机械系统摩擦动力学研究进展

摩擦环节对机械系统动力学行为有重要、甚至可能是关键的影响. 深入研究摩擦及摩擦动力学特点,对于解决机械系统中摩擦带来的不利影响, 发挥其有利作用, 是非常重要的. 本文介绍和评述了机械系统摩擦动力学的研究进展, 包括常用的摩擦模型及其特性, 摩擦系统自激振动、强迫振动和摩擦振动控制等. 除理论研究方法之外, 重点讨论了制动噪声振动、摩擦耗能和多领域摩擦振动控制等摩擦动力学的应用研究.     

层片式复合材料摩擦性能与表面形态的研究

粉末冶金材料摩擦面上多组分的混合以及第三体的存在,不利于澄清材料中不同组分对摩擦性能的贡献程度.本文采用机械组合方法制备了铜-钢-铝层片式摩擦材料,通过定速摩擦试验机,在干、湿两种条件下,观察了3种组分的摩擦表面微结构随摩擦速度的变化过程,测试了不同条件下的摩擦性能.结果表明:铜良好的塑性和焊合性,易形成与基体黏附性良好的第三体,使表面的粗糙程度增加;钢较高的强度及其氧化物的脆性,形成的第三体流动性好且与基体的结合强度有限,容易发生开裂和脱落;铝形成的富氧化铝的第三体,其颗粒间较差的黏合程度易在表面弥散分布,使表面平整度好.在摩擦速度低于900 r/min条件下,水分的润滑作用使湿摩擦条件下的摩擦系数低于干摩擦;摩擦速度高于900 r/min时,水分的冷却和清理微细第三体颗粒的作用,降低了材料的软化程度和第三体的流动性,使湿摩擦系数大于干摩擦系数.     

四种不同形状微粒的摩擦学性能研究

为了减少润滑液对石油的依赖,发展环境友好水基润滑液,本文通过在蒸馏水中加入螺旋藻、白葡萄球菌、寡核苷酸和丝素四种水溶性微粒来改善水的摩擦学特性.采用原子力显微镜和扫描电子显微镜对螺旋藻、白葡萄球菌、寡核苷酸和丝素进行结构表征;采用微摩擦试验仪对蒸馏水和四种水基润滑液摩擦性能进行了评价,采用流变仪对其流变性进行了评价.结果表明:1螺旋藻结构为螺旋状,白葡萄球菌为球状,寡核苷酸和丝素为线状;2螺旋藻的减摩效果最好,白葡萄球菌次之,最后是寡核苷酸和丝素;随着载荷增大蒸馏水摩擦系数减小,四种水基润滑液摩擦系数均增大;随着滑动速度增大摩擦系数均减小;3蒸馏水中添加微粒后仍为牛顿流体,但黏度增大.通过对机理进行分析,认为螺旋藻减摩效果最好是由于表面的螺旋结构能够产生足够大的滑动摩擦力,容易克服滚动阻力偶使微粒滚动起来;载荷增大四种水基润滑液摩擦系数均增大是微粒滚动阻力偶增大造成的;滑动速度增大四种水基润滑液摩擦系数均减小是微粒聚集体逐渐被分解造成的.     

碳基和氮化物基涂层的摩擦-腐蚀交互行为的原位研究

海洋装备大量关键金属运动部件同时承受摩擦与腐蚀作用,其表面防护涂层在海水环境下的抗磨擦-腐蚀性能成为考察涂层性能优劣的关键.本文中采用摩擦-腐蚀试验机原位实时监测了DLC、Cr-DLC、Cr N与Ti N四种涂层与氧化铝陶瓷摩擦副在人工海水环境下的开路电位和摩擦系数等腐蚀-磨损特性,并采用动电位扫描法测试了四种涂层在腐蚀和摩擦-腐蚀过程中的电化学行为,综合分析了涂层在海水介质中的磨损-腐蚀交互机制.研究结果表明:非晶结构的碳基涂层在海水介质中具有优异的抗腐蚀和抗摩擦-腐蚀性能,其中金属铬的掺入能够进一步提高DLC涂层的抗摩擦-腐蚀性能;而氮化物基涂层的粗大柱状晶结构显著削弱了其在海水环境中的抗摩擦-腐蚀性能.     

表面形貌变形对塑性成形滑动接触界面摩擦的影响

为了更好地理解塑性成形滑动接触界面的摩擦行为,构建了一种新型的摩擦试验装置,运用表面纹理化技术制备了两类表面形貌的1050铝材试件,在不同的接触压力和滑动速度条件下进行一系列拉伸摩擦试验.对试验前后试件三维表面形貌进行了测量;提取真实接触面积比、封闭空体面积比和开放空体面积比等三维表面参数,来描述试件表面形貌的变化.试验发现:摩擦系数随名义接触压力和滑动速度增加而逐渐减小;试件初始表面形貌对摩擦有明显的影响;试件表面形貌和参数随接触条件出现了规律性变化.基于机械流变模型的分析表明:随着试件表面形貌变形,不同的机理决定界面摩擦行为,摩擦系数对名义接触压力和滑动速度的依赖性可分别归因于微观塑性流体动压润滑效应和入口区流体动压牵引效应.     

摩擦接触问题的比例边界等几何B可微方程组方法

摩擦接触问题是计算力学领域最具挑战性的问题之一,接触系统的泛函具有非线性、非光滑的特点,导致接触算法的收敛性与精确性难以保证.因此将比例边界等几何分析(scaled boundary isogeometric analysis,SBIGA)与B可微方程组(B dierential equation,BDE)相结合,提出了求解二维摩擦接触问题的比例边界等几何B可微方程组方法.在比例边界等几何坐标变换的基础上,通过虚功原理推导了关于边界控制点变量的接触平衡方程,表示成B可微方程组形式的接触条件可被严格满足,求解B可微方程组的算法的收敛性有理论保证.此比例边界等几何B可微方程组方法(SBIGA-BDE)只需在接触体边界进行等几何离散,使问题降低一维,能精确描述接触边界,并可通过节点插入算法进行真实接触区域的识别.此外,由于几何建模和数值分析使用相同的基函数,节约了划分网格的时间.以赫兹接触问题和悬臂梁摩擦接触问题为例,通过与解析解及数值计算软件ANSYS计算结果进行对比,验证了该方法求解二维摩擦接触问题的有效性及高精度等特点.      

镍基自润滑涂层的摩擦学性能

镍基自润滑复合粉末(NiCrMoAl-Ag-BaF_2/CaF_2)采用高能球磨结合喷雾造粒法制备,镍基自润滑涂层利用等离子喷涂技术制备.涂层摩擦磨损性能利用HT-1000型销-盘摩擦试验机在不同摩擦速度(0.2~1.0 m/s)及不同试验温度(25~800℃)条件下测试.涂层微观组织、物相组成及摩擦磨损机理利用SEM、EDS和Raman等表征分析.结果表明:在25℃到800℃,涂层的摩擦系数随着温度的增加呈先增加后降低的趋势,400℃时摩擦系数达到最高值0.37;800℃时摩擦系数降至最低值0.17.涂层摩擦系数随摩擦速度的增加呈现先降后增的趋势,0.8 m/s时摩擦系数最低,约在0.17~0.29范围内;1.0 m/s时摩擦系数升高至0.20~0.27范围内.涂层优异的自润滑性能得益于软金属Ag的低剪切性,以及600~800℃范围内BaF_2/CaF_2、Ag与钼酸盐、铬酸盐等高温产物的协同润滑效应.     

电控摩擦离合器的初步实验研究

以十二烷基磺酸钠水溶液作为润滑液,以石墨作为辅助电极,以氮化硅／黄铜摩擦片组成摩擦副,考察了自行研制的电控摩擦离合器试验台的工作特性及摩擦力矩对外加电场响应特性。结果表明,当外加电压从OV增加到20V时,电控摩擦离合器的摩擦力矩增大约2倍,摩擦力矩随外电压变化的响应时间约为3s。据此可以认为,电控摩擦技术可望应用于摩擦传动装置。     

TiB2增强Al2O3陶瓷刀具高速干切削摩擦磨损性能

采用TiB2增强Al2O3陶瓷刀具对淬硬钢进行高速干切削试验,利用切削高温作用下的摩擦化学反应,在刀具表面原位生成具有润滑作用的反应膜,从而实现Al2O3/TiB2陶瓷刀具的自润滑.结果表明:低速干切削时,Al2O3/TiB2陶瓷刀具的磨损机制主要表现为粘着磨损和磨料磨损;而在高速干切削时,刀具的磨损机制主要表现为氧化磨损,刀具表面经由氧化反应生成具有润滑作用的反应膜而起到固体润滑作用,从而使刀具的耐磨性能提高,随着TiB2含量和切削速度的增加,反应膜的减摩抗磨作用增强;而在切削区通入氮气时,由于刀具表面氧化膜形成受阻,刀具的抗磨能力有所降低.     

不同年龄段天然牙的摩擦磨损行为研究

采用往复滑动摩擦磨损试验台考察了不同年龄段的天然牙同钛合金配副时的摩擦学性能.结果表明:天然牙的摩擦磨损行为同年龄密切相关,早期和中期恒牙的摩擦磨损行为相似,磨损表面主要呈现轻微擦伤迹象,中期恒牙的抗磨性能最佳;乳牙及晚期恒牙的摩擦系数变化波动较大,抗磨性能不佳,磨损表面主要呈现严重犁削和剥落特征.