Comparison of spherical and truncated cone geometries for single abrasive-grain cutting

The purpose of the present work was to compare the cutting action of two different abrasive-grain geometries using experimental observations and a validated finite element model. A spherical tool was used to approximate a dull abrasive grain while a truncated cone tool was used to approximate an abrasive grain with a well defined cutting edge. The selected geometries were chosen to represent extreme cases in order to bracket the cutting action of a range of cutting geometries. The results showed that both tools produced similar normal and tangential forces per unit width up to a depth of cut of approximately 3 μm. The improved cutting geometry of the truncated cone tool caused the normal force per unit width to decrease and the tangential force per unit width to increase in relation to the spherical tool. The truncated cone tool was shown to experimentally and numerically be more efficient based on the reduced pile-up heights and improved stress distributions. It was also shown that both geometries converged towards the same specific energy to displace material at suitably large depths of cut, which suggests that there is a minimum specific energy obtainable for a given workpiece material that is independent of the grain geometry. However, specific energies to remove material were higher for the spherical tool as compared to the truncated cone tool. Analysis of the energy components of the finite element model showed that frictional energy contributions were high with the spherical tool and low with the truncated cone tool. Finally, it was found that both tools required approximately the same energy to shear a chip from a workpiece when friction was subtracted from the specific energy for material removal.     

仿生混合润湿图案表面的制备及其水收集性能

目的 全球淡水资源短缺,高效和环保地获取淡水是一项重大挑战.方法 受沙漠甲虫和叶脉的启发,采用氨腐蚀法在铜网表面生长一层氢氧化铜纳米带,随后在氢氧化铜表面覆盖掩膜,使局部附着正十二烷基硫醇分子,制备出仿生混合润湿图案表面,采用接触角测量仪、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)及傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)分别对样品的润湿性、表面形貌及化学成分进行分析,以仿生混合润湿图案表面为基础搭建雾水收集装置,模拟潮湿环境来表征样品的水收集速率及样品在不同恶劣环境下的稳定性.结果 在亲水表面构建疏水图案为后续实验提供了基础,所制备的仿生混合润湿图案表面与原始表面、亲水表面、超疏水表面的集水速率相比分别提高了146％、111％、61％,有效提高了集水速率,水收集速率与图案尺寸、图案间隔成反比关系,与图案形状无关.仿生混合润湿图案表面经过紫外线照射和100℃加热处理后,仍保持稳定的集水性能.结论 样品具有制备简单、成本低廉、高效耐用等优点,在大气集水中具有潜在的应用前景,有望为解决水资源短缺问题提供新思路.     

激光能量密度对65Mn钢表面Ni60A/WC复合涂层摩擦磨损性能的影响规律

目的 改善旋耕刀65Mn钢的摩擦磨损性能,提高农机触土零部件的使用寿命.方法 采用激光熔覆技术在65Mn钢基体表面制备Ni60A/WC复合涂层.通过改变激光功率调节激光能量密度,在不同能量密度下制备Ni60A/WC复合涂层,观察并测试不同参数下复合涂层试样的宏观形貌、微观结构、物相组成、元素分布、显微硬度及摩擦磨损特性,研究激光能量密度对Ni60A/WC复合涂层组织演变及摩擦磨损性能的影响规律和机理.结果 Ni60A/WC复合熔覆层顶部主要有胞状晶和树枝晶,分布较紧密,熔覆层中部主要有树枝状晶,熔覆层底部主要为胞状晶和垂直交界面生长的枝晶,且分布均匀致密.随着激光能量密度的升高,熔覆层的熔高和熔深增加显著,WC硬质相颗粒发生分解,硬质相的数量明显减少,涂层的平均显微硬度降低.在激光能量密度为120 J/mm2时,熔覆层的平均显微硬度为587.1HV1.0,相较于基体,提升了约1.8倍.此时熔覆层的平均摩擦因数最小,为0.312,相较于基体,得到显著提升,摩擦磨损机制为轻微的磨粒磨损.经田间试验测试发现,在激光能量密度为120 J/mm2时制备的带有熔覆层的旋耕刀相较于无熔覆层的旋耕刀,其磨损质量降低了63％.结论 通过控制激光能量密度,可以有效调控Ni60A/WC熔覆层的硬度和耐磨性,可为农机触土易磨损件的减摩耐磨表面强化改性提供理论指导.     

动态膜厚的超声实时测量方法及测量盲区影响因素

基于超声波技术的弹簧模型与共振模型之间存在一段膜厚测量盲区,本文中提出了1种复合模型可覆盖测量盲区. 为实现膜厚在线监测,自主搭建了动态膜厚的超声实时测量系统,并研究了配副类型和润滑剂种类对测量盲区的影响. 构建了超声测量试验的理论模型,对超声波在介质内的传播规律进行了仿真分析. 结果表明,自主搭建的膜厚实时测量系统可精密跟踪不同周期及不同波形的膜厚;提出的复合模型可实现单个探头对宽范围膜厚的全域测量;随着下摩擦副声阻抗和润滑剂声阻抗的增大,膜厚测量盲区逐步缩小;但当润滑剂声阻抗过小时,容易出现无法监测的“测量真空区”. 本文工作可为金属摩擦副在实际工况下的动态膜厚在线监测提供理论和技术参考.     

楔形功能图案诱导油滴自发迁移及其减摩研究

为了缓解因润滑剂供给不充分而导致的严重乏油现象,采用化学气相沉积和局部紫外光刻楔形图案相结合的方法,制备了可实现油滴自发迁移的功能表面,研究了油滴体积、楔形角度和楔形长度对油滴迁移特性的影响. 结果表明,随着油滴体积增大,油滴的迁移距离和迁移速度先增大后减小,临界值为5 μL;楔形角度的增大使油滴迁移距离和迁移速度持续减小;而楔形长度对油滴迁移速度无明显影响. 利用该功能表面对润滑剂的诱导迁移作用,将其制备于接触副运行轨道两侧,发现可使接触副摩擦系数显著降低,维持在0.05以下,证实了楔形功能图案表面对润滑剂的自发回流和减摩效果的有效性.     

离子液体添加剂对润滑脂导电性及摩擦学性能影响的研究

导电润滑脂可用于解决轴承电蚀问题. 对以双三氟磺酸基酯离子液体为导电添加剂的锂基润滑脂展开研究,使用自主搭建的电阻测量仪考察润滑脂的导电性能;使用UMT-3型摩擦磨损试验机探究分别添加质量分数为10%和20%离子液体的润滑脂在钢/钢接触条件下的摩擦学性能;另外将置于电场中一定时间后的离子液体润滑脂进行摩擦磨损试验,研究电场预处理对润滑脂润滑能力的影响;最后使用共聚焦显微镜对磨痕进行表面分析. 结果表明：双三氟磺酸基酯离子液体作为导电添加剂能够显著提高锂基润滑脂的导电性能. 双三氟磺酸基酯离子液体添加剂能够大幅增强锂基润滑脂的润滑能力,表面磨痕分析表明,往复运动条件下明显改善了接触区的磨损情况. 将离子液体润滑脂置于电场中一段时间后,其润滑能力会进一步增强.     

主轴划痕对轴承系统抵御多种载荷冲击的动态性能影响

建立了1个考虑主轴划痕、轴瓦变形和沟槽结构的水润滑橡胶轴承混合润滑瞬态模型,研究了划痕对水润滑橡胶轴承在周期性载荷及非周期性载荷作用下的动态行为影响. 结果表明：在偏心载荷下,划痕的存在会使得主轴与轴承出现“高温布朗运动”般的反复碰撞现象,且划痕深度及宽度的增大均会延长启动过程中的微凸体接触时间,严重降低水润滑轴承寿命;在受到脉冲载荷后,划痕会使轴心的运动范围变大,导致轴承与主轴更容易发生碰摩,降低轴承抵抗脉冲载荷冲击的能力;深划痕及宽划痕时,水润滑轴承受到阶跃载荷干扰会从弹流润滑状态进入混合润滑状态. 主轴表面出现划痕使轴承系统遭遇外载荷干扰时的自动抵御能力退化.     

基于双色荧光法的乳化液流体动压润滑界面影响机理研究

利用面接触润滑油膜测量系统,结合双色荧光法,研究流体动压润滑中不同表界面对乳化液成膜机理的影响. 通过对钢块表面涂覆AF (Anti Finger Print)和FAS (Fluorodecyl-trimethoxysilane)进行疏水疏油处理,采用光干涉法测量乳化液流体动压油膜厚度,结果显示乳化液的油膜厚度受到固/液界面润湿性的影响. 具体来说,在充分供油条件下,AF表面的油膜厚度最高,其次是Steel表面,而FAS表面的油膜厚度最低. 运用双色荧光法观察到乳化液的油水两相在竞争吸附行为中存在差异,在固体表面,油相分子优先黏附于固体表面形成有效油膜. 乳化液与不同表面接触时,在AF表界面分离油相与界面所需克服的黏附功最大,Steel表面次之,FAS表面最小,与油膜厚度试验结果相吻合.