炭纤维织物/环氧树脂基复合材料的摩擦磨损性能研究

研究了炭纤维织物/环氧(CF/EP)复合材料与45#钢在环-环端面干摩擦状态下的摩擦磨损特性,考查了制备工艺和MoS2与石墨不同配比等对CF/EP复合材料干摩擦性能的影响,采用扫描电子显微镜观察复合材料及其偶件磨损表面形貌.结果表明:半干法制备的环氧树脂体积分数为40%的CF/EP复合材料的摩擦系数稳定;纯CF/EP复合材料主要表现为粘着磨损特性;MoS2与石墨改性后复合材料摩擦磨损性能明显改善,质量比为1.5∶1的MoS2与石墨改性CF/EP复合材料具有最佳的摩擦磨损性能,其稳态摩擦系数为0.14～0.15,磨损量3.15×10-5 mg/r.     

表面粗糙度对螺旋槽干式气体端面密封性能预测与结构优化的影响

将螺旋槽干式气体端面密封(S-DGS)的粗糙表面分成软环端表面、硬环端面开槽底面与非开槽表面3个区域,建立粗糙表面S-DGS性能的有限元分析理论模型,采用该模型研究3个区域表面粗糙度对S-DGS性能参数和端面几何结构参数优化的影响.结果表明:在相同工况和表面综合均方根差的条件下,粗糙表面S-DGS的开启力、气膜刚度和摩擦扭矩均大于光滑表面S-DGS,而泄漏量较小;在有关标准范围之内,硬环端面槽底面和软环端面的表面粗糙度对S-DGS的性能参数预测值产生较大影响,而硬环端面表面粗糙度的影响可以忽略;表面粗糙度对S-DGS端面几何结构参数的优化值没有影响.研究结果对S-DGS性能的正确预测和结构优化设计以及密封的修复工作具有重要的指导意义.     

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.      

聚四氟乙烯纤维织物耐磨材料的摩擦学特性研究

采用 MPX- 2 0 0型、MM- 2 0 0型摩擦磨损试验机和往复摆动磨损试验机考察了聚四氟乙烯纤维织物耐磨材料的摩擦学特性 ,比较了不同聚四氟乙烯纤维含量的织物的磨损性能 ,考察了材料在不同使用条件下的摩擦特性 ;并基于磨损表面形貌分析探讨了其磨损机理 .结果表明 :聚四氟乙烯纤维含量越高 ,摩擦系数和磨损量越小 ;按航空标准 ,经过 2 5 0 0 0次往复摆动磨损试验 ,粘结聚四氟乙烯纤维织物衬套的磨损深度小于 0 .15 mm     

PEEK旋转密封环密封性能仿真和试验研究

为研究低刚度胀圈型旋转密封环的接触状态和密封性能，以聚醚醚酮(PEEK)材料的无槽环和V形槽环两种密封环为研究对象，基于COMSOL有限元软件建立了旋转密封流固耦合模型，对密封状态进行了模拟分析，并在试验台上测试了密封环的摩擦转矩和漏率. 仿真结果表明:在载荷作用下，密封环的变形显著影响密封面接触压力和流体压力分布. 试验结果表明:由于槽区流体的静压承载作用，V形槽环的摩擦转矩比无槽环小40%左右，但由于端面开槽减小了局部径向密封宽度，V形槽环漏率比无槽环大10%左右. 另外，两种环的摩擦转矩随转速增加均没有下降趋势，说明在试验条件下密封面动压减摩效果不显著. 研究结果有助于进一步认识胀圈型旋转密封环的密封机理，指导新型密封环的设计.      

传动装置密封环摩擦磨损性能研究

为分析车辆传动装置密封环在高速高压工作环境下的磨损失效,利用自主研制的试验台研究了速度、接触压力和介质油温对密封摩擦副摩擦磨损特性的影响;利用扫描电子显微镜观察了磨损程度不同的密封环端面的表面形貌,并探讨了其磨损机理.结果表明,在设定的试验条件下,密封摩擦副的摩擦系数随着压力的增大和转速的升高先急剧减小再降幅减缓后趋于稳定,而压力对摩擦状态的影响要比转速显著.密封环端面温度与摩擦状态之间存在相互影响的特征.密封介质性质同样影响着密封环的摩擦状态.在稳定磨损阶段,密封环的磨损机理以磨粒和黏着磨损为主导,当进入到剧烈磨损期后,磨粒磨损和疲劳磨损的影响更为突出.     

网纹型表面微结构对Ti-6Al-4V水润滑摩擦学特性的影响

研究了Ti-6Al-4V合金表面网纹型微结构与Si3N4小球对摩时的水润滑摩擦学性能.利用电火花加工技术在Ti-6Al-4V合金表面加工出不同尺寸的网纹结构,运用正交试验设计方法分析了网纹宽度、深度、间宽比和网纹角度对Ti-6Al-4V合金水润滑摩擦学性能的影响.结果表明:具有合适几何参数的网纹结构能够降低摩擦副在水润滑条件下的摩擦系数和磨损量.当网纹角度在45°时,摩擦副的摩擦系数和磨损量能同时降低.网纹宽度对稳态摩擦系数的影响最大,而网纹深度和夹角对摩擦副材料的磨损影响最大.     

仿鸟翼微列螺旋槽干气密封性能分析与选型

为改善单向螺旋槽干气密封在高速条件下存在的泄漏率高、稳定性欠佳等问题,提出一种仿鸟翼微列螺旋槽端面干气密封结构.基于气体润滑理论,建立仿鸟翼微列螺旋槽的端面几何模型和数学模型,数值分析周向开槽宽度和径向开槽宽度对轴向气膜刚度和泄漏率等密封特性参数的影响规律,给出仿鸟翼微列螺旋槽主要结构参数的优选值范围.在不同压力、线速度和膜厚条件下对比分析仿鸟翼微列螺旋槽干气密封与普通螺旋槽干气密封的开启力、轴向气膜刚度、泄漏率和刚漏比等密封特性,给出不同工况条件下两种型槽干气密封的密封性能等值线图.结果表明:在高速低压条件下,相较于单向螺旋槽干气密封,仿鸟翼微列螺旋槽干气密封的密封性和稳定性都有显著提升,其轴向气膜刚度增幅达到30%,泄漏率降幅达到10%.仿鸟翼微列螺旋槽干气密封性能等值线图的提出可为其工程选型及优化设计提供指导和借鉴.     

钢轨-磨石相互作用的摩擦学模拟试验研究

设计了新型钢轨打磨摩擦试验机,实现了钢轨-磨石相互作用的摩擦学模拟试验,研究了不同打磨参数下的钢轨-磨石界面的摩擦系数、表面粗糙度、磨损量及硬度等变化情况.结果表明:随磨石粒度增加,打磨钢轨表面粗糙度和磨损量呈减小趋势;增加磨石转速导致摩擦系数和表面粗糙度减小,打磨钢轨磨损量和表面硬度增加;随打磨压力增加,摩擦系数和表面粗糙度呈减小趋势,但磨损量和表面硬度增加;打磨钢轨表面存在明显的犁沟,随磨石粒度减小犁沟变宽;所设计钢轨打磨摩擦试验机可用来评价不同参数下钢轨-磨石界面相互作用的摩擦学行为.     

螺旋槽结构参数对干气密封动态特性的影响研究

基于气体润滑理论,并通过小扰动法建立了螺旋槽干气密封微扰膜压控制方程,在高速高压条件下分析了螺旋槽结构参数对气膜动态特性系数的影响规律;基于动力学相关知识,在考虑动环轴向振动和角向偏摆的情况下建立了挠性安装静环运动方程,分析了膜厚的扰动行为,同时在考虑轴向和角向气膜扰动的共同作用下,提出以端面膜厚最大扰动量峰值和扰动稳定时间作为表征密封动态追随性的参数,并以此作为目标函数对螺旋槽结构参数进行优化.结果表明:在不同的高压条件下,当槽台宽比κ取0.9~1.5,槽坝比δ取1.8~2.4,螺旋角φ取18~24°,槽深h_g取6~8μm时,螺旋槽干气密封具有较好的动态追随性;在动态特性系数中主动态刚度对密封动态追随性的影响最大.     

Complex microtopography analysis in sliding friction of steel-ferodo material pair

The tribological behaviour—friction, wear and lubrication—of machine elements highly depends on the operating state and also on the original topography of the working pair. Wear tests and 3D surface roughness measurements were carried out to analyse the effect of surface topography in friction and wear between ground steel specimens of various machining directions and different surface quality levels and a ferodo sliding pair. Three different techniques were used for surface topography evaluation: a parameter-based technique, a slicing method, and power spectral density analysis. Several parameters were found to be sensitive to surface wear phenomena; their changes indicate, among other things, surface platoing or the appearance of dominant scratches. The peak angle and height of asperities convey important information on numerous tribological changes. Power spectral density (PSD) analysis shows that the result of changes in the topography is an ‘equilibrium’ surface.     

液膜润滑机械端面密封流体动压沟槽侧壁效应研究

针对非接触机械密封端面开槽后所出现的膜厚不连续处存在的侧壁效应,在沟槽边界处将广义伯努利方程引入传统润滑方程,建立了考虑动压沟槽侧壁效应的液膜润滑螺旋槽端面机械密封数值分析模型. 采用有限单元法结合拉格朗日乘子法求解润滑方程,研究了不同螺旋槽几何参数和工况条件下沟槽侧壁效应对密封性能的影响. 结果表明:数值模型可方便捕捉沟槽边界处的压力跃变,侧壁效应在不同螺旋槽深度下表现出截然不同的影响规律,高转速、大螺旋角和小密封间隙下动压沟槽的侧壁效应较为显著. 理论模型和计算方法可为超高速工况螺旋槽机械密封的设计和局部惯性效应的研究提供指导.      

表面织构对PTFE复合材料摩擦磨损行为的影响

为了研究表面织构对聚四氟乙烯(PTFE)复合材料摩擦磨损性能的影响规律及其作用机理，采用BBD响应面法对试验进行设计与分析，利用LSR-2M往复摩擦试验机测试了复合材料的摩擦学性能，建立了织构参数与摩擦系数和体积磨损率之间的二次回归模型，研究了槽宽、间距和角度参数及其交互作用对复合材料摩擦学性能的影响. 结果表明:二次回归模型显著，拟合精度分别为82.9%和83.2%，预测出槽宽323.2 μm、间距295.4 μm、角度88.7°时摩擦系数存在最小值0.147，槽宽331.1 μm、间距307.6 μm、角度87.6°时体积磨损率存在最大值8.11×10?5 mm3/(Nm)；织构增大了初始摩擦系数和体积磨损率，但有利于储存磨屑，在接触应力作用下磨屑中的纳米粒子与槽底及侧面的粗糙峰形成了机械互锁，提高了磨屑的附着力，促进了转移膜的生成.      

Effect of an Exit-Wedge Angle on Pinch-off and Mass Entrainment of Vortex Rings in Air

The effects of exit-wedge angle on evolution, formation, pinch-off, propagation and diffusive mass entrainment of vortex rings in air were studied using digital particle image velocimetry. Vortex rings were generated by passing a solenoid-valve-controlled air jet through a cylindrical nozzle. Experiments were performed over a wide range of exit-wedge angles (10° ≤ α ≤ 90°) of the cylindrical nozzle, initial Reynolds numbers (450 ≤ Re ≤ 4,580) and length-to-diameter ratios (0.9 ≤ L/D ≤ 11) of the air jet. For sharp edges (α ≤ 10°), a secondary ring may emerge at high Reynolds numbers, which tended to distort the vortex ring if ingested into it. For blunt edges (α ≥ 45°), by contrast, stable vortex rings were produced. The formation phase of a vortex ring was found to be closely related to its evolution pattern. An exit-wedge angle of 45° was found to be optimal for rapid pinch-off and faster propagation and better stability of a vortex ring. Diffusive mass entrainment was found to be between 35% and 40% in the early stages of a vortex ring propagation and it gradually increased throughout the course of vortex ring propagation. Entrainment fraction was found to be sensitive to the L/D ratio of the initial jet and decreases when the L/D ratio is increased.     

Experimental investigation of vortex rings impinging on inclined surfaces

Vortex–ring interactions with oblique boundaries were studied experimentally to determine the effects of plate angle on the generation of secondary vorticity, the evolution of the primary vorticity and secondary vorticity as they interact near the boundary, and the associated energy dissipation. Vortex rings were generated using a mechanical piston-cylinder vortex ring generator at jet Reynolds numbers 2,000–4,000 and stroke length to piston diameter ratios (L/D) in the range 0.75–2.0. The plate angle relative to the initial axis of the vortex ring ranged from 3 to 60°. Flow analysis was performed using planar laser-induced fluorescence (PLIF), digital particle image velocimetry (DPIV), and defocusing digital particle tracking velocimetry (DDPTV). Results showed the generation of secondary vorticity at the plate and its subsequent ejection into the fluid. The trajectories of the centers of circulation showed a maximum ejection angle of the secondary vorticity occurring for an angle of incidence of 10°. At lower incidence angles (<20°), the lower portion of the ring, which interacted with the plate first, played an important role in generation of the secondary vorticity and is a key reason for the maximum ejection angle for the secondary vorticity occurring at an incidence angle of 10°. Higher Reynolds number vortex rings resulted in more rapid destabilization of the flow. The three-dimensional DDPTV results showed an arc of secondary vorticity and secondary flow along the sides of the primary vortex ring as it collided with the boundary. Computation of the moments and products of kinetic energy and vorticity magnitude about the centroid of each vortex ring showed increasing asymmetry in the flow as the vortex interaction with the boundary evolved and more rapid dissipation of kinetic energy for higher incidence angles.     

考虑空化效应的螺旋槽机械密封液膜动力学特性研究

考虑液膜空化效应的影响，研究螺旋槽液体润滑机械密封的动力学特性. 基于液体润滑理论和小扰动法，建立了考虑液膜空化的密封微扰膜压控制方程，采用有限单元法对端面液膜三自由度微扰下的液膜刚度和阻尼系数进行了数值求解，分析了不同参数对液膜密封动力系数的影响. 螺旋槽深度在10 μm左右、槽坝比在0.75左右、槽宽比在0.4左右，螺旋角在9°左右时液膜具有最大的轴向和角向刚度系数. 螺旋槽深度在5 μm左右、槽宽比在0.6左右、螺旋角在20°左右时，两角向交叉阻尼绝对值最大. 初始偏角的存在使密封压力呈现非对称性，从而使两角向动力系数绝对值不再相等. 液膜轴向刚度k_zz在数量级上远大于其余液膜刚度值，液膜轴向阻尼d_zz、角向阻尼d_αα和d_ββ远大于液膜其余阻尼值且随着转速和间隙的增大而减小.      

激光多孔端面气体非接触机械密封稳定性分析

基于气体润滑理论,采用与螺旋槽端面密封的对比分析方法,研究了均匀分布激光加工多孔端面气体非接触机械密封的稳定性,数值分析了密封间隙、不对中角度和外界扰动对开启力、泄漏量、气膜刚度以及密封间隙扰动振幅等密封参数的影响规律.结果表明:多孔密封中的动压效应微弱,开启力与气膜刚度与转速无关,密封端面开启时容易发生接触磨损;多孔密封端面压力分布均匀,不对中引起的开启力波动幅度小,但是角向容易产生自激振动,密封环外侧容易发生接触磨损;多孔密封轴向气膜刚度较小,具有更小的扰动振幅,密封端面开启后有利于保持密封间隙的稳定,减少密封端面的接触摩擦.