不同粗糙度煤岩界面超低摩擦效应与声发射特征试验研究

为了揭示动载扰动作用下煤岩界面粗糙度对超低摩擦型冲击地压影响机制,采用自行研制的煤岩界面超低摩擦试验装置,以沈阳红阳三矿1082 m采深煤岩体为研究对象,通过改变煤块与砂岩块体表面粗糙度来模拟煤岩界面不同粗糙特性,以粗糙度系数表征煤岩界面粗糙程度,工作块体水平位移表征冲击过程中超低摩擦效应强度,声发射能量为工作块体摩擦滑动过程中的信号参数,进行应力波扰动下不同粗糙度煤岩界面超低摩擦试验.研究结果表明:(1)超低摩擦滑动过程中,工作块体水平位移、声发射能量计数以及累计能量曲线呈现出孕育阶段、激发阶段、稳定阶段变化特征;(2)煤岩界面粗糙度越小,工作块体水平位移和声发射能量峰值越大,煤岩界面越易发生超低摩擦效应;(3)不同煤岩界面粗糙度下,相比于其他扰动频率, 2 Hz时更易发生超低摩擦效应;(4)给出了声发射能量峰值与煤岩界面粗糙度系数对应关系.声发射能量峰值可以有效表征超低摩擦效应强度,可以用声发射能量峰值预测超低摩擦效应强度.     

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%.     

接触载荷对钢丝微动磨损行为影响的研究

以6×19点接触式提升钢丝绳为研究对象,在自制的微动摩擦磨损试验机上开展钢丝微动磨损的实验研究,考察在不同接触载荷下钢丝的微动磨损行为,采用S-3000N型扫描电镜观察钢丝的磨损形貌并分析其微动损伤机理.结果表明:在接触载荷为9～29 N范围内,微动摩擦力(Ft)-位移幅值(D)曲线随循环周次的变化表明钢丝运行于混合区,并随着接触载荷的增加,钢丝间接触应力增加;在微动磨损初期钢丝间的摩擦系数均较低,之后逐渐增加并趋于稳定;其稳定摩擦系数随着钢丝间接触载荷的增加而降低,接触载荷为9 N时的摩擦系数最大,约为1.25,而29 N的摩擦系数约为0.57;钢丝间的接触载荷增加,钢丝表面接触疲劳的几率增大,出现磨屑疲劳脱落的痕迹和疲劳微裂纹,其损伤机制主要表现为磨粒磨损、疲劳磨损和摩擦氧化.     

缠绕提升钢丝绳绕入冲击摩擦特性研究

为掌握多层缠绕提升钢丝绳层与层之间滑动摩擦磨损特性,在自制缠绕式矿井提升机钢丝绳层间摩擦试验台上,以6×19热镀锌钢丝绳为研究对象,对不同载荷、滑移速度、冲击速度下钢丝绳滑动摩擦磨损规律及接触区域温升变化规律进行试验探究.研究结果表明:摩擦系数变化分为快速增长阶段、过渡阶段、稳定阶段;摩擦系数随载荷增加小幅减小,随滑移速度增大总体呈降低趋势;缠绕钢丝绳滑动摩擦温升集中于接触区域,最大温升受滑移速度影响明显,随速度增加而增大;冲击摩擦系数明显低于稳定滑动摩擦系数,最大冲击摩擦系数随冲击速度、滑移速度增大而增大,随着冲击载荷增大出现多次冲击摩擦.     

考虑接触界面材料微观结构与势能参数的滑动摩擦计算研究

根据独立振子模型的能量耗散机理,提出了在无磨损界面摩擦中,利用通用界面粘附能量函数计算滑动时接触界面势能的变化从而计算摩擦力和摩擦系数的方法,建立摩擦力和摩擦系数与金属材料表面能与微观结构参数的关系,并利用已有的实验数据进行计算.结果表明,摩擦力与金属材料的表面能基本呈线性关系,与比例参数呈线性负相关关系,与晶格常数基本无关.计算结果与粘附理论公式以及超高真空原子力显微镜试验结果吻合较好.     

摩擦磨损的接触界面势垒理论研究

根据系统和能量的观点,从摩擦界面的微观相互作用出发,提出摩擦磨损的接触界面势垒理论,研究接触界面势垒和标准接触界面势垒的计算方法,并推导出摩擦力、摩擦系数以及粘着磨损量的计算公式.研究表明,界面的摩擦磨损性能取决于接触界面势垒的大小和分布,用标准接触界面势垒作为表征摩擦副材料摩擦磨损特性的指标具有较好的独立性和稳定性.利用已有的实验数据进行计算,结果与超高真空原子力显微镜实验结果基本符合,验证了所提出理论和方法的可行性.     

缅甸蟒蛇腹鳞表面的摩擦机理及摩擦各向异性研究

采用原子力显微镜观察缅甸蟒蛇腹鳞表面的微观结构,采用UMT-2型摩擦磨损试验机研究不同载荷及运动方向的腹鳞表面的宏观摩擦各向异性,建立了摩擦运动的接触模型,分析了腹鳞表面的磨损机理.结果表明:腹鳞表面的微观结构由指状微突体和板结构部分周期排列而成,其结构可用9个特征参数定量描述;腹鳞表面摩擦力由分子作用力、表面微突体的犁沟力、楔形作用力以及材料弹性滞后共同引起;腹鳞表面的摩擦系数在0.07左右并与运动方向有关,摩擦系数随载荷增加而减小;后向运动及左、右侧向运动时摩擦系数基本相等,比前向运动时高33%左右;腹鳞表面微突体不同方向上倾斜角度的差异是引起摩擦各向异性的主要原因.研究结果对仿生制造摩擦各向异性表面提供实验依据.     

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.      

氮化钒(VN)涂层在不同载荷下的摩擦磨损行为

采用真空阴极电弧离子镀方法制备氮化钒(VN)涂层，并研究了VN涂层的结构、力学性能以及不同载荷对摩擦磨损行为的影响. 结果表明:VN涂层结构致密并呈柱状方式生长，其晶体类型为NaCl-型面心立方结构. 涂层具有强的膜基结合力以及良好的摩擦学性能. 随着载荷增加，VN涂层的摩擦系数降低，而磨损率增加. 基于赫兹弹性接触模型以及摩擦产物的成分分析结果，发现载荷越大，界面接触应力越大，界面摩擦化学反应越剧烈，这有利于降低剪切应力并促进V元素氧化生成V₂O₅润滑相，导致摩擦系数降低. 此外，因韧性不足、抗塑性变形能力弱等原因，随载荷增加，涂层磨损率增大.      

植物根土界面摩擦力的影响因素研究

为探索影响林木根系与土壤界面摩擦力的因素,采用施加拔出荷载的方式对林木根系进行单根拔出试验.结果表明:根系与土壤界面的摩擦力随根系直径和埋深的增加而呈线性规律增大;平均摩擦力的大小随土壤含水率的增加呈现先增大后减小的规律;摩擦力随加载速率的增加而减小;不同树种的根系与土壤摩擦力和摩擦系数差异显著,平均摩擦力大小表现为白桦落叶松蒙古栎油松,平均摩擦系数表现为落叶松蒙古栎白桦油松.     

塑料SHPB实验中的端面摩擦效应

基于H.Meng的动摩擦实验结果,建立了一个端面动摩擦模型,以描述端面动摩擦因数随SHPB 塑料试样与钢压杆接触界面间最大径向相对滑动速度的关系。在SHPB实验的数值模拟中,分别考虑了该 端面动摩擦模型和以往被广泛采用的常摩擦因数模型,结果发现,选取不同的端面摩擦模型不影响通过塑料 SHPB实验的数值模拟获得的转折应变率(量级为102s-1),然而当应变率超出转折应变率以上时,不同的端 面摩擦模型会对塑料SHPB实验的数值模拟结果产生显著影响,使用提出的端面动摩擦模型可得到更准确 的塑料SHPB实验的数值模拟结果。     

卸压开采损伤煤岩气体渗透率试验研究

我国煤系地层的煤岩体渗透率普遍较低,直接影响煤矿瓦斯抽采效果。卸压开采使采场围岩受采动应力作用具备了峰后力学行为,其渗透率也大幅度增加,有助于瓦斯的高效抽采。本文基于MTS815.02型电液伺服岩石渗透试验系统,对卸压开采后损伤煤岩的气体渗透率进行了测试。研究表明:(1)卸压损伤煤岩石的渗透率在10-5～10-4 m2之间,较受采动影响前要大107～108倍;(2)卸压过程中,煤样的气体渗透率与围压近似呈线性关系,与岩样呈双曲线关系;(3)卸压损伤煤岩逐渐加围压,气体渗透率近似为线性下降,卸压阶段,其渗透率增加;(4)加卸围压对煤岩的气体渗透率有很大影响。研究结果可为卸压瓦斯高效抽采提供理论依据。     

岩体—界面系统剪切不稳定性分析

基于界面的刚塑性应变软化假设，分析了岩体－界面系统在端部剪力和岩体中分布剪切载荷共同作用下的变形、应力和损伤演化。利用位能原理和稳定性的能量准则，得到了岩体界面系统的不稳定性条件。分析结果表明，损伤区达到边界之前，系统可能是稳定的或者是不稳定的。依赖于分布剪切载荷和界面摩擦力的比较，若均布剪切载荷大于界面摩擦力，则系统不稳定，否则系统稳定；当损伤区达到边界之后，系统的不稳定性决定于载荷及界面材料性质，界面软化刚度系数和界面强度对于不稳定性有明显影响。     

钛珠涂层和羟基磷灰石涂层与皮质骨界面的切向微动损伤研究

通过体外模拟切向微动行为,探究两种生物固定材料-钛珠涂层和羟基磷灰石涂层与皮质骨界面之间的微动摩擦磨损机理,建立钛珠涂层和羟基磷灰石涂层与骨组织生物固定界面的微动-松动-骨损伤的关系. 结果表明,界面处于部分滑移区时,弹塑性协调作用起主导,固定界面不易产生松动,皮质骨表面损伤以剥落为主,表面损伤较小. 增大微动位移幅值,界面摩擦系数增大,皮质骨的损伤增大. 同时,划分出了钛珠涂层和羟基磷灰石涂层部分滑移区的工况分界线. 通过对比两种材料的摩擦磨损机理,钛珠涂层与皮质骨界面固定效果较好,羟基磷灰石涂层与皮质骨界面损伤较小. 结果对人工关节生物固定起到一定的参考作用.      

Rigid body impact with moment of rolling friction

In this paper, the impact between a rigid pendulum and rough surfaces is studied. The rolling friction moment and the coefficient of rolling friction are introduced, and an improved mathematical model of the planar impact with friction is presented. The influence of the moment of rolling friction on the energy dissipated by friction during the impact is analyzed. For a simple pendulum, using the energetic coefficient of restitution, more energy is dissipated for larger values of the coefficient of kinetic friction and contact radius, and for smaller values of the length of the beam. For a double pendulum using the kinematic coefficient of restitution, some energetically inconsistent results can be solved for some values of the coefficient of rolling friction.     

行波型超声波电机摩擦特性的实验研究

超声波电机是通过逆压电效应产生高频振动并通过摩擦实现驱动的电机,其定转子摩擦接触面的高频、微幅的行波振动有其特殊性,跟以往的摩擦接触显著不同,并对电机的换能效率、电机寿命和摩擦材料的选择等都有影响.本文建立了超声波电机定转子接触面摩擦系数测量装置,通过试验比较了摩擦接触面在常规、定子驻波振动以及行波振动下的动态摩擦系数,分析了定子相对转速(速度)、预紧力以及温度对定转子接触面摩擦系数的影响.根据摩擦二项式和电机定转子表面弹塑性接触状态对摩擦系数与预紧力等的对应关系进行了说明,分析了驻波振动和行波振动的超声减摩效果以及温度对摩擦系数的影响,确定了适合行波型超声波电机的摩擦系数计算模型.超声波电机的驱动摩擦特性是1项基础性工作,有助于行波形超声波电机设计、建模和驱动控制等.     

多孔介质——自由流界面应力跳跃条件下流动特性解析解

对非对称多孔介质--自由流复合通道内多孔介质内部及多孔介质与自由流体界面处复杂质量、动量输运特性进行研究. 在多孔介质区采用Brinkman-extended Darcy模型并结合速度连续,剪切应力跳跃的界面条件对此复合通道内流体的传递现象进行求解,提出了考虑界面应力跳跃时非对称复合通道各区域流体运动速度及摩擦系数的解析式,分析了界面应力跳跃系数,达西数及无量纲多孔层偏心厚度对流体速度及摩擦系数的影响. 结果表明:改变界面性质可在一定条件下明显控制各区域流体速度分布;在达西数、多孔层偏心厚度一定情况下,界面应力系数的增大会使界面流速减小,而使流体摩擦系数增大,特别是界面应力系数小于0的情况下变化更明显,此时若不考虑界面应力系数则会造成较大误差. 当界面应力系数及多孔层偏心厚度均为较小负数值时,改变多孔层偏心厚度对界面速度的影响要大于改变界面应力系数的情况;而当界面应力系数及多孔层偏心厚度为较大正数值时,情况则相反. 较大达西数下,界面应力系数及多孔层偏心厚度对流体摩擦系数的影响均较大,继续减小达西数至一定程度时,界面应力系数对流体摩擦系数的影响可忽略不计而认为只与多孔层偏心厚度相关,且对较大多孔层偏心厚度更敏感.      

A tilted pad thrust slider bearing improved by the boundary slippage

The present paper proposes a new type of hydrodynamic lubricated tilted pad thrust slider bearing which is augmented with the boundary slippage at the stationary contact surface in the inlet zone. This design is of purpose to reduce the friction coefficient but increase the load-carrying capacity of the bearing. A theoretical analysis is presented for this bearing. Computational results and design guides for this bearing are given. It is found that the most increase of the carried load of the bearing by the boundary slippage is around 30 %, while the most reduction of the friction coefficient of the bearing by the boundary slippage is more than 40 %. This advantage is reached when the boundary slippage zone occupies 80 % of the bearing lubricated area and the fluid-contact interfacial shear strength at the boundary slippage interface is very low.     

THE IMPACT MECHANICAL PROPERTIES OF COAL CONTAINING GAS1)

为得出含瓦斯煤体的冲击力学特性,采用类单轴压缩试验方法,对吸附瓦斯压力在0 MPa, 2 MPa, 4 MPa, 6 MPa等情况下的煤样力学特性进行了研究。研究得出：随着吸附瓦斯压力的增大,煤样的抗压强度、弹性模量、冲击能指数均近似线性降低,峰值应变近似线性增大。随着吸附瓦斯压力的增大,煤体的破坏类型由脆性向延性破坏转变,破坏的分选性增强。吸附瓦斯的作用加速了煤体失稳破坏的进程,并使煤岩瓦斯动力灾害类型呈现由冲击地压主导型向煤与瓦斯突出主导型转变的趋势。