谢方伟，石修伟，孙俊雨，宋新扩，田祖织，刘秀梅

(1.中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州，221008；2.江苏大学机械工程学院，江苏镇江，212013；3.华电郑州机械设计研究院有限公司，河南郑州，450053)

非直接接触式旋转界面典型的应用有机械密封[1]、动压轴承[2−4]、湿式离合器和液黏离合器[5]等，其中液黏离合器通过流体黏性及剪切力传递转矩，广泛应用于矿山机械、工程机械和车辆等设备启停领域。以润滑油为例，在摩擦副间隙内，油膜厚度在微米级[6]，油膜的流动形式以压差流和剪切流为主，由于摩擦片表面沟槽、织构或机加工产生的粗糙元的存在，油膜流动过程中压力会发生较大变化，为空化产生提供了外界条件[7]。空化程度也随着转速增加而增强，空泡初生、发展和溃灭会破坏油膜的完整性，严重影响油膜剪切特性，导致油膜动力传递失稳，目前国内外众多学者对旋转界面流场、表面织构技术及油膜特性开展了大量理论和试验研究。

SCHOUVEILER等[8]通过油液流动实验，研究了油液流动规律，发现当流体雷诺数改变时，油液流动状态发生改变，雷诺数增加时，出现二次流现象；YUAN 等[9]研究了油膜收缩的影响因素，发现高转速下，摩擦副间油膜大幅度收缩；PRATOMO等[10]利用空化模型建立摩擦副系统，发现系统性能受空化影响较大，忽略空化会导致数据失准。由于油液的存在，摩擦副间油膜工作中会产生空化现象，忽略空化会对系统研究产生重要影响，因此，研究摩擦副间油膜空化特性变得非常必要。

KAI等[11]采用荧光粒子追踪的方法对油液流动进行可视化研究，发现织构凹坑内润滑油流动明显减速；ETSION 等[12]对滑动轴承油液空化进行研究，发现转速对空化有显著影响，转速越大，空化越剧烈。BRAUN 等[13]通过压力实验发现，流场压力分布不均与空化效应有关；HIDALGO 等[14]利用空化模型分析平面凸水翼的空化流动，获得了高速条件下空化发展规律；PAHLOVY等[15]通过可视化试验获得了摩擦片间油液流动规律，实验表明：低转速下，流场内出现少量空泡，当转速增加时，空泡体积增大、数量变多；KADIVAR 等[16]进行了空化可视化实验，得到了非定常流动条件下局部油液空化演化规律；陈立宇[17]建立了流场仿真模型，发现不同织构条件下油膜传递扭矩及承载力均不相同，经参数优化后的表面织构可以增强动力传递性能；任重等[18−19]建立了油膜流场CFD仿真模型，得到了不同油槽结构下空化效应对油液流动及传递转矩的影响规律，发现低速时油液为层流流动，高速时油液为湍流流动；郑旭东[20]建立了油膜沟槽流场三维仿真模型，分析了油膜速度和压力，发现空化现象最先出现在油膜沟槽上游区域。织构在一定条件下有利于增强动力传递性能，因此，探究织构摩擦副间油液空化规律及织构对空化的影响十分必要。

目前摩擦副间空化效应研究主要涉及湿式离合器、液黏离合器及动压轴承，表面织构对减少摩擦副间的磨损、提高油膜润滑性能有积极作用，目前针对表面织构的研究主要涉及织构参数优化和织构对摩擦副性能的影响，表面织构对摩擦副间油膜空化效应影响的研究较少。本文以流体力学理论为基础，分析了液黏调速离合器摩擦副间油膜剪切空化过程，建立摩擦副间油膜流场的仿真模型，研究了油膜空化形态、空化速度场及空化压力场，得到了不同织构类型、不同织构率下油膜空化形态演变规律，并且通过空化实验对仿真分析结果进行了验证与完善。

1 油膜有限元模型

1.1 油膜几何模型

本文以CFD软件为基础，结合ICEM、CFX模块对摩擦副间油膜剪切空化过程进行仿真分析。图1所示为摩擦副结构示意图，由图1可见：摩擦副由摩擦片、对偶片和油膜流场组成，摩擦片表面有微型织构凹坑，油膜流场表面有织构微凸体。摩擦副间油膜具有周期性，为提高仿真效率，对仿真模型进行简化，仿真时选取整体摩擦副结构的1/30为研究对象，仿真摩擦副圆心角为12°，油膜内径和外径分别缩小为27 mm 和32 mm。摩擦片织构深度为0.05 mm，为控制织构方向对油膜剪切空化的影响，相邻织构凹坑在径向、周向上等距分布。图2所示为织构率为3.205%时，不同织构类型油膜示意图。不同织构类型油膜织构分布位置一致，相邻织构凹坑径向间距为0.5 mm，周向间距为1°。

图1 摩擦副结构示意图Fig.1 Structure diagram of friction pair

图2 织构率为3.205%时不同织构类型油膜示意图Fig.2 Schematic diagram of oil film with different texture types at texture ratio of 3.205%

1.2 边界条件设定

仿真流场介质为油液和蒸汽，材料参数如表1所示。油液黏度受温度影响较大，采用插值函数μ(T)对油液黏度与温度关系进行拟合，拟合函数为：

表1 油液与蒸汽参数Table 1 Parameters of oil and steam

式中：μ40为40 ℃油液动力黏度，Pa·s；T为温度，℃。

图3所示为仿真计算边界条件。由图3可见：整个油膜流场为旋转域，旋转壁面转速为1 000～6 000 r/min，流场初始工作压力为0.08 MPa，初始油液温度为293 K。速度入口位于织构油膜内径表面，入口速度为0.831 2 m/s，入口位置未产生空化，因此油液体积分数设为1。压力出口位于油膜外径表面，为自然流出，周期截面过流量比例为1：1。

图3 油膜流场边界条件Fig.3 Boundary condition of flow field

1.3 网格划分

网格类型选择结构化网格，处理软件选择ICEM CFD，对比3 种织构形式油膜，六面体织构油膜结构较简单，半球织构和圆柱织构油膜较复杂。图4所示为油膜网格划分示意图。为提高网格质量，使用多重网格对半球织构和圆柱织构油膜进行网格划分，网格类型选择六面体网格与O 型网格。表2所示为网格无关性验证结果，选择默认工况下油膜承载力和空化体积分数为检验标准。设计了7种网格规划方案，为保证空化体积和承载力稳定，避免网格划分对仿真结果产生较大影响，最终选取的网格设计参数为：O型网格的网格层数为11 层，油膜流场织构处网格层数为121 层，油膜流场非织构处网格层数为124层。

表2 网格无关性实验的验证结果Table 2 Verification results of grid independence experiment

图4 油膜结构网格划分Fig.4 Meshing of oil film structure

2 空化形态演变

2.1 油膜空化体积分数

空化现象主要发生在高转速情况下，所以转速设为6 000 r/min。图5所示为织构率分别为3.205%，6.410%和12.917%时，不同织构类型油膜空化体积分数随时间t变化曲线图。由图5可见：无织构油膜均未发生空化；油膜织构率为3.205%时，不同织构类型油膜空化体积分数均较低，六面体织构油膜空化体积分数最大，圆柱织构油膜空化体积分数最小；随着织构率增加，半球织构和圆柱织构油膜空化体积分数大幅增加后减小，六面体织构油膜空化体积分数小幅增长。

图5 不同织构率条件下，不同织构类型油膜空化体积分数Fig.5 Cavitation volume fraction of oil film with different texture types under different texture ratios

2.2 油膜空化形态演变

以半球织构油膜为例，分析油膜剪切空化过程。图6所示为半球织构在不同织构率下，0.010 s内油膜空化形态演变过程中，流场空化体积分数云图。

由图6(a)可见：组构率为3.205%条件下，当t小于0.013 s 时，空化体积分数迅速增长，达到6.340 9×10−4；当t大于0.014 s时，空化体积分数稳定在6.419 1×10−4；空化现象在空化初期主要发生在织构凹坑内，随着空化发展，空化由织构凹坑向非织构处发展。

由图6(b)可见：组构率为6.410%条件下，空化体积分数迅速增长到14.822×10−3，随后增长速度减缓，当t大于0.01 s 时，空化体积分数达到稳定，稳定在20.212×10−3左右；织构油膜在外径处空化剧烈，稳定阶段空化体积分数最高；空化稳定期，油膜外径处织构凹坑及非织构区均发生空化，并且织构凹坑内空化体积分数高于非织构区空化体积分数。

由图6(c)可见：组构率为12.917%条件下，空化体积分数迅速增长到10.912×10−3，随后增长减缓，当t大于0.010 s 时，空化体积分数稳定在14.098×10−3；稳定阶段空化体积分数降低，但高于织构率3.205%时的空化体积分数；空化稳定期，空化体积分数变化规律与图6(b)的相同。

图6 不同织构率条件下，半球织构油膜剪切空化演变过程Fig.6 Shear-cavitation evolution of hemispherical textured oil films at different texture ratios

图7所示为转速为6 000 r/min，r为30.7～32 mm时油膜空化形态演变过程中空化体积分数云图。由图7可见：低织构率时，空化主要发生在外径处织构凹坑内；当织构率为6.410%时，外径处空化剧烈，且空化气体沿摩擦片表面向对偶片表面扩散；当织构率增加至12.917%时，空化体积分数减小，空化气体靠近摩擦片表面。这是因为低织构率下相邻织构凹坑间隔较大，形成孤立型粗糙元，织构边界对流场压力扰动只发生在织构凹坑附近；随着织构率增加，流场扰动在外径低压区有所增大，导致空化体积分数增大；当织构率进一步增加时，相邻织构凹坑间距进一步减小，孤立的粗糙元形成均布粗糙群，织构整体对流场扰动减弱，空化体积分数减小。

图7 不同织构率下半球织构油膜截面上空化演变形态Fig.7 Cavitation evolution on hemispherical textured oil film cross section with different texture ratios

六面体织构油膜、圆柱织构油膜和半球织构油膜空化分析过程相同，低织构率时，圆柱织构油膜空化主要发生在织构凹坑内，六面体织构油膜空化只发生在织构凹坑内。随着织构率增加，在外径处六面体织构油膜、圆柱织构油膜均发生剧烈空化。

3 空化速度场分析

在较高转速下，不同织构类型油膜均在外径织构凹坑内发生剧烈空化，因此对外径处织构凹坑进行速度场分析。选取顺时针旋转的摩擦片作为研究对象，摩擦片织构率为6.410%，转速为6 000 r/min，油膜厚度为0.1 mm。将油膜流场表面存在织构微凸体一侧设为上表面，分析油膜流场上表面，织构微凸体内中间截面(h=0.12 mm)和垂直截面上的油液和空化气体流速。

3.1 油液速度场

图8所示为油膜局部油液流速矢量图；图9所示为油膜在织构微凸体内中间截面上油液流速矢量图，其中“俯视”和“侧视”分别为油液流经该中间截面处，速度矢量的俯视图和侧视图；图10所示为油膜在织构微凸体内垂直截面上油液流速图。

图9 不同时刻不同织构油膜微凸体中间截面上油液流速矢量图(织构率为6.410%)Fig.9 Oil flow velocity vector on middle section of oil film asperity with different texture at different time(texture ratio of 6.410%)

图10 不同时刻不同织构油膜表面微凸体垂直截面油液流速图(织构率为6.410%)Fig.10 Streamline diagram of oil flow velocity in vertical section of oil film with different texture types at different times(texture ratio of 6.410%)

由图8(a)～(c)可见：由于表面无织构凹坑，在t=0～0.100 s期间，油液平稳流动。由图8(d)～(f)，9(a)～(c)和10(a)～(c)可见：在t=0～0.100 s期间，六面体织构凹坑对油膜局部流场扰动较小，油液平稳流动，油液流动方向从左到右(箭头方向)，油液速度逐渐增大。由图8(g)～(i)，9(d)～(f)和10(d)～(f)可见：在t=0～0.100 s 期间，圆柱织构凹坑对油膜局部流场产生较大扰动，油液在远离凹坑处平稳流动，油液流动方向由右向左，油液可能在织构凹坑内产生了旋涡，导致局部油液流向发生变化。由图8(j)～(l)，9(g)～(i)和10(g)～(i)可见：在t=0～0.100 s 期间，半球织构与圆柱织构对油膜流场流动的影响相似，织构凹坑对附近流场产生了较大扰动，远离织构凹坑油液流动平稳，油液流速逐渐增大，油液在织构凹坑内未产生或产生较少漩涡，油液流入凹坑内从右侧直接流出。

图8 不同时刻不同织构油膜局部油液流速矢量图(织构率为6.410%)Fig.8 Local oil velocity vector diagram of oil film with different texture types at different time(texture ratio of 6.410%)

3.2 空化气体速度场

图11所示为油膜局部空化气体流速矢量图；图12所示为油膜在织构微凸体内中间截面上空化气体流速矢量图；图13所示为油膜在织构微凸体内垂直截面上空化气体流速流线图。

图12 不同时刻不同织构油膜微凸体中间截面上油膜空化气体流速矢量图(织构率为6.410%)Fig.12 Vectorgraph of oil film cavitating gas velocity on middle section of oil film asperity with different texture at different time(texture ratio of 6.410%)

图13 不同时刻不同织构类型油膜表面微凸体内垂直截面空化气体流速图(织构率为6.410%)Fig.13 Streamline diagram of cavitating gas velocity in vertical section of oil film with different texture types at different times(texture ratio of 6.410%)

由图11(a)～(c)，12(a)～(c)和13(a)～(c)可见：在t=0～0.100 s时间段内，空化气体速度迅速增大，最大速度出现在凹坑内，但速度变化较小，油液流动和空化气体运动方向一致，油液流动速度大于空化气体运动速度。由图11(d)～(i)，12(d)～(i)和13(d)～(i)可见：在t=0～0.100 s时间段内，不同织构类型油膜空化气体流动规律相似，油液和空化气体运动方向一致，空化气体运动速度小于油液流动速度；凹坑中间位置气体流速明显较低，左侧气体流速大于右侧气体流速，原因可能是油液在凹坑内产生了旋涡。

图11 不同时刻不同织构油膜局部空化气体流速矢量图(织构率为6.410%)Fig.11 Local cavitation gas velocity of oil film with different texture at different time(texture ratio of 6.410%)

由图8～13可见：空化气体运动速度小于油液流动速度，流场出口边界未出现气体回流，空化气体沿油液流动方向运动，结合油膜剪切空化发展过程分析结果可知，流场中油液在剪切空化作用下转化成了油液蒸汽；织构油膜微凸体内油液形成较大旋涡，旋涡中心压力较低，油液蒸汽进入剪切层后被旋涡吸入，随后迅速生长成空泡。

不同织构油膜油液与空化气体流动规律相似，半球织构油膜微凸体内产生旋涡较少，织构凹坑对油液滞留效果较弱；不同类型织构凹坑对附近流场干扰程度不同，织构率为6.410%时，六面体织构凹坑未对附近流场造成较大扰动，油液及空化气体流速和方向并未发生较大变化；半球织构及圆柱织构凹坑对附近流场造成较大扰动，油液及空化气体流速和方向发生较大变化，油液间剪切作用加大，造成较大的空化体积分数。

4 空化压力场分析

4.1 织构类型对空化压力影响

图14所示为油膜及凹坑内周向压力分布图，其中Pv为饱和蒸汽压力。由图14(a)可见：无织构油膜油液压力大于饱和蒸汽压力Pv，压力曲线为定常直线。此时油液流动平稳，油膜不发生空化，不存在织构凹坑引起的动压效应；织构油膜织构凹坑处，油液压力均小于饱和蒸汽压力，外径处均发生空化现象；不同织构类型油膜的周向压力均呈现周期性振荡变化。由图14(b)可见：织构油膜织构区油液压力均小于饱和蒸汽压力，非织构区油液压力大于饱和蒸汽压力；油液在织构凹坑内产生局部低压，饱和蒸汽压力大于局部低压，导致织构凹坑内发生了空化现象。

图14 不同织构类型油膜及凹坑内压力分布Fig.14 Pressure distribution in oil film and pits with different texture types

4.2 径向位置对空化压力影响

图15所示为t=0.100 s 时刻，半球织构油膜不同径向位置处的周向压力分布曲线。由图15可见：当半径r为31 mm时，织构凹坑局部油液压力低于饱和蒸汽压力；当半径小于31 mm 时，织构处与非织构处油液压力均大于饱和蒸汽压力。不同织构类型油膜，织构凹坑内油液压力分布趋势基本保持一致，不同半径处流场周向压力分布规律相似，由此可见：空化主要发生在外径处，织构凹坑处油液压力小于饱和蒸汽压力Pv。

图15 半球织构油膜局部压力分布Fig.15 Local pressure distribution of hemispherical textured oil film

5 空化实验

5.1 实验设计

搭建可视化试验台，使用高速摄像机采集摩擦副间油膜空化形态，进一步分析表面织构对摩擦副间油膜剪切空化形态的影响规律，完善理论模型。

图16所示为可视化试验台，液黏主机为透明主机，便于采集油膜空化形态，聚焦镜头、补光灯用来获得清晰的油膜流场运动形态图像。图17所示为不同织构率半球织构摩擦片。

图16 可视化试验平台Fig.16 Transparent test platform

图17 不同织构率半球织构摩擦片Fig.17 Hemispherical textured friction plate with different texture ratios

5.2 表面织构对空化影响

图18所示为不同转速下不同织构摩擦片油膜形态，试验对象为无织构摩擦片与织构摩擦片，实验时电机转速分别为350，550 和1 050 r/min，图中箭头为摩擦片半径方向。由图18(a)～(c)可见：试验过程没有发生空化现象，油膜形态保持完整，其中少许线状高亮区域为透明箱体上加工时留下的划痕，对拍摄角度进行调整之后，线状高亮区域不再存在。由图18(d)～(f)可见：电机转速保持350 r/min 时，试验过程没有发生空化现象；电机转速保持550 r/min 时，油膜出现空化现象，在摩擦片外径处出现2处“空泡”，“空泡”呈细长圆弧状；电机转速保持1 050 r/min 时，“空泡”增大，“空泡”数量增多，“空泡”由外径向内径扩散，因此，实验结果与仿真结果相同。

图18 不同转速下不同织构摩擦片油膜形态Fig.18 Oil film morphology of friction discs with different textures at different speeds

5.3 油膜剪切空化过程分析

图19所示为6%织构率时，半球织构摩擦片油膜空泡发展过程形态图。由图19(a)～(i)可见：当电机转速为550 r/min 时，已经出现空化现象。假设空泡从出现到消失为一个时间周期，实验时选择观察单个空泡的发展过程，一个时间周期T′内共拍摄46张照片。

图19 空泡发展过程Fig.19 Cavitation development process

1)当t=1/46T′时，空泡出现，空泡边界明显，空泡呈细长圆弧状，体积小、厚度小；

2)在t=1/46T′～35/46T′时间内，空泡主要位于摩擦片外径处，运动方向随油液顺时针移动，空泡边界明显，呈细长圆弧状，空泡体积增大、长度增加。在t=35/46T′时，空泡在油液流动方向上的厚度达到最大；

3)在t=39/46T′时，空泡在油液流动方向的前端位置，开始破裂为微小气泡，空泡开始溃灭，此时空泡后端仍保持呈细长圆弧状；

4)在t=39/46T′～43/46T′过程中，空泡沿着前端到后端逐渐分裂为微小气泡，此时空泡边界不清晰，在油液流向上厚度变大。在t=T′时，空泡彻底分裂，空泡化为雾状。空泡溃灭过程时间较短，空泡溃灭过程约占单个空泡发展周期的7/46。

6 结论

1)油膜剪切空化现象主要发生在外径处织构区域内，随着转速及织构率增加，空化区域向内径扩散。织构率增加，六面体织构油膜空化体积分数小幅度增长，半球织构和圆柱织构油膜空化体积分数先增大后减小。低织构率下，六面体织构油膜空化体积分数最大，织构率增加，半球织构油膜空化体积分数最大。

2)流场内部油液流动和空化气体运动方向一致，油液流动速度大于空化气体运动速度，六面体织构较半球织构与圆柱织构并未对凹坑附近流场造成较大扰动，油液及空化气体流速和方向并未发生较大变化。

3)空化发生时，不同织构凹坑内压力分布趋势基本一致，织构凹坑内油液压力均小于饱和蒸汽压力。

4)织构摩擦片在低速下不发生空化，转速增加，空泡首先出现在摩擦片外径处，呈细长圆弧状。转速继续增加，空泡体积增大，空泡向摩擦片内径扩散。