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.     

粗糙表面接触力学问题的重新分析

为了克服基于统计学参数的接触模型的尺度依赖性以及现有接触分形模型推导过程中初始轮廓表征受控于接触面积或取样长度的不足,基于粗糙表面轮廓分形维数D、尺度系数G和最大微凸体轮廓基底尺寸l,建立了新的粗糙表面接触分形模型,探讨了微凸体变形机制、粗糙表面的真实接触面积和接触载荷的关系,揭示了接触界面的孔隙率和真实接触面积随端面形貌、表面接触压力等参数变化的规律,给出了不同形貌界面被压实的最大变形量.结果表明:微凸体变形从弹性变形开始,并随着平均接触压力pm的增大逐步向弹塑性变形和完全塑性变形转变;接触界面的初始孔隙率φ_0随D的增大而增大,压实孔隙所需要的最大变形量δ也随之增大;接触压力p_c增大,孔隙率φ减小,并随着D的增大和G减小,φ快速减小,直至填实,变为零;D较小时,G的增大对真实接触面积的增大影响较小;D较大时,G的增大对真实接触面积的增大作用明显.研究成果为端面摩擦副的润滑与密封设计提供了理论基础.     

粗糙表面之间接触热阻反问题研究

当两个固体表面相互接触时,由于接触面粗糙度的影响,界面间就形成了非一致接触,这种接触导致热流收缩,进而产生接触热阻.目前的理论研究主要集中在正问题研究,对反问题的研究相对较少.接触热阻反问题研究是通过研究部分边界温度、热流和部分测量点的温度来反演得到界面上的接触热阻.反问题研究在很多工程领域都有应用,如航空航天、机械制造、微电子等,是工程中确定接触热阻一种快速有效的方法.本文采用边界元法和共轭梯度法研究了二维空间随坐标变化的接触热阻反问题.为了验证方法的准确性和可行性,假定在已知部分测量点温度和真实接触热阻的情况下,反演计算得到界面的温度和热流,进而得到接触热阻,并与真实接触热阻进行比较.结果表明采用边界元法和共轭梯度法在无测量误差的情况下,可以准确反演获得界面的真实接触热阻.若存在测量误差,反演计算结果对测量误差极其敏感,反演结果误差会由于测量误差的引入而被放大.为处理这种不适定性,采用最小二乘法对反演计算结果进行校正,结果表明采用最小二乘法能够避开反问题中一些偏离实际值较大的测量点,显著提高反演计算结果的准确性.     

粗糙表面之间接触热阻反问题研究

当两个固体表面相互接触时,由于接触面粗糙度的影响,界面间就形成了非一致接触,这种接触导致热流收缩,进而产生接触热阻. 目前的理论研究主要集中在正问题研究,对反问题的研究相对较少. 接触热阻反问题研究是通过研究部分边界温度、热流和部分测量点的温度来反演得到界面上的接触热阻. 反问题研究在很多工程领域都有应用,如航空航天、机械制造、微电子等,是工程中确定接触热阻一种快速有效的方法. 本文采用边界元法和共轭梯度法研究了二维空间随坐标变化的接触热阻反问题. 为了验证方法的准确性和可行性,假定在已知部分测量点温度和真实接触热阻的情况下,反演计算得到界面的温度和热流,进而得到接触热阻,并与真实接触热阻进行比较. 结果表明采用边界元法和共轭梯度法在无测量误差的情况下,可以准确反演获得界面的真实接触热阻. 若存在测量误差,反演计算结果对测量误差极其敏感,反演结果误差会由于测量误差的引入而被放大. 为处理这种不适定性, 采用最小二乘法对反演计算结果进行校正,结果表明采用最小二乘法能够避开反问题中一些偏离实际值较大的测量点,显著提高反演计算结果的准确性.      

RV减速器主支撑角接触球轴承混合润滑分析

针对RV减速器角接触球轴承承受预紧力、轴向力和径向力等联合外载荷作用的工况,分析得出了内、外圈滚道接触界面的接触区几何参数和接触载荷.在此基础上,综合考虑了角接触球轴承的接触区宏观几何、接触载荷、真实表面粗糙度、瞬态效应等因素,建立了角接触球轴承混合润滑数学模型,分析了在不同工况下角接触轴承的润滑状况及表面以下应力分布.结果表明:随着载荷的不断增加,钢球与内圈沟道之间的油膜厚度会不断减少,导致干接触面积迅速扩大,接触点表面以下最大应力增大;转速的增加会使油膜变厚,干接触面积缩小.该结果对角接触球轴承的实际工程应用具有重要借鉴意义.     

表面形貌变形对塑性成形滑动接触界面摩擦的影响

为了更好地理解塑性成形滑动接触界面的摩擦行为,构建了一种新型的摩擦试验装置,运用表面纹理化技术制备了两类表面形貌的1050铝材试件,在不同的接触压力和滑动速度条件下进行一系列拉伸摩擦试验.对试验前后试件三维表面形貌进行了测量;提取真实接触面积比、封闭空体面积比和开放空体面积比等三维表面参数,来描述试件表面形貌的变化.试验发现:摩擦系数随名义接触压力和滑动速度增加而逐渐减小;试件初始表面形貌对摩擦有明显的影响;试件表面形貌和参数随接触条件出现了规律性变化.基于机械流变模型的分析表明:随着试件表面形貌变形,不同的机理决定界面摩擦行为,摩擦系数对名义接触压力和滑动速度的依赖性可分别归因于微观塑性流体动压润滑效应和入口区流体动压牵引效应.     

粗糙表面接触力学问题的重新分析

为了克服基于统计学参数的接触模型的尺度依赖性以及现有接触分形模型推导过程中初始轮廓表征受控于接触面积或取样长度的不足,基于粗糙表面轮廓分形维数$D$、尺度系数$G$ 和最大微凸体轮廓基底尺寸$l$,建立了新的粗糙表面接触分形模型,探讨了微凸体变形机制、粗糙表面的真实接触面积和接触载荷的关系,揭示了接触界面的孔隙率和真实接触面积随端面形貌、表面接触压力等参数变化的规律,给出了不同形貌界面被压实的最大变形量. 结果表明:微凸体变形从弹性变形开始,并随着平均接触压力$p_{\rm m}$ 的增大逐步向弹塑性变形和完全塑性变形转变;接触界面的初始孔隙率$\phi_{0}$ 随$D$ 的增大而增大,压实孔隙所需要的最大变形量$\delta $ 也随之增大;接触压力$p_{\rm c}$ 增大,孔隙率$\phi$ 减小,并随着$D$ 的增大和$G$ 减小,$\phi$ 快速减小,直至填实,变为零;$D$ 较小时,$G$ 的增大对真实接触面积的增大影响较小;$D$ 较大时,$G$ 的增大对真实接触面积的增大作用明显. 研究成果为端面摩擦副的润滑与密封设计提供了理论基础.      

船用凸轮-挺柱副摩擦润滑性能研究

随着船舶柴油机功率密度和转速等性能参数的不断提升,配气凸轮-挺柱副面临着更加严苛的工作环境,尤其是界面微观接触区的摩擦学特性,在瞬态载荷冲击、速度冲击、曲率变化及局部粗糙峰接触条件下,界面摩擦及闪温迅速突变,带来磨损和胶合等表面失效问题. 本研究中基于先进三维线接触混合润滑模型,考虑凸轮-挺柱副瞬态突变工况及几何变化、瞬态表面粗糙度影响以及润滑油非牛顿流体作用,采用稳定性好、收敛速度快的准系统数值分析方法开展凸轮-挺柱副摩擦闪温分析,揭示粗糙度参数、工况改变及几何结构对其润滑状态和摩擦闪温特性的影响规律,为船舶柴油机配气凸轮-挺柱副摩擦学优化设计及磨损胶合失效预测提供理论指导.      

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.      

轮轨试样表面粗糙度取向对油润滑下摩擦系数的影响

黏着力是列车安全与平稳运行的关键因素之一.最大黏着力与摩擦力有关,摩擦力的减小会导致黏着力的降低.表面粗糙度及其取向是影响摩擦系数的重要因素,然而,有关表面粗糙度取向对于混合润滑状态下摩擦系数的影响的研究结论似乎是矛盾的.用激光离散改性技术将车轮试样表面制备成具有菱形、纵纹、横纹3种典型的形貌,并且与不作激光离散改性处理的车轮试样作对比,用基于确定性模型的统一雷诺方程数值分析法和小比例尺度的轮轨试样摩擦学实验,得到的结论是:在油润滑状态下,激光表面形貌大幅提高摩擦系数,其中菱形对应的摩擦系数最大,纵纹与横纹的摩擦系数相差不大,摩擦系数的大小主要取决于由表面粗糙度取向决定的接触区内粗糙峰接触压力与总压力之比,侧流效应也是影响摩擦系数的重要因素,它主要取决于接触区内表面粗糙度的取向.     

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.     

离散型织构表面液滴的铺展及其接触线的力学特性分析

针对离散型织构表面上液滴的铺展过程,采用数值模拟和润湿性实验相结合的方法,引入织构润湿因子θ*,得到了不同类型的离散型织构对固体表面润湿性的影响,在此基础之上分析了液滴铺展过程中接触线的力学特性,以期从微观界面力学的角度解释微织构对液滴铺展过程的促进作用.研究表明:离散型织构增大了液滴铺展过程中的固-液接触面积,位于铺展前沿的液体分子部分浸润织构内部,导致液面曲率和液滴内部的拉普拉斯压力增大,相邻离散型织构间的液体获得了额外的驱动力和能量,铺展速度加快,平衡接触角减小;槽状离散型织构对表面润湿性的影响程度最大,液滴在其上铺展过程具有各向异性特性.另外数值仿真分析表明,接触线的钉扎效应与固体表面粗糙度的大小和微织构类型密切相关,表面粗糙度越大,钉扎效应越明显,其中槽状织构对接触线的钉扎作用还具有方向性.      

基于软弹流润滑模型的液压格莱圈密封性能分析

基于软弹流理论建立了液压往复格莱圈密封的数值分析模型,该耦合模型包括流体力学、接触力学、变形和热分析.数值求解获得了密封区域的膜厚、流体压力和接触压力分布,以及单个行程的流量和活塞杆表面的摩擦力,揭示了液压往复格莱圈密封的密封机理.通过参数化进一步分析了不同密封表面均方根粗糙度、密封压力和往复速度对密封性能的影响.结果表明:在本研究中,密封区域表现为混合润滑状态,且以微凸体接触摩擦为主;较小的密封表面均方根粗糙度值具有较好的密封性能,增大密封压力会导致泄漏量和摩擦力均增加,而增大往复速度有利于减小泄漏量.     

风沙粒子冲击钢结构涂层力学行为的理论与有限元分析

利用接触力学理论和三维有限元分析了钢结构受到风沙粒子冲击后其涂层表面接触区应力、涂层内部应力、涂层与基体界面上应力的分布规律。分析结果表明:涂层表面径向应力在接触中心出现最大压应力,在接触区边缘出现最大拉应力,且在接触区边缘易发生环状撕裂破坏;在涂层内部,涂层对Z向应力的承受力较好;涂层内部剪应力的最大值出现在碰撞接触点的左下方和右下方,这两个位置易受到剪切破坏,在接触点和剪应力最大值之间的剪应力变化速度较大;涂层与基体界面上r/h为0~0.4时,Z向应力变化较小;在r/h为0.4~1时,Z向应力剧烈减小;r/h1时,Z向应力基本保持不变;涂层与基体界面上剪应力最大值出现在冲击点附近,且冲击点附近剪应力变化较大,易引起剪切撕裂破坏。     

微观加工形貌对三维线接触Stribeck曲线与疲劳寿命的影响

齿轮的传递效率和寿命与齿面成形方式紧密相关,针对圆柱齿轮常见的剃削、磨削、珩磨、抛光四种加工方式,采用三维线接触混合润滑分析模型,结合Zaretsky接触疲劳寿命计算方法,系统分析了高速到极低速工况下,界面摩擦系数对接触疲劳寿命的影响,以及不同微观加工形貌作用下三维线接触Stribeck曲线与疲劳寿命的变化规律.研究表明:全膜润滑状态下,界面摩擦对疲劳寿命的影响较小,各类组合表面的摩擦系数基本一致,但各组合表面疲劳寿命差异较大,抛光组合表面的疲劳寿命最优;在混合润滑状态下,各类组合表面的摩擦系数变化差异明显,而相对疲劳寿命差异明显减小,其中,磨削组合表面摩擦系数较大,抛光组合表面摩擦系数最小;值得注意的是,研究表明界面摩擦系数和疲劳寿命不是表面粗糙度的简单函数,不随界面粗糙度值的大小变化而单调变化.     

大功率LED低热阻封装技术进展

散热是大功率LED封装的关键技术之一,散热不良将严重影响LED器件的出光效率、亮度和可靠性。影响LED器件散热的因素很多,包括芯片结构、封装材料（热界面材料和散热基板）、封装结构与工艺等。文章具体分析了影响大功率LED热阻的各个因素,指出LED散热是一个系统概念,需要综合考虑各个环节的热阻,单纯降低某一热阻无法有效解决LED的散热难题。文中还对国内外降低LED热阻的最新技术进行了介绍。     

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。     

铝合金与槽型界面钢板的爆炸焊接

采用尺寸为4 mm×410 mm×410 mm的5083铝合金和尺寸为15 mm×400 mm×400 mm、表面开有燕尾槽的Q345钢板作为爆炸焊接的覆板与基板,根据理论公式得到铝合金-钢爆炸焊接下限后,选取其附近的参数进行爆炸焊接,再通过力学性能检测和微观形貌观察研究5083/Q345复合板界面的结合性能。实验结果表明:铝合金与钢在冶金结合和燕尾槽的挤压啮合共同作用下实现爆炸复合;铝合金与燕尾槽上底面、倾斜面和下底面的界面均呈平直状。铝合金与燕尾槽上底面、下底面以直接结合和不连续熔化块相结合的方式复合,而铝合金与燕尾槽倾斜面以连续熔化层的方式复合;复合板的剪切强度大于172 MPa,满足Al/Fe复合板结合强度的要求。     

混合润滑下短齿啮合对行星齿轮接触疲劳的影响

少齿差行星齿轮为避免齿顶干涉,通常会减小齿高,这可能会导致齿面实际接触宽度小于理论赫兹接触宽度,降低齿面接触强度.鉴于此,为研究少齿差行星传动短齿制对齿轮接触疲劳的影响,综合考虑了轮齿接触宽度、楔形间隙、齿宽有限长和齿面粗糙度等因素,建立少齿差行星齿轮短齿啮合的混合润滑统一方程,求解出啮合齿对间的压力分布、摩擦系数和轮齿接触区次表面应力分布,根据Zaretsky接触疲劳寿命计算模型,对不同工况下不同啮合位置的轮齿接触疲劳寿命进行预测.结果表明:接触宽度在少齿差行星齿轮的疲劳寿命预测中不容忽视,短齿啮合模型下的楔形间隙对啮入和啮出过程的疲劳寿命有不同影响.     

超深矿井提升机钢丝绳与绳槽接触研究

通过建立钢丝绳和绳槽的协调表面无摩擦的接触模型,推出了接触压力分布、接触半角和应力场表达式,并得到了封闭型式的数值解。结果表明:第1层绳圈径向力仅当上层钢丝绳压在上面时才发生明显跃变;左、右绳区同一绳圈离左、右腹板距离不一致引起径向力差值越来越大;钢丝绳与绳槽的接触半角和钢丝绳所受径向力呈正相关变化;法向压力仅分布于接触区域内,在?(28)0°(?为接触角变量)处取得最大值,在接触边界和非接触区内为0;绳槽表面环向应力在?(28)0°和?(28)?时存在最大压缩应力和最大拉伸应力;绳槽内部最先发生塑性变形,与钢丝绳接触的边界处因局部应力集中易发生疲劳破坏。研究结果对于深入研究和提高超深井提升机钢丝绳寿命以及提升运行安全性具有重要的参考价值。