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.      

供油量对点接触表面微织构润滑性能的影响

采用球盘接触模型,以入口油层厚度为输入变量,基于统一Reynolds方程法建立润滑分析模型,研究了供油量对点接触表面微织构润滑性能的影响.数值计算结果显示:供油量显著影响接触区油膜厚度;微织构能改善摩擦副的润滑摩擦性能;严重乏油时接触区内微坑会产生气穴现象;瞬态下,微织构在乏油时较充分供油时改善润滑的效果明显.     

含纳米添加剂的润滑体系在摩擦过程中的接触电阻研究

采用UMT-2型微摩擦磨损试验机考察了4种纳米颗粒LaF3、Ag、SiO2 及Al2O3作为润滑油添加剂在摩擦过程中的接触电阻随时间变化的情况,并由此监测摩擦副表面的成膜状况;采用X射线光电子能谱仪分析4种纳米添加剂润滑下磨损表面典型元素的化学状态,并结合接触电阻测试结果分析纳米油润滑添加剂的润滑机理.结果表明:接触电阻测试能够适时监测添加剂在摩擦副表面的成膜过程,4种纳米润滑油添加剂在边界润滑条件下均能够在磨损表面沉积成膜,其在试验过程中的化学状态没有发生变化,但4种纳米润滑油添加剂在摩擦过程中的成膜性能不同,Ag和LaF3在摩擦过程中的沉积速率、沉积膜厚度及其在摩擦副表面的结合强度优于SiO2和Al2O3.     

进口润滑条件对活塞环-缸套摩擦副润滑性能的影响

目前内燃机活塞环-缸套摩擦副润滑分析中,活塞环与缸套之间的润滑状态一般假设为充分润滑或固定状况的贫油润滑,不是通过对实际润滑油膜形成情况的分析确定.本文中以一多缸四行程内燃机为研究对象,基于润滑油流量以及控制体体积变化方程,建立活塞环-缸套间润滑油的流动模型,进行了不同进口处润滑油膜供给量对活塞环-缸套摩擦副润滑特性的影响分析.结果表明:活塞环进口处的润滑条件对活塞环-缸套摩擦副的润滑性能有显著影响;进口处润滑油供给量增加,活塞环-缸套摩擦副的最小油膜厚度增加,最大油膜压力、微凸体作用力、摩擦力和功耗均相应减小;进口处供给油膜厚度较小的情况下,增加油膜供给厚度可以明显改善活塞环-缸套摩擦副的润滑性能.     

高速极重载热弹流润滑分析

求出了高速极重载工况下线接触热弹性流体动力润滑问题的数值解,并对摩擦副进行了应力分析。指出粘度高和粘压系数大的润滑油虽可增加油膜厚度,但亦会加速表面的疲劳磨损。     

Ti_3SiC_2-Al_2O_3复合材料在不同液体介质中的摩擦磨损性能

采用真空热压烧结工艺制备了Ti3SiC2和Ti3SiC2-Al2O3复合材料,考察了其与GCr15钢球配副在无润滑条件、去离子水和乙醇介质中的摩擦磨损性能.研究结果表明:在无润滑条件和去离子水中,2种摩擦副的摩擦学性能较差;在乙醇中,2种摩擦副均表现出优异的摩擦学性能;从无润滑条件到去离子水和乙醇介质中,2种摩擦副的磨损机理受从钢球到盘的单向转移以及摩擦氧化控制.与单一Ti3SiC2材料相比,Ti3SiC2-Al2O3复合材料具有更好的摩擦学性能.     

润滑状态下球-盘点接触摩擦副的低速轻载滑滚特性研究

选用镀Cr膜的玻璃盘和GCr15球作为摩擦副,在NGY-6纳米润滑膜测量仪上开展球-盘点接触摩擦副在润滑状态下的低速轻载滑滚特性试验,研究不同接触应力、钢球转速、滑滚比等参数对摩擦副的摩擦系数及对应油膜厚度的影响规律.结果表明:当接触应力和钢球转速一定时,摩擦系数随滑滚比的增大逐渐增加后达到稳定状态,当滑滚比较大时,滑滚比的变化对油膜厚度几乎没有影响;当滑滚比一定时,摩擦系数随接触应力的增大逐渐增大,随钢球转速的增大逐渐减小,油膜厚度随接触应力的增大逐渐减小,随钢球转速的增大逐渐增大.摩擦副在弹流润滑状态下,摩擦系数的增加幅度随接触应力的变化较小,而在薄膜润滑状态下,其增加幅度变大.摩擦副在薄膜润滑状态下,当滑滚比在0.10~0.50变化时,摩擦系数和油膜厚度基本处于稳定状态.     

几种纳米微粒作为锂基脂添加剂对钢-钢摩擦副摩擦磨损性能的影响研究

采用四球摩擦磨损试验机考察了纳米SiO2、纳米LaF3及纳米Ni等3类纳米微粒作为锂基脂添加剂对钢-钢摩擦副摩擦磨损性能的影响;采用扫描电子显微镜、X射线能量色散谱仪及X射线光电子能谱仪分析了含纳米微粒添加剂的锂基脂润滑下的钢球磨损表面形貌、元素面分布及典型元素的化学状态.结果表明:3种纳米微粒作为添加剂均能够显著提高锂基脂的减摩抗磨能力;锂基脂及含不同纳米添加剂的锂基脂润滑下的钢球磨损表面形貌及其表面保护膜的性质存在明显差异,这种差异决定了钢-钢摩擦副在相应脂润滑条件下的摩擦磨损性能差异;含纳米SiO2的锂基脂润滑下的钢球磨损表面形成的含纳米SiO2的表面保护膜均匀且厚度适中,故其相应的减摩抗磨效果最佳.     

等离子喷涂Al2O3/TiO2陶瓷涂层在液态石蜡润滑下的摩擦磨损性能研究

利用纳米和微米结构Al2O3/TiO2喂料制备出2种陶瓷涂层,考察了这2种涂层在液体石蜡润滑下与不锈钢球摩擦副的摩擦磨损性能,并探讨了2种涂层的磨损机理.结果表明:液态石蜡润滑能有效降低纳米Al2O3/TiO2涂层与不锈钢球摩擦副的摩擦系数和磨损率,但是对微米涂层的润滑效果不明显.纳米涂层的摩擦系数仪为微米涂层的1/3,而磨损率则降低了70倍以上.纳米涂层的磨损机制在低载荷下是轻微的黏着磨损,高载荷下则是摩擦抛光,而微米涂层的磨损机制是晶粒脆性断裂.     

液体润滑中直通式磁性在线监测报警装置

本文概述了几种监测零件磨损失效方法的优缺点,並且简要地阐述了作者新近研制的一种实现液体润滑在线监测报警装置的结构原理。以凸轮挺柱磨损试验机中试验凸轮挺柱副的接触疲劳失效在线监测为例,论述了该装置可以依据预定的磨屑累积高度或磨屑尺寸的最小极限值发出报警信号,从而能够防止破坏性故障突然发生;或者用于确定单独液体润滑系统中某一摩擦副的接触疲劳寿命。     

基于承载接触特性的直齿面齿轮滑动摩擦啮合效率研究

为了解决直齿面齿轮滑动摩擦啮合效率的问题,基于弹性流体动力润滑理论,提出了一种计算直齿面齿轮啮合效率的方法.首先,运用轮齿接触分析(TCA)和轮齿承载接触分析技术(LTCA)对直齿面齿轮承载啮合过程进行数值仿真;其次,运用非牛顿准稳态热弹流理论建立滑动摩擦系数的计算模型,从而建立直齿面齿轮啮合效率的计算模型,最后分析了输入扭矩、转速等对啮合效率的影响.结果表明:滑动摩擦系数是影响齿轮啮合效率的重要因素;齿面不同位置滑动摩擦系数也不相同;滑动摩擦系数受输入转速、输入扭矩的影响.该方法为直齿面齿轮的进一步优化计算提供一定的理论依据.     

粗糙度纹理对有限长线接触混合润滑影响

采用统一Reynolds方程建立有限长线接触混合润滑模型,研究横向、纵向和二维规则表面粗糙度的波长、幅值及工况变化对润滑影响.结果表明:波长、幅值与工况对三种表面粗糙度接触副的润滑影响类似;随着载荷增大,平均膜厚降低,摩擦系数、接触载荷比与接触面积比均增大;随着转速升高,平均膜厚增大,摩擦系数、接触载荷比与面积比均降低,其中摩擦系数随转速进一步增大而小幅升高.在润滑状态转换区域润滑特征参数变化显著,而其他润滑区域变化平缓.沿卷吸速度方向的压力与膜厚波动分布存在相位差,垂直方向则同相位;相同的工况和粗糙度参数时,纵向粗糙度分布更有利于接触润滑.     

微载荷含油轴承摩擦性能研究Ⅱ.摩擦试验分析

采用自行研制的径向轴承微载荷摩擦试验机研究了微载荷下径向含油轴承的摩擦性能,采用小波方法对试验数据进行滤波降噪.结果表明,含油轴承在稳定微载荷状态下的瞬态摩擦系数不固定,且随着润滑剂、轴承转速、径向载荷与混合润滑状态等因素而变化.在微载荷状态下,当600 r/min、采用液晶添加剂(5CB)与46号机械油以体积比1%～2%配制的润滑剂润滑时,平均摩擦系数达到最小值;当转速从600 r/min增至3 000 r/min时,平均摩擦系数由小变大、再变小;瞬态摩擦系数随着载荷从0.5 N增至10.0 N呈现高-低-稳定的变化趋势.与混合润滑状态相比,充分润滑下的摩擦系数较大;当混合润滑时,在主轴转速为1 500～2 400 r/min下的摩擦系数出现不稳定.     

Investigation of surface texture influence on hydrodynamic performance of parallel slider bearing under transient condition

Although surface texture has been becoming an attractive technique for improving hydrodynamic performance in lubrication system, the study of surface texture mainly focus on the steady-state load conditions. This investigation evaluates the effect of surface texture on hydrodynamic performance under transient lubrication in parallel bearing. In the case, considering cavitation phenomena in liquid lubricating film, a mass conserving formulation based on Elrod–Adams model with JFO conditions is then employed. The implementation of numerical simulation is discretized in spatial and time domain for calculating the pressure distribution. The effect of different geometrical configurations of lubricated contact on hydrodynamic performance is evaluated. The results show that surface texture in parallel bearing yields a great improvement in terms of friction force and friction coefficient.     

激光微造型对粉末润滑界面边界层行为和润滑特性的影响

粉末润滑在极端条件下可以有效地减摩,但粉末的介入性和界面保持性仍有待提高,研究尝试利用表面的激光微造型,阐明其对粉末润滑特性的影响,改善润滑特性.采用控制变量法,分别改变多功能摩擦磨损试验机的载荷和转速,使用形状测量激光显微系统观察载荷和转速对微造型表面摩擦特性的影响.结果表明:激光微造型表面相对于无微造型表面能承受更大的载荷和转速;激光微造型部位最先形成蝌蚪状界面边界层,在界面边界层损坏过程中,微造型凹坑部位界面边界层保留时间较长,出现蝌蚪状残留和圆坑残留现象;在一定范围内,表面粗糙度随着载荷和转速的增大而逐渐增大.     

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.     

界面调控对类金刚石碳基薄膜/铜摩擦副摩擦学行为的影响

无氢DLC/金属铜摩擦副体系摩擦系数高且不易调控,调整DLC/金属铜摩擦界面从而降低其摩擦系数是亟待解决的问题. 本研究中通过制备含氢与无氢类金刚石碳基薄膜,采用试验分析与模拟计算结合的方法研究了不同氢含量碳基薄膜与铜配副的摩擦学特性并讨论了氢原子在摩擦界面对改善摩擦学性能所起的作用. 结果表明:摩擦界面的结构特性对于类金刚石碳基薄膜/铜配副体系摩擦学性能有非常重要的影响,氢原子可以通过减小摩擦副之间的黏着从而起到调节摩擦界面的作用. 通过向DLC中掺杂氢等钝化元素可有效调控界面处的相互作用从而调控体系摩擦学性能. 本研究方法为降低DLC/铜摩擦副体系摩擦系数提供参考.      

Analytical and experimental investigation on friction of non-conformal point contacts under starved lubrication

This paper presents an analytical and experimental study on the friction of non-conformal point contacts (ball-on-disk) under starved lubrication. Theoretical models were developed to simulate the behavior of friction and separation versus the degree of starvation while experimental measurements were conducted by using a Tribometer equipped with a torque sensor and a digital camera, which provided the possibility to use the optical interferometry technique simultaneously with measuring the friction. The effect of air-oil meniscus distance from the center of Hertzian contact on the friction between non-conformal surfaces was observed under starved conditions in sliding motion by capturing interferometric images. In addition, the reduction of friction by artificially-produced shallow micro-dents was investigated under severely starved and fully flooded conditions. Results show that the coefficient of friction increases dramatically when the air-oil meniscus starts to touch the circle of Hertzian contact and there is not such a significant difference in the friction between starved and fully flooded contacts since the air-oil meniscus is far away from the borders of Hertzian contact. In other words, the starvation of lubrication causes a high level of fatigue and wear of machine components when there is interference between the air-oil meniscus and the Hertzian contact. However, it was found that shallow micro-dents are helpful in reducing the friction under severe starvation conditions while the benefits of micro-dents are negligible for fully flooded conditions.     

几种铝锡硅铜合金的摩擦磨损特性

采用环－块摩擦磨损试验机，考察了含Ｓｉ质量分数为１％～５％的Ａｌ－２０Ｓｎ－Ｓｉ－１Ｃｕ合金及传统的Ａｌ－２０Ｓｎ－１Ｃｕ合金的摩擦磨损性能．结果表明：几种Ａｌ－２０Ｓｎ－Ｓｉ－１Ｃｕ合金的磨损率低于Ａｌ－２０Ｓｎ－１Ｃｕ合金的磨损率，并且随Ｓｉ含量的增加而降低．干摩擦时，摩擦因数随Ｓｉ含量的增加无明显变化；油润滑时摩擦因数则随Ｓｉ含量的增加而略微减小．两类合金的摩擦因数均随滑动速度的增加而减小，随摩擦时间的增加先增加后减小并趋于稳定．磨损表面的ＳＥＭ分析表明：Ａｌ－２０Ｓｎ－Ｓｉ－１Ｃｕ合金在干摩擦下的磨损机制主要是磨粒磨损和氧化磨损，而Ａｌ－２０Ｓｎ－１Ｃｕ合金则包括粘着、疲劳及磨粒磨损等多种形式．在油润滑下，两者的磨损机理则分别为犁削作用和疲劳磨损及分层磨损．