表面織構(gòu)技術(shù)在摩擦學(xué)中的應(yīng)用

表面織構(gòu)技術(shù)在摩擦學(xué)中的應(yīng)用

該系統(tǒng)的可靠性對于提高承受能力和服務(wù)年限非常重要。減少摩擦，提高能源利用率一直是摩擦手工人追求的目標(biāo)。傳統(tǒng)的摩擦學(xué)認(rèn)為,兩相互接觸的表面越光滑摩擦學(xué)性能越優(yōu)。但是,近年來的大量研究證明,表面并非越光滑摩擦學(xué)性能就越好,具有一定形貌的表面反而表現(xiàn)出更好的摩擦學(xué)特性。在摩擦副表面進(jìn)行造型的表面織構(gòu)技術(shù)由于能改善摩擦學(xué)性能而受到廣泛關(guān)注。表面織構(gòu),就是在摩擦副表面上加工出具有一定形貌的微凹坑或微凹槽,已被證明是提高表面摩擦學(xué)性能的有效手段。表面造型技術(shù)在計算機硬盤、推力軸承、機械密封、發(fā)動機系統(tǒng)等諸多方面也得到了成功的應(yīng)用。1.1表面織構(gòu)加工技術(shù)表面織構(gòu)形態(tài)特征的種類較多,目前研究的表面織構(gòu)類型主要包括:正六邊形微凸體、方形凸體、圓形凹坑、方形凹坑、平行凹槽、交叉網(wǎng)狀凹槽等,如圖1所示。其中以研究凹坑和凹槽為主,對凸體形貌的研究較少。隨著科技的發(fā)展,表面織構(gòu)的加工技術(shù)也越來越多,主要包括:激光表面造型技術(shù)(LST)、表面噴丸處理技術(shù)、反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)(RIE)、LIGA技術(shù)、電火花加工技術(shù)、超聲波加工技術(shù)、光刻技術(shù)、電子束刻蝕和壓刻技術(shù)等。噴丸處理對環(huán)境污染較大且精度不高;反應(yīng)離子刻蝕需要借助輔助裝置;LIGA技術(shù)加工成本高;電火花加工速度慢;超聲波加工凹坑形貌分布不能靈活設(shè)置且凹坑直徑過大;電子束和光刻技術(shù)的成本較高;激光表面造型技術(shù)由于加工速度快、可以在大氣環(huán)境條件下進(jìn)行且因?qū)Νh(huán)境無污染、制作簡單無需掩膜、加工成本較低、加工方便、效率高、應(yīng)用范圍廣等而得到了廣泛的使用。1.2載摩嘴唇和油液雙膜載力的作用在流體潤滑下,每一個凹坑都相當(dāng)于一個流體動壓潤滑軸承,在摩擦副相互運動過程中,增強了流體動壓力,促進(jìn)摩擦副表面形成流體動壓潤滑,進(jìn)而提高摩擦副表面的承載力和潤滑油膜剛度,實現(xiàn)減摩耐磨的作用,如圖2所示。在邊界潤滑下,隨著表面的磨損和變形,凹坑的體積縮小導(dǎo)致凹坑中存儲的油液流出,形成擠壓膜;在相對滑動過程中,存儲在凹坑中的潤滑油在摩擦力的作用下流出凹坑,起到對周圍表面的潤滑作用。在干摩擦下,表面織構(gòu)能夠起到儲存和容納磨屑的作用,減少由于磨屑的犁溝作用而產(chǎn)生的高摩擦磨損,如圖3所示。此外,表面織構(gòu)能夠減少摩擦副表面間的實際接觸面積,減少固體表面的直接接觸,減少表面間的粘著,達(dá)到降低摩擦、減小磨損的目的。2表面織物結(jié)構(gòu)對摩擦磨損性能的影響2.1接觸實驗設(shè)計目前進(jìn)行摩擦學(xué)實驗的實驗裝置主要包括:球-盤式接觸轉(zhuǎn)動運動,球-盤式接觸往復(fù)運動,銷-盤接觸轉(zhuǎn)動運動,銷-盤接觸往復(fù)運動,活塞環(huán)-缸套往復(fù)運動,以及面-面接觸平面往復(fù)運動,實驗裝置如圖4所示。其中以銷-盤試驗最為廣泛。2.2不同的參數(shù)對摩擦性能的影響大量的研究表明,表面織構(gòu)在改善摩擦磨損性能方面能起到積極的影響,但是它會受到織構(gòu)分布、織構(gòu)形狀、表面粗糙度、速度、載荷等因素的影響。2.2.1織構(gòu)化的影響不同的織構(gòu)分布對摩擦學(xué)性能有不一樣的效果。Etsion等的實驗研究表明,對平行止推軸承表面進(jìn)行部分激光造型有利于增加油膜厚度以及減小摩擦。馬晨波等的研究表明:富油條件下,上、下試件單表面織構(gòu)均能減小摩擦因數(shù),且上試件單表面織構(gòu)更有效;乏油條件下,下試件單表面織構(gòu)減小摩擦因數(shù),而上試件單表面織構(gòu)卻增大摩擦因數(shù);雙表面織構(gòu)在不同的潤滑條件下均不能減小摩擦因數(shù)。Costa等的研究表明:富油條件下,低面積率的圓形凹坑織構(gòu)無法提高表面的摩擦學(xué)性能;較高織構(gòu)密度的條狀溝槽(約為25%),垂直于運動方向時的摩擦因數(shù)大大減小,平行于運動方向時的摩擦因數(shù)不僅增大,且耐磨性差。于海武等對凹坑分布形式(如圖5所示)對織構(gòu)潤滑性能影響的研究表明,每個凹坑壓力的產(chǎn)生不是孤立的,它受到周圍凹坑的影響,在實驗的條件下,存在一個最優(yōu)的角度α=70°,使得量綱一平均壓力Pav最大。朱華等人對變密度圓凹坑在往復(fù)運動下減摩作用的研究結(jié)果表明,中間區(qū)域為低密度、兩端為高密度的織構(gòu)相比均勻分布時具有更好的減摩效果,反之則會得到相反的效果。2.2.2動壓潤滑的影響織構(gòu)的形狀對摩擦磨損性能有重要的影響。Shinkarenko等對光滑的橡膠表面和激光造型的硬質(zhì)表面在流體潤滑下的摩擦學(xué)性能進(jìn)行研究,結(jié)果表明:存在最優(yōu)的織構(gòu)面積密度和深徑比使得承載力最大,且減小了摩擦力。韓中領(lǐng)等對凹坑表面形貌在面接觸潤滑狀態(tài)下的減阻研究表明,在面接觸潤滑條件下,從乏油潤滑到全膜潤滑的過程中,當(dāng)凹坑深度和摩擦副間距大小相當(dāng)時(如圖6所示),摩擦阻力最小。Siripuram等對截面形狀分別為圓形、正方形、菱形、正六邊形以及正三角形的微凸體和微凹坑對動壓潤滑的影響進(jìn)行了實驗研究,結(jié)果表明:在深度不變的情況下,摩擦因數(shù)對截面形狀不敏感,但是對截面大小很敏感;泄漏率對截面形狀和截面大小都很敏感。Zum等對網(wǎng)狀溝槽和微凹坑的摩擦學(xué)性能進(jìn)行的研究表明,網(wǎng)狀溝槽具有更大的摩擦因數(shù)和更小的油膜厚度。2.2.3粗糙度的影響黃平等人研究了表面粗糙度對線接觸低彈性模量彈流潤滑性能的影響,結(jié)果表明:在小波數(shù)區(qū),粗糙度的峰高、波長和相位的變化對潤滑各特征膜厚的影響十分明顯,隨著粗糙度的波數(shù)增大,粗糙度的影響趨于穩(wěn)定;粗糙度峰高是使膜厚均值和幅值增加的根本因素,且膜厚均值和幅值基本上等于粗糙度幅值。王順等人的實驗研究表明,表面粗糙度幅值在混合潤滑時對摩擦力的影響較大,且隨速度增加而增強,邊界潤滑時影響很小。馬國亮等對不同粗糙度條件下硅橡膠表面織構(gòu)潤滑特性的研究表明,在較低的滑動速度下,表面織構(gòu)會增大光滑PDMS試樣的摩擦因數(shù),但是會降低粗糙PDMS試樣的摩擦因數(shù);當(dāng)摩擦副處于混合潤滑時,粗糙度并非越小越好,而是具有一個最優(yōu)粗糙度的范圍。2.2.4摩擦學(xué)性能分析速度和載荷也是重要的影響因素。Kovalchenkor等的結(jié)果表明:在較低滑動速度下,隨著速度的增加,各鋼盤的摩擦因數(shù)都減小,表面織構(gòu)增加了油膜厚度,所以織構(gòu)化鋼盤的摩擦因數(shù)明顯低于未織構(gòu)化鋼盤,但高密度織構(gòu)化鋼盤因為表面粗糙度的增加反而使摩擦因數(shù)增大;在較高滑動速度下,摩擦副表面都進(jìn)入完全流體潤滑狀態(tài),織構(gòu)化鋼盤和未織構(gòu)化鋼盤的摩擦因數(shù)相差不大;織構(gòu)化鋼盤在高速、高載和高黏度潤滑油下有更好的摩擦學(xué)性能。呂文斐等的研究表明,在Hersey數(shù)較小時,紋理表面試樣的摩擦因數(shù)不如光滑表面試樣,隨著潤滑劑黏度、運行速度的增大和載荷的減小,紋理的引入才能提高材料的摩擦學(xué)性能。王順等人的研究表明,在彈流潤滑下,摩擦因數(shù)隨著速度降低而減小;在混合潤滑下,摩擦因數(shù)隨著速度降低而增大;在邊界潤滑下,摩擦因數(shù)隨速度降低變化很小并趨于某一定值。3摩擦學(xué)性能研究主要考慮和提高表面織構(gòu)目前對表面織構(gòu)的研究成果主要包括:(1)在干摩擦條件下,表面織構(gòu)能夠容納磨屑、減少犁溝,提高摩擦副的耐磨性;在有潤滑劑的條件下,有利于形成流體動壓潤滑,起到提高表面承載力、耐磨性以及降低摩擦因數(shù)的作用。(2)織構(gòu)分布、織構(gòu)形狀、表面粗糙度、速度、載荷等對摩擦副摩擦學(xué)性能有很大的影響。(3)表面凹坑或凹槽可以儲存潤滑油,縮短形成潤滑油膜的時間,提高潤滑油膜的穩(wěn)定性,從而減少磨損、降低摩擦因數(shù)。從國內(nèi)外研究表面織構(gòu)對摩擦學(xué)性能的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢來看,已取得了豐碩的成果,但是缺乏系統(tǒng)性和綜合性,還需在以下幾方面進(jìn)行深入的研究和突破:(1)深入系統(tǒng)