仿生织构形态对缸套-活塞环摩擦学性能的影响*

吕永刚 饶 响，2 郭智威，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)

柴油机作为航运行业最重要的动力装置，具有经济性好、可靠性强、机动性好等优点。缸套-活塞环作为柴油机最重要的摩擦副之一,承担着密封、导热等作用，其工作环境恶劣，往往伴随着高温、高压以及剧烈的摩擦磨损。据不完全统计，约80%船机零件的失效是由于磨损造成的,并且缸套-活塞环摩擦副的摩擦损耗占柴油机总摩擦损失45%～65%[1]。因此改善该配副的摩擦条件，对柴油机的可靠性，经济性，环境友好性具有重要作用。

相关研究均表明适宜尺度的表面织构能改善缸套活塞环摩擦副的润滑条件，提高油膜承载能力，减少其工作过程中的摩擦磨损[2-3],近年来关于表面织构技术对摩擦副表面摩擦学性能影响的研究不断发展，文献[4]的研究表明V形凹槽能有效增加油膜厚度改善润滑条件;文献[5]的研究结果表明织构间具有协同润滑效应，且相较于沟槽型织构，凹坑型织构能更好地发挥这种效应。在微凹坑织构的研究中，文献[6]研究了一种阵列式排布的微凹坑织构对机缸套-活塞环系统摩擦性能的影响，结果表明在合适的工况下微凹坑织构才会改善摩擦副的摩擦性能;文献[7]研究了圆形、正方形和椭圆形3种微凹坑阵列，结果表明随着载荷的增大，3种织构的减磨效果逐渐降低。

在微凹坑织构的研究中，研究对象多为阵列排布的微凹坑织构，但在重载荷下阵列排布的织构存在一定的局限性。随着研究的深入，相关学者开展了对微凹坑织构排布模式的研究。文献[8]的研究表明织构单元的排布模式对动压承载能力有较大影响；文献[9]的研究表明微凹坑相对位置变化对表面织构的减摩性能具有很大的影响；文献[10]的研究表明对微凹坑织构进行合理的排布，使其错开一定角度可明显改善磨损形貌减少划痕。

上述研究表明，对微凹坑织构的排布模式进行研究，可作为微凹坑织构优化设计的有效途径。相关研究表明，可通过对仿生表面形态进行简化处理得到预期的表面性能[11]。文献[12-13]的研究表明，新疆岩蜥与变色沙蜥体表的耐磨减损机制均与其鳞片排布形式有关，覆瓦状的鳞片排布形式加强了其鳞片抵抗沙粒冲蚀磨损的能力。这对于微凹坑织构的排布形式的研究有一定的借鉴作用。

为了进一步探究微凹坑织构的排布形式在表面织构技术中的作用，并用于改善缸套-活塞环的摩擦学性能，本文作者选取具有对称性V形特征的菱形微凹坑织构作为织构的基本单元，同时参考新疆岩蜥与变色沙蜥鳞片的分布特征，设计了一种仿生排布的织构凹坑；应用激光刻蚀技术将其加工在缸套切片内表面，并使用阵列排布的纹理以及未经处理的原始缸套作对照，通过往复摩擦磨损试验机考察其在不同工况下的摩擦学行为。

1 试验部分

1.1 试验方法

试验在MWF-10微机控制的往复式摩擦磨损试验机上进行，其结构原理如图1所示。该试验机利用微电机的倒拖带动夹具，实现缸套的往复运动，转速的大小可由微电机的调节控制，载荷则是由机械加压装置实现预设接触压力。该试验机由驱动装置、传动装置、加载装置、夹紧装置及数据采集设备(压力传感器、摩擦力传感器、接触电阻测量模块、USB6009数据采集卡)构成。

图1 MWF-10 摩擦磨损试验机模型[5]

1.2 试样制备

试验采用S195型号缸套-活塞环组，使用线切割技术分别获得尺寸为80 mm×120 mm的缸套切片，以及长度为60 mm的活塞环切片。使用大族牌激光刻蚀机对缸套内表面进行纹理的加工(加工前使用乙醇溶液对缸套进行清洗)。在激光刻蚀机控制软件中通过对织构纹理的合理编排，设置相关工作参数，使缸套表面加工的纹理尺寸一致。激光刻蚀机工作参数设置如表1所示。

表1 激光刻蚀机加工纹理的工作参数

在织构的表面占有率的选取方面，文献[14]的研究表明，凹坑表面占有率在15%左右时缸套-活塞环摩擦副的润滑性能最佳；文献[15]的研究表明，较低的表面占有率(7%、12%～14%)更有利于流体润滑状态的建立，综合考量润滑效果与加工难度，文中试验选取表面占有率为12.5%。

通过激光刻蚀技术在缸套切片内部加工2种不同排布形式的纹理，具体的表面纹理结构及参数如图2、3所示。图4为试样加工后的实机缸套表面纹理图，且2种形式的织构表面占有率均约为12.5%。

图2 单个纹理结构具体参数

图3 不同表面结构缸套的具体表面纹理形貌

图4 不同表面结构缸套的实机缸套表面纹理

1.3 摩擦磨损试验

试验以仿生排布的菱形织构为研究对象，并与原始缸套和阵列排布的菱形织构性能进行比较。试验在MWF-10往复式摩擦磨损试验机上进行，通过改变不同的工况对3种缸套-活塞环组进行试验。

为了模拟船用低速机的工况，探究上述3种缸套-活塞环组在不同载荷下的工作情况，设计试验转速均为100 r/min，载荷分别为200、400、600 N，每组试验进行90 min。试验所用滑油为70 N中性基础油，温度为40 ℃时运动黏度为14 mm2/s，滑油供给量为0.8 mL/min。试验过程中通过压力传感器、摩擦力传感器、接触电阻测量模块，对压力、摩擦力、油膜电阻进行测量；通过数据采集卡以及Labview自编程序对试验过程中的数据进行实时采集并储存，数据采集频率设置为10 Hz。

2 结果与分析

2.1 接触电阻

由于润滑油膜与缸套和活塞环这类金属导体电阻率相差较大，通过在缸套-活塞环摩擦副之间施加测量电路，可测得缸套-油膜-活塞环组成的系统的电阻值的大小。由于金属导体电阻较小，接触电阻的主要影响来自油膜厚度，因此可通过接触电阻的大小判断油膜厚度[16]，了解油液润滑情况。

图5显示了不同工况下整个摩擦试验过程中接触电阻的实时变化，图6显示了不同工况下各组试验的全程平均接触电阻值的大小。由图5(a)、(b)可知，在轻载荷200 N和中载荷400 N的工况下，织构组在整个试验过程中的接触电阻均大于原始缸套组。

图5 不同载荷下各缸套组的全程接触电阻

图6 不同载荷下各缸套组的平均接触电阻

在轻载荷200 N的工况下，相较于原始缸套组，仿生排布的织构与阵列排布的织构平均接触电阻分别提高了368%、266%。在中载荷400 N的工况下，相较于原始缸套组，仿生排布的织构与阵列排布的织构平均接触电阻分别提高了188.4%、91.3%。在重载荷600 N的工况下，由图5(c)可知，阵列排布的织构在试验过程中的接触电阻走势与原始缸套几乎相同，且后期原始缸套组的接触电阻略高于阵列排布的织构组，而仿生排布的织构组的平均接触电阻相较于原始缸套组提高了65.8%。

通过接触电阻的对比可知，在轻载荷200 N及中载荷400 N的工况下2种排布形式的织构的接触电阻均高于原始缸套组，实现了润滑效果的改善，其中仿生排布的织构的成膜效果要优于阵列排布的织构。在400 N的工况下，原始缸套组的接触电阻在后期有小幅度的升高，但表面织构的缸套在接触电阻上仍有一定的优势。在600 N的重载荷下，由于载荷过高，在摩擦副之间难以形成足够压力的油膜，阵列排布的织构对油膜的形成并没有产生促进作用，而仿生排布的织构仍能形成一定厚度的油膜，拥有比原始缸套更强的承载能力与更好的润滑效果。

由于缸套表面纹理是由激光加工而成，对缸套表面造成了一定的破坏，当表面受到载荷时，织构凹坑附近一定区域范围内会产生应力集中。在摩擦副工作过程中在载荷的作用下，菱形织构凹坑受到挤压，V形尖端部分释放凹坑储存的油液，缓解摩擦。阵列排布的织构相较于仿生排布的织构凹坑间距离较小，局部应力集中程度较大，这就是重载荷下阵列排布的织构成膜效果不佳的原因。而仿生排布的织构极大程度地分散了织构凹坑，减少了应力集中的程度，避免局部压力过大影响油膜的建立。仿生排布的织构实现了往复运动方向上的织构纹理特征的全覆盖，有利于对摩擦副全局进行油液的补充与更新，增强了动压油膜形成能力。

在织构间的协同润滑效应的作用下，润滑油从高压油膜区域向低压区域移动，油膜相对高压区位于织构凹坑附近区域，相对低压区为织构间区域，仿生排布的织构使得摩擦副间油膜的高、低压区域不断变化，减小了油膜压力梯度与压力极差，使得油膜更加稳定，改善润滑效果，整体油膜厚度及接触电阻值也随之增大。由此表明织构仿生排布这种排布形式增强了织构凹坑间的协同润滑效应的作用效果。

接触电阻的分析表明，缸套表面织构的作用受载荷的影响较大，菱形织构对表面成膜润滑有促进作用，但是成膜效果受到排布形式的影响较大。在重载下，阵列式排布几乎对摩擦副之间油膜的形成没有较为明显的促进作用，但仿生排布形式便可实现重载荷下压润滑条件的改善。仿生排布的织构在3种试验工况下接触电阻最大，油膜的润滑作用最强，对摩擦副表面形成了最佳的保护作用。

2.2 平均摩擦因数

图7示出了不同载荷下各缸套组的平均摩擦因数。可以看出，在200 N的工况下，2种排布形式的织构摩擦因数相近，相较于原始缸套2种织构的缸套的摩擦因数降低了约33.9%；400 N的载荷下3种形式的缸套平均摩擦因数相差不大，仿生排布的织构平均摩擦因数相较于原始缸套降低了约5%，阵列排布的织构则相较于原始缸套提高了约4%；载荷为600 N时原始缸套的平均摩擦因数则最小，阵列排布的织构及仿生排布的织构相较于原始缸套平均摩擦因数分别提高了约14.7%与3.3%，使得能量损耗增加。

图7 不同载荷下各缸套组的平均摩擦因数

原始缸套的平均摩擦因数随着载荷的增加呈现下降的趋势，这可能是由于随着载荷的增加，一定程度上使得摩擦副表面硬化，改善了表面质量，使得摩擦副表面耐磨性能增强，摩擦因数降低。

综合接触电阻与平均摩擦因数的结果可知，部分试验组(400 N载荷下的阵列排布的织构组，以及600 N载荷下的仿生排布的织构组)产生了平均接触电阻值高于原始缸套但平均摩擦因数却增大的现象。这是由于织构的存在，在摩擦副运行的过程中活塞环经过织构凹坑区域时接触条件发生变化引起的[17]。上述两实验组的平均接触电阻值均高于相同工况下的原始缸套组，说明形成了更好的润滑条件，有助于摩擦副间滑动摩擦力的降低；但由于活塞环经过织构凹坑区域时接触条件发生改变，增加了活塞环所受的径向力，同时由于“入口抽吸”现象[18]，活塞环经过织构区域时油膜润滑效果骤降，综合影响下使得活塞环经过织构区域时摩擦因数骤增，产生平均摩擦因数高于同工况下的原始缸套组的结果。这种现象会使得摩擦副工作过程中能量损耗增加，同时随着载荷的增加，其对缸套-活塞环摩擦副的摩擦学性能的影响也逐渐不可忽视，后期可通过优化织构凹坑尺寸缓解这种现象，以减小机械能的损失。

2.3 表面形貌

利用激光干涉位移表面轮廓仪对试验后的缸套进行测量，可直观反映试验后缸套表面的磨损情况，分析各试验组的磨损过程及耐磨减摩原理。

表面形貌测量时测量评价区域S尺寸为0.8 mm×0.8 mm，选取轮廓均方根偏差Sq、表面支承指数Sbi2个特征参数对磨损后的表面进行评价[19]。为了减少误差，避免结果的偶然性，对缸套内表面选取4个位置进行测量，取4个位置数据的平均值作为最终形貌参数进行分析。表2为2种参数的平均值，图8—10所示为不同载荷下各组缸套内表面的三维形貌。

图8 不同载荷下原始缸套表面形貌

表2 试验后表面参数的平均值

评价区域S

S={(x,y)∣x∈[a,b],y∈[c,d]}

(1)

最小二乘基准平面方程为

f(xi,yi)=a+bxi+cyj

(2)

三维轮廓均方根偏差为

(3)

式中：ηij=z(xi,yi)-f(xi,yi)，其中z(xi,yi)为表面各点的高度数据。

表面支承指数为

(4)

式中:η0.05为轮廓支承表面5%处的轮廓高度;h0.05为η0.05对应的标准高度。

图9 不同载荷下阵列排布的织构缸套表面形貌

图10 不同载荷下仿生排布的织构缸套表面形貌

Sq值是轮廓偏距的平方值，相当于高度的标准偏差，在相同的工况下Sq值的大小可用以表征摩擦过程中的磨损程度，Sq值越小则摩擦过程中对表面的磨损程度越小。由图11中可知，3种工况下仿生排布的织构Sq值均为最小，原始缸套最大。从整体上看随着载荷的增加Sq值有所下降，说明载荷增加使摩擦副间微凸体磨损加快，使得表面更平坦。

图11 不同载荷下各缸套组均方根偏差Sq的趋势

在3种工况下，仿生排布的织构均形成了较厚的油膜，实现了对摩擦副较好的润滑作用，同时其排布形式能够最大程度上对织构行间产生的磨屑进行收集，极大程度上限制了磨屑的运动以及对表面的刮蹭，使得磨损减少，磨损后表面最为平坦。阵列排布的织构虽然在重载荷下无成膜优势，但是织构凹坑对磨屑的收集仍有一定的作用，抑制了磨料磨损，磨损后的表面质量优于原始缸套。而原始光滑缸套磨损情况最为严重，在工作过程中随着磨屑的增加摩擦副间磨损加剧并产生了一定的间隙，为摩擦副间油膜的形成创造了条件，这就是试验后期原始缸套组接触电阻存在小幅上升趋势的原因。

Sbi值为表面支承指数，可用以表示表面的支承性能，Sbi值越大表示该表面的支承性能越好。从图12中可以看出，织构表面的表面支承指数相较于原始缸套组均有所提高，在200、400 N载荷下阵列式排布的织构的表面支承性能最好，在重载(600 N)的条件下，仿生排布的织构的支承性能最好。随着载荷的增加，原始光滑缸套与仿生排布的织构缸套的表面支承性能逐渐增加，表面质量有所提升。而阵列排布的织构缸套表面支承性能呈现先升高再下降的趋势。

上述现象主要是由于在滑动摩擦的过程中缸套表面发生了应变硬化[20-21],使得表面硬度有所提高。故随着载荷的增加，原始缸套表面应变硬化程度提高，增强了耐磨性能，减少了不利于负载的形貌的形成，表面支承性能也逐渐升高。磨损后表面支承指数的差异主要与表面结构有关，相较于原始表面，织构表面的结构强度较低更易发生应变硬化，而仿生排布的织构缸套表面由于极大程度上分散了凹坑间距，所以其表面结构强度高于阵列式排布的织构表面，故在200、400 N的载荷下表面支承指数表现为阵列排布的织构表面最大，仿生排布的织构表面次之，原始缸套表面最小。

在600 N载荷下，在试验后期阵列排布的织构组的接触电阻低于原始缸套组，润滑效果不佳，摩擦副间摩擦较为剧烈，积热严重；且其缸套表面结构强度较低，在一系列不利因素的综合影响下，阵列式排布的织构组磨损较为严重，导致在600 N的载荷下其表面支承指数下降。故阵列排布的织构组表现为随着载荷的增加表面支承指数呈现先升高再减小的趋势，如图12所示。在所有试验的工况下，仿生排布的织构的接触电阻最大，润滑条件最好，与缸套表面的应变硬化效应耦合，所以随着载荷的增加，表面支承指数增加，且数值上高于原始缸套组。由于在600 N的载荷下仍能形成较好的润滑条件，所以在该工况下仿生排布的织构组表面支承指数最高，表面承载能力最好。

图12 不同载荷下各缸套组表面支承指数Sbi的趋势

3 结论

(1)织构的排布形式对油膜厚度的影响较大，这一点在重载荷的工况下极为明显，合理地优化排布形式能够实现较好的动压润滑效果，阵列排布的菱形织构在重载下对摩擦副的润滑几乎没有促进作用。

(2)仿生排布的菱形织构实现了往复运动方向上织构纹理特征的全覆盖，能够极大程度上限制磨屑的移动，对磨屑进行收集，有效降低磨损后的表面粗糙度，从而减少磨粒磨损，并增强滑油储存能力。

(3)仿生排布的菱形织构在研究的工况下均能实现摩擦副较好的润滑效果，提高表面支承能力，且能有效收集磨屑，降低磨损，改善磨损形貌，但在重载下平均摩擦因数略高于原始缸套，增加了机械能损失。