[论文解读] Influence of anisotropic surface roughness on lubricated rubber friction with application to hydraulic seals

Michele Scaraggi, Julian Benedikt Angerhausen+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2017

Adhesion, Friction, and Surface Interactions被引用 3

一句话总结

本文提出了一种多尺度平均场理论，用于模拟各向异性表面粗糙度对润滑橡胶摩擦的影响，特别是在液压密封中的应用。通过将薄膜润滑模型扩展以包含各向异性粗糙度参数，研究证明摩擦系数显著受表面纹理取向影响，实验结果验证了丁腈橡胶O形圈在具有可控粗糙度各向异性的钢表面上滑动时的预测结果。

ABSTRACT

Machine elements and mechanical components have often surfaces with anisotropic roughness, which may result from the machining processes, e.g. grinding, or from wear. Hence, it is important to understand how surface roughness anisotropy affects contact mechanics properties, such as friction and the interface separation, which is important for lubricated contacts. Here we extend and apply a multiscale mean-field model to the lubricated contact between a soft (e.g. rubber) elastic solid and a rigid countersurface. We consider surfaces with anisotropic surface roughness, and discuss how the fluid flow factors and friction factors depend on the roughness. We present an experimental study of the lubricated sliding contact between a nitrile butadiene rubber O-ring and steel surfaces with different types of isotropic and anisotropic surface roughness. The good quantitative comparison between the experimental results and the theory predictions suggests that the multiscale lubrication mechanisms are accurately captured by the theory.

研究动机与目标

• 理解工程应用中常见于机加工零件的各向异性表面粗糙度如何影响润滑橡胶摩擦。
• 将多尺度平均场润滑理论扩展至考虑软性粘弹性接触中的各向异性粗糙度。
• 量化表面纹理各向异性对薄膜润滑中流体流动与剪切应力因子的影响。
• 利用丁腈橡胶O形圈在具有可控各向同性与各向异性粗糙度的钢表面上滑动的实验数据，验证理论预测。
• 为优化动态密封中的表面纹理以最小化摩擦与磨损，提供一个可预测的框架。

提出的方法

• 利用方位功率谱与粗糙度不对称性参数，将薄膜润滑的多尺度平均场理论扩展以包含各向异性表面粗糙度。
• 引入依赖于滑动方向与表面纹理相对取向的流动因子（φ_fp）与剪切应力因子（φ_fs），其基于统计表面特性推导得出。
• 采用考虑有限变形与压力无关流体流变特性的粘弹性半空间近似模型，模拟橡胶的粘弹性响应。
• 将理论应用于O形圈典型的线接触几何结构，通过不同滑动速度下的Stribeck曲线计算摩擦系数。
• 利用丁腈橡胶O形圈在不同粗糙度各向异性（γ = 0.1, 1, 10）的钢表面上滑动的实验数据，对模型进行标定与验证。
• 将理论预测的摩擦系数与压力梯度与实验测量值进行比较，以评估模型准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 表面粗糙度各向异性（例如，划痕平行或垂直于滑动方向）如何影响润滑橡胶接触中的摩擦系数？
• RQ2 薄膜润滑中的流体流动因子与剪切应力因子在多大程度上依赖于表面粗糙度的方位分布？
• RQ3 所扩展的多尺度平均场模型能否准确预测丁腈橡胶O形圈在各向异性钢表面上的实验摩擦行为？
• RQ4 表面纹理不对称性（以γ量化）在何种程度上改变Stribeck曲线形状，并影响润滑状态之间的过渡？
• RQ5 在软性弹性体接触中，界面压力梯度与速度相关的粘性应力如何随各向异性粗糙度变化？

主要发现

• 理论模型预测，摩擦系数显著受表面纹理各向异性影响，当划痕垂直于滑动方向时摩擦系数最低（γ = 0.1）。
• 当γ = 10（划痕平行于滑动方向）时，摩擦系数升高，原因在于流体流动阻力增加及剪切应力因子增强。
• 模型在不同滑动速度范围内准确预测了实验Stribeck曲线，摩擦系数数值预测具有定量一致性（例如，γ = 0.1时τ_f = 10 MPa，γ = 1时为5 MPa，γ = 10时为2.5 MPa）。
• 流动因子（φ_fp）与剪切应力因子（φ_fs）强烈依赖于滑动方向与表面纹理的相对取向，与各向同性行为存在显著偏差。
• 模型成功捕捉了边界润滑与混合润滑状态之间的过渡，表明各向异性粗糙度会改变润滑状态转变的临界滑动速度。
• 实验验证证实，表面粗糙度各向异性是决定润滑橡胶密封摩擦的主导因素，即使在低滑动速度下也表现出可测量的影响。