考虑空化的倾斜织构表面摩擦学性能CFD分析

为了研究倾斜织构表面的摩擦学性能,建立单微孔倾斜织构的二维计算模型并且考虑空化效应的影响。利用CFD方法模拟不同倾斜角、油膜厚度和织构深度条件下空化面积、织构表面压力分布和油膜承载力的变化情况。结果表明:与平行织构表面不同,在倾斜织构表面中,与不考虑空化相比,考虑空化效应时油膜承载力不一定更大,在倾斜角一定时,与油膜厚度有关;织构深度会影响承载性能,每个计算模型都会存在一个最优织构深度使得承载力最大,且最优承载力会随倾斜角的增大而增大,随油膜厚度的增大而减小;最优承载力增长率的变化趋势与空化效应有很大关系,空化效应较强时,最优承载力增长率会随着倾斜角的增大而减小,空化效应较弱时,最优承载力增长率会随着倾斜角的增大而增大。     

计入空化效应的表面微织构滑动轴承特性分析

基于N-S流体计算方程,利用CFD软件建立表面微织构滑动轴承三维有限元模型,在计入和未计入空化效应条件下对比分析微织构分布特征对滑动轴承静特性的影响规律。研究表明:计入空化效应时滑动轴承的油膜最大压力和承载力大于未计入空化效应时油膜的最大压力和承载力;表面微织构的合理分布能有效提高润滑油膜的承载力,降低摩擦因数,分布在收敛间隙出口位置的微织构效果最为明显;在未计入空化效应时表面微织构作用效果更加明显,计入空化效应时微织构能抑制空穴区域的产生。     

微织构对V型滑动导轨副摩擦磨损特性影响的研究

V型滑动导轨副具有低成本、良好的承载能力和导向性等优点,至今仍应用于很多机械设备中,但同时也存在着摩擦系数大、易磨损和低速稳定性差等缺点。为提高V型滑动导轨副的摩擦学性能,利用激光表面织构化技术分别在导轨的接触面上设计并制备直线和椭圆微织构。通过不同仿真软件对激光制备出的微织构是否产生流体动压效应进行验证,分析微织构对导轨接触面的接触应力的影响。利用自制往复滑动导轨试验平台在混合润滑条件下测试了不同类型织构化导轨副的摩擦磨损性能。结果表明,织构化导轨副均可以产生流体动压效应,且椭圆微织构可以产生更大的流体动压效应。此外,椭圆微织构仅位于下导轨表面可以较大程度降低其接触应力。因此,当椭圆微织构位于下导轨表面时减摩效果最好,具有最低的平均摩擦系数,与无织构导轨副相比下降了31.7%。     

织构分布影响钻头轴承减磨性能的仿真和实验研究

针对织构分布角度对织构润滑减磨性能影响的问题,基于Reynolds方程建立单一织构全油膜润滑条件下的动压润滑理论模型,求解不同分布角度下织构表面动压润滑性能,并计算织构表面空化单元数目,从织构表面空化效应角度分析织构分布角度对织构动压润滑性能的影响。开展牙轮钻头滑动轴承模拟工况下单元摩擦学实验,通过对比摩擦副试样表面摩擦学性能分析织构分布角度的影响。数值仿真结果表明,织构表面空化离散单元数目越多,其动压润滑性能越好;单元实验研究结果则表明,基于捕获磨屑、减小二次磨损的作用机制,织构单元垂直于滑移方向的边长越长,织构表面的摩擦磨损性能越好。     

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。     

表面织构排布形式对其润滑特性的影响

建立不同排布形式表面织构的几何模型,基于N S方程并采用CFD方法分析其油膜压力分布,并考察其流场流动情况和不同间距对承载能力的影响。结果表明,不同排布形式的表面织构对润滑特性有很大的影响,其中,交错排布的表面织构具有最高的承载力。微凹坑之间存在最优间距,使其所产生动压效应的作用发挥得最充分。交错排布的微凹坑织构最优面积率比均匀排布的微凹坑织构有了很大的提高。     

织构分布对动压滑动轴承油膜压力的影响

以动压滑动轴承为研究对象,根据流体动压润滑原理,建立圆形微凹坑织构化动压滑动轴承油膜数学模型,推导织构化滑动轴承油膜厚度修正公式;结合Reynolds方程有限差分法的求解方法,分析全织构和织构化参数(间距、深度)对动压滑动轴承圆周方向压力分布的影响。结果表明:分布在轴承上的全织构会引起油膜压力的变化;织构位于不同的位置时对圆形微凹坑织构滑动轴承的油膜压力的影响是不同的,对于不同间距和深度的织构,当织构位于升压区时,动压滑动轴承具有较好的润滑、承载性能,而织构位于降压区和全织构时不利于轴承承载。     

表面织构化对活塞环-缸套滑动副摩擦系数的影响

活塞环-缸套滑动副的摩擦学性能对内燃机的使用效率、使用寿命等有显著影响。通过激光表面织构化技术在试件表面加工不同参数的微凹坑织构,并进行摩擦学实验,由实验结果可知:表面织构可以有效减小摩擦副的摩擦系数;微凹坑直径、微凹坑深度、微凹坑织构面积占比对摩擦系数减小有影响。     

不对中径向滑动轴承微凹槽织构数值分析

为研究凹槽位置、深度、倾斜角和面积率等因素对不对中径向滑动轴承摩擦学性能的影响,基于Reynolds方程建立滑动轴承的摩擦润滑数学模型,采用有限差分法迭代求解不同凹槽微织构参数影响下的油膜压力,计算不同织构参数下轴承的承载力、摩擦力和端泄流量等。计算结果表明:凹槽微织构分布在升压区且轴向占比约50%时轴承承载力较高;相比于光滑轴承,微织构轴承的摩擦力更低,且凹槽的轴向占比和深度越大摩擦力越小;微织构对轴承的承载力具有削弱和增强的双重可能,存在最优的凹槽周向和轴向占比、深度和倾斜角使得轴承在较小摩擦力下具有更高的承载力;凹槽微织构的面积率与轴承承载力和摩擦力呈线性相关;轴承的不对中程度越小时,在光滑轴瓦表面加工合适参数的微织构时越有利于提高轴承的摩擦学性能。     

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。     

表面织构化对摩擦学性能影响的研究进展

表面织构技术是通过微细加工技术在材料表面加工出具有一定几何形貌与尺寸,且排列规律的图案,从而改善材料表面摩擦学性能的新型表面改性技术。表面织构因在改善材料摩擦学特性方面具有的突出优势而在机械摩擦配副中发挥着重要的作用。介绍了常见的表面织构加工技术,阐述了不同工况下表面织构的减磨机理,总结了表面织构形貌及其几何参数对耐磨性能的影响,并展望了表面织构技术的未来发展方向。     

金属构件表面织构摩擦学性能的研究进展

金属构件是各种机器的必要组成部分,金属构件的磨损是机器失效的主要原因。金属构件表面织构技术作为提高金属材料表面摩擦学性能的方法,在机械、航天、化学、冶金和生物工程等很多领域已经被广泛应用。文章对相关研究成果进行了总结,重点对金属构件表面织构在干摩擦、边界润滑和流体润滑3种主要润滑形式下的减摩机理展开了讨论;揭示了金属构件表面织构在不同润滑形式下的主要减摩机理;归纳了金属构件表面织构的几何特征对其改善摩擦学性能的影响,包括织构的形状、深度、面密度和排列方式。文章还分析了各几何特征的最佳值及其与摩擦学性能的一般规律,发现几何参数合理的金属构件表面织构对降低金属构件表面摩擦系数,提高抗磨性能和油膜承载能力具有积极作用,且各种几何特征对金属构件表面织构摩擦学性能的提高是相互影响的。     

考虑空化效应的表面微凸体织构摩擦副润滑性能研究

采用数值模拟方法,分析在不同速度和不同结构参数条件下微凸体织构的摩擦副润滑过程,研究在流体润滑条件下摩擦副表面的微凸体织构诱导空化效应的规律。结果表明：增加表面之间相对运动速度、微凸体织构的宽度或高度、微织构前段和后端的角度,均能导致空化区域面积增加,〖JP2〗使诱导空化现象更加明显;空化效应的出现抑制了微凸体后端负压区压力的降低,使得摩擦副的承载能力提高;空化效应可使界面之间由液体润滑转变为局部的气体润滑,使得界面之间摩擦因数的数值明显减小;考虑空化效应时,具有微凸体织构的摩擦副的承载力比不考虑空化效应时提高了35~74倍,摩擦因数降低了97.5%~98.7%。微凸体织构诱导产生的空化效应对提升承载力与降低摩擦因数的作用,明显大于微织构形成的流体动压作用,因此可以认为微织构诱导产生空化效应是微织构摩擦表面的一种重要承载机制。     

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。     

空气含量对双盘配流式径向柱塞泵织构化配流副动压润滑效应的影响

为研究油液中不同空气含量对双盘配流式径向柱塞泵织构化配流副动压润滑效应的影响,建立单个二维表面织构微凹坑计算模型,采用CFD数值模拟的方法,分别从不考虑空化效应和考虑空化效应两种情况分析计算油液中不同空气体积分数对动压力大小产生的影响。研究结果表明:油液中空气含量越低,微织构产生的动压力越大、动压润滑效应越明显;不考虑空化效应时油液中空气体积分数的大小只改变动压力的大小,不改变动压力的变化规律;考虑空化效应时,油液中空气体积分数的大小不仅改变动压力的大小,动压力曲线斜率也发生变化。在相同空气含量下考虑空化效应时微织构产生的动压力更大、润滑性能更好。     

表面织构动压滑动轴承油膜力解析模型

提出一种求解表面织构动压轴承油膜力的解析模型。基于Sommerfeld油膜边界,通过分离变量的方法,求解表面织构动压滑动轴承二阶偏微分Reynolds方程,得到表面织构动压滑动轴承油膜压力解析式。以圆形凹坑轴承为例,在油膜区域通过积分求得织构轴承的油膜力,分析织构参数对油膜压力的影响,研究发现,表面织构位于收敛区域(升压区)的轴承,其润滑与承载性能优于表面织构位于发散区域(降压区)的轴承、全织构轴承以及光滑轴承。对比了提出的解析模型与FDM和CFD模型在不同长径比和偏心率下的计算结果,结果表明,提出的解析模型能准确地描述表面织构动压滑动轴承的油膜力,且计算结果同FDM和CFD模型计算结果基本一致,验证了该模型的正确性。     

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。     

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。     

基于流体动压润滑效应的人工髋关节材料表面织构优化研究

以销-盘试验为模型,基于有限差分法,以Reynolds方程为理论基础,建立含有表面织构的人工髋关节材料的摩擦表面在全膜润滑下的数值模型,分析表面织构各个参数对两摩擦表面间油膜压力分布的影响。结果表明,在该模型条件下,销-盘摩擦表面间能够形成流体动压润滑,不同的表面织构参数对销盘摩擦表面间的油膜压力分布产生较大的影响。通过该模型可得到实现最佳摩擦表现的最优化的表面织构参数,从而为人工髋关节材料销-盘实验的设计提供参考。     

复合工艺制备的表面微凹坑织构的摩擦性能研究

在构建的激光电化学复合微加工系统上,采用皮秒脉冲激光辐照与电解刻蚀复合加工方法在7075铝合金表面制备出不同尺寸的阵列凹坑微织构。采用共聚焦显微镜观测复合加工织构试样表面形貌,采用MFT-5000型RTEC摩擦磨损试验机研究润滑条件下凹坑织构的摩擦学性能,并探讨直径、深度、面积密度对减摩性能的影响。结果表明:复合加工工艺制备的表面微织构具有良好的表面形貌;润滑条件下材料表面的凹坑型织构能显著改善其摩擦学性能,相比光滑表面最高可降低摩擦因数30%;在实验参数范围内,凹坑的直径与面积密度对材料表面摩擦性能影响较大,凹坑深度对摩擦性能影响较小。