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.      

表面织构化机械密封热弹流润滑性能分析

综合考虑密封端面间的粗糙表面接触、热弹性变形和黏温效应,结合JFO空化条件,建立了混合润滑状态下织构化端面机械密封的热弹流润滑(TEHD)理论分析模型.在航空泵用机械密封的操作工况范围内,应用有限单元法数值分析了圆形、方形和三角形等几种典型表面织构机械密封在稳定状态下的端面液膜压力、膜厚和膜温分布,以及对密封性能参数的影响规律.结果表明:表面织构对端面压力和温度分布影响很大;端面开三角形织构2的机械密封能获得最大的液膜承载比、最小摩擦系数、最高液膜刚度,在低压下能满足泄漏要求,因此性能最优.     

激光表面织构对不同材料干摩擦特性的影响

采用环-块线接触摩擦磨损试验,研究了经激光处理后不同织构面密度的45钢和12Cr凹坑形织构试件的干摩擦磨损特性.借助高精度天平分析了试件磨损量,采用三维形貌仪和扫描电镜对试件表面形貌进行了分析.研究结果表明:激光表面织构化使得45钢试件表面形成可以改善摩擦性能的高硬度质点;在相同试验条件下,与无织构试件相比,45钢织构环试件磨损量明显降低,而12Cr织构环试件磨损量却有所升高;织构试件的磨损量在一定范围内随着织构面密度的增加而降低;激光织构化对摩擦系数的稳定值影响不大.     

机械密封动环外周表面织构换热机理及结构优化

本文中以接触式机械密封为研究对象,考虑端面摩擦热,建立了包含密封环及密封腔的三维轴对称传热模型,并采用Fluent软件进行了传热分析,得到了密封环及密封腔的流场、温度场、速度场和Nusselt Number(Nu数)分布情况.通过分析织构及其周边的流场、流态和温度场,揭示了织构的对流换热机理,主要研究了等边三角形织构的深径比、排数、排间距、排列方式和方向角等几何因素对端面温度的影响,并对等边三角形的结构参数进行了优选.结果表明:动环外周表面织构具有增强对流换热效果和降低密封环整体温度的能力;织构的型式、深径比、个数以及排列方式均会对其换热效果产生影响,其中织构个数和旋转角影响较大,且三角形织构具有较强的换热能力,为今后高性能机械密封的优化设计及应用提供了理论依据.     

定子表面织构对超声电机性能的影响

针对超声电机摩擦材料磨损严重和温升高的问题,采用在定子表面加工微织构的方法,提高了电机机械特性并降低了摩擦材料磨损. 首先,用显微镜测量超声电机定子表面摩擦材料黏着区域,设计出三种不同密度的凹坑织构,采用激光的方法加工在定子表面;然后,测试超声电机负载特性、效率特性和温升特性并观察定子表面. 结果表明:3-凹坑织构定子电机空载转速最高,相比光滑定子电机高出12.1%,5-凹坑织构定子电机堵转转矩和最大效率最高,分别高于光滑定子电机13.04%和17.1%,同时电机的温升也有所降低. 通过观察定子表面发现,凹坑织构有大幅降低摩擦材料黏着的作用,这种作用可以增加电机接触界面能量转换效率,提高了电机的性能并降低了摩擦材料的磨损.      

制动盘材料表面织构化处理对摩擦噪声影响的试验分析

在列车制动盘材料表面加工出径向均匀分布的具有不同宽度的沟槽,采用列车制动片为配副材料,在面-面接触模式下对其进行了销-盘式摩擦噪声试验研究,探讨织构表面对摩擦尖叫噪声特性的影响及其作用机理.结果表明:具有特定合理尺寸参数的织构表面能有效地抑制摩擦尖叫噪声.表面沟槽的存在,一方面能提高界面的排屑效率,抑制尖叫噪声的产生,另一方面沟槽棱角与摩擦片平面的碰击能有效地抑制界面摩擦自激振动的高频成分,并达到降低噪声的效果.沟槽的棱角在整个试验过程中保持完好,其降噪作用寿命时间较长.     

表面微织构对WC-8Co在往复摩擦磨损中粘结-扩散磨损特性的影响

采用激光表面纹理化在WC-8Co上制备了微沟槽织构,通过往复式摩擦磨损试验对其与Ti6Al4V接触的耐磨性进行分析,并以无表面微沟槽织构的WC-8Co为对比样品,研究了表面微织构对WC-8Co粘结-扩散磨损特性的影响,揭示了摩擦过程中表面微织构的磨损机理. 结果表明:WC-8Co上的微沟槽对摩擦接触面具有抗粘结作用,在高接触载荷下,这种效应更为明显. 织构表面的抗粘结机制是由微沟槽包裹的碎屑产生的. 此外,与无表面微织构的WC-8Co不同,表面织构化的WC-8Co的磨损最初来源于微沟槽边缘的断裂,随后扩展到摩擦表面. 这种磨损特性归因于微沟槽边缘的高热载荷和机械应力集中,以及激光加工过程中WC晶粒长大与摩擦过程中粘结剂Co扩散的协同效应.      

PDMS表面织构润滑特性的研究

利用光刻-复模技术在PDMS表面制作凹坑阵列型表面织构,并采用球-盘式摩擦试验机对具有不同尺寸凹坑阵列的试样进行摩擦试验,研究了软质材料表面织构在混合至流体动压润滑区域的润滑特性.结果表明:对于PDMS材料,凹坑直径是影响摩擦特性的主要因素之一.与无织构试样相比,在低速条件下(0.005m/s)的混合润滑区域较小直径(d=50μm)的织构能够减小摩擦,而较大直径(d=200μm)的织构表现出增大摩擦的效果.在试验范围内凹坑的面积率越大,表面织构的作用越显著.     

表面织构对刀具切削性能及前刀面摩擦特性的影响

为了研究刀具表面织构对切削性能的影响,通过控制前刀面上微凹坑的直径、深度和面积占有率等参数制备了两组表面高度算术平均值Sa相同的织构刀具.使用Talysurf CCI Lite非接触式三维光学轮廓仪对织构表面进行测量,采用ISO25178参数对测量表面进行表征;通过SL200KS接触角测量仪测量织构刀具前刀面湿润性的变化;随后在CA6140车床上进行45钢切削试验,研究不同织构对切削力、前刀面摩擦特性、工件表面粗糙度和切屑形变的影响.结果表明:合理的表面织构能够改善刀具的切削性能;切削液在前刀面铺展较快的织构刀具获得了较好的切削性能;凹坑直径、深度和面积占有率的协同作用对改善刀具切削性能至关重要,为了协调这三个织构参数,进一步研究三维表征参数Sku、Ssk、Sv、Vvv、Vvc、Sdv、Sda、Spd与刀具切削性能的关联性,为刀具表面设计提供了基础.     

不完备先验知识下的机械密封端面磨损状态评估研究

针对机械密封端面全状态先验知识不易获取,正常开启状态下和未打开状态下的先验知识可以获取的特点,以声发射信号作为监测信号,提出基于因子隐马尔可夫模型(FHMM)的机械密封端面磨损状态评估技术.应用经验模态分解(EMD)方法对原始信号进行分离提取,得到准确反映信号的特征信息,将机械密封端面接触状态下的先验特征归一化,并建立因子隐马尔可夫(FHMM)监测模型;根据观察序列对数似然度得到评估密封端面磨损状态性能指标,实现对端面磨损状态的评估.机械密封端面磨损状态监测试验表明:该方法能在仅具备端面接触状态先验知识的情况下,实现对密封端面磨损状态的初步评估,而且所需样本数较少、训练速度快、结果准确、具有较好扩展性.     

仿生非光滑表面铸铁材料的常温摩擦磨损性能

模仿动物体表形态,在试样表面通过激光雕刻出有规则分布的凹坑以及条纹等非光滑单元体,研究了具有非光滑表面材料的摩擦磨损性能.结果表明:非光滑表面材料的耐磨性较光滑表面提高1倍以上,摩擦系数提高66%以上;当非光滑表面的单元体硬度越高、直径越大和间距越小时,其耐磨性能越好,摩擦系数越大.这是由于激光加工的单元体相当于在母体上增加了许多强化质点,比母体具有较高的硬度和致密性,能够提高抗磨性,增加表面粗糙度,所以其耐磨性提高,摩擦系数增大.     

切削刀具多层涂层的力学特性和耐磨性

利用纳米硬度计研究了硬质合金基体上ＣＶＤ沉积ＴｉＮ,ＴＩＮ／Ｔｉ（Ｃ,Ｎ）／ＴｉＣ、ＴｉＮ／ＴｉＮ／Ｔｉ（Ｃ,Ｎ）／ＴｉＣ／Ｔｉ（Ｃ,Ｎ）／ＴｉＣ和ＴｉＮ／Ｔｉ（Ｃ,Ｎ）／Ｔｉ（Ｃ,Ｎ）／ＴｉＣ／Ｔｉ（Ｃ,Ｎ）／ＴｉＣ等４种涂层的硬度和断裂韧性。讨论了载荷与压入深度关系曲线上的台阶和载荷与压入深度平方关系曲线上的直线段与涂层的断裂失效的界面失效的关系,指出可用临界载荷ｐｔ和ｐｉ来分别描述涂层的断裂     

机械密封热力耦合有限元模型与密封性能分析

以接触式机械密封为研究对象,考虑密封环的热力变形和液膜温度、厚度等的耦合关系,建立了二维轴对称热力耦合计算模型,采用有限元与数值迭代技术实现了模型的数值解算,研究了密封端面热力变形规律,分析了不同密封压力下的密封性能.结果表明:热力耦合变形作用下,端面形成收敛型泄漏间隙,最小膜厚位于端面内靠近内径侧位置,最高温度位于最小膜厚处;随密封压力的增大,端面最小膜厚减小,端面最大温升、摩擦扭矩和泄漏率相应增大.采用的模型和计算方法可用于海洋装备用机械密封结构的优化设计.     

热处理对Al-Si-Cu合金力学性能、显微组织与磨损性能的影响

研究了不同热处理条件下Al-Si-Cu合金的力学性能、显微组织及磨损性能.结果表明:与铸态合金相比,T6态合金的晶粒最为细小,Si、Al2Cu和Al Fe Mn Si第二相尺寸变小、变圆整且分布均匀,其力学性能和耐磨性能最好.当载荷小于500 N时,T6态和铸淬态合金的耐磨性能相当,二者表现为磨粒磨损;载荷为500~1 000 N时,Si相受水平方向塑性流变应力作用均匀分布在磨面表面,改善了润滑效果使摩擦系数降低,虽然开始向黏着磨损机制转变,但合金仍保持了较好的耐磨性能;载荷大于1 000 N时,Si相和Al2Cu相周围出现了微裂纹和严重的撕裂状的塑性变形,摩擦系数增大,逐步向剥层磨损转变,合金耐磨性能显著下降.     

不同排布方向性椭圆孔液体润滑机械密封性能的研究

为提高液体润滑多孔端面密封的动压性能,提出了方向性多孔端面机械密封.考虑端面间润滑液膜的空化现象,基于质量守恒的JFO空化边界条件建立了理论模型,采用有限差分法求解Reynolds控制方程,获得了端面膜压分布,从而对比分析了方向性椭圆孔的排布方式对多孔端面机械密封性能的影响规律.结果表明:椭圆孔的方向性排布对端面密封的密封性能影响较大,高压侧下游泵送孔可有效提升密封端面的流体动压特性,上游泵送孔不论在高压侧还是在低压侧均可有效降低密封泄漏率;当形状因子γ为3~5,内外孔倾斜角α为35°~45°和β为125°~135°时,可获得最佳的动压性能,当形状因子γ为3~5,倾斜角α为30°~50°和β为30°~50°时,可以获得最低泄漏率.     

微机电系统磨损特性研究进展

对微机电系统,尤其是微旋转机械的磨损研究现状进行评述,介绍MEMS及微旋转机械中的各种磨损问题,分析材料和不同工况(表面粗糙度、环境以及载荷)等条件对MEMS及微旋转机械磨损性能的影响,介绍不同形式的磨损模型、分析方法与检测仪器,并对相关领域的研究进展进行展望.     

增强纤维对陶瓷基摩擦材料摩擦磨损性能的影响

采用热压烧结法制备纤维增强陶瓷基摩擦材料,研究了钢纤维、钢纤维/莫来石纤维、莫来石纤维、钢纤维/硅酸铝纤维以及硅酸铝纤维增强陶瓷基摩擦材料的摩擦磨损特性.研究结果表明:不同纤维对陶瓷基摩擦材料摩擦系数的影响较为复杂.相比较添加单一纤维增强摩擦材料的情况,钢纤维增强的试样具有较好的耐磨性能,其次为莫来石纤维增强的试样,硅酸铝纤维增强的试样表现出最差的耐磨性能,钢纤维/莫来石纤维和钢纤维/硅酸铝纤维增强试样的磨损均低于相应的陶瓷纤维增强的试样;在高温下以莫来石纤维增强的试样,其磨损形式以磨粒磨损为主,而以硅酸铝纤维和钢纤维/硅酸铝纤维增强的试样的主要磨损形式为黏着磨损,钢纤维和钢纤维/莫来石纤维增强的试样的磨损属于磨粒磨损和黏着磨损.