黏度、极性及配副因素在DLC薄膜固液复合设计中的影响

本文中系统研究了类金刚石(Diamond-like carbon,简称DLC)固体润滑薄膜与一系列不同黏度的烷烃、醇类液体润滑介质的复合润滑性能,并深入探讨了介质黏度、极性及摩擦配副在固液复合设计中的影响规律.我们发现所用DLC薄膜在所考察润滑介质中均表现出较好的稳定性及亲和性,而摩擦行为则呈现较大的差异:在非极性烷烃化合物润滑环境下,DLC/DLC和钢/钢摩擦副的摩擦系数随介质黏度的增加改变不大,钢/DLC摩擦副的摩擦系数则随着介质黏度的升高而逐渐降低;在极性的醇类介质中,钢/钢摩擦副的摩擦系数随着介质黏度的增大先下降后急剧上升,而钢/DLC和DLC/DLC摩擦副的摩擦系数随介质黏度的升高而降低.总之,介质黏度、极性和摩擦配副对体系润滑行为有很大影响,在进行固液复合润滑体系设计时,需综合考虑三者的相互作用关系.     

外加直流电场对DLC/PAO固液复合润滑体系摩擦学行为的影响

本文中利用球-盘式载流摩擦试验机研究了DLC/PAO固液复合润滑体系在外加直流电场中的摩擦学行为,考察摩擦副滑动速度、加载电压以及回路电流的影响,结果表明:外加直流电场对复合润滑体系摩擦磨损行为的影响与摩擦副的滑动速度密切相关,这源于不同润滑状态时DLC薄膜的电气损伤行为以及薄膜的结构、成分变化.根据润滑状态和外加电压的不同,DLC薄膜的电气损伤可以表现为线状隆起或烧蚀坑,其中线状隆起型损伤源于载流摩擦界面的焦耳热,烧蚀坑损伤则源于摩擦对偶之间的拉弧放电及PAO油膜的击穿.Raman光谱显示电气损伤区DLC薄膜发生显著的石墨化转变,且石墨化程度取决于回路电流的大小.外加电场条件下DLC薄膜的石墨化转变虽然在一定条件下可使复合润滑体系的摩擦系数降低,但削弱了DLC薄膜的抗磨性能,使薄膜的磨损表现为电气损伤和机械磨损的耦合.     

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.     

颗粒流润滑的现状和展望

颗粒流润滑的思路是将固体材料以颗粒（粉末）状态直接导入摩擦副,使摩擦间隙充满固体颗粒,利用微小颗粒的摩擦、变形、碰撞、挤压和滑滚等微观运动,减少作相对运动两表面微凸体的直接接触,从而达到减少摩擦和保护表面的目的.总结了颗粒流润滑在航天磁悬浮备用轴承、径向轴承、制动器、磨削加工、压铸加工等工程领域中的研究和应用现状.分析和对比了已有的颗粒流润滑理论如类流体润滑理论、碰撞动理学润滑理论、离散单元和元胞自动机理论,指出摩擦间隙中颗粒流行为和颗粒接触模型是颗粒流润滑理论的关键问题.最后,从多尺度特性、非连续特性、环保等角度对颗粒流润滑在未来的进一步发展进行了展望.     

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.     

真空载流摩擦试验机

正载流摩擦磨损属于特殊工况下的摩擦磨损,是指处于电场或磁场中的摩擦副,在电流通过条件下摩擦副的摩擦磨损行为,它包括润滑条件下及干摩擦条件下的摩擦磨损特性研究。载流摩擦磨损研究的主要背景为高速电气化铁路的受流、城市公共交通中电车的电力传输系统、工业中广泛应用的发电机电动机的碳刷与集电环、在航空航天领域运载火箭升空过程中的整流装置在运行过程中所产生的摩擦磨损行为等。     

纳米铜添加剂改善钢-铝摩擦副摩擦磨损性能的研究

采用环-块摩擦磨损试验机对比考察了钢-铝摩擦副在液体石蜡与含纳米铜颗粒液体石蜡润滑下的摩擦磨损特性,研究了对纳米铜添加剂添加量与载荷对其摩擦磨损性能的影响,通过对磨损表面粗糙度、形貌及其主要元素的能谱分析,探讨了纳米铜颗粒作为添加剂时钢-铝摩擦副的润滑机制.结果表明:含0.25%纳米铜颗粒液体石蜡时,钢-铝摩擦副的摩擦磨损性能最优;在不同载荷下纳米铜颗粒可以改善铝的摩擦磨损性能,特别在中等载荷(50～125 N)下,其抗磨减摩作用更明显;纳米铜颗粒能够在磨损表面形成一层低剪切强度的铜保护膜,有效地避免粘着磨损,同时阻止铝元素向钢表面的转移,从而显著改善钢-铝摩擦副的摩擦磨损性能.     

限量供油对速度交叉工况下润滑特性的试验研究

速度交叉效应对摩擦副表面润滑剂迁移及润滑状态改善具有重要意义.利用表面速度异向光干涉润滑油膜测量装置，在限量供油条件下，改变两固体表面卷吸速度与滑动速度夹角ε，研究了该角度变化对润滑油膜及油池边界的影响.结果表明，卷吸速度与滑动速度呈一定夹角时，部分润滑剂再分配至接触区参与成膜；由于润滑速度交叉行为导致润滑剂横向运输效果增强，限量供油条件下的润滑状态改善.此外，低供油量(0.1μl)限制了速度交叉效应的润滑增效性，产生的低油池边界减弱了两侧润滑剂的有效交汇.     

接触式机械密封混合润滑状态摩擦演化规律研究

接触式机械密封在运转中主要处于混合润滑状态,为探究其混合润滑状态下摩擦机理,结合粗糙面弹塑性模型,求解考虑密封端面粗糙度效应的雷诺方程,探究了转速和介质压力等工况条件对密封混合润滑状态密封摩擦参数的影响,推导了密封声发射波能量公式,将密封混合润滑状态分为磨损期和稳定期,应用1.5维谱理论提取密封特征频率,探究混合润滑状态摩擦演化规律.研究结果表明摩擦参数影响密封声发射波能量幅值且密封摩擦形式随混合润滑状态发生变化：在磨损期,微凸体接触特征频率幅值较大,密封端面间摩擦以微凸体接触为主;在稳定期,流体膜黏性剪切摩擦特征频率幅值变大,黏性剪切效应增强,密封端面只存在局部微凸体接触.所得结论对接触式机械密封混合润滑状态摩擦机理的研究具有一定的理论指导意义.     

颗粒材料剪切流动状态转变的环剪试验研究

颗粒材料的剪切流动行为广泛地存在于滑坡、泥石流等自然灾害以及矿物原料传输、泵送等工业过程中.颗粒材料在不同体积分数、剪切速率和应力约束下会表现出不同的流动状态并发生相互转化.对颗粒材料在剪切流动过程中力学特性的研究有助于加深理解其发生不同流动状态的内在机理,为解决相应的颗粒材料问题提供理论依据.为此,本文研制了颗粒材料剪切流动的中型环剪仪,并对颗粒材料在不同法向约束应力和剪切速率下的剪切应力和体积膨胀率进行了测试.结果表明,剪切应力和体积膨胀率均随剪切速率的增大而增大,但增长速率在临界剪切速率处发生转变,使其随剪切速率的平方呈分段式线性增长.通过对颗粒材料在不同剪切速率和惯性数下有效摩擦系数变化趋势的分析,讨论了颗粒材料由慢速流向快速流转化的基本规律,以及在临界剪切速率处发生流动状态转化的内在条件.此外,通过对不同法向应力下临界剪切速率以及快速流动下运动规律的测试,发现临界剪切速率随法向应力的增加而减小,即法向应力可促进颗粒材料由慢速流向快速流的转化,但在快速流动状态下的有效摩擦系数对法向应力不敏感.以上对颗粒材料在不同剪切速率、法向应力下流动状态的环剪试验研究有助于揭示其发生不同流动状态转化的内在机理.      

机械结合面切向接触阻尼计算模型

针对两粗糙表面在法向力和切向力共同作用下相互接触时结合面切向阻尼的问题进行了研究.首先,根据KE模型对单个微凸体在弹性、弹塑性、塑性变形阶段的切向接触行为进行了分析,获得了微凸体在3个变形阶段的黏滑特性;然后,基于GW统计模型建立了一种在微凸体法向弹性、弹塑性和塑性变形机制基础上,考虑微凸体黏滑摩擦行为的机械结合面切向接触阻尼统计模型;最后,分别讨论了机械结合面的法向预载荷、切向激振频率和切向动态位移幅值对机械结合面切向阻尼的影响.研究表明:结合面切向接触阻尼系数随着结合面法向载荷的增大而增大,随着切向激振频率和切向动态位移幅值的增大而减小;在高频率、大幅值下,结合面切向接触阻尼系数几乎与动态位移幅值和激振频率无关.为了验证模型的准确性,构建了动态切向力作用下的结合面切向阻尼试验,其试验结果与理论仿真变化规律与量级基本一致,从而证明了所提出的切向阻尼模型的有效性.     

天然关节软骨与医用不锈钢摩擦磨损行为研究

采用天然关节软骨与不锈钢摩擦副在往复运动试验机上进行关节软骨的摩擦学试验研究,探讨载荷、速度、润滑和作用时间对摩擦磨损行为的影响并分析其作用机理,并对摩擦磨损前后的软骨表面进行分析.结果表明:随着载荷从10 N增至22 N,软骨与不锈钢间的摩擦系数从0.147降至0.117;在同样的润滑和压力下,速度越大软骨和不锈钢的摩擦系数越小;透明质酸溶液可以有效降低软骨与不锈钢之间的摩擦,长时间试验后摩擦系数基本保持在0.23左右.试验后软骨表面出现磨损并伴有大量磨损颗粒,表面有明显的划痕出现,磨粒的粒径大小分布范围较窄,小尺寸的磨粒数目较多.     

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.     

计及摩擦影响的直齿轮时变啮合刚度计算方法

针对现有的齿轮时变啮合刚度计算模型不考虑时变摩擦影响的问题,以一种弹流润滑状态下的时变摩擦系数为基础,通过推导齿轮副的齿面速度、滚滑比、卷汲速度、赫兹应力,得到了弹流润滑状态下,考虑单双齿啮合情况下载荷变化的时变摩擦系数;并应用于势能法刚度计算模型,提出了计及齿面摩擦的时变啮合刚度计算方法。计算结果表明:齿面摩擦对时变啮合刚度有很大的影响;在节点位置,不存在相对滑动,刚度和不考虑摩擦情况一致;在单双齿啮合区的临界点,单齿刚度存在突变的现象;随着载荷的增大,时变啮合刚度减小。该方法同样适合于其它摩擦模型,从而为后续进行考虑摩擦影响的齿轮动力学分析提供新的时变啮合刚度理论基础。     

表面形貌对滑动接触界面摩擦行为的影响

为了研究表面形貌对拉延形成的滑动接触界面摩擦行为的影响,设计了一种新型的摩擦试验装置.在油润滑条件下,针对具有单向沟槽、规则圆形凹坑和随机表面的铝合金试样,以不同滑动速度与接触压力进行一系列摩擦试验.利用非接触式三维轮廓仪测量出试验前后试样的三维表面形貌参数,并选取表面高度算术平均偏差Sa,表面支承指数Sbi,中心区空体体积Vvc和谷区空体体积Vvv来分析滑动接触界面表面形貌的变化规律.结果表明:规则圆形凹坑表面比单向沟槽表面和随机表面具有较低的摩擦系数;在相对低的接触压力下,3种表面的摩擦系数随着接触压力的增大而减小,但在高的接触压力下,3种表面的摩擦系数随着接触压力的增大而增大;在接触压力一定的情况下,3种表面的摩擦系数对滑动速度有显著依赖性;表面形貌、滑动速度和接触压力是影响滑动接触界面摩擦行为的重要因素.     

基于Iwan模型的接合面切向响应建模

针对工程中常见预紧力作用下的搭接接头,研究其在小幅切向位移激励时的切向位移响应问题,为此提出一种新的基于实际表面形貌和材料性能参数的滑移力密度分布函数.应用该分布函数得到搭接接头切向响应本构模型,并获得单位加载周期内的迟滞曲线和能量耗散值, 通过与已出版的实验结果相对比,发现得到的模拟值与实验结果吻合, 证明该模型的合理性.在此基础上利用该分布函数研究了接合面切向位移与切向力、切向接触刚度及能量耗散之间的关系,结果表明: 建立的模型能很好地描述接合面间切向力与切向位移之间的关系,临界滑移力函数开始迅速上升, 到达最大值后迅速收敛到零;切线力与切向位移之间表现出非线性特性, 随着切向位移的增大,切向接触刚度表现出"软化"现象;初始切向刚度与法向载荷、粗糙度参数及塑性指数有关, 对于确定的接触表面,法向力越大, 初始切向刚度越大; 初始切向刚度同样也随着塑性指数的增大而增大.      

条状亲油表面的润滑特性试验研究

分别利用疏油薄膜和梳齿形凹槽队列织构,在钢表面的润滑轨道上围成了两类条状亲油区. 试验表明,两类条状亲油区对置于其上的润滑油滴有明显约束作用,限制润滑油向润滑轨道之外的区域铺展. 在有限供油条件下,对两类条状亲油区表面与钢球组成的摩擦副进行了测量,结果表明两类表面在混合润滑区均具有较低的摩擦力和磨损. 将试验结果归因于条状亲油区边界处润滑油所受的表面力不同,从而润滑轨道自集油能力得到增强. 最后,用光弹流试验证实了条状亲油区对摩擦副供油的改善.      

水润滑条件下磨粒尺寸对橡胶密封副摩擦学行为的影响

磨粒磨损是各类机械橡塑密封装备的一种典型失效形式. 本文中开展了水润滑条件下磨粒尺寸对O型橡胶密封配副摩擦学行为的影响研究,分析了不同颗粒尺寸下的摩擦系数时变特性,探讨了不同运行阶段下的磨损形貌、颗粒运动特性和损伤失效机制. 结果表明:颗粒尺寸对橡胶/金属密封副的摩擦学性能有重要影响;研究发现了影响摩擦系数和损伤机制的两个颗粒尺寸临界值;当颗粒尺寸大于临界值约75 μm时,颗粒难以穿过密封界面,但少数颗粒能嵌入到摩擦副的接触区两侧,犁削作用下的金属表面产生较深的犁沟;当颗粒尺寸介于两临界值内时,接触副两侧形成“颗粒嵌入带”,颗粒以单独或颗粒群形式嵌入到橡胶内,尽管犁削了配副金属但也起到了良好的承载作用,表现出较低的摩擦系数并减缓了橡胶的磨损;当颗粒尺寸约小于另一临界值12.5 μm时,颗粒能较自由地通过摩擦界面,对配副金属表面起到了抛光效应,但也加速了橡胶的冲蚀磨损,橡胶磨损表面呈现“突脊-犁沟-突脊”交替特征,因此工程上应尽量避免此类现象的发生.      

基于Iwan模型的接合面切向响应建模

针对工程中常见预紧力作用下的搭接接头,研究其在小幅切向位移激励时的切向位移响应问题,为此提出一种新的基于实际表面形貌和材料性能参数的滑移力密度分布函数.应用该分布函数得到搭接接头切向响应本构模型,并获得单位加载周期内的迟滞曲线和能量耗散值,通过与已出版的实验结果相对比,发现得到的模拟值与实验结果吻合,证明该模型的合理性.在此基础上利用该分布函数研究了接合面切向位移与切向力、切向接触刚度及能量耗散之间的关系,结果表明:建立的模型能很好地描述接合面间切向力与切向位移之间的关系,临界滑移力函数开始迅速上升,到达最大值后迅速收敛到零;切线力与切向位移之间表现出非线性特性,随着切向位移的增大,切向接触刚度表现出"软化"现象;初始切向刚度与法向载荷、粗糙度参数及塑性指数有关,对于确定的接触表面,法向力越大,初始切向刚度越大;初始切向刚度同样也随着塑性指数的增大而增大.     

凹坑表面形貌在面接触润滑状态下的减阻研究

设计了一套试验装置,并在面接触润滑状态下,进行凹坑表面形貌的润滑试验.结果表明,在一定的试验条件下,由于摩擦副接触面上凹坑形貌的存在,可观察到有气泡稳定存在于油膜中.气泡的存在取决于凹坑的深度和润滑油量,凹坑深度越深,润滑油量越少,稳定存在的气泡比例越高.分析可知,由于接触面中气油界面的弯月面力作用,气泡被封存于凹坑中,从而能稳定存在,因此,在乏油润滑时,在润滑油和气泡的共同承载作用下,较其他试样,摩擦力明显减小.在面接触润滑时,从乏油润滑到全膜润滑的过程中,存在着一个最优凹坑深度,在此深度时,摩擦阻力最小.通过计算分析可知,凹坑的最优深度和摩擦副间距大小相当,且理论分析结果和试验结果吻合.