正五边形-椭圆形复合微孔化机械密封性能研究

针对微孔化机械密封可以成效改善机械密封性能问题，探究考虑复合微孔对机械密封的承载力和泄漏量的变化规律，以揭示复合微孔具有较好的密封性能。首先，建立正五边形-椭圆形复合微孔流体膜的几何模型；其次，通过数值模拟研究了复合微孔织构化对机械密封摩擦副端面流场的压力分布，并与单一微孔进行了对比；最后，进行对比其不同微孔深度h_p、旋转速度n、面积比S_p和压力进口p_i等对密封性能的影响。结果表明，微孔深度3μm左右时，复合微孔的泄漏量和承载力均取得了最大值，开漏比取得了最小值；复合微孔的承载力和泄漏量均随着转速和进口压力的增大而增大；复合微孔化机械密封具有较大的承载力和较小的泄漏量，其开漏比优于单一微孔的开漏比，复合微孔化端面具有良好的密封性能。     

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。     

多项式函数结合对数螺旋线方程的织构型线优化

目的 为提高一种新型动静压转台承载能力,对其动压楔形织构型线进行优化设计。方法 首先求解动压楔形织构承载性能,并将其承载能力作为优化目标。以多项式函数结合对数螺旋线方程表达织构型线,并以多项式系数作为设计变量建立优化模型。选用布谷鸟搜索算法求解该优化模型,并探究不同结构参数下的最优解变化规律。最后,比较本方法得到的最优织构和最优单一螺旋角织构的润滑性能。结果 综合考虑计算精度和时间,选取半径的二次多项式函数表达织构型线螺旋角。最优织构型线形状的变化规律为：随半径增大,先顺时针弯折,再逆时针弯折,其螺旋角先增大,再减小。摩擦副膜厚越大,最优型线顺时针弯折趋势越明显,最小螺旋角和终止螺旋角越小,最大动压承载力越小。织构个数越多,型线上各点螺旋角越小,最大动压承载力越大。结论 该优化设计方法突破了规则几何形状的限制,并在表达更多可能织构型线的基础上减少了设计变量个数。相比最优单一螺旋角织构,该最优型线下的织构有更优良的润滑性能,证明了该设计方案的应用价值。     

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。     

45钢表面制备V形凹槽及其摩擦学特性

采用声光调Q固体Nd:YAG激光器在45钢试样表面制备了V形凹槽织构,利用UMT2的销盘式摩擦方式考察了V形凹槽的几何参数对表面摩擦性能的影响。结果表明： 45钢表面制备的V形凹槽织构,在油润滑条件下能有效减小表面的摩擦因数;特别是在载荷较低、速度较大的工况下,织构面的平均摩擦因数最大可比未织构面减小64%。在试验范围内,平均摩擦因数普遍随着V形凹槽角度的增加而减小,随着边长的增大而减小,存在最优的横向和横向槽间距使得平均摩擦因数达到最小。     

齿面微织构面积率及形状对其摩擦性能的基础研究

为研究齿面微织构面积率和形状对齿轮副摩擦学性能的影响,采用激光打标机在经热处理后的45钢试件表面加工出不同形状和面积率的织构,利用往复式摩擦磨损试验机分析织构面积率和形状对摩擦因数的影响规律,并与Fluent仿真结果进行对比。仿真结果表明：随着织构面积率的增大,摩擦因数逐渐减小,油膜承载力和油膜刚度逐渐增大,长方形织构具有更佳的减摩性能。试验结果与仿真结果基本一致,与无织构表面相比,长方形织构面积率为17%时平均摩擦因数降低了18.06%,正方形和圆形织构面积率为4.7%时,不仅没有减摩,反而将摩擦因数分别增大了4.17%和1.39%。织构化表面可提高油膜承载力和刚度,使油膜不易破裂,减小了摩擦副之间的接触,降低了摩擦因数。获得了微织构形状和面积率对齿轮副摩擦性能的影响规律,为改善齿轮系统的寿命提供试验支持。     

不同密封副材料的表面织构设计及其润滑和密封特性

表面织构化是提升机械密封性能的有效途径，合适的密封副材料是保证机械密封长寿命、高可靠性运行的先决条件。为获得基于不同密封副材料的表面织构设计原则，选取硬质合金/碳石墨、硬质合金/碳化硅两类密封副材料，在硬质合金密封环端面加工不同参数的直线型、V型槽表面织构，研究其润滑和密封特性。结果表明，对于硬质合金/碳石墨密封副，在密封端面加工面积率为4%、（θ，β）参数为（-30°，60°）的V型沟槽织构具有较优的减摩和抑制泄漏效果；对于硬质合金/碳化硅密封副，织构化密封端面能显著降低摩擦因数和启动力矩、促进密封端面热量排散、且不会增加泄漏，面积率为6%直槽型织构效果最优。进一步揭示了织构类型和排布形式对润滑和密封性能的作用机理，为不同工况下密封副端面织构化设计提供了参考。     

Tribological Performances of Molded Micro-Cratered Surface of Superelasticity TiNi Alloy

采用模压法在TiNi合金表面获得了微凹坑织构,通过织构几何参数的变化调控材料的摩擦学性能。结果表明,周向和径向间距增大,TiNi合金的摩擦系数和比磨损率均呈现先减小后增大的趋势,而深/径比逐渐增大,使得TiNi合金的摩擦系数和比磨损率呈现先增大后减小的趋势。滑动速度增加,TiNi合金试盘的摩擦系数几乎都呈现先减小后增大的趋势,与Stribeck曲线描述的一致。织构参数微坑深/径比为0.06,径向间距为1.5 mm,周向间距为15°时,表现出较优的摩擦学性能,摩擦系数为0.098,比磨损率为0.87 × 10-5 mm3/(N·m)。由此可见,合适的织构参数和形貌可以降低摩擦系数和减小磨损,因为摩擦过程中微坑会产生动压和捕捉磨屑而减少表面损伤,增强耐磨性。     

织构设计对润滑脂密封副密封特性影响的数值模拟

目的 探究织构设计对润滑脂密封副密封性能的影响规律,得到织构化设计的最佳结构参数和工况条件。方法 基于润滑脂Herschel-Bulkley流变模型和非接触机械密封原理,选择直线型沟槽织构建立端面密封模型。采用数值模拟方法分析不同倾斜角和转速下密封间隙的流场规律,进一步对密封副泄漏量的影响因素进行系统探究。结果 倾斜角不同,泄漏量随转速的变化规律不同。倾斜角为30°时,泄漏量随转速的提升而增大;倾斜角为35°时,泄漏量较小,且随转速变化不大;倾斜角为40°,且转速大于2 000 r/min时,泄漏量几乎为0;倾斜角大于等于45°,且转速大于1 000 r/min时,流体反向泵送,无泄漏。密封间隙和介质初始温度是影响泄漏的主要因素,泄漏量随密封间隙和介质温度的增大而增大。一定范围内,增加沟槽数量和长度也可减少泄漏。最佳织构参数和工况条件为倾斜角40°,槽数14,槽长8 mm,槽宽1.5 mm,密封间隙0.03 mm,槽深0.07 mm,温度小于320 K,转速大于2 000 r/min。结论 织构设计能有效抑制流体端面泄漏,润滑脂非牛顿特性对密封副间隙流场有显著影响,后续润滑脂密封副设计...     

高副接触下沟槽形织构对40Cr表面摩擦性能的影响

目前，面面低副接触情况下织构的减摩降磨性能已经得到广泛的研究，然而针对点面高副接触下的织构对表面摩擦学性能影响的研究仍然较少。主要利用有限元仿真技术建立点面接触下仿生沟槽织构表面流体动压润滑仿真模型，通过ANSYS的Fluent模块进行求解，获取试样表面的润滑油膜承载力与织构几何参数的变化关系。用激光在40Cr试样上加工出仿生沟槽形织构，并采用销盘摩擦副，开展点面高副接触下的织构减摩性能实验研究，综合分析织构几何参数对表面摩擦性能的影响规律。结果表明：试验与仿真具有较高的一致性，随着沟槽织构宽度W和织构深度H的增加，摩擦因数呈先减小后增加的趋势；沟槽织构对改善工件表面摩擦性能具有重要影响，微织构的存在有助于实现流体动压润滑，提高表面承载力，降低摩擦因数，从而改善工件的摩擦性能。     

具有分形特征的织构表面的润滑减摩性能研究

目的利用数值模拟方法研究具有分形特征的方形织构在全膜润滑条件下的摩擦学性能。方法采用三维建模软件Solidworks建立了具有分形特征的织构表面模型,通过计算流体力学软件Fluent,详细计算分析了织构深度、尺度及相对滑动速度等参数对摩擦系数和动压承载能力的影响,并对分形织构和等面积比的规则阵列织构表面进行了对比研究。结果增加分形织构的深度能小幅度地减小表面摩擦系数,而缩小织构的尺度则可以明显降低表面的摩擦系数,织构表面的压力系数正比于织构尺度和相对滑动速度,反比于织构深度。分形织构和规则阵列织构的对比研究发现,相同面积比条件下二者的摩擦系数基本一致,而分形织构在承载能力上明显优于规则阵列织构。结论在材料表面设计具有分形特征的织构能有效地改善摩擦副表面的滑动摩擦性能,为表面减摩织构设计提供了一种新思路。     

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...     

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。     

Tribological Behavior of Babbitt Alloy Rubbing Against Si<Subscript>3</Subscript>N<Subscript>4</Subscript> and Steel Under Dry Friction Condition

The tribological behavior of Babbitt alloy rubbing with Si₃N₄ ball and steel ball with various sliding speeds at dry friction condition was investigated. It was found that B88 alloy rubbing with Si₃N₄ ball and steel ball possesses a low sliding wear resistance at dry friction. The wear rate is above 10^?4 mm³/Nm, and the friction coefficient is from 0.2 to 0.4. At low sliding speed of 0.05-0.1 m/s, the mainly wear mechanisms are microgroove and fatigue wear, while at high sliding speed of 0.5 m/s, the wear mechanisms depend on plastic deformation and delamination. The high wear rate indicates that it is needed to prevent Babbitt alloy from working at dry friction conditions, while the low friction coefficient suggests that it is not easy to the occurrence of cold weld.     

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。     

Phase transformation of a CuZnAl alloy during friction

Changes in compositions and microstructures in the surface layer of a Cu-Zn-Al shape memory alloy during friction were investigated by means of scanning electron microscopy, electron probe microanalysis (EPMA), X-ray diffraction, and transmission electron microscopy. It has been found that in friction, single M18R martensite β′ transforms into α+β, with the shape and distribution of the new phases varying with the conditions of friction. In mild friction, Zn and Al diffuse over short distances along the sliding direction, resulting in a structure in which needlelike β and α alternate along the sliding surface. In severe friction, where higher surface temperatures and temperature gradients are expected, Zn and Al make long-distance uphill diffusion from inside toward the surface. Consequently, Zn and Al are concentrated on the surface and depleted in the subsurface, and the phase layers present from the outmost surface inward are β, α, α+β, cross-martensite, and the matrix.     

Nanoscale friction of partially oxidized silicon nitride thin films

The nanoscale friction of partially oxidized silicon nitride thin films deposited by reactive magnetron sputtering was investigated. Post deposition thermal annealing in O₂, trying to simulate the oxidation by atmospheric oxygen in working conditions, formed a partially oxidized layer at the surface with maximum thickness around 10 nm. Unidirectional sliding tests showed a decrease of the low-load friction coefficients of the sliding pair for the samples annealed in oxygen as compared to the non-annealed ones. The results are discussed on the lights of our extension of the crystal chemistry model, which establishes a relationship between ionic potential and friction coefficient.     

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.     

Indentation and scratch tests on sputtered amorphous CN X films deposited on plasma-nitrided Ti-6Al-4V

Sputtered carbon nitride (CN _X ) films were deposited on both untreated and plasma-nitrided Ti-6Al-4V substrates. Surface and cross-section morphology of the deposited CN _X films was studied by scanning electron microscopy (SEM). Modified Vickers hardness tests showed that the intrinsic hardness of the CN _X film was about HV 2000 to 3000. Both the indentation and scratch tests showed that, compared with the CN _X film deposited on Ti-6Al-4V substrate, the load-bearing capacity of CN _X film deposited on a plasma-nitrided layer was improved dramatically. From the results of scratch tests, the duplex-treated system was effective in maintaining a favorable low and stable coefficient of friction and improving the wear resistance of Ti-6Al-4V substrate.     

微织构对铜基自润滑复合材料摩擦磨损性能的影响

目的 针对活塞环在高温高压、循环往复的惯性力等工况下与气缸极易磨损的问题,以栓盘模型为试验对象,研究圆形微织构对铜基自润滑复合材料的摩擦磨损性能,以期提高两者的耐磨损性能。明确微织构在不同工况下与复合材料摩擦磨损行为之间的联系,建立表面微织构设计准则。方法 采用CT-MF20型光纤雕刻激光打标机在45#钢表面加工制备出直径为0.2 mm的圆形微织构,并通过栓-盘形式在HT-1000型摩擦磨损试验机上对圆形织构化45#钢进行摩擦性能试验,考察圆形微织构在不同载荷(2、10、20 N)及不同滑动距离(1.88 m和18.84 m)下的摩擦磨损情况,而且借助扫描电子显微镜(SEM)分析摩擦表面的显微结构和形貌,通过能谱仪(EDS)结果分析摩擦表面元素积累情况。此外,为了与之形成对比每组均设有无织构的45#钢试验。结果 在摩擦试验中,载荷为20 N、滑动距离为18.84 m时圆形织构的摩擦磨损性能最优,平均摩擦因数降幅随着滑动距离的增加从11%增加到23.5%,同时栓和盘表面形貌磨损也明显比其他条件的试件要小。在EDS结果中发现圆形织构表面的氧元素更多,集中分布在织构里。结论 当载荷为20 N、滑动距离为18.84 m时,圆形织构的减摩效果最好,摩擦因数稳定,栓盘磨损表面变得光滑,这归因于圆形织构盘表面棘轮效应明显,并形成连续稳定的转移润滑膜,从而减小磨损。