基于椭圆织构优化的间隙密封液压缸摩擦性能研究

考虑织构参数对零件表面性能影响的多变性和复杂性,以间隙密封液压缸为研究对象,在液压缸的缸筒内壁构造椭圆微织构形貌,采用循环迭代法研究椭圆织构的长短轴比、椭圆率以及面积占有率等多个椭圆形状参数同时变化对缸筒表面动压润滑和摩擦性能的影响;同时在获得最优椭圆织构参数后进一步分析了液压缸与活塞间隙以及活塞运动速度对织构表面摩擦特性的影响。结果表明此种方法可以得到最优椭圆织构参数即优势区间,即当椭圆织构的长、短轴尺寸分别为a∈［0.43,0.46］mm,b∈［0.29,0.32］mm,缸筒表面产生最大动压和最佳润滑特性,且存在一个最佳间隙值(2 μm)使得织构表面油膜承载力最大,而活塞运动速度对缸筒表面的摩擦性能影响较小。     

液压缸活塞表面微织构动压润滑性能分析

以织构化间隙密封液压缸为研究背景,利用平均雷诺方程对缸筒与活塞的配合处微织构流场进行数学建模,采用有限差分法对平均雷诺方程进行离散,分别对织构形貌为球缺面、圆柱面、圆锥面、抛物面、六面体和正方体进行数值模拟,获得最优微织构形貌,同时探讨了表面粗糙度,表面方向参数和面积占有率对表面摩擦因数的影响。结果表明:六种不同形貌的微织构均能在活塞表面产生动压润滑效果,圆柱形微织构表面动压润滑性能最好;粗糙表面的粗糙峰在运动过程中能够形成动压承载力,圆柱形表面的摩擦因数随粗糙度的增加而增加,微织构的摩擦因数随表面方向参数的增加而减小,随着面积占有率的增加而减小。     

仿生织构表面对人工髋关节副动压润滑性能及减摩性分析

为提高钛合金TC4人工髋关节假体的耐磨性,从仿生学角度在钛合金关节表面设计出菱形织构.基于雷诺方程建立织构化关节表面流体动压润滑数学模型,采用有限差分法对其进行离散,通过Matlab编程进行迭代求解,获取织构表面的润滑油膜压力分布以及织构化关节表面的摩擦因数,分析织构几何参数(菱形织构对角线长度b和织构深度hp)对摩擦性能的影响规律.加工钛合金销-盘摩擦副,用激光在盘试样上加工出菱形织构,并在牛血清润滑状态下以及相同载荷和转速的条件下进行摩擦磨损试验.结果 表明:随着菱形织构参数b和织构深度hp的增加,摩擦因数呈先增加后减小的趋势.并且试验结果与数值仿真结果具有较高的一致性,在菱形织构参数b为447 μm,织构深度hp为10 μm,存在最小摩擦因数为0.14.微织构的存在可以实现流体动压润滑,提高关节副的承载力,降低摩擦因数,从而改善关节副的摩擦性能.该研究为提高人工髋关节的寿命提供理论依据.     

弹性材料表面织构对摩擦副润滑性能的影响

为了研究弹性材料表面微织构对摩擦副空化现象和润滑特性的影响,建立考虑空化效应的二维弹性织构计算模型,采用流固耦合方法计算润滑流场与材料变形之间的相互作用。对比刚性材料表面微织构,从弹性模量、滑动速度、微织构深度以及织构间距等方面分析弹性材料表面织构对摩擦副润滑性能的影响,通过实验验证模拟结果的准确性。结果表明：弹性织构摩擦副比刚性织构摩擦副摩擦因数更小,润滑性能更好;存在最优织构深度,使得弹性织构摩擦副的摩擦力最小且承载力最大;适当增大滑动速度以及织构间距可以提高弹性摩擦副的润滑性能;随着弹性模量的降低,弹性变形和油膜厚度增加,空化现象更为显著,摩擦副的润滑性能得到提升。     

粗糙度对微凹坑织构化表面摩擦学性能的影响

为了研究表面初始粗糙度和微凹坑织构共存时的表面摩擦性能,采用激光微织构加工技术在不同粗糙度的试样表面上加工出不同几何形貌的微凹坑织构,在MMW-1A摩擦试验机上进行正交摩擦学性能试验。结果表明:在混合润滑区域,表面粗糙度对摩擦性能的影响最为明显,未织构表面越粗糙,摩擦因数越小;存在合适的微凹坑几何参数与表面初始粗糙度值组合,使得织构化粗糙表面的摩擦性能达到最优;表面初始粗糙度对织构化粗糙表面摩擦性能的影响最为重要,其次为微凹坑的面积占有率,最后为凹坑深度,并且织构几何参数与粗糙度之间的交互作用对摩擦性能的影响也是不能忽视的。     

考虑空化效应的表面微凸体织构摩擦副润滑性能研究

采用数值模拟方法，分析在不同速度和不同结构参数条件下微凸体织构的摩擦副润滑过程,研究在流体润滑条件下摩擦副表面的微凸体织构诱导空化效应的规律。结果表明：增加表面之间相对运动速度、微凸体织构的宽度或高度、微织构前段和后端的角度，均能导致空化区域面积增加，〖JP2〗使诱导空化现象更加明显；空化效应的出现抑制了微凸体后端负压区压力的降低，使得摩擦副的承载能力提高；空化效应可使界面之间由液体润滑转变为局部的气体润滑，使得界面之间摩擦因数的数值明显减小；考虑空化效应时，具有微凸体织构的摩擦副的承载力比不考虑空化效应时提高了35~74倍，摩擦因数降低了97.5%~98.7%。微凸体织构诱导产生的空化效应对提升承载力与降低摩擦因数的作用，明显大于微织构形成的流体动压作用，因此可以认为微织构诱导产生空化效应是微织构摩擦表面的一种重要承载机制。     

GCr15钢微织构表面固体润滑性能研究

为研究不同表面处理方式对PTFE/GCr15钢配副表面摩擦学性能的影响,采用Nd:YAG纳秒激光器对GCr15轴承钢下试样表面进行激光织构加工,并以纳米MoS_2固体润滑剂作为润滑介质,以黏结有PTFE自润滑衬垫的圆柱销作为上试样进行对摩试验。研究发现:PTFE自润滑衬垫与微织构GCr15摩擦副在干摩擦条件下摩擦因数较低,仅为0.137,而在纳米MoS_2固体润滑剂润滑条件下,其摩擦因数进一步下降为0.123,且波动较小。通过EDS分析表明,表面微织构、聚四氟乙烯衬垫与纳米MoS_2润滑介质三者具有协同润滑减摩效应,可摩擦副表面生成一层由PTFE与纳米MoS_2材料组成的致密、平滑复合润滑膜,有效改善对摩副之间的润滑特性。研究表明,通过表面激光织构技术与固体自润滑技术(添加纳米MoS_2)的有效集成融合,可进一步改善PTFE/GCr15钢配副的润滑性能。     

方向性微孔对润滑状态转化的影响

基于平均流量模型和微凸体接触模型,研究混合润滑状态下织构表面的摩擦特性,通过数值求解得到Stribeck曲线,分析法向载荷、润滑油黏度、表面粗糙度、方向因子和倾斜角对摩擦因数及名义摩擦副间隙等摩擦性能参数的影响规律。结果表明：混合润滑条件下,随着载荷的减小或润滑油黏度的增大,摩擦因数减小,名义摩擦副间隙增大,混合润滑转变为流体润滑时的临界转速降低;随着表面粗糙度的增大,摩擦因数和名义摩擦副间隙均增大,临界转速升高;随着倾斜角的减小或方向因子的增大,摩擦因数减小,名义摩擦副间隙增大,并且倾斜角越小,临界转速越低。     

仿生织构形态对缸套-活塞环摩擦学性能的影响

为了提高缸套-活塞环的摩擦学性能,设计了一种仿生排布的菱形凹坑织构,并通过激光刻蚀技术在缸套表面进行加工;在同一转速和不同载荷下,在MWF-10往复式摩擦磨损试验机上进行试验,以探究仿生排布的菱形织构对缸套-活塞环摩擦副摩擦磨损性能的影响,并与使用阵列排布的纹理的缸套以及未经处理的原始缸套进行比较。结果表明:织构的排布形式对油膜厚度的影响较大,尤其在重载荷工况下,合理地优化排布形式能够实现较好的动压润滑效果;仿生排布的菱形织构实现了往复运动方向上纹理特征的全覆盖,能够极大程度上限制磨屑的移动并对磨屑进行收集,有效降低磨损后的表面粗糙度,从而减少磨粒磨损;仿生排布的菱形织构在各试验工况下能够有效提高油膜厚度,提升表面承载能力,实现最佳的润滑效果。     

人工髋关节织构化表面摩擦学性能研究

为研究微织构形状对人工髋关节表面摩擦特性的影响,在人工髋关节表面分别设计仿生菱形织构、圆柱形织构和圆环形织构,以雷诺方程为理论研究基础建立流体动压润滑模型,用ANSYS Fluent进行数值模拟,得到微织构表面润滑油膜的平均承载力和摩擦因数,并比较不同织构形状的摩擦学性能。结果表明：在所选织构参数、工况参数范围内,平均承载力随着面积率增大以及滑动速度的提高均呈现上升趋势,在面积率为25%、滑动速度为0.3 m/s时达到最大;摩擦因数随着织构面积率的增大而呈下降趋势,在面积率25%达到最小值,摩擦因数与滑动速度的关系则因织构形状的不同存在一定的差异;研究的3种形状微织构中,仿生菱形织构的摩擦学性能最佳。因此合理选择织构形状可以减少人工髋关节摩擦副表面间的磨损。     

Effect of laser textured dimples on the lubrication performance of cylinder liner in diesel engine

Laser surface texturing (LST) technique was utilised on a cylinder liner in a diesel engine. In order to analyse the effect of LST micro‐dimples on the lubrication and friction properties of cylinder liner–piston ring (CL–PR), we developed a new mixed lubrication model on the basis of the average Reynolds equation and asperity contacts equation. The model can consider the coupling effects between the surface roughness of non‐texturing regions and micro‐dimples and the synergistic effects of multi‐micro‐dimples. The results show that cylinder liner surface by LST can form effective hydrodynamic lubrication effect in most regions of the strokes, only near the dead points, the friction pair is in mixed lubrication state, asperity contact plays a major role in balancing the external load and the asperity friction force is obvious. The micro‐dimple parameters were optimised to obtain a better lubrication effect with the following optimised results: r_p = 30–60 µm, S_p = 0.2–0.4 and e = 0.03–0.1. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

表面形貌对活塞环密封及摩擦性能的影响

综合考虑活塞环表面形貌、弹性变形、运动面型线影响,建立柴油机活塞环-缸套摩擦副的弹性流体动压润滑计算模型,分析活塞环表面纹理方向及粗糙度大小对活塞环窜气及摩擦功耗的影响。研究发现,随着转速的提升,活塞的窜气量及摩擦功耗会加剧,导致发动机效率降低;活塞环-缸套摩擦副的表面纹理方向影响窜气量和摩擦功耗,采用活塞环横向纹理和缸套纵向纹理配合时,对活塞环窜气量及摩擦功耗的改善效果较好;活塞环和缸套的表面粗糙度对密封和润滑特性有较大影响,当缸套表面粗糙度增大时,窜气量先减小后增大,摩擦功耗先增大后减小,而在一定范围内,当活塞环表面粗糙度增大时,窜气量和摩擦功耗都减小。     

密封环圆台型织构化粗糙表面对润滑性能的影响

针对密封环接触面之间的润滑问题,基于Reynolds方程,考虑粗糙度的影响,建立在流体动压润滑状态下圆台型表面织构的数学模型,对密封环接触表面在不同织构参数、不同粗糙度参数下润滑膜压力大小及分布情况进行研究。采用有限差分法、牛顿迭代法研究不同润滑介质下,圆台型微凹坑的几何参数及粗糙度参数对润滑膜平均压力的影响,并与理论数值结果进行对比验证。结果表明:密封环端面的平均膜压随圆台型织构间距、小径的增大而减小,随织构大径的增大而增大;存在最佳织构深度使平均膜压最大;润滑介质黏度越大,密封环端面平均膜压越大;粗糙峰峰高越大,端面平均膜压越小,而粗糙峰波长对端面平均膜压的影响较小,因此粗糙峰应尽可能小;存在织构参数、粗糙度参数的最优组合使润滑膜平均压力值达到最大。     

表面粗糙度对配流副润滑特性的影响

为研究表面粗糙度对轴向液压柱塞泵马达配流副润滑特性的影响,引入Weierstrass-Mandelbort分形函数,对不同幅值的表面粗糙度的表面形貌进行二维和三维模拟,建立考虑表面粗糙度的流固热耦合下的配流副油膜润滑模型,采用中差分形式的有限差分法和松弛迭代法对其进行数值求解,并分析油膜厚度、油膜压力、油膜承载力、摩擦因数等性能参数随着表面粗糙度幅值变化的规律。通过盘-盘形式的配流盘-缸体摩擦磨损试验,得到不同幅值的表面粗糙度下配流副摩擦因数,对所建立的数学模型进行验证。数值计算结果表明,表面粗糙度幅值的增大会引起油膜承载力增大,但也会引起最大油膜压力和摩擦因数的增大,导致摩擦性能下降。摩擦磨损试验发现,表面粗糙度增大,配流盘表面摩擦磨损情况加剧,配流副润滑性能和耐磨性能整体降低。因此在配流盘表面加工处理中,应适当降低其表面粗糙度。     

不同粗糙纹理对齿轮齿条热弹流润滑的影响

将齿轮齿条的传动模型简化为圆柱与无限大平面之间的运动,建立考虑齿轮和齿条齿面粗糙纹理影响的齿轮齿条传动的热弹流润滑模型。采用牛顿流体,压力求解采用多重网格法,弹性变形采用多重网格积分法,计算得到不同粗糙纹理下的压力与膜厚,并与光滑表面进行比较,同时比较考虑热效应与等温情况下的压力与膜厚。计算结果表明:受粗糙纹理的影响,齿轮齿条传动机构的压力、膜厚和温升出现波动,最小膜厚变薄;矩形和三角形粗糙纹理表面粗糙峰和粗糙谷内都会形成局部的弹流现象,产生局部压力峰;考虑热效应时粗糙纹理表面的温升呈现波动,而压力和膜厚的波动幅度更大,考虑热效应的齿轮齿条传动机构的弹流润滑分析更符合工程实际。     

考虑粗糙度的船舶水润滑高分子轴承弹流润滑性能研究

为了揭示表面粗糙度对船舶水润滑高分子材料轴承润滑性能的影响规律,开展水润滑轴承弹流混合润滑理论研究;建立考虑内衬材料粗糙度和弹性变形的水润滑轴承混合润滑模型,并对模型进行仿真验证;分析内衬粗糙峰对水膜厚度、水膜压力分布和承载能力的影响规律。研究结果表明：在转速增大的过程中,内衬粗糙度的增大会减缓水膜厚度的增幅比,使轴承需要更高的转速来进入流体动压润滑状态;减小轴承内衬粗糙度能有效降低轴承起飞转速,加快轴承由混合润滑转变为流体动压润滑的过程,减小轴承与轴颈的局部接触,降低轴承异常振动噪声发生的可能性。研究结果揭示了内衬粗糙度变化对轴承润滑特性的影响机制,为水润滑轴承的优化设计提供理论参考。     

双唇Y形拉杆密封的密封性能研究*

建立双唇Y形拉杆封的混合润滑模型,并进行流体力学、接触力学、变形力学分析。利用MatLab软件实现对模型的求解,得到密封区域的流量、膜厚和接触压力分布,并分析不同密封件粗糙度对轴向往复双唇Y形密封圈的摩擦力矩、泄漏量的影响。结果表明:在双唇Y形往复密封中,两唇在密封过程中均处于混合润滑状态,且第一内唇处的膜厚大于第二内唇处;第二内唇静态接触压力近似于对称分布,且第二内唇最大接触压力大于第一内唇最大接触压力,表明第二内唇作为密封的第二道防线可以保证良好的密封效果;密封件粗糙度是影响矩形密封性能的重要因素,随表面粗糙度的增加,直线往复密封的摩擦力和泄漏量增大,存在一个临界粗糙度使泄漏方向改变。     

超高压斜盘式轴向柱塞泵柱塞副摩擦界面油膜固液耦合作用特性研究

作为液压传动系统核心动力元件的轴向柱塞泵,超高压化是其必然发展趋势与要求,然而超高压化会造成其中关键的柱塞副摩擦界面油膜形成显著的固液耦合作用,对柱塞副油膜的摩擦润滑与密封承载性能产生规律尚不明确的影响。为此,建立一种基于变形矩阵法的固液耦合作用求解方法,该方法基于有限容积法解算油膜流体润滑方程,基于有限元法实现摩擦界面变形计算节点规则化设置及变形矩阵精准计算,在此基础上建立柱塞副油膜弹性流体动压润滑数值计算模型,针对采用软硬配对的柱塞副63 MPa超高压工况下的摩擦界面油膜固液耦合作用特性进行研究,结果表明：固液耦合作用有助于减小柱塞副处轴向黏性摩擦力和泄漏流量,一个周期内柱塞副总周向黏性摩擦力大小基本不变但分布更为集中,导致产生了更大峰值的瞬时摩擦力;显著的结构变形产生于柱塞副摩擦界面两端局部位置处,因而对泄漏流量不造成影响,在超高压工况下经过软硬配对跑合,固液耦合作用有助于原本标准柱形铜套孔形成类似“喇叭口”的一种微观形貌,增大了柱塞与铜套孔的接触面积,增强了密封超高压油的能力,降低了接触应力。建立的模型及研究结果可为轴向柱塞泵超高压化设计提供指导。