Потенциал управления трением скольжения вращающихся систем на основе параметризации геометрии периодического микрорельефа поверхности

Статья посвящена исследованию технологии использования периодического микрорельефа поверхности как пассивного метода управления трением скольжения.

На примере радиального подшипника скольжения многоступенчатого центробежного насоса с помощью компьютерного гидродинамического моделирования и средств автоматизированного проектирования рассматривается параметрическая оптимизация геометрии микрорельефа поверхности в форме эллиптических дискретных впадин-ячеек для снижения коэффициента трения в системе «ротор–подшипник».

Коэффициент трения гладкой поверхности соответствовал гидродинамическому режиму смазки. Изменение целевой функции при однофакторном варьировании параметров не превышало 2 %. Выявленные зависимости носят нелинейный характер: с ростом длин осей эллипса L и H (то есть площади, занимаемой рельефом) коэффициент трения убывает и экспоненциально стремится к пороговому значению, а с ростом глубины D проходит через минимум. Минимум по глубине обусловлен конкуренцией убывающей адгезионной и возрастающей деформационной составляющих трения, вихреобразованием на входе в ячейку и эффектом гидродинамического клина; наибольшее влияние оказал параметр H (длина малой оси эллипса). Оптимальная конфигурация (D = 63 мкм, L = 250 мкм, H = 150 мкм) обеспечила снижение коэффициента трения на 6,18 % относительно гладкой поверхности.

Таким образом, посредством технологии использования периодического микрорельефа поверхности можно добиться как снижения коэффициента трения, так и его увеличения, что может найти отражение во множестве технических приложений.

1. Tang X., Lan Y., Bosiakov S., Zhuravkov M., He T., Xia Y., and Lyu Y. Investigation on the Coupling Effect of Bionic Micro-Texture Shape and Distribution on the Tribological Performance of WaterLubricated Sliding Bearings // Lubricants. — 2025 (13), no. 7, 305. DOI: 10.3390/lubricants13070305

2. Petrovsky E.A., Bashmur K.A., Shadchina Yu.N., Bukhtoyarov V.V., and Tynchenko V.S. Study of Microrelief Forming Technology on Sliding Bearings for Oil and Gas Centrifugal Units // Journal of Physics: Conference Series. — 2019 (1399), no. 5, 055032. DOI: 10.1088/1742-6596/1399/5/055032

3. Мышкин Н.К., Григорьев А.Я., Джанг Г. Устойчивое развитие и трибология полимеров // Трение и износ. — 2022 (43), № 6, 539—547. DOI: 10.32864/0202-4977-2022-43-6-539-547

4. Patel R., Khan Z.A., Saeed A., and Bakolas V. A Review of Mixed Lubrication Modelling and Simulation // Tribology in Industry. — 2022 (44), no. 1, 150—168. DOI: 10.24874/ti.1186.09.21.11

5. Андриевский Б.Р., Фрадков А.Л. Управление хаосом: методы и приложения. II. Приложения // Автоматика и телемеханика. — 2004, № 4, 3—34.

6. Bulatov V.P., Krasny V.A., and Schneider Y.G. Basics of Machining Methods to Yield Wear- and Fretting-Resistive Surfaces, Having Regular Roughness Patterns // Wear. — 1997 (208), no. 1–2, 132—137. DOI: 10.1016/S0043-1648(96)07403-0

7. Schnell G., Müller T., and Seitz H. Tribological Effects of Different Scaled Chevron-Shaped Microstructures on the Stribeck Curve of Parallel Contacts Under Unidirectional Friction // Tribology International. — 2023 (178 (B)), 108099. DOI: 10.1016/j.triboint.2022.108099

8. Nakano M., Korenaga A., Korenaga A., Miyake K., Murakami T., Ando Y., Usami H., and Sasaki S. Applying Micro-Texture to Cast Iron Surfaces to Reduce the Friction Coefficient Under Lubricated Conditions // Tribology Letters. — 2007 (28), no. 2, 131—137. DOI: 10.1007/s11249-007-9257-2

9. Song F., Yang X., Dong W., Zhu Y., Wang Z., and Wu M. Research and Prospect of Textured Sliding Bearing // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. — 2022 (121), 1—25. DOI: 10.1007/s00170-022-09281-2

10. Башмур К.А., Загуляев А.В., Агафонов Е.Д., Небылицын М.В. Потенциал устойчивого развития горной техники с опорами скольжения на основе концепций «зеленая трибология» // Устойчивое развитие горных территорий. — 2025 (17), № 2, 787—797. DOI: 10.21177/1998-4502-2025-17-2-787-797

11. Ding S., Wei H., Yang O., Deng L., and Mu D. Tribological Behaviors of Laser Textured Surface Under Different Lubrication Conditions for Rotary Compressor // Scientific Reports. — 2023, no. 13, 5378. DOI: 10.1038/s41598-023-32490-y

12. Chen Q., Yu A., Zhao S., Wu M., Yuan J., Sun L., and Chi J. Effect of Magnetic Field on Tribological Performance of Laser Dimple Textured Surface // Wear. — 2021 (468–469), 203584. DOI: 10.1016/j.wear.2020.203584

13. Myshkin N.K. and Grigoriev A.Y. Problems in Friction Analysis // In: Advances in Mechanism and Machine Science. IFToMM WC 2019. Mechanisms and Machine Science / Uhl T. (eds). — Singapore: Springer. — 2019, no. 73, 3779—3788. DOI: 10.1007/978-3-030-20131-9_374

14. Fu G. and Untaroiu A. An Optimum Design Approach for Textured Thrust Bearing with EllipticalShape Dimples Using Computational Fluid Dynamics and Design of Experiments Including Cavitation // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. — 2017 (139), no. 9, 092502. DOI: 10.1115/1.4036188

15. Сплавский И.С. Особенности изнашивания и механизмы разрушения рабочих ступеней высокооборотного насоса // Трение и износ. — 2024 (45), № 4, 310—318. DOI: 10.32864/0202-4977-2024-45-4-310-318

16. Menter F. Two-Equation Eddy-Viscosity Turbulence Models for Engineering Applications // AIAA Journal. — 1994 (32), no. 8, 1598—1605. DOI: 10.2514/3.12149

17. Lu X. and Khonsari M.M. An Experimental Investigation of Dimple Effect on the Stribeck Curve of Journal Bearings // Tribology Letters. — 2007 (27), 169—176. DOI: 10.1007/s11249-007-9217-x

18. Zhang H., Hua M., Dong G., Zhang D., and Chin K. A Mixed Lubrication Model for Studying Tribological Behaviors of Surface Texturing // Tribology International. — 2016 (93(B)), 583—592. DOI: 10.1016/j.triboint.2015.03.027

19. Liu S., Sai Q., Wang S., and Williams J. Effects of Laser Surface Texturing and Lubrication on the Vibrational and Tribological Performance of Sliding Contact // Lubricants. — 2022 (10), no. 1, 10. DOI: 10.3390/lubricants10010010

20. Steege T., Bernard G., Darm P., Kunze T., and Lasagni A.F. Prediction of Surface Roughness in Functional Laser Surface Texturing Utilizing Machine Learning // Photonics. — 2023 (10), no. 4, 361. DOI: 10.3390/photonics10040361

21. Dokshanin S.G., Tynchenko V.S., Bukhtoyarov V.V., Bashmur K.A., and Kukartsev V.V. Investigation of the Tribological Properties of Ultrafine Diamond-Graphite Powder as an Additive to Greases // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. — 2019 (560), 012192. DOI: 10.1088/1757-899X/560/1/012192

22. Керопян А.М., Албагачиев А.Ю. Исследование основных факторов, влияющих на повышение коэффициента трения взаимодействующих поверхностей рельсовых транспортных средств // Проблемы машиностроения и надежности машин. — 2024, № 3, 9—13. DOI: 10.31857/S0235711924030022

23. Voyer J., Klien S., Velkavrh I., Ausserer F., and Diem A. Static and Dynamic Friction of Pure and Friction-Modified PA6 Polymers in Contact with Steel Surfaces: Influence of Surface Roughness and Environmental Conditions // Lubricants. — 2019 (7), no. 2, 17. DOI: 10.3390/lubricants7020017

24. Xu R., Sheng W., Zhou F., and Persson B.N.J. Rubber Wear: History, Mechanisms, and Perspectives // Tribology Letters. — 2025 (73), 90. DOI: 10.1007/s11249-025-02025-9

25. Petrovskii É.A., Bashmur K.A., and Nashivanov I.S. Adaptive Control of Drill String Vibrations // Chemical and Petroleum Engineering. — 2019 (54), no. 9-10, 711—716. DOI: 10.1007/s10556-019-00538-4