部分表面凹槽织构动压润滑性能的CFD分析

表面织构作为一种改善摩擦学性能的方法,已成功应用于工业领域。利用计算流体动力学(CFD)模型模拟研究了流体润滑状态下部分表面凹槽织构的动压润滑性能,详细分析了表征部分凹槽织构在摩擦副表面排列布局的位置参数L以及凹槽宽度D和雷诺数Re对润滑油膜承载的影响。结果表明:在较低雷诺数Re下,位置参数L对油膜承载影响明显,当Re=3,D=0.2时,L从0.4减少到0.05,油膜承载提升了58.99%,然而,随雷诺数Re的增加,位置参数L对油膜承载的作用逐渐减弱。另外,凹槽深度一定时,存在最优的凹槽宽度D,其对应着最大的油膜承载。     

微织构自润滑表面在油介质中的摩擦学性能

为探究不同表面处理方式对试样表面摩擦学性能的影响,分别对GCr15试样表面进行激光微织构加工,光滑表面涂抹润滑油,微织构表面填充固体润滑剂,微织构表面涂抹润滑油,微织构表面填充固体润滑剂并涂抹润滑油等不同表面处理方式,在MMW-1A摩擦磨损机上进行摩擦磨损试验。同时改变试验的载荷及转速,探究在不同转速和载荷工况下,不同表面处理方式对试样摩擦因数的影响。结果表明,在干摩擦条件下,试样表面采用微织构处理并填涂固体润滑剂可使摩擦因数较光滑表面降低47.6%;在油介质中,采用微织构处理可使摩擦因数较光滑表面降低4.8%,采用微织构处理并填充固体润滑剂可使摩擦因数较光滑表面降低17.7%。且在油介质中,采用织构化处理和固体润滑结合的表面处理方法,试样摩擦因数随载荷增大而减少且逐渐趋于稳定,但随转速增大而增大。     

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。     

T形沟槽表面织构对金属-橡胶密封副摩擦性能的影响

为研究T形沟槽形非光滑表面的形貌参数对摩擦性能的影响,验证自组装凹坑形非光滑表面的耐磨性能,基于稳态二维不可压缩Reynolds方程,建立T形沟槽表面织构化理论模型;利用有限差分法和高斯-赛德尔迭代法求解金属表面的油膜压力分布和剪切应力,进而获得油膜承载力和摩擦因数;对T形槽织构的宽度系数比α、深度系数比β对金属-橡胶摩擦副油膜承载能力和摩擦因数的影响规律进行数值分析。结果表明：T形沟槽织构的存在使得油膜内部的压力增大,并且随T形沟槽宽度系数比增加,织构动润滑性能先增大后减小再增加,宽度系数比在40%时达到最佳,且宽度系数比越大,织构的动压效应越差,宽度系数比无限接近1时,沟槽突变为矩形沟槽,使动压效应增加;随着T形沟槽深度系数比增加,织构动润滑性能先增加后减小,宽度系数比在40%～60%内最佳;在流体动压润滑范围内,适当控制T形沟槽的宽度比和深度比,使沟槽底部尽可能平整,保证织构上下两部分良好的协同作用和动压区域,便能获得润滑减摩性能最好的T形沟槽表面织构。     

SiC表面水滴型微织构的水润滑特性研究

目的 提高水润滑条件下SiC陶瓷的摩擦性能。方法 通过对剪切力矩和摩擦因数的测试和计算,结合扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)观察试件表面的磨痕形貌及元素含量分布,分析转速、载荷和织构排布方式对变深度水滴型织构在SiC表面摩擦因数、磨损特征和摩擦化学反应的影响规律。结果 在变深度动压弹流润滑和摩擦化学反应的协同作用下,单侧水滴型织构试件在润滑介质从小端流向大端时可以实现更好的润滑性能,并且随着转速从200 r/min升至900 r/min,稳定摩擦因数从0.004增至0.068,远低于相同工况下斜槽型织构和无织构的光滑表面试件。对于水滴型织构,当润滑介质从大端流向小端时,其呈现的摩擦因数与无织构表面光滑试件的摩擦因数相近,维持在0.014~0.114。双侧水滴型织构在重载时具有更优异的润滑减摩效果,在200~900 r/min的转速范围内,能够提供稳定且较小的摩擦因数。结论 在SiC材料表面设计具有变深度特征的水滴型织构,可以有效提高系统的润滑减摩效果,特别是当润滑介质从织构较浅处流向较深处时,可以促进SiC试件表面的摩擦化学反应,生成的氧化物薄膜会覆盖在试件表面形成保护层,使SiC陶瓷的摩擦学行为得到改善。     

内部结构非对称织构对材料表面的润滑性能分析

织构对材料表面的减摩降磨具有积极效果,但内部结构对称织构在摩擦方向和润滑方式上较为单一。为研究内部结构非对称织构对加工润滑特性的影响以及在改善材料表面摩擦性能方面的激励机制,通过研究对称织构和两种内部结构非对称织构的正、反向摩擦行为,对比润滑油在各织构单元体的压力分布、流速和流迹线来分析织构内部结构的对称性对润滑性能的影响。利用飞秒激光以倾斜加工的工艺制备内部结构非对称织构,并进行摩擦磨损试验。结果证明：织构内部结构的对称特征直接影响润滑油的流速和流迹线状态,进而影响油膜的承载力,而流速越大空化效应越剧烈,且流迹线越向涡旋中心集中,惯性效应越强。在内部结构非对称织构正反两个方向的摩擦中,正向摩擦的润滑性能要优于反向摩擦的润滑性能,且无论是正向摩擦还是反向摩擦,织构沟槽呈现直角时的润滑性更加优异,内部结构非对称织构的加工工艺可以增加表面硬度,有利于降低摩擦因数。     

考虑粗糙度的水润滑复合微织构推力轴承性能分析

目的 改善摩擦副润滑性能,研究考虑表面粗糙度时复合微织构参数对推力轴承性能的影响,同时通过实验进一步说明复合微织构的减摩作用机理。方法 建立表面粗糙度模型、复合微织构的水膜厚度方程和推力轴承的广义雷诺方程,研究不同复合微织构形状和排列方式推力轴承的性能。通过摩擦磨损实验验证复合微织构形状对轴承润滑性能的影响。结果 复合微织构有效改善了摩擦副的摩擦学性能,在15种复合微织构和2种单一织构中,复合微织构的承载性能均优于单一鱼形和圆形织构,圆形复合鱼形微织构具有较好的润滑性能;当不同微织构沿周向排列时获得了较好的润滑参数,相较于径向排列,其承载力提升了45.45%;考虑表面粗糙度时,轴承的润滑性能得到提高,当尺度系数为0.002 2、分维系数为2.6时,轴承获得了较好的润滑性能,相较于未考虑粗糙度时其承载力得到提高。结论 实验得出与理论相同的结论,圆形复合鱼形微织构具有较好的承载力和减摩性能,合适的复合微织构参数可以有效提高水润滑推力轴承的润滑性能,降低摩擦因数。     

激光加工网状微织构对不锈钢微丝摩擦磨损性能的影响

目的 研究网状微织构对316L不锈钢微丝摩擦磨损性能的影响,为提高金属橡胶的使用寿命提供参考思路.方法 利用LQL-F20A型激光打标机在直径为0.4 mm的316L不锈钢微丝表面加工不同深度和间距的网状微织构,采用Leica-DM6A显微系统测量织构深度和宽度.用往复式小行程微动摩擦磨损试验机进行摩擦磨损试验,测量和记录不同载荷下不锈钢微丝表面摩擦因数和磨损深度.用扫描电子显微镜观察并对比分析不锈钢微丝摩擦磨损前后的表面形貌.结果相同试验条件下,网状织构化试件与无织构试件相比,摩擦因数和磨损深度分别降低了28％和72％.织构深度为25μm试件与深度为11μm试件相比,摩擦因数和磨损深度分别降低了11％和14％;不同织构间距的试件,表面摩擦因数十分接近,磨损深度相差也不大.不同载荷作用下试件表面摩擦因数变化不大,但磨损深度随载荷的增大而增大.结论 对不锈钢微丝表面进行网状织构化处理可以显著改善其摩擦磨损性能,微织构深度是影响不锈钢微丝耐磨性的重要因素,微织构间距与深度对不锈钢微丝摩擦磨损性能具有细微的协同影响,不锈钢微丝的磨损深度与外载荷呈正相关.     

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。     

三角表面微织构对304钢摩擦学性能的影响

目的 研究表面三角微织构对304钢减摩抗磨特性的影响,扩宽奥氏体不锈钢应用范围,为改善304钢的耐磨损性能提供理论依据.方法 采用激光加工技术在304钢表面制备三角形微织构,其底边长200μm,高200μm.利用有限元ANSYS软件对油膜压力等参数进行仿真分析,并在MRTR-1多功能摩擦磨损试验机上检测表面织构化304钢的摩擦学性能,探究不同旋转直径(15、25、35 mm)及不同转速(100、200、300 r/min)下三角微织构的摩擦磨损情况,并采用扫描电子显微镜(SEM)分析工件表面的显微结构及形貌.结果 有限元仿真结果表明,三角微织构的存在使油膜内部的压力增大,并且转速越大,油膜承受压力越大,摩擦系数明显降低.试验结果表明,三角织构与无织构化表面相比,平均摩擦系数显著降低,最大降幅达14.89％.结论 激光加工三角织构的304钢摩擦磨损性能优异,且在旋转直径35 mm、转速300 r/min的条件下,减摩抗磨性能更好.主要作用机理为,接触表面间润滑液的及时有效补充,提供了"二次润滑"效应,并建立了连续的摩擦接触界面间的油膜,起到减摩抗磨的作用.     

表面织构及供油量对润滑性能影响的建模分析

目的研究不同供油条件下织构表面的润滑性能。方法首先,建立考虑表面织构的乏油润滑模型,求解修正雷诺方程获得乏油工况下考虑织构表面的润滑油膜厚度以及压力分布。然后,依据求得的润滑油膜厚度判断计算域内各点润滑状态,通过接触压力及油膜厚度分别计算边界润滑、混合润滑以及流体润滑状态下的切应力,并积分求得摩擦力进而得到摩擦系数。结果模拟了供油层厚度为50~500 nm以及充分供油条件下三种织构的润滑行为,获得了不同润滑状态下表面织构的摩擦系数。速度为0.1 m/s时,供油量对接触区油膜厚度的影响较小,不同润滑状态下织构表现出不同的润滑性能。速度为0.2 m/s时,供油层厚度对油膜厚度的影响较大,随着供油层厚度的增大,膜厚明显增加,摩擦系数在供油层厚度为200 nm时最小。结论接触副处于流体润滑状态时,织构表面不具有减摩效果。接触副处于边界润滑状态时,织构表面具有减摩效果,并且织构较密时,摩擦系数较小。接触副处于混合润滑状态时,织构过于稀疏或密集时均不具有减摩效果,但是合理分布的织构具有减摩效果。     

正弦微沟槽织构对柱塞密封副摩擦学性能的影响

目的 研究不同工况下正弦沟槽织构对柱塞密封副摩擦性能的影响,以降低压裂泵柱塞密封副的摩擦磨损.方法 基于压裂泵柱塞密封副几何模型和流体润滑理论,建立了正弦微沟槽织构化柱塞-橡胶密封副动压润滑数值理论模型,通过仿真模拟研究了不同柱塞密封压力、运动速度对正弦织构减磨性能的影响.结果 不同密封压力下,从40 MPa增至140...     

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。     

织构化动压轴承热流体润滑特性理论与试验研究

为了探究表面织构对动压轴承热流体润滑特性的影响,计入热流体耦合因素更接近轴承的实际工况。以矩形、三角形、圆形三种表面织构形式动压轴承为研究对象,联立Reynolds方程、能量方程、黏温方程和不同形式织构几何特征方程,建立织构化轴承热流体耦合模型。采用有限差分法求解得到油膜压力场分布、温度场分布及轴承特性参数,并分析织构形状、深度、进油温度等因素对织构化轴承特性的影响。结果表明：表面织构能够有效降低油膜温升,改善轴承润滑性能;不同形式织构对于轴承热流体特性影响有所差异,低偏心时矩形织构表现出更好的润滑性能;进油温度对于织构化轴承热流体特性有较大影响,随着进油温度的升高,轴承的特性参数在不断下降,但幅度逐渐减缓。制备了织构化轴承试件并进行工况测试,试验结果与理论计算对比分析,趋势规律一致,验证了结论的合理性、正确性。     

表面微织构对45#钢摩擦副表面摩擦学性能影响的实验研究

目的 通过在摩擦副表面进行激光微织构加工,研究不同分布形式的微织构对摩擦副的减摩作用效果,为微织构摩擦副在实际工程应用中的设计与选用提供参考。方法 选取45#钢作为摩擦材料制备环环接触的摩擦副,通过激光微雕刻在试件表面加工一定尺寸的微织构,在油润滑条件下,利用万能摩擦磨损试验机进行摩擦磨损实验,并通过超景深三维显微镜观察磨损表面,研究不同微织构在油润滑方式下对摩擦副的减摩作用机理及具体影响规律。结果 带有合理分布形式微织构的摩擦副接触表面能产生明显的动压润滑效应,其中径向沟槽微织构和凹坑状微织构在稳定磨损阶段的摩擦系数明显小于光滑表面,分别能减小摩擦系数16%和11%,局部网状微织构的摩擦系数与光滑表面没有明显差异,周向沟槽微织构的摩擦系数大于光滑表面。带有径向沟槽和凹坑微织构的摩擦副相比于光滑表面,温升有所降低,而周向沟槽和局部网状微织构随着摩擦表面磨损的加剧,温升更加明显,下试件分布有微织构的摩擦副接触表面摩擦系数要明显小于上试件分布有微织构的摩擦副。磨损局部放大图中,凹坑状微织构表面产生的磨粒剥落痕迹要明显浅于光滑试件表面,说明微织构能有效存储磨损磨粒,减少二次磨损对摩擦表面的破坏。结论 表面微织构能有效改善摩擦副的润滑性能,合理选择微织构分布形式和分布位置,才能最大限度地发挥微织构的减摩效果。     

初始表面粗糙度对沟槽织构摩擦性能的影响

目的探究初始表面粗糙度大小对激光沟槽织构化表面摩擦性能的影响规律。方法采用脉冲光纤激光器在不同粗糙度的45#钢试样表面制备具有不同深度、规则排列的沟槽织构,利用摩擦磨损试验机进行销-盘式往复摩擦试验,研究初始表面粗糙度对沟槽织构化表面摩擦系数的影响规律,以及不同初始表面粗糙度条件下,激光沟槽织构化表面的摩擦学行为。结果沟槽织构能够有效降低表面的摩擦系数,初始表面粗糙度、载荷和速度的大小对沟槽织构的润滑减摩性能有较大影响。在较低的载荷下,沟槽织构能有效提高表面的流体动压润滑效应;在较高的载荷下,沟槽织构能够有效改善表面的边界润滑性能。存在最优初始表面粗糙度,使得摩擦系数达到最小,初始表面粗糙度最优值的大小应根据载荷和速度大小来确定。结论根据摩擦副表面的载荷和速度工况条件,合理优化初始表面粗糙度能使沟槽织构获得较为理想的润滑减摩效果。     

刀具表面不同角度正弦型沟槽织构的数值模拟与实验研究

目的 分析刀具表面正弦型沟槽织构不同角度对接触表面摩擦学性能的影响。方法 利用激光加工设备在硬质合金表面加工出与垂直线成0°、30°、60°、90°的正弦型沟槽织构,并利用有限元软件FLUENT对不同角度正弦沟槽织构内的润滑液压力等参数进行仿真分析,同时将表面带有织构的硬质合金与钛合金球进行摩擦磨损实验,并通过扫描电镜观察摩擦实验后的表面。结果 硬质合金表面四种不同角度的正弦沟槽织构均能降低与钛合金对摩时的摩擦系数,且随着速度的增大,四种织构表面的摩擦系数均出现不同程度的减小,其中90°的正弦沟槽织构在摩擦实验中的减摩效果最为显著,滑动速度为20 mm/s时,摩擦系数相对于光滑表面减小了77%。通过系列摩擦磨损实验结果表明,正弦沟槽织构产生动压效应的数值模拟结果与减摩降磨实验结果基本一致,刀具表面不同角度正弦沟槽织构产生动压润滑效果的显著程度为90°>30°>0°>60°。结论 与钛合金对摩中,硬质合金表面沟槽织构的存在对降低摩擦系数和减少磨损量具有重要意义,尤其是90°正弦沟槽织构的存在可以大幅改善硬质合金表面的摩擦学特性,其主要作用机理在于及时有效补充接触表面间的润滑液,并产生持续的动压润滑效应,建立并形成连续的摩擦接触界面间油膜,起到减摩降磨的作用。     

基于有限元仿真的磨削纹理对40Cr材料摩擦学特性影响及润滑油匹配

目的由于磨削粗糙度较小,磨削纹理对材料摩擦学特性的影响常被忽略,故研究磨削表面纹理方向与润滑油的匹配性问题。方法利用有限元仿真研究,分析了工件运动方向与表面纹理方向呈不同夹角(θ=0°、30°、45°、90°)时,对固体间接触面积A和摩擦因数μ的影响,并选择了3种黏度差距较大的润滑油进行了单因素匹配性研究。结果利用有限元仿真模型,获得了不同黏度润滑油润滑时的最佳纹理安装角度。使用32号润滑油润滑,θ=0°(运动方向与纹理方向垂直)时的摩擦因数和接触面积均最小;使用68号润滑油,θ=0°时的摩擦因数最小,而且此时的接触面积也最小;使用150号润滑油时,θ=30°时的摩擦因数最小,此时的接触面积较小。结论表面纹理方向对固体间接触面积的影响主要由润滑油膜连续程度决定,表面纹理方向对摩擦因数的影响由油膜连续程度和固体间接触的阻碍作用双重决定。随着润滑油黏度的增大,表面纹理方向对固体间接触面积和摩擦因数的影响逐渐减小。实际生产中的零件安装,必须关注纹理方向对润滑效果的影响,并注重与润滑油的匹配问题。     

缸套-活塞环织构化耦合机理及减摩性能研究

目的在工况恶劣的船舶柴油机中,运用表面织构技术提高缸套-活塞环的表面摩擦性能。方法选用实船上的两种缸套-活塞环材料M与W,加工成销盘样式,利用激光打标机在活塞环销上加工圆形凹坑织构,在缸套盘上加工沟槽织构。将未织构化缸套和活塞环与织构化缸套和活塞环互相配对,在RTEC多功能摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损试验。从摩擦系数、磨损量、磨损形貌、能谱等方面,进行光滑、单一织构与耦合织构减摩性能的对比分析。结果相比于未织构与单一织构化表面,两种材料的耦合织构均拥有最低的摩擦系数,其中M材料的减摩性能最高增强21.52%,W材料最高增强27.29%。耦合织构还拥有最低的磨损量,使M、W材料的抗磨损能力分别提高81.10%、36.14%。耦合织构能显著降低M、W材料磨损后的表面粗糙度,并提升其润滑油滞留能力。织构内部与接触面的Fe、C分布呈现区域性,在缸套表面磨痕处发现少量Cu元素。结论沟槽与凹坑织构的耦合作用能有效增强油膜的形成与稳定能力,沟槽与凹坑织构可储存磨屑,提升磨屑捕集效率,防止磨屑持续划伤表面。缸套材料中的Cu与耦合织构协同作用,吸附在表面磨痕处,形成软膜,提高承载能力,降低磨损与粗糙度。