磨合过程摩擦力单重分形和多重分形的研究

分别在CD40润滑油和加入添加剂的CD40润滑油润滑条件下,通过销-盘摩擦磨损试验机对船用柴油机活塞环和缸套进行磨合磨损试验,提取摩擦力的时间序列信号,应用分形维数和多重分形谱研究了摩擦力的分形行为.结果表明:摩擦力信号具有分形特征;随着磨合磨损过程的进行,信号的分形维数和多重分形谱出现规律性的变化;不同阶段信号的分形维数趋于减小,与磨损表面粗糙度的变化规律一致;不同阶段信号的多重分形谱呈现出递增或递减趋势,反映了磨损表面的动态变化过程.因此,摩擦力信号的分形维数和多重分形谱可以对磨合磨损过程进行定量分析.     

铜基粉末冶金干式摩擦副磨合过程摩擦性能研究

离合器摩擦副磨合过程对其摩擦性能有重要影响.以铜基粉末冶金摩擦片和65Mn对偶片构成的干式离合器摩擦副为研究对象,针对实车工况,制定加载工况表,利用摩擦磨损试验机(UMT-5)进行销-盘试验:引入摩擦系数采样段均值系数H和摩擦波动系数D,对磨合状态的识别进行了研究;同时分别研究了转速、压力、温度分别对摩擦副磨合进程和磨损量的影响;分析磨合过程对摩擦性能的影响;同时利用白光干涉仪观察磨合过程中的磨擦盘表面形貌,计算接触区域面粗糙度,探究磨合机理.结果表明:当摩擦系数采样段均值系数H≤0.02,且摩擦波动系数稳定在D≤0.16时,认为磨合完成.不同加载工况对磨合快慢有明显影响;与速度和压力两个影响因素相比,温度对磨合过程磨损量的影响更为显著;经历有效磨合过程后的磨擦副摩擦系数较稳定,且比未经历过磨合过程的摩擦副小35%~45%左右,同时磨损量也减小30%~40%;随着磨合时间的增加,面粗糙度初期迅速减小,后期趋于平稳.     

基于Nyquist稳定判据的磨合过程稳定性研究

在销-盘摩擦磨损试验机上进行了船用柴油机缸套-活塞环摩擦配副磨合磨损试验,采集磨合过程中摩擦振动信号,应用Nyquist稳定判据,通过摩擦振动Nyquist曲线对磨合系统稳定性进行分析.结果表明:摩擦振动Nyquist曲线反映了磨合系统稳定性变化.当摩擦副磨合开始时(0～10 min),摩擦振动Nyquist曲线不包围(-1,j0)点,磨合系统处于稳定磨损阶段;在摩擦副磨合进行过程中(10～40 min),摩擦振动Nyquist曲线包围(-1,j0),磨合系统处于不稳定磨损阶段;当摩擦副达到磨合时(40 min后),摩擦振动Nyquist曲线不包围(-1,j0),磨合系统处于稳定磨损阶段.因此,磨合系统的特性可揭示磨合过程稳定性变化规律.     

PTFE基超声电机摩擦材料磨合阶段摩擦磨损特性研究

在超声电机运行200 h时间内,对超声电机的运行参数进行监测,采用激光共聚焦显微镜对定、转子表面粗糙度、表面形貌和磨屑特征等进行观察分析,探讨超声电机磨合期的时间及磨合期、稳定期的摩擦磨损特性.结果表明:1经过80 h磨合后,超声电机性能基本稳定.2磨合初期,摩擦材料磨损形式以黏着磨损为主,在定子表面可观测到尺寸较大的片状磨屑,进入摩擦稳定期后摩擦材料表面出现大量点蚀凹坑,表面疲劳磨损成为磨损形式之一,磨粒磨损始终存在并占重要部分;定子表面可观测到明显犁沟,磨损形式以磨粒磨损为主.3由于超声振动的存在,摩擦产生的磨屑不易在摩擦表面停留,进入稳定期后在摩擦界面难以观测到磨屑的大量存在,超声振动有排除磨屑的作用.     

磨合过程中液体润滑实现超低摩擦的混合模型研究

针对球-盘滑动试验,在磨合过程中获得超低摩擦的液体润滑状态,建立耦合流体润滑、粗糙接触力学、Archard磨损方程和相关物理参数(液体黏度、表面粗糙度和磨损系数)时变函数的混合模型,研究磨合过程中液体润滑的摩擦系数演化. 通过数值模拟结果可知:在磨合过程中,润滑介质等效黏度增大,形成流体动压润滑薄膜,有效隔开粗糙表面;其次在磨合过程中,新生成的表面粗糙度降低,减少粗糙峰承载比,实现超低摩擦润滑状态;最后在适当的液体黏度和提高表界面效应减少边界摩擦系数,可进一步实现液体超低摩擦润滑状态. 为磨合过程宏观液体润滑性能演化所建立的混合数值模型对提高液体润滑超低摩擦设计效率具有重要价值意义.      

基于原位和RNT技术的铜锌合金摩擦磨损性能

采用基于原位全息显微技术和放射性核素技术的摩擦磨损试验装置,在润滑条件下对Cu Zn36/100Cr6配对摩擦体系中Cu Zn36的磨损行为进行了研究.利用装置中的全息显微镜对Cu Zn36磨痕表面微观形貌和粗糙度进行原位分析,利用放射性核素磨损量测量系统精确测量Cu Zn36的实时磨损量;利用扫描电镜对Cu Zn36及100Cr6钢球磨面进行观察和分析,利用X射线光电子能谱分析仪对Cu Zn36磨痕表层的元素化合态进行定量分析.结果表明:在试验法向载荷为1.9~3.0 MPa范围内时,Cu Zn36表现出良好耐磨性,原因是Cu Zn36在试验过程中形成了具有高硬度和自润滑性的Zn O强化层,主要磨损方式为疲劳磨损.在较差磨合试验过程中,磨痕表面耐磨层一直处于"形成-破坏-再形成-再破坏"的动态过程,主要磨损方式为磨粒磨损和黏着磨损.     

润滑条件下铜锌合金表面粗糙度对磨损率的影响

采用基于原位全息显微技术和放射性核素技术的试验装置对润滑条件下的Cu Zn36和100Cr6进行了摩擦磨损试验,分析了Cu Zn36在试验过程中的摩擦磨损特性,以及摩擦系数、磨痕表面粗糙度和实时磨损率之间的关系,进而建立了关于表面粗糙度的磨损模型,并通过拟合优度方法对磨损模型进行了评价.结果表明:在试验磨合的初始阶段,Cu Zn36表面平整性被迅速破坏而产生了较高的磨损率,随着试验的进行,磨痕表面的强化层逐渐形成,表面粗糙度和实时磨损率逐渐降低并趋于稳定.磨损模型的拟合优度R2的计算结果为90.23%,说明建立的磨损模型能够对给定工况下的实时磨损率进行较为准确的预测.     

表面粗糙度对摩擦尖叫噪声特性的影响

采用不同结构刚度的测量装置,对光滑表面和喷砂处理表面进行滑动摩擦噪声对比试验,研究不同粗糙度表面在不同试验装置上的摩擦尖叫噪声特性及其对摩擦尖叫噪声的影响和作用机理.结果表明:摩擦表面粗糙度和磨损情况对摩擦尖叫噪声的产生及演变具有重要的影响,表面粗糙度越大的喷砂处理表面能更明显地抑制界面摩擦尖叫噪声的产生.本试验条件下,磨屑堆积和黏着剥落等磨损特征对应的黏着撕裂作用更易引起摩擦力高频成分的产生并导致较高强度的尖叫噪声,而喷砂处理的粗糙表面能减轻这些界面因素的形成,削弱摩擦力高频成分,抑制摩擦尖叫噪声的产生.     

几种内燃机磨合油的摩擦学性能评价及在缸套和活塞环摩擦副上的应用

在分析内燃机缸套和活塞环摩擦副的运行环境和运行机制的基础上,针对内燃机频繁出现的缸套和活塞环摩擦副擦伤现象,研制出了2种内燃机磨合油,在四球摩擦磨损试验机上评价了其磨合效果,采用扫描电子显微镜对磨合表面进行了形貌观察,并通过热分析考察了其热稳定性和热氧化安定性,结果表明,在物理化学指标符合内燃机油的前提条件下,所研制的2种磨合油的承载和抗磨能力较高,经其磨合后的缸套-活塞环表面光滑,磨合效果良好,两种磨合油的热稳定性和热氧化安定性亦较坑,是潜在的优良的内燃机磨合油。     

微凹坑织构表面对脂润滑关节轴承摩擦特性的影响

为研究脂润滑下表面织构对关节轴承摩擦特性的影响,设计和制造了4组表面高度算术平均值相同、表面微凹坑面积占有率分别为7%、10%、15%和21%的关节轴承内圈表面形貌.使用Talysurf CCI Lite非接触式三维轮廓仪对试件表面进行测量,采用ISO25178定义的表面参数对试件表面形貌进行表征.在改造的HDM-20端面摩擦磨损试验机上,采用2#锂基脂润滑在不同载荷、转速条件下进行了一系列摩擦磨损试验,研究了表面形貌参数与摩擦系数的关系.在本试验中,选取表面高度算术平均值Sa和表面峰态Sku等表面高度参数、表面峰区平均材料体积Vmp、表面中心区平均空体体积Vvc和表面谷区平均空体体积Vvv等表面功能参数以及平均谷体积Sdv等表面特征参数对关节轴承表面形貌进行表征.结果表明:各表面参数对摩擦系数的影响不同,将表面高度参数、功能参数和特征参数这几种表面形貌参数结合对关节轴承表面形貌进行表征,更有利于脂润滑下关节轴承表面形貌的摩擦学设计.     

评定磨合表面的最佳形貌参数

磨合是新机器设备投入使用之前的必经过程，而且对摩件的表面形貌都要发生明显的变化，因此，如何评定磨合表面形貌值得深入研究，实际上，磨合是对摩件的表面形貌由初始状态逐渐趋于相互吻合的过程，因而磨合之后配对表面的形貌具有相关性，在此基础上上，研究提出了利用互相关结构函数评定磨合，这种评定方法具有能够同时反映两个表面形貌和对表面形貌变化反映敏感，以及能够将表面轮廓的峰和谷分开考虑等优点，理论分析和应用实例     

CMP加工后芯片三维形貌表征参数体系

针对当前化学机械抛光(chemical mechanical polishing, CMP)后的芯片表面形貌的表征常常只停留在研究二维轮廓特征，无法完整地表达整个三维表面形貌信息，仅使用单一的评定指标来表征其表面的不平整程度等问题，建立了1个科学、全面的芯片表面形貌评定参数体系应用于工程表面粗糙度评定中，通过分析芯片表面形貌的幅值分布特征，结合芯片表面的统计特性，基于ISO 25178-2标准表征参数建立适用于芯片表面三维评定的表征参数体系. 仿真结果表明:CMP加工后芯片表面形貌的幅值近似服从高斯分布；分形维数D可以准确表征芯片表面形貌，反映其复杂程度；通过幅度参数、空间参数、混合参数和分形参数建立的芯片表面形貌评定体系能够从多方面表征芯片三维表面形貌特征，对芯片表面形貌参数评定具有一定的可行性.      

表面形貌对滑动接触界面摩擦行为的影响

为了研究表面形貌对拉延形成的滑动接触界面摩擦行为的影响,设计了一种新型的摩擦试验装置.在油润滑条件下,针对具有单向沟槽、规则圆形凹坑和随机表面的铝合金试样,以不同滑动速度与接触压力进行一系列摩擦试验.利用非接触式三维轮廓仪测量出试验前后试样的三维表面形貌参数,并选取表面高度算术平均偏差Sa,表面支承指数Sbi,中心区空体体积Vvc和谷区空体体积Vvv来分析滑动接触界面表面形貌的变化规律.结果表明:规则圆形凹坑表面比单向沟槽表面和随机表面具有较低的摩擦系数;在相对低的接触压力下,3种表面的摩擦系数随着接触压力的增大而减小,但在高的接触压力下,3种表面的摩擦系数随着接触压力的增大而增大;在接触压力一定的情况下,3种表面的摩擦系数对滑动速度有显著依赖性;表面形貌、滑动速度和接触压力是影响滑动接触界面摩擦行为的重要因素.     

滤波截止频率对粗糙点接触机理影响研究

使用基于快速傅里叶变换和共轭梯度法的接触程序,分析了滤波截止频率对粗糙点接触机理的影响.计算结果表明:粗糙表面形貌数据再处理时使用的滤波器滤波截止频率,对力-接近量关系有着明显的影响;滤波截止频率越小,接触面积越大,接触压力越小;滤波截止频率的改变会导致Von M ises应力的显著改变,这种改变在接触面上特别明显.因此,在实际研究粗糙表面的接触机理时,选择合适的滤波截止频率是非常必要的.     

Adhesive contact of an elastic semi-infinite solid with a rigid rough surface: Strength of adhesion and contact instabilities

The effect of adhesion on the contact behavior of elastic rough surfaces is examined within the framework of the multi-asperity contact model of Greenwood and Williamson (1966), known as the GW model. Adhesive surface interaction is modeled by nonlinear springs with a force–displacement relation governed by the Lennard–Jones (LJ) potential. Constitutive models are presented for contact systems characterized by low and high Tabor parameters, exhibiting continuous (stable) and discontinuous (unstable) surface approach, respectively. Constitutive contact relations are obtained by integrating the force–distance relation derived from the LJ potential with a finite element analysis of single-asperity adhesive contact. These constitutive relations are then incorporated into the GW model, and the interfacial force and contact area of rough surfaces are numerically determined. The development of attractive and repulsive forces at the contact interface and the occurrence of instantaneous surface contact (jump-in instability) yield a three-stage evolution of the contact area. It is shown that the adhesion parameter introduced by Fuller and Tabor (1975) governs the strength of adhesion of contact systems with a high Tabor parameter, whereas the strength of adhesion of contact systems with a low Tabor parameter is characterized by a new adhesion parameter, defined as the ratio of the surface roughness to the equilibrium interatomic distance. Applicable ranges of aforementioned adhesion parameters are interpreted in terms of the effective surface separation, obtained as the sum of the effective distance range of the adhesion force and the elastic deformation induced by adhesion. Adhesive strength of rough surfaces in the entire range of the Tabor parameter is discussed in terms of a generalized adhesion parameter, defined as the ratio of the surface roughness to the effective surface separation.     

化学跑合对表面接触疲劳寿命的影响

化学跑合剂加速跑合过程已有一些文献报道，但在化学跑合对表面接触疲劳寿命的影响方面却还未见有关工作公开发表。因此，在总结齿轮跑合技术的基础上，借助于ＪＰ－ＢＤ１５００型接触疲劳试验机，对用化学跑合剂跑合后的试件表面接触疲劳寿命进行了试验研究。并就化学跑合提高表面抗疲劳磨损能力的原因作了考察、分析与探讨，进而提出了试件表面的接触模型，在给定的试验条件下，较软试件表面用化学跑合剂跑合后的接触疲劳寿命比用     

粗糙表面的弹塑性接触研究

建立了综合载荷作用下粗糙表面弹塑性接触的确定性模型,考虑了微凸峰接触的弹塑性变形阶段,数值求解得到实际接触面积、压力分布和微凸峰塑性形变.分析了实际接触面积与法向载荷的关系,并研究了点接触的椭圆参数对上述关系的影响.建立了结点增长模型,分析了结点增长与滑动摩擦系数的关系以及滑动摩擦系数随椭圆参数的变化.结果表明:随着法向载荷增大,实际接触面积与法向载荷之间的非线性关系愈加显著;椭圆参数越大,实际接触面积越小,选择较小的椭圆参数可降低平均接触压力;结点增长的速率随滑动摩擦系数增大而增大;表面剪切作用力使最大Mises应力值升高,疲劳裂纹的发生源向表面靠近;重载时选择较小的滚动轴承沟曲率半径系数有利于减小摩擦功耗.     

A friction contact stiffness model of fractal geometry in forced response analysis of a shrouded blade

To investigate the nonlinear vibration behavior of a shrouded blade with friction dynamic contact interface, a friction contact stiffness model is proposed to describe the friction force at different rough interfaces and different normal loads. In the proposed model, the friction contact interface is discretized to a series of friction contact pairs and each of them can experience stick, slip, or separate states. Fractal geometry is used to simulate the topography of contact surfaces. The contact stiffness is calculated using the Hertz contact theory and fractal geometry, which is related to contact interfaces parameters including normal load, roughness, Young??s modulus, and Poisson??s ratio. The trajectory tracking method is used to predict the friction force and it is not necessary to judge the transition condition among stick, slip, and separate states. It is suitable for complicated periodic motion of the contact interfaces. The forced response of a real shrouded blade is predicted using the proposed model and the multi-harmonic balance method. The effect of surface roughness, initial normal load, and contact area on the forced response of a shrouded blade is studied. It is shown that contact stiffness increases with normal load and fractal dimension. The resonant amplitude is sensitive to the initial normal load and contact surface roughness. The response can be influenced by the contact area, which is an important parameter for blade designers.     

A novel nonlinear contact stiffness model of concrete–steel joint based on the fractal contact theory

The heavy-duty machine tool is usually assumed in the concrete foundation, in which the machine tool-foundation joints have a critical effect on the working accuracy and life of heavy-duty machine tool. This paper proposed a novel contact stiffness model of concrete–steel joint based on the fractal theory. The topography of contact surface exist in concrete–steel joint has a fractal feature and can be described by fractal parameters. Asperities are considered as elastic, plastic deformation in micro-scale. However, the asperities of concrete surface will be crushed when the stress is larger than their yield limit. Then, the force balance of contact surfaces will be broken. Here, an iteration model is proposed to describe the contact state of concrete–steel joint. Because the contact asperities cover a very small proportion (less than 1%), the load on crushed asperities is assumed carried by other no contact asperities. This process will be repeated again and again until the crushed asperities are not being produced under external load. After that, the real contact area, contact stiffness of the concrete–steel joint can be calculated by integrating the asperities of contact surfaces. Nonlinear relationships between contact stiffness and load, fractal roughness parameter G, fractal dimension D can be revealed based on the presented model. An experimental setup with concrete–steel test-specimens is designed to validate the proposed model. Results indicate that the theoretical vibration mode shapes agree well with the experimental variation mode shapes. The errors between theoretical and experimental natural frequencies are less than 4.18%. The presented model can be used to predict the contact stiffness of concrete–steel joint, which will provide a theoretical basis for optimizing the connection characteristic of machine tool-concrete foundation.