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。     

仿生织构表面对人工髋关节副动压润滑性能及减摩性分析

为提高钛合金TC4人工髋关节假体的耐磨性,从仿生学角度在钛合金关节表面设计出菱形织构.基于雷诺方程建立织构化关节表面流体动压润滑数学模型,采用有限差分法对其进行离散,通过Matlab编程进行迭代求解,获取织构表面的润滑油膜压力分布以及织构化关节表面的摩擦因数,分析织构几何参数(菱形织构对角线长度b和织构深度hp)对摩擦性能的影响规律.加工钛合金销-盘摩擦副,用激光在盘试样上加工出菱形织构,并在牛血清润滑状态下以及相同载荷和转速的条件下进行摩擦磨损试验.结果 表明:随着菱形织构参数b和织构深度hp的增加,摩擦因数呈先增加后减小的趋势.并且试验结果与数值仿真结果具有较高的一致性,在菱形织构参数b为447 μm,织构深度hp为10 μm,存在最小摩擦因数为0.14.微织构的存在可以实现流体动压润滑,提高关节副的承载力,降低摩擦因数,从而改善关节副的摩擦性能.该研究为提高人工髋关节的寿命提供理论依据.     

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。     

平行滑块表面矩形-半球型复合织构润滑性能研究*

研究仿生硅藻的多级孔结构——矩形与半球型结合的复合型织构对平行滑块润滑性能的影响。通过建立矩形-半球型的复合型织构单个单元模型,采用双向流固耦合的方法,分析两滑动表面在不同面积率和织构深度条件下的摩擦润滑性能。结果表明:织构表面摩擦因数随着面积率的增大而减小,承载力随着面积率的增大先增大后减小,在考虑摩擦性能与承载力的条件下,矩形-半球型复合型织构的面积率应控制在25%～36%之间;在确定合适的面积率的条件下,还应考虑不同的织构深度所产生的旋涡的影响。     

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。     

沟槽型织构摩擦学性能模拟及试验研究

为揭示沟槽型织构的摩擦学特性,以沟槽型表面织构化的止推圈式摩擦副为研究对象,基于雷诺方程和微凸体接触方程建立微沟槽织构混合润滑理论计算模型,模拟摩擦因数随沟槽面积占有率、角度和深宽比的变化规律,并由摩擦性能试验验证其准确性。在假设面积占有率和角度两个参数互不干涉的前提下,模拟两者共同作用下摩擦因数的变化情况。结果表明,经过表面沟槽织构后,摩擦副的摩擦学性能得到了明显改善;摩擦因数随沟槽面积占有率和深宽比的增加呈现先减小后增大,随角度的增加呈现先减小后增大再减小的趋势;当沟槽与运动方向夹角为65°～70°,宽度为30μm,深宽比为4/15,面积占有率接近8%时,摩擦副具有最佳摩擦性能,相对于未织构情况,摩擦因数可降低约55%。     

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。     

计入粗糙度的液压缸仿生微织构耦合效应研究

在间隙密封液压缸缸筒的内表面构造仿生菱形微织构,研究计入液压缸摩擦副表面粗糙度与表面微织构对液压缸缸筒内表面摩擦润滑性能的耦合影响。利用等效流量法求解表面微织构与表面粗糙度的耦合效应,同时以液压缸常用材料45钢为试件开展摩擦学试验,并对试验结果和仿真结果进行比较。研究结果表明:液压缸摩擦副的表面粗糙度与表面微织构耦合作用非常明显,合适的表面粗糙度和表面微织构尺寸,可使液压缸缸筒内表面从混合润滑状态转变为流体润滑状态,从而增大缸筒内表面的动压润滑效应;缸筒内表面的菱形微织构形貌存在最优组合,使得液压缸缸筒内表面的摩擦因数最小、润滑性能最好。     

液压缸活塞表面微织构动压润滑性能分析

以织构化间隙密封液压缸为研究背景,利用平均雷诺方程对缸筒与活塞的配合处微织构流场进行数学建模,采用有限差分法对平均雷诺方程进行离散,分别对织构形貌为球缺面、圆柱面、圆锥面、抛物面、六面体和正方体进行数值模拟,获得最优微织构形貌,同时探讨了表面粗糙度,表面方向参数和面积占有率对表面摩擦因数的影响。结果表明:六种不同形貌的微织构均能在活塞表面产生动压润滑效果,圆柱形微织构表面动压润滑性能最好;粗糙表面的粗糙峰在运动过程中能够形成动压承载力,圆柱形表面的摩擦因数随粗糙度的增加而增加,微织构的摩擦因数随表面方向参数的增加而减小,随着面积占有率的增加而减小。     

重型车辆织构化刹车系统热力学行为与摩擦学性能研究

重型车辆刹车系统受瞬态高温和雨水异常侵入的影响,易引起热力学行为与摩擦性能退化。为研究表面织构对刹车系统热力学行为和摩擦学特性的影响,基于有限元法开展刹车系统热力学分析,考虑大量雨水侵入的液体润滑极端情况,提出一种动压润滑与织构集成模型的摩擦学性能分析方法。结果表明：水平凹槽织构可使制动盘温度场及应力场分布较均匀,进而避免接触区域局部瞬态高温引起的车辆制动失效;随着凹槽织构倾斜角度增大,承载力增大,摩擦因数减小;不同组合型织构中,圆柱与椭球组合型织构表面承载力最大、摩擦因数最小,圆锥与椭球组合型织构表面承载力最小、摩擦因数最大。研究发现重型车辆刹车系统表面构筑合适倾斜角度凹槽织构和组合型织构有助于提升其工作性能。     

The effect of texture shape on the friction coefficient and stiffness of gas-lubricated parallel slider bearings

Surface texturing is used to increase hydrodynamic pressure and reduce friction and wear between gas-lubricated parallel sliding surfaces in a variety of applications. The shape, geometry, and density of the patterned microtexture features (“dimples”) play a key role in the tribological performance of textured slider bearings. In this paper we evaluate the friction coefficient and stiffness of gas-lubricated textured parallel slider bearings as a function of six different texture shapes. The texture geometry and density are optimized in terms of minimum friction coefficient and maximum bearing stiffness for each individual texture shape, and then compared relative to each other. The ellipsoidal shape is found to yield the minimum friction coefficient and the highest bearing stiffness, independent of the operating conditions.     

纹理表面滑动摩擦稳态摩擦学性能

基于稳态滑动摩擦系统模型,采用球-盘摩擦副定量分析研究法向载荷、滑动速度、初始表面纹理和摩擦副材料对稳态摩擦因数的影响,得到稳态摩擦因数在不同工况下的变化规律。结果表明：滑动摩擦的稳态摩擦因数与磨损率正相关,周向纹理表面的稳态摩擦因数最大,无纹理表面的稳态摩擦因数次之,径向纹理表面的稳态摩擦因数最小;无论何种初始表面形貌,随着转速的增加,稳态摩擦因数先减小后增大,随着法向载荷的增大,稳态摩擦因数呈增长趋势;较深较宽的表面纹理具有更大的稳态摩擦因数和更大的瞬时波动;稳态摩擦因数也与摩擦副材料的选取有关。     

铜基粉末冶金/Q235B摩擦副载流摩擦磨损性能*

磁浮列车中部分制动闸片在服役时一直处于受流状态,导致材料磨损加剧,影响闸片的服役寿命。为研究中低速磁悬浮列车制动闸片在受流工况下的摩擦磨损性能,以制动闸片使用的铜基粉末冶金材料和刹车盘使用的Q235B材料为摩擦副,研究不同制动速度下铜基粉末冶金/Q235B摩擦副的载流摩擦磨损行为。结果表明：无电流时随着滑动速度的增大,摩擦因数及磨损率整体呈现下降的趋势,载流时随着滑动速度的增大,摩擦因数整体呈现下降的趋势,而磨损率则整体呈现上升的趋势;无电流时磨损后的铜基粉末冶金材料表面覆盖着一层靛色的第三体层,该第三体层低速时主要以颗粒状为主,随着速度的增加逐渐被压实成连续致密状,高速时因黏着磨损加剧使得连续致密状第三体被破环,导致材料的摩擦因数和磨损率呈现反向增长的趋势;载流下磨损后的铜基粉末冶金材料表面出现了以机械磨损为主和以电弧烧蚀为主的2个区域,其中以机械磨损为主的区域依然是由靛色的第三体层组成,而以电弧烧蚀为主的区域表面则覆盖了一层金色熔融状物质,并且随着速度的增大,烧蚀区面积也逐渐增大。     

弹性材料表面织构对摩擦副润滑性能的影响

为了研究弹性材料表面微织构对摩擦副空化现象和润滑特性的影响,建立考虑空化效应的二维弹性织构计算模型,采用流固耦合方法计算润滑流场与材料变形之间的相互作用。对比刚性材料表面微织构,从弹性模量、滑动速度、微织构深度以及织构间距等方面分析弹性材料表面织构对摩擦副润滑性能的影响,通过实验验证模拟结果的准确性。结果表明：弹性织构摩擦副比刚性织构摩擦副摩擦因数更小,润滑性能更好;存在最优织构深度,使得弹性织构摩擦副的摩擦力最小且承载力最大;适当增大滑动速度以及织构间距可以提高弹性摩擦副的润滑性能;随着弹性模量的降低,弹性变形和油膜厚度增加,空化现象更为显著,摩擦副的润滑性能得到提升。     

A new formulation for the prediction of polyethylene wear in artificial hip joints

Artificial joints employing ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) are widely used to treat joint diseases and trauma. Wear of the polymer bearing surface largely limits the use of these joints in younger and more active patients. Previous studies have shown the wear factor used in Archard's law for the conventional polyethylene to be highly dependent on contact pressure and this has produced variability in experimental data and has constrained the reliability and applicability of previous computational predictions. A new wear law is proposed, based on wear volume being dependent on, and proportional to, the product of the sliding distance and contact area. The dimensionless proportional constant, wear coefficient, which was independent of contact pressure, was determined from a multi-directional pin on plate study. This was used in computational predictions of the wear of the conventional UHMWPE hip joints. The wear of the polyethylene cup was independently experimentally determined in physiological full hip joint simulator studies. The predicted wear rate from the new computational model was generally increased, with an improved agreement with the experimental measurement compared with the previous computational model. It was shown that wear in the UHMWPE hip joints increased as head size and contact area increased. This resulted in a much larger increase in the wear rate as the head size increased, compared with the previous computational model, and is consistent with clinical observations. This new understanding of the wear mechanism in artificial joints using the UHMWPE bearing surfaces, and the improved ability to predict wear independently and to address previously described discrepancies offer new opportunities to optimize design parameters.     

表面织构特征对其摩擦润滑特性的影响

为研究织构阵列的形貌、排布方式对织构化滑动摩擦副摩擦学特性的影响,利用三维CFD仿真方法,基于Navier-Stokes(N-S)方程建立不同形貌、排布的织构阵列摩擦副的润滑模型,分析不同形貌及排布方式对压力分布和承载特性的影响;在此基础上,研究6种形貌、2种排布方式织构的润滑特性及摩擦性能。结果表明,流体流入收敛楔产生正的流体动压,流入发散楔产生负的流体动压,规则排布的织构单元摩擦性能优于错开排布的织构单元。在最优的雷诺数条件下,不同形貌的织构单元平均摩擦系数随面积率的增加而减少,菱形织构和球冠形织构面积率从4.5%增加到12.5%时,摩擦系数分别降低了81%和76%。因此,合理的选择织构形貌、尺寸有助于改善织构化滑动摩擦副的摩擦学特性。     

水压马达配流副椭圆形织构表面流场分析*

为了探究椭圆形织构化表面对水压马达配流副流体动压润滑性能的影响,构建椭圆形织构配流副表面的全水动压润滑模型,采用CFD的方法分析在不同尺寸、不同面积率条件下,两旋转表面摩擦润滑性能的变化规律。结果表明：不同尺寸的椭圆形织构表面均能产生良好的流体动压润滑性能;不同尺寸椭圆形织构的水膜承载力随面积率的变化呈现出不同的变化规律,但相同尺寸的织构表面随面积率的变化呈现出相同的变化规律,且转速越大,规律性越明显;在相同面积率下,转速越高,织构的水膜承载力越强;不同尺寸椭圆形织构在各自最优面积率下的水膜承载力不同,其中长轴、短轴分别为1.6、0.8 mm的椭圆形织构表现出最优的水膜承载性能。