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.     

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.     

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.     

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.     

陀螺电机用H型动压气体轴承启动摩擦特性分析

为减小陀螺电机用H型动压气体轴承启动过程中的摩擦与磨损,建立了考虑表面粗糙接触与润滑的H型动压气体轴承模型,对其启动摩擦特性进行研究。首先,通过求解轴粗糙表面在转子重力作用下的弹性变形,确定启动前转子启动位置和启动力矩。然后,对表面粗糙接触与润滑方程、转子五自由度运动方程进行联立求解,得到启动过程中轴承承载力、运动轨迹、接触面积等特性,并通过接触面积减为0来判断转子的浮起时间和浮起转速。最后,研究轴承表面粗糙度和腔型结构等参数对轴承启动摩擦特性的影响。分析结果表明:减小粗糙表面峰顶标准差可降低浮起转速、减小磨损范围;随着腔宽比的增大,浮起转速增大、磨损范围减小;而随着腔深的增大,浮起转速和磨损范围均先减小后增大,腔深为1.0μm和2.0μm时浮起转速和磨损范围分别最小。     

取向型微沟槽高速球铣加工制备方法及其减摩性能研究

探究直接利用高速球铣加工工艺制备取向型表面微沟槽织构的方法,并对该类型表面微织构的减摩性能进行研究.鉴于高速球铣加工工艺走刀路径灵活可变、表面材料残留几何尺寸与分布形态具备可控性的特点,利用Matlab仿真对高速球铣加工表面形貌进行预测,通过高速球铣加工试验验证仿真结果,并基于流体动压润滑理论,结合Fluent流体仿真分析与高速环-块摩擦磨损试验,对该类型表面微织构的减摩性能进行分析.当切削参数选用径向切深明显大于每齿进给量的组合时,高速球铣加工表面残留材料能够形成明显的微沟槽形貌,且微沟槽特征的取向可由球头铣刀的走刀路径进行控制;微沟槽承载能力与其取向密切相关,随着微沟槽取向角由90°减小至20°,负压区与正压区范围呈现扩大趋势,油膜内逆流效应逐渐减弱,动压效应逐渐增强,微沟槽承载能力提高了20.64%,表面摩擦系数由0.028 45降低至0.021 65;然而,当取向角过小时,负压区与正压区的范围过小,不能形成有效的收敛楔,微沟槽承载能力下降,表面摩擦系数上升.通过高速球铣加工工艺能够实现取向型表面微沟槽织构的可控制备,且该类表面的减摩性能与取向角α密切相关,在本文研究范围内,取向...     

圆柱形表面微坑阵列对点接触润滑摩擦性能的影响

采用激光工艺加工圆柱形表面微孔阵列,并采用三维表面形貌仪表征形状特征和形貌,在摩擦磨损试验机(UMT-Ⅲ)上进行球盘点接触摩擦学试验,研究微坑阵列对点接触润滑摩擦性能的影响.采用Stribeck曲线表征润滑状态的转变,并辅以接触电阻定性表征摩擦副所处的润滑状态.结果表明:微坑深度对点接触润滑摩擦性能有显著影响,随微坑深度从30μm减至0,摩擦系数呈先降低后升高的变化趋势,在本文试验条件下微坑深度为10μm左右时,摩擦系数较光滑表面低,并达到最小.同时,微坑的大小和面积比对摩擦系数也有明显的影响,并同样呈现先减小后增大的趋势.因而存在优化的微坑以达到减小摩擦改进润滑的目的.     

椭圆形织构摩擦片在核电站安全制动器中作用机理的数值研究（英文）

核电站安全制动器基于高精度、高可靠性设计,而摩擦片是安全制动器功能执行的核心零件,其摩擦性能影响核电站设备的安全性和经济性.本文作者将椭圆织构应用于安全制动器的摩擦片中,通过数值方法研究了椭圆织构摩擦片在电磁制动器中的作用机理;建立椭圆织构摩擦片分析模型,同时利用有限元法求解摩擦片端面的压力分布情况,并研究了椭圆倾斜角、长细比、织构深度和摩擦面间隙变化对压力分布的影响规律.结果表明:增加椭圆织构的长细比可以有效地降低摩擦面的磨损;椭圆织构倾斜角为45°时,气膜承载力最大,可以有效降低摩擦面的磨损;椭圆织构太深或太浅均会增加摩擦面的磨损,当深度为1μm时,可以起到很好的减磨效果;椭圆织构产生较大的气膜承载力从而增大间隙,但气膜承载力随摩擦片间隙增加而减小,因而使摩擦片间隙固定在一定范围,既减少了磨损又保证了设备的稳定运行.本文中涉及的数值研究为完善电磁制动器中的椭圆织构摩擦片设计提供解决方法,后续在产品样机中应用并通过了寿命试验验证.     

三角沟槽形织构化硬质合金工作表面动压润滑及减摩特性

采用飞秒激光加工技术在YT15硬质合金表面制备三角沟槽形微织构,按照面积占有率分别为5.05%、9.5%、13.02%和15.2%,制备出四种不同试样,并在MMG-10多功能摩擦磨损试验机上对织构化YT15硬质合金表面的摩擦副进行不同面积占有率下的对比试验,借助扫描电子显微镜分析工作表面的显微结构及形貌,进一步探究微织构致密度对工作表面摩擦磨损性能的影响.结果表明:相比于未织构化试件,具有一定面积占有率的三角沟槽形微织构有助于提高YT15硬质合金表面的摩擦性能,且面积占有率为9.5%时所产生的流体动压润滑效果最为显著.     

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.     

微液滴在PDMS软基体表面的动态摩擦行为研究

通过固液界面摩擦力测试装置研究了微液滴在PDMS软基体表面运动时的动态摩擦学行为,并对微液滴体积、滑动速度及软基体力学性能对固液界面动态摩擦行为的影响进行了分析. 结果表明:微液滴在软基体表面运动时表现出最大静摩擦力和动态摩擦力. 最大静摩擦力与微液滴黏度和速度梯度呈正比,动态摩擦力与微液滴体积、滑动速度和基体力学性能有关. 随着微液滴体积的增加,三相接触线长度增加,动态摩擦力增加;随着相对滑动速度增加,三相接触线长度及接触角滞后增加,动态摩擦力增加;随着软基体弹性模量降低,固液界面黏附力增加,固液界面运动能量耗散增加,动态摩擦力增加. 研究结果可为PDMS软基体表面微液滴的精确驱动和运动参数优化提供理论指导,也可进一步丰富固液界面摩擦理论.      

椭圆形织构摩擦片在核电站安全制动器中作用机理的数值研究

核电站安全制动器基于高精度、高可靠性设计,而摩擦片是安全制动器功能执行的核心零件,其摩擦性能影响核电站设备的安全性和经济性. 本文作者将椭圆织构应用于安全制动器的摩擦片中,通过数值方法研究了椭圆织构摩擦片在电磁制动器中的作用机理;建立椭圆织构摩擦片分析模型,同时利用有限元法求解摩擦片端面的压力分布情况,并研究了椭圆倾斜角、长细比、织构深度和摩擦面间隙变化对压力分布的影响规律. 结果表明:增加椭圆织构的长细比可以有效地降低摩擦面的磨损;椭圆织构倾斜角为45°时,气膜承载力最大,可以有效降低摩擦面的磨损;椭圆织构太深或太浅均会增加摩擦面的磨损,当深度为1 μm时,可以起到很好的减磨效果;椭圆织构产生较大的气膜承载力从而增大间隙,但气膜承载力随摩擦片间隙增加而减小,因而使摩擦片间隙固定在一定范围,既减少了磨损又保证了设备的稳定运行. 本文中涉及的数值研究为完善电磁制动器中的椭圆织构摩擦片设计提供解决方法,后续在产品样机中应用并通过了寿命试验验证.      

纳米GeSb2Te4薄膜在大气环境中的摩擦性能研究

采用摩擦力显微镜考察了磁控溅射纳米GeSb2Te4薄膜在大气环境中的微观摩擦性能,利用JKRS理论分析了针尖同GeSb2Te4薄膜接触时的粘附力和表面能之间的关系.结果表明:当湿度较大时,粘附力较大;而当湿度较小时,粘附力较小;当针尖表面能一定时,粘附力的微小变化可以导致GeSb2Te4薄膜的表面能产生较明显变化;随着扫描范围逐渐减小,摩擦力变化趋于稳定;不同扫描速度下法向力和摩擦力保持较好线性关系,但不同扫描速度下的平均摩擦力随扫描速率变化而呈现非线性变化;为了更好地分析探针和样品表面的微观摩擦机制,宜选择扫描范围为0.1～0.5μm或更小.     

基于微凸体接触的心盘磨耗盘摩擦行为数值模拟研究

基于微凸体接触的粗糙表面摩擦模型以材料硬度、弹性模量、剪切模量、泊松比、表面粗糙度、微凸体高度分布概率函数和正压力等为输入参数,模拟摩擦副往复运动摩擦行为,可获得摩擦力-位移(F-δ)曲线、接触界面微凸体滑移情况.利用该模型模拟了心盘磨耗盘摩擦行为,结果表明:往复行程为2μm时,F-δ曲线为椭圆形,接触微凸体为部分滑移,往复行程大于2μm时,F-δ曲线由椭圆形逐渐变为矩形,接触微凸体由部分滑移逐渐变为完全滑移;材料表面粗糙度对摩擦系数及摩擦力的影响较小,但对接触表面的微凸体滑移特性有明显影响,粗糙度越大,引起接触微凸体完全滑移所需的位移越大,相同的位移下,发生滑移的微凸体越少.     

研磨抛光表面微孔织构的影响因素分析

表面织构是一种改善摩擦学性能的有效手段.通过研磨抛光方法开发了一种新型表面织构技术,此表面织构的特点是表面微孔成型和抛光过程同步进行.同时利用此织构技术着重研究了研磨时间(0~120 min)、研磨速度(1.45~10.47 m/s)、研磨液质量分数(1%~15%)对织构参数(微孔面积密度、孔径分布及表面粗糙度)的影响规律.结果表明:表面微孔面积密度随着研磨时间增长而逐渐下降并最终趋于稳定;当研磨速度从1.45~10.47 m/s变化时,微孔面积密度从2.59%增至16.92%,微孔孔径及表面粗糙度随着研磨速度的增加而增加,当研磨速度低于2.09 m/s时容易获得10μm以下的微孔;当研磨液质量分数从1%~15%变化时,微孔面积密度从3.76%~11.70%变化,近似呈线性增加关系,质量分数高于9%时易于获得10μm以上孔径的分布表面.     

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.      

考虑上游泵送效应的滑靴副动压润滑特性

为了改善轴向柱塞泵滑靴副的润滑性能,利用仿生学原理,在斜盘上构建倾斜椭圆形微坑织构. 通过微坑产生的动压效应和上游泵送效应,以期能够优化滑靴副的摩擦性能并减少泄漏量. 基于CFD方法开展了具有椭圆形微坑织构滑靴副的建模与润滑性能研究,揭示了不同润滑介质黏度和转速下柱塞泵滑靴副的承载能力、泄漏量和摩擦系数随微坑倾斜角度的变化规律. 研究结果表明:通过在斜盘面上建立无倾斜椭圆形微坑,能明显提高滑靴副的承载能力,并降低摩擦系数,但会导致泄漏量增大;而在此基础上,通过将椭圆形微坑相对于其滑动方向旋转一定角度,滑靴副的承载能力和摩擦系数不会明显变化,但可以显著减小润滑介质泄漏量.      

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.     

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.