Лазерное текстурирование: управление трением через микроструктурирование
Содержание статьи
- Введение в технологию лазерного текстурирования
- Физические принципы и механизмы работы
- Типы лазеров и методы обработки
- Геометрические параметры текстур
- Механизмы управления трением
- Режимы смазки и условия эксплуатации
- Промышленные применения
- Оптимизация параметров текстурирования
- Часто задаваемые вопросы
Введение в технологию лазерного текстурирования
Лазерное текстурирование поверхностей представляет собой передовую технологию модификации материалов, позволяющую создавать контролируемые микро- и наноструктуры для управления трибологическими характеристиками. С момента первых исследований в области текстурирования, начатых в 1990-х годах, эта технология прошла путь от лабораторных экспериментов до широкомасштабного промышленного применения в критически важных отраслях.
Основной принцип технологии заключается в создании регулярных микроуглублений на поверхности материала посредством лазерной абляции. Эти микроструктуры, типичные размеры которых составляют от нескольких микрометров до сотен микрометров, способны существенно изменять характеристики трения и износа контактирующих поверхностей. Исследования демонстрируют возможность снижения коэффициента трения до восьмидесяти процентов при правильном подборе параметров текстурирования.
Технология находит применение в компонентах, работающих в условиях интенсивного трения: механических уплотнениях, поршневых кольцах, подшипниках скольжения, режущих инструментах и биомедицинских имплантатах. Возможность точного управления геометрией текстур на микро- и наномасштабе открывает новые перспективы для создания поверхностей с заданными функциональными свойствами.
Физические принципы и механизмы работы
Процесс лазерного текстурирования основан на взаимодействии высокоинтенсивного лазерного излучения с поверхностью материала. При фокусировке лазерного луча на поверхность происходит локальное поглощение энергии, приводящее к быстрому нагреву материала до температур, значительно превышающих точку плавления. В зависимости от длительности импульса и плотности энергии, материал может испытывать плавление, испарение или прямое сублимирование без промежуточной жидкой фазы.
Стадии взаимодействия лазера с материалом
Взаимодействие лазерного излучения с материалом происходит в несколько последовательных стадий. На первой стадии, измеряемой фемтосекундами, свободные электроны в материале поглощают энергию фотонов, что приводит к их возбуждению и нагреву. Для металлов этот процесс практически мгновенный благодаря высокой концентрации свободных электронов. Диэлектрические материалы требуют многофотонного поглощения для перевода электронов из валентной зоны в зону проводимости.
На второй стадии, продолжающейся пикосекунды, происходит передача энергии от нагретых электронов к кристаллической решетке материала через электрон-фононное взаимодействие. Интенсивность этого процесса определяет характер последующего удаления материала. При использовании ультракоротких импульсов эта стадия может быть минимизирована, что приводит к так называемой холодной абляции с минимальными термическими эффектами.
Расчет зоны термического влияния
Формула определения глубины теплопроникновения:
L = √(α × τ)
где L - характерная глубина проникновения тепла (мкм), α - коэффициент температуропроводности материала (м²/с), τ - длительность лазерного импульса (с).
Пример расчета для стали:
При использовании наносекундного лазера (τ = 10⁻⁸ с) и α = 1.2 × 10⁻⁵ м²/с:
L = √(1.2 × 10⁻⁵ × 10⁻⁸) = √(1.2 × 10⁻¹³) ≈ 11 мкм
Для фемтосекундного лазера (τ = 10⁻¹⁴ с):
L = √(1.2 × 10⁻⁵ × 10⁻¹⁴) = √(1.2 × 10⁻¹⁹) ≈ 0.35 мкм
Это объясняет существенно меньшую зону термического влияния при использовании ультракоротких импульсов.
На третьей стадии, занимающей наносекунды и микросекунды, происходят фазовые переходы: плавление и испарение материала. Образуется плазма, состоящая из ионов и электронов, которая продолжает поглощать лазерное излучение. Давление паров и отдача плазмы способствуют выбросу расплавленного материала из зоны обработки, формируя углубление требуемой геометрии.
Типы лазеров и методы обработки
Выбор типа лазера является критическим фактором, определяющим качество текстурирования, производительность процесса и область применения технологии. Современная промышленность использует три основных класса лазеров, различающихся длительностью импульса: наносекундные, пикосекундные и фемтосекундные.
| Тип лазера | Длительность импульса | Зона термического влияния | Точность обработки | Области применения |
|---|---|---|---|---|
| Наносекундный | 10⁻⁹ - 10⁻⁸ с | 50 - 100 мкм | ± 10 мкм | Крупные детали, предварительная обработка |
| Пикосекундный | 10⁻¹² - 10⁻¹¹ с | 2 - 5 мкм | ± 2 мкм | Прецизионная обработка, медицина |
| Фемтосекундный | 10⁻¹⁵ - 10⁻¹⁴ с | < 1 мкм | ± 0.5 мкм | Биомедицина, аэрокосмос, электроника |
Наносекундные лазеры
Наносекундные лазеры представляют собой наиболее распространенный и экономически эффективный вариант для промышленного текстурирования. Типичные представители включают неодимовые лазеры с модуляцией добротности, обеспечивающие энергию импульса от десяти до ста миллиджоулей. Длительность импульса в диапазоне от десяти до ста наносекунд достаточна для эффективного удаления материала, но приводит к формированию заметной зоны термического влияния.
При наносекундной обработке материал успевает нагреться и расплавиться, что приводит к образованию застывшего слоя переплавленного материала вокруг текстурных элементов. Толщина этого слоя может достигать десяти микрометров. Для стальных компонентов это может приводить к изменению микроструктуры и появлению остаточных напряжений, что требует учета при проектировании текстур.
Пикосекундные лазеры
Пикосекундные системы занимают промежуточное положение между наносекундными и фемтосекундными лазерами, обеспечивая существенное снижение термических эффектов при сохранении приемлемой производительности. Зона термического влияния сокращается до двух-пяти микрометров, что позволяет создавать более точные и качественные текстуры. Шероховатость обработанной поверхности в три-пять раз ниже по сравнению с наносекундной обработкой.
Эти системы находят широкое применение в производстве медицинских имплантатов, где требуется высокая биосовместимость и точность геометрии. Пикосекундные лазеры также используются для обработки твердосплавных инструментов и создания функциональных покрытий, требующих минимизации термических повреждений.
Фемтосекундные лазеры
Фемтосекундные лазеры представляют вершину развития технологии, обеспечивая практически бестепловую обработку материалов. Длительность импульса, измеряемая десятками фемтосекунд, короче времени электрон-фононного взаимодействия, что исключает передачу энергии кристаллической решетке до завершения процесса абляции. Результатом является удаление материала без образования расплава и минимальной зоной термического влияния менее одного микрометра.
Фемтосекундная обработка позволяет достигать шероховатости поверхности на уровне восьмидесяти нанометров, что в десять-пятнадцать раз лучше результатов наносекундной обработки. Это критически важно для аэрокосмических компонентов, где поверхностное качество напрямую влияет на усталостную прочность. Исследования показывают увеличение срока службы титановых сплавов в три раза при использовании фемтосекундного текстурирования.
Практический пример: обработка титанового сплава Ti-6Al-4V
При создании микродимплов диаметром сто микрометров и глубиной пять микрометров на поверхности титанового имплантата использовались различные типы лазеров. Наносекундный лазер формировал зону оплавления толщиной около двенадцати микрометров с видимыми микротрещинами. Пикосекундная обработка снижала зону термического влияния до трех микрометров с незначительными структурными изменениями. Фемтосекундный лазер обеспечивал четкие границы димплов с зоной влияния менее микрометра и отсутствием микротрещин, что критично для биомедицинского применения.
Геометрические параметры текстур
Геометрия текстурных элементов играет определяющую роль в трибологических характеристиках обработанной поверхности. Основными параметрами, подлежащими оптимизации, являются форма элементов, их размеры, глубина, плотность расположения и характер распределения по поверхности. Каждый из этих параметров вносит свой вклад в итоговое поведение текстурированной поверхности при трении.
Форма текстурных элементов
Круглые димплы являются наиболее распространенной формой текстурных элементов благодаря простоте изготовления и хорошо изученному поведению. Сферические углубления диаметром от пятнадцати до восьмисот микрометров демонстрируют существенное влияние на коэффициент трения в зависимости от размера. Исследования показывают наличие оптимального диаметра, который зависит от условий смазки и скорости скольжения.
Эллиптические димплы с отношением большой оси к малой от полутора до трех показывают преимущества при наличии преимущественного направления движения. Ориентация большой оси вдоль направления скольжения способствует более эффективному захвату смазочного материала и формированию гидродинамического клина. Эксперименты с компрессорами подтверждают снижение коэффициента трения на двадцать-тридцать процентов по сравнению с круглыми димплами аналогичной площади.
Канавки и микроканалы представляют собой линейные текстурные элементы, эффективные для однонаправленного скольжения. Ширина канавок варьируется от двадцати до двухсот микрометров при глубине от двух до пятнадцати микрометров. Параллельные канавки, расположенные перпендикулярно направлению движения, способны создавать микрогидродинамический эффект, существенно снижающий трение в условиях жидкостной смазки.
| Форма элемента | Типичные размеры | Оптимальное соотношение глубина/диаметр | Снижение трения | Преимущества |
|---|---|---|---|---|
| Круглые димплы | 50 - 200 мкм | 0.05 - 0.15 | 15 - 80% | Универсальность, изотропность |
| Эллиптические | 100 × 50 мкм | 0.08 - 0.12 | 20 - 75% | Направленность, гидродинамика |
| Канавки | 50 мкм × 5 мм | 0.1 - 0.2 | 25 - 70% | Непрерывность, отвод продуктов износа |
| Шевронные | 80 - 150 мкм | 0.07 - 0.13 | 30 - 85% | Конвергентный клин, высокая несущая способность |
Плотность и распределение текстур
Плотность текстурных элементов выражается через коэффициент пустотности, определяемый как отношение площади димплов к общей площади поверхности. Экспериментальные исследования демонстрируют существование оптимальной плотности, которая варьируется в зависимости от условий эксплуатации. Для условий обильной смазки оптимум обычно находится в диапазоне от пяти до пятнадцати процентов, тогда как для граничной смазки эффективны более высокие значения до тридцати процентов.
Расчет коэффициента пустотности
Для круглых димплов с гексагональным расположением:
VR = (π × d²) / (4 × p²) × (2 / √3)
где VR - коэффициент пустотности, d - диаметр димпла (мкм), p - шаг между центрами димплов (мкм).
Пример:
Для димплов диаметром 100 мкм с шагом 300 мкм:
VR = (3.14 × 100²) / (4 × 300²) × (2 / 1.732) = 31400 / 360000 × 1.155 ≈ 0.101 или 10.1%
Такая конфигурация соответствует оптимальным значениям для большинства применений в условиях гидродинамической смазки.
Неоднородное распределение текстур по поверхности открывает дополнительные возможности оптимизации. Зональное текстурирование с различной плотностью в разных областях контакта позволяет адаптировать поверхность к изменяющимся условиям нагружения. Например, в поршневых кольцах максимальная плотность текстур в центральной зоне и минимальная вблизи точек реверсирования обеспечивает снижение трения на величину до восьмидесяти пяти процентов.
Механизмы управления трением
Текстурированные поверхности снижают трение посредством нескольких взаимодополняющих механизмов, действующих одновременно и вносящих различный вклад в зависимости от режима смазки и условий нагружения. Понимание этих механизмов критически важно для оптимального проектирования текстур под конкретные условия эксплуатации.
Микрогидродинамический эффект
При относительном движении текстурированных поверхностей в присутствии смазки димплы создают локальные области повышенного гидродинамического давления. Конвергентная геометрия зазора между поверхностями в области входа в димпл приводит к формированию клиновидного профиля течения смазки, генерирующего дополнительную несущую способность. Этот эффект наиболее выражен в режиме гидродинамической смазки при высоких скоростях скольжения.
Численное моделирование течения смазки с использованием уравнения Рейнольдса показывает, что круглые димплы диаметром сто микрометров и глубиной шесть микрометров способны генерировать локальные пики давления, в два-три раза превышающие средний уровень. Суммарный вклад множества димплов в несущую способность может составлять до сорока процентов от общей нагрузочной способности подшипника.
Резервуары смазочного материала
Микродимплы служат резервуарами, сохраняющими смазочный материал в условиях недостаточной подачи или высоких контактных давлений. При граничной смазке, когда толщина смазочной пленки сопоставима с шероховатостью поверхностей, наличие резервуаров обеспечивает непрерывное снабжение зоны контакта смазкой. Объем одного димпла диаметром сто микрометров и глубиной пять микрометров составляет приблизительно сорок нанолитров, чего достаточно для поддержания смазочной пленки на протяжении тысяч циклов контакта.
Экспериментальные исследования поршневых колец демонстрируют, что текстурированные образцы сохраняют работоспособность при сокращении подачи масла на семьдесят процентов по сравнению с нетекстурированными аналогами. Это открывает перспективы использования низковязких масел для снижения энергопотерь без ухудшения износостойкости.
Захват продуктов износа
В условиях сухого трения или граничной смазки текстурные элементы выполняют функцию ловушек для частиц износа, предотвращая их участие в абразивном износе. Частицы твердых продуктов износа, попадая в димплы, изолируются от контактной зоны, что резко снижает интенсивность трехтельного абразивного износа. Глубина димплов должна превышать средний размер частиц износа для эффективного захвата, что обычно соответствует пяти-десяти микрометрам.
Комплексное действие механизмов: подшипник скольжения
В журнальном подшипнике диаметром пятьдесят миллиметров, работающем при частоте вращения три тысячи оборотов в минуту, текстурирование поверхности втулки димплами диаметром сто двадцать микрометров с плотностью двенадцать процентов обеспечило следующие результаты:
- Микрогидродинамический эффект увеличил несущую способность на тридцать пять процентов
- Резервуары смазки снизили температуру подшипника на восемнадцать градусов
- Захват частиц износа уменьшил абразивный износ на шестьдесят процентов
- Суммарное снижение коэффициента трения составило сорок семь процентов
- Ресурс подшипника увеличился в два и три десятых раза
Кавитационные эффекты
При высоких скоростях скольжения в гидродинамическом режиме смазки внутри димплов может возникать микрокавитация - локальное парообразование смазочной жидкости вследствие падения давления. Кавитационные пузырьки снижают эффективную вязкость смазки в димплах, что уменьшает касательные напряжения и, следовательно, трение. Для реализации этого эффекта требуется правильный выбор глубины и диаметра димплов, обеспечивающих расширение потока и падение давления ниже давления насыщенных паров.
Численные расчеты показывают, что кавитация начинает проявляться при скоростях скольжения выше пятисот миллиметров в секунду для масел с вязкостью около сорока сантистоксов. Вклад кавитационного эффекта в снижение трения может достигать десяти-пятнадцати процентов при оптимальной геометрии текстур.
Режимы смазки и условия эксплуатации
Эффективность текстурированных поверхностей существенно зависит от режима смазки, определяемого параметром Герси или безразмерным параметром толщины пленки. Различные режимы смазки характеризуются различным соотношением между толщиной смазочной пленки и высотой шероховатости контактирующих поверхностей, что определяет доминирующие механизмы трения.
Гидродинамическая смазка
В режиме гидродинамической смазки контактирующие поверхности полностью разделены слоем смазочного материала, толщина которого значительно превышает суммарную шероховатость. Этот режим реализуется при высоких скоростях скольжения, высокой вязкости смазки и умеренных нагрузках. Текстурированные поверхности демонстрируют существенное снижение трения в этом режиме благодаря микрогидродинамическому эффекту и кавитации.
Оптимальные параметры текстур для гидродинамического режима характеризуются низкой плотностью димплов от пяти до десяти процентов и большими диаметрами от ста до двухсот микрометров. Глубина димплов должна составлять от шести до десяти процентов диаметра для максимизации гидродинамического эффекта без чрезмерного увеличения потерь на вязкое трение.
Смешанная смазка
Смешанный режим характеризуется частичным контактом микронеровностей поверхностей через смазочную пленку. Нагрузка распределяется между гидродинамической пленкой и непосредственными контактами шероховатости. Этот режим типичен для большинства реальных трибологических узлов, работающих при переменных скоростях и нагрузках. Текстурирование показывает максимальную эффективность именно в смешанном режиме, где все механизмы снижения трения действуют одновременно.
Для смешанной смазки рекомендуется средняя плотность текстур от десяти до пятнадцати процентов. Оптимальная глубина димплов должна превышать среднюю толщину смазочной пленки в полтора-два раза, что обеспечивает эффективное функционирование резервуаров смазки и захват частиц износа. Эксперименты показывают снижение коэффициента трения на величину от тридцати до семидесяти процентов в зависимости от конкретных условий.
| Режим смазки | Характеристика | Оптимальная плотность | Доминирующий механизм | Эффективность текстурирования |
|---|---|---|---|---|
| Гидродинамический | Полное разделение поверхностей | 5 - 10% | Микрогидродинамика | Умеренная (15-40%) |
| Смешанный | Частичный контакт | 10 - 20% | Все механизмы | Высокая (30-80%) |
| Граничный | Преимущественный контакт | 15 - 30% | Резервуары, захват износа | Средняя (20-50%) |
| Сухое трение | Отсутствие смазки | 20 - 40% | Захват износа | Низкая или отрицательная |
Граничная смазка и сухое трение
В режиме граничной смазки смазочная пленка имеет молекулярную толщину, а трение определяется взаимодействием адсорбированных слоев смазки на поверхностях. Текстурирование положительно влияет на граничную смазку за счет функционирования резервуаров и захвата продуктов износа. Рекомендуется высокая плотность текстур от пятнадцати до тридцати процентов с акцентом на максимизацию объема резервуаров.
Сухое трение без присутствия смазочного материала представляет особый случай, где эффективность текстурирования существенно ограничена. Исследования показывают, что в условиях сухого трения текстурированные поверхности могут демонстрировать даже повышенное трение по сравнению с гладкими. Это объясняется концентрацией напряжений на краях димплов и отсутствием гидродинамического эффекта. Применение текстурирования для сухого трения оправдано только при необходимости захвата продуктов износа в критических условиях.
Промышленные применения
Технология лазерного текстурирования нашла широкое применение в различных отраслях промышленности, где требуется повышение трибологических характеристик, увеличение срока службы компонентов или снижение энергетических потерь. Каждая область применения характеризуется специфическими требованиями к параметрам текстур и условиям эксплуатации.
Автомобильная промышленность
В двигателях внутреннего сгорания текстурирование поршневых колец и цилиндров обеспечивает снижение механических потерь на трение, что напрямую влияет на топливную экономичность. Современные исследования демонстрируют потенциал сокращения расхода топлива до шести процентов при оптимальном текстурировании поверхностей цилиндропоршневой группы. Текстуры с переменной плотностью по длине поршневого кольца адаптированы к различным условиям смазки в верхней, средней и нижней зонах цилиндра.
Применение текстурирования в подшипниках коленчатого вала и распределительного вала позволяет снизить потери мощности и повысить надежность работы при использовании низковязких масел. Экспериментальные двигатели с текстурированными подшипниками демонстрируют снижение рабочей температуры на пятнадцать-двадцать градусов и увеличение ресурса на сорок-шестьдесят процентов.
Аэрокосмическая промышленность
В авиационных двигателях текстурирование применяется для лопаток турбин, где требуется сочетание минимального трения, максимальной износостойкости и сохранение усталостной прочности. Фемтосекундное текстурирование титановых сплавов создает регулярные наноструктуры, снижающие коэффициент трения на двадцать-тридцать процентов без ухудшения механических свойств. Отсутствие зоны термического влияния критически важно для предотвращения образования концентраторов напряжений.
Подшипники космических аппаратов работают в условиях вакуума, где традиционные жидкие смазки неприменимы. Текстурирование в сочетании с твердосмазочными покрытиями обеспечивает приемлемый коэффициент трения и длительный срок службы. Исследования подшипников с текстурированием и покрытием дисульфидом молибдена показывают стабильную работу в течение миллионов циклов в вакууме.
Биомедицинские имплантаты
Ортопедические эндопротезы тазобедренных и коленных суставов подвергаются интенсивному трению в биологической среде. Текстурирование поверхностей трения имплантатов из титановых сплавов или кобальт-хромовых сплавов снижает выделение частиц износа, вызывающих воспалительные реакции и асептическое расшатывание. Клинические исследования показывают снижение ревизионных операций на тридцать семь процентов при использовании текстурированных имплантатов.
Стоматологические имплантаты с текстурированной поверхностью демонстрируют улучшенную остеоинтеграцию благодаря оптимизированной микрогеометрии. Лазерное текстурирование позволяет создавать иерархические структуры с микроямками размером пятьдесят-сто микрометров и наноструктурами внутри них, что способствует адгезии и пролиферации остеобластов.
| Отрасль применения | Компоненты | Тип лазера | Достигаемый эффект | Типичное улучшение |
|---|---|---|---|---|
| Автомобилестроение | Поршневые кольца, цилиндры, подшипники | Наносекундный, пикосекундный | Снижение трения, экономия топлива | Расход топлива -4-6%, износ -40-70% |
| Аэрокосмос | Лопатки турбин, подшипники | Фемтосекундный | Износостойкость, усталостная прочность | Ресурс +200-300%, трение -20-35% |
| Медицина | Эндопротезы, стенты, имплантаты | Пикосекундный, фемтосекундный | Биосовместимость, снижение износа | Износ -99%, ревизии -37% |
| Инструментальная | Режущие инструменты, штампы | Пикосекундный | Стойкость, качество обработки | Стойкость +50-100%, шероховатость -30% |
| Энергетика | Уплотнения, подшипники турбин | Наносекундный, пикосекундный | Надежность, КПД | Потери на трение -25-45% |
Режущий инструмент
Текстурирование рабочих поверхностей твердосплавных и керамических резцов снижает силы резания и улучшает отвод стружки при обработке труднообрабатываемых материалов. Микроканавки на передней поверхности инструмента, ориентированные перпендикулярно направлению схода стружки, создают микрорезервуары для смазочно-охлаждающей жидкости и способствуют дроблению стружки. Эксперименты при токарной обработке титанового сплава Ti-6Al-4V показывают увеличение стойкости инструмента в полтора-два раза.
Сверла и фрезы с текстурированными режущими кромками демонстрируют снижение температуры резания на восемьдесят-сто двадцать градусов, что критически важно для предотвращения термического повреждения обрабатываемого материала. Уменьшение трения на контактных поверхностях также снижает износ инструмента и улучшает качество обработанной поверхности.
Оптимизация параметров текстурирования
Проектирование эффективных текстурированных поверхностей требует системного подхода к оптимизации множества взаимосвязанных параметров. Современная методология основана на сочетании численного моделирования, экспериментальных исследований и методов оптимизации для поиска оптимальной конфигурации текстур под конкретные условия эксплуатации.
Численное моделирование
Гидродинамическое моделирование течения смазки в зазоре текстурированных поверхностей выполняется с использованием уравнения Рейнольдса с учетом кавитации и деформации поверхностей. Конечно-элементные модели позволяют оценить распределение давления, толщину смазочной пленки и касательные напряжения для различных геометрий текстур. Результаты моделирования показывают, что оптимальная глубина димплов составляет от сорока до восьмидесяти процентов минимальной толщины смазочной пленки для подшипников скольжения.
Контактно-механическое моделирование необходимо для анализа напряженно-деформированного состояния в условиях смешанной и граничной смазки. Метод конечных элементов применяется для расчета концентрации напряжений на краях димплов и оценки влияния текстурирования на усталостную прочность. Результаты указывают на необходимость скругления кромок димплов радиусом не менее пяти микрометров для минимизации концентрации напряжений.
Экспериментальная валидация
Трибологические испытания текстурированных образцов проводятся на специализированных стендах, воспроизводящих реальные условия нагружения. Тестеры типа шар-диск, палец-диск и тяга-кольцо используются для измерения коэффициента трения и интенсивности износа при различных нагрузках, скоростях и режимах смазки. Экспериментальные кривые Стрибека позволяют определить эффективность текстурирования во всем диапазоне эксплуатационных режимов.
Оптические методы, включая интерферометрию и конфокальную микроскопию, применяются для прецизионного измерения геометрии текстур и мониторинга изменений поверхности в процессе износа. Точность измерения профиля димплов составляет десятки нанометров, что позволяет контролировать качество лазерной обработки и корреляцию между заданными и реализованными параметрами.
Оценка оптимальной плотности текстур
Упрощенная модель для смешанной смазки:
η_opt = 0.15 × (λ / h_min) + 0.05
где η_opt - оптимальная плотность текстур, λ - среднеквадратичная шероховатость (мкм), h_min - минимальная толщина смазочной пленки (мкм).
Пример расчета:
Для полированной стальной поверхности с λ = 0.3 мкм и расчетной толщиной пленки h_min = 1.5 мкм:
η_opt = 0.15 × (0.3 / 1.5) + 0.05 = 0.15 × 0.2 + 0.05 = 0.08 или 8%
Эта оценка соответствует экспериментальным данным для большинства подшипников скольжения в режиме смешанной смазки.
Многопараметрическая оптимизация
Оптимальная конфигурация текстур является результатом компромисса между противоречивыми требованиями минимизации трения, максимизации несущей способности и обеспечения износостойкости. Методы многокритериальной оптимизации, такие как генетические алгоритмы и метод роя частиц, применяются для поиска оптимума в многомерном пространстве параметров. Оптимизация учитывает диаметр, глубину, форму и плотность димплов, а также распределение текстур по поверхности.
Практическое применение оптимизации для проектирования текстурированного упорного подшипника диаметром сто миллиметров привело к следующей оптимальной конфигурации: эллиптические димплы с большой осью сто тридцать микрометров, малой осью семьдесят микрометров, глубиной восемь микрометров и плотностью двенадцать процентов. Эта конфигурация обеспечила снижение коэффициента трения на пятьдесят три процента и увеличение несущей способности на сорок процентов по сравнению с гладкой поверхностью.
