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。     

表面微织构化石墨涂层对铝合金表面的协同减摩机理研究

目的 研究微织构和固体润滑涂层对铝合金表面减摩、抗磨性能的协同作用效果,为铝合金内燃机活塞外圆表面的减摩、抗磨设计提供参考。方法 采用脉冲Nd:YAG激光器在试件表面加工出具有规则形貌的正方形凹坑阵列,利用热喷涂工艺在微织构化基体表面喷覆固体石墨涂层,在乏油条件下,利用HSR-2M型高速往复摩擦磨损试验机进行摩擦磨损实验,采用扫描电子显微镜和超景深显微系统对试样磨损表面进行了分析,研究微织构几何参数、相对滑动速度、涂层特性对摩擦副表面减摩、抗磨作用的协同机理及影响规律。结果 在乏油润滑条件下,仅覆盖石墨涂层的摩擦副表面,摩擦系数较光滑表面降低了44%。经微织构修饰的摩擦副表面,其摩擦系数明显小于光滑表面,其中微织构所占面密度为8.2%时摩擦系数最低,相对于光滑表面降低了67.4%。当在微织构和石墨涂层的协同作用下,摩擦系数进一步降低至0.07,且铝合金基底表面未见明显磨损,此外较高的滑动速度有利于摩擦系数的进一步降低。结论 微织构和石墨涂层的协同作用下,能有效改善乏油工况下铝合金表面的摩擦学性能,合理的几何参数可以更有效地发挥减摩和抗磨效果。     

表面织构类型对摩擦副减摩性能的影响分析

目前对表面织构润滑减摩机理的认识还不够完善。为研究不同织构类型所适用的最佳工况,以内燃机活塞-缸套摩擦副为研究对象,采用时均雷诺方程及周期边界条件,建立织构条件下平面摩擦副润滑油膜的控制方程。通过试验测试结合流场分析,明确表面均布凹坑型微织构和斜槽型微织构的润滑减摩机制。进一步对比坑-槽复合型织构和槽-槽耦合对摩时摩擦因数的变化规律,从转速和载荷的角度明确适合各织构类型的最优工况。研究发现：斜槽型织构具有更优的减摩效果,并在负载100 N时摩擦因数最优,转速对摩擦因数的影响较小;凹坑型织构和复合型织构在80 N载荷下减摩效果最佳,在350 r/min时摩擦因数达到最小值;耦合槽型织构在低承载时摩擦因数低于单斜槽织构(最大相差10.2%),转速对摩擦因数的影响较小。针对几种织构类型所适应的最优工况进行研究,明确了不同工况下的织构类型的选择和优化。     

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。     

部分表面凹槽织构动压润滑性能的CFD分析

表面织构作为一种改善摩擦学性能的方法,已成功应用于工业领域。利用计算流体动力学(CFD)模型模拟研究了流体润滑状态下部分表面凹槽织构的动压润滑性能,详细分析了表征部分凹槽织构在摩擦副表面排列布局的位置参数L以及凹槽宽度D和雷诺数Re对润滑油膜承载的影响。结果表明:在较低雷诺数Re下,位置参数L对油膜承载影响明显,当Re=3,D=0.2时,L从0.4减少到0.05,油膜承载提升了58.99%,然而,随雷诺数Re的增加,位置参数L对油膜承载的作用逐渐减弱。另外,凹槽深度一定时,存在最优的凹槽宽度D,其对应着最大的油膜承载。     

平行滑块表面不同形状复合型织构的润滑性能研究

目的 研究具有仿生硅藻结构的复合型织构对滑动轴承润滑性能的影响.方法 采用流固耦合的方法,对具有复合型织构的单元模型进行研究,依照硅藻的多孔结构,设计出矩形-半球型、矩形-椭球型、圆柱-半球型及圆柱-椭球型等4种类型的织构,建立这几种复合型织构的单个单元模型.在不同面积率和织构深度条件下,分析不同织构类型对滑动表面摩擦...     

表面织构润滑减摩的国内外研究现状及进展

表面织构是源自于自然界生物非光滑表面的微纳米结构,这些微观结构使得生物在进化过程中呈现出优异的自润滑和抗磨减摩性能.国内外研究也一致表明,表面织构是改善表界面摩擦学特性的一种有效手段,可使材料表面实现自润滑效果,并且能够减少摩擦磨损带来的机械设备提前失效和能源耗损.从表面织构的形态特征及其作用机制出发,对近年来表面织构在润滑减摩方面的国内外研究现状及进展进行调研分析.讨论了表面织构形状(规则织构、不规则织构等)、织构分布形式(全织构分布、部分织构分布等)、织构几何参数(深度、面积比、深径比等)、工况参数(载荷、速度等)等因素,对织构化表面润滑减摩性能的影响,同时总结了表面织构润滑减摩作用机制研究中面临的难题.提出未来应重点开展极端工况、混合润滑状态下多类型复合织构的润滑减摩作用机制,考虑动态磨损的表面粗糙度与织构协同作用润滑减摩规律和仿生微织构与涂层耦合作用下抗磨性能等方面的研究,从而进一步推动表面织构在润滑减摩领域的工程应用.     

激光表面织构对铸铁摩擦磨损性能的影响

目的找出最佳的表面织构方案,将其应用在摩擦副的表面处理上,从而达到降摩减阻、节能减排的目的。方法设计了两种不同的加工面积占有率(10%和20%),三种不同形状的表面织构(圆坑、椭圆坑、沟槽),对铸铁试件进行激光表面加工,并利用环-块磨损试验机进行油润滑摩擦磨损实验。结果表面织构对铸铁材料的摩擦磨损性能有明显改善,尤其在磨损量方面。三种不同形状的表面织构相比,圆形表面织构试件的磨损量最小。两种不同面积占有率相比,面积占有率为20%的圆形微织构试件的磨损量最小,并在一定程度上减小了摩擦系数。结论在本实验研究条件下,面积占有率为20%的圆形表面织构对改善铸铁材料的摩擦磨损性能最显著。     

非晶碳基薄膜及其表面织构化后的水润滑性能研究进展

非晶碳基薄膜在水中具有低摩擦磨损特性和好的耐腐蚀性,但在摩擦过程中容易发生局部剥落,进一步提高薄膜在水中的承载力是目前的热点研究方向之一.在综合分析非晶碳基薄膜的摩擦学性能及其改性,以及采用表面织构化提高材料承载力的基础上,阐述了将两者相结合以改善薄膜整体性能的研究现状和发展前景.     

激光表面织构化对45钢摩擦磨损性能的影响

目的研究表面织构对45钢干摩擦和乏油状态下摩擦磨损性能的影响。方法用激光加工的方法在45钢表面加工出不同面密度的凹坑织构,在UMT-2型多功能摩擦磨损试验机上以球-盘副考察凹坑密度在干摩擦和乏油条件下对45钢摩擦磨损性能的影响。结果在干摩擦条件下,织构密度在4%时,摩擦配副的摩擦系数最小,稳定摩擦系数为0.56。随着织构密度的增大,摩擦系数也逐渐增大,当织构密度增大至16.2%时,配副摩擦系数最大,稳定摩擦系数为0.72。在乏油条件下,织构密度在4%时,摩擦系数为0.39,小于未织构试样摩擦配副。凹坑密度增大后,其摩擦系数大于未织构试样,但是均在0.43左右。在干摩擦和乏油条件下,织构化试样的磨损率都小于未织构试样,并且随着织构密度的增大,磨损率先减小后增加,织构密度在8.1%时,抗磨效果最好。结论表面织构能收集磨粒,储存润滑油,从而起到良好的减磨作用。     

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。     

表面织构参数对液压马达滑靴副的摩擦学性能影响研究

目的通过表面织构改善液压马达连杆滑靴副的摩擦学性能。方法首先,基于Reynolds方程研究表面织构参数(直径d、面密度s_p、深度hp)对滑靴副的无量纲压力(P_(av))的影响规律。其次,设计正交试验研究表面织构参数对摩擦系数的影响,分析表面织构的润滑机理。结果 P_(av)随着d的增加而增大;随着s_p的增大,先增加后缓慢减小,当s_p=10%时,Pav达到最大值。此外,随着_hp的增大,P_(av)先增加后快速减小,在h_p=2μm时达到最大值。摩擦实验结果表明,合适的织构参数能有效降低摩擦系数,7#织构表面(d=700μm,s_p=10%,h_p=5μm)的摩擦系数最小为0.034,比无织构表面的降低66%。正交极差分析表明,各因素对摩擦系数影响的主次顺序为:直径面密度深度。摩擦系数随着直径的增大而减小,随着面密度的增大而增大,随着深度的增大而减小。结论经过优选的表面织构参数有利于形成动压润滑,从而降低摩擦系数和磨损。     

SiC表面水滴型微织构的水润滑特性研究

目的 提高水润滑条件下SiC陶瓷的摩擦性能。方法 通过对剪切力矩和摩擦因数的测试和计算,结合扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)观察试件表面的磨痕形貌及元素含量分布,分析转速、载荷和织构排布方式对变深度水滴型织构在SiC表面摩擦因数、磨损特征和摩擦化学反应的影响规律。结果 在变深度动压弹流润滑和摩擦化学反应的协同作用下,单侧水滴型织构试件在润滑介质从小端流向大端时可以实现更好的润滑性能,并且随着转速从200 r/min升至900 r/min,稳定摩擦因数从0.004增至0.068,远低于相同工况下斜槽型织构和无织构的光滑表面试件。对于水滴型织构,当润滑介质从大端流向小端时,其呈现的摩擦因数与无织构表面光滑试件的摩擦因数相近,维持在0.014~0.114。双侧水滴型织构在重载时具有更优异的润滑减摩效果,在200~900 r/min的转速范围内,能够提供稳定且较小的摩擦因数。结论 在SiC材料表面设计具有变深度特征的水滴型织构,可以有效提高系统的润滑减摩效果,特别是当润滑介质从织构较浅处流向较深处时,可以促进SiC试件表面的摩擦化学反应,生成的氧化物薄膜会覆盖在试件表面形成保护层,使SiC陶瓷的摩擦学行为得到改善。     

圆凹坑织构对线接触摩擦副摩擦学性能的影响

根据摩擦试验中圆盘试样的旋转方向,用YLP-20型激光加工系统在圆柱销试样回转面不同区域(前端、后端、中间)加工规则分布的表面织构,利用UMT-3摩擦磨损仪进行单向旋转摩擦试验,研究表面织构分布区域对摩擦副摩擦学行为的影响。结果表明:在载荷10N、滑动速度0.003~0.628m/s时,不同分布区域的织构对摩擦副的摩擦学行为影响不同,相比无织构试样,分布于试样回转面中间部分的织构对摩擦副起到了减摩作用。这是由于中间织构通过形成局部流体动压润滑作用提高了摩擦副的承载能力,降低了接触表面的摩擦因数,同时通过储存磨屑,减少了表面磨损。前后端织构产生的流体动压润滑效应很小,磨损严重,导致其摩擦因数高于中间织构和无织构试样的摩擦因数。     

基于有限元仿真的磨削纹理对40Cr材料摩擦学特性影响及润滑油匹配

目的由于磨削粗糙度较小,磨削纹理对材料摩擦学特性的影响常被忽略,故研究磨削表面纹理方向与润滑油的匹配性问题。方法利用有限元仿真研究,分析了工件运动方向与表面纹理方向呈不同夹角(θ=0°、30°、45°、90°)时,对固体间接触面积A和摩擦因数μ的影响,并选择了3种黏度差距较大的润滑油进行了单因素匹配性研究。结果利用有限元仿真模型,获得了不同黏度润滑油润滑时的最佳纹理安装角度。使用32号润滑油润滑,θ=0°(运动方向与纹理方向垂直)时的摩擦因数和接触面积均最小;使用68号润滑油,θ=0°时的摩擦因数最小,而且此时的接触面积也最小;使用150号润滑油时,θ=30°时的摩擦因数最小,此时的接触面积较小。结论表面纹理方向对固体间接触面积的影响主要由润滑油膜连续程度决定,表面纹理方向对摩擦因数的影响由油膜连续程度和固体间接触的阻碍作用双重决定。随着润滑油黏度的增大,表面纹理方向对固体间接触面积和摩擦因数的影响逐渐减小。实际生产中的零件安装,必须关注纹理方向对润滑效果的影响,并注重与润滑油的匹配问题。     

采油液力马达转子表面织构参数对其摩擦副摩擦学性能的影响

目的研究微沟槽织构对采油液力马达定转子配副表面摩擦学性能的影响,为减小液力马达螺旋副的摩擦阻力矩,从而解决大庆油田某型号液力驱动螺杆泵采油系统停机后启动困难的问题提供设计方向。方法根据螺杆马达螺旋副,建立金属-橡胶平板往复摩擦模型,在金属试件表面加工出不同织构角度和深度的矩形微沟槽,采用正交试验方法,研究不同织构参数对液力马达螺旋副摩擦性能的影响规律,最后再对比分析橡胶试件摩擦磨损试验前后的表面形貌,以掌握织构存在对橡胶定子使用寿命的影响规律。结果织构角度一定时,除90-5号试件以外,其余各组试件的摩擦因数表现出随织构深度的增加而增加的现象。织构深度一定时,各组试件的摩擦因数随织构角度的增大而表现出先增大后减小的现象。织构角度是摩擦因数的主要影响因素。相同试验条件下,0—5号试件的摩擦因数比未织构试件降低了20.2%。结论在液力马达定转子这种金属-橡胶接触对中,织构的减摩机理主要是通过微沟槽输送润滑介质,改善润滑条件。织构参数设计合理的试样,在不缩减液力马达使用寿命的条件下可以有效减小摩擦副的摩擦因数,有利于液力驱动螺杆泵采油系统顺利启动。     

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。     

几何特征及工况条件对表面织构摩擦特性影响研究

表面织构技术是一种加工方便且不破坏材料本质的表面改性方法,在材料表面加工出具有一定形状和规则的微观结构以改善材料的表面摩擦性能。但不同工况条件下影响摩擦性能的可变因素太多,以至于无法得到各设计参数的最优通用方案。从提出附加流体动压效应到表面织构形貌、尺寸、深度、面积占有率、坑底形状、取向和分布形式等方面,回顾了国内外表面织构减摩作用的研究发展历程。概述了凹陷织构中连续织构和离散织构的表面形貌对材料表面摩擦特性的影响,并在离散织构中重点分析了三角形、矩形、菱形、六边形、椭圆形、圆柱形、球形、水滴形、圆环形、雪花形和葫芦形等织构形貌对材料表面摩擦特性的影响;论述了各几何参数中织构直径和面积占有率对摩擦因数的影响比织构深度大;阐述了不同分布形式的表面织构对摩擦特性的影响;在干摩擦、边界润滑、流体润滑和混合润滑等4种状态下,总结了不同工况条件下表面织构的减摩机理,并对表面织构存在的问题提出建议,以期为表面织构的研究者提供参考。     

基于热效应的织构化分形表面的弹流动压性能分析

目的研究织构化分形表面的热弹流润滑性能随分形维数及织构参数的变化规律。方法建立织构化分形表面的热弹流动压模型并无量纲化,然后运用多重网格法编程求解。通过对多种工况下的摩擦面间的最大压力、最小膜厚和摩擦因数进行比较分析,揭示织构参数和分形参数对织构化分形表面动压润滑性能的影响。结果随着织构深度的增加,最小膜厚减小,最大压力和固体界面温度增大。摩擦因数-织构深度曲线有最小值,但不同分形维数下的摩擦因数-织构深度曲线的最小值发生处的织构深度值相同。织构深度相同时,最大压力和固体界面温度随维数的增大而减小,平均摩擦因数则增大。最小膜厚-织构密度曲线和摩擦因数-织构密度曲线都存在最小值,最大压力-织构密度和固体界面温度-织构密度曲线有最大值。织构密度相同时,最大压力和固体界面温度随分形维数的增大而减小,摩擦因数则随之增大。结论分形维数越大,摩擦副表面的摩擦因数越大,但摩擦因数-织构深度和摩擦因数-织构密度曲线都有最小值。