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.      

孔隙渗流对环面复层含油轴承润滑性能的影响

含油轴承基体中油液的渗流特性对轴承油膜润滑性能影响显著. 以不同孔隙率分布的环面复层含油轴承为研究对象，利用达西定律建立复层含油轴承基体中流体渗流的控制方程，在极坐标下建立环面复层含油轴承系统渗流润滑模型，研究复层环面副系统中油膜压力分布规律，分析轴承结构参数及孔隙渗流行为对油膜润滑性能的影响. 结果表明:复层含油轴承的流体动压力主要发生在环形摩擦面间，从摩擦界面到轴承底面，流体压力逐渐由外缘向圆心部位传导，流体动压力作用面积逐渐增大，压力峰值逐渐降低；随着倾角增大，摩擦界面间的油膜动压效应增强，油膜润滑性能变好；随着表层渗透率或厚度减小，摩擦界面间的油膜的渗流效应减弱，油膜润滑性能提高；与普通单层含油轴承相比，含致密表层的复层含油轴承能降低整体孔隙率，防止过多轴承间隙油液渗入多孔介质，提高轴承润滑性能. 研究工作为明晰环面复层含油轴承渗流行为及润滑机理提供一定理论依据.      

点接触润滑粗糙表面滑动摩擦力的预测研究

在整个润滑区域内基于统一Reynolds方程的混合润滑模型,根据流变模型计算流体摩擦力,根据边界膜极限剪应力模型计算微突体接触摩擦力,二者相加得到混合润滑摩擦力.分析了粗糙度幅值和纹理对摩擦系数的影响以及非牛顿流变模型对流体摩擦系数的影响.模拟跨越整个润滑区,即弹流润滑、混合润滑和边界润滑,得到完整的Stribeck曲线.结果表明,表面越粗糙,混合润滑的摩擦系数越大,弹流润滑和边界润滑时粗糙度幅值影响很小.交叉斜纹的润滑效果优于横向纹理.不同极限剪应力流变模型计算的摩擦系数相差不大.     

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.      

孔隙深度对多孔储液介质摩擦学性能的影响研究

多孔储液介质凭借其独特的孔隙结构可以储存并释放润滑介质,具备良好的自润滑性能. 利用计算流体力学(CFD)方法研究了孔隙深度对多孔储液介质摩擦界面流体压力分布的影响;考虑气-液界面的弯月面力作用,研究了不同孔隙深度的多孔储液介质气-液承载模型以及气-液二相的最小压差分布规律. 基于模拟计算结果,采用3D打印技术制备了不同孔隙深度的多孔储液介质,进一步考察了孔隙深度对其摩擦学性能的影响. CFD模拟结果表明合理设计孔隙深度能够增强多孔储液介质的流体动压润滑效应,孔隙深度较低会使得润滑升力不足,孔隙深度过高又会使得孔隙中流体产生回流循环,削弱楔形效应. 气体进入多孔储液介质摩擦副表面后,在孔隙中形成气-液二相受压承载,其最大承载力随着孔隙深度的增加先升高后趋于平稳,但孔隙深度越小,对润滑作用的积极效果越显著. 摩擦试验表明多孔储液介质的摩擦系数随着孔隙深度的增加呈先降低后增加的趋势,与模拟计算结果一致. 因此合理设计多孔储液介质的孔隙深度,能优化多孔储液介质的润滑性能.      

织构化柱塞对压裂泵密封副的摩擦学性能影响

采用精密机械雕刻技术在压裂泵柱塞试样表面雕刻微凹坑阵列表面织构,利用MDW-100型微机控制立式万能摩擦磨损试验机对具有不同尺寸形状的微凹坑柱塞-丁晴橡胶密封试样进行摩擦磨损试验,研究了织构化柱塞试件与丁晴橡胶摩擦副在流体动压润滑条件下的润滑特性.结果表明:压裂泵柱塞试件表面合理织构组合可以显著地提高柱塞密封系统摩擦副的润滑和减摩性能,其中面积比为5.86%、均匀分布的圆柱形与条形混合凹坑织构是较优的,其摩擦副的摩擦系数、温升及磨损量相对于无织构试件分别降低了80%、90%及79.3%,且表面磨痕也显著低于无织构及其他织构组合的柱塞密封摩擦副.     

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.      

几何修形对低速圆柱滚子轴承混合润滑性能的影响研究

针对圆柱滚子轴承直母线滚子在接触出现的边缘应力集中现象，采用对滚子进行几何修形的方法，运用拟动力学分析方法开展轴承滚子受力和相对运动关系分析. 在此基础上，综合考虑轴承接触工况、滚子修形参数和真实表面粗糙度等因素，建立圆柱滚子轴承混合润滑数学模型，分析滚子修形参数和转速对轴承润滑性能的影响. 结果表明:从润滑角度判断，滚子母线凸度量δ和滚子端头圆角半径r均存在一个优化区间，使得最大受载滚子接触表面最大油膜压力和次表层最大von Mises应力σ显著减小，边缘效应弱化；δ和r对中心膜厚h_c和摩擦系数f的影响较小；转速的增大会使h_c变厚，f_c和σ减小，且混合润滑状态下转速对修形滚子的σ变化显著，修形后的滚子较未修形的滚子润滑性能要好.      

机械密封织构化表面粗糙度效应的有限元模型与摩擦学特性分析

为研究粗糙度效应对机械密封织构化端面承载能力、摩擦学特性以及密封性能的影响，基于有限元法建立了机械密封的混合润滑模型，针对确定性非高斯随机分布粗糙表面，考虑润滑液膜的宏微观空化作用和粗糙峰的接触，研究了圆孔型织构化机械密封的摩擦学性能和密封性能. 结果表明:平衡状态下处于全膜润滑区间的非高斯型粗糙织构表面，在研究范围内均方根值越大的表面其减摩效果越好，且泄漏率越大，从混合润滑区到全膜润滑区转变的速度也随之增大；非高斯表面的偏态值和峰态值对密封表面的承载能力，润滑性能以及密封性能有影响，但无明显规律；在混合润滑区，圆孔织构具有增摩效果，而在全膜润滑区表现出减摩效果.      

变阶梯结构自适应径向滑动轴承的研究

分析了变阶梯结构自适应径向滑动轴承膜压力的形成机理,并建立了二段油膜形耦合变形阶梯结构的流量控制方程,采用有限差分法交叉循环迭代求解了油压力的雷诺方程和变阶梯结构的流量控制方程,比较了设计参数对这咎径向滑动轴承的最小油膜厚度、压力分布、承载能力、摩擦阻力等性能和温升的影响,研究结果表明;合理地选择设计参数可以使得这种滑动轴承具有较好的润滑性能和承载特性。     

表面凹槽对流体动压润滑油膜厚度的影响

利用自行研发的面接触光干涉油膜厚度测量系统,对表面凹槽滑块的流体动压润滑油膜厚度进行了试验测量,试验中以静止的微型凹槽滑块平面和旋转的光学透明圆盘平面构成润滑副,且两润滑平面始终保持平行;在固定的载荷(速度)条件下,对油膜厚度-速度(载荷)曲线进行测量.结果表明：凹槽的宽度,深度,方向和位置等因素对油膜厚度有着重要影响.同时采用经典Reynolds方程对油膜厚度进行了理论计算,结果表明理论值在某些条件下并不能解释试验结果.     

织构化表面NbSe2涂层的真空载流摩擦学行为

针对航天器滑动电接触部件特殊的真空载流服役要求,利用建立的真空载流摩擦试验平台,探索铜基材织构化表面喷涂NbSe₂涂层作为空间新型导电润滑材料的可能性. 研究条状和网状不同织构以及各自在不同织构密度条件下喷涂NbSe₂涂层的真空载流摩擦学性能和影响作用规律;对比现役电镀金涂层,探讨其在真空载流条件下摩擦学和电接触行为优势. 结果表明:网格状较条状织构表面喷涂NbSe₂涂层的载流摩擦学性能更好,而且随织构密度的增加,减摩耐磨性能得到提高. 织构间距为200 μm的网格状织构表面喷涂的NbSe₂涂层展现出最佳的真空载流摩擦学性能. 相较于现役的金电镀层,其在真空载流摩擦条件下展现出更加优异的摩擦学和电接触性能,摩擦系数由0.25降至0.05,接触电压与现役材料处于同一量级,电噪音波动明显改善,由0.09V降至0.04V.      

基于区域分解法的纹理表面流体润滑分析——纹理分布模式的影响

将区域分解法应用于纹理表面的流体润滑计算中,使计算网格数和效率显著提高,为数值模拟表面纹理分布模式对油膜润滑影响提供了有效的计算方法.通过对平板轴承和阶梯轴承表面在多种纹理分布情况下流体动压润滑特性的计算分析,得到提高润滑油膜动压效应的纹理分布模式优化方案,对阶梯轴承表面纹理分布优化过程中3种典型模式进行了定性实验验证.结果表明,流体动压承载能力的计算预测结果与实验测试结果的规律基本吻合.     

椭圆柱形织构几何参数和排布模式对其润滑减摩性能的影响

利用数值模拟方法研究了具有各向异性结构特征的椭圆柱形织构在全膜润滑条件下的摩擦学性能,详细分析了椭圆织构的长轴尺寸、椭圆率、倾角和位置偏移率等参数对摩擦系数和动压承载能力的影响,并对三种不同的椭圆织构排布模式进行了对比研究.结果发现:适当的增加椭圆织构单元的面积率和倾角能有效降低表面间的摩擦系数,而随着织构单元的位置偏移率的增加,摩擦系数有小幅上升,但是增加位置偏移率却能显著提升表面间的动压承载能力.织构单元的排布模式对摩擦系数的影响很小,但是对动压承载能力却有较大影响.对椭圆织构单元的几何参数及排布模式进行优化设计是提升表面间的动压承载能力的一种有效手段.     

Surface roughness effects in a short porous journal bearing with a couple stress fluid

In this paper, a theoretical study of the effect of surface roughness in hydrodynamic lubrication of a porous journal bearing with couplestress fluid as lubricant is made. The modified Reynolds equations accounting for the couple stresses and randomized surface roughness structure are mathematically derived. The Christensen stochastic theory of hydrodynamic lubrication of rough surfaces is used to study the effects of surface roughness on the static characteristics of a short porous journal bearing with couplestress fluid as lubricant. Further, it is assumed that, the roughness asperity heights are small compared to the film thickness. It is observed that, the effects of surface roughness on the bearing characteristics are more pronounced for couplestress fluids as compared to the Newtonian fluids.     

Numerical investigation on the influence of surface texture on the performance of hydrodynamic journal bearing

Many researchers have adopted various techniques for improving the performance characteristics of journal bearing. Apart from other parameters, incorporation of different forms of surface texture (sinusoidal, dimple, spherical etc.) on bearing or shaft also helps to increase the load carrying capacity and reduce the friction coefficient etc. in the journal bearing. Present study investigates the influence of different forms of surface texture on finite journal bearing which has been considered in the form of negative texture (micro cavities) at different locations of bearing surface. The Governing equations are solved numerically through finite difference approach for analysis of texture effects on bearing characteristics. It has been observed that the presence of micro cavities at different locations of bearing surface help in enhancing the bearing performance. It has also been found that the negative half wave texture enhances the bearing performance more in comparison to full wave texture on bearing surface.     

微凹坑织构表面对脂润滑关节轴承摩擦特性的影响

为研究脂润滑下表面织构对关节轴承摩擦特性的影响,设计和制造了4组表面高度算术平均值相同、表面微凹坑面积占有率分别为7%、10%、15%和21%的关节轴承内圈表面形貌.使用Talysurf CCI Lite非接触式三维轮廓仪对试件表面进行测量,采用ISO25178定义的表面参数对试件表面形貌进行表征.在改造的HDM-20端面摩擦磨损试验机上,采用2#锂基脂润滑在不同载荷、转速条件下进行了一系列摩擦磨损试验,研究了表面形貌参数与摩擦系数的关系.在本试验中,选取表面高度算术平均值Sa和表面峰态Sku等表面高度参数、表面峰区平均材料体积Vmp、表面中心区平均空体体积Vvc和表面谷区平均空体体积Vvv等表面功能参数以及平均谷体积Sdv等表面特征参数对关节轴承表面形貌进行表征.结果表明:各表面参数对摩擦系数的影响不同,将表面高度参数、功能参数和特征参数这几种表面形貌参数结合对关节轴承表面形貌进行表征,更有利于脂润滑下关节轴承表面形貌的摩擦学设计.     

尼龙自润滑性与表面织构协同作用对HDPE基水润滑轴承摩擦磨损性能的影响

传统的船舶尾轴油润滑轴承的润滑油泄露造成了严重的海洋污染，逐渐被水润滑轴承取代，但水较差的承载能力要求水润滑轴承具有良好的减磨耐磨性能. 通过HDPE与PA66的共混材料研究尼龙润滑填料和表面织构协同作用对水润滑轴承摩擦磨损性能的影响，利用超景深三维显微系统测量共混材料试样浸泡后的表面纹理结构，利用CBZ-1摩擦磨损试验机对试样进行摩擦试验并记录摩擦系数，利用表面轮廓仪和扫描电镜(SEM)观察试样磨损形貌并分析其磨损机理. 试验表明:PA66的添加能优化共混材料的摩擦学性能. PA66的水溶胀性使共混材料表面形成微凸织构，降低摩擦系数和减轻表面磨损；PA66的存在可使共混材料在摩擦过程中在对摩铜盘表面形成转移膜，有效保护摩擦副表面，减轻磨损.      

油浴润滑高速枢轴承摩擦系数变载荷测量方法

提出高速枢轴承摩擦系数变载荷测量方法并设计了试验装置,测量得到枢轴承在不同转速下的摩擦系数。各试验枢轴在相同转速下,摩擦系数测量值差别明显,这源于边界润滑的随机性和复杂性;但是各轴摩擦系数均随转速升高而降低,测量平均值在0.09~0.05之间,这表明随枢轴承转速升高,流体动压效应增强,薄膜润滑降低了轴尖与宝石接触概率。通过对轴承摩擦损耗的计算来分析测量方法的可靠性,并将该方法应用于螺旋槽油膜轴承,测得其摩擦系数在0.017~0.014之间。     

高速球铣加工表面微沟槽形貌形成方法及其减摩性能研究

高速球铣加工表面通常具有一定的残留形貌,采用Matlab形貌仿真与切削加工试验研究了高速球铣加工表面微沟槽形貌的形成方法;并基于流体动压润滑理论,通过Fluent流体仿真与润滑工况下的滑动摩擦试验,研究了表面微沟槽形貌的承载能力关于滑动速度和径向切深的响应规律,并分析了减摩机理. 结果表明:当给定每齿进给量后,随着径向切深的增大,可以获得具有微沟槽特征的表面形貌. 微沟槽承载能力随着滑动速度的提高而逐渐增大;随着径向切深的提高,承载能力呈现先增后减的趋势,这是由于其与楔形效应和逆流现象交互作用影响相关,当径向切深较小时,楔形效应占主导地位,承载能力较强,随着径向切深的进一步增大,逆流现象会严重减弱楔形效应,导致微沟槽承载能力下降.