《Lubricants》：Cavitation in Machine Elements: A Critical Review of Cavitation Damage, Experimental Methods, Standardization Challenges, and Applied Digital Technologies
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机器元件中的空化（cavitation）通常伴随着表面退化、材料损失以及功能性能和可靠性的降低。尽管对液压系统中的空化进行了广泛研究，但其在机器元件行为和耐久性中的作用仍未得到充分解决。本文基于对相关文献和标准的分析，对机器元件中的空化及空化诱导侵蚀（cavi
机器元件中的空化（cavitation）通常伴随着表面退化、材料损失以及功能性能和可靠性的降低。尽管对液压系统中的空化进行了广泛研究，但其在机器元件行为和耐久性中的作用仍未得到充分解决。本文基于对相关文献和标准的分析，对机器元件中的空化及空化诱导侵蚀（cavitation-induced erosion）进行了批判性综述。研究涵盖了不同类型的元件，包括齿轮、滑动轴承（plain bearings）、滚动轴承（rolling bearings）和密封件（seals），特别关注损伤机制（damage mechanisms）及其研究方法。分析表明，尽管空化的基本机制已得到充分理解，并且标准化的测试方法可用，但它们在机器元件中的应用有限。现有标准未充分适应特定元件，而当前的数值和实验方法很少提供空化现象与材料退化之间的直接联系。研究结果表明，需要改进标准化、开发集成建模方法，并加强空化机制与机器元件性能特征之间的联系。所提出的分析与设计、可靠性评估、维护策略以及液压和机械系统中耐空化机器元件的开发相关。
1. 引言
空化（cavitation）是流体在特定条件下发生的自然与技术现象，可对机器元件造成严重损伤。尽管其流体动力学机制研究深入，但在机器元件（如齿轮、滑动轴承、滚动轴承、密封件）中的退化作用尚未被充分关注。本文基于系统文献检索（数据库包括Scopus、Web of Science、Google Scholar），对空化损伤、实验方法、标准化挑战及数字技术应用进行了批判性综述，旨在识别当前研究空白并指出未来方向。
2. 空化的影响
空化导致短期表面损伤（粗糙度增加、强度降低）和长期功能退化，包括材料损失、系统污染及环境风险。空化侵蚀（cavitation erosion）会降低液压系统与机器元件的承载能力和可靠性，并可能污染工作流体，影响水生态与人类健康。需通过设计、材料选择和预测维护来缓解。
3. 术语与定义
空化定义为流体中压力降至临界值以下时，蒸汽或汽泡形成并溃灭（implosion）的非稳态过程。空化侵蚀（cavitation erosion）或空化磨损（cavitation wear）指溃灭产生的冲击波与微射流（micro-jet）造成的表面材料渐进损失。文中明确了侵蚀与磨损的语义区别，但工程实践中常统称为空化。
4. 空化类型
按成因分为：流体张力型（流体动力空化hydrodynamic cavitation (HC)、声学空化acoustic cavitation (UC)）和局部能量沉积型（光学空化、粒子空化）。流体动力空化又分为移动空化、固定空化和涡流空化。声学空化由超声诱导，分为稳态与瞬态。Swales分类法将空化分为移动、固定、涡流和振动四种形式。在机器系统中，流体动力空化最常见，但高频振动也可诱发声学空化，二者可同时产生复合空化（Hydrodynamic-Acoustic Cavitation HAC）。仅当气泡溃灭时才造成材料损伤。
5. 空化相关国际标准
标准化对实验结果的可比性至关重要。ISO标准中与机械工程直接相关的仅三项：ISO 3501（热塑性阀门）、ISO 9906（旋转动力泵）及ISO 23066（滑动轴承空化侵蚀损伤分类）。ISO 23066详细描述了流体动力润滑金属滑动轴承中因空化侵蚀导致的损伤类型、原因与对策。ASTM G32是唯一专门针对空化侵蚀的测试标准，采用超声振动装置在液体中产生空化，测量试样质量损失（mass loss）并绘制累积侵蚀-时间曲线。标准定义了孵化期（incubation period）、最大侵蚀率（maximum erosion rate (ER)）等参数。但该方法存在局限性：测试参数（如变幅杆-试样距离）影响结果，难以模拟真实流体动力条件，且对现代材料（如涂层、聚合物）适用性不足。当前研究呼吁改进标准，增强其现实代表性和材料兼容性。
6. 材料
空化抗力（cavitation resistance）是材料抵抗空化侵蚀的能力，受微观结构和化学成分影响。铁基合金中，铬含量12-18%可形成稳定钝化膜，镍稳定奥氏体结构，钼提高耐腐蚀性。材料相对抗力：碳钢为1.0，奥氏体不锈钢为8-12，钼改型不锈钢为15-20，钛合金为25-30，铝青铜为4-6。
6.1 钢
不同钢种抗空化侵蚀能力排序：马氏体不锈钢>奥氏体不锈钢>铁素体不锈钢。热处理与微观组织优化（如细化晶粒、提高加工硬化能力）可增强抗力。表面工程（如激光熔覆、高速氧燃料（High-Velocity Oxygen Fuel (HVOF)）涂层）显著提升性能。退化过程经历塑性变形、凹坑形成、裂纹扩展及材料去除。作者实验显示：中碳钢侵蚀率0.064 mg/min，低合金钢0.050 mg/min，高合金钢0.022 mg/min。
6.2 滑动轴承合金
滑动轴承材料（如铜基合金、白合金（Babbitt））的抗空化侵蚀性与机械强度、微观结构稳定性和耐腐蚀性相关。镍铝青铜在海水环境中表现良好。锡基白合金优于铅基。表面工程（如铁基非晶/纳米晶涂层）可提高抗力达7.5倍。
6.3 3D打印金属
增材制造（Additive Manufacturing (AM)）金属（如SLM 316L、AlSi10Mg、马氏体时效钢MS1）的抗空化性受工艺缺陷（孔隙、粗糙度）和微观结构（柱状晶、胞状晶）显著影响。致密结构与后处理（如抛光、喷丸）可改善性能。作者实验显示DMLS制备的MS1钢侵蚀率为0.00617 mg/min，损伤演化与制造缺陷位置相关。
6.4 基础工程材料对比
提供了常用材料（钢、铜合金、铝合金、铸铁）的相对空化抗力表格。合金元素（如Cr、Ni、Mo、Ti）对钢的抗力有不同影响。环保型材料（如DLC涂层）通过表面硬化可持续提升抗力并减少污染。
7. 机器元件
机器元件（齿轮、滑动轴承、滚动轴承、密封件）在润滑或流体环境中可能发生空化侵蚀，其机制与液压元件类似但更复杂。
7.1 齿轮
齿轮空化常见于齿轮泵和传动系统。标准ISO 14104将空化损伤归为“其他”类，其特征为蜂窝状凹坑。高速摄影和CFD模拟显示，气泡在啮合区出口形成，受转速、温度和弹性变形影响。接触比、齿数和壳体设计影响空化强度。振动可促进气泡形成。检测方法包括振动声学分析和CFD仿真（如ANSYS Fluent、COMSOL、OpenFOAM）。
7.2 滑动轴承
滑动轴承中的空化侵蚀在轻载或卸载区常见，分为五类：流动空化、冲击空化、吸入空化、排出空化及其他（如振动空化）。标准ISO 23066提供了分类与对策。油楔收敛区压力升高，发散区压力下降导致气泡形成。水润滑轴承因水粘度低更易空化。多物理场耦合模拟（如CFD、流固耦合（Fluid-Structure Interaction (FSI)））用于预测损伤位置。
7.3 其他元件
滚动轴承中空化发生在弹性流体动力润滑（Elastohydrodynamic Lubrication (EHL)）接触区出口，与压力梯度和润滑条件相关。密封件（机械密封、唇形密封、迷宫密封）中因流动分离和压力波动也可能发生空化，导致表面退化与泄漏。
7.4 机器设计方面
缓解空化需集成几何优化、工况控制、润滑改善和材料选择。避免局部压力骤降，确保流道平滑，润滑充分，并选用高疲劳强度与韧性材料。智能机器元件可通过传感器和机器学习实现间接监测与自适应控制。
8. 数值建模、仿真、机器学习和人工神经网络方法
计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics (CFD)）工具（ANSYS Fluent、STAR-CCM+、COMSOL、OpenFOAM）广泛用于空化模拟，但预测侵蚀率仍具挑战。机器学习（Machine Learning (ML)）和人工神经网络（Artificial Neural Networks (ANN)）开始用于预测空化损伤、检测空化状态（如支持向量机Support Vector Machine (SVM)检测泵的空化），但受数据缺乏限制。
9. 讨论
现有研究对空化流体动力学理解深入，但将其转化为机器元件工程设计准则仍有限。标准化测试方法存在局限性：对真实工况代表性不足，对现代材料适用性差。缺乏针对齿轮、滚动轴承等元件的专用标准。数值模拟需进一步耦合材料退化机制，多尺度模型尚不成熟。机器学习应用前景广阔但需更多实验数据支持。
10. 结论
空化侵蚀在机器元件中认知充分但应用受限。未来需发展元件专用测试标准、统一数据分析方法、多尺度耦合模型，并加强数值模拟与实验验证的集成，以及数据驱动方法的推广。这些进步将提升机器元件抗空化设计与可靠性评估能力。
