T形沟槽表面织构对金属-橡胶密封副摩擦性能的影响

为研究T形沟槽形非光滑表面的形貌参数对摩擦性能的影响,验证自组装凹坑形非光滑表面的耐磨性能,基于稳态二维不可压缩Reynolds方程,建立T形沟槽表面织构化理论模型;利用有限差分法和高斯-赛德尔迭代法求解金属表面的油膜压力分布和剪切应力,进而获得油膜承载力和摩擦因数;对T形槽织构的宽度系数比α、深度系数比β对金属-橡胶摩擦副油膜承载能力和摩擦因数的影响规律进行数值分析。结果表明：T形沟槽织构的存在使得油膜内部的压力增大,并且随T形沟槽宽度系数比增加,织构动润滑性能先增大后减小再增加,宽度系数比在40%时达到最佳,且宽度系数比越大,织构的动压效应越差,宽度系数比无限接近1时,沟槽突变为矩形沟槽,使动压效应增加;随着T形沟槽深度系数比增加,织构动润滑性能先增加后减小,宽度系数比在40%～60%内最佳;在流体动压润滑范围内,适当控制T形沟槽的宽度比和深度比,使沟槽底部尽可能平整,保证织构上下两部分良好的协同作用和动压区域,便能获得润滑减摩性能最好的T形沟槽表面织构。     

沟槽形表面织构对柱塞密封副摩擦性能的影响

目的提高压裂泵柱塞表面的摩擦学性能。方法基于稳态二维不可压缩Reynolds方程,建立沟槽形表面织构化柱塞动压润滑理论模型,然后利用有限差分法和高斯-赛德尔迭代法求解柱塞表面的油膜压力分布和剪切应力,进而获得油膜承载力和摩擦系数,开展最小油膜厚度、织构的深度、横截面形状、面积占比以及分布角度对柱塞密封副油膜承载能力和摩擦系数影响规律的数值分析。结果随矩形沟槽织构深度从2μm增加到40μm,织构的动压润滑性能先增大后减小,当深度约为最小油膜厚度的0.6倍时达到最佳,并且最小油膜厚度越大,织构的动压效应越差。4种横截面沟槽织构的动压润滑性能优劣顺序为:矩形内凸阶梯型椭圆形V型。随织构宽度从100μm增加到480μm,油膜承载力先增加后减小,宽度在360μm(72%面积占比)时达到最大。在6种分布角度中,60°矩形沟槽织构的润滑减磨性能最好。结论在流体动压润滑范围内,适当减小最小油膜厚度,沟槽底部尽可能平整,保持织构深度略小于最小油膜厚度,并使垂直速度方向油膜收敛区域的织构长度较长,便能获得润滑减摩性能较好的沟槽形表面织构。合理参数的沟槽形织构能够极大提高压裂泵柱塞表面的油膜承载力,降低摩擦系数,有利于延长柱塞密封副的使用寿命。     

局部凹坑织构化径向滑动轴承流体动力润滑数值分析

目的 探究局部凹坑织构化表面对径向滑动轴承流体动力润滑的影响.方法 基于雷诺边界条件和Reynolds方程,建立凹坑织构化径向滑动轴承表面流体动力润滑理论模型,采用Gauss-Seidel松弛迭代方法数值求解,获得润滑油膜的压力分布和承载能力,分析其润滑油膜承载机制,探讨凹坑几何参数和分布规律对油膜承载力的影响规律.结果 理论模型的数值解与经典理论的数值解误差较小,能有效分析轴承的流体动压润滑特性.当偏心率较大时,摩擦力的上升幅度也变大,在轴承承载区进行凹坑织构化处理能明显减小摩擦力,并且随着凹坑深度的增大,摩擦力减小,可见凹坑起润滑减摩的作用.油膜承载力随着偏心率的增大而增大,通过凹坑织构的"楔形效应"能够改善非承载区的油膜压力,存在最佳凹坑深度使得轴承达到流体动力润滑最佳状态.摩擦力随着面积率的增大而增大,特别是在偏心率较大时,润滑减摩效果较为明显,面积率对油膜承载力影响不大.将织构布置在径向滑动轴承的不同区域,其中当织构完全在下半瓦(压降区)时,织构能明显增大油膜厚度,产生油膜压力,有效降低摩擦力,提升承载力.结论 凹坑织构能明显改善径向滑动轴承流体动力润滑性能,合理设计轴承的偏心率,合适的织构参数与分布位置,能使流体动力润滑效果最佳.     

初始表面粗糙度对沟槽织构摩擦性能的影响

目的探究初始表面粗糙度大小对激光沟槽织构化表面摩擦性能的影响规律。方法采用脉冲光纤激光器在不同粗糙度的45#钢试样表面制备具有不同深度、规则排列的沟槽织构,利用摩擦磨损试验机进行销-盘式往复摩擦试验,研究初始表面粗糙度对沟槽织构化表面摩擦系数的影响规律,以及不同初始表面粗糙度条件下,激光沟槽织构化表面的摩擦学行为。结果沟槽织构能够有效降低表面的摩擦系数,初始表面粗糙度、载荷和速度的大小对沟槽织构的润滑减摩性能有较大影响。在较低的载荷下,沟槽织构能有效提高表面的流体动压润滑效应;在较高的载荷下,沟槽织构能够有效改善表面的边界润滑性能。存在最优初始表面粗糙度,使得摩擦系数达到最小,初始表面粗糙度最优值的大小应根据载荷和速度大小来确定。结论根据摩擦副表面的载荷和速度工况条件,合理优化初始表面粗糙度能使沟槽织构获得较为理想的润滑减摩效果。     

表面微织构涂层-基体系统重载弹流润滑性能分析

目的研究表面涂层与织构化协同作用时摩擦副的重载弹流润滑性能,为重载传动的摩擦学设计提供参考。方法基于广义Reynolds方程、线弹性方程以及载荷平衡方程,建立表面微织构涂层-基体系统的弹流润滑模型,并无量纲化,然后运用Full-system有限元法编程求解,探讨涂层的弹性模量以及三角形织构深度、宽度、密度对系统弹流响应的影响。结果载荷一定时,薄膜涂层(2μm)的弹性模量变化(50～500 GPa)对油膜压力整体分布影响较小,但二次压力峰在硬质涂层上更为显著。在涂层与基体存在弹性模量差时,其上由微织构引起的集中应力是无涂层的2～3倍。最小油膜厚度随着涂层弹性模量的增大而增大。随着织构深度的增大(0～5μm),油膜压力和厚度波动更加明显,最小油膜厚度随之减小,系统最大等效应力也显著增大。当织构宽度增大(10～20μm)时,油膜压力和厚度波动减弱,最小油膜厚度先减小后增大。如果织构密度增大(0.5～2),油膜压力波动更为剧烈,油膜厚度波动变化不大,但其波动周期变化明显,最小油膜厚度先减小后增大。膜基界面最大剪应力出现在二次压力峰附近,织构化表面油膜压力波动越大,膜基界面剪应力波动也越大。结论存在一个最优的织构深度、宽度和密度,使得镀膜齿轮的承载能力最佳。合理的涂层选配和微织构设计,可以有效地提高齿轮的摩擦学性能,提前预防膜基系统失效。     

纳米磁性流体与表面织构对钛合金的协同减摩作用机制

目的 提高钛合金表面的摩擦学性能。方法 采用纳秒激光器在钛合金表面构造沟槽型微织构图案,并以水基纳米磁流体和去离子水为润滑剂,利用UMT-3摩擦磨损试验机探究了织构与纳米磁流体的协同减摩作用机制。结果 分析了不同润滑条件下,沟槽型织构的分布间距对钛合金表面摩擦磨损性能的影响,在织构与纳米磁流体的协同作用下,钛合金表面的摩擦学性能得到改善,织构间距为250μm时的摩擦学性能最好,摩擦因数最大降低约51.5%,磨损率最大降低77.6%。当织构间距过小,织构化表面承载区减少,导致织构磨损较快,而织构间距过大会弱化织构效果。其次,以最优织构间距为基础,进一步探究了不同表面织构形貌和深度对钛合金表面摩擦学性能的影响。最后,研究了最优织构参数下,滑动速度和加载载荷对钛合金减摩性能的影响。结论 在润滑条件下,织构的表面形貌和深度影响钛合金表面的摩擦学性能,织构深度太浅或太深时,其流体动压效应都会减弱,从而导致摩擦因数和磨损量增大;当产生足够大的动压效应时,织构边缘的凸起结构能够对织构起到保护作用,延缓织构磨损。     

激光微织构滚动轴承表面润滑性能的数值分析

目的研究圆柱滚子轴承摩擦副织构化表面润滑性能,探讨工况参数(载荷、转速)和微织构几何形貌参数(面积占有率)对油膜平均无量纲压力的影响规律。方法基于弹性流体动压润滑机理,利用有限长线接触弹流润滑理论建立理论模型,采用有限差分法对Reynolds方程进行离散,并运用多重网格法进行数值分析。结果在微织构面积占有率S_p=0.095、深度h_p=6μm的前提下,当载荷由100 N升为500 N时,油膜平均无量纲压力随之增大。在微织构面积占有率S_p=0.095、深度h_p=6μm的前提下,当转速由100 r/min升为500 r/min时,油膜平均无量纲压力随之增大。在载荷W=200 N、转速n=200 r/min的前提下,当微织构面积占有率由0.05升为0.15时,油膜平均无量纲压力随之增大;当微织构面积占有率由0.15升为0.25时,油膜平均无量纲压力随之减小。结论圆柱滚子轴承微织构表面的油膜平均无量纲压力随着载荷和转速的增大而增大,随着微织构面积占有率的增大而先增大后减小。     

微沟槽织构对切削力和表面粗糙度的影响

为研究微织构对切削过程中产生的切削力和已加工表面粗糙度的影响,在聚晶立方氮化硼(PCBN)刀片前刀面制备与主切削刃平行的宽度为32.6μm的微沟槽织构。分别用微沟槽刀具和无织构刀具在主轴转速为450、500、600 r/min的条件下切削淬硬钢GCr15,分析切削力和已加工表面粗糙度。试验结果表明:微沟槽改善了刀具的切削性能,主切削力、进给力和切深力均小于无织构刀具;进给力、切深力随着主轴转速的增加均变大,主切削力表现为先减小再增大;用微沟槽织构刀具切削的已加工表面粗糙度大于无织构刀具,表明微沟槽不利于获得表面质量较好的工件;随着主轴转速增加,微沟槽刀具和无织构刀具切削的表面粗糙度均减小。     

内部结构非对称织构对材料表面的润滑性能分析

织构对材料表面的减摩降磨具有积极效果,但内部结构对称织构在摩擦方向和润滑方式上较为单一。为研究内部结构非对称织构对加工润滑特性的影响以及在改善材料表面摩擦性能方面的激励机制,通过研究对称织构和两种内部结构非对称织构的正、反向摩擦行为,对比润滑油在各织构单元体的压力分布、流速和流迹线来分析织构内部结构的对称性对润滑性能的影响。利用飞秒激光以倾斜加工的工艺制备内部结构非对称织构,并进行摩擦磨损试验。结果证明：织构内部结构的对称特征直接影响润滑油的流速和流迹线状态,进而影响油膜的承载力,而流速越大空化效应越剧烈,且流迹线越向涡旋中心集中,惯性效应越强。在内部结构非对称织构正反两个方向的摩擦中,正向摩擦的润滑性能要优于反向摩擦的润滑性能,且无论是正向摩擦还是反向摩擦,织构沟槽呈现直角时的润滑性更加优异,内部结构非对称织构的加工工艺可以增加表面硬度,有利于降低摩擦因数。     

油润滑下不同槽宽网状织构表面润滑特性研究

为了提高油膜承载力、改善润滑效果、优化织构化表面的摩擦学性能，研究不同黏度润滑油下网状织构的润滑性能。设计4种不同凹槽宽度的网状织构，通过测量接触角、油膜承载力以及摩擦因数，得到不同转速、不同黏度润滑油下4种网状织构的油膜承载力以及摩擦因数的变化规律。实验结果表明：在4种织构中，凹槽宽度为0.4 mm的网状织构润滑性能最好，在设定的实验条件下，最大油膜承载力为0.52 N,最小摩擦因数为0.019。此外，接触角测量实验表明凹槽宽度为0.4 mm的网状织构表面疏水性能更好，有比较好的成膜能力，使得织构表面动压承载力有比较大提升，摩擦因数也更小。比较不同黏度润滑油和不同转速下网状织构润滑性能，黏度越大的润滑油，油膜承载力越大，润滑效果更佳。同时，油膜承载力随着转速的增大而增大，在润滑油黏度较高时这种影响更为显著。     

不同流态下织构化动压滑动轴承润滑特性研究

为了探究不同流态下动压滑动轴承润滑及承载特性，以织构化动压滑动轴承为研究对象，基于Ng-Pan湍流润滑理论，建立不同流态下织构化动压滑动轴承润滑模型，分析润滑油流态、微织构以及轴承结构参数对动压滑动轴承油膜压力以及承载力的影响。研究表明：湍流流态能够有效地提高织构化动压滑动轴承的油膜压力，临界雷诺数随间隙比的增加而减小，随偏心率的增加而增大;不同流态下织构化轴承承载力随坑径与膜厚的增加而逐渐减小，随间距的增加呈现波动变化，随转速、偏心率与长径比的增加而增加，且湍流流态的承载远高于层流流态。     

局部织构无限长可倾瓦推力轴承流体动压润滑分析

目的 研究局部凹坑织构对无限长可倾瓦推力轴承的流体动压润滑性能的影响.方法 基于质量守恒空化边界条件的雷诺方程,建立了局部凹坑织构无限长可倾瓦推力轴承动压润滑二维理论模型.采用多重网格法求解雷诺方程,模拟局部凹坑织构无限长可倾瓦推力轴承的流体动压分布,分析局部织构比、位置比、深度、水平间距及数量对流体动压润滑性能的影响...     

正弦微沟槽织构对柱塞密封副摩擦学性能的影响

目的 研究不同工况下正弦沟槽织构对柱塞密封副摩擦性能的影响,以降低压裂泵柱塞密封副的摩擦磨损.方法 基于压裂泵柱塞密封副几何模型和流体润滑理论,建立了正弦微沟槽织构化柱塞-橡胶密封副动压润滑数值理论模型,通过仿真模拟研究了不同柱塞密封压力、运动速度对正弦织构减磨性能的影响.结果 不同密封压力下,从40 MPa增至140...     

表面织构及供油量对润滑性能影响的建模分析

目的研究不同供油条件下织构表面的润滑性能。方法首先,建立考虑表面织构的乏油润滑模型,求解修正雷诺方程获得乏油工况下考虑织构表面的润滑油膜厚度以及压力分布。然后,依据求得的润滑油膜厚度判断计算域内各点润滑状态,通过接触压力及油膜厚度分别计算边界润滑、混合润滑以及流体润滑状态下的切应力,并积分求得摩擦力进而得到摩擦系数。结果模拟了供油层厚度为50~500 nm以及充分供油条件下三种织构的润滑行为,获得了不同润滑状态下表面织构的摩擦系数。速度为0.1 m/s时,供油量对接触区油膜厚度的影响较小,不同润滑状态下织构表现出不同的润滑性能。速度为0.2 m/s时,供油层厚度对油膜厚度的影响较大,随着供油层厚度的增大,膜厚明显增加,摩擦系数在供油层厚度为200 nm时最小。结论接触副处于流体润滑状态时,织构表面不具有减摩效果。接触副处于边界润滑状态时,织构表面具有减摩效果,并且织构较密时,摩擦系数较小。接触副处于混合润滑状态时,织构过于稀疏或密集时均不具有减摩效果,但是合理分布的织构具有减摩效果。     

缸套内表面网纹对活塞环润滑性能影响研究

以流体润滑为基础,结合Reynolds方程和微凸体模型在考虑润滑油变黏度等因素条件下,建立活塞环-气缸套三维瞬态流体动压润滑模型。采用有限差分法结合MATLAB语言环境编制瞬态流体动压润滑程序并进行仿真计算,研究缸套内表面网纹对活塞环-缸套润滑摩擦性能的影响。结果表明：采用较大综合粗糙度或者交叉型网纹的缸套时,最小油膜厚度值增大、流体摩擦力和摩擦热流量减小,这对于提高润滑性能、减小活塞环与缸套间的摩擦损失有着重要的作用     

织构化动压轴承热流体润滑特性理论与试验研究

为了探究表面织构对动压轴承热流体润滑特性的影响,计入热流体耦合因素更接近轴承的实际工况。以矩形、三角形、圆形三种表面织构形式动压轴承为研究对象,联立Reynolds方程、能量方程、黏温方程和不同形式织构几何特征方程,建立织构化轴承热流体耦合模型。采用有限差分法求解得到油膜压力场分布、温度场分布及轴承特性参数,并分析织构形状、深度、进油温度等因素对织构化轴承特性的影响。结果表明：表面织构能够有效降低油膜温升,改善轴承润滑性能;不同形式织构对于轴承热流体特性影响有所差异,低偏心时矩形织构表现出更好的润滑性能;进油温度对于织构化轴承热流体特性有较大影响,随着进油温度的升高,轴承的特性参数在不断下降,但幅度逐渐减缓。制备了织构化轴承试件并进行工况测试,试验结果与理论计算对比分析,趋势规律一致,验证了结论的合理性、正确性。     

织构型水润滑推力轴承软弹流润滑分析及多目标协同优化

目的 提高以水作为润滑介质的织构型非金属推力轴承的润滑性能,为水润滑推力轴承的优化设计提供参考.方法 基于计算流体力学方法建立织构型水润滑推力轴承的流体动压润滑模型,采用双向流固耦合方法计算润滑流场与材料变形之间的相互作用.随后,以承载力最高和摩擦力最低为目标,采用响应曲面与非支配排序遗传算法相结合的多目标协同优化方法,对4种非金属材料的织构型推力轴承进行优化.结果 随着轴承材料弹性模量的降低,轴承内最高压力值逐渐降低,最大变形逐渐增加,且最优织构覆盖率值逐渐减小.当织构覆盖率为20％时,轴承材料对最优织构深度值无明显影响;当织构覆盖率增至40％及以上时,随着轴承材料弹性模量的降低,最优织构深度值逐渐增加.在同一轴承材料下,最优织构参数之间相互影响,随着织构覆盖率的增加,最优织构深度值逐渐增大.对于碳化硅陶瓷和尼龙等弹性模量较大的轴承材料,优化后,轴承内流体最高压力明显提升;对于超高分子量聚乙烯和赛龙等弹性模量较小的轴承材料,优化后,高压区面积明显增大.结论 轴承材料对轴承润滑性能及最优织构参数均有明显影响,且最优织构参数间相互影响.经过对织构型水润滑推力轴承的多目标协同优化,轴承润滑性能明显改善.