的影响：文献[46]研究了球形、椭圆形、椭球形、V形、圆形和三角形这6种凹坑织构的密度分布对滑动轴承承载力的影响，结果表明椭球形织构的减摩性能最好，能够显著提高轴承承载力；文献[47]设计了深度相同的5种基本凹坑形状，建立了8种织构形貌模型，利用CFD模拟研究了不同织构形状对油膜压力的影响，发现方形凹坑油膜压力最高，能够显著提高轴承承载力。

表面织构深度的变化会产生楔形效应或逆流现象，从而影响轴承的润滑性能，对于特定形状和尺寸的织构，存在最优织构深度使轴承润滑性能最好。文献[48]采用基于N-S方程的CFD方法研究了圆弧形凹槽织构的深度对油膜承载力的影响，凹槽表面织构单元以及不同织构深度对应的承载力如图4所示，织构深度约4 μm时油膜承载能力最强。上述研究把微凹槽和凹坑看作等深度、等宽度的有规律排列，而织构最优深度的范围还与截面的形状有关。文献[49]在轴瓦表面设计出多列矩形凹坑和单列矩形凹槽(图5)，并将每个矩形织构截面又设计为矩形、半圆形和锥形等不同形状，研究不同分布形式的微织构在给定载荷和转速条件下对滑动轴承润滑性能的影响，结果表明：无论是普通矩形截面还是沿轴线方向渐变的圆弧形截面，单列矩形凹槽织构的润滑效果均优于多列矩形凹坑，同时，圆弧形截面的最佳深度略大于矩形截面。

(a) 凹槽表面织构单元

(a) 矩形凹坑

除了分析凹坑、凹槽的单一、规则几何形状织构外，学者发现不规则复合织构具有更优的润滑减摩性能：文献[50]在动压滑动轴承内表面制备了人字形微织构，试验表明这种织构化轴承具备强大的稳定性能；文献[51]研究了人字形、锯齿形、椭圆形的排列纹路对滑动轴承性能的影响，结果表明，施加在流体动压滑动轴承运动部分的纹理影响轴承的静态参数(偏心距、偏位角和驱动力矩)，具体影响取决于不对称纹理(锯齿形和人字形)的运动方向。

对织构形貌影响的研究表明：对于规则形状织构，矩形织构的承载能力比其他形状织构的承载能力更高；对于不规则形状织构，其摩擦学性能在特定条件下优于规则织构。然而，目前关于织构形貌影响的研究大多集中在单一织构，对于复合不规则织构的研究较少，复合织构类型也比较单一；随着对表面织构技术研究的深入，多类型、不规则复合织构的滑动轴承将因优良的润滑性能具备更广泛的应用前景。

2.2 表面织构面积率的影响

在滑动轴承中，织构面积率通过产生附加流体动压效应影响轴承的承载能力，当织构的深径比不变时存在最优面积率。文献[52]采用摩擦磨损试验机研究不同面积率、深径比时动压滑动轴承的摩擦学性能，其中面积率20%时不同深径比下动压滑动轴承的摩擦磨损如图6所示，并非面积率和深径比越大时磨损越小，当深径比β=0.12，面积率SP=20%时减摩效果最佳。文献[47]利用CFD分析了滑动轴承凹坑面积率与膜压的关系，结果表明膜压与凹坑面积率成正比，但高度密集的凹坑可能会导致应力集中，从而加重磨损。文献[53]采用网格技术建立了有限元模型，详细分析了织构的形状、尺寸和分布对滑动轴承动力学性能的影响：在特定的参数下，织构面积率和周向位置分布对滑动轴承阻尼系数的影响很大，其他织构特征的影响则不明显。

(a) 面积率与磨损量和摩擦因数的关系

综上分析可知，织构的面积率与深径比对轴承的摩擦磨损和动力学性能都有很大的影响，存在一个最佳的织构深度和面积率，合理选择特定工况下的几何参数对织构的优化设计至关重要。

2.3 表面织构布置方式的影响

全织构、局部织构、无织构这3种不同布置方式滑动轴承的润滑性能存在差异：文献[54]对无织构和局部矩形织构的推力瓦滑动轴承的润滑性能进行了对比试验，结果表明在低转速、高载荷条件下，局部织构表面的摩擦力矩最高可比无织构表面减小32%，而且低转速下无织构和局部织构表面的摩擦力矩均比高转速时大；文献[55]研究了织构布置对滑动轴承承载能力和摩擦因数的影响，发现全织构轴承在混合润滑状态下的承载力最小，且摩擦因数比无织构时更低。

在滑动轴承运转时，轴承间隙会产生油膜收敛区和发散区，受力时会有承载区和非承载区，不同织构布置方式会产生不同的润滑效果。文献[56]采用基于N-S方程的CFD技术建立了三维织构化滑动轴承的仿真分析模型，分析了微织构的分布位置，形状和尺寸对轴承承载能力的影响，研究发现只有在轴承主要承载区附近布置微织构才能提高轴承承载能力，且当微织构布置于有利于提高滑动轴承性能的位置时存在一个最优的轴向分布密度、宽度和深度，使滑动轴承承载力最大，这一机理为滑动轴承表面织构的优化设计提供了理论指导。文献[57]探究了织构布置方式对钻头滑动轴承承载力和摩擦因数的影响，结果表明织构布置在油膜收敛区和最小油膜厚度附近区域有利于增强轴承表面润滑性能，织构布置在油膜发散区反而会减小轴承承载力，增大摩擦因数。

目前，在织构形貌、面积率及布置方式方面的研究较多，但由于试验存在一定困难，大多为理论仿真研究，有些从摩擦力和摩擦因数角度进行评价，有些则从润滑膜的承载能力和油膜厚度进行评价，为确定特定工程应用中最佳织构特征，优化织构设计方案提供了坚实的理论基础。

3 表面织构与磁流体减摩润滑协同作用研究现状及存在的不足

磁流体具备独特的减摩润滑优势，优化的表面织构在磁流体润滑中仍会产生流体动压润滑效应，起到二次润滑和储存磨削颗粒的作用：因此，合理的表面织构与磁流体润滑协同作用，在合适的条件下会出现“1+1>2”的效果。并不是表面越光滑润滑效果越好，具有一定粗糙度的表面会产生磁流体微循环效应，从而起到更好的减摩润滑效果。文献[58]研究了表面粗糙度对磁流体作用下短径向轴承润滑性能的影响，数值分析表明，在磁流变载荷作用下，径向表面粗糙度可以提高轴承的承载能力，降低轴承的摩擦因数，横向表面粗糙度则对滑动轴承润滑性能有相反的影响。文献[59]研究了轴承摩擦副表面微孔的润滑性能，发现每个微孔在转轴转动时相当于一个微小的滑动轴承，孔周围会产生具有动压效应的磁流体薄膜，表现出显著的润滑性能。基于表面织构与磁流体润滑相结合的思路，文献[60]分析了矩形单谷、V形单谷和正弦形单峰3种表面织构对水基磁流体滑动轴承弹流润滑性能的影响，通过计算润滑膜压力和膜厚发现：在单峰微形貌时，水基磁流体润滑膜出现局部压力峰，相应膜厚减小；在单谷微形貌时，水基磁流体润滑膜的局部压力峰减小，相应膜厚增大。在实际工程应用中，精密滑动机构常出现“冷焊”及低速状态下的“爬行”现象，文献[61]提出了一种基于磁流体密封的液/气混合支承与润滑轴承结构，发现磁流体液环密封结构形成的液-气混合支承力显著高于单一液体支承，并在表面嵌入正方形点阵多环阵列排布，从而避免摩擦副直接接触，在静止或低速状态下实现了低摩擦。

磁性表面织构设计实现了织构润滑与磁流体润滑的有机结合，考虑到磁场布置需要一定的空间，可在滑动轴承的摩擦副表面制备微凹坑的永磁体单元阵列，使其在微小机械空间产生周期性的高效磁场，兼具表面织构和磁流体效应的双重优化性能。文献[62]在摩擦副表面加工出微凹坑表面图案，并在每个图案中沉积永磁体以形成磁性表面织构，磁流体润滑剂由于磁力作用被持久地吸附于摩擦界面，甚至对另一个表面产生支承力，试验结果表明磁性表面织构在磁流体润滑时有利于在低滑动速度下形成有效润滑。文献[63]测量了磁性表面织构的磁流体接触角，着重研究了表面磁性能的静摩擦力影响，并对不同工况、不同织构类型滑动轴承的摩擦学性能开展了对比研究。

有学者通过对磁性表面织构的润滑性能进行试验研究探究其润滑机理。文献[64]采用自制的球-盘摩擦试验机对比研究了不同速度下无织构表面、普通织构表面、磁性织构表面之间磁流体润滑摩擦学性能的差异，结果如图7所示：在低速条件下，无织构试样的摩擦因数波动较大，普通织构由于储油作用而降低了摩擦因数，磁性织构表面的摩擦因数及其波动均最小，这是由于磁性表面织构除了具有储油作用外还能通过磁力作用将润滑液吸附在摩擦副表面，有利于在低速条件下形成充分的润滑；在高速条件下，各类试样的润滑性能比低速条件时均有显著提升，这是由于在高速条件下产生了流体动压效应，在一定程度上与Stribeck曲线[65]一致。文献[66]采用球盘试验对磁流体润滑的磁性织构摩擦学性能进行了研究，结果表明磁性织构可以提升高速低载工况下轴承的润滑性能，而且在较高的滑动速度下能够减小摩擦。文献[67]研究了磁性织构几何参数对轴承润滑性能的影响，利用有限元分析了不同直径和面积比时磁性表面织构的润滑性能，凹坑边界磁场强度与凹坑直径的关系(图8)表明， 不同直径凹坑的平均磁场强度不同，当凹坑直径为400～800 μm时，凹坑边界上的平均磁场强度达到最大，此时吸引磁流体的效果最明显；凹坑直径400 μm，载荷20 N的条件下，织构面积率与摩擦因数的关系如图9所示，结果表明织构面积率为5%～10%时摩擦因数较低。

(a) 低速条件(2 N，0.006 m/s)

图8 不同直径下的凹坑边界平均磁场强度Fig.8 Average magnetic field strength on pit boundary under different diameters

图9 织构面积率与摩擦因数的关系Fig.9 Relationship between texture area ratio and friction coefficient

随着研究的不断深入，表面织构与磁流体润滑的协同作用也体现在其他研究中：在密封领域，文献[68]发明了一种带有表面织构的磁流体密封装置，其在腔内的密封段设置了条形凹槽织构，将织构布置在密封段外周面上以增强密封的耐压能力，提高了密封效果；在磨削领域，文献[69-70]将其应用于刀具的优化设计中；在机械领域，文献[71]发明了一种磁性表面织构的磁流体齿轮。

在润滑领域，从当前的研究可以看出表面织构与磁流体减摩润滑协同作用具有很好的减摩润滑效果，且存在最佳织构几何参数使润滑性能最优，这将为表面织构化磁流体滑动轴承的研究和设计提供经验借鉴和理论基础；然而，当前的研究还处于初级理论阶段，大多属于重复性试验，理论建模和设计并没有大的突破，需要建立更精确的理论模型以评判织构形状、深度、直径、面积率等几何参数对磁流体滑动轴承润滑性能的影响，同时进一步探究不同工况下织构化磁流体滑动轴承的减摩机理。

4 总结与展望

尽管磁流体滑动轴承和表面织构化滑动轴承的研究取得了很多成果，但这些研究也存在一些不足之处：

1)对磁流体滑动轴承影响因素的研究已趋于成熟，但还有许多因素(如外磁场方向、基载液、摩擦副材料匹配性、轴承结构参数等)会对其性能产生影响，仍需进一步研究。另外，需拓宽磁流体的种类，特别是研发满足各类工况的低成本磁性液体；而且不同纳米磁性颗粒融入不同基载液会形成润滑性能不同的磁流体，需研究不同组合的磁流体润滑性能。

2)表面织构选择不佳甚至可能导致轴承性能下降，而表面织构的优化设计涉及大量参数，通常需要使用高级计算模型，因此，表面织构的成功应用在很大程度上依赖于系统、准确的数学模型，能够在各类工况下准确评估表面织构对轴承性能的影响。

3)基于磁流体微循环效应等理论研究基础，已经对表面织构与磁流体润滑的协同作用进行了初步探究；但目前对表面织构化磁流体滑动轴承的研究缺乏理论模型和仿真计算，需要建立精确的理论模型来评判不同织构的分布、形状以及几何参数对磁流体滑动轴承润滑性能的影响，进一步明确磁流体作用下表面织构化滑动轴承的润滑机理。

鉴于以上研究的不足，深入探究表面织构与磁流体润滑的协同作用机理，拓展表面织构在磁流体滑动轴承上的应用是未来的研究课题，并具有广阔的应用前景。