生物非光滑耐磨表面与非光滑耐磨技术在工程中的应用

指出生物非光滑耐磨表面现象的普遍性，对贝壳、牙齿等几种天然生物耐磨表面几何形态特征进行了分析，并介绍了加工耐磨表面的几种技术方法及非光滑耐磨技术在工程中的应用。同时，对非光滑耐磨理论与技术方法中存在的问题及发展趋势进行了分析与展望。     

仿生非光滑结构的摩擦磨损试验研究

研究了非光滑表面形态对摩擦磨损的影响规律。通过对9种仿生非光滑形态模型试块在JF150DⅡ-型定速式摩擦试验机上进行的润滑摩擦试验表明,光滑试块的润滑及耐磨效果最差,沉坑形试块的耐磨性和润滑性提高不大,而通孔倒角形和通孔形试块能显著提高耐磨性和润滑性,证明了仿生非光滑结构具有良好的耐磨润滑性能,并通过正交试验分析了仿生非光滑形态、分布等因素对润滑的影响效应。     

仿生耐磨设计的研究现状及展望

介绍了提高仿生耐磨的润滑、表面几何形态、材质和结构等几种主要因素,从功能方面介绍了仿生金属材料、仿生陶瓷材料和仿生复合材料,阐述了仿生耐磨技术的概念以及目前国内外仿生耐磨技术的研究进展.此外,介绍了仿生耐磨技术在工农业方面的一些应用,指出了当前仿生耐磨的一些关键科学问题,并对今后的研究进行了展望.     

仿蜣螂虫凹坑形镐形截齿的设计与研究

采煤机截齿齿体的耐磨性能直接影响截齿的使用寿命。在分析对比了现有的截齿齿体耐磨技术的基础上,通过对仿生学中凹坑形非光滑表面的耐磨机理分析研究,设计出了一种齿体带有凹坑形非光滑表面的截齿齿体结构,并进行了模拟的摩擦磨损试验。通过对16种不同参数凹坑结构的摩擦磨损试验结果研究表明,凹坑形非光滑表面结构的耐磨性相对于光滑表面有显著的提升,并通过正交试验分析了凹坑形仿生非光滑结构各参数对耐磨性的影响。     

仿生织构对抽油泵柱塞表面摩擦性能影响

目前石油机采仍以抽油泵为主要装置,而柱塞表面磨损是影响抽油泵工效及寿命的关键因素.现有技术存在成本高、效果不佳等问题,鉴于此,凭借仿生方法学低耗高效优势,基于生物体表非光滑耐磨减阻特性,设计并加工仿生织构柱塞试样,探究多工况往复式润滑摩擦性能.试验结果表明,仿生织构可降低约40％的摩擦阻力,提高了耐磨性能.随后,测定实...     

仿生物体表非光滑微织构形态刀具应用及发展

刀具磨损是金属切削加工业遇到的主要问题。提高刀具耐磨性能,能够有效改善加工零件表面质量,减少机床损坏,降低加工成本。为此,在刀具表面上构造仿生物体表非光滑微织构形态,能够改善刀具耐磨性能,实现绿色切削加工。介绍了仿生物体表非光滑形态的种类,归纳了仿生物体表非光滑形态微织构刀具的耐磨机理、织构类型、织构排布形式、切削质量等方面的研究概况。研究结果表明,有效利用某些生物体表面存在的非光滑微织构形态,能大幅度提高刀具耐磨性能。提出并分析了当前仿生物体表非光滑织构形态刀具研究中尚待解决的一些关键性问题,并给出相应的解决办法。这些研究将为提高刀具耐磨性能提供一种新的发展方向。     

基于MATLAB仿生非光滑形态模拟

仿生学研究发现,生物体表大都相当明显地体现着各种几何非光滑形态。为了研究仿生非光滑表面形态对磨损的影响以及非光滑表面形态自身的参数变化对耐磨性的影响,本文对典型的仿生非光滑形态进行计算机模拟,并设计了优化原则,为制作具有非光滑形态试样提供了数学模型。     

曲轴颈仿生非光滑凹坑表面耐磨性试验研究

用激光方法加工了曲轴颈仿生非光滑凹坑表面,采用均匀试验研究了速度、负荷、时间和凹坑圆周方向的距离等因素对曲轴耐磨性的影响,得出影响激光处理仿生非光滑曲轴颈凹坑表面耐磨性的多因素回归方程。结果表明速度、负荷、时间和凹坑圆周方向的距离对仿生非光滑曲轴颈表面耐磨性有显著影响,而凹坑轴向之间的距离对耐磨性影响不大。     

仿生非光滑表面管道的设计及有限元分析

仿生非光滑表面的减阻作用由于其在工程中的应用价值而被广泛关注。为了减小油气管道运输摩擦阻力损失，将蚯蚓体表的生物学特征引入管道中，设计了凸包型、凹包型2种非光滑壁面管道。结合理论分析、仿真模拟两种手段研究了仿生管道的高性能机理。通过对比仿生管道与普通管道内流体的流动特性，得到了性能最高的非光滑结构：凸包非光滑内壁管道。该管道相对于普通光滑管道，具有更高的减阻率，运输能量更强，流速更高，可为运输管道仿生减阻的深入分析提供参考。     

表面织构在刀具减磨技术中的应用

高性能切削已经成为21世纪制造业的主流发展方向,而刀具技术仍是限制难加工材料切削速度进一步提高的关键技术瓶颈。仿生摩擦学的出现,为刀具技术提出了新的研究方向。本文介绍了当前国内外刀具表面织构的研究现状,并提出微量润滑与表面织构双重效应的刀具减磨技术。同时简要介绍了表面织构的各种制造技术,并对刀具非光滑耐磨理论与技术研究中需要解决的问题进行了分析。     

Influence of non-smooth surface on tribological properties of glass fiber-epoxy resin composite sliding against stainless steel under natural seawater lubrication

With the development of bionics, the bionic non-smooth surfaces are introduced to the field of tribology. Although non-smooth surface has been studied widely, the studies of non-smooth surface under the natural seawater lubrication are still very fewer, especially experimental research. The influences of smooth and non-smooth surface on the frictional properties of the glass fiber-epoxy resin composite(GF/EPR) coupled with stainless steel 316 L are investigated under natural seawater lubrication in this paper. The tested non-smooth surfaces include the surfaces with semi-spherical pits, the conical pits, the cone-cylinder combined pits, the cylindrical pits and through holes. The friction and wear tests are performed using a ring-on-disc test rig under 60 N load and 1000 r/min rotational speed. The tests results show that GF/EPR with bionic non-smooth surface has quite lower friction coefficient and better wear resistance than GF/EPR with smooth surface without pits. The average friction coefficient of GF/EPR with semi-spherical pits is 0.088, which shows the largest reduction is approximately 63.18% of GF/EPR with smooth surface. In addition, the wear debris on the worn surfaces of GF/EPR are observed by a confocal scanning laser microscope. It is shown that the primary wear mechanism is the abrasive wear. The research results provide some design parameters for non-smooth surface, and the experiment results can serve as a beneficial supplement to non-smooth surface study.     

Experimental study on influence of dimples on lubrication performance of glass fiber-epoxy resin composite under natural seawater lubrication

Bionic non-smooth surface is widely applied in metal and ceramics materials. In order to introduce this technology to high pressure seawater pump, the influence of bionic non-smooth surface on the engineering plastics used in pump should be investigated. The comparative tests are carried out with a ring-on-disc configuration under 800, 1000, 1200 and 1400 r/min in order to research the influence of the bionic non-smooth surface on glass fiber-epoxy resin composite(GF/EPR) under natural seawater lubrication. The disc surfaces are textured with five kinds of pits, which are semi-spherical, conical, cone-cylinder combined, cylindrical pits and through holes, respectively. A smooth surface is tested as reference. The results show that the lubrication performance of dimpled GF/EPR sample is much better than that of the smooth sample under all rotational speeds. The semi-spherical pits surface has more obvious friction reduction than the others, which shows that the least reduction is approximately 43.29% of smooth surface under 1200 r/min. However, the wear level is only marginally influenced by dimples. The surface morphology investigations disclose severe modifications caused by abrasive wear primarily. The results are helpful to vary friction properties of GF/EPR by non-smooth surface, or provide references to the design of non-smooth surfaces under certain condition.     

仿生非光滑通孔耐磨机制有限元分析

利用ANSYS软件,以平板试件为对比基准,对具有仿生非光滑通孔结构试件的耐磨机制进行了有限元分析。分析表明,仿生非光滑通孔具有削弱应力集中、均匀分布应力的功能,使试件整体受力均匀、接触状态良好,从而提高试件的摩擦磨损性能;通孔附近前大后小的应力分布方式,有利于收集润滑油、切削磨粒,改善其润滑状态,减小磨粒磨损。     

刮板输送机中板仿生耐磨优化试验研究

刮板输送机中板磨损失效已成为输送机运行故障的主要原因之一,为了提高中板耐磨性,基于蜣螂非光滑单元进行了仿生中板设计,以磨损量为响应值,进行了单因素和响应面法优化试验。根据响应面法试验结果得到的因素显著性影响顺序(从高至低)依次为:径向距离,深径比,直径,节距角。基于试验结果建立了磨损量与因素的回归预测模型,经试验对比发现,预测模型与真实试验的相对误差为3.2%。在特定工况(煤散料粒度为6～8 mm、载荷为20 N、刮板链速为0.65 m/s及试验时长为6 600 s)下,当深径比为1.41、直径为0.69 mm、节距角为6.55°和径向距离为4.66 mm时,磨损量最小,仿生中板的耐磨性提高了12.6%。分析其耐磨机理发现,与光滑板相比,仿生板的磨粒磨损及黏着磨损较轻。凹坑分布可破坏持续切削中板表面的煤粒运动状态。中板的仿生优化可为今后刮板输送机的设计提供一定参考。     

仿生非光滑汽车表面的减阻分析

基于计算流体力学数值模拟方法,将非光滑表面应用于汽车。通过仿真实验研究非光滑车身表面气动减阻的可行性,并采用正交试验方法,通过计算汽车的空气阻力系数来分析非光滑单元体的形状、大小,以及分布位置和排列方式对减阻性能的影响,根据分析结果得到了合理且能够减阻的汽车仿生非光滑表面结构。     

刮板输送机仿生条纹型中部槽耐磨性试验研究

为了提高刮板输送机中部槽的耐磨性,以扇贝壳及穿山甲鳞片的非光滑条纹结构为仿生原型设计了仿生中板。以磨损深度为响应值,基于单因素法和响应面法进行磨损分析,探究耐磨仿生的最优结构参数,结果表明：显著性影响由大到小依次为宽度、宽高比、节距,条纹宽高比与条纹宽度的交互作用最为明显;在特定工况（煤颗粒粒度6~8 mm、载荷20 N、刮板链链速0.65 m/s）下,条纹型结构的最优耐磨参数组合为：宽高比4.94,宽度1.81 mm,节距6.33 mm。对最优参数组合下的条纹中板与光滑中板的耐磨性进行仿真和试验对比,结果表明：最优耐磨参数组合下的条纹中板具有良好的耐磨性能,与光滑中板相比,磨损质量减小78.54%。分析其耐磨机理发现,条纹凸体对煤散料的流动具有分流和导向作用,缓解了中板表面的受力,使磨损深度减小。     

仿生非光滑表面对低速大扭矩水压马达配流副承载性能的影响

通过在低速大扭矩水压马达配流盘上设计不同凹坑形仿生非光滑表面,并建立配流副的全水动压润滑模型,基于湍流理论,利用 Fluent 软件研究仿生非光滑表面对低速大扭矩水压马达配流副液膜表面压力分布、承载力的影响。研究表明: 对于低速大扭矩水压马达配流副,在相同凹坑深度和运动速度的条件下,凹坑壁面与液膜表面接触角为锐角时的液膜表面承载力要大于其为直角时的液膜表面承载力;在转速一定时,深度对圆形锥坑的液膜表面承载力的影响很小,在边界润滑的情况下,通过适当增大凹坑深度,可以防止较浅的凹坑由于磨损严重而导致的失效。     

凹坑形仿生非光滑表面滑靴副的动压润滑计算

通过建立凹坑形仿生非光滑表面滑靴副的全水动压润滑模型,采用CFD方法及正交试验法研究工况参数(膜厚、转速)及几何参数(坑形、面积率、深径比)对流体动压润滑性能和水膜承载力的影响规律。研究结果表明：凹坑表面产生的承载效应是其静压和动压分布的综合,其中具有凹坑形仿生非光滑表面的斜盘与滑靴相对运动而引起的动压效应起主要作用;工况参数和几何参数对水膜承载力的影响顺序为转速>膜厚>坑形>深径比>面积率;膜厚30 μm、转速3 000 r/min、面积率20%、深径比0.5的三角柱坑为最优水平组合。该研究结果可为高压海水轴向柱塞泵仿生非光滑表面斜盘的设计提供参考。     

Gas–Solid Erosive Wear of Biomimetic Pattern Surface Inspired from Plant

Gas–solid erosive wear is a phenomenon in which serious mechanical damage is caused by the impact of solid particles on a wall. In this study, we investigated the erosive wear characteristics and mechanism of biomimetic groove surfaces in gas–solid erosive wear. Orthogonal experimental results showed that the order of the factors that influenced the erosive wear of the biomimetic groove surface was morphology > space > feature size. The V-shaped groove surface exhibited the best erosive wear resistance over the smooth, square, and U-shaped groove surfaces. The surface microstrain calculated by X-ray diffraction lines was used to study the mechanism of erosive wear resistance enhancement of the biomimetic surface. The microstructure of the eroded surface was analyzed by scanning electron microscopy. The appearance of ribs on the biomimetic groove surface increased the erosive wear of the surface in a distal position with respect to the ribs themselves. This article shows more opportunities for bionic application in improving the anti-erosion performance of moving parts that work under dirt and sand particle environments.