桨-毂轴承材料扭动微动磨损行为研究

采用面接触扭动微动形式,以动力定位系统可调距螺旋桨桨-毂轴承摩擦副材料(CuNiAl-42CrMo4)为对象,以不同的角位移幅值模拟海水波动影响下的微动磨损行为,并结合扫描电子显微镜和超景深三维显微镜对磨痕形貌进行分析,探究桨-毂轴承摩擦副材料扭动微动磨损规律。结果表明,随着角位移幅值的增加,扭动微动依次运行于部分滑移区、混合区、滑移区,摩擦因数减小,同时磨损量增加,微动损伤中剥层机制所占的比例逐渐增加,且由于疲劳裂纹扩展的不利影响,实际运行过程中要尽量避开混合区。     

高速轮轨粗糙表面法向和切向接触刚度研究

为准确计算高速轮轨粗糙表面法向和切向接触刚度,基于W-M函数分形理论建立高速轮轨表面粗糙度三维数值模型;分析轮轨法向和切向接触刚度理论,运用有限元法离散轮轨接触面建立轮轨粗糙表面接触有限元简化模型;基于罚函数的面-面接触算法定义轮轨接触,加载位移载荷计算轮轨法向和切向接触刚度。计算结果表明:接触载荷作用下考虑轮轨表面粗糙度可更为准确地计算法向和切向接触刚度;轮轨法向接触刚度受法向载荷影响较大,且随着法向载荷的增加而增加,而摩擦因数对法向接触刚度的影响甚微;轮轨切向接触刚度随着法向载荷和摩擦因数的增加而增加,随着切向载荷的增加而减小。     

扭动微动摩擦力数值分析

为揭示扭动微动接触表面摩擦力分布规律及其对表面磨损的影响,进一步丰富和完善扭动微动损伤机理,基于试验中扭动微动摩擦扭矩的变化,利用ABAQUS用户子程序Fric引入动态变化的摩擦因数,对扭动微动表面摩擦力学行为开展数值模拟分析。摩擦扭矩数值模拟和试验结果的对比分析验证了数值模拟方法的正确性。接触表面摩擦力分布及与试验磨损形貌的对比分析表明:摩擦应力的剪切作用对表面材料损失起着至关重要的作用,不同滑移区摩擦应力分布不同,故呈现的磨痕形貌不同。     

表面粗糙度对微动摩擦特性的影响

通过实验研究,探讨了表面粗糙度对微动摩擦特性影响的作用。表面粗糙高时接触表面之间的摩擦系数会有明显增加,在微动状态下表面粗糙度对表面磨损影响不大。     

考虑真实粗糙表面的燃机球轴承磨损与混合润滑耦合机理

船舰燃机轴承服役环境苛刻,工作界面难以建立全膜润滑状态,局部粗糙峰接触发生磨损,而磨损又会通过影响表面形貌反作用于界面混合润滑状态,影响轴承摩擦学特性。目前,面向燃气轮机滚动轴承,开展考虑真实表面粗糙度的磨损与混合润滑状态耦合作用的研究仍然很少。因此,以燃气轮机涡轮端球轴承为对象,综合考虑接触界面磨损、弹性变形与实测机械表面粗糙度影响,建立滚动体与内滚道三维磨损区域下的润滑-接触数值分析模型,研究低速、重载及滑滚苛刻条件下轴承摩擦磨损特性。     

钢丝微动磨损过程中的接触力学问题研究

钢丝间的微动磨损以及由此引起的钢丝的疲劳断裂是提升钢丝绳失效的主要原因之一.以6×19点接触式提升钢丝绳为研究对象,将钢丝绳中钢丝的微动损伤过程进行实验室模型化,在自制的钢丝微动磨损试验机上进行钢丝试样的微动磨损实验,考察接触载荷和微动时间变化对钢丝试样磨损深度的影响.结果表明,钢丝试样的微动磨损深度随着接触载荷和微动时间的增加而呈增长趋势,但由于接触面积和接触应力在微动磨损过程中随着接触载荷和微动时间的变化而变化,使磨损深度在不同磨损工况下增长趋势不同.建立的钢丝接触有限元模型表明,接触区中心的最大接触应力随着接触载荷的增加而增大,随着嵌入深度的加深而减小.其结果验证了试验过程中接触面积和接触应力对磨损深度的影响关系.     

TC4合金微动磨损过渡区摩擦行为

为研究TC4合金微动磨损过渡区摩擦行为特点,采用SRV-IV微动摩擦磨损试验机,对球/平面接触的GCr15钢球/合金TC4摩擦副在100 N法向载荷下进行微动磨损试验,得到TC4合金微动磨损过渡区的范围,分析不同状态下摩擦因数演变及磨痕表面形貌特点,研究磨损机制的变化。结果表明:微动状态下,摩擦因数在磨合阶段波动剧烈,达到稳定磨损阶段后趋于稳定,且稳定状态下的摩擦因数随着位移幅值的增加而增加;往复滑动状态下,不同位移幅值下的摩擦因数曲线近乎重合且波动剧烈;微动磨损过渡区的摩擦因数变化处于2种状态的转变阶段。微动状态下,磨痕表面轮廓线粗糙,损伤轻微,磨损机制以黏着磨损和疲劳剥层为主;往复滑动状态下,轮廓线更光滑且损伤严重,磨损机制以磨粒磨损及塑性变形为主;微动磨损过渡区轮廓线由粗糙变为光滑,磨损深度及宽度突增,磨损机制由黏着磨损转变为磨粒磨损。     

磨粒粒度分布对三体磨粒磨损的影响

实验研究了磨粒粒度分布、摩擦副表面粗糙度及摩擦面间距离对三体磨粒磨损的影响。结果表明,存在一最佳磨粒粒径分布均方差与摩擦副综合表面粗糙度之比使摩擦副的磨损最小;摩擦面间距离h对磨损的影响有一临界值h_c,当h大于h_c时,磨损随h的增大而减少,当h小于h_c时,磨损随h的减小而减少。对于综合表面粗糙底较大的摩擦副,当h小于某一值h_c以后,磨损将随着h的减小而增多。     

AZ91D镁合金微动磨损特性研究

采用液压高精度材料试验机考察了平面一球面接触的AZ91D镁合金摩擦副的微动磨损行为，分析了位移幅值、法向载荷和频率等参数对摩擦因数和磨损体积的影响，考察了不同实验条件下的磨斑形貌，并探讨了其磨损机理。结果表明：AZ91D镁合金的微动区域可分为部分滑移区、混合区和滑移区3个区域，粘着磨损、疲劳磨损和磨粒磨损分别是3个区域的主要磨损机制；磨损体积随着位移幅值和法向载荷的增加而增大，但却随着频率的增大而减小。在微动部分滑移区和混合区，摩擦因数随着位移增大迅速增加；在微动滑移区，摩擦因数随法向载荷的增大而减小，而位移幅值和频率对摩擦因数的影响较小。     

钛合金球与骨水泥界面之间的微动磨损机制研究

采用钛合金球与自制骨水泥试样以球/平面接触方式,在自制的微动摩擦磨损试验机上开展干摩擦和25%小牛血清介质中切向微动磨损试验研究,考察钛合金球与骨水泥界面之间的微动运行特性,并采用S-3000N型扫描电镜观察磨痕形貌来分析其微动磨损机制。结果表明:随着微动振幅的增加,微动运行由部分滑移区向混合区转变。随着接触载荷的增加,试样接触面之间更容易发生黏着。与干摩擦相比,在小牛血清溶液中部分滑移区向较大振幅区扩展。部分滑移区摩擦因数值较低且保持稳定,混合区的摩擦因数先增大后保持不变。稳定摩擦因数随着接触载荷的增加而减小,随微动振幅增大而增大。骨水泥试样的磨损量在小牛血清介质中比在空气中大,并且随接触载荷增大而增大。骨水泥在小牛血清介质中微动磨损的损伤机制主要为黏着磨损和疲劳磨损,溶液分子在应力作用下对骨水泥基体有削弱作用。     

销盘胶合实验研究

利用Falex多功能摩擦磨损试验机初步研究了销盘摩擦副接触表面初始粗糙度、载荷、速度,以及压强速度乘积对摩擦副抗胶合性能的影响。试验结果表明,适当的初始粗糙度可以提高摩擦副的抗胶合性能,载荷、速度超过一定数值后胶合的可能性大大增加,温度对胶合失效有显著影响。     

微动疲劳参数对钢丝微动疲劳磨损演化的影响*

微动疲劳易引起钢丝表面磨损和横截面积损失,进而造成钢丝断裂失效并缩短钢丝绳使用寿命。不同微动疲劳参数（接触载荷、疲劳载荷、钢丝直径和交叉角度）引起差异的钢丝微动疲劳磨损特性,故研究微动疲劳参数对钢丝微动疲劳磨损演化规律影响至关重要。基于摩擦学理论和Marc仿真软件构建钢丝微动疲劳磨损模型,探究接触载荷、疲劳载荷、交叉角度和钢丝直径对钢丝微动疲劳磨损演化的影响规律。结果表明：钢丝微动疲劳磨损体积主要与接触载荷和疲劳载荷有关;疲劳钢丝的磨损深度、磨损率及磨损体积随着接触载荷的增加而增大,且不同接触载荷下疲劳钢丝磨损体积均随着循环次数的增加而呈线性增加;随疲劳载荷幅值的增加,疲劳钢丝的磨损深度、磨损率及磨损体积均呈增加趋势;在不同疲劳载荷范围下疲劳钢丝的磨损体积均随着循环次数的增加而呈线性增加;当接触载荷、疲劳载荷及钢丝间摩擦因数相同时,不同交叉角度和不同加载钢丝直径下疲劳钢丝的磨损体积相同。     

有机玻璃扭动微动磨损的实时观测与摩擦振动分析

在新研制的扭动微动磨损实时观测系统上,以法向载荷为100 N和扭动角位移幅值为0.5°～15.0°的参数,对有机玻璃(Polymethylmethacrylate,PMMA)/GCr15摩擦副进行扭动微动磨损试验,同时录制扭动微动过程并同步采集摩擦振动信号。在摩擦动力学行为分析的基础上,结合实时观测和摩擦振动分析,对PMMA的扭动微动磨损行为进行研究。结果表明,随着角位移幅值增加,PMMA扭动微动呈现三个区域(即部分滑移区、混合区和滑移区);在部分滑移状态(θ=0.5°)下,损伤轻微,振动数据与空载时振动数据相似,相对运动主要靠弹性变形协调;在完全滑移状态(θ=15°)下,整个接触区发生严重损伤,大量磨屑被排出接触区,接触区最外侧呈现纺锤状银纹,每循环次数下振动信号的事件发生数先增大后减小,而振动振幅呈现相反的趋势,主要损伤机制为弹塑性变形、剥层和氧化磨损。     

MoS_2涂层扭动微动磨损特性有限元分析

为探讨MoS2固体润滑涂层在抗扭动微动磨损中应用的可行性,对MoS2涂层在扭动微动下摩擦力学性能进行有限元分析,研究扭转角位移幅值、法向载荷、摩擦因数等对MoS2涂层接触表面力学行为的影响,并与基体材料扭动微动力学行为进行比较。分析结果显示:MoS2涂层扭动微动运行区域的改变消除了混合区裂纹萌生与扩展所产生的损伤;MoS2涂层在部分滑移区和滑移区,其表面塑性应变虽比基体大,但明显较小的摩擦剪应力,在部分滑移区不足以启动MoS2涂层晶体的滑移,在滑移区对塑性流动层的剪切作用不够,因此MoS2涂层表面磨损较轻微,即MoS2能有效发挥抗扭动微动磨损作用。     

线接触条件下微动摩擦特性的研究

通过试验研究了线接触微动摩擦特性。研究表明：线接触微动摩擦因数变化与点接触形式相同；位移幅值在部分滑移区时，表面粗糙度对表面磨损有影响。磨痕分析表明，承载区域接触不均匀，存在虚接触区域，其大小与表面粗糙度有关，而接触区域没有不磨损的粘着区，不同于点接触形式。     

表面粗糙度对滑动电接触磨损率的影响

在电气化铁路弓网系统中,磨损率是衡量列车运行状态与接触导线使用状态的重要指标。为了充分模拟弓网系统中磨损率情况,利用自行搭建的滑动电接触摩擦磨损试验机对滑板和接触导线进行摩擦磨损试验,分析滑板表面粗糙度、法向压力、接触电流与运行速度对磨损率的影响。得出结论:滑板磨损率随滑板初始表面粗糙度、接触电流、法向压力、运行速度的增加而增加,而高载荷下粗糙度对于磨损率的影响降低;滑板摩擦从磨合期进入稳定摩擦期存在一个临界表面粗糙度,当滑板初始表面粗糙度值等于临界粗糙度值时,其磨损率最低;不同初始表面粗糙度的滑板在跑合期内磨损过程不同,在稳定摩擦期内磨损过程趋于一致,且摩擦试验后滑板表面粗糙度也接近。     

镀银铜材料在大电流条件下的载流微动磨损特性

利用化学电镀方法在T2紫铜管表面镀银制备镀银铜试样,采用自主研制的切向微动磨损试验设备在圆柱/圆柱的正交点接触模式下进行室温载流切向微动磨损试验,探究了镀银铜试样在5 A电流以及不同法向载荷(5,10,15 N)和位移幅值(30,50,70,100μm)下的载流微动磨损行为及其磨损机制。结果表明：随着位移幅值的增加,镀银铜试样的载流微动磨损程度加剧,随着循环次数的增加,不同位移幅值下的摩擦因数整体呈先减小后增大最后趋于稳定的趋势,而接触电阻呈相反趋势,不同位移幅值下稳定阶段的摩擦因数相差不大;随着载荷的增加,载流微动磨损程度先变大后变小,当载荷为10 N时,磨损程度最大,此时有效接触面积较大,接触电阻较低;随着载荷的增加,稳定阶段的摩擦因数增大。镀银铜试样在磨损初期的磨损机制主要黏着磨损和氧化磨损,在磨损后期主要为磨粒磨损、氧化磨损和剥层,且随着循环次数的增加,氧化磨损程度加剧。     

织构化滑动轴承混合润滑与磨损耦合数值模型

基于统计学模型建立织构化轴承混合润滑与磨损的计算模型,通过生成轴瓦虚拟粗糙表面,分别利用平均流量雷诺方程、K-E弹塑性接触模型、Boussinesq积分、Archard型磨损方程求解油膜压力、粗糙峰接触压力、轴瓦的弹性变形和轴瓦表面磨损量。通过有限差分法和牛顿下山法对模型进行数值模拟,得到不同偏心率下的油膜压力、油膜厚度、轴瓦弹性变形、轴瓦表面粗糙峰接触压力及磨损量,并与其他混合润滑模型进行对比,验证了该模型的有效性。以圆形凹坑织构为例,研究在多种工况下,润滑状态转化以及织构对磨损过程的影响。研究表明:织构可以形成二次润滑,有利于流体润滑;随偏心率增大,进入混合润滑状态后,承载能力、粗糙峰接触载荷迅速增加,摩擦因数出现拐点;在混合润滑状态下,磨损过程前期表面织构会造成轴承承载性能降低和增大磨损,随着滑动轴承进一步磨损,表面织构可以起到减磨作用。     

扭转复合微动的数值模拟

扭转复合微动是扭动和转动模式微动的复合.以实验研究为基础,在有限元软件ABAQus中建立三维球/平面接触弹塑性有限元模型,通过改变球体旋转轴与平面试样法向的倾斜角度α,实现球/平面接触的扭转复合微动.恒定法向载荷作用下,通过对角位移θ分量做量纲-化处理,建立倾斜角α与完全滑移角位移幅值θ0的函数关系,分析倾斜角对接触状态、接触压力、摩擦剪应力及滑移量的影响规律.结果表明:角位移θ0随倾斜角的增大而减小,并符合量纲-扭动转动分量平方和为一的规律;倾斜角α显著影响接触面力学参数的分布,与纯扭动和纯转动相比,损伤呈现明显的非对称性.     

微动磨损工况下二维柱面对平面磨损形貌的数值计算与分析

基于改进的Archard磨损方程,推导了适应于不同微动振幅下的局部磨损方程,建立了二维刚性柱面-平面的微动磨损数值模型,研究了微动工况、材料参数对平面磨损形貌的影响规律.结果表明,在柱面载荷为20MPa,微动振幅为4μm的工况下,随着柱面半径的增大,平面的磨损宽度逐渐增大,磨损深度逐渐减小;在微动振幅为4μm的工况下,随着施加在柱面上载荷的增大,平面的磨损形貌呈现出变宽变深的趋势;在柱面载荷为20MPa,微动振幅为4μm的工况下,随平面弹性模量的增大,平面的磨损轮廓从宽而浅变化到窄而深.其次,根据Hertz接触理论和Archard磨损方程预测的平面磨损面积与本论文中模型计算的结果进行了对比,结果发现在磨损初期,两者间差别不大,随着微动循环次数的增加,Hertz理论预测结果小于这里模型计算的结果.