高分子材料机械密封磨损特性及表面织构的影响

为提高金属/高分子材料机械密封的抗磨损性能,采用光刻-电解技术在316不锈钢表面制作微凹坑阵列形式的表面织构,与5种不同弹性模量的高分子材料组成摩擦副进行磨损试验.试验结果表明,对弹性模量最小的UHMWPE材料,表面织构起到了增磨作用,对其他四种弹性模量较高的材料,表面织构起到减磨作用,而且,随着高分子材料弹性模量的增大,表面织构表现出的减磨作用也随之增大.为解释这个现象,利用ANSYS有限元分析软件对摩擦副接触面进行了应力和变形分析,结果表明:织构化表面在接触过程中会产生应力集中和表面形变,材料的弹性模量越小,凹坑引起的变形越明显,可能产生的切削作用越显著.     

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.     

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.     

激光表面织构化改善摩擦学性能的研究进展

介绍了激光表面织构化的过程及其摩擦学研究现状,讨论了激光表面织构的形状、直径、深度、取向和密度等结构参数对润滑状态及其磨损机理的影响,指出今后可将先进涂层技术和激光表面织构化结合起来,在混合／边界润滑状态下获得较低的摩擦系数,并应加强以润滑理论为基础的研究,预先模拟、计算出表面微结构的最佳参数以达到实际摩擦工况的润滑要求．     

织构化提高表面摩擦学性能的研究进展

表面织构化作为1种可以显著提高表面摩擦学性能的方法已得到国内外科学技术工作者的广泛关注.从表面织构化的应用领域和研究背景着手,评述了织构化在改善表面宏观、微观和仿生摩擦学等方面的研究进展和发展现状,阐明了表面织构化对于改善表面宏/微观摩擦学行为的重大意义,并指出当前表面织构化存在的问题和下一步的发展方向.     

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.     

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.     

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.     

表面粗糙度对螺旋槽干式气体端面密封性能预测与结构优化的影响

将螺旋槽干式气体端面密封(S-DGS)的粗糙表面分成软环端表面、硬环端面开槽底面与非开槽表面3个区域,建立粗糙表面S-DGS性能的有限元分析理论模型,采用该模型研究3个区域表面粗糙度对S-DGS性能参数和端面几何结构参数优化的影响.结果表明:在相同工况和表面综合均方根差的条件下,粗糙表面S-DGS的开启力、气膜刚度和摩擦扭矩均大于光滑表面S-DGS,而泄漏量较小;在有关标准范围之内,硬环端面槽底面和软环端面的表面粗糙度对S-DGS的性能参数预测值产生较大影响,而硬环端面表面粗糙度的影响可以忽略;表面粗糙度对S-DGS端面几何结构参数的优化值没有影响.研究结果对S-DGS性能的正确预测和结构优化设计以及密封的修复工作具有重要的指导意义.     

往复条件下织构表面的摩擦学性能研究

为研究往复运动条件下织构表面的润滑减摩性能,选取销-盘式摩擦副,考察了0%、7%、11%和20% 4种织构密度在不同的速度下对摩擦系数的影响规律。结果表明：表面织构的引入使摩擦副在较低的速度下进入流体润滑区域,扩大了流体润滑区域的范围,这与摩擦副在相对转动条件下的结论一致;处于流体润滑区域的织构表面的摩擦系数不一定小于同等工况条件下处于混合润滑区域的无织构表面的摩擦系数;当无织构表面处于流体润滑区域时,试验所涉及的同等工况条件下的不同织构密度表面反而增大了摩擦系数。研究结果也说明了在对表面织构进行摩擦学设计时,应当考虑摩擦副的运动形式因素。     

仿生猪笼草结构的水润滑轴承摩擦学性能有限元分析研究

水润滑轴承的轴瓦结构设计对其摩擦磨损和润滑性能有着重要影响. 为提升其摩擦学性能,设计一种轴瓦布置有仿生猪笼草结构的水润滑轴承,主要为蜡质区的月牙形结构和唇部的径向脊形结构两类. 利用ANSYS Fluent对简化后的轴承润滑水膜模型进行流场分析,改变不同转速、载荷和不同织构形状、尺寸,探究水膜承载能力和减摩性能的优化情况并进行机理分析. 结果表明:通过比较不同织构形状、尺寸下的轴承水膜最大压力与摩擦系数,发现型号CC1006的月牙形织构和型号DR0102的径向脊形织构的水膜承载能力和减摩性能综合优化最佳. 通过改变不同载荷,发现轴瓦布置有仿生猪笼草结构的水润滑轴承更适合应用于中速中载的条件下,此时其拥有优异的水膜承载能力与减摩性能. 该研究为仿生表面结构的水润滑轴承设计及摩擦学性能提升等提供了分析方法和理论依据.      

纤维增强橡胶复合材料界面力学性能有限元分析

基于剪滞理论,引入双线性内聚力模型研究了纤维与基体界面应力传递机理.采用ABAQUS模拟了非理想界面在单纤维拔出过程中的脱粘失效,分析了不同脱粘阶段界面剪应力分布情况,以及界面刚度和纤维长径比对界面应力传递和拔出载荷的影响规律.结果表明,在纤维受载失效过程中,纤维的拔出过程可分为4个阶段,即界面的完全粘结、损伤演化、逐渐脱粘、完全脱粘.界面的刚度和纤维长径比对界面应力传递与最大拔出力均有一定的影响.界面刚度、纤维长径比主要影响纤维的最大拔出载荷以及界面脱粘失效位移.     

传动装置密封环摩擦磨损性能研究

为分析车辆传动装置密封环在高速高压工作环境下的磨损失效,利用自主研制的试验台研究了速度、接触压力和介质油温对密封摩擦副摩擦磨损特性的影响;利用扫描电子显微镜观察了磨损程度不同的密封环端面的表面形貌,并探讨了其磨损机理.结果表明,在设定的试验条件下,密封摩擦副的摩擦系数随着压力的增大和转速的升高先急剧减小再降幅减缓后趋于稳定,而压力对摩擦状态的影响要比转速显著.密封环端面温度与摩擦状态之间存在相互影响的特征.密封介质性质同样影响着密封环的摩擦状态.在稳定磨损阶段,密封环的磨损机理以磨粒和黏着磨损为主导,当进入到剧烈磨损期后,磨粒磨损和疲劳磨损的影响更为突出.     

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.     

润滑条件下激光加工纹理的摩擦磨损

采用YAG纳秒激光器在45#钢平板试样表面制备纹理,考察了不同润滑状态下表面纹理对摩擦学性能的影响.45#钢表面纹理采用了不同间距的点、槽和网格形貌,并在UMT-Ⅱ试验机上与SiC钢球配副,分别在石蜡和机油润滑条件下进行往复摩擦试验,得出了试验条件下的Stribeck曲线.结果表明,在Hersey数较小时,纹理的引入不利于材料摩擦系数的降低,Hersey数的增加有助于摩擦学性能的提高.网格状纹理间距越小摩擦系数越大.网格状形貌试样相对于点和凹槽形貌试样,表现出更好的摩擦学性能.     

流体静压型机械密封的三维传热数学模型及端面温度分析

建立了静环倾斜时流体静压型机械密封的三维稳态传热模型,考虑流体黏度随压力、温度的变化,建立了压力、温度的控制方程,采用有限差分法,分析研究了倾斜量、结构参数及操作参数对机械密封温度分布的影响规律.结果表明,端面的最大液膜压力和最高温度随静环倾斜量的增加而增大,倾斜量越大,压黏效应越显著;端面温升受密封的结构参数、操作参数影响明显.静环端面锥角越大,温升越小;流体注入温度越低,温升越大;动环转速越高,温升越大.     

激光加工微凹坑轴表面对唇形密封泵吸及摩擦特性的影响

为了研究轴表面形貌对径向唇形密封泵吸作用及摩擦特性的影响,利用Nd:YAG固体脉冲激光对旋转轴表面进行微凹坑织构化处理,在油封密封试验机上,针对不同转速、不同表面形貌等工况,完成了一系列对比试验,获取了试验过程中的泵吸量、摩擦力以及密封圈温升等参数.并通过扫描电镜对试验后各密封唇表面进行了分析.结果表明:三角形微凹坑顶点朝向油液侧的表面能够增强泵吸作用,且转速对泵吸率影响很大,而其他形状和参数的微凹坑表面不利于泵吸作用的产生;与未织构面相比,圆形凹坑面积占有率为7%和21%的表面具有良好的减摩效果,三角形凹坑顶点沿周向的两表面间减摩效果较好.