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.     

摩擦力和摩擦振动的分形行为研究

在不同的摩擦磨损试验机上提取了摩擦磨损过程中摩擦力和摩擦振动的时间序列信号,采用关联维数方法研究了摩擦力和摩擦振动的分形行为．结果表明：摩擦力和摩擦振动信号具有分形特征;随着摩擦磨损过程的进行,信号分形维数的变化出现规律性的递增或递减;对于“收敛”或磨合磨损过程,不同阶段摩擦信号的分形维数趋于增大;对于“发散”的摩擦磨损过程,不同阶段的摩擦信号的关联维数趋于减小．摩擦力和摩擦振动的分形维数的变化规律同摩擦磨损过程中表面形貌分形维数的变化规律相似。     

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.     

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.     

分形理论在摩擦学研究中的应用

采用尺度独立的分形参数可使粗糙表面和磨屑形貌的表征简单明了，并使表征具有唯一性，易于识别；基于分形参数所建立的摩擦学研究模型的预测结果可望不受测量仪器分辨率和取样长度的影响，因而比传统的基于统计分析的模型更为合理和有效。综述了分形几何在粗糙表面的表征，接触，磨损预测和摩擦温度分布以及磨屑定量分析等方面的应用现状和发展，指出了用分形理论研究摩擦学问题时应注意的着重点。     

磨合表面形貌特征参数的提取及分析

在销-盘式摩擦磨损试验机上对船用柴油机活塞环-缸套材摩擦副进行磨合磨损试验,采用光学显微镜对不同磨损阶段的磨损表面形貌进行观察分析,应用小波分析和奇异值分解提取磨损表面统计特征的低频特征参数和高频特征参数.结果表明:低频特征参数和高频特征参数刻画了磨合表面的形貌特征,可以作为磨合表面的特征参数;低频特征参数反映了磨合表面的接触面积,其值愈大,接触面积愈大;高频特征参数反映了磨合表面的粗糙度,其值愈大,粗糙度愈小.     

磨粒轮廓分形维数与磨损状态的关联性研究

在销-盘式摩擦磨损试验机上用45^#钢-铜摩擦副进行摩擦磨损试验，将试验过程中生成的磨粒经稀释和超声波分散后制成谱片，用扫描电子显微镜(SEM)及自行研制的由光学显微镜、摄像头及计算机构成的磨粒分形维数测量系统分析谱片特征．结果表明：磨粒的外形轮廓存在分形特征；磨粒群体平均分形维数随磨损过程的进行而变化，这种变化同铜合金试销的磨损率存在一定的对应关系．研究结果有助于揭示磨粒轮廓分形特征及磨损状态的转变．     

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.      

钢—铜摩损过程中磨粒积聚的分形研究

在销-盘摩擦磨损试验机上考察45^#钢-铜合金摩擦副的磨损性能,按一定时间间隔收集磨损过程中积聚的金属磨粒,然后用光学显微镜对不同粒径范围内的磨粒进行计数和分形研究。研究结果表明：不同粒径的金属磨粒所对应的积聚数呈现明显的分形特征,小磨粒积聚和大磨粒积聚表现出不同的分形特征,并具有双重分形现象;磨损过程中的磨粒积聚分形特征对应于某一粒径尺度的分形转折点,该分形转折点的坐标位置与磨损状态相关,因此确定分形转折点有助于甄别磨损状态。     

工程粗糙表面粘着磨损的分形学研究

建立了分形接触模型,并在Ａｒｃｈａｒｄ粘着磨损理论基础上,结合磨损过程中剪切应力对实际接触表面的影响,建立了弹、塑性接触条件下的粘着磨损分形模型,通过试验得出了磨损体积损失与分形参数的关系,为降低磨损与加工成本及确定表面最佳分形维数提供了实验依据．     

Numerical study of sliding wear caused by a loaded pin on a rotating disc

A computational approach is proposed to predict the sliding wear caused by a loaded spherical pin contacting a rotating disc, a condition typical of the so-called pin-on-disc test widely used in tribological studies. The proposed framework relies on the understanding that, when the pin contacts and slides on the disc, a predominantly plane strain region exists at the centre of the disc wear track. The wear rate in this plane strain region can therefore be determined from a two dimensional idealisation of the contact problem, reducing the need for computationally expensive three dimensional contact analyses. Periodic unit cell techniques are used in conjunction with a ratchetting-based failure criterion to predict the wear rate in the central plane strain region. The overall three dimensional wear rate of the disc is then determined by scaling the plane strain wear rate with a conversion factor related to the predicted shape of the wear track. The approach is used to predict pin-on-disc test data from an Al-Si coating using a tungsten carbide pin. The predicted results are found to be consistent with measured data.     

碳纤维增强聚醚砜复合材料的摩擦磨损性能研究

利用销－盘磨擦磨损试验机考察了聚醚砜及其复合材料在干滑动摩擦条件下的摩擦磨损性能。结果表明：碳纤维使聚醚砜的摩擦磨损性能得到明显的改善,春改善程度同碳纤维的长度和体积分数相关;当碳纤维的体积分数约为１５％时,聚醚砜复合材料的摩擦系数及比磨损率最低;添加固体润滑剂可以使复合材料的摩擦磨损性能得到进一步改善;随着温度及外载荷的变化,摩擦系数及比磨损率表现出不同的变化趋势。     

在氮气介质中WC-Co/Ti6Al4V摩擦副的摩擦磨损性能研究

在THT07-135型高温摩擦磨损试验机上采用销-盘式接触形式,研究了WC-Co硬质合金/Ti6Al4V钛合金摩擦副在氮气介质中的摩擦磨损性能,并与空气介质中的摩擦磨损性能进行对比.结果表明:与空气介质相比,在氮气介质中WC-Co/Ti6Al4V摩擦副的摩擦系数稍低;WC-Co硬质合金比Ti6Al4V钛合金的磨损量低得多,氮气介质具有一定的减磨作用;钛合金材料的主要磨损机理为摩擦副之间产生较强的犁沟与挤压撕裂,而硬质合金的主要磨损机理为磨粒磨损与粘结剥落.     

摩擦自激振动引起摩擦面波状磨耗的试验研究

在销-盘摩擦磨损试验机上进行金属干摩擦试验,研究摩擦自激振动对盘试件磨痕表面轮廓的影响,采用激光位移传感器测量盘试件摩擦表面轮廓尺寸,用加速度传感器测量销试件的摩擦自激振动.试验结果表明：在干摩擦状态下,销-盘系统容易发生持续的摩擦自激振动,当摩擦时间达到一定数值后,盘试件的磨痕表面轮廓会出现明显的波浪形磨耗,波浪形磨损机理主要是疲劳磨损.分析表明波浪形磨耗的波长近似等于摩擦自激振动的周期与滑动速度的乘积,由此推断摩擦自激振动引起了摩擦表面的波浪形磨耗.     

摩擦信号分形维数与载荷和速度的关系研究

在立式万能摩擦磨损试验机上对GCr15/45#钢摩擦副进行不同接触载荷和滑动速度下的摩擦磨损试验,对初始滑动距离1 000 m内的摩擦系数信号进行数据采集,运用结构函数测度方法对摩擦系数信号进行分形表征,计算不同载荷和速度下的分形维数,研究摩擦信号的分形维数随载荷和速度的变化规律.结果表明,摩擦系数信号具有显著的分形特征,其分形维数随载荷和速度而变化.在相同载荷下,分形维数随滑动速度增加而增大;在相同速度下,分形维数随着接触载荷增加而增大.磨损率与摩擦系数信号的分形维数正相关.     

摩擦学复杂系统及其问题的量化研究方法

以摩擦学的三个公理为基础 ,提出摩擦学系统复杂性质的具体定义 ,即摩擦学系统的动力性、摩擦学系统的非线性、摩擦学系统的随机性、摩擦学系统的混沌性和摩擦学系统的分形性 ,并且指出摩擦学系统是一个复杂的非线性动力系统 ,因而将摩擦学研究与动力学相结合有助于摩擦学问题的定量化描述 .根据摩擦学系统及其行为的特定性质 ,从系统学观点出发 ,将摩擦磨损过程分为自组织阶段、混沌阶段和失稳阶段等 3个阶段 ,并提出了磨合吸引子的概念 ,同时讨论了研究摩擦学非线性复杂问题的正解和反解方法     

316L不锈钢在Saline溶液中的微动磨蚀行为研究

采用球－平面接触微动磨损试验设备考察了轧制固溶３１６Ｌ不锈钢在Ｓａｌｉｎｅ溶液中的微动磨蚀行为。研究表明,３１６Ｌ不锈钢的微动过程存在显著的阶段性;微动初期为磨合期,第一稳定阶段摩擦副处于高摩擦应力状态,伴随着不锈钢表面缝隙腐蚀与弹塑性损伤的积累;第二过渡阶段和第二稳定阶段不锈钢表面呈微断裂剥层特征,腐蚀引起的微断裂不可忽视,不锈钢微动损伤表面形貌同微动损伤速率之间存在对应关系。     

碳纤维毡增强铝基复合材料的摩擦磨损性能研究

采用压挤渗透工艺制备了新型碳纤维毡增强铝基复合材料,在MG－2000型高速高温摩擦磨损试验机上考察了其摩擦磨损性质,结果表明：碳纤维毡增强铝基复合材料的摩擦磨损特性明显估于基体合金;复合材料经历由稳定磨损向严重磨损的转化;在稳定磨损阶段,复合材料的磨损表面存在由金属氧化物和碳膜共同构成的复合固体润滑膜,从而有效地改善复合材料的摩擦磨损性能。     

超高分子量聚乙烯/Al_2O_3生物摩擦学特性的研究

在自制销 -盘摩擦磨损试验机上评价了超高分子量聚乙烯 (UHMWPE)与 Al2 O3陶瓷摩擦副在干摩擦和生理盐水、蒸馏水及人血浆润滑条件下的摩擦学特性 ,用扫描电镜观察试样磨损表面形貌并分析磨损机理 .结果表明 :在干摩擦和生理盐水及蒸馏水润滑条件下的起始摩擦系数较接近 ,血浆润滑条件下的起始摩擦系数最低 ;稳态摩擦系数在干摩擦时最大 ,蒸馏水润滑条件下最小 ,生理盐水和人血浆润滑条件下较接近并比蒸馏水润滑下的高 ;干摩擦下UHMWPE的磨损率最大 ,血浆润滑条件下的最小 .干摩擦下 UHMWPE磨损表面可见大量不规则的细小纤维状磨屑 ,蒸馏水润滑下 UHMWPE磨损表面可见明显的塑性变形和疲劳剥落迹象 ,而血浆润滑条件下 UHMWPE磨损表面则可见大量的疲劳微裂纹