粗糙表面扭动微动磨损数值研究

基于三维W-M分形函数利用SolidWorks建立三维粗糙表面,同时利用Abaqus用户子程序Umeshmotion引入能量磨损准则,建立了三维球-粗糙面接触下的扭动微动数值模型,研究初始表面粗糙度对扭动微动摩擦磨损过程的影响。首先利用G-W模型的无量纲化接触面积解析解验证了粗糙面模型的合理性,同时通过与实验的磨损结果进行对比,进而验证了数值模型对扭动微动磨损预测的精确性和有效性。分析结果表明：表面粗糙度的改变对于扭动微动磨损有着显著的影响,其中磨损体积、摩擦耗散能以及磨损率都随着表面粗糙度的增加而增加,即在同等微动条件下会加剧表面磨损;摩擦激活能随着表面粗糙度的增加而减小,越粗糙的表面磨损激活的阙值越低,故减小初始表面粗糙度可有效降低扭动微动磨损。     

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。     

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。     

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。     

往复轴封氟橡胶O型圈微动摩擦学特性

在UMT多功能摩擦磨损试验机上,以氟橡胶(Fluorine rubber,FKM)O型圈/不锈钢平面配副为研究对象,研究了不同接触载荷和位移幅值下FKM O型圈的微动摩擦学特性。在动力学特性分析的基础上对磨痕表面形貌进行扫描电镜及表面成分分析,研究FKM O型圈在微动作用下的运行行为、磨损机理及其损伤演变规律。结果表明:随着位移幅值的增加,FKM依次运行于部分滑移区(Partial slip regime,PSR)、混合区(Mixed fretting regime,MFR)和滑移区(Slip regime,SR);接触载荷明显地改变了微动的运行区域,载荷越大MFR的范围增大,且微动越不易进入MFR和SR;与扭动微动相似,FKM弹性体混合区的判定需要结合F_t-D曲线和磨痕形貌的演变过程;在不同的微动运行区域,FKM的损伤特征及摩擦因数(F_t/F_n)演变明显不同。在PSR,FKM表面损伤较轻微;在MFR及其附近,FKM的材料损伤表现为裂纹的萌生与扩展、表面剥落和点蚀以及局部的磨损;在SR,FKM磨损表面表现出橡胶材料特有的花纹磨损特征;此外,在MFR和SR的磨损表面,FKM发生了明显的摩擦氧化。     

微动界面连续干摩擦行为的分子动力学模拟

为探究微动界面连续干摩擦过程中的分子运动规律,以晶体硅-金刚石耦合微动摩擦副为研究对象,建立了单凸体固-固接触模型,并以摩擦力响应和摩擦力垂直方向(z向)力学响应为表征量进行了分子动力学模拟分析。结果表明,在多次摩擦接触间隙,微动界面之间存在连续、波动的摩擦力学响应;连续摩擦接触过程中,受黏滑现象、单凸体变形回复以及界面上被磨损原子重新分布释放应力等过程影响,摩擦间隙仍会产生一定的z向力学响应,该力学响应的大小甚至会超过之后摩擦接触状态的力学响应,从而影响到固-固耦合微动界面的摩擦力学特性。     

球-球接触条件下扭动微动应力数值模拟

在扭动微动的应力分布解析计算中,通过接触表面切应力可以推导出接触体内部的应力。而转矩卸载过程中,由于接触表面切向力表达式复杂,难以推导出接触体内部的应力。为此采用快速傅里叶变换的方法对球-球接触模型进行数值模拟,以此获得卸载时接触体内部的应力分布。首先,计算出接触表面加载时的应力分布,并得到转矩与扭转角之间的迟滞曲线。然后,分析法向力和加卸载转矩共同作用下接触体内部的应力分布,以及最大应力的大小与位置。最后,在迟滞曲线上标明最大应力点位置,并分析黏着区半径c和摩擦因数f对最大应力位置的影响规律。研究表明:卸载时表面切向力qr沿半径方向,先增大再减小最后持续增大;法向力在较大范围内影响接触体应力分布,而转矩主要在深度0～0.5a范围内起作用;黏着区半径c越大,摩擦因数f越小,最大应力点更可能位于接触体内部。     

油润滑对微动摩擦特性影响的研究

研究了钢摩擦副在油润滑工况下不同位移幅值对微动润滑摩擦特性的影响,分析了表面形貌。研究表明微动过程中表面之间的油介质会被驱除出接触区域,而滑动过程中表面之间的油介质始终保持在接触区域;润滑油的存在对接触区域起到了遮盖的作用,减少了氧化反应;由于油的流动性,在微动过程中容易再次渗透到接触区域,降低了表面摩擦与磨损。     

7075铝合金和QRO90模具钢在热成形工况下的摩擦磨损行为

铝合金在热成形制造过程中存在严重的模具磨损,不但缩短模具使用寿命,还造成工件表面拉毛和成形偏差。为模拟模具钢与7系铝合金在热成形工况下的摩擦过程,搭建单向高温摩擦磨损试验平台,对热成形工况下的摩擦磨损行为展开研究,并通过光学轮廓仪和扫描电镜分析模具钢与铝合金磨损表面形貌。结果发现,热成形过程中黏结磨损和磨粒磨损同时存在,磨损颗粒在粗糙表面上被压实和堆积,对后续的摩擦磨损行为有显著影响。对单向高温摩擦试验的接触副局部进行有限元建模,分析粗糙接触表面上的局部接触条件,探讨其对后续摩擦学行为的作用。分析表明,摩擦过程中存在黏滑现象,局部接触压力受表面形貌影响,显著大于名义载荷,最大等效应力出现在表面之下。这对进一步分析磨损行为、提出合适的表面工程方案提供了基础。     

发动机链条的微动接触有限元分析

为分析外链板和销轴接触面的过盈量与摩擦因数对配合表面微动磨损的影响,应用Ansys有限元软件对其接触面应力进行有限元分析,分别计算不同过盈量和不同摩擦因数下,接触面上可能最先发生微裂纹的接触线上的接触状态(黏着区、滑移区和张开区)和应力分布情况.结果表明,接触线上拉应力与剪应力在接触线的黏滑交界点处都达到极大值,使得微动裂纹更易于在此处萌生与扩展;通过改变接触面摩擦因数与过盈量,可以对黏滑交界点的位置(微动裂纹萌生扩展的位置)进行调整.     

微结构表面展开轮摩擦磨损特性与仿真研究

为了提高AVIKO系列钢球检测系统中展开轮的服役寿命及检测精度，在增大表面摩擦因数的同时减少磨损，将表面微结构应用于展开轮，研究其摩擦磨损特性。利用激光在试件周向外表面加工三种不同直径参数的凹坑微结构，并用自主设计的摩擦磨损试验机进行试验，得到摩擦因数与磨损量，通过数值模拟得到应力分布图和磨损深度图，与光滑表面试件进行对比和分析。结果表明，在干滑动摩擦条件下，微结构表面试件均比光滑表面试件的摩擦因数更大且磨损量更小，微结构表面通过改变应力分布和分散磨损点位置减少了磨损并提高了耐磨性。所建立的数值模拟磨损模型可用于预测微结构表面磨损深度，为微结构表面展开轮的寿命预测提供了基础理论。     

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。     

榫联接接触表面间的微动摩擦系数研究

利用解弹性接触问题的边界元法分析了榫联接的微动摩擦的接触状况，及其接触表面间的微动相对位移幅，正压力和摩擦力的大小和它们在接触表面上的分布。为联接的微动疲劳设计的计算提供了数据。     

钢轨滚动接触磨损研究

利用三维非Hertz滚动接触理论和数值程序CONTACT分析了不同轴重下轮轨滚动接触斑上应力、摩擦功等参数的变化.通过JD-1轮轨模拟试验机研究了轴重对钢轨材料磨损性能的影响,分析了磨痕形貌的变化情况.数值计算及试验结果表明:轴重和曲线半径是影响钢轨滚动接触磨损的重要因素;轮轨摩擦功的变化与钢轨磨损量的变化之间存在一定线性对应关系.     

沟槽织构化表面影响摩擦振动噪声机理

在列车制动盘蠕墨铸铁材料表面上制备出平行间隔分布的沟槽表面织构,将其和光滑表面进行摩擦噪声对比试验,并利用有限元软件ABAQUS/Explicit(显式动态求解器)对试验进行数值模拟分析,研究沟槽织构化表面影响摩擦振动噪声的机理。结果表明,本试验条件下的光滑表面会产生较高强度的噪声而沟槽表面几乎不产生噪声,利用有限元软件ABAQUS/Explicit可以很好地模拟试验现象并揭示沟槽表面织构影响界面摩擦振动噪声的机理,即沟槽织构表面在对磨球滑过并碰击沟槽时引起的摩擦力波动能有效的打断摩擦界面的连续接触,作为不连续激励扰乱系统的自激振动,抑制界面摩擦力和振动加速度高频成分的形成并最终降低摩擦噪声。     

带有微动磨损缺口钢丝的疲劳特性

在自制的微动磨损试验机上进行钢丝的微动磨损试验,将微动磨损后的钢丝试样在液压伺服疲劳试验机上进行不同应力比和不同应力幅下的疲劳试验。结果表明,钢丝的微动磨损深度随微动时间和接触载荷的增加而增加,磨损缺口处的应力集中使其成为了裂纹萌生源,也使钢丝试样的疲劳寿命大大降低,微动磨损后钢丝试样的疲劳寿命和磨损深度呈反比关系。通过钢丝疲劳断口的SEM形貌分析了其疲劳断裂机制,断口对应不同的疲劳阶段,可分为裂纹萌生区、裂纹扩展区和裂纹瞬断区。     

空心轴过盈配合结构循环微动磨损的仿真研究

基于Archard磨损模型建立空心轴过盈配合结构的微动磨损模型,通过有限元计算得到两种过盈量空心轴在微动循环周次的变化下配合面磨损轮廓和接触压应力、摩擦切应力、滑移幅值等微动参量,并与其中一种过盈量的实心轴过盈配合结构相应计算结果进行对比。结果表明,在相同过盈量和外载条件下,空心轴过盈配合结构的微动磨损程度大于实心轴过盈配合结构;在微动磨损对配合面形貌的影响下,空心轴配合面上的微动参量随循环周次增加的变化规律与实心轴结构基本一致:循环周次增加,接触压应力、摩擦切应力和滑移幅值随之增大;接触压应力峰值位置向配合中心移动;摩擦切应力峰值由粘着-滑移交界处向磨损-未磨损交界处转移,并向配合中心移动;增大空心轴过盈配合结构的过盈量能减小空心轴微动磨损的程度。     

浸渍石墨配对9Cr18密封摩擦副的摩擦特性

针对无压喷油运行工况下机械密封端面磨损严重问题,基于多功能摩擦磨损试验机开展浸呋喃树脂石墨M180K和浸锑石墨M181D配对9Cr18金属环的摩擦磨损试验。探讨操作工况参数轴向载荷和线速度对浸渍石墨摩擦因数和摩擦扭矩两摩擦特性参数的影响,对比研究不同摩擦状态下线速度对两摩擦特性参数的影响,并基于三维形貌仪采集2种浸渍石墨试验前后的表面形貌。结果表明：低黏油润滑工况,一定范围内提高pv值有助于减小浸渍石墨摩擦因数,但轴向载荷的增加提高了摩擦扭矩;而较大轴向载荷时,增加线速度有助于减小摩擦扭矩;相同操作工况和摩擦状态下,浸锑石墨摩擦因数显著小于浸呋喃树脂石墨对应值且表面磨损轻微;相比而言,浸锑石墨的耐磨性更优异,更适用高参工况。     

扭转复合微动模拟及其试验研究

基于低速往复回转电动机系统和高精度六维力/转矩传感器,通过改变旋转轴的倾斜角α,成功实现了扭转复合微动,该微动属扭动微动和转动微动模式的复合。并对GCr15钢球/50钢平面在倾斜角度为10°和40°及不同扭转角位移幅值下的扭转复合微动进行初步考察,同时结合光学显微镜、扫描电子显微镜、表面轮廓仪等手段分析50钢的扭转复合微动运行行为、磨痕形貌及损伤机理。结果表明,该试验装置能真实模拟扭转复合微动;倾斜角和角位移幅值对扭转复合微动的运行和损伤行为有重要影响;可利用摩擦力—角位移幅值曲线来表征扭转复合微动行为,50钢摩擦力—角位移幅值曲线呈直线型、椭圆型和平行四边形型3种类型;其损伤特征明显不同于单一运行模式控制(扭动微动或转动微动)下的微动行为。此外,不对称的磨斑形貌是扭转复合微动的一个典型特征。     

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。