阶梯型直线槽对轴承钢端面摩擦学性能的影响

为考察阶梯型直线槽表面织构对轴承钢端面摩擦性能的影响,设计了3种阶梯型直线槽表面织构,建立了均匀分布表面织构密封端面理论模型,利用数值模拟的方法获得了密封端面间气膜的无量纲压力分布,分析了直线槽截面形状和几何参数对平均压力pav的影响。结果表明:Q型直线槽端面比普通R型直线槽端面具有更好的动压性能;直线槽的深度决定最优深度系数和宽度系数;通过合理的选择阶梯槽参数,平均无量纲压力能达到1.602 3。     

复合织构化压裂泵柱塞密封副动压润滑性能仿真研究

为改善压裂泵柱塞密封副的摩擦磨损性能,在压裂泵柱塞密封副表面建立不同的复合表面织构(不同复合织构类型、不同分布方式、不同截面形状等),并在结合柱塞密封副几何结构特征、压力边界条件及雷诺方程的基础上,建立织构化柱塞密封副动压润滑理论模型,采用有限差分对雷诺方程进行求解,仿真分析复合织构对柱塞密封副动压润滑性能的影响规律。数值仿真研究结果表明:复合织构对动压润滑性能的影响与外织构深度有密切关系;内织构为凹坑或凸起,以及内织构为不同截面形状的复合织构,主要是通过影响织构平均深度与摩擦副间隙的大小关系,而对复合织构的动压润滑性能造成不同的影响规律;内织构分布于外织构右侧(润滑介质入口一侧)对复合织构动压润滑性能的提升最大。     

织构化表面空化效应影响润滑性能的CFD分析

考虑织构化表面润滑介质流场的空化效应,建立具有不同截面微结构特征的有限元计算模型,利用Fluent14.0软件进行计算,研究表面织构几何形状及尺寸对流体润滑性能的影响。结果表明:考虑惯性项作用时,表面微织构会产生额外的承载力,而且随着速度提高,承载力会进一步增大;考虑空化效应时,承载能力增大近一个数量级,更符合文献中的试验结果;与三角形、矩形及椭圆织构截面相比,球缺截面的织构空化面积更小,更有利于提高承载;微结构深度和宽度尺寸影响摩擦和承载性能,研究表明,减小织构深度、增大织构宽度有利于改善润滑性能。     

圆环形微凹坑织构表面的摩擦性能

利用数值模拟方法研究具有微圆环状凹坑织构平面在往复运动下的摩擦学性能,分析微圆环深度、圆环内外半径及面积比等织构几何参数对摩擦性能的影响,并与典型的圆柱形织构单元进行对比研究。结果发现,深度相同时,摩擦因数随着圆环宽度的增加而减小,圆环宽度较大时,摩擦因数随织构深度的增加而减小;圆环状织构的动压效应随着圆环宽度的减小而减小;与圆柱状织构表面相比,相同面积比条件下的圆环状织构的摩擦因数更小,同时圆环状织构在吸纳细小磨屑方面也优于圆柱状织构。     

三角形截面短凹槽织构化表面动压润滑理论研究

为研究短凹槽的润滑减摩机制,通过建立具有三角形截面短凹槽织构化平行滑块润滑理论模型,利用多重网格法求解润滑油膜压力分布,分析三角形截面短凹槽织构几何参数的变化对摩擦副表面的流体动压性能的影响规律。研究结果表明:短凹槽织构的长度对流体动压承载能力几乎没有影响;在特定的工况条件下,流体动压润滑效应随着凹槽宽度、深度与横向间距的增加而先增大后减小,分别存在最佳凹槽宽度、深度与横向间距使得流体动压润滑效应达到最大;流体动压润滑效应随着短凹槽织构纵向间距的减小而增大。     

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。     

表面织构形貌参数影响润滑性能的三维CFD分析

为研究在流体润滑条件下,表面微织构形貌参数对润滑性能的影响,建立考虑空化效应的单织构三维计算模型。用CFD方法模拟织构在不同深度、面积密度和表面形状条件下,油膜承载力、摩擦因数和压力分布的变化情况。结果表明:随着织构深度(面积密度)的增加,油膜的承载力先增大后减小,摩擦因数先减小后增大,即织构存在最优的深度和面积密度使得流体动压润滑性能最优;随着上壁面滑移速度的增大,织构的最优深度有减小的趋势,而最优面积密度趋于稳定;设计具有汇流作用的织构表面形状可以提高油膜的承载力,且速度越大,改善润滑的效果越明显。     

方坑-半圆柱体叠加织构滑块润滑性能仿真与参数优化

通过设计方坑-半圆柱体叠加织构,建立了不同面积占有率、不同深度、不同角度的方坑-半圆柱体叠加织构的流体动压模型,探索叠加织构不同几何参数对流体动压分布和油膜承载能力的影响。仿真结果表明：随着织构面积占有率的变化,方坑-半圆柱体叠加织构油膜承载能力呈先增加后减小趋势,织构深度对油膜承载能力的影响较小,具有一定倾角的织构能够提升滑块的动压润滑性能;当织构中方坑及半圆柱体深径比不变时,面积占有率为36%时流体动压效果较优,平均摩擦系数最小;在织构面积占有率不变时,深度为0.15 mm,织构倾角30°时动压效果较优,此时织构化滑块表现出优良的摩擦学性能。研究结果为进一步提升织构化特征滑块的润滑性能提供参考。     

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。     

凹槽织构流体动压润滑性能的CFD研究

采用基于N-S方程的CFD方法,探究了不同截面形状和凹槽承载力的关系,以及织构面积率、速度和凹槽深度对承载能力的影响。结果表明:方形截面形状凹槽的承载能力最好,三角形的最差;滑动速度对承载能力有很大的影响;随着织构面积率的增加,承载力呈现了先增大、后减小、再增大的过程;当织构深度和摩擦副间距大小相当时,凹槽承载力最优。     

表面凹痕织构动压承载性能的CFD分析

为研究表面凹痕织构的动压承载性能,在建立其几何模型的基础上,采用基于N-S方程的CFD方法研究不同参数下表面凹痕织构的平均承载力变化规律,并考察雷诺数、织构宽度和深度对动压承载性能的影响。结果表明:雷诺数的增加能够大幅提升表面凹痕织构的平均承载力;随着织构宽度的增加,表面凹痕织构的动压承载性能趋于优良;当量纲一织构深度处于0.5～1时,表面凹痕织构具有最佳的动压承载性能。     

线接触摩擦副织构化表面动压润滑性能

为研究线接触摩擦副织构化表面动压润滑性能,建立其理论模型,并运用多重网格法进行数值分析,探讨工况参数(载荷、转速)和微织构参数(面积占有率、深径比)对表面油膜压力的影响;在MMW-1A摩擦磨损试验机上研究微织构面积占有率与摩擦因数的关系。结果表明,线接触条件下微织构化表面的油膜平均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,随着深径比的增大而减小;而摩擦因数随着微织构面积占有率的增大而先减小后增大再减小;存在最优的微织构面积占有率,使得油膜平均压力最大和摩擦因数最小。试验结果较好地验证了数值模拟结果,表明线接触摩擦副织构化表面具有较好的减摩特性。     

脂润滑条件下表面织构对滑动表面承载性能的影响

为了研究脂润滑条件下表面织构对滑动表面承载性能的影响,设计球缺形、等边三角形、椭球缺形、圆台形、等腰梯形和直角三角形等6种不同形状的表面织构,利用CFD软件分析6种表面织构在相同深度和面积占有率下的承载性能,发现等边三角形织构的承载能力最强。针对等边三角形织构,探讨织构深度、面积占有率以及摩擦副表面间隙对其承载力的影响,结果表明:在一定的织构面积占有率范围内,承载力随着面积占有率的增加而增大;在相同面积占有率的条件下,承载力随织构深度大致呈现出先减小、后增大、再减小的变化规律;摩擦副表面间隙越小,其承载力越强。     

水压马达配流副椭圆形织构表面流场分析*

为了探究椭圆形织构化表面对水压马达配流副流体动压润滑性能的影响,构建椭圆形织构配流副表面的全水动压润滑模型,采用CFD的方法分析在不同尺寸、不同面积率条件下,两旋转表面摩擦润滑性能的变化规律。结果表明：不同尺寸的椭圆形织构表面均能产生良好的流体动压润滑性能;不同尺寸椭圆形织构的水膜承载力随面积率的变化呈现出不同的变化规律,但相同尺寸的织构表面随面积率的变化呈现出相同的变化规律,且转速越大,规律性越明显;在相同面积率下,转速越高,织构的水膜承载力越强;不同尺寸椭圆形织构在各自最优面积率下的水膜承载力不同,其中长轴、短轴分别为1.6、0.8 mm的椭圆形织构表现出最优的水膜承载性能。     

织构长宽比对钻头轴承润滑减磨性能的影响

基于雷诺方程建立单一织构不可压缩牛顿流体润滑条件下的动压润滑理论模型,采用有限差分法和高斯-赛德尔迭代法求解雷诺方程,分析不同长宽比(平行速度方向为长度方向,垂直速度方向为宽度方向)织构表面对动压润滑性能的影响;并采用MMW-1型微机控制万能摩擦磨损试验机开展牙轮钻头滑动轴承模拟工况下的单元摩擦学实验,对比分析不同长宽比织构对销-盘摩擦副表面摩擦磨损性能的影响;综合数值仿真与单元摩擦学实验结果,分析织构长宽比对织构润滑减磨的影响机制。数值仿真结果表明,织构长宽比对织构动压润滑性能的影响与织构深度有较大的关系,织构深度小于最小油膜厚度时,织构长宽比越小,织构的动压润滑性能越好;织构深度大于最小油膜厚度时,织构长宽比越小,织构的动压润滑性能越差。单元摩擦学实验结果表明,不同长宽比织构均能有效提高表面的摩擦学性能,但表现为织构长宽比越小,织构表面抗摩擦磨损性能越好。数值仿真和实验结果的差异在于仿真分析为动压润滑状态,而单元实验研究则为混合润滑状态。     

液压缸活塞表面菱形织构的动压润滑性能

基于间隙密封液压缸活塞表面菱形凹坑形貌,建立单个三维菱形织构的动压润滑模型及流体力学控制方程;应用流体力学软件FLUENT,采用超松弛迭代法对该织构的表面的动压润滑性能进行数值模拟分析。求解活塞在运动时的菱形凹坑表面对油膜压力和承载力的影响。结果表明:在液压缸活塞表面加工菱形织构,能够对油膜产生附加承载力,改善活塞表面润滑性能;在菱形织构无量纲深度e保持一定时,存在最优面积比为20%。在同一面积比情况下,无量纲深度e在0.012~0.018之间最优,且存在最优角度在(60~75)°之间。     

基于有限元法的往复式骨架油封唇口温度分析

为研究轴表面形貌(表面织构和表面粗糙度)对往复式骨架油封唇口温度场的影响,采用有限元分析软件建立了包含轴表面形貌的二维轴对称有限元模型,并分析了轴表面粗糙度、表面织构深度以及表面织构面积比对进出行程中往复式骨架油封唇口温度分布的影响。分析结果表明,进出行程中往复式骨架油封唇口温度随表面织构深度的增加而升高,轴表面织构深度最佳值为20μm。进行程中,往复式骨架油封唇口温度随表面织构面积比的增大而增加;出行程中,往复式骨架油封唇口温度具有随表面织构面积比的增大呈先增加后减小的变化规律,轴表面织构面积比最佳值为0.6。表面粗糙度对出行程中往复式骨架油封唇口温度的影响很小。     

表面织构的深度影响润滑油膜承载能力的机制研究

采用基于N-S方程的CFD方法,研究最小油膜厚度为4μm时圆弧凹槽表面微织构深度的变化对动压润滑效果的影响,并深入探讨其机制。结果表明,在一定的工况条件下,凹槽深度不同,其承载性能存在一定的差异,当凹槽深度小于4μm时,随织构深度的增加其承载能力逐渐增强,当凹槽深度大于4μm时,随织构深度的增加其承载能力逐渐减弱,即深度值在4μm左右时油膜的承载能力最强。分析发现,织构深度的变化改变了润滑油流场的流动,深度增大到某个值时润滑油开始出现逆流现象,随着凹槽深度的增加,逆流区变大;逆流的存在削弱了织构的承载能力;速度不影响润滑油的流动走向,但会影响承压能力的大小;织构截面形状对润滑油的流动走向有影响,但对织构底部形成漩涡的规模大小影响不大,对润滑油膜承压能力影响不大。     

织构化可控界面对汽轮机调节阀泄漏影响规律及机制

基于流体润滑理论,应用有限元法计算了汽轮机调节阀压力分布及泄漏量,分析了织构化可控界面对调节阀泄漏影响的规律,明确了织构化调节阀的作用机理,实现了界面调控。结果表明：所设计的亲水、疏水织构满足预期的润湿性能;微凹坑流体动压润滑效果较差,动压平衡织构具备动压楔形效应,存在明显的涡流,有效改善了阀杆阀套间隙动压润滑效应,但动压平衡织构增大了上下壁面的联通面积,不利于密封。织构的减漏率影响从大到小依次为：疏水织构、组合织构、亲水织构、动压平衡织构。当调节阀所受压力超过3.5 MPa时,减漏率变化变得平缓。动压效应、密封坝效应以及凹槽内涡流能量交换与能量耗散的协同,使得组合织构在提高阀杆稳定性及降低泄漏方面优于其他织构。     

表面微织构对气体动压轴承承载性能的影响

为分析表面微织构对气体动压轴承承载性能的影响,基于微观分子动力学的Lattice Boltzmann Method(LBM)建立气体动压轴承计算流体动力学模型,采用XFlow软件计算其承载力,并分析了微织构形状和深度对气体动压轴承承载力的影响,结果表明：三角形微织构轴承承载力优于正方形、半圆形微织构轴承,微织构深度取76μm最佳。