织构化液压缸

高频响伺服液压缸作为液压伺服系统中大功率、高精度自动化装备的控制中枢以及关键设备[1]，多年来主要依赖进口，其进口率达到90%以上，由此可见，我国此类高端装备制造长期受制于人，生产制造水平有待提高。先进制造技术被国家中长期科学和技术发展规划纲要列为优先发展主体[2]。如何将传统的设备向先进化和绿色节能化的方向发展，成为未来制造业赖以生存的基础和可持续发展的关键，这也对液压缸的工作性能和使用寿命提出了更高的要求。然而液压缸的高频响特性主要受制于液压件弹性圈密封[3]（如图 1 a)）摩擦特性的影响。密封界面摩擦力与界面间距成反比，间距越大，摩擦力越小，但是泄漏量会增大。界面的摩擦力与泄漏量之间的矛盾是制约液压缸频响提升的难题。

a)弹性圈式密封方法 b)变间隙密封方法

图1 活塞密封方式

液压缸摩擦副动压润滑[4]，如图 1 b)概念的提出，有助于提升液压缸的动态响应特性。该动压润滑的设计理念即在界面间构造微小间隙，使密封界面之间处于完全油液润滑状态，形成全流体密封带。由于液体举升力，密封界面不直接产生固固接触，降低了摩擦力，减小了界面磨损，可以显著解决伺服液压缸摩擦大、响应慢、寿命短等缺点。

在液压缸的实际应用过程中发现：缸筒-活塞摩擦副是液压缸中最关键的摩擦副，是制约液压缸工作性能的重要因素之一。缸筒-活塞摩擦副如何通过固液两相的相互作用以及界面受力情况，使得界面间形成动压润滑，减小摩擦副的磨损，从而改善摩擦副润滑性能，一直是液压缸研究的重点和难点。而且当液体流经的局部地区，压强若低于某临界值，液体也会发生空化。在低压区空化的液体挟带着大量空泡，形成了“两相流”运动，因而破坏了液体宏观上的连续性，水流挟带着的空泡在流经下游压强较高的区域时，空泡将发生溃灭。常见的减小缸筒-活塞摩擦副的措施为：将传统的密封圈形活塞替换为间隙密封活塞。近年来有学者将织构技术成功的应用于轴承发动机等，实现了减阻减磨，这对液压缸的织构化发展有很大的启迪。

活塞是液压缸的关键零件，其工作性能直接影响液压缸的效率。本世纪初德国Hänchen公司研制出新型间隙密封技术液压缸，由于不存在橡胶圈的启动摩擦，基本消除了动、静摩擦之差所造成的控制误差和极限环振荡。将此方法应用于连铸高频响液压振动系统已获得成功，6mm振幅振动频率达 25Hz，相对传统系统提高了4倍，使得液压缸摩擦副之间处于完全流体润滑状态，显著提高了响应特性，并减小了摩擦，使液压缸的速度从0.1m/s提高到0.7m/s。但是，这种采用“恒间隙”的伺服液压缸，无法解决内泄漏量大的问题。如Hänchen-306缸在30MPa压力下，内泄漏量达350ml/min。

武汉科技大学湛从昌团队提出了在伺服液压缸的活塞和导向套上加工唇边，通过液压油压力作用，使唇边变形，从而改变活塞与缸筒间隙，控制泄漏量，实现了唇边变形、间隙量与压力之间的自适应，获得较稳定的容积效率。这是一种新型变间隙密封液压缸[5]，能很大程度的减小泄漏量。

随着液压传动技术向着高频响、高压方向发展，对液压缸缸筒-活塞的工作性能和使用寿命提出了更高的要求。表面织构技术因能提高摩擦副的密封能力、降低摩擦磨损、改善润滑性能而成为摩擦学的一大研究热点。织构技术因其能提高摩擦副的油膜支撑力、降低摩擦磨损、改善润滑性能而成为摩擦学的一大研究热点，诸多研究成果在轴承、汽车发动机、计算机硬盘等上的成功应用，为织构化摩擦副的研究提供了理论基础，利用表面织构技术改善的缸筒-活塞摩擦润滑性能提供了一种新的思路，旨在摩擦表面形成气-液两相润滑，消除缸筒与活塞间的固固磨损。

表面织构的形貌设计

仿生织构是一种根据生物表皮的减阻特性，在接触表面加工出一定尺寸和排列的图案阵列。织构化可以改变表面形貌，进而改变摩擦副表面的接触状态和润滑状态[6-7]。在确定的工况条件下，仿生织构的几何形状、尺寸大小、方向、面积占有率和深度（凹）等几何参数，以及表面织构的分布区域，对改善摩擦学特性起着至关重要的作用，不同表面织构截面形状如图 2所示。

图2 不同截面形状仿生织构

正是由于仿生织构的动压润滑减阻特性，并随着仿生表面织构加工技术的快速发展，仿生织构得到了广泛的应用。现有的反应离子刻蚀，表面喷丸处理，飞秒激光加工等表面织构加工技术为微织构加工提供了有利的工具，可加工出各式各样的表面织构图案，如图3所示，如鳞片形、凸台形、圆凹坑形、方凹坑形、条状凹痕形、网格凹痕形等。这些技术所加工的织构表面均存在一定缺陷，如加工形状无法控制，加工后表面出现应力集中、金相组织发生变化，这些缺陷导致实验结果的不准确性，机械刻蚀能一定程度的克服以上缺陷，并且具有优良的经济效益，最大限度保持材料特性不发生改变。

图3 表面织构形貌

近年来，关于表面织构的研究越来越多，其摩擦学性能已经得到学术界和工业界的广泛重视，仿生织构常被应用于内燃机活塞表面、端面密封、推力轴承等方面。应用在内燃机的缸套-活塞时，改善了内燃机缸套-活塞系统的润滑性能，提高内燃机效率、减小碳排放；应用在端面密封时，提高了密封流体的静压影响，降低了高压液体密封件的摩擦力矩；应用在推力轴承盘面，可以使摩擦系数降低50%，使动压润滑向混合润滑转变的临界承载力提高了2倍。这些应用证实了织构表面能够产生较好的动压润滑效果。

虽然对表面织构的研究和应用较多，但从上述研究现状可以看出，在织构形状和几何参数对织构表面摩擦性能的影响等方面得到的结论并不一致。比如Etsion[8]的研究指出深度比是决定织构摩擦性能的主要参数，而面积占有率的影响不大，但是Wang[9-10]等的研究却表明存在一个最优的面积占有率使得摩擦性能最优。究其本质是织构形状和几何参数的影响机理还没有得到充分认识，还未能形成指导性的系统理论。将织构技术应用于液压元件刚刚兴起，有学者将微凹形（凹坑和沟槽）表面织构应用在柱塞泵的滑靴[11]，通过动压润滑减阻减摩，然而以提高液压缸运动频响为研究目的相关理论较少。将微凹形表面织构应用在液压缸缸筒或者活塞表面，是否能减小缸筒-活塞间的摩擦力，提高响应频率，而且当活塞速度加快时，封闭存储在凹坑、沟槽中的运动流体所产生的液流冲击力会随着速度的提高而增大，是否会对液压缸的运动有阻碍作用仍未知。需要系统的研究具有微凹织构的液压缸摩擦副表面，使液压缸实现高频响。结合多相流、算法预测摩擦特性，理论结合实验，设计一种适合于提高液压缸响应速度的微凹织构，是一个全新的研究领域[12]。

参考文献

[1]湛从昌,陈新元.液压可靠性最优化与智能故障诊断[M].北京:冶金工业出版社,2015.

[2]国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)[J]. 浙江节能, 2006, (1): 1-5.

[3]周恩涛,李建勋,林君哲.液压缸活塞密封性能的有限元分析[J].润滑与密封, 2006, (4): 84-85.

[4]蒋俊, 郭媛, 曾良才. 间隙密封液压缸泄漏量仿真分析[J]. 润滑与密封, 2013, (7): 75-79.

[5]湛从昌, 邓江洪, 陈奎生. 低摩擦高频响变间隙密封液压缸研究[J]. 机械工程学报, 2015, 51(24): 161-167.

[6]Shen C, Khonsari M M. Numerical optimization of texture shape for parallel surfaces under  unidirectional and bidirectional sliding[J]. Tribology International, 2015, 82: 1-11.

[7]王静秋, 王晓雷. 表面织构创新设计的研究回顾及展望[J]. 机械工程学报, 2015, 51(23): 84-95.

[8]Kligerman Y, Shinkarenko A, Etsion I. Improving Tribological Performance of Piston Rings by  Partial Surface Texturing[J]. Journal of Tribology, 2005, 127(3): 632-638.

[9]Wang X, Kato K, Adachi K. Loads carrying capacity map for the surface texture design of Si C thrust bearing sliding in water[J]. Tribology International, 2003, 36(3): 189-197.

[10]Wang X, Kato K, Adachi K. Running-in effect on the load-carrying capacity of a water-lubricated  SiC thrust bearing[J]. ARCHIVE Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part J  Journal of Engineering Tribology 1994-1996 (vols208-210), 2005, 219(2): 117-124.

[11]梁瑛娜, 高殿荣, 毋少峰. 凹坑形仿生非光滑表面滑靴副的动压润滑计算[J]. 机械工程学报, 2015, 51(24): 153-160.

[12]毛阳. 织构化液压缸摩擦副特性建模与实验研究[D].武汉科技大学,2017.