材料空间环境效应研究方法与展望

空间环境是多因素交叉耦合作用的复杂、动态系统,是影响空间装备正常服役的重要因素,深入开展空间特殊环境效应研究已成为世界各国降低航天器在轨故障率、保证空间装备长期可靠运行的重要手段。总结近30年来世界各国进行空间环境效应研究的主要方法,即空间飞行试验、地基模拟试验和数值仿真计算,分析各种研究方法的优点与不足;综述各主要航天大国材料空间环境效应的研究现状,指出今后可以从基础理论和技术设备两方面对空间环境效应进行深入研究,通过开发新型的模拟试验设备和先进的数值仿真技术,未来将有望大大减少空间环境效应研究的周期和成本,从而加速推进相关空间材料和技术的研究与应用。     

纳米气泡润滑动压水轴承的静动态特性研究

空化、两相流现象是滑动轴承润滑中的典型现象之一,影响着水润滑轴承的静态和动态特性。基于统计物理学及多相流理论,建立大量纳米气泡对流体的阻力模型,以及含纳米气泡的两相流体动力润滑理论模型,并采用有限差分法求解得到压力场、空化气泡数分布及动压水润滑轴承静、动态特性系数,分析并讨论空化两相流对水润滑轴承静、动态特性的影响。结果表明,与Reynolds边界相比,空化条件下轴承的承载力和偏位角均呈增大趋势,动态刚度和阻尼系数也出现不同程度的增加。     

丙二醇无规聚醚与油酸三乙醇胺水溶液的摩擦学性能研究

选取丙二醇无规聚醚（PPE）和油酸三乙醇胺（TO）作为水基润滑改性剂,研究PPE和PPE与TO（PPE TO）混合水溶液的摩擦学性能。利用NGY 6型纳米级膜厚测量仪对2种水溶液成膜性能进行分析,结果表明2种水溶液均具有较好的成膜能力。利用四球试验机对水溶液进行摩擦磨损性能、极压性能和稳定性能分析,使用三维形貌仪对钢球表面磨斑进行分析。结果表明：PPE和PPE TO 2种水溶液均具有良好的减摩抗磨性能,TO的加入使得PPE水溶液减摩抗磨性能进一步提高,最大无卡咬负荷有所增大,极压性能提高。总体而言,PPE和TO协同效果较好,应用前景良好。     

速度、油量对滚动直线导轨副摩擦力的影响

利用Stribeck曲线和Hamrock Dowson的最小油膜厚度计算公式,分析速度与润滑油量和摩擦力的关系。分析结果表明：在一定工况下,当速度由小到大变化时,滚动直线导轨副的润滑状态会经历边界润滑、混合润滑和弹流润滑3个阶段,摩擦力先减小后增大;润滑油量越多,直线导轨副在相对较好的润滑状态下工作,摩擦力就越小。通过滚动直线导轨副综合性能试验台,研究速度与润滑油量对滚动直线导轨副摩擦力的影响。结果表明：在高速运行下,速度对摩擦力影响较大;同时在注油量不断增加至注满的过程中,摩擦力大小先急剧变小,然后摩擦力曲线变化趋于平缓,此时的供油量即为最合适的润滑油量。     

膨润土的改性及膨润土润滑脂制备的实验研究

采用钠化剂Na F、Na Cl、Na_2CO_3对膨润土进行钠化改性,进一步采用十八烷基三甲基氯化铵(1831)、十八烷基二甲基苄基氯化铵(1827)、十六烷基三甲基氯化铵(1631)对膨润土进行有机改性,考察膨润土的钠化和有机改性的条件,探讨膨润土润滑脂的制备工艺。结果表明:2%~3%Na_2CO_3在60℃~80℃下钠化30~60 min的效果较好;采用十八烷基三甲基氯化铵(1831)或十八烷基二甲基苄基氯化铵(1827)与十六烷基三甲基氯化铵(1631)复合改性都取得良好效果。利用改性膨润土作为稠化剂制备的润滑脂具有良好的高温性、胶体安定性、机械安定性、防锈抗腐性、抗水性和极压抗磨性。     

超长直列汽缸套接缝处冲击磨损试验装置及其试验研究

针对超长直列汽缸接缝处与活塞环之间的高速冲击特点,设计高差速旋转"面-面"接触磨损试验装置。通过模拟活塞环与超长直列汽缸接缝处的接触状态、滑动速度所受蒸汽压力,测量活塞环、汽缸套不同位置的磨损量,观察活塞环、汽缸套磨损前后的形貌变化,探索在高速冲击下活塞环与超长直列汽缸套接缝处的磨损规律。结果表明:设计的高差速旋转"面-面"接触磨损试验装置,可以模拟超长直列汽缸与活塞环之间的高速冲击磨损行为;汽缸套接缝处存在倒角将增加该摩擦副磨损,尤其将大幅增加对摩活塞环的磨损;倒角汽缸套的"迎环面"磨损严重,行程中段及"背环面"磨损轻微。     

表面波纹度和凹坑对线接触弹流的影响*

由于加工误差和表面损伤等,轴承零件表面会出现不同的表面形貌,表面凹坑和波纹度严重影响线接触表面的润滑性能。采用系统法求解高载和低载下波纹表面和凹坑表面的润滑膜压力和膜厚以及表层Mises应力,发现表面波纹度会使油膜压力出现波动,压力波峰处的压力值会大于光滑接触表面的油膜压力,表面会出现应力集中,高载时波纹度的影响更明显;表面凹坑会使凹坑两侧出现尖锐的压力峰,表面凹坑两侧出现肿块;当凹坑在接触中心时,油膜压力对凹坑深度非常敏感,较小的凹坑深度就会导致油膜崩溃;而出口区的凹坑会使二次压力峰移动到凹坑靠近接触中心的一侧,而且峰值压力远大于正常接触压力,凹坑处有局部高应力和严重的应力集中,高载时较小的凹坑深度会引起相对更明显的压力峰和应力集中。     

滑动摩擦过程中摩擦热分配的实验及有限元仿真研究

摩擦热导致的温升对摩擦副的稳定性有重要影响,而以往对摩擦热及其在界面的分配有广泛的理论研究,但多乏实验测试的验证。实际摩擦过程中由于界面变化的复杂性,摩擦热的分配情况可能与理论预测不同。使用动态热电偶和红外测温的方法对摩擦表面温升进行测量,并使用有限元方法对摩擦界面温度分配进行分析。有限元计算结果表明,固定摩擦副的导热系数高于运动摩擦副时,摩擦热分配呈现明显的时变特征。实验测量与有限元分析的对比表明,材料导热系数会影响磨损界面层对摩擦热的分配;当固定摩擦副的导热系数高于运动摩擦副时,输入固定摩擦副的热量的比例会降低,反之则会升高。     

二维晶体Ti2C的制备及对锂基润滑脂摩擦学性能影响

采用氟化铵和盐酸溶液刻蚀Ti2AlC制备二维晶体Ti2C,利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(FESEM)对其物相和结构形貌进行表征。结果表明,Ti2AlC被氟化铵和盐酸溶液完全刻蚀得到纯度较高的Ti2C二维晶体。利用四球摩擦试验机考察Ti2C作为锂基润滑脂添加剂的摩擦学性能,并利用扫描电子显微镜（FESEM）和能谱分析仪（EDS）对钢球磨斑进行表面分析。结果表明,二维晶体Ti2C作为润滑添加剂可明显提高锂基脂的减摩抗磨性能,并在Ti2C质量分数为01%~025%时具有较好的减摩性,在质量分数为025%时具有较好的抗磨性;在摩擦过程中润滑脂中的Ti2C沉积在摩擦副表面,形成具有优异摩擦学性能的润滑保护膜。     

含水率对油水乳化液传输频率特性影响分析

为了掌握油水乳化液中含水率对其动态特性的影响,建立含水率与乳化液传输的频率特性之间的非线性关系。首先,推导了油水乳化液在管体中压力波传播速度公式,分析了含水率对乳化液传输速度的影响规律;然后,利用分布参数理论以及传递矩阵法建立了油水乳化液的传输频率模型,表明在PVC透明钢丝软管中考虑流固耦合作用时含水率增加,其传播速度呈降低趋势;反之,钢管内乳化液的传输速度随着含水率的增加而呈递增趋势;含水率对系统的谐振频率影响也较为明显,乳化液中含水率越大,系统的同阶谐振频率越低,且随着含水率的增加,谐振频率的阶次越大,同阶次的谐振频率之间的差值也相应变大。实验验证所建模型是有效的,为有效检测油中含水率以及保障系统安全运行提供一定的理论基础。