表面微织构对球盘点接触润滑摩擦性能的影响

基于统一Reynolds方程系统模型开展了富油点接触工况下微织构表面润滑摩擦性能的数值模拟研究.在通过实验标定数值模拟中润滑剂流变参数的基础上,系统分析了微织构表面摩擦系数周期变化的全过程,初步揭示了微织构的减摩机理.结果表明：数值模拟结果与实验结果有较好的吻合;瞬时摩擦系数达到最小值时,微坑单元一般处于名义Hertz接触区域的前边界;当微坑运动到Hertz接触区域内时,微坑前沿局部膜厚减小,而微坑后边沿膜厚局部增大,形成局部膜厚增大区;局部膜厚增大区的大小对微织构的润滑摩擦性能有较大影响,其面积越大,减摩效果越好.     

线接触状态下激光加工微造型表面摩擦特性研究

为了研究表面形貌对线接触弹流状态下摩擦副摩擦特性的影响,采用激光微造型技术,通过控制微造型的形状、深度、间距和面积占有率等参数制造了两组表面高度算术平均值Sa分别相同的试件.使用Talysurf CCI Lite非接触式三维光学轮廓仪对表面进行测量,采用ISO25178参数及连通性系数Us对测量表面进行表征,最后在JPM-1型双盘摩擦磨损试验机上对试件进行富油摩擦试验,得到不同转速、不同载荷工况下的摩擦系数.结果表明:线接触状态下,微造型形状、方向及深度均会对表面的摩擦特性产生影响,顺向箭头微造型表面表现出了最优的摩擦特性;试件摩擦系数随着转速的增大呈线性增长趋势,随着载荷的增大而减小,减小的幅度随载荷的增大逐渐变得缓慢;表面形貌三维表征参数Ssk、Sku、Vvv、Vvc、Us与摩擦特性均有一定的关联性.     

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.     

表面织构对重载线接触条件下40Cr钢摩擦性能的影响

利用激光微造型技术在环形试样表面加工出直径在20μm到80μm之间,且具有相同深度和面积占有率的圆凹坑,通过Talysurf CCI Lite非接触式三维光学轮廓仪测量试样表面,并采用ISO 25178参数对各试样表面进行三维表征,最后利用JPM-1双盘磨损试验机,在重载条件下(赫兹接触压力≥1 GPa)研究各组试样在不同工况下的摩擦特性及表面三维形貌参数对摩擦学性能的影响.试验结果说明:直径为80μm和20μm的织构表面润滑效果优于光滑表面.载荷、转速、滑滚比对摩擦系数的影响具有一定的规律性,且不同的工况下呈现的规律有所差别,在高速低载大滑滚比条件下,织构表面对提高摩擦副润滑效果最为显著,还进一步探索了表面三维表征参数Sa、Vv、Spc、Vmp、Vxp与重载条件下40Cr钢摩擦特性的关系.     

表面织构与离子液体润滑组合体系的摩擦学性能研究

利用激光加工技术在钛合金表面构建不同尺寸的圆形微坑织构图案. 利用MS-T3001型试验机测试了圆形微坑织构、离子液体[1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲基磺酰胺盐和十四烷基三丁基季鏻双(2-乙基己基)磷酸盐]及二者构成润滑组合的摩擦磨损性能. 利用金相显微镜观察圆形微坑织构的尺寸和表面形貌,利用扫描电镜分析摩擦过程前后织构化表面的形貌,采用ANSYS Fluent软件模拟分析表面织构参数和离子液体理化性质对摩擦学性能的影响. 结果表明,表面织构、离子液体、表面织构与离子液体的复合体系均展示了良好的减摩抗磨性能. 优化表面织构与离子液体的组合能够提升润滑体系的摩擦学性能. 表面织构与离子液体组成的复合润滑体系,摩擦系数随圆形微坑织构直径的增大而减小,归因于圆形微坑织构能够储存磨屑和离子液体并形成稳定的离子液体润滑薄膜,黏度较大的离子液体在收敛区间产生楔形效应,导致对上摩擦副升力增大.      

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.     

45#钢表面复合润滑结构的制备及其摩擦性能研究

采用激光微加工技术在45#钢表面制备了微坑型织构,将激光表面织构化与MoS2固体润滑剂相结合在45#钢表面制备了复合润滑结构.研究了其在干摩擦条件下的摩擦磨损性能,考察了织构面密度及织构化微坑大小对其摩擦性能的影响.通过扫描电镜与能量色散谱仪对磨斑表面进行了分析.结果表明:与未织构面相比,织构面具有低而稳定的摩擦系数和高的耐磨寿命;对同一孔径织构面,随着织构密度的增加其表面摩擦系数随之减小,较适宜的织构密度为20%～35%;对同一织构面密度,当织构面密度小于20%时,较小孔径织构面的摩擦系数更低;织构面密度增至35%后,织构面摩擦系数则随孔径增大而减小;由于织构面复合润滑结构中的微坑有效地储存了润滑剂从而在摩擦过程中维持表面润滑薄膜的形成.     

织构深度对不锈钢表面油润滑条件下摩擦学性能影响的试验和仿真研究

采用激光加工技术在不锈钢表面构造深度不同的沟槽型织构图案,通过UMT摩擦磨损试验机测试了不同织构深度的不锈钢表面在PAO6油润滑条件下的摩擦磨损性能,利用表面轮廓仪和扫描电镜(SEM)对摩擦前后的沟槽形貌进行表征分析,采用计算流体动力学(CFD)方法对试验进行模拟并计算,结合ANSYS Fluent软件模拟分析结果,探究了沟槽织构深度对不锈钢表面在油润滑条件下的摩擦学性能的影响机理. 研究结果表明:加工的沟槽织构及其织构深度显著影响不锈钢表面在PAO油润滑条件下的摩擦磨损行为,织构深度为10 μm的不锈钢表面获得最好的抗磨和减摩效果,与未织构表面相比,其摩擦系数与磨痕宽度降低了60%以上. 这主要是由于织构深度为10 μm的不锈钢表面在摩擦过程中,润滑油通过其收敛区域时产生了很好的楔效应,润滑油产生的升力较大,改善了该织构表面在摩擦过程的润滑状态,从而呈现很好的摩擦学性能.      

微织构尺寸对轴承摩擦磨损性能的影响

为了研究微织构尺寸对滑动轴承摩擦磨损性能的影响,基于滑动轴承摩擦磨损理论模型及摩擦磨损试验,通过设计不同的微织构尺寸,研究了滑动轴承的摩擦磨损性能随微织构尺寸的变化规律.结果表明:在摩擦磨损理论模型中,随着微织构尺寸的增加,滑动轴承润滑性能呈先提高后降低趋势,在无量纲微织构半径是■时轴承具有最优的润滑性能;微织构的磨损性能随着微织构深度的增加大致呈先降低后升高趋势,在无量纲深度为0.03时,滑动轴承磨损性能最优;微织构尺寸半径是■和■时,磨损量相对较小.在摩擦试验中,微织构半径是0.17 mm时润滑性能最优,平均摩擦系数相比微织构半径为0.1 mm时降低了7.1%,同时表面形貌磨损明显小于其他尺寸时的试件.理论和试验均表明,合适的微织构尺寸可以有效提高滑动轴承的润滑性能、降低摩擦系数及减小磨损.     

表面织构钛合金的干摩擦和全氟聚醚油润滑下的摩擦学性能研究

利用激光加工技术在钛合金表面构造不同凹坑直径和密度的织构图案,采用UMT摩擦磨损试验机考察了不同织构形貌钛合金在干摩擦及全氟聚醚油润滑下的摩擦学性能,利用表面轮廓仪、扫描电镜(SEM)和X射线光电子能谱仪(XPS)对摩擦前后的表面形貌及磨痕成分进行观察分析.研究结果表明:干摩擦条件下,织构结构及其几何形貌显著影响凹坑容纳磨屑能力和表面接触应力,凹坑直径为200μm,织构密度为8.7%的钛合金表面减摩抗磨性能最好,与未织构相比其摩擦系数和磨损率分别降低了23.0%和39.7%,这主要由于凹坑可收集磨屑,减少第三体磨损;全氟聚醚油润滑条件下,表面织构影响流体润滑状态和摩擦表面金属氟化物生成,凹坑直径为200μm,织构密度为8.7%的表面具有更好的减摩抗磨效果,与未织构相比其摩擦系数和磨损率分别降低了17.4%和30.6%,这主要由于织构表面摩擦过程生成更多FeF_2,起到减摩抗磨作用.     

Influence on friction behavior of micro-texturing under lubricated non-conformal contact

Laser surface texturing (LST) is a well-known surface engineering process used to create arranged dimples on surface using a material ablation process. In this process, a well arranged micro-dimple can produce significant improvements of engineering components in aspects such as load carrying capacity, wear resistance, wetting characteristics and reduction of friction coefficient. In the present work, we investigated the effect of multi-dimple LST steel surfaces on tribological properties under non-conforming contact. The multi-dimple textured surfaces with some specific formula arrays were fabricated by laser ablation process on steel disc by combining patterns of circles and triangles, and circles and squares, having different dimple densities to optimize the surface texturing effect on tribological performance. The tribological test of multi-dimple textured surface was performed by a ball-on-flat unidirectional tribometer in lubricated condition, and the results compared with that of a single-dimple and untextured (polished and ground) surfaces. The results indicate that the surface with multi-dimple textured patterns had better friction performance than the untextured and single-dimple textured surfaces. The beneficial effect of multi-dimple textured patterns was associated with transition of lubrication from boundary to mixed lubrication regime.     

激光表面织构化对GCr15钢摩擦磨损性能的影响

本文利用Nd:YAG固体脉冲激光对GCr15钢样品表面进行了微坑织构化处理,考察了激光表面织构参数对其摩擦性能的影响,同时通过扫描电镜等对磨斑表面进行了分析.结果表明:与光滑面试样相比,经织构化处理的样品表面在干摩擦条件下虽然摩擦系数较高,但表现出了较好的抗磨性能;在贫油润滑条件下,织构面的摩擦系数与磨损均明显小于光滑面;在低载低速下较小孔径织构面摩擦系数较小,随着速度及载荷的增大,较大孔径织构面表现出更好的摩擦学性能.采用Stribeck曲线探讨了织构化表面与光滑面在贫油润滑下的润滑机理,结果表明织构面在试验条件下均保持油膜流体润滑状态.     

Bending of Soft Micropatterns in Elastohydrodynamic Lubrication Tribology

Background

Soft tribology is increasingly important in the design and engineering of materials used in robotics, haptics, and biomechanics studies. When patterned surfaces are part of a lubricated tribopair that undergoes sliding and compressive deformation, the patterns experience a bending strain that affects the lubrication film thickness and elastohydrodynamic friction. The contribution of bending patterns to soft tribology is not well understood because earlier studies focused on hard tribopairs with effectively flat surfaces.

Objective

We investigate and model the differences in lubricated friction for poly(dimethyl siloxane) (PDMS) elastomer and PEGDA/alginate double network hydrogel patterns in order to determine the effect of height-to-width aspect ratio and bending angle on the elastohydrodynamic friction.

Methods

Photoresists of two different viscosities are spin coated onto silicon substrates to fabricate molds with pattern heights ranging from 20 μm to 50 μm.

Results

Tribological characterization of the tribopairs in the elastohydrodynamic lubrication regime shows that the patterns generate a friction peak that is independent of aspect ratio for short patterns but displays a “power-law fit” decrease with increasing aspect ratio for taller patterns. Two independent models are used to estimate the theoretical bending and deflection angles for the tribopairs.

Conclusions

The decrease in lubricated friction is attributed to taller patterns having large bending angles and a reduced effective surface for fluid load bearing. Results suggest that the bending of micropatterns could be harnessed to engineer lubricated friction in a variety of applications.

     

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.     

硅碳氢润滑油的空间长寿命润滑性能分析

为分析硅碳氢润滑油(SiCH)在真空边界润滑工况下的润滑特性,采用真空螺旋轨道摩擦试验机(SOT)测试了在1.5、1.75和2 GPa三种接触应力下润滑油的名义润滑寿命,利用真空往复摩擦试验机(SRV)测试了润滑油的往复滑动摩擦系数. 利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)及X射线光电子能谱仪(XPS)对磨斑表面进行显微形貌、元素组成及化学状态进行分析. 结果表明:硅碳氢润滑油的真空名义润滑寿命较高,达到1 936 r/μg(转/微克),其往复滑动摩擦系数和磨斑直径较815Z全氟聚醚润滑油均较小,耐磨寿命较长,具有良好的真空边界润滑性能. 真空四球试验前后润滑油的红外透过率分析结果表明,润滑油在红外地球敏感器工作的14~16.25 μm波段透过率无明显变化. 在电机真空寿命验证试验中,采用硅碳氢润滑油润滑的扫描电机旋转次数最高已达6.04×108次. 润滑油的摩擦性能测试和电机寿命验证试验结果为处于边界润滑工况下的空间运动机构润滑失效提供了定量的判据,也为其他类似工况下的运动机构长寿命润滑设计提供试验依据.      

微量离子液体润滑下铝自配副的载流摩擦学性能

本文中考察了铝自配副在干摩擦和微量离子液体润滑条件下的载流摩擦学性能.在干摩擦条件下,铝自配副因黏着极易发生卡咬.而微量的离子液体L-P106就可有效润滑铝自配副,摩擦系数可低至0.1左右.无论载流与否,润滑状态均为边界润滑.与无载流条件相比,载流时铝自配副的摩擦系数稍有增大,且在高速(0.79 m/s及以上)磨损由中等程度的磨损转化为严重磨损.电流会导致电侵蚀磨损,从而使磨损加剧.     

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.     

Numerical analyses of rectangular micro-textures in hydrodynamic lubrication regime for sliding contacts

Hydrodynamic lubrication of rectangular micro-textures on sliding contact surfaces is investigated using numerical calculation methods. The theoretical models for the slider surface are developed and the film pressure is used to evaluate the hydrodynamic lubrication based on the Reynolds equation. Meanwhile, the geometry and distribution of the rectangular dimples are optimized for maximizing the average film pressure. Results show that the film pressure is dependent on the geometry and distribution of the rectangular micro-dimples. The optimal geometry of the single rectangular dimple is obtained, and the spacing has an important influence on the film pressure. The distribution types of rectangular dimples affect the hydrodynamic lubrication significantly and the interlaced array of the rectangular micro-dimples is beneficial to enhancing the hydrodynamic lubrication. Meanwhile, the rectangular dimples with 72° interlaced angle exhibits the best effectivity.