表面织构对液钠动静压滑动轴承润滑特性的影响研究

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2024.04.138

表面织构对液钠动静压滑动轴承润滑特性的影响研究

高羡明^,^,, 牛金召, 蔡志祥, 任晓松

陕西科技大学机电工程学院，陕西西安 710021

Study on influence of surface texture on lubrication characteristics of liquid sodium hybrid plain bearing

GAO Xianming^,^,, NIU Jinzhao, CAI Zhixiang, REN Xiaosong

College of Mechanical and Electrical Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi'an 710021, China

收稿日期: 2024-05-07 修回日期: 2024-06-27

基金资助:

国家自然科学基金青年科学基金资助项目. 51905328

Received: 2024-05-07 Revised: 2024-06-27

作者简介 About authors

高羡明（1984—），男，讲师，博士，从事旋转机械动力学特性及可靠性、结构优化设计等研究，E-mail:gaoxianming@sust.edu.cn，https://orcid.org/0009-0001-5720-8035 , E-mail：gaoxianming@sust.edu.cn

摘要

随着二回路主循环泵不断朝大容量、高负荷的方向发展，对其关键承载部件——液钠动静压滑动轴承（简称液钠轴承）的润滑特性提出了更高的要求。为了进一步提升液钠轴承的润滑特性，通过数值模拟和试验相结合的方法研究了表面织构对其润滑特性的影响。首先，设计了圆形、正方形和菱形三种不同形状的表面织构，在对液钠轴承摩擦副模型进行简化后，采用数值模拟方法分析了3种表面织构在不同深度和不同间距下所呈现的润滑特性。然后，探究了激光加工参数对表面织构制备的影响，并制备了带有不同形状、不同间距表面织构的摩擦副试样，用于开展摩擦磨损试验。最后，对计入表面织构的液钠轴承模型进行了分析。结果表明：不同形状的表面织构均存在最优深度和间距，其中菱形织构在无量纲深度为2、间距为1.4 mm时具有最佳的润滑特性；计入菱形织构后液钠轴承的承载力和刚度系数分别提升了16.7%和9.3%，摩擦系数降低了13.1%。研究结果对二回路主循环泵及钠冷快堆系统的安全可靠运行具有重要意义，可为同类轴承的优化设计和国产化提供重要参考。

关键词： 液钠动静压滑动轴承 ; 表面织构 ; 摩擦磨损 ; 润滑特性

Abstract

As the secondary loop main circulation pumps progress towards larger capacity and higher loads, higher requirements are placed on the lubrication characteristics of its key load-bearing component, which is the liquid sodium hybrid plain bearing (referred to as liquid sodium bearing). To further improve the lubrication characteristics of liquid sodium bearing, the influence of surface texture on its lubrication characteristics was studied through the combination method of numerical simulation and test. Firstly, the surface textures with circular, square and rhombic shapes were designed. After simplifying the friction pair model of liquid sodium bearing, the lubrication characteristics of three surface textures under different depths and different spacing were analyzed by numerical simulation method. Then, the influence of laser processing parameters on the surface texture preparation was explored, and the friction pair specimens with surface textures of different shapes and different spacing were prepared for friction and wear testing. Finally, the liquid sodium bearing model incorporating surface textures was analyzed. The results indicated that the surface textures with different shapes had optimal depth and spacing, and the rhombic texture had the best lubrication characteristics when the dimensionless depth was 2 and the spacing was 1.4 mm. After incorporating rhombic textures, the bearing capacity and stiffness coefficient of liquid sodium bearing increased by 16.7% and 9.3%, respectively, and the friction coefficient decreased by 13.1%. The research results are of great significance for the safe and reliable operation of secondary loop main circulation pumps and sodium-cooled fast reactor systems, and can provide important reference for the optimization design and localization of similar bearings.

Keywords： liquid sodium hybrid plain bearing ; surface texture ; friction and wear ; lubrication characteristics

PDF (5978KB) 元数据多维度评价相关文章导出 EndNote| Ris| Bibtex 收藏本文

本文引用格式

高羡明, 牛金召, 蔡志祥, 任晓松. 表面织构对液钠动静压滑动轴承润滑特性的影响研究[J]. 工程设计学报, 2024, 31(5): 641-652 doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2024.04.138

GAO Xianming, NIU Jinzhao, CAI Zhixiang, REN Xiaosong. Study on influence of surface texture on lubrication characteristics of liquid sodium hybrid plain bearing[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2024, 31(5): 641-652 doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2024.04.138

本文链接：https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2024.04.138

核电技术经过四次迭代更新，已进入高速发展阶段。目前，我国采用的池式钠冷快堆由3个回路系统构成^[1]。作为钠冷快堆系统热交换中枢的二回路系统主要由二回路钠机械泵、中间热交换器和蒸汽发生器等组成。其中，二回路钠机械泵作为驱动冷却剂流动的核心部件，对二回路系统以及钠冷快堆系统的安全可靠运行尤为重要^[2-4]。靠近二回路主循环泵叶轮轴端的液钠动静压滑动轴承（简称液钠轴承）的主要作用是平衡叶轮在转动过程中所受的流体径向载荷，其润滑特性直接影响二回路主循环泵的正常运行，进而影响整个二回路系统的安全可靠运行。

我国使用的核反应堆与国外不同，故液钠轴承的结构也有所不同，且关于该类高可靠性特种轴承的研究属于各国核电设备的核心涉密技术，因此有关液钠轴承的国外研究成果的参考价值有限。现阶段，国内只有少数学者对液钠轴承的润滑特性开展了研究。陈汝刚等^[5]利用动力学软件ARMD分析了液钠轴承的润滑特性，发现外载荷、转速及偏心率对其液膜压力、功耗、温升、刚度系数和阻尼系数的影响显著。Xie等^[6-7]研究了液钠轴承的润滑机理以及液钠轴承-转子耦合系统的固有频率和振动模态，发现该轴承的工作过程是复杂的耦合过程，即随着转速的提高，轴承的动压效应逐渐增强，研究结果验证了该轴承的结构设计合理、可靠，且轴承-转子耦合系统满足技术要求。张凌峰等^[8]针对钠冷快堆的一回路主循环泵，设计了一种带有螺旋槽的液钠轴承，并进一步研究了影响该轴承承载力、偏位角和泄漏量的主次因素。曹金龙^[9]利用Fluent软件对不同偏心率下液钠轴承的静态特性进行了分析，并以高承载力和低泄漏量为目标，对液钠轴承的结构进行了改进，改进后轴承的承载力提高了4.0%~7.3%，泄漏量降低了27%~38%。高羡明等^[10]研究了液钠轴承的复杂流场特性，发现偏心率、间隙和进油口压力对其液膜流体动力学特性有显著影响。

相关研究表明，在摩擦副表面加工织构可以改善表面润滑效果，实现减摩减阻的目的^[11]。表面织构技术是指通过设计凹坑、凹槽或凸起结构来优化材料的表面结构^[12-13]，这些表面结构不仅能够有效地储存润滑介质，形成二次润滑，从而产生额外的流体动压润滑效应^[14-15]，还能收集2个接触表面所产生的磨屑^[16-17]，以减少磨损。Galda等^[18]通过激光加工的方式在滑动轴承表面加工了圆形织构并进行试验，发现在设备启停阶段即转速较低的情况下，带有圆形织构的滑动轴承的摩擦系数低于表面光滑的轴承。陈俊等^[19]采用基于有限体积法的Fluent软件分析了长条形、圆形、正方形和十字形织构对高温熔盐泵轴承承载力的影响，通过对比发现：带有长度为8 mm、宽度为3 mm、深度为20 μm的十字形织构的轴承的承载性能最佳。Chen等^[20]研究了矩形织构对滑动轴承减振特性的影响，发现尺寸参数和位置合理的矩形织构可以降低摩擦系数、增加端泄量、减小轨迹幅值及增大刚度，从而提高轴承的稳定性。Wang等^[21]对比分析了圆形、正方形、三角形、菱形织构对椭圆滑动轴承润滑特性的影响，发现圆形织构在直径为0.4 mm时的减摩效果最佳，与表面光滑的轴承相比，带有圆形织构的轴承的摩擦系数降低了36.1%。Vlădescu等^[22]在曲轴轴承表面设计了圆形织构，通过试验发现：与表面光滑的轴承相比，在整个圆周上应用圆形织构可使轴承的摩擦系数降低18%；若仅在承载区外应用圆形织构，则仅可使轴承的摩擦系数降低13%。

综上所述，表面织构技术对降低轴承摩擦系数、提升轴承承载力和运行稳定性具有积极作用^[23]。但是，目前表面织构技术在液钠轴承摩擦副表面的应用较少。为此，本文从表面织构的润滑机理出发，探究不同形貌特征下的表面织构对轴承摩擦副润滑特性的影响，并将织构应用于液钠轴承摩擦副表面，以进一步提升其润滑特性。

1 织构化表面的润滑机理分析

在流体动压润滑状态下，表面织构的作用机理为：将摩擦力转化为润滑介质内的剪切力，以实现2个运动表面的完全隔离。为了进一步阐明表面织构的作用机理，建立单个圆形织构的计算模型，以初步探究其润滑机理，从而为后续分析表面织构参数对润滑特性的影响奠定基础。

图1所示为单个圆形织构的流体域模型及其边界条件。为与后续的试验条件保持一致，将流体域模型的上壁面设置为移动壁面，其速度与圆柱销的往复运动速度一致，方向沿y轴方向。在实际试验中，沿y轴方向的2个壁面处于大气环境压力下，因此将这2个壁面设置为无压强进出口。此外，由于织构在摩擦副表面是重复出现的，将沿y轴方向的2个壁面设置为周期性边界。将沿x轴方向的2个壁面设置为对称性边界，其余均为固定壁面^[24-25]。

图1

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图1 单个圆形织构的流体域模型及其边界条件

Fig.1 Fluid domain model of a single circular texture and its boundary conditions

图2所示为单个圆形织构流体域移动壁面的压力云图。通过观察图2可以发现，进口处润滑介质的压力下降，而靠近出口处润滑介质的压力升高。这是因为进口处移动壁面与表面织构之间形成发散间隙，使得润滑介质流入时液膜厚度突然增大，故压力下降；而在出口处，移动壁面与表面织构之间形成收敛间隙，使得液膜厚度突然减小，则压力相应升高。由此可知，进口处降压区的压力低于表面织构内部，而出口处升压区的压力高于表面织构内部。在这种压力差的驱动下，表面织构内部的润滑介质会分别被吸出和排入到摩擦副间隙处，从而改善了摩擦表面的润滑状态。

图2

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图2 单个圆形织构流体域移动壁面的压力云图

Fig.2 Pressure nephogram of moving wall of fluid domain of a single circular texture

2 不同形貌特征下表面织构的润滑特性分析

2.1　液钠轴承计算模型的建立

液钠轴承的结构和润滑机理与普通滑动轴承存在显著差异。如图3所示，液钠轴承内部结构自上而下依次为6个周向均布的静压油腔、回液槽、高压液槽及6个周向均布的反馈腔；其外壁设有6个半圈螺旋槽，以连接反馈腔与对应的静压油腔，从而实现负反馈调节功能。反馈腔与静压油腔的序号如图4所示（1~6为反馈腔，7~12为静压油腔），其对应关系为：1—7、2—8、3—9、4—10、5—11、6—12。液钠轴承的结构参数如表1所示。

图3

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图3 液钠轴承结构

Fig.3 Structure of liquid sodium bearing

图4

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图4 反馈腔与静压油腔的对应关系

Fig.4 Corresponding relationship between feedback cavity and hydrostatic oil cavity

表1 液钠轴承的结构参数

Table 1 Structural parameters of liquid sodium bearing

参数	数值
轴承直径/mm	440.8
半径间隙/mm	0.2
总宽度/mm	905
反馈腔宽度/mm	45
静压油腔宽度/mm	528.40
反馈腔包角/(°)	17
静压油腔包角/(°)	32.68
反馈腔及静压油腔数量/个	6
高压液槽及回液槽宽度/mm	15
静压油腔深度/mm	13

新窗口打开| 下载CSV

液钠轴承的负反馈工作原理如下：假设轴颈在外力作用下向一个方向偏移，此时与力方向相反的轴颈表面与反馈腔的间隙增大，反馈腔的压力增大，与压力增大的反馈腔相连的静压油腔的压力也随之增大，以承受外载荷^[26]。

图5所示为计入表面织构的液钠轴承模型。对计入表面织构的液钠轴承有限元模型进行求解计算，发现计算速度慢且效率低下。通过分析可知，由于液钠轴承的结构尺寸较大，轴承摩擦副的接触面积远远大于表面织构的面积^[27]。因此，为了提高计算效率，将轴承摩擦副简化为相对滑动的平面摩擦副，简化后的摩擦副模型如图6所示。需要说明的是，由于摩擦副表面的织构呈周期分布，因此本文只取其中一部分进行数值模拟分析。

图5

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图5 计入表面织构的液钠轴承模型

Fig.5 Liquid sodium bearing model incorporating surface textures

图6

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图6 简化后的摩擦副模型

Fig.6 Simplified friction pair model

基于对单个表面织构润滑机理的分析，采用同样的方法来分析表面织构在不同形状、深度和间距下所呈现的润滑特性。由于表面织构的参数众多，若将多个参数耦合起来分析，则计算量巨大，因此本文采用单一变量分析法来进行计算。在保证投影面积相同的情况下，设计了圆形、正方形和菱形三种不同形状的表面织构，其模型及结构参数分别如图7至图10所示。3种表面织构的间距均分别取1.0，1.2，1.4，1.6 mm。

图7

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图7 3种不同形状的表面织构模型

Fig.7 Three surface texture models with different shapes

图8

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图8 圆形织构的结构参数

Fig.8 Structural parameters of circular texture

图9

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图9 正方形织构的结构参数

Fig.9 Structural parameters of square texture

图10

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图10 菱形织构的结构参数

Fig.10 Structural parameters of rhombic texture

表面织构通常位于下摩擦件，因此液膜厚度呈规律性变化。任意位置处的液膜厚度h可表示为：

h (y, z) = \{\begin{array}{l} h_{0}, (y, z) \notin Ω \\ h_{0} + h_{p} (y, z), (y, z) \in Ω \end{array}

(1)

式中：h₀——无表面织构区域的液膜厚度；

h_p——表面织构深度；

Ω——存在表面织构的区域。

鉴于表面织构存在不同形状，为了方便处理，定义无量纲深度H，其表达式如下：

H = \frac{h_{p}}{h_{0}}

(2)

在研究表面织构对滑动轴承摩擦副润滑特性的影响时，通常以平均液膜压力、承载力和摩擦系数来表征^[28]。在动压润滑条件下，当上摩擦件与下摩擦件产生相对运动时，液膜上壁面会受到2种力：第1种是沿z轴方向的承载力F_z，第2种是沿y轴方向的摩擦力F_y。其中，承载力F_z 可在一定程度上降低摩擦副之间的接触力，从而提升摩擦副之间的润滑特性，而摩擦力F_y 则会阻碍摩擦副之间的相对运动。承载力、摩擦力的计算式如下：

F_{z} = \iint p (x, y) d x d y

(3)

F_{y} = \iint τ d x d y

(4)

式中： $p (x, y)$ ——液膜上壁面的平均压力；

τ——润滑介质的剪切应力。

摩擦系数反映的是单位摩擦力或单位摩擦功耗下的承载力。摩擦系数越小，说明摩擦副间隙的润滑效果越好；摩擦系数越大，说明润滑效果越差。因此，在滑动轴承研究领域，摩擦系数也是重点关注因素。本文将摩擦系数F_f定义为摩擦力F_y 与承载力F_z 的比值，其表达式如下：

F_{f} = \frac{F_{y}}{F_{z}}

(5)

2.2　表面织构深度对润滑特性的影响

表面织构深度在一定程度上影响的是二次润滑效应。相对初始液膜厚度而言，若表面织构深度过浅，则无法产生二次润滑效应；而若表面织构深度过深，则又会抑制动压润滑效应。因此，选择深度合适的表面织构，对提升液钠轴承摩擦副表面的润滑特性十分重要。

为了探究表面织构深度对润滑特性的影响，分别分析了圆形、正方形和菱形织构在无量纲深度H=0.1~2.0时所呈现的润滑特性。图11所示为不同形状的表面织构的承载力、摩擦力和摩擦系数随无量纲深度H的变化曲线。由图11(a)可以看出，当H=0.1~2.0时，3种表面织构的承载力呈现先减小后增大的变化趋势，其中正方形织构和菱形织构的承载力在深度变化过程中并无较大差距，当H=0.1~1.25时，菱形织构的承载力略高于正方形织构，当H>1.25时，正方形织构的承载力开始高于菱形织构。对于圆形织构，当H=0.45~1.25时，其承载力最小，而在此范围之外时，其承载力在3种表面织构中最大，且当H=2.0时，圆形织构的承载力达到最大值。由图11(b)可知，随着H的增大，3种表面织构的摩擦力逐渐减小，由于其变化较小，因此3种表面织构的摩擦系数所呈现的变化规律与承载力相反；当H=2.0时，摩擦系数最小，即润滑效果最佳。通过图11(c)可以发现：表面织构的摩擦系数在H<1.0时出现了波动，存在局部最优值，当H>1.0时，表面织构的摩擦系数逐渐减小。综上，在本文所选取的深度范围内，表面织构的深度应尽可能大。

图11

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图11 表面织构无量纲深度对润滑特性的影响

Fig.11 Effect of dimensionless depth of surface texture on lubrication characteristics

图12所示为不同无量纲深度（H=0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，1.0，1.5，2.0）下3种表面织构中心截面的压力分布情况。通过分析图12可知，进口处压力降低，出口处压力升高，这与前文的表面织构润滑机理的理论分析结果是相对应的。此外，3种表面织构的正压区和负压区所围成的面积与其承载力也是相对应的，这是因为所围成的面积表征的是织构流体域移动壁面的平均压力。当H=2.0时，各表面织构流体域移动壁面的平均压力最大，故其承载力最大。综上所述，在本文所选取的深度范围内，3种表面织构在H=2.0时具有最佳的润滑特性。H=2.0时3种表面织构流体域移动壁面的压力云图分别如图13至图15所示。

图12

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图12 不同无量纲深度下表面织构中心截面的压力分布

Fig.12 Pressure distribution of central section of surface texture under different dimensionless depths

图13

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图13 H=2.0时圆形织构流体域移动壁面的压力云图

Fig.13 Pressure nephogram of moving wall of circular texture fluid domain with H=2.0

图14

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图14 H=2.0时正方形织构流体域移动壁面的压力云图

Fig.14 Pressure nephogram of moving wall of square texture fluid domain with H=2.0

图15

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图15 H=2.0时菱形织构流体域移动壁面的压力云图

Fig.15 Pressure nephogram of moving wall of rhombic texture fluid domain with H=2.0

2.3　表面织构间距对润滑特性的影响

通过上文分析发现，圆形织构、正方形织构和菱形织构在无量纲深度H=2.0时具有最佳的润滑特性，且圆形织构的承载力比正方形织构、菱形织构的大，但摩擦系数较小。然而这并不足以说明圆形织构最优，因为在探究表面织构深度对润滑特性的影响规律时是基于简化后的单个表面织构模型，仅体现了不同形状表面织构二次润滑效应的强弱，并未考虑多表面织构情况及表面织构之间的相互影响。为了进一步分析多表面织构情况及表面织构之间的相互影响，在H=2.0的条件下，分别分析了3种表面织构在不同间距下所呈现的润滑特性。

图16所示为不同间距（L=1.0，1.2，1.4，1.6 mm）下3种表面织构中心截面的压力分布情况（多织构模型整体呈正方形，单个织构均相同，坐标系原点位于模型中心）。从图16中可以观察到，当表面织构间距较小时，在y轴方向上，正压力峰值和负压力峰值均呈增大趋势；当表面织构间距增大时，这些压力峰值的变化趋势逐渐反转。此外，表面织构中心截面的压力分布在所有情况下均表现为叠加效应，但当表面织构间距超过某一临界值时，叠加效应所带来的压力收益逐渐减小。由此可以推断，表面织构存在最优间距，在该间距下其动压润滑效应最为显著。

图16

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图16 不同间距下表面织构中心截面的压力分布

Fig.16 Pressure distribution of central section of surface texture under different spacing

图17所示为不同间距（L=1.0，1.2，1.4，1.6 mm）下3种表面织构的承载力和摩擦系数（摩擦力随间距的变化非常微小，故未分析）。由图17可知，3种表面织构均存在对应的最优间距，在该间距下承载力最大，摩擦系数最小。具体来说，圆形织构在L=1.2 mm时表现出最佳的润滑特性，而正方形织构和菱形织构的润滑特性在L=1.4 mm时表现最佳。对应最优间距下3种表面织构流体域移动壁面的压力云图如图18至图20所示。结果表明：为实现液钠轴承摩擦副间隙的最佳润滑特性，在设计和加工表面织构时，应选择适宜的间距，以充分发挥多织构的协同效应，从而产生更强的动压润滑效应。

图17

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图17 表面织构间距对润滑特性的影响

Fig.17 Effect of spacing of surface texture on lubrication characteristics

图18

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图18 L=1.2 mm时圆形织构流体域移动壁面的压力云图

Fig.18 Pressure nephogram of moving wall of circular texture fluid domain with L=1.2 mm

图19

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图19 L=1.4 mm时正方形织构流体域移动壁面的压力云图

Fig.19 Pressure nephogram of moving wall of square texture fluid domain with L=1.4 mm

图20

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图20 L=1.4 mm时菱形织构流体域移动壁面的压力云图

Fig.20 Pressure nephogram of moving wall of rhombic texture fluid domain with L=1.4 mm

3 摩擦磨损试验

3.1　试验原理及试验方案

目前，摩擦磨损试验在运动方式上主要分为2种：一种为往复式摩擦磨损，另一种为旋转式摩擦磨损。根据前者的摩擦表面接触形式，又可分为销-盘式和球-盘式。本文采用销-盘式往复摩擦磨损试验方法，其原理为：采用不同形式的夹具将上、下摩擦件试样夹紧，对上摩擦件试样施加载荷，下摩擦件试样作往复运动，使得两试样之间充满润滑油。随着往复运动的不断进行，在上、下摩擦件试样之间形成动压润滑效应，如图21所示。

图21

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图21 销-盘式往复摩擦磨损试验原理

Fig.21 Principle of pin-disk reciprocating friction and wear test

为了验证上述数值模拟分析结果的准确性，本节在无量纲深度H=2.0的条件下，通过摩擦磨损试验分别研究了圆形、正方形和菱形织构在4种不同间距下的润滑特性，并以无织构光滑表面作为对照，试验方案如表2所示。

表2 摩擦磨损试验方案

Table 2 Friction and wear test schemes

试验编号	表面织构形状	无量纲深度H	间距L/mm
1	圆形织构	2.0	1.0
2			1.2
3			1.4
4			1.6
5	正方形织构	2.0	1.0
6			1.2
7			1.4
8			1.6
9	菱形织构	2.0	1.0
10			1.2
11			1.4
12			1.6
13	无织构

新窗口打开| 下载CSV

3.2　摩擦副试样制备

二回路主循环泵的液钠轴承所使用的材料为316LN不锈钢。316LN不锈钢是在316L不锈钢的基础上添加了氮，增强了抗高温和抗腐蚀性能。为了更好地模拟液钠轴承的真实情况，下摩擦件试样的材料与液钠轴承保持一致，即选用316 LN不锈钢；上摩擦件试样选用强度较高的C45碳素钢。

上摩擦件试样采用直径为6 mm、长度为12 mm的圆柱销，下摩擦件试样采用长度和宽度均为20 mm、高度为5 mm的矩形块。考虑到试样的制备及其前处理过程对试验的精度和可靠性有直接影响，在加工前先采用金相磨抛机对毛坯试样进行研磨和抛光处理，以降低摩擦表面的粗糙度；随后，使用超声波清洗机对研磨后的试样进行清洗，并作烘干处理。

完成前处理后，采用RAYCUUS光纤激光器在矩形块表面制备具有不同形貌特征的表面织构。为了制备出满足要求的表面织构，在光纤激光器脉冲重复频率为30 kHz、加工次数为10、填充线间距为0.003 mm和离焦量为0 mm的情况下，探究激光功率和扫描速度对表面织构形貌的影响。激光加工参数探究试验方案如表3所示。

表3 激光加工参数探究试验方案

Table 3 Experimental schemes for exploring laser processing parameters

试验编号	激光功率/W	扫描速度/(m/s)
1	10	20
2	10	40
3	10	80
4	10	100
5	10	100
6	12	100
7	14	100
8	16	100

新窗口打开| 下载CSV

经共聚焦显微镜测量得到：前4组激光加工参数下表面织构的平均深度为435.3，200.0，132.5，108.3 μm，后4组激光加工参数下表面织构的平均深度为91.3，259.4，417.4，590.0 μm。通过探究试验发现：表面织构深度与扫描速度呈负相关，且随着扫描速度的增大，其深度的减小速度变慢；表面织构深度随着激光功率的增大呈线性增大。同时，随着激光功率和扫描速度的增大，表面织构的形貌质量逐渐提高，但激光功率和扫描速度也并非越大越好，过高的激光功率会造成材料表面烧蚀严重，而过大的扫描速度会导致材料的蚀除率低。最终确定了在脉冲重复频率为30 kHz、加工次数为10、填充线间距为0.003 mm、离焦量为0 mm、激光功率为14 W以及扫描速度为100 mm/s的工艺参数组合下，能够加工出深度和形状均较为理想的表面织构。在该参数组合下加工无量纲深度为2.0，间距分别为1.0，1.2，1.4，1.6 mm的圆形、正方形和菱形织构，如图22至图24所示。

图22

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图22 不同间距下的圆形织构

Fig.22 Circular textures with different spacing

图23

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图23 不同间距下的正方形织构

Fig.23 Square textures with different spacing

图24

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图24 不同间距下的菱形织构

Fig.24 Rhombic textures with different spacing

3.3　试验结果分析

本文采用图25所示的Rtec-MFT5000多功能摩擦磨损试验机开展试验。该摩擦磨损试验机由上下2个模块组成：上模块主要负责施加载荷和夹持圆柱销，下模块用于夹持尺寸为20 mm×20 mm×5 mm的316LN不锈钢矩形块并执行往复运动。摩擦磨损试验机的载荷加载范围为0~2 000 N，往复频率为0~30 Hz，单向行程为0~30 mm。本文选择在法向载荷为20 N和往复频率为10 Hz的条件下开展摩擦磨损试验。在试验开始前，先使用塑胶油壶向固定好的矩形块表面滴加10 mL润滑油，完成滴加后矩形块静置5 min，以便在矩形块表面及表面织构内部形成均匀的液膜，以确保摩擦磨损试验在充分润滑的条件下进行。在完成试验后，对圆柱销和矩形块进行清洗和烘干，以保持试验的一致性和可重复性。为提高试验数据的可靠性与稳定性，每组试验时长设定为20 min，数据采集频率设为100 Hz，即每秒采集100个数据点。

图25

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图25 Rtec-MFT5000多功能摩擦磨损试验机

Fig.25 Rtec-MFT5000 multi-function friction and wear test machine

图26至图28所示分别为带有不同间距的圆形、正方形和菱形织构的摩擦表面的摩擦系数。通过对比可以发现，在摩擦磨损试验的初始阶段，摩擦系数曲线的波动幅度较大。出现这种现象的原因可能是：在采用激光加工方式制备表面织构的过程中，表面织构边缘不可避免地会产生微小凸起（由激光热效应造成），在摩擦磨损试验的初始阶段，圆柱销表面与这些微小凸起接触，导致摩擦力发生较大波动。随着摩擦磨损试验的不断进行，摩擦系数慢慢趋于稳定，此时相对运动的摩擦副进入稳定磨损阶段。此外，从图中还可以看出，12组试样表面的摩擦系数均比无织构光滑表面的小，说明不同形状、间距的表面织构均起到了不同程度的减摩效果。分析原因如下：在油润滑条件下，表面织构的存在能够形成楔形效应，进而产生局部动压润滑效应，从而提升了液膜的承载能力，有效增强了减摩效果；此外，表面织构还能储存润滑油，产生二次润滑作用，且表面织构可以及时收集摩擦副间隙的细小磨粒，降低了摩擦系数。

图26

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图26 带有圆形织构的摩擦表面的摩擦系数

Fig.26 Friction coefficient of frictional surface with circular texture

图27

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图27 带有正方形织构的摩擦表面的摩擦系数

Fig.27 Friction coefficient of frictional surface with square texture

图28

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图28 带有菱形织构的摩擦表面的摩擦系数

Fig.28 Friction coefficient of frictional surface with rhombic texture

通过分析带有不同间距圆形、正方形和菱形织构的摩擦表面的平均摩擦系数可以发现：平均摩擦系数的变化趋势相同，均呈先减小后增大的趋势。其中，圆形织构在间距为1.2 mm时的平均摩擦系数最小，为0.121；正方形、菱形织构在间距为1.4 mm时的平均摩擦系数最小，分别为0.103和0.100；无织构光滑表面的平均摩擦系数为0.297。相较于无织构光滑表面，带有1.2 mm间距的圆形织构、1.4 mm间距的正方形织构和1.4 mm间距的菱形织构的摩擦表面的平均摩擦系数分别减小了59.3%，65.3%，66.3%，说明间距为1.4 mm的菱形织构具有最佳的减摩效果。摩擦系数出现先减小后增大的变化趋势可能是因为：当表面织构间距较小时，有织构区域的面积大于无织构区域，则有效承载面积较小，此外表面织构附近的微小凸起密集，故摩擦系数减小；当表面织构间距较大时，相同面积下表面织构数量减少，使得存储的润滑油减少，则运输至摩擦表面的润滑油相应减少，不能形成连续稳定的动压润滑液膜，故摩擦系数增大。由此可见，只有加工间距合适的表面织构，才能在液钠轴承摩擦副间隙形成较好的动压润滑效应，使得摩擦系数较小。

通过上述分析发现，在无量纲深度为2.0、间距为1.4 mm的条件下，带有菱形织构的摩擦表面具有最佳的润滑性能。基于此，将无量纲深度为2.0、间距为1.4 mm的菱形织构计入液钠轴承摩擦副表面，在供油压力为0.8 MPa、半径间隙为0.2 mm、偏心率为0.2、供油温度为350 ℃的条件下，对液钠轴承模型进行数值模拟分析，得到计入表面织构后液钠轴承的承载力、刚度系数和摩擦系数，如表4所示。由表4可知，计入表面织构后，液钠轴承的承载力提高了16.7%，刚度系数提高了9.3%，摩擦系数降低了13.1%，这是因为表面织构提供了额外的动压润滑效应，使得液钠轴承的润滑特性进一步提升。

表4 计入表面织构前后液钠轴承的润滑特性对比

Table 4 Comparison of lubrication characteristics of liquid sodium bearing before and after incorporating surface texture

计入前后

承载力/N

刚度系数/

(10⁸ N/m)

摩擦系数

相对误差/%

16.7

9.3

13.1

计入前

32 356.4

5.820 6

0.016 10

计入后

37 759.9

6.361 9

0.013 99

新窗口打开| 下载CSV

4 结论

本文针对二回路主循环泵的液钠轴承，设计了圆形、正方形和菱形三种不同形状的表面织构，采用数值模拟法分析了3种表面织构在不同无量纲深度和不同间距下所呈现的润滑特性，并开展了摩擦磨损试验，所得结论如下：

1）表面织构在摩擦副表面形成了发散间隙和收敛间隙，产生了降压区和升压区，从而实现了二次润滑效应。

2）通过激光加工参数探究试验发现，表面织构的深度与扫描速度呈负相关，随着扫描速度的增大，其深度的减小速度变慢；在激光功率范围内，表面织构深度随激光功率的增大呈线性增大。

3）3种表面织构在无量纲深度为2.0时所呈现的润滑特性最佳；菱形织构在无量纲深度为2.0、间距为1.4 mm时的润滑特性优于其他2种表面织构；相比于无织构光滑表面，计入菱形织构的摩擦表面的平均摩擦系数降低了66.3%。

4）将菱形织构计入液钠轴承摩擦副表面后，液钠轴承的承载力提高了16.7%，刚度系数提高了9.3%，摩擦系数降低了13.1%。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

PRASAD REDDY

G V

， KARTHIK

， LATHA

， et al.

Core materials for sodium-cooled fast reactors： past to present and future prospects

［J］. Materials Performance and Characterization， 2022， 11（2）： 2-52.