复合表面织构对锭子振动性能的影响研究

张素香 石艳青 于贺春

（1.中原工学院，河南郑州，451191；2.信阳航空职业学院，河南信阳，464100）

振动性能是衡量锭子好坏的三大指标之一。为提高锭子的振动性能，有研究人员从材料、结构、尺寸［1-4］等不同方向进行了研究。吴文静等［5］通过仿真和试验得出了铝套管锭子的临界转速，且两者误差在8%以内；吴云珍［6］通过模态分析发现尖锥形铝套管锭子的临界转速避开了其工作转速15 000 r/min～18 000 r/min；莫帅等［7］研究了弹性管的结构参数对其弹性的影响，为锭子的使用提供基础数据；王进等［8］研究了不同径向载荷对锭子振动性能的影响，结果发现0.5 kg 径向载荷下锭子的振动性能较好。这些前人的研究成果，均是从传统视角出发，随着仿生学研究的成熟，传统的认为表面光洁度越高，摩擦因数越小的理念逐渐被打破，研究人员将仿鲨鱼皮形貌的盾鳞状表面织构通过紧密排列用于泳衣后，减小了泳衣与水之间的摩擦因数，减阻率在3%～5%［9］。吴波等［10］将仿黄缘真龙虱表面的圆形凹坑状表面织构应用于内燃机活塞裙部后发现，活塞磨损降低，气缸功率和散热效率提高。杜伟等［11］将仿贝壳的棱形纹理应用于除草轮后，发现除草轮对土壤的扰动能力增强，降低了反作用力。阮鸿雁等［12］通过研究发现复合表面织构的动压性能更好。张博［13］研究了鳞片状、菱形和正六边形等单一表面织构对单弹性锭子振动性能的影响，发现仿生织构可提升单弹性锭子的振动性能，但研究深度和广度仍然有待进一步提升。

本研究基于仿生学原理，将具有减阻作用的仿鲨鱼皮、仿贝壳、仿黄缘真龙虱状复合表面织构应用于锭子高速旋转的表面，研究不同尺寸或形貌的复合表面织构对双弹性和单弹性锭子振动性能的影响，为提高锭子振动性能提供参考数据。

1 锭子结构原理与轴心轨迹

1.1 结构原理

图1 为双弹性锭子和单弹性锭子装配示意图。锭子主要分为上、下两部分，上部的杆盘结合件在下部的锭脚和锭胆结合件支承下高速旋转，完成锭子的功能，杆盘结合件与双弹性支承组成双弹性锭子，与单弹性支承组成单弹性锭子。

图1 双弹性锭子和单弹性锭子装配示意图

1.2 轴心轨迹

锭子可以简化为垂直运动的转子，其振动性能可以用锭端轴心的运动轨迹表示。通常情况下，锭子高速旋转时X向和Y向受力不同，则振幅也不同，因此理想情况下，锭子轴心轨迹为椭圆形，其表达式如式（1）所示。X和Y向受力相同时为圆形，振幅如式（2）所示；考虑瞬时横向冲击外力，轴心轨迹为不规则形状，振幅如式（3）所示，但外力消失后，轨迹又恢复正常。考虑锭子正进动和反进动，且两者不相等时，轴心轨迹为花瓣形，轨迹相对坐标如式（4）所示。

式中：x、y为转子中心坐标；X、Y为垂直于锭子转轴的两垂直方向的振幅；ωn为锭子临界角速度；αx、αy为初相位；Ω为角速度；B1、B2为外力冲击产生的振幅；ζ为轴心轨迹；n为转速；i为虚数；t为时间。

2 复合表面织构设计及试件制备

为研究具有减阻降磨作用的仿生表面织构应用于锭子后对锭子振动性能的影响，模拟具有减阻功效的鲨鱼皮［14］、贝壳、黄缘真龙虱［15］表面形貌。其中，简化鲨鱼皮形貌为盾鳞状，并沿对角线方向加工3 道沟槽；简化贝壳表面为椭圆形，且椭圆边缘有5 个微刺；简化黄缘真龙虱表面形貌为圆形凹槽中间有圆形凸起，然后取YD61 型双弹性锭子和YD61 型单弹性锭子各20 套，分为5 组，每组双弹性锭子4 套，单弹性锭子4 套，共8 套。之后将仿鲨鱼皮形貌、仿贝壳形貌和3 种不同尺寸的仿黄缘真龙虱形貌等共5 种不同类型或尺寸的仿生表面织构通过激光微加工的方式分别加工在锭子的上轴承档以下的外圆部位。表1 为仿生表面织构加工参数。图2 为具有减阻降磨功效的生物表面形貌图。图3 为仿生表面织构加工后形貌图。

表1 仿生表面织构加工参数

图2 具有减阻降磨功效生物表面形貌

为防止加工织构后的锭子表面残留的激光熔融颗粒在锭子工作过程中脱落，影响锭子的试验性能，锭子在激光微加工仿生织构之后，采用1 200 目、1 500 目、2 000 目的金相砂纸打磨仿生织构表面，清除激光微加工产生的多余材料，并将织构表面抛光，清洗。然后，依次将具有仿生表面织构的锭子安装在多功能锭子测量试验台上，当锭速从2 000 r/min 增加到22 000 r/min 时，测量其锭端振幅，并对比分析仿生表面织构加工前后不同仿生表面织构对锭子锭端振幅的影响规律。

3 结果讨论

图4 为仿生表面织构加工前后三维形貌图。与无仿生表面织构的锭子对比，加工不同类型的仿生表面织构后，其织构部位的尺寸误差均有增加，说明仿生表面织构加工的有效性。

3.1 仿鲨鱼皮状织构的影响

图5为仿鲨鱼皮状仿生表面织构的双弹性和单弹性锭子振幅图。

图5 仿鲨鱼皮状织构弹性锭子振幅

由图5 分析可知，在锭子上增加仿鲨鱼皮状仿生表面织构后，在临界转速附近，双弹性锭子的振幅由200 μm 大幅降低至120 μm 左右，之后随着转速的增加振幅在20 μm～40 μm 之间波动，与无织构的双弹性锭子相比，振幅略有降低。而对于相同结构的单弹性锭子，在增加仿鲨鱼皮状仿生表面织构后，在转速大于10 000 r/min 时，其振幅略有下降，在20 μm 附近且波动较小。总体分析，仿鲨鱼皮状仿生表面织构增加于相同条件下的双弹性锭子和单弹性锭子后，临界转速影响范围内振幅大幅下降，远离临界转速则略有降低，这表明具有减阻作用的仿鲨鱼皮状仿生表面织构与润滑油共同作用可稍微提升双弹性和单弹性锭子的振动性能。

3.2 仿贝壳状织构的影响

图6为仿贝壳状仿生表面织构的双弹性和单弹性锭子振幅图。

图6 仿贝壳状织构弹性锭子振幅

由图6 可知，在锭子上增加仿贝壳状仿生表面织构后，当转速从2 000 r/min 增加到22 000 r/min 时，双弹性锭子的振幅始终稳定在25 μm 左右；而单弹性锭子在临界转速影响范围内振幅在50 μm 附近，远离临界转速后振幅在25 μm 附近波动。与无织构的锭子相比，仿贝壳状仿生表面织构直接抑制了双弹性和单弹性锭子在临界转速附近振幅大幅增加的状况，但双弹性锭子的抑制效果更明显。变化规律表明：在锭子上增加合理尺寸的仿贝壳状仿生表面织构后，双弹性锭子和单弹性锭子的振动性能均明显提升，但双弹性锭子的提升更显著，仿贝壳状仿生表面织构使双弹性锭子可以工作在任意转速且振幅很小，并能满足锭子的使用要求，为进一步提升双弹性锭子的振动性能提供研究方向。

3.3 仿黄缘真龙虱状织构的影响

3.3.1大尺寸织构

图7 为大尺寸仿黄缘真龙虱状表面织构的双弹性和单弹性锭子的振幅图。

图7 大尺寸仿黄缘真龙虱状织构弹性锭子振幅

由图7 可知，与无织构的锭子相比，增加仿生表面织构后，在临界转速影响范围内，双弹性锭子振幅均值由200 μm 降低至90 μm，单弹性锭子均值由180 μm 降低至80 μm，过临界转速后，双弹性锭子均值由40 μm 降低为20 μm，单弹性锭子均值则由25 μm 降低为15 μm。说明在锭子高速旋转表面增加该大尺寸的仿生表面织构后，双弹性锭子和单弹性锭子的振动性能均有提升，但单弹性锭子的振动性能提升更显著。与此同时，有文献证实将仿黄缘真龙虱状表面的圆形凹坑加中间凸起状的织构应用于内燃机活塞裙部，减少了活塞的磨损，说明仿黄缘真龙虱圆环形凹坑状织构不仅具有较好的耐磨性能而且有利于降低振幅。

3.3.2中尺寸织构

图8 为中尺寸仿黄缘真龙虱状表面织构的双弹性和单弹性锭子振幅图。可以看出，增加中尺寸仿生表面织构后的双弹性锭子不同转速下振幅均值基本为25 μm，单弹性锭子临界转速影响范围内的最大振幅均值为100 μm，过临界转速后则稳定在25 μm 附近，说明该中尺寸的仿生表面织构对双弹性锭子的振动性能提升明显，对单弹性锭子仅在临界转速影响范围内有显著影响。

图8 中尺寸仿黄缘真龙虱状织构弹性锭子振幅

3.3.3小尺寸织构

图9 为小尺寸仿黄缘真龙虱状表面织构双弹性和单弹性锭子振幅图。可以看出，增加小尺寸仿生表面织构后，在临界转速影响范围内，双弹性锭子的振幅无明显降低，而单弹性锭子的最大振幅均值由180 μm 减小至140 μm。过临界转速后，双弹性锭子的振幅均值减小至25 μm 附近，单弹性锭子的振幅在15 μm～25 μm 范围内波动，结果表明该小尺寸仿生表面织构可提升双弹性锭子和单弹性锭子高速时的振动性能。

图9 小尺寸仿黄缘真龙虱状织构弹性锭子振幅

综合分析图7～图9 可知，3 种不同尺寸的仿黄缘真龙虱环形凹坑状织构中，中尺寸仿生表面织构对双弹性锭子不同转速处的振动性能影响明显，对单弹性锭子仅临界转速范围内的振幅明显降低；大尺寸仿生表面织构对不同转速下的双弹性锭子和单弹性锭子的振幅均有降低；小尺寸仿生表面织构对远离临界转速的锭子振幅明显降低。究其原因在于仿生表面织构有凸体与凹体之分，凸体密度不同时，摩擦因数不同，而凹体织构与凸体存在一定差异，凹体织构在充分润滑条件下可存储润滑油，在降低摩擦因数方面优于凸体，且能捕获磨粒，减小间距也易形成油膜，且微凹坑织构的直径与面积占有率对零件的摩擦性能影响显著，但深度影响不显著。这是凸体与凹体和面积占有率配合润滑油共同作用的结果。

4 结语

（1）增加仿鲨鱼皮状的表面织构可提升双弹性锭子和单弹性锭子的振动性能。仿鲨鱼皮表面织构既减阻又降振。

（2）仿贝壳状表面织构可抑制临界转速对弹性锭子振幅的影响，双弹性锭子可以工作在任意转速且振幅较小；单弹性锭子在临界转速范围内振幅大幅降低，但远离临界转速振幅降低不明显。

（3）中尺寸仿黄缘真龙虱状表面织构可使双弹性锭子在任意转速下工作且振幅较小，对单弹性锭子影响不显著；大尺寸仿黄缘真龙虱状表面织构可明显提升双弹性和单弹性锭子的振动性能；小尺寸仿黄缘真龙虱状表面织构可提升高速时双弹性和单弹性锭子的振动性能。这是凸体和凹体以及面积占有率与润滑油共同作用的结果。