边缘凸起织构化压裂泵柱塞密封副摩擦磨损性能

采用纳秒激光烧蚀技术在柱塞单元盘试件表面烧蚀出3种不同分布的条形和椭圆形凹坑织构,利用MMW 1型微机控制式万能摩擦磨损试验机,在模拟工况下（试验力400 N,转速200~1 500 r/min）,研究纳秒激光烧蚀加工产生的金属熔融堆积造成的织构边缘凸起对压裂泵柱塞-橡胶动密封配对副摩擦性能的影响。结果表明：存在边缘凸起的织构对柱塞-橡胶配对副没有明显的减摩和抗磨性能,反而加剧了其摩擦磨损,其主要原因是微凹坑织构的边缘凸起加剧了柱塞试样与橡胶配对副的相互刮擦,凹坑的微流体动压润滑效应小于凹坑边缘凸起对配对副的刮擦作用;经抛光处理后的织构试件的摩擦因数和磨损量都低于无织构试件和未经抛光处理的织构试件,表明控制表面织构的加工质量可有效提高织构试件的抗磨减摩性能。     

织构边缘凸起对压裂泵柱塞密封副摩擦性能的影响

采用纳秒激光烧蚀技术在柱塞单元盘试件表面烧蚀出3种不同分布的条形和椭圆形凹坑织构,利用MMW-1型微机控制式万能摩擦磨损试验机,在模拟工况下(试验力400 N,转速200~1 500 r/min),研究纳秒激光烧蚀加工产生的金属熔融堆积造成的织构边缘凸起对压裂泵柱塞-橡胶动密封配对副摩擦性能的影响。结果表明:存在边缘凸起的织构对柱塞-橡胶配对副没有明显的减摩和抗磨性能,反而加剧了其摩擦磨损,其主要原因是微凹坑织构的边缘凸起加剧了柱塞试样与橡胶配对副的相互刮擦,凹坑的微流体动压润滑效应小于凹坑边缘凸起对配对副的刮擦作用;经抛光处理后的织构试件的摩擦因数和磨损量都低于无织构试件和未经抛光处理的织构试件,表明控制表面织构的加工质量可有效提高织构试件的抗磨减摩性能。     

表面织构形状对牙轮钻头轴承摩擦学性能影响的实验研究

牙轮钻头滑动轴承作为钻头破岩过程中传递载荷的关键部件,在低速重载的钻井过程中易发生黏着磨损失效。为改善牙轮钻头滑动轴承的耐磨性能,利用纳秒激光雕刻技术,在牙轮钻头滑动轴承轴颈表面加工了面积比为10%、深度为20μm的圆形、矩形、三角形及复合织构;基于赫兹相似理论,设计近似模拟钻头轴承工况的环-块配对副单元实验方案,并在UMT摩擦试验机上开展织构形状对钻头滑动轴承摩擦副摩擦因数、磨损量、温升变化和微观形貌影响规律的实验研究。结果表明:仿生织构的形状及布置方式对减摩和耐磨效果影响极大,其中圆形、矩形织构的减摩和耐磨性能最优,其次为三角形织构,而复合织构反而增大了摩擦因数及磨损量;单一织构对试件磨损量及温升的影响不大,而复合织构在增加摩擦的同时温度有明显升高,不利于井下高温环境下延长牙轮钻头寿命。     

双辉光离子渗铜对缸套-活塞环摩擦学性能的影响*

为研究铜元素对缸套-活塞环摩擦学性能的影响,通过双辉光离子渗透技术在缸套材料表面加工出不同厚度的渗铜改性层,使用RTEC多功能摩擦磨损试验机开展不同负载、不同润滑条件下的模拟试验,采集并分析试验过程中的摩擦因数以及试验后体积磨损量和磨损表面形貌,研究渗铜改性层对缸套材料摩擦学性能的影响规律及作用机制。结果表明：渗铜处理可有效降低缸套-活塞环摩擦副的摩擦因数,减少磨损量;高载荷和干摩擦条件下渗铜改性层的减摩抗磨作用效果尤为显著,最高可使摩擦因数分别降低13.15%和30.86%,磨损量分别降低30.70%和38.57%;渗铜后缸套-活塞环磨损表面形貌平整,摩擦表面形成了铜含量较高的润滑膜层,该表面膜起到了减摩、耐磨的作用。     

织构参数对不锈钢与猪股骨间摩擦性能的影响

采用YLP-F20激光打标机在4Cr13不锈钢圆盘试件表面加工出不同尺寸的沟槽微织构试样;将织构试样与新鲜猪股骨制成的骨棒试样构成销-盘摩擦副,在立式万能摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损试验,研究微织构参数对不锈钢与猪股骨在生理盐水润滑下的摩擦特性的影响。结果表明:沟槽型的摩擦因数比无沟槽的要小,在文中研究的范围内摩擦因数随着沟槽宽度的增加而减小,随着沟槽间角度的增加而增加;对加工微织构后的表面进行处理对摩擦因数的影响很大。文中研究范围内宽度200μm、深度20μm、角度1.21°微织构组合,相比较于无微织构试件摩擦因数最大降低了36.4%。     

织构排布方向对摩擦副摩擦性能的影响

织构具有减摩抗磨、提升油膜稳定性的作用,但常出现织构减摩作用不足的情况。这是由于织构定向润滑作用的存在,使得织构排布方向对减摩作用产生不同影响。采用仿真和试验方法,设计了混合摩擦条件下的摩擦磨损试验,以摩擦系数和磨损量作为评价标准,确定非对称织构的最佳排布方向。织构边缘与接触面摩擦方向夹角接近90°时减摩效率最高,比摩擦系数较夹角为0°时降低34%,磨损量降低78.43%。研究表明,在同参数同工况下,织构排布存在最优方向。丰富了织构化表面最优参数的设计体系,对织构的高效应用起到了理论指导作用。     

复合润滑结构表面在油润滑下的减摩性能*

为研究不同表面处理方式对巴氏合金/45钢配副表面减摩性能的影响,采用热压固化工艺将六方氮化硼封装于表面织构内,制备复合润滑结构表面;在油润滑下进行销-盘磨损试验,使用递归定量分析（Recurrence quantification analysis,RQA）参数划分磨损过程;研究复合润滑结构表面在磨合期和正常磨损期的减摩性能,并与纯织构表面减摩性能进行对比。结果表明：复合润滑结构表面拥有较低摩擦因数和显著减摩效果,其减摩性能优于纯织构表面;相比无织构表面,复合润滑结构表面在磨合期内的平均摩擦因数下降77.9%,在正常磨损期内的平均摩擦因数下降73.5%且磨合期的时长缩减75.0%;较大织构孔径的复合润滑结构表面的减摩效果更好且磨合期更短;纯织构和复合润滑结构表面的减摩效果均在较高速度和载荷下更显著;各试样表面在磨合期的摩擦因数越低,对应进入正常磨损期后就越低。     

表面织构润滑减磨性能仿真分析方法实验验证

选用销-盘实验模型,以圆柱形表面织构为研究对象,通过实验测得表面织构的摩擦因数和盘试件磨损量,通过单元仿真分析得到油膜上表面压力最大值。引入相关系数,研究不同参数表面织构下,摩擦因数和磨损量与油膜上表面压力最大值之间相关关系。结果表明：数值分析得到的油膜压力最大值与实验得到的磨损量和摩擦因数之间在有着较高的相关性;单元仿真分析方法能够反映出表面织构润滑减磨性能的总体趋势,可用于确定表面织构优化参数,是一种有效减少实验的方法。但是该方法不能适用于表面织构直径较小时。     

激光表面织构化对压裂泵柱塞摩擦性能的影响

采用激光加工的方法在压裂泵柱塞试件表面熔蚀出一系列不同面积比和直径的微小型、低密度圆柱形表面织构凹坑。采用销-盘试件运动模拟3000型压裂泵密封摩擦副,在MDW-1型万能摩擦磨损试验机上研究不同表面织构的20#钢与丁腈橡胶弹性材料配副时的摩擦特性。结果表明：合理布置的表面织构能够明显降低摩擦因数与温升,且凹坑能够吸纳磨粒、避免二次磨损。在载荷100 N、速度2.2 m/s试验条件下,表面织构均匀分布、面积比为2.0%、直径为0.20 mm圆柱形凹坑,可使摩擦因数和温升分别降低56.2%、55.4%,且试件表面磨斑、磨痕明显减少。     

往复运动下圆凹坑形表面织构减摩性能研究

为研究圆凹坑形表面织构在往复运动下的减摩性能,尤其是织构面积率对摩擦因数和润滑状态的影响,在UMT-Ⅲ型摩擦试验机上进行往复式摩擦试验.试验中采用的摩擦副材料为Cr12与45#钢,在45#钢上加工出面积率为2％、6％、10％的圆凹坑形织构.保持运动频率不变,在不同载荷下试验,研究织构面积率在不同载荷下的减摩性能;然后改变往复运动频率,在固定载荷下试验,采用频率参数作为速度参数计算动压参数,绘制Stribeck曲线,研究织构面积率对润滑状态的影响.结果表明:当载荷较小时,较大面积率的表面织构减摩效果较好,当载荷较大时,表面织构具有增大摩擦力的作用,即表面织构的减摩效果对载荷敏感;在较小的载荷下,面积率较大的表面织构可以在较低的运动频率下进入流体润滑状态.     

表面织构在脂润滑条件下的摩擦性能研究

采用声光调Q二极管泵浦Nd:YAG激光加工系统在H13钢表面加工出不同密度的织构,以润滑脂作为润滑剂,利用MMW-1A型微机控制万能摩擦磨损试验机考察表面织构在不同载荷、不同转速条件下的摩擦磨损特性。实验结果表明:在脂润滑条件下表面织构能有效改善摩擦副表面的摩擦性能;与光滑无织构试样相比,表面织构试样的摩擦因数显著降低;一定范围内,随着织构密度的增加,平均摩擦因数呈现出先减小后增大的趋势,且织构密度为10%时的平均摩擦因数最小,最小平均摩擦因数为0.18,较光滑无织构试样减小32.23%;摩擦因数随着试验载荷的增大而减小,但随着转速的增加呈现出先减小后增大的变化趋势。     

面接触条件下织构表面摩擦特性研究

为研究织构表面对面接触摩擦副摩擦特性的影响,设计和制造4个表面高度算术平均值相同、表面微凹坑面积占有率分别为7%、14%、21%、28% 的试件,选用HDM20端面摩擦磨损试验机,针对油润滑和脂润滑两种润滑剂,在不同载荷、转速等工况和不同摩擦副配对材料等条件下进行了试验研究,探讨表面形貌对摩擦特性的影响规律,并使用Talysurf CCI Lite 非接触式三维光学轮廓仪对试样进行三维表面测量,采用ISO25178定义的体积参数和连通性系数对三维表面形貌进行表征,从而得出表面体积参数及连通性系数与摩擦因数的关系。结果表明：在油润滑条件下表面形貌的微观结构特性对摩擦的影响要比脂润滑条件下的更显著;在钢对铜摩擦副条件下织构表面的摩擦因数变化比较复杂,在钢对钢摩擦副条件下织构表面的摩擦因数变化相对平稳;在不同的条件下,最优的表面微观结构特性也不同;将连通性系数和体积参数结合起来对表面形貌进行表征将更有利于表面微观结构特性的摩擦学设计。     

模具钢表面激光毛化织构摩擦磨损性能试验研究

为提高模具的使用寿命,以模具钢5CrNiMo为研究对象,在试样表面加工不同面积占有率及高度的毛化织构,采用单因素轮换法,开展织构化试样的摩擦磨损性能试验研究。结果表明:毛化织构面积占有率对跑和后试样摩擦因数影响不大,但织构面积占有率越大,其跑和阶段的摩擦因数波动越小,跑和性能越优;毛化织构高度对平均摩擦因数影响较大,织构高度越低,跑和稳定后平均摩擦因数越小;织构试样磨损量均小于未织构试样,织构面积占有率越大,织构高度越低,磨损量越小。与未织构试样相比,面积占有率45%、毛化高度3. 5μm的织构试样可使摩擦因数减小85%,磨损量减小99%,表明激光毛化织构技术可优化塑性成形模具的摩擦学性能。     

微凹槽织构化表面在往复运动条件下的摩擦学特性

采用自主研制的激光微织构加工设备在45#钢试样表面制备出具有不同间距和夹角的微凹槽织构,在UMT-Ⅱ摩擦试验机上进行往复运动摩擦学性能试验。结果发现:在富油润滑条件下,当载荷较低、速度较大时,微凹槽织构具有较好的润滑减摩效果,织构面的平均摩擦因数最大比未织构面下降超过60%;凹槽夹角对摩擦因数的影响受载荷大小的影响,在给定的在载荷下,存在最优的夹角使摩擦因数最小;在其他几何参数相同的情况下,存在最优的槽间距使得平均摩擦因数达到最小,且最优的槽间距基本不受载荷大小的影响。     

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。     

组合型微织构化铝合金表面的摩擦学性能研究

为改善铝合金的摩擦学性能,运用有限元方法对单一方形凹坑、条形凹槽、方形凹坑和条形凹槽组合3种不同形貌织构摩擦副间润滑油膜承载能力进行仿真分析,并探究不同织构尺寸对油膜承载能力的影响。仿真结果表明：方形凹坑和条形凹槽组合织构润滑油膜承载能力最佳。采用脉冲Nd:YAG激光器在铝合金试件表面加工出具有规则形貌的方形凹坑和条形凹槽组合的织构阵列,借助CFT-I型高速往复摩擦磨损试验机进行摩擦试验,研究织构几何尺寸对摩擦副接触面间摩擦学性能的影响规律,并利用超景深显微系统对试件磨损表面的形貌进行观测。试验结果表明：组合织构化表面的平均摩擦因数与无织构表面相比明显减小,且波动幅度较小;当织构尺寸为80μm时,织构表面的摩擦因数最小,且试验得到的基体表面磨痕深度随织构尺寸的变化规律,与仿真计算得到的润滑油膜升力系数的变化规律相吻合,为微织构参数设计提供了一定的理论依据。     

表面微织构影响点接触润滑摩擦性能的实验研究

针对球-盘高副点接触开展微织构表面摩擦学性能实验研究。采用激光工艺在试样表面上加工出具有一定形状、深度和面积比的矩形微织构,采用三维表面形貌仪测量微织构的形貌特征,在摩擦磨损实验机上进行摩擦学实验,研究往复运动模式下微织构深度、间距等参数对球-盘点接触润滑摩擦性能的影响。结果表明:较浅的微织构具有相对较小的摩擦因数;较高频率下微织构表现出较好的润滑和减摩效果;沿运动方向的微织构间距增大,摩擦因数逐渐降低,超过Hertz接触直径之后,摩擦因数变化不明显;垂直于运动方向微织构边长增大,摩擦因数呈现先减小后增大的变化趋势。     

部分沟槽表面织构摩擦学性能研究

采用紫外激光在GCr15圆盘试样表面加工出具有不同参数的部分沟槽,在HT-1000高温摩擦磨损试验机上,研究边界润滑状态下,不同载荷和速度下沟槽部分织构率和面积率对摩擦因数的影响。结果表明：在轻载下,随着部分织构率的增加,摩擦因数呈现先减小后增大的趋势,随着面积率的增加,摩擦因数呈现先增大后减小的趋势;部分沟槽表面织构在低速轻载下具有较好的减摩效果,但在高速重载下有增摩的现象。     

织构化轴向柱塞泵配流副的摩擦特性试验研究

为改善轴向柱塞泵配流副的摩擦学特性,延长其使用寿命,选择具有不同参数的微凹坑对配流副进行织构化,并在自行研制的试验机上对其进行试验研究.研究结果表明:在相同的压紧力和转速下,合理的表面织构设计可以使摩擦系数相对于无织构试件有着明显的降低,并且使其摩擦表面的磨损量降低9.5％.     

摩擦副表面气膜屏蔽微细电解加工微织构及摩擦性能分析

采用气膜屏蔽微细电解加工方法在金属平面副、圆柱副表面加工不同阵列形貌微织构。通过试验将该方法与微细电解加工的微织构尺寸精度、表面质量、摩擦性能进行对比,研究结果表明,气膜屏蔽微细电解加工的微织构相比微细电解加工方法加工的微织构平面副及圆柱副凹槽深径比分别提高了约45.6%和25.8%,改善了加工的定域性,提高了加工精度。进一步的摩擦磨损试验结果表明,相较于微细电解加工方法,气膜屏蔽微细电解加工出的平面副及圆柱副微凹槽的表面摩擦因数分别减小了13.6%与16.2%,表面摩擦性能得到了提高。