1、2023 年 2 月第 48 卷 第 2 期润滑与密封LUBICATION ENGINEEINGFeb.2023Vol.48 No.2DOI:10.3969/j.issn.02540150.2023.02.010文献引用:李直，徐志明，杜溢渊，等弹流润滑条件下织构表面亚表层特性研究 J 润滑与密封，2023，48(2):7074Cite as:LI Zhi，XU Zhiming，DU Yiyuan，et alStudy on subsurface properties of textured surfaces under elastohydrodynamic lubrication J Lub
2、rication Engineering，2023，48(2):7074*基金项目:山西省应用基础研究计划青年科学研究项目(20210302124320);太原科技大学研究生创新项目(XCX212046)收稿日期:20211122;修回日期:20211210作者简介:李直(1988)，男，博士，副教授，研究方向为考虑表面形貌效应的摩擦学设计。Email:lizhi2qn 。弹流润滑条件下织构表面亚表层特性研究*李直1徐志明1杜溢渊1乔旭钱1刘焜2(1.太原科技大学机械工程学院山西太原 030024;2.合肥工业大学机械工程学院安徽合肥 230009)摘要:为研究在弹流润滑状态下表面形貌对亚表层
3、特性的影响，利用激光加工方法获得 2 种微凹坑型织构表面形貌，通过将实测的表面形貌坐标输入弹流润滑数值计算程序得到油膜压力和膜厚分布;以对应工况的油膜压力作为表面法向压应力，利用 abinowicz 经验公式算出剪切应力;将表面法向压应力和切向剪应力叠加后对弹流润滑界面亚表层特性进行仿真研究。结果表明:表面织构使亚表层应力分布发生显著改变;微凹坑直径、卷吸速度对亚表层应力的大小与分布有不同的影响;亚表层变形在摩擦过程中呈现随深度增加先缓慢减小后快速下降的规律，研究结果将为通过表面形貌设计改善轴承等零件受力状况提供理论支持。关键词:弹流润滑;表面织构;亚表层;应力分布;应变深度中图分类号:TH1
4、17.2Study on Subsurface Properties of Textured SurfacesUnder Elastohydrodynamic LubricationLI Zhi1XU Zhiming1DU Yiyuan1QIAO Xuqian1LIU Kun2(1.School of Mechanical Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan Shanxi 030024，China;2.School of Mechanical Engineering，Hefei University
5、of Technology，Hefei Anhui 230009，China)Abstract:In order to study the influence of surface topography on subsurface characteristics under the condition of elas-tohydrodynamic lubrication，two kinds of micropitted texturing surface topography were obtained by laser machining meth-odThe oil film pressu
6、re and film thickness distribution were gained by substituting the measured surface topography datainto numerical calculation procedure of elastohydrodynamic lubricationThe oil film pressure of corresponding operatingcondition was treated as the surface normal compressive stress，and the shear stress
7、 was calculated by using abinowicz em-pirical formulaThe subsurface characteristics of the elastohydrodynamic lubrication interface were simulated by superimpo-sing the surface normal compressive stress and tangential shear stressThe results show that the surface texture obviouslychanges the stress
8、distribution of subsurface layerThe influences of micropit diameter and entrainment velocity on themagnitude and distribution of subsurface stress are differentIn the process of friction，the deformation of subsurface decrea-ses slowly at first and then rapidly with the increase of depthThe research
9、results will provide a theoretical support for thedesign of surface topography to improve the stress conditions of bearing and other mechanical partsKeywords:elastohydrodynamic lubrication;surface texture;subsurface;stress distribution;the depth of strain世界上大约80%的机械零件失效都来源于摩擦副间相对运动造成的摩擦、磨损，造成了严重的经济损
10、失13。有研究表明，很多机械零件的疲劳损坏是从亚表层萌生裂纹并延伸的，为了延长零件的工作寿命，必须关注摩擦副工作过程中的亚表层特性。在弹流润滑条件下，表面形貌不仅影响油膜厚度和压力分布，还与亚表层特性在摩擦过程中表现出非常明显的耦合效应47。近年来，国内外学者对表面形貌影响亚表层特性这一问题做了许多研究工作。LOENZ 等8 建立了连续损伤力学有限元模型，研究表面形貌对滚动接触疲劳寿命的影响，研究发现，在引入表面形貌的影响之后，亚表层结构呈现明显的裂纹网状结构，并最终出现亚表层失效。STOUDT 等9 利用一种基于三维矩阵的统计方法建立了表面形貌参数与亚表层剪切应力分布之间的关系，从而可有效研
11、究表面形貌和亚表层特性的相互影响作用。MENEZES 等10 研究了织构表面形貌对亚表层变形的影响，发现亚表层变形在摩擦过程中呈现随深度增加而逐渐减小的规律，而塑性应变梯度的大小和变形层的深度都取决于织构表面形貌。闫晓亮11 在考虑非牛顿和表面形貌效应的混合润滑研究基础上，提出了三维亚表层应力和疲劳寿命预测方法，发现在混合润滑状态下，随着粗糙表面由纵向纹理特征转为横向纹理特征，亚表层应力减小而疲劳寿命增加。以上的研究已经证实了表面形貌和亚表层特性之间存在密切关系。设计合理的表面织构已被证明可以显著改善接触面间的摩擦学性能，因此得到了广泛的应用1214。然而，目前表面织构技术主要应用于面接触摩擦
12、副，制约其在弹流润滑界面上应用的重要因素就是织构表面形貌是否会影响界面亚表层特性15，对该问题的研究需要进一步的数值仿真及试验来验证和补充。本文作者以点接触摩擦副为研究对象，利用激光加工法制造了 2 种织构形貌，通过三维光学形貌仪获取表面形貌三维坐标，并结合弹流润滑数值计算结果和 Abaqus 软件建立了亚表层应力场模型，从而研究织构表面形貌特征对亚表层应力分布和应变深度的影响，分析弹流界面摩擦过程中的亚表层特性变化趋势，为弹流润滑表面的织构形貌设计提供了参考。1亚表层计算模型的建立1.1织构表面形貌为了研究不同表面形貌在弹流润滑条件下对亚表层特性的影响，利用激光加工方法制造了 2 种微凹坑占
13、有率为 14%的表面形貌，并使用一个光滑表面试件作为对比试样。加工过程中，通过控制激光打标参数在试件上均匀制造出直径分别为 80 和 110 m、深度为 2 m 的 2 种微凹坑，并分别命名为 LST80 和LST110。光滑表面试样表面算术平均值 Sa为 0.18m。试样材料选用 40Cr，弹性模量为 210 GPa，泊松比为 0.3，表面硬度为 3236HC。织构加工完成后，由于会有碎屑残留在表面，所以使用不同型号的金相砂纸对表面进行精细打磨，并配合使用金相显微镜和二维轮廓仪观察打磨效果。打磨至微凹坑表面残留熔融金属完全去除后，再使用丙酮进行超声清洗，确保去掉打磨过程中留下的残渣。制造好的
14、织构表面形貌如图 1 所示。图 1LST80 和 LST110 表面形貌图Fig.1Surface topography of LST80(a)and LST110(b)试件加工完成后，利用 Talysurf CCI lite 非接触式三维光学形貌仪对各试件进行表面形貌测量。选取采样区域面积为 820 m820 m，测量三维形貌坐标个数为 512512=26 624 个。从 ISO 25178 中选取相应三维形貌参数对织构表面形貌进行表征，测量结果如表 1 所示。表 13 种表面的三维形貌参数Table 13D topography parameters of three surfaces参数
15、LST80LST110光滑表面Ssk4190 743535 432692 6Sku24642 42093315213 2Sa/m0414 370467 0750181 799Spd/mm2121324115228652242Vvc/(mm3 mm2)0000 244 6920000 399 5920000 219 5061.2亚表层有限元模型的建立将测量得到的表面形貌坐标导入 MatLab 中转换成矩阵数据，再利用 hino 软件将矩阵数据转换成点云数据，并进行封装，得到粗糙表面几何模型。将此粗糙面导入 Solidworks 软件，利用 Solidworks 软件的建模功能建成一个带有粗糙表面
16、的实体几何模型。粗糙实体建成后，将模型导入 Abaqus 中，并对接触部位进行网格细化。1.3表面载荷的计算文中的研究基于点接触工况，亚表层应力分布由172023 年第 2 期李直等:弹流润滑条件下织构表面亚表层特性研究两部分应力引起:表面法向压应力和表面切向剪应力。利用弹流润滑数值计算程序算出油膜压力和膜厚分布，其理论基础是基于等温点接触弹流润滑问题的基本方程16。(1)eynolds 方程xh3px()+yh3py()=12uhx(1)式中:p 为油膜压力;为润滑油的密度;为润滑油的动力黏度;u 为卷吸速度;h 为油膜厚度。(2)膜厚方程h(x，y)=h0+x22x+y22y+v(x，y)+r(x，y)(2)式中:x和 y分别为接触界面在 x 和 y 方向上的当量曲率半径;r(x，y)为表面粗糙度函数;v 为变形方程:v(x，y)=2Ep(s，t)(x s)2+(y t)2dsdt(3)E 为综合弹性模量。(3)黏压方程=0exp(ln0+9.67)1+1+pp0()z(4)式中:0为大气压下润滑油的黏度。(4)密压方程=01+0.6p1+1.7p()(5)式中:0为大气压下润滑油