凹槽型织构对钻头滑动轴承表面摩擦学性能影响分析

基于雷诺方程建立表面织构化滑动轴承润滑理论模型,探究不同织构参数(分布角度、深度、面积比、偏斜角度、长度)对钻头滑动轴承承载力和摩擦因数的影响规律.在油膜收敛和最小油膜厚度附近区域布置织构,有利于增加轴承表面润滑性能,而织构布置在油膜发散处反而会减小轴承承载力,增大摩擦因数.织构的最佳织构深度与轴承的工况相关,不同偏心率条件下最优织构深度不同,轴承所承载的载荷越大,凹槽型织构化轴承的最佳织构深度越深;摩擦因数随织构面积比的增加先增大后减小,当面积比为18％时,摩擦因数最小.织构深度对织构偏斜角度的影响较小,轴承摩擦因数随偏斜角度的增加逐渐减小;织构长度为轴承宽度的1/2时,轴承润滑效果最佳.     

微凹槽织构化表面在往复运动条件下的摩擦学特性

采用自主研制的激光微织构加工设备在45#钢试样表面制备出具有不同间距和夹角的微凹槽织构,在UMT-Ⅱ摩擦试验机上进行往复运动摩擦学性能试验。结果发现:在富油润滑条件下,当载荷较低、速度较大时,微凹槽织构具有较好的润滑减摩效果,织构面的平均摩擦因数最大比未织构面下降超过60%;凹槽夹角对摩擦因数的影响受载荷大小的影响,在给定的在载荷下,存在最优的夹角使摩擦因数最小;在其他几何参数相同的情况下,存在最优的槽间距使得平均摩擦因数达到最小,且最优的槽间距基本不受载荷大小的影响。     

表面织构对径向滑动轴承静态特性的影响

利用p-θ质量守恒算法研究表面织构对径向滑动轴承静态特性的影响,建立椭球形织构模型,分别讨论特殊椭球形织构半径、数目、深度和分布位置等对滑动轴承承载力、摩擦力和摩擦因数的影响。结果表明:与光滑表面轴承相比,在轴瓦表面合理分布部分织构能提升轴承润滑性能,使轴承承载力增大、摩擦力和摩擦因数减小;全织构对轴承润滑性能有消极影响,使轴承承载力和摩擦力减小,摩擦因数增大。织构半径、数目、深度等参数对滑动轴承润滑性能都有重要影响;织构周向分布在180°～360°比分布在0°～180°更有益于提升轴承性能;在较高偏心率下,织构对轴承润滑性能的提升不明显。     

凹槽结构对水润滑微凹槽尾轴承润滑性能的影响

为研究仿生表面织构占比和宽度对尾轴承润滑特性的影响，基于柔度矩阵法和润滑理论，计入内衬弹性变形，建立表面微凹槽织构水润滑尾轴承的流固耦合模型，通过试验验证模型的正确性和合理性。设计矩形、圆形、等腰三角形3种不同截面形状的微凹槽表面织构水润滑尾轴承，对比分析凹槽占比和宽度对尾轴承承载力和摩擦性能的影响。结果表明：在同等条件下，局部凹槽尾轴承承载力和摩擦性能显著优于全局凹槽尾轴承；凹槽占比约为0.31时，矩形微凹槽尾轴承承载力达到最大值，摩擦因数达到最小值，因此在设计、使用水润滑尾轴承，尤其是赛龙内衬水润滑尾轴承时，建议凹槽占比取值为0.30~0.32，此时可获得最佳润滑性能；随凹槽宽度的增大，局部矩形凹槽尾轴承润滑效果显著优于等腰三角形和圆形凹槽尾轴承。     

表面微织构影响点接触润滑摩擦性能的实验研究

针对球-盘高副点接触开展微织构表面摩擦学性能实验研究。采用激光工艺在试样表面上加工出具有一定形状、深度和面积比的矩形微织构,采用三维表面形貌仪测量微织构的形貌特征,在摩擦磨损实验机上进行摩擦学实验,研究往复运动模式下微织构深度、间距等参数对球-盘点接触润滑摩擦性能的影响。结果表明:较浅的微织构具有相对较小的摩擦因数;较高频率下微织构表现出较好的润滑和减摩效果;沿运动方向的微织构间距增大,摩擦因数逐渐降低,超过Hertz接触直径之后,摩擦因数变化不明显;垂直于运动方向微织构边长增大,摩擦因数呈现先减小后增大的变化趋势。     

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。     

表面织构凹槽对径向滑动轴承润滑性能的影响

以有限宽径向滑动轴承为研究对象,将轴承承载力最大化和摩擦因数最小化作为优化目标,在轴承表面轴向方向分别设计加工矩形和斜向抛物线凹槽织构,以最大程度地提高轴承的承载力,减小摩擦因数。将凹槽几何参数(凹槽数目N、凹槽相对深度H_d、偏斜角度α、织构率T)作为变量,求解不同变量下的Reynolds方程得到油膜承载力。数值结果表明,具有凹槽织构的轴承承载力大于未织构轴承,摩擦因数小于未织构轴承;随着凹槽相对深度Hd、织构率T的增加,轴承承载力增加,摩擦因数减小;抛物线凹槽织构率T在40%~50%时,承载力取得最优值。     

人工髋关节球形凹坑微织构表面摩擦学性能研究*

为改善人工髋关节表面的摩擦学性能,在人工髋关节表面设计球形凹坑微织构;建立人工髋关节微织构表面的流体动压润滑模型,利用CFD软件ANSYS Fluent对微织构表面流体动压进行数值分析,得到摩擦副表面相对滑动时产生的油膜平均承载力以及摩擦因数,并分析表面微织构参数对摩擦学性能的影响。结果表明:在给定的织构参数范围内,平均承载力随深径比的增加呈现出先降低后升高再降低的趋势,随面积密度的增加呈先升高再降低的趋势;摩擦因数随深径比和面积密度增加的变化趋势与平均承载力相反;织构的最优参数分别为深径比0.06,面积密度25%。因此,在人工髋关节表面设置合适参数的球形凹坑微织构可以提高油膜平均承载力和降低摩擦因数,从而起到减小关节的摩擦磨损提高人工关节使用寿命的作用。     

微织构光固化填充h-BN的巴氏合金表面摩擦学性能

为了提高巴氏合金在油润滑条件下的摩擦学性能,在巴氏合金表面加工凹坑微织构并利用光固化填充方法填充六方氮化硼(h-BN)固体润滑剂,制备出h-BN与表面微织构相结合的复合润滑结构。研究复合润滑结构在油润滑条件下的摩擦学性能及其减摩润滑机制。结果表明：复合润滑结构的摩擦学性能远高于未织构面和纯织构面;当凹坑微织构直径较小时,织构密度为10%～20%时,复合润滑结构摩擦因数较小,而凹坑直径较大时,随着织构密度的增加,复合润滑结构摩擦因数逐渐减小;当织构密度小于20%时,凹坑直径较小的复合润滑结构摩擦因数小,当织构密度达到30%时,随着凹坑直径的增加,复合润滑结构摩擦因数减小。复合润滑结构能够改善巴氏合金表面摩擦学性能,是因为h-BN固体润滑剂的释放在巴氏合金表面形成了固体润滑薄膜,避免了润滑油膜较薄处的巴氏合金表面直接与45钢表面接触,且释放h-BN固体润滑剂后的微织构凹坑可以起到收集磨粒,储存润滑油的作用。     

沟槽型织构摩擦学性能模拟及试验研究

为揭示沟槽型织构的摩擦学特性,以沟槽型表面织构化的止推圈式摩擦副为研究对象,基于雷诺方程和微凸体接触方程建立微沟槽织构混合润滑理论计算模型,模拟摩擦因数随沟槽面积占有率、角度和深宽比的变化规律,并由摩擦性能试验验证其准确性。在假设面积占有率和角度两个参数互不干涉的前提下,模拟两者共同作用下摩擦因数的变化情况。结果表明,经过表面沟槽织构后,摩擦副的摩擦学性能得到了明显改善;摩擦因数随沟槽面积占有率和深宽比的增加呈现先减小后增大,随角度的增加呈现先减小后增大再减小的趋势;当沟槽与运动方向夹角为65°～70°,宽度为30μm,深宽比为4/15,面积占有率接近8%时,摩擦副具有最佳摩擦性能,相对于未织构情况,摩擦因数可降低约55%。     

组合型微织构化铝合金表面的摩擦学性能研究

为改善铝合金的摩擦学性能,运用有限元方法对单一方形凹坑、条形凹槽、方形凹坑和条形凹槽组合3种不同形貌织构摩擦副间润滑油膜承载能力进行仿真分析,并探究不同织构尺寸对油膜承载能力的影响。仿真结果表明：方形凹坑和条形凹槽组合织构润滑油膜承载能力最佳。采用脉冲Nd:YAG激光器在铝合金试件表面加工出具有规则形貌的方形凹坑和条形凹槽组合的织构阵列,借助CFT-I型高速往复摩擦磨损试验机进行摩擦试验,研究织构几何尺寸对摩擦副接触面间摩擦学性能的影响规律,并利用超景深显微系统对试件磨损表面的形貌进行观测。试验结果表明：组合织构化表面的平均摩擦因数与无织构表面相比明显减小,且波动幅度较小;当织构尺寸为80μm时,织构表面的摩擦因数最小,且试验得到的基体表面磨痕深度随织构尺寸的变化规律,与仿真计算得到的润滑油膜升力系数的变化规律相吻合,为微织构参数设计提供了一定的理论依据。     

表面织构在脂润滑条件下的摩擦性能研究

采用声光调Q二极管泵浦Nd:YAG激光加工系统在H13钢表面加工出不同密度的织构,以润滑脂作为润滑剂,利用MMW-1A型微机控制万能摩擦磨损试验机考察表面织构在不同载荷、不同转速条件下的摩擦磨损特性。实验结果表明:在脂润滑条件下表面织构能有效改善摩擦副表面的摩擦性能;与光滑无织构试样相比,表面织构试样的摩擦因数显著降低;一定范围内,随着织构密度的增加,平均摩擦因数呈现出先减小后增大的趋势,且织构密度为10%时的平均摩擦因数最小,最小平均摩擦因数为0.18,较光滑无织构试样减小32.23%;摩擦因数随着试验载荷的增大而减小,但随着转速的增加呈现出先减小后增大的变化趋势。     

凹槽型织构化径向轴承的润滑性能研究

在径向滑动轴承表面设计轴对称分布的矩形凹槽织构,基于雷诺方程建立其有限长径向滑动轴承动压润滑模型,研究织构参数对滑动轴承承载能力和摩擦阻力系数的影响。结果表明：带矩形凹槽的全织构轴承相对光滑轴承具有更好的承载性能,但织构对摩擦阻力系数的降低影响微弱;随织构宽度的增大,承载力增加,但相应的摩擦阻力也会随之增大,存在最优织构宽度使轴承在较小的摩擦力下,获得更大的承载力。矩形凹槽的参数对轴承润滑性能具有重要的影响,合理选用参数可以明显改善轴承润滑性能。     

凹槽型织构化径向轴承的润滑性能

在径向滑动轴承表面设计轴对称分布的矩形凹槽织构,基于雷诺方程建立其有限长径向滑动轴承动压润滑模型,研究织构参数对滑动轴承承载能力和摩擦阻力系数的影响。结果表明:带矩形凹槽的全织构轴承相对光滑轴承具有更好的承载性能,但织构对摩擦阻力系数的降低影响微弱;随织构宽度的增大,承载力增加,但相应的摩擦阻力也会随之增大,存在最优织构宽度使轴承在较小的摩擦力下,获得更大的承载力。矩形凹槽的参数对轴承润滑性能具有重要的影响,合理选用参数可以明显改善轴承润滑性能。     

石油钻机盘式刹车副材料的摩擦磨损性能研究

为提高深井石油钻机盘式刹车副的摩擦学性能和使用寿命,研制开发了新型刹车盘表面堆焊材料和无石棉刹车块摩擦材料,并通过变温摩擦磨损性能实验,研究了刹车副的摩擦学性能。研究表明,刹车副具有良好的变温摩擦特性和高温抗热衰退性能,高温下的摩擦因数比较稳定;刹车块和刹车盘的磨损率均随温度的升高而增大,但刹车盘表现出相对稳定的耐磨性能。载荷对刹车副的摩擦因数影响不大,变化比较平稳;刹车块和刹车盘的磨损率均随载荷的增大而增大,但刹车块表现出相对稳定的耐磨性。刹车副的摩擦因数随滑动速度的增加而增大,并趋向平稳;但速度对刹车块和刹车盘的磨损率影响不大,变化相对稳定。研制的刹车副材料能够满足石油矿场钻机作业的要求。     

计入粗糙度的液压缸仿生微织构耦合效应研究

在间隙密封液压缸缸筒的内表面构造仿生菱形微织构,研究计入液压缸摩擦副表面粗糙度与表面微织构对液压缸缸筒内表面摩擦润滑性能的耦合影响。利用等效流量法求解表面微织构与表面粗糙度的耦合效应,同时以液压缸常用材料45钢为试件开展摩擦学试验,并对试验结果和仿真结果进行比较。研究结果表明:液压缸摩擦副的表面粗糙度与表面微织构耦合作用非常明显,合适的表面粗糙度和表面微织构尺寸,可使液压缸缸筒内表面从混合润滑状态转变为流体润滑状态,从而增大缸筒内表面的动压润滑效应;缸筒内表面的菱形微织构形貌存在最优组合,使得液压缸缸筒内表面的摩擦因数最小、润滑性能最好。     

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.     

不对中径向滑动轴承微凹槽织构数值分析

为研究凹槽位置、深度、倾斜角和面积率等因素对不对中径向滑动轴承摩擦学性能的影响,基于Reynolds方程建立滑动轴承的摩擦润滑数学模型,采用有限差分法迭代求解不同凹槽微织构参数影响下的油膜压力,计算不同织构参数下轴承的承载力、摩擦力和端泄流量等。计算结果表明:凹槽微织构分布在升压区且轴向占比约50%时轴承承载力较高;相比于光滑轴承,微织构轴承的摩擦力更低,且凹槽的轴向占比和深度越大摩擦力越小;微织构对轴承的承载力具有削弱和增强的双重可能,存在最优的凹槽周向和轴向占比、深度和倾斜角使得轴承在较小摩擦力下具有更高的承载力;凹槽微织构的面积率与轴承承载力和摩擦力呈线性相关;轴承的不对中程度越小时,在光滑轴瓦表面加工合适参数的微织构时越有利于提高轴承的摩擦学性能。     

织构分布影响钻头轴承减磨性能的仿真和实验研究

针对织构分布角度对织构润滑减磨性能影响的问题,基于Reynolds方程建立单一织构全油膜润滑条件下的动压润滑理论模型,求解不同分布角度下织构表面动压润滑性能,并计算织构表面空化单元数目,从织构表面空化效应角度分析织构分布角度对织构动压润滑性能的影响。开展牙轮钻头滑动轴承模拟工况下单元摩擦学实验,通过对比摩擦副试样表面摩擦学性能分析织构分布角度的影响。数值仿真结果表明,织构表面空化离散单元数目越多,其动压润滑性能越好;单元实验研究结果则表明,基于捕获磨屑、减小二次磨损的作用机制,织构单元垂直于滑移方向的边长越长,织构表面的摩擦磨损性能越好。     

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。