基于ANSYS的滑动摩擦热结构耦合分析

利用ANSYS有限元软件分析了在摩擦热和力场的耦合作用下,材料摩擦表面滑动接触区的局部温度变化、应力变化等特性.结果表明:在摩擦滑移过程中,磨损表面相当于接受固定热源作用,接触区温度逐渐上升,温度存在起伏波动现象,温度最高点在接触面中线区域,温度从接触面向四周呈递减趋势,而且温度梯度越来越小;同时,接触应力、摩擦应力也发生变化.滑动过程的热效应问题研究将有助于揭示接触过程中材料表面磨损机理.     

高速切削典型难加工材料刀具摩擦与磨损机理研究现状

钛合金、镍基高温合金的低导热性、高化学活性引起高速切削过程中刀-屑接触区域温度高、工件材料与刀具亲和力强,刀具磨损严重,加工效率低,属于典型的难加工材料.针对这类典型难加工材料中刀具摩擦与磨损严重的问题,在论述高速切削刀-屑接触区摩擦特性研究现状的基础上,分析了刀具磨损机理、刀具切削性能、以及冷却润滑对刀具摩擦磨损行为...     

关节轴承中微凸体的热分析

为研究关节轴承内外圈摩擦副上微凸体在相对滑动过程中的摩擦热问题,建立半球状微凸体相对光滑平面滑动的模型,对点热源导致的温升进行积分,计算关节轴承内外圈在微凸体接触面处的稳态温升分布. 分别计算微凸体在弹性接触与塑性接触状态下接触面的稳态温升分布,并研究了在不同角速度和载荷下接触面沿速度方向的温升变化. 给定在一定范围内变化的载荷及速度,分别计算绘制出了两种不同型号关节轴承中的微凸体在接触区的最大闪温图. 计算结果表明:内圈微凸体在接触区的温升是对称分布的,最大温升位于接触面的中心点,外圈接触区后沿的温升大于前沿的温升,最大温升出现在中心点偏后沿的位置. 轴承角速度或微凸体载荷越大,接触区的温升越大. 在低速重载工况下,微凸体的最大闪温值较小;而在高速情况下,微凸体的最大闪温值较大. 关节轴承在工作时应注意载荷和角速度的控制,防止因微凸体摩擦生热过多从而造成轴承使用性能受损.     

燃机端面齿微动磨损分析及数值仿真

运用Archard磨损定律以及接触力学理论,研究了燃机端面齿楔形接触面在不同交变载荷力作用下接触面接触压力、接触宽度、间隙量、滑移量等接触特征参数随磨损过程的变化发展规律.结果表明,接触齿面的磨损是由于接触面间反复的相对滑动、磨损导致了接触面几何形貌以及接触压力的改变,这些因素又反过来影响磨损过程.各参数具有时间依赖性...     

聚四氟乙烯填充PA1010的摩擦磨损性能研究

以注塑成型法制备了聚四氟乙烯(PTFE)填充PA1010复合材料,利用M-2000磨损试验机测试了该复合材料与GCr15轴承钢对摩时的摩擦磨损性能,并用扫描电子显微镜(SEM)观察了试样磨损表面形貌.结果表明:PTFE填充PA1010可显著改善尼龙复合材料的摩擦磨损性能.w(PTFE)为25%时,复合材料的摩擦学综合性能最佳.复合材料的摩擦系数和磨损体积随施加载荷、滑动速度的增加分别呈现降低和增加的趋势.在200 N载荷下,复合材料磨损主要为磨粒磨损;在400 N载荷下,磨损表现为黏着磨损和磨粒磨损共同作用.在滑动速度为0.21 m/s时,材料摩擦表面因挤压发生塑性流变,其磨损机理为磨粒磨损;在滑动速度为0.84 m/s,复合材料因热疲劳和应力疲劳发生剥层,磨损机理转变为疲劳剥层磨损.     

硫化温度对纸基摩擦材料性能的影响

采用造纸工艺制备了一种湿式纸基摩擦材料,研究了硫化温度对材料耐热性、动摩擦因数、摩擦力矩、磨损率、磨损表面微观形貌的影响.研究结果表明:硫化温度高于或低于160℃时,材料的耐热性能减弱,树脂和竹纤维的热分解较为严重,热磨损主要影响着材料摩擦磨损性能的稳定;160℃时,材料的磨损较小,磨损表面平整致密,在循环制动中动摩擦系数波动性较小,摩擦力矩的变化较平稳,降低了制动的噪音.     

考虑摩擦热的弹塑性平面接触应力及塑性应变分析

研究了降低表面接触摩擦热对材料失效和零件寿命的影响.应用Fortran编程语言对弹塑性表面接触中产生的热应力进行了计算,分析了接触表面温度分布及摩擦热对接触表面压力分布、表面下米塞斯应力场及塑性应变的影响.分析结果表明:随着表面摩擦热流的增加,表面上最大接触压力逐渐变大,而表面下最大应力值逐渐减小,最大应力区域逐渐向接触表面上移动.接触表面温度的大小随滑动速度的提高而升高,且最高温度点的位置随滑动速度的提高缓慢向滑动速度方向偏移.     

高温下氮化硅的摩擦学性能研究

利用球—盘摩擦副滑动磨损试验机，从常温到1000℃之间的5个阶段温度范围内考察了氮化硅的摩擦磨损特性以及磨损机理，并利用扫描电子显微镜观察和分析了氮化硅表面所形成的氧化层对摩擦和磨损特性的影响。结果表明：摩擦系数随载荷增加而减少，但主要受温度的影响；在常温下，磨损率随滑动距离的增加而下降，在载荷为29．4N下，温度从常温增加到1000℃时磨损率增加了292倍；常温～750℃之间磨损机理主要表现为脆性破坏，750～1000℃之间随温度的上升磨损主要受表面氧化的影响。     

棉精纺钢领的失效分析

本文主要通过扫描电镜对纺纱机钢领的磨损面进行表面形貌观察和研究,並结合钢领的工作条件分析,认为钢领失效主要是以显微点蚀或浅坑为特征的粘着磨损和表面疲劳磨损在温度场和应力场的不断作用下发展到一定深度和达到一定数量后引起的。文中结合钢领工作条件与磨损面形貌初步讨论了温度,应力等条件对磨损的影响。指出干摩擦条件使钢领工作面温度升高产生粘着磨损而出现撕脱坑,在其内表面还有以氧化裂纹为特征的氧化膜;同时干摩擦、纯滑动和高周低应力条件使疲劳裂纹产生于表面並向里扩展到一定深度形成浅坑。认为钢领工作表面的正常磨损形式表现为轻微磨损、涂抹和擦伤。並指出钢领作定期水磨处理不仅有利于跑合,同时可改善因粘着磨损、表面疲劳磨损造成的不良表面状态,对延长使用寿命有利。通过用气体碳氮硼和液体氰化两种热处理工艺处理的钢领进行性能及装机对比试验后认为金相组织、表面残余应力状态、表面硬度和表层硬度坡度将是影响钢领使用寿命的重要因素。     

QPQ表面疏松层纯磨损试验研究

在M-2000型磨损试验机上进行纯磨损试验,研究了QPQ表面改性层在浸油擦干后的滑动干摩擦磨损过程。根据磨损曲线和摩擦系数的变化,发现其摩擦磨损过程存在一个干摩擦向边界摩擦过渡的亚稳定阶段,稳定阶段的磨损率和摩擦系数仅为未浸油干摩擦磨损试验时的三分之一。利用SEM分析各阶段磨损表面形貌,QPQ表面改性层磨合阶段的主要磨损机理为黏着磨损,亚稳定和稳定阶段对应的磨损机理为显微切削和划伤。试验结果表明,QPQ表面改性层外表面存在一定程度的疏松层可以储存润滑油,降低摩擦因数,避免或减轻了黏着磨损及磨粒磨损。     

Molecular Dynamics Simulation on Friction and Thermal Propertiesof FCC Copper in Nanoscale Sliding Contacts

面心立方单晶铜纳观滑动接触摩擦性能与热特性的分子动力学研究

佟瑞庭¹,韩宾²,张涛³,权泽芬⁴,刘更¹

(1. 西北工业大学 陕西省机电传动与控制工程实验室,西安 710072;

2.江苏自动化研究所,江苏 连云港 222061;

3.中国运载火箭技术研究院,北京 100076;

4.上海飞机设计研究院,上海 200232)

摘要：

在纳观滑动接触过程中,粘着效应和粘着力占主导地位,导致滑动接触表现出很高的摩擦力。绝大部分的摩擦功转化为摩擦热,而摩擦热会使纳米材料变软,并进一步影响摩擦行为,因此研究纳观滑动接触的摩擦性能与热特性具有重要意义。本文建立一个刚性圆柱压头与一个弹性基体纳观滑动接触问题的分子动力学模型。研究了不同滑动速度和不同压头半径情况下,基体的热特性以及摩擦行为。结果表明：在低速滑动时,摩擦力的波动主要是材料的熔化-凝固造成的,而在高速滑动时,材料的熔化是摩擦力降低的主要原因。随着滑动速度的增大,平均摩擦力先升高后降低,而基体的平均温度随滑动速度的增大而升高。增大压头的半径使基体温度有很大的提升,但压头半径对摩擦力的提升效应与高温对摩擦力的降低作用相互耦合,使得摩擦力仅呈现出较小程度的提高。

关键词：分子动力学;摩擦性能;热特性;纳观滑动接触

     

Effect of friction heat on tribological behavior of M2 steel against GCr15 steel in dry sliding systems

The tribological behavior depends significantly on friction heat under high sliding velocity. Many factors influence the conduction rate of friction heat, such as thermophysical properties of the pairs, the formation components of interface-film, environ- ment mediums, etc. Through theoretical and experimental studies on surface temperature, the heat partition approaches have been applied to the pairs of M2 steel against GCr15 steel to compare and discuss their tribological behavior in dry sliding contact. The re- sults indicate that the values of the contact pressure have little effect on the heat partition at a high sliding velocity of 40 m/s. Fur- thermore, the degree of correlation between the dynamic temperature and friction coefficient is obvious, and the correlation degree of parameters increases as the pressure grows. A close correlation exists among the temperatures measured from different points of the pin specimen. At last, X-ray diffraction analysis denotes that the carbides of secondary M6C are separated out during the process of friction.     

提升机盘形制动器无石棉闸瓦的摩擦性能

为寻求导致矿井提升安全事故的深层次原因,探究了目前在提升机盘形制动器上广泛应用的无石棉闸瓦摩擦性能.采用XDZ-A型摩擦材料制样机、X-DM型调压变速摩擦实验机等制备闸瓦试样、开展模拟提升机盘形制动器实际使用工况与环境的摩擦实验,系统研究了名义接触压力、滑动速度和温度等对无石棉闸瓦与16Mn钢摩擦盘对摩时所表现出来的摩擦学行为的影响.实验结果表明:在接触表面间温度基本不变的情况下,摩擦因数随名义接触压力的升高而增大,随滑动速度的增加而减小,但滑动速度对摩擦因数的影响大于名义接触压力的影响;摩擦因数随温度的升高而降低,在300℃左右,下降比较明显;在降温实验过程中,摩擦因数随温度的降低而增加,但其在不同温度下的值比升温过程中对应温度下的值要小.因此,在研发、设计提升机制动装置时,不能把闸瓦摩擦因数看成定值,必须充分考虑制动工况对闸瓦摩擦性能的影响.     

干气密封摩擦副启停阶段摩擦特性的仿真研究

针对干气密封非稳态下摩擦特性对密封性能的影响进行研究,考虑动、静环材料属性,微凸体之间的相互作用以及摩擦热流耦合,建立了三维粗糙实体与理想光滑刚体滑动摩擦热力耦合模型。运用ANSYS软件数值模拟了摩擦热以及应力变化规律。研究发现,粗糙表面最高接触温度随滑动时间增加呈逐步上升趋势,并且温升呈 现了一定的波动性;粗糙表面的VonMises等效应力分布极其不均匀呈非线性变化;同时,还发现最大x 方向应力分量σxx 并未出现在最高接触微凸体上;在沿三维粗糙实体厚度方向存在一拉应力区,随着滑动时间的持续,拉应力区有一定程度扩大。从而说明两端面间的温升和波动性以热传导为主要影响因素,应力的变化是由于微凸体发生了弹塑性变形。研究成果为今后干气密封启停阶段特性研究以及参数优化奠定了基础。     

机械零件摩擦热力学系统的分析

两机械零件相互接触，并发发生相对滑则出现摩擦，导致两摩擦表面的材料不断损失，即员，同时也使材料表面的温度升高。因此，摩擦、磨损和温升往往是同时出现。研究三乾的关系，对于减少机械零件的摩擦，控制其磨损，降低接触部位的温升是十分有益的。本文自热力学第一定律出发，建立了上述三者的定量关系，并分析了不同摩擦状态下各量的相互影响。     

温度场中冻土接触的蠕变边界单元模型

讨论了接触问题的发展状况.基于临界边界单元法,研究温度场中具有蠕变效应的冻土接触载荷传递问题.分析表明,冻土接触体的能量耗散含在滑动域内切向位移中并进行传递,接触位移区域状态通过热荷载历程进行控制.建立了用于冻土热蠕变分析的增量关系及边界单元法格式.并给出了接触位移和接触力的基本分析结果,并对此进行了讨论.     

超声红外无损检测中复合材料裂纹发热分析

为了定量分析超声红外无损检测中复合材料裂纹面之间接触、碰撞、摩擦等相互作用引起的发热现象,建立超声激励下复合材料微裂纹板热传导的显式瞬态动力学有限元模型,并由此获得沿裂纹剖面的温度场分布图,从而证明对含裂纹缺陷的复合材料进行超声波激励相当于对裂纹进行选择性加热,缺陷处温升幅值大小与初始温度场无关。研究结果显示采用平衡主-从接触算法和整体-局部接触搜索算法可有效模拟裂纹缺陷在超声波激励下的接触、滑移及摩擦等相互作用机理,揭示复合材料局部微裂纹的发热及热传导规律。     

蚯蚓体表与土壤接触界面动态行为仿真

应用离散元软件PFC2D建立了蚯蚓波纹体表与土壤界面动态行为仿真模型,对比分析了光滑和波纹试样的接触界面、接触力场和接触颗粒数以及滑动阻力,得出:当波纹表面的摩擦力与土壤颗粒对波纹凸起处的向后推力之和小于光滑表面的摩擦力时,波纹表面起到减阻作用;如果土壤颗粒对波纹表面凸起处的向后推力过大,波纹会起到增加阻力的作用。另外,试样运动时,波纹表面比光滑表面对土壤的扰动大。随着垂直载荷的增加,波纹表面和光滑表面的滑动阻力均增加,且波纹表面的降阻效果减弱;随着前进速度的增加,2种试样滑动阻力的增加,但波纹表面的滑动阻力的增长小于光滑表面,即速度高时波纹表面降阻明显。结果表明:蚯蚓非光滑表面的减阻能力与接触界面特性和外部条件有关。研究结果可为揭示非光滑表面的减阻机制提供研究方法和参考。     

面齿轮啮合过程中齿面温度仿真

齿面温度及其变化是计算轮齿变形和判断齿轮是否胶合的主要依据。根据面齿轮传动以及传热学的基本原理,通过对面齿轮啮合接触区进行分析,运用表面温度法,介绍了面齿轮点接触区润滑数学模型、油膜厚度方程和油膜能量方程,建立了面齿轮传动的齿面瞬时接触温度的计算方程。研究了啮合齿面间的接触应力、齿面相对滑动速度以及齿面间的摩擦系数等相关参数的计算。对面齿轮传动的啮合过程中不同啮合位置时,齿面温升进行有限元分析,研究面齿轮齿面温度的分布规律,为面齿轮的设计提供有效的理论依据。     

机械转动在机械能助渗铝技术中的作用

机械能助渗铝技术是通过机械能与热能相结合,可以明显降低渗铝的温度与保温时间的一种先进工艺方法. 研究结果表明：机械能助渗铝在600℃下保温3h可以得到100μm以上的渗铝层;机械能助渗铝过程中由于滚筒持续的机械转动增加了渗铝剂与试样表面之间、渗剂内各组分之间的接触几率. 颗粒与试样之间的摩擦能净化试样表面,增强表面活性,加快铝原子在试样表面的反应形核速率;由颗粒冲击而形成的大量晶体缺陷降低了扩散激活能,因此可以在较低温度下形成扩散层.