磨粒磨损中微观接触过程的有限元分析

分析了磨粒压入被磨损材料表面、磨粒在材料表面滑动和卸载脱离接触的过程,研究了这三个接触阶段材料表层的应力应变、接触压力和接触摩擦切应力特征。结果表明,微观接触过程不仅存在材料的非线性作用和摩擦接触的状态非线性作用,而且存在着由于材料表面变形引起的几何非线性作用,被磨损材料表层的应力应变和接触压力的分布和大小与材料表面变形过程有关。     

磨粒磨损的磨粒接触热分析

针对磨粒磨损机制,采用球形磨粒模型和分形磨粒2种模型,利用有限元软件ANSYS分析磨粒磨损的滑动过程,探讨磨粒与磨损表面接触区內的温度变化、热应力分布及其随表层深度的变化情况,并对2种模型的分析结果进行对比分析。研究结果表明:球形磨粒模型中磨粒温度较高,接触体温度较低,磨粒与磨损表面温差较大,磨粒与表面接触处的Mises应力和剪应力分布比较分散;而分形磨粒模型中接触体温度较低,磨粒温度更低,磨粒与磨损表面温差较小,磨粒与表面接触处的Mises应力和剪应力分布比较集中,并且应力最大值比球形磨粒模型的大。     

磨粒磨损的接触分析

磨粒磨损作为磨损的主要类型之一,影响机械使用寿命。针对犁沟磨损机制,采用球形磨粒模型和分形磨粒模型,对于磨粒磨损的压入、滑动和压碎3个过程,利用有限元软件ANSYS,分析磨粒与磨损表面接触区的Mises应力和剪应力分布以及应力随表面深度的变化情况,并对2种模型的分析结果进行对比。研究结果表明,球形磨粒模型中,磨粒与表面接触处的Mises应力和剪应力分布比较分散,且应力峰值较小,在相同材料和压力下磨粒和表面均未压碎;然而分形磨粒模型中,磨粒与表面接触处的Mises应力和剪应力分布比较集中,且应力峰值较大,磨粒和表面均压碎。2种模型中,采用分形方法构造的分形磨粒形状与实际情况中的磨粒形状更加相似。     

车轮滑动时钢轨热机耦合有限元分析

利用有限元分析软件ABAQUS建立了轮轨接触热机耦合分析的热弹性平面应变有限元模型.模型中考虑温度对材料热物理参数的影响.分析了车轮滑动时不同摩擦因数和轴重对钢轨应力场分布的影响.结果表明,最大Von Mises等效应力发生在接触斑后半轴靠近接触区的边缘处,轮轨摩擦热影响区主要分布在接触表面,并随深度的增加其影响越来越小;当温升较大时,热物理参数随温度变化的影响应予以考虑;钢轨表面应力随摩擦因数和轴重增大而增大.     

双粗糙接触模型的表面温度在滑动摩擦过程中变化分析

建立三维双粗糙体分形表面的热力耦合接触模型,在固定滑动速度工况下综合考虑了钛合金材料的磨损失效、界面粘着及接触过程中的热力耦合,动态探讨了粗糙体在滑动过程中接触表面的温度变化情况。运用有限元方法对滑动过程的温度场进行模拟仿真并得出:滑动摩擦初始时刻摩擦表面接触温度急剧上升,随着滑动距离的增加,最高接触温度处于波动状态;界面剪切强度越大,最高温度越高。通过研究接触表面的温度场分布情况,以探索滑动过程钛合金材料摩擦磨损的真正起因。将结果与相关文献实验进行比较,得出了模拟仿真的合理性。     

弹塑性粗糙体/刚体平面滑动摩擦过程热力耦合分析

建立一具有三维分形特性的弹塑性粗糙表面与一理想刚性平面接触的热力耦合模型,充分考虑粗糙表面接触微凸体间的相互作用及接触界面摩擦热流耦合等的影响.运用大型有限元软件ANSYS中的非线性有限元多物理场方法,数值模拟并分析了滑动摩擦过程粗糙实体的热、力分布规律.发现由于速度的突变,滑动初始摩擦表面最高温度急剧升高,而匀速滑动中温升缓慢;整个滑动摩擦过程中粗糙表面的VonMises等效应力分布极其不均,且在接触凸点后方距表面一定深度处存在一拉应力区;在滑动瞬间及其闪点温度形成时,粗糙实体表面的VonMises等效应力发生明显变化,且最大拉应力值及其拉应力层厚度明显增大,此结果为材料裂纹萌生及扩展提供了一定的理论依据.     

滑动接触中摩擦发热的数值分析

在滑动接触中，存在摩擦起热问题，运动机理对接触行为参数特性的影响不同于纯滚动接触，采用有限元方法，利用ANSYS软件，对2维滚滑模型进行分析，通过研究接触区的温度，接触应力和变形在运动学状态下的变化特性，可以看到接触状态的非稳定性必定会造成实际摩擦状态的不同，这也是形成接触表面不均匀磨损的原因之一。     

氮化硅陶瓷球研磨去除机制试验与仿真研究

为研究研磨过程中氮化硅陶瓷球的材料去除形式及磨损行为,结合陶瓷材料动态压痕断裂力学理论,进行陶瓷球研磨加工试验,采用超景深三维显微镜和扫描电镜对研磨后陶瓷球表面进行观察,同时建立单颗金刚石磨粒冲击作用有限元模型并进行仿真研究。试验结果表明:氮化硅陶瓷球表面材料去除以脆性断裂去除和粉末化去除为主,陶瓷球表面残留有大量贝壳状缺陷和呈簇状随机分布的粉末化材料区域;研磨过程中,陶瓷球表面存在擦伤、划伤和凹坑等缺陷;磨粒冲击作用时,表面材料会受微切削作用产生破碎去除,同时也会受挤压作用产生脆性断裂去除,当磨粒以滚动方式作用在陶瓷球表面时,陶瓷球表面更容易形成粉末化去除,且材料去除率更高。仿真结果表明:各磨粒冲击作用方式产生的最大等效应力由大到小的顺序为滚动磨粒变切深、滚动磨粒定切深、磨粒挤压、滑动磨粒定切深,其中,滚动磨粒变切深产生的亚表面裂纹最深。     

单晶硅超精密磨削过程的分子动力学仿真

对内部无缺陷的单晶硅超精密磨削过程进行了分子动力学仿真,从原子空间角度观察了微量磨削过程,解释了微观材料去除、表面形成和亚表面损伤机理,并分析了磨削过程中的磨削力和磨削能量消耗。研究表明:磨削过程中,在与磨粒接触的硅表面原子受到磨粒的挤压和剪切发生变形,堆积在磨粒的前方,当贮存在变形晶格中的应变能超过一定值时,硅的原子键断裂,即完成了材料的去除;随着磨粒的运动,磨粒前下方的硅晶格在磨粒的压应力作用下晶格被打破,形成了非晶层,非晶层不断向前向深处扩展,造成了单晶硅亚表面的损伤;同时部分非晶层原子在压应力的作用下与已加工表层断裂的原子键结合,重构形成已加工表面变质层。     

车轮滑动时钢轨热弹塑性有限元分析

利用有限元分析软件ABAQUS建立轮轨接触热弹塑性平面应变热机耦合有限元模型。模型中,材料本构采用的是双线性塑性模型,考虑轮轨自由表面与环境的热对流的影响和温度对材料参数的影响,通过移动边界条件模拟轮轨接触区的移动。分析车轮滑动时不同摩擦因数和轴重对钢轨温度场和残余应力分布的影响。计算结果表明,钢轨表面最高接触温升发生在接触斑中心后半轴靠近边缘处,温升主要分布在接触表面大约1.6mm的深度范围,钢轨表层最大VonMises等效应力发生在离钢轨表面大约0.2mm的次表面;残余应力应变的影响主要在钢轨表面大约10mm范围内,在钢轨表面考虑热影响时残余应力比不考虑热影响的大;考虑热影响时钢轨表层的温度随摩擦因数和轴重的增大而增大,钢轨表层残余应力也随着摩擦因数的增大而增大,而轴重对钢轨表面残余应力影响不明显,而在次表层影响很大。     

柱塞泵配流副滑摩界面摩擦磨损及热力耦合分析

针对轴向柱塞泵配流副滑摩过程中由摩擦温升所引起的摩擦磨损问题,建立配流副轴对称非稳态热传导方程,利用ABAQUS有限元软件进行配流副摩擦磨损及热力耦合特性分析,并利用端面摩擦磨损试验机进行试验验证。结果表明:在滑摩初期,相比于中低压力,高压力工况更易发生磨粒磨损;随着滑摩进行,材料表面粗糙峰被磨平,加之温度上升,材料强度下降,高转速取代高压力成为接触面温度和摩擦系数增大的主要影响因素,此时的磨损机制主要为黏着磨损;在滑摩过程中,外径出现了应力集中现象,且接触压力高于内径;转速及压力对配流副摩擦温升及磨损特性的影响是非线性的,在相同PV值下,转速比压力的影响更为显著。     

磨料粒度对表面微织构纯钛干摩擦性能的影响

为了提高钛及钛合金钻具在超深钻探、深海钻探和外太空钻探工程中的减摩抗磨性能。利用激光表面加工技术在工业纯钛（TA2）表面制备了不同参数的点阵微织构。采用MS-T3000摩擦磨损试验机测试了微织构钛合金在不同粒度模拟月壤作用下的摩擦学性能。利用扫描电子显微镜和能谱分析仪分析磨痕形貌及元素含量。研究结果表明：当磨料粒度小于微织构点阵的直径时,磨料压入微织构点阵里,磨料具有滚动和滑动两种运动方式。当粒度大于微织构点阵的直径时,磨料不能完全压入微织构点阵里,磨料对微织构TA2表面产生了滑动犁削作用。由于两种磨料磨损的作用机理不同,同等条件下,小粒度的磨料作用下的微织构TA2的摩擦因数和磨损率较大粒度磨粒作用下的最大减少量分别为50%和53%。考虑磨料粒度与微结构的匹配性,可以大大降低摩擦减少磨损。     

磨屑对润滑油摩擦性能的影响

通过实验和模拟研究磨粒对润滑油摩擦性能的影响。首先通过微纳米压/划痕试验测量含磨屑润滑油的摩擦因数。同时,建立边界润滑体系模型,采用分子动力学方法模拟含磨屑润滑油膜在不同载荷下沿膜厚方向的压缩率和密度分布;对体系的上下固体壁面施加方向相反的剪切速度,计算出壁面原子的应力、摩擦力、正压力和摩擦因数;分析不同粒径磨屑的动态行为特征;通过减少润滑油分子数量,探究乏油工况下含磨屑润滑体系的摩擦性能。结果表明,润滑体系摩擦因数的模拟值与试验值一致;磨屑的存在会降低油膜的压缩率,同时在高载下磨屑的存在会对油膜的分层产生破坏,影响磨屑附近的密度分布;含小粒径磨屑的润滑体系的摩擦因数比含大粒径磨屑的润滑体系的小,表明磨粒聚集长大现象会恶化润滑油的润滑性能;磨屑在剪切过程中同时存在滚动和滑动,含小粒径磨屑的润滑体系剪切过程中表现出波动幅度更大的角速度;随着载荷的增大,磨屑角速度减小,波动幅度降低;在乏油工况下,磨屑会在剪切过程中出现变形破碎现象。     

Effect of the Abrasive Size on the Friction Effectiveness and Instability of Brake Friction Materials: A Case Study with Zircon

The friction-induced vibration triggered at the sliding interface between the gray iron disk and brake friction material was studied by changing the size of the zircon particles in the friction material. The friction tests were performed using a reduced brake dynamometer and the friction characteristics of the friction materials containing zircon particles with sizes of 3, 50, and 100 μm were analyzed. Our results show that the properties of the sliding surface were strongly affected by the entrenchment of the abrasive particles in the friction layers during sliding. The friction effectiveness was inversely proportional to the size of the abrasive, while friction instability was pronounced when smaller zircon particles were used. The smaller zircon particles produced larger plateaus on the sliding surface with low contact stiffness. However, the contact plateaus with the low contact stiffness showed higher amplitudes of the friction oscillations, suggesting a surface with low stiffness also can produce high propensity of friction instability during sliding. Based on the friction stability diagram and surface properties, such as contact stiffness and surface roughness, it was suggested that the static coefficient of friction, which was changed as a function of dwell time, was crucial to understand the cause of friction-induced force oscillations and propensity of friction instability of brake friction materials.     

地铁受电弓碳滑板冬季异常磨耗特点微观研究

以国内某地铁线路在冬季运行中出现异常磨耗的受电弓浸铜碳滑板为研究对象，借助多种微观测试手段，比较其表面形貌、微观组织、化学成分等与正常磨耗状态的碳滑板表面的差异，探究碳滑板出现异常磨耗的原因及机制。结果表明：与正常磨耗状态碳滑板相比，异常磨耗状态下碳滑板表面三维形貌崎岖且粗糙，其接触条件显著恶化，机械磨损、磨粒磨损、电弧烧蚀、材料转移等形式的磨损量均有增加；在进入秋冬季节后，碳滑板表面润滑条件发生改变、磨粒数量增加、直径增大、接触副温度上升，从而加剧了磨粒磨损和电弧烧蚀，造成碳滑板出现异常磨耗现象。对地铁运营过程进行跟踪监测后发现，碳滑板异常磨耗的出现与隧道内环境湿度的下降存在一定关联。     

7075铝合金和QRO90模具钢在热成形工况下的摩擦磨损行为

铝合金在热成形制造过程中存在严重的模具磨损,不但缩短模具使用寿命,还造成工件表面拉毛和成形偏差。为模拟模具钢与7系铝合金在热成形工况下的摩擦过程,搭建单向高温摩擦磨损试验平台,对热成形工况下的摩擦磨损行为展开研究,并通过光学轮廓仪和扫描电镜分析模具钢与铝合金磨损表面形貌。结果发现,热成形过程中黏结磨损和磨粒磨损同时存在,磨损颗粒在粗糙表面上被压实和堆积,对后续的摩擦磨损行为有显著影响。对单向高温摩擦试验的接触副局部进行有限元建模,分析粗糙接触表面上的局部接触条件,探讨其对后续摩擦学行为的作用。分析表明,摩擦过程中存在黏滑现象,局部接触压力受表面形貌影响,显著大于名义载荷,最大等效应力出现在表面之下。这对进一步分析磨损行为、提出合适的表面工程方案提供了基础。     

In Situ Observation of Wear Process Before and During Scuffing in Sliding Contact

In this study, a direct observation of a point contact area was conducted to understand the scuffing phenomenon. The contact area was produced between a rotating sapphire disc and a stationary steel ball and it was lubricated using n-hexadecane. The image detected by a colour digital CCD camera, load, and friction were synchronously recorded by a computer during the test. It was found that wear debris produced in the contact area played an important role in the wear process, which includes running-in and scuffing. In the test, debris particles accumulated in the inlet zone, and some particles entered the contact area to cause abrasive wear of the ball surface, even in the light-load stages. During the running-in process, the abrasive wear by debris particles changed the conformity between the sliding surfaces. In the high-load stage, just before the occurrence of scuffing, the whole contact area was flattened at once. When scuffing occurred, the contact area suddenly expanded. The conformity of the contact area was dramatically changed during its expansion. The flattening of the whole contact area and dramatic expansion with changing the conformity seemed to play important roles in scuffing.     

Thermal and thermomechanical effects in dry sliding

Whenever friction occurs in dry sliding of mechanical components, mechanical energy is transformed into heat through surface and volumetric processes in and around the real area of contact. This frictional heating, and the thermal and thermomechanical phenomena associated with it, can have a very important influence on the tribological behavior of the sliding components, especially at high sliding velocities. Significant developments in the study of these phenomena are reviewed in this paper. Among the topics reviewed are mechanisms of frictional heating and the distribution of heat during sliding friction, the measurement and analysis of surface and nearsurface temperatures resulting from frictional heating, thermal deformation around sliding contacts and the changes in contact geometry caused by thermal deformation and thermoelastic instability, and the thermomechanical stress distribution around the frictionally heated and thermally deformed contact spots. The paper concludes with a discussion of the influence of the thermal and thermomechanical contact phenomena on wear, thermocracking and other modes of failure of sliding mechanical components.     

用于模具自由曲面的新型气囊抛光中磨粒场的分析

为提高模具自由曲面抛光的效率和品质,提出一种基于柔性抛光理念的新型气囊抛光技术。研究了气囊抛光接触区内磨粒的运动轨迹、压力分布和抛光力的分布情况,建立了气囊抛光接触区内磨粒的运动模型、压力模型,揭示了气囊抛光接触区内磨粒直径对抛光力和被加工工件内部剪切应力的影响规律,研究了抛光过程中工件内部的剪切应力分布,明确了材料疲劳去除机理。为气囊抛光的应用奠定了理论基础。