聚乙烯醇水凝胶/钛合金摩擦磨损特性的正交试验研究

利用冷冻-解冻法制备聚乙烯醇(PVA)水凝胶,运用正交试验法在球-盘摩擦磨损试验机上研究滑动速度、载荷和润滑状态对PVA水凝胶/钛合金摩擦副摩擦系数的影响及在不同载荷下的磨损性能.结果表明:滑动速度、载荷和润滑状态3种因素对PVA水凝胶/钛合金球摩擦副的摩擦系数影响显著程度由高到低依次为载荷＞滑动速度＞润滑状态;在干摩擦和水润滑状态下,摩擦系数变化甚微,平均摩擦系数随滑动速度的增加而下降,随着载荷增加而升高;当转速从110 r/min升至220 r/min时,平均摩擦系数从0.038降至0.031,降幅达19.4%;当载荷从5 N增至10 N时,平均摩擦系数从0.027增至0.042,增幅达51.8%;PVA水凝胶的磨损率随载荷增加而降低且载荷对磨损率影响的显著程度逐渐降低;当载荷从5 N增至10 N时,磨损率降幅高达2.6倍,当载荷从10 N增至15 N时,仅下降35%.     

关节软骨与髋关节陶瓷材料往复旋转运动摩擦行为研究

针对半髋置换的磨损问题,采用天然关节软骨与髋关节陶瓷材料在往复运动试验机上进行摩擦学试验研究.将关节材料测试领域常见的往复运动方式变为往复旋转运动方式以更加接近仿生.研究中还对摩擦时间、负载、速度和润滑的影响进行了研究,对材料形貌进行观测和分析.结果表明:随着载荷的增大摩擦系数相应减小,随着载荷从10 N增至22 N,软骨与陶瓷球头之间的摩擦系数从0.068降至0.049.随着速度增大摩擦系数增大,载荷为10 N时,速度从10 mm/s增至20 mm/s时,配副摩擦系数从0.068增至0.093.经过长时间试验,往复旋转运动方式下关节软骨表面出现磨损.透明质酸溶液作为润滑剂可以有效降低摩擦.试验后软骨表面粗糙度有小幅度增大,磨损形式是磨粒磨损和表面疲劳磨损两种方式.     

转速对水环境下纯铜滚动载流摩擦损伤的影响

使用滚动载流摩擦试验机研究了水环境下转速对纯铜滚动载流摩擦性能和表面损伤的影响. 转速从30 r/min增至480 r/min,水下摩擦系数从1.06降低至0.49,且水下摩擦系数远高于干态摩擦系数;水下接触电阻从0.57 Ω升高至6.4 Ω,且水下接触电阻比干态下更高. 分析可能的机制如下:低转速时水主要表现出毛细作用,导致摩擦系数较高,材料表面发生明显的层片状剥落;高转速时水体现出部分润滑作用,摩擦系数降低,但“水压”作用导致材料表面发生疲劳剥落. 不同转速下疲劳损伤形式转变是摩擦系数降低和水压作用增强竞争的结果. 本文试验条件下表面损伤形式转变的临界转速在200~240 r/min之间. 载流摩擦表面发生了电化学氧化,但由于低转速表面剥落严重,导致表面O: Cu原子个数比较低,接触电阻较低.      

微载荷含油轴承摩擦性能研究Ⅰ.摩擦试验机设计

研制了1种针对径向轴承的微载荷摩擦试验机,介绍了其工作原理及结构,即利用外加载荷抵消浮动测试架重量以施加微小载荷,并利用激光位置传感器(PSD传感器)实现无接触位移测量;同时测量了摩擦副的转动角度并计算出摩擦系数;采用摩擦转角测量法和外加力矩平衡摩擦法测量微载荷下的摩擦性能,以测量时间末端位置作为位置基准,通过极限偏载平衡进行载荷标定.结果表明:微载荷摩擦试验机可应用于径向轴承在微小载荷下的摩擦力测量;可以通过在较大范围内设置结构参数来研究径向轴承的摩擦特性;并可利用数据采集技术研究速度和载荷连续变化条件下的摩擦性能.     

45#钢表面复合润滑结构的制备及其摩擦性能研究

采用激光微加工技术在45#钢表面制备了微坑型织构,将激光表面织构化与MoS2固体润滑剂相结合在45#钢表面制备了复合润滑结构.研究了其在干摩擦条件下的摩擦磨损性能,考察了织构面密度及织构化微坑大小对其摩擦性能的影响.通过扫描电镜与能量色散谱仪对磨斑表面进行了分析.结果表明:与未织构面相比,织构面具有低而稳定的摩擦系数和高的耐磨寿命;对同一孔径织构面,随着织构密度的增加其表面摩擦系数随之减小,较适宜的织构密度为20%～35%;对同一织构面密度,当织构面密度小于20%时,较小孔径织构面的摩擦系数更低;织构面密度增至35%后,织构面摩擦系数则随孔径增大而减小;由于织构面复合润滑结构中的微坑有效地储存了润滑剂从而在摩擦过程中维持表面润滑薄膜的形成.     

多壁碳纳米管/聚醚醚酮(MWCNT/PEEK)复合材料的制备及其性能研究

采用热压烧结法制备了纯聚醚醚酮(PEEK)及MWCNT/PEEK复合材料.通过表征发现：导热系数、密度、硬度及热稳定性随多壁碳纳米管(MWCNT)含量的增加而增大.系统研究了载荷、速度及不同MWCNT含量对复合材料摩擦学性能和磨损机理的影响.结果表明,MWCNT可显著降低复合材料的摩擦系数和磨损率.在固定转速200 r/min,载荷为40和80 N,MWCNT质量分数为1%条件下,摩擦系数和磨损率最低,摩擦系数分别为0.241和0.235,磨损率分别较纯PEEK降低了60%和56%.当载荷增加到100 N,MWCNT质量分数为2%时,摩擦系数最低,磨损率较纯PEEK降低89%.固定载荷40 N,转速为400 r/min时,1%MWCNT/PEEK复合材料的磨损率最低,较纯PEEK降低了89%.当转速增大至600 r/min,2%MWCNT/PEEK复合材料的磨损率较纯PEEK降低了85%.固定转速200 r/min、载荷为40 N,MWCNT的质量分数较低时(<2%),MWCNT/PEEK复合材料的磨损机理主要是黏着磨损,MWCNT的质量分数(≥2%)较高时,磨损机理发生黏着磨损...     

润滑状态下球-盘点接触摩擦副的低速轻载滑滚特性研究

选用镀Cr膜的玻璃盘和GCr15球作为摩擦副,在NGY-6纳米润滑膜测量仪上开展球-盘点接触摩擦副在润滑状态下的低速轻载滑滚特性试验,研究不同接触应力、钢球转速、滑滚比等参数对摩擦副的摩擦系数及对应油膜厚度的影响规律.结果表明:当接触应力和钢球转速一定时,摩擦系数随滑滚比的增大逐渐增加后达到稳定状态,当滑滚比较大时,滑滚比的变化对油膜厚度几乎没有影响;当滑滚比一定时,摩擦系数随接触应力的增大逐渐增大,随钢球转速的增大逐渐减小,油膜厚度随接触应力的增大逐渐减小,随钢球转速的增大逐渐增大.摩擦副在弹流润滑状态下,摩擦系数的增加幅度随接触应力的变化较小,而在薄膜润滑状态下,其增加幅度变大.摩擦副在薄膜润滑状态下,当滑滚比在0.10~0.50变化时,摩擦系数和油膜厚度基本处于稳定状态.     

空间润滑谐波减速器失效机理研究

为研究空间环境下谐波减速器失效机理,并为其可靠性寿命试验提供理论基础,对空间润滑谐波减速器进行5 000 h真空寿命试验.结果表明:DLC薄膜与润滑脂(Braycote601)复合润滑的柔轮-刚轮齿面运转良好,Braycote601油脂单独润滑的柔轮内壁-柔性轴承外圈出现严重磨损.对其进行混合润滑数值分析,结果显示在3～150 r/min的转速范围内,该接触区域始终处于混合润滑状态并由此导致磨损产生,微凸体直接接触所负担的载荷比例随转速的增加而减小,随温度与载荷的增加而增大;低速运转时,温度与载荷对微凸体接触程度的影响效果明显,但随着转速的增大,温度与载荷的影响快速减弱.     

双级孔含油轴承油压扩散与表面渗析特性分析

为探究含油轴承基体渗流及压力扩散对接触面间油膜润滑性能的影响，建立双级孔含油轴承系统的渗流润滑模型，研究轴承摩擦面上油膜分布规律与双级孔隙中压力扩散行为，分析摩擦副倾角与轴承表层渗透率变化对油膜润滑性能的影响.结果表明，流体动压力产生于摩擦界面的收敛区，并逐渐由摩擦界面向轴承基体扩散，在油压扩散过程中流体压力的作用面积增大，压力数值降低.油膜的润滑性能随倾角增大或表层渗透率减小而得到改善，相比单层含油轴承，具有致密表层的双级孔含油轴承具有较好的润滑性能.不同表层渗透率下，倾角对油膜摩擦系数的影响差异显著：在本文中计算参数下，当表层渗透率小于7×10^-15 m²时，油膜的摩擦系数随倾角增大而减小；当表层渗透率高于7×10^-15 m²时，油膜的摩擦系数随倾角增大而增大.倾角和表层渗透率影响含油轴承基体中的油液渗流和压力扩散行为，最终使油膜的润滑性能发生改变.研究工作为明晰含油轴承润滑机理提供一定理论依据.     

Ti_3SiC_2/Cu摩擦副的载流摩擦学性能

本文中考察了Ti3SiC2/Cu摩擦副在干摩擦和微量离子液体润滑条件下的载流摩擦学特性.在干摩擦条件下,Ti3SiC2/Cu摩擦副的摩擦系数值为0.6~0.75.当滑动速度从0.11增至0.33 m/s时,接触电阻降低小,在Ti3SiC2栓磨损表面有Cu的转移膜形成.当滑动速度为0.44和0.56 m/s时,栓/盘接触不稳定并且产生电火花,表明在机械磨损和电磨损共同作用下Ti3SiC2栓发生了严重磨损.在微量离子液体润滑条件下,Ti3SiC2/Cu摩擦副处于边界润滑状态,随着滑动速度的提高,摩擦系数由0.08增至0.2.当滑动速度高于0.33 m/s时,产生长约数厘米、平均直径53μm的弯曲缠绕的铜丝,这是相对较硬的Ti3SiC2对Cu盘犁削作用的结果.铜丝将离子液体"扫离"了摩擦表面,并且对摩擦学性能和电性能造成不利影响.     

Cu改性C/C-SiC摩擦材料组织结构及摩擦磨损性能研究

以全网胎针刺整体毡为预制体,采用Cu粉与Si粉共同熔渗的工艺制备了Cu改性C/C-SiC摩擦材料,并且在MM-1000型惯性摩擦试验机上分别进行了不同速度下的制动试验.研究了Cu改性C/C-SiC摩擦材料的组织结构及摩擦磨损性能,研究结果表明:当初始转速为1 500 r/min时,Cu改性C/C-SiC摩擦材料摩擦系数为0.306,自身与对偶件的线性磨损率分别为0.036μm/(side.cycle),0.048μm/(side.cycle);当初始转速增加到6 500 r/min时,材料的摩擦系数减小到0.24,其自身与对偶件的线磨损率分别增加到1.87μm/(side.cycle),1.68μm/(side.cycle),其值均低于典型C/C-SiC摩擦材料,表明Cu改性C/C-SiC摩擦材料耐磨减摩效果优异,且在低速工况下更为显著.转速为1 500 r/min时磨粒磨损起主导作用;转速为3 000～4 500 r/min时,磨粒磨损以及黏着磨损共同主导着摩擦行为;转速为4 500～6 500 r/min制动时主要表现为氧化磨损与剥层磨损.     

肠道内表面形貌对其摩擦性能影响的研究

为了调查肠道内表面形貌对其摩擦性能的影响,本文以家兔小肠为研究对象,表征了其内表面形貌,测试了肠黏液的润滑性;在排除肠道正压力条件下,测试环向应变、载荷、滑动速度与摩擦系数的变化关系.实验结果表明:小肠内表面存在着皱襞、绒毛、微绒毛;肠黏液可将摩擦系数降低到10-2数量级;环向应变10%是摩擦系数变化的临界值,小于10%摩擦系数不受载荷和滑动速度的影响,大于10%摩擦系数随载荷和滑动速度增大而增大.通过分析环向应变、内表面形貌、肠黏液、载荷、滑动速度与摩擦系数之间的关系,得出摩擦系数变化的机理:当环向应变小于10%,润滑形式为液体润滑;当径向应变大于10%,皱襞被拉伸褶皱消失,润滑形式转化为混合润滑.小肠摩擦性能的研究对胶囊内窥镜、肠道机器人外观设计提供了实验数据,对推进微创、无创诊疗有着重大意义.     

运行过程中载荷突变时可倾瓦推力轴承瞬态热效应的实验研究

研究了可倾瓦推力轴承在名义转速分别为2000r/min和4000r/min下,当载荷突然变化时推力轴在油膜温度和油膜厚度的瞬态变化规律。实验结果表明：当载荷突然增大时,油膜温度以及进油边温度上升,油膜厚度减小;随着载荷变化幅度的增大,温度上升幅度也增大,油膜厚度进一步减小;在载荷变化相同的情况下,相同时间间隔内转速高时油膜温度增大幅度比转速低时要大,而油膜厚度减小幅度比低转速下小。     

天然关节软骨与医用不锈钢摩擦磨损行为研究

采用天然关节软骨与不锈钢摩擦副在往复运动试验机上进行关节软骨的摩擦学试验研究,探讨载荷、速度、润滑和作用时间对摩擦磨损行为的影响并分析其作用机理,并对摩擦磨损前后的软骨表面进行分析.结果表明:随着载荷从10 N增至22 N,软骨与不锈钢间的摩擦系数从0.147降至0.117;在同样的润滑和压力下,速度越大软骨和不锈钢的摩擦系数越小;透明质酸溶液可以有效降低软骨与不锈钢之间的摩擦,长时间试验后摩擦系数基本保持在0.23左右.试验后软骨表面出现磨损并伴有大量磨损颗粒,表面有明显的划痕出现,磨粒的粒径大小分布范围较窄,小尺寸的磨粒数目较多.     

接触式机械密封混合润滑状态摩擦演化规律研究

接触式机械密封在运转中主要处于混合润滑状态,为探究其混合润滑状态下摩擦机理,结合粗糙面弹塑性模型,求解考虑密封端面粗糙度效应的雷诺方程,探究了转速和介质压力等工况条件对密封混合润滑状态密封摩擦参数的影响,推导了密封声发射波能量公式,将密封混合润滑状态分为磨损期和稳定期,应用1.5维谱理论提取密封特征频率,探究混合润滑状态摩擦演化规律.研究结果表明摩擦参数影响密封声发射波能量幅值且密封摩擦形式随混合润滑状态发生变化：在磨损期,微凸体接触特征频率幅值较大,密封端面间摩擦以微凸体接触为主;在稳定期,流体膜黏性剪切摩擦特征频率幅值变大,黏性剪切效应增强,密封端面只存在局部微凸体接触.所得结论对接触式机械密封混合润滑状态摩擦机理的研究具有一定的理论指导意义.     

聚酰亚胺复合材料的摩擦性能及其机理研究

研究了含有固体润滑剂的炭纤维增强 PI复合材料在干摩擦和水润滑 2种状态下的摩擦磨损性能及其磨损机理 .结果表明 ,在水润滑条件下 ,摩擦系数和磨损率都有不同程度的降低 ,其中含 PTFE的炭纤维增强 PI复合材料的耐磨性最佳 ,最低磨损率为 9.9× 10 - 7mm3/ N· m.其主要原因可能与材料存在极性酰胺基团有关 ,酰胺基易通过氢键与水分子结合 ,在摩擦表面形成水吸附膜 ,使摩擦表面直接接触减少 ,从而改善材料的摩擦磨损性能     

谐波减速器黏着磨损失效加速寿命模型研究

针对空间润滑谐波减速器黏着磨损失效的加速寿命试验方法问题,首先基于Johnson-Williamson的粗糙表面接触模型建立了混合润滑状态下的黏着磨损模型,模型表明磨损速率主要由粗糙表面微凸体接触承担的载荷比例决定.然后,对磨损部位进行考虑粗糙表面真实形貌与润滑剂流变特性的混合润滑数值分析表明,转速与载荷对微观界面接触与润滑分布状态的影响显著,温度的影响有限,因此传统提高转速并升高温度以保持油膜厚度一致的加速寿命试验方法已不适用.最后以增大转速、载荷并保持或增大混合润滑状态下微凸体接触承担的载荷为加速寿命试验准则,以微凸体承担载荷为加速应力建立了黏着磨损的加速寿命模型,并以不同工况的加速寿命试验与寿命分布统计对其准确性进行了验证.     

表面微织构对球盘点接触润滑摩擦性能的影响

基于统一Reynolds方程系统模型开展了富油点接触工况下微织构表面润滑摩擦性能的数值模拟研究.在通过实验标定数值模拟中润滑剂流变参数的基础上,系统分析了微织构表面摩擦系数周期变化的全过程,初步揭示了微织构的减摩机理.结果表明：数值模拟结果与实验结果有较好的吻合;瞬时摩擦系数达到最小值时,微坑单元一般处于名义Hertz接触区域的前边界;当微坑运动到Hertz接触区域内时,微坑前沿局部膜厚减小,而微坑后边沿膜厚局部增大,形成局部膜厚增大区;局部膜厚增大区的大小对微织构的润滑摩擦性能有较大影响,其面积越大,减摩效果越好.     

非平衡磁控溅射沉积MoS2-Ti 复合薄膜的结构与真空摩擦磨损性能研究

采用非平衡磁控溅射法制备MoS2-Ti复合薄膜,采用SEM、XRD和XRF对薄膜的结构进行表征,在真空球-盘摩擦试验机上评价试验载荷、转速以及基底材料种类对薄膜真空摩擦磨损性能的影响.结果表明:MoS2-Ti复合薄膜表面致密均匀,断面为细柱状结构,呈MoS2(002)基面择优取向,薄膜中Ti含量为8 wt.%,S∶Mo原子比为1.8.在真空度优于5×10-3Pa、室温环境中,当试验载荷从5 N增加至20 N时,薄膜的摩擦系数和耐磨寿命都呈减小趋势,摩擦系数变化符合赫兹接触理论模型;当试验速度从250 r/min提高至1 000 r/min时,薄膜的摩擦系数逐渐减小,耐磨寿命变化量较小;不同基体材料上薄膜的摩擦系数平均值均为0.02,9Cr18、45#钢和40Cr基材上薄膜耐磨寿命区别不大,在20~25 km之间,磨损形式为磨粒磨损,30CrMnSi上薄膜耐磨寿命明显下降,只有10.3 km,磨损形式为黏着磨损,研究结果表明如果基底材料与摩擦对偶间发生黏着磨损,会明显降低其表面沉积薄膜的耐磨寿命.     

ZCuPb20Sn5合金耐磨性能研究

ZCuPb₂₀Sn₅合金作为柱塞泵转子内衬材料，因其含铅量高，而具有良好的减摩耐磨性能，可避免转子在工作中的磨损失效问题. 选用销盘式摩擦磨损试验机，以ZCuPb₂₀Sn₅和45钢为摩擦副，研究了不同PV值和油润滑条件下，ZCuPb₂₀Sn₅合金的摩擦磨损性能. 结果表明:随着PV值的增加，ZCuPb₂₀Sn₅合金的摩擦系数先增加后减小，而磨损率呈增加趋势. 在载荷50 N和线速度2.410 m/s条件下，摩擦系数和磨损率最低，摩擦系数最低能达到0.010，平均摩擦系数达到1个最低峰值点0.063；在载荷250 N、线速度3.610 m/s以及PV值为126 MPa·m/s的条件下，摩擦系数达到另一低峰值0.070，磨损率为2.972×10?7 mm3/(N·m). PV值最大时，摩擦系数和磨损率最大. 载荷小于150 N时，在油润滑的作用下，主要磨损机制为轻微黏着磨损；载荷大于150 N时，在铅和油的协同作用下，以黏着磨损为主，少量磨粒磨损；当载荷大于250 N时，摩擦系数与磨损率均偏高，以磨粒磨损为主，局部有少量氧化磨损.