介观双粗糙弹塑性流体动力润滑界面法向接触刚度模型

弹性流体动力润滑状态通常出现在机械高副零部件的点/线接触部位,如齿轮、轴承和蜗轮蜗杆等. 宏观上点/线接触在介观层面表现为两粗糙表面的接触,在微观层面上则又表现为微凸体间的接触. 由于在中/重载荷作用下,粗糙表面上的微凸体发生接触后会产生弹塑性/塑性变形,从而使得两粗糙表面的弹流润滑接触转变为弹塑性流体动力润滑接触. 此外,界面的接触刚度决定了机械装备的整机刚度. 为了精确获得弹性流体动力润滑状态下界面法向接触刚度及其主要影响因素,基于界面的法向接触刚度由固体接触刚度和润滑油膜刚度两部分构成的思想,根据固体弹塑性理论和流体动力学理论,分别对界面间微凸体侧接触及部分膜流体动力润滑进行分析,从微观入手揭示双粗糙表面弹塑性流体动力润滑接触机理,进而建立考虑微凸体侧接触弹塑性变形的流体动力润滑界面法向接触刚度模型. 通过仿真分析,揭示了法向载荷、卷吸速度、表面粗糙度及润滑介质特性等因素对润滑界面法向接触刚度的影响规律. 研究表明:在相同速度、粗糙度及润滑油黏度的工况下,固体接触刚度和油膜接触刚度均随着法向接触载荷的增加呈非线性增大;在相同载荷、速度及润滑油黏度的工况下,接触表面粗糙度越大,表面形貌对于润滑状态的影响较强,固体接触刚度占界面总刚度的主要部分,界面主要由固体承载;在相同载荷、粗糙度及润滑油黏度工况下,随着卷吸速度的增大,固体接触刚度逐渐减小,油膜刚度占界面总刚度的主要部分;在相同载荷、粗糙度及速度工况下,随着润滑油黏度的增大,油膜刚度基本保持不变,固体接触刚度基本不受润滑油黏度的影响. 通过理论建模准确获得单位面积弹塑性流体动力润滑结合面法向接触刚度,对改善机械装备动态性能、提高机械装备的可靠性具有重要的理论和实际意义.      

Fe-Ni基高温自润滑复合材料摩擦磨损特性研究

本文中采用滑动磨损试验方法研究了以PbO和WS2为润滑组元的复合材料与440C不锈钢配副在25～600℃温度范围内的摩擦磨损特性.通过X射线衍射仪分析发现复合材料中含有铬的硫化物等高温润滑物质生成.使用扫描电镜和金相显微镜进一步分析了材料摩擦表面形貌.结果表明:在500 ～ 600℃范围内,PbWO4、CrxSx+1等各种金属化合物在摩擦表面形成了较完整的润滑膜,产生了自润滑能力,具有优良的减摩耐磨性能.润滑膜材料可向摩擦对偶表面转移,在一定程度上阻止了复合材料与440C不锈钢对摩材料的直接接触,显著降低了材料摩擦系数和磨损率,实现了高温自润滑性能.本文进一步探索了单一润滑组元润滑膜和两种润滑组元润滑膜的承载能力,发现两种固体润滑组元产生的协同润滑效应显著改善了润滑膜的润滑性能.     

曲轴轴向运动对粗糙表面曲轴主轴承润滑性能影响的研究

内燃机实际工作中，在多种影响因素综合影响下，曲轴进行旋转运动的同时，还存在沿轴承轴线方向的运动. 以某四缸四冲程内燃机曲轴-轴承系统为研究对象，综合考虑曲轴轴向运动、曲轴变形和摩擦表面粗糙度，基于平均Reynolds方程，建立了耦合曲轴轴向运动的粗糙表面主轴承润滑分析模型，着重研究了倾斜曲轴轴向运动对主轴承润滑特性的影响. 分析中，采用试验法实测曲轴沿轴承轴线方向的运动规律，应用有限单元法求解曲轴受载变形导致轴颈在轴承孔中倾斜状况. 结果表明:曲轴轴向运动对粗糙表面内燃机主轴承润滑特性影响显著；计及曲轴轴向运动时内燃机各主轴承轴颈轴心轨迹均为1条不封闭的三维空间曲线；曲轴轴向运动对主轴承润滑特性的影响程度与摩擦表面粗糙度直接相关；计及曲轴轴向运动时摩擦表面粗糙度对主轴承润滑特性影响趋势及程度均发生明显变化.      

微池润滑刀具干切削过程中的减摩机理

通过在前刀面月牙洼磨损区域加工装填MoS2固体润滑剂的微孔产生"微池效应"来改善刀具的摩擦学特性,制备了YG8微池润滑刀具.以该微池刀具对45#钢进行干切削试验,结果表明:微池刀具与普通的YG8刀具相比具有良好的摩擦磨损特性,切削力明显减小,前刀面摩擦系数显著降低.通过扫描电子显微镜(SEM)和能谱分析(EDX)对微池刀具前刀面观察研究,分析了刀具自润滑机理:微池刀具前刀面小孔中的润滑剂受热膨胀及切屑摩擦挤压作用析出,在前刀面表面拖覆形成固体润滑层,直接渗入到刀屑接触区域,从而起到减摩润滑作用,改善刀具基体减摩抗磨性能.润滑膜层在切削加工中是一个润滑膜形成、磨损、再形成的循环过程,微池润滑刀具在微孔完全磨损的整个生命周期内始终具有自润滑效果.     

温成形摩擦界面粉末润滑层宏微观特性的试验研究

温成形时加入润滑剂,可提高产品质量,降低变形力,延长模具的使用寿命.不同温度下润滑剂的性能不同,也影响加工界面的摩擦特性.通过将松散的石墨粉导入到面接触摩擦副间隙中,可以在轴向载荷和剪切力作用下形成减摩性能良好的粉末层,实现高温和高压成形过程的良好润滑.采用多功能摩擦磨损试验机研究温度对温成形粉末润滑界面的影响,对粉末润滑润滑的摩擦副表面进行电子显微镜观察、三维轮廓分析、能谱分析、元素含量分析及拉曼分析,获得温度影响温成形摩擦特性的现象和机理.结果表明:温度对温成形中粉末润滑界面的摩擦特性有很大影响,不同温度下摩擦系数发生改变,而粉末润滑层的平整性、完整性以及石墨有序化程度也随温度改变,而这些因素都是温度改变粉末润滑效果的内在原因.     

陀螺电机用H型动压气体轴承启动摩擦特性分析

为减小陀螺电机用H型动压气体轴承启动过程中的摩擦与磨损,建立了考虑表面粗糙接触与润滑的H型动压气体轴承模型,对其启动摩擦特性进行研究。首先,通过求解轴粗糙表面在转子重力作用下的弹性变形,确定启动前转子启动位置和启动力矩。然后,对表面粗糙接触与润滑方程、转子五自由度运动方程进行联立求解,得到启动过程中轴承承载力、运动轨迹、接触面积等特性,并通过接触面积减为0来判断转子的浮起时间和浮起转速。最后,研究轴承表面粗糙度和腔型结构等参数对轴承启动摩擦特性的影响。分析结果表明:减小粗糙表面峰顶标准差可降低浮起转速、减小磨损范围;随着腔宽比的增大,浮起转速增大、磨损范围减小;而随着腔深的增大,浮起转速和磨损范围均先减小后增大,腔深为1.0μm和2.0μm时浮起转速和磨损范围分别最小。     

三体介质温成形界面接触换热特性的试验研究

温成形摩擦界面模具与工件之间的传热特性对工件质量和模具寿命有重要影响,固体粉末介质导入该摩擦副可实现高温润滑,但其传热特性与传统加工方式的有很大不同.采用稳态法自行设计了三体界面的传热特性试验,研究和分析了界面温度、接触载荷、层厚对带有石墨粉和氧化铝粉润滑层的H62铜合金和45钢之间的三体界面接触换热系数的影响.结果表明:带有石墨粉润滑层的三体界面接触换热系数随温度的增加先升高后降低,随载荷和层厚的增加先缓慢增加后迅速增加;带有氧化铝粉润滑层的三体界面接触换热系数随温度的变化缓慢升高,与载荷基本成线性关系,随层厚的增加而降低.温度改变了固体润滑剂的材料热阻和上下试样表面硬度及氧化层厚度,载荷改变了三体界面实际接触面积和接触属性,层厚决定能否完全隔开上下试样,不同物性固体润滑剂决定了其材料热阻在三体界面接触热阻中的主次关系.     

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     

颗粒流动力学及其离散模型评述

颗粒流是由众多颗粒组成的具有内在相互作用的非经典介质流动. 自然界常见颗粒流 都是密集流, 颗粒间接触形成力链, 诸多力链相互交接构成支撑整个颗粒流重量和外载荷的 网络, 其局部构型及强度在外载荷下演化, 是颗粒流摩擦特性和接触应力的来源.本文 介绍球形颗粒间无粘连作用时的Hertz法向接触理论和Mindlin-Deresiewicz切向接触 理论. Campbell依据是否生成较为稳定的力链把颗粒流分为弹性流和惯性流两大 类, 其中弹性-准静态流和惯性-碰撞流分别对应准静态流和快速流, 作为两种极端流动情况通常处理成连续体, 分 别采用摩擦塑性模型和动理论予以描述, 但是表征接触力链的颗粒弹性参数并不出现这两个 模型和理论框架中, 如何进一步考虑颗粒弹性参数将非常困难. 目前离散动力学方法逐渐 成为复现其复杂颗粒流动现象、提取实验不可能获得的内部流动信息进而综合起来探索颗粒 流问题的一种有效工具, 其真实性强于连续介质理论的描述. 软球模型对颗粒间接触力简化 处理, 忽略了切向接触力对法向接触力及其加载历史的依赖, 带来了法向和切向刚度系数 如何标度等更艰难的物理问题, 但由于计算强度小而广泛应用于工程问题中. 硬球模型不考虑 颗粒接触变形, 因而不能描述颗粒流内在接触应变等物理机理, 仅适用于快速颗粒流, 这不 仅仅是由于两体碰撞的限制. 因此基于颗粒接触力学的离散颗粒动力学模型是崭新的模型, 适用于准静态流到快速流整个颗粒流态的模拟, 可以细致考虑接触形变及接触力的细节, 建立更为合理的颗粒流本构关系, 进而有力的促进颗粒流这一非经典 介质流动的研究.     

油-气润滑流动行为对点接触副摩擦特性的影响

油-气润滑技术已经广泛应用于常规零部件润滑设计中,通过合理制定润滑工艺方案,能有效减小接触副之间的摩擦,达到最佳润滑状态.选用45钢圆盘和GCr15球作为摩擦副材料,在MFT-3000摩擦磨损试验机上开展球-盘点接触副油-气润滑试验,同时结合油-气润滑流场数值模拟考察喷射方位、供油量和供气速度等不同润滑参数对点接触副摩擦特性的影响规律.结果表明:合理的喷射方位下点接触区域油相分布较为均匀,并有利于压缩气体将润滑油以微油滴形式喷射至摩擦副表面,润滑油滴与摩擦副表面发生碰撞、黏附和铺展等作用后形成油膜层,从而降低摩擦系数,提高润滑性能;供油量和供气速度对空间流场油相分布影响较为明显,在一定范围内,供油量的增加和适当的供气速度均能够改善油-气润滑效果.     

考虑粗糙度和固体颗粒效应的直齿轮跑合瞬态热弹流润滑分析Transient thermal elasto-hydrodynamic lubrication of spur gears in running-in process considering solid particles and surface roughness

建立了含有固体颗粒的弹流数学模型，修正了Reynolds方程，考虑了连续波状粗糙度的影响，对跑合过程中直齿轮轮齿啮合区的弹流润滑进行了数值解算，分析了固体颗粒和粗糙度对压力、膜厚和温度的影响。结果表明，连续波状粗糙度会引起压力和膜厚一定幅度的上下波动，考虑固体颗粒后，压力变大，膜厚减小；颗粒速度越大，膜厚越小，最小膜厚减小，最大温升一定幅度减小，颗粒所在区域的温升减小；粗糙度波长较小时，粗糙度对膜厚较小的接触区引起的温升较大。     

The motion of suspended particles almost in contact

The forces and torques on two moving solid particles suspended in a fluid and almost in contact with each other (or on a particle almost in contact with a wall) are found in terms of their relative motion by using a type of lubrication theory, the results so obtained being asymptotically valid for small gap widths. It is assumed that the surfaces of the particles involved if brought together, are such that contact would occur at a single point at which surface curvatures are finite.     

溅射MOS_2膜和PTFE膜在边界润滑条件下的摩擦学性能之研究

本文对溅射二硫化钼(MoS_2)膜和聚四氟乙烯(PTFE)膜在边界润滑条件下的摩擦学性能进行了研究。结果表明,与未镀膜的轴承钢相比,这两种固体润滑膜都具有较好的抗粘着性和减摩性,以及对硬质颗粒良好的嵌入性,但在同样的负荷条件下,PTFE膜的磨损比MoS_2膜的轻微。     

不同固体润滑下人字闸门底枢摩擦特性的销盘试验研究

人字闸门底枢长期在水下的低速重载下运行,易出现由磨损导致的故障,为此,三峡五级船闸的闸门已采用油脂和固体润滑剂混合润滑方式以减少摩擦磨损. 为了研究石墨、二硫化钼和聚四氟乙烯固体粉末对底枢摩擦副材料(45钢和锡青铜)摩擦学性能的影响,以三峡人字闸门底枢为研究对象,依据计算结果设计销/盘配对副面结构,在MMW-1A立式万能摩擦磨损试验机上开展磨损试验研究,并结合表面三维形貌测试和铁谱测试对摩擦磨损结果进行分析,结果表明:在试验条件下,聚四氟乙烯的摩擦系数最小,石墨次之,二硫化钼的摩擦系数最大;磨损量从小到大依次为石墨、聚四氟乙烯和二硫化钼;石墨润滑条件下磨损形式仅为单一的黏着磨损,二硫化钼和聚四氟乙烯润滑条件下磨损形式为黏着磨损和疲劳磨损,且石墨润滑产生的磨粒粒径要小于二硫化钼和聚四氟乙烯润滑产生的磨粒粒径,综上认为石墨是三者中性质较优的固体润滑剂. 在此基础上开展了石墨润滑下的13 h连续磨损试验,得到其摩擦系数和磨损量的变化规律,为人字闸门底枢摩擦副的固体润滑设计提供理论依据.      

陶瓷摩擦学Ⅱ．陶瓷材料的润滑

继陶瓷的摩擦与磨损的评述和讨论之后，又从液体润滑、固体润滑、气相润滑、自润滑复合陶瓷、陶瓷表面改性和协同润滑技术几个方面，系统地讨论了陶瓷材料的润滑问题，阐明了这些润滑技术的优缺点，指出了陶瓷润滑研究中几个值得重视的发展方向     

Wave propagation in an unconsolidated granular material: A micro-mechanical approach

We provide a theoretical analysis to support the presence of both slow and fast compression waves in an unconsolidated, fully saturated, granular material. We derive the constitutive relation for such an aggregate based upon a micro-mechanics analysis. In doing this, we take in account the coupling between the solid particles and fluid. As a consequence of this coupling, the lubrication layer provides a connection between particles, both when they are separating and when they are compressing. The predictions of the speed and attenuation of the fast compression waves compare well with experimental data over the range of frequencies for which the nonlinear dissipation associated with the relative velocities between solid and fluid is negligible. Slow waves are also predicted without comparison, because of the absence of clear experimental data. Predictions of the speed and attenuation for the shear wave are also provided and show a good agreement with experimental data when surface roughness is taken into account.     

基于表面织构技术改善摩擦学性能的研究进展

利用表面织构技术改善材料表面摩擦学性能已被大量应用于许多工程领域. 然而,通过表面织构技术提高材料表面的减摩耐磨性能的确切机理仍不清楚,因此,研究人员进行了大量表面织构几何特征和工况条件的优化来研究表面织构技术的机理及应用范围. 本文作者回顾了近年来表面织构技术在控制摩擦方面的主要研究成果,从不同润滑条件下的减摩机制与理论模型展开讨论,重点从表面织构的几何特征和实际工况条件两个方面来评述改善材料表面摩擦学性能的最新进展,其中,几何特征包括表面织构的纹理形状、直径、深度、面密度和排列方式;实际工况条件取决于摩擦形式及操作条件,根据摩擦系数、磨损量、承载能力、阻力系数及升力系数等体现摩擦学性能的参数,对改善表面摩擦学性能的参数和条件进行分析和总结. 深入研究精确的理论模型和普适性的模拟方法并开发改善摩擦学性能的参数优化方法是未来的研究重点和方向.      

微油滴供油条件下弹流润滑行为的数值分析

油气润滑条件下润滑油以微油滴形式供给摩擦副,基于此建立了简化的单个微油滴供油弹流润滑模型,模拟了微油滴通过弹流接触区的全过程.结果表明:卷吸速度和润滑油黏度会影响微油滴的扩展距离,进而使接触区油膜的形成产生差异.卷吸速度越高,或润滑油黏度越大,微油滴的扩展距离就会越小,油膜仅在接触区中部区域产生,微油滴类似硬质颗粒般在接触表面挤压出凹坑穿过接触区.理论结果和实验结果对比,具有良好的一致性.     

合成蜡粉改性聚四氟乙烯基粘结涂层摩擦学性能的研究

用合成蜡粉改善聚四氟乙烯基粘结涂层并考察了其摩擦磨损性能以及合成蜡粉添加盈对摩擦磨损试验结果重复性的影响。结果表明：合成蜡粉可明显改善聚四氟乙烯基粘结涂层的减摩耐磨性能;随着合成蜡粉添加量的增加,其摩擦磨损试验数据的重复性显著提高,通过对其磨痕形貌和磨痕表层转移物的分析发现,在摩擦过程中,合成蜡粉可阻止偶件金属元素向聚四氟乙烯基粘结涂层摩擦表面的转移和大尺寸磨屑的产生。