织构化表面空化效应影响润滑性能的CFD分析

考虑织构化表面润滑介质流场的空化效应,建立具有不同截面微结构特征的有限元计算模型,利用Fluent14.0软件进行计算,研究表面织构几何形状及尺寸对流体润滑性能的影响。结果表明:考虑惯性项作用时,表面微织构会产生额外的承载力,而且随着速度提高,承载力会进一步增大;考虑空化效应时,承载能力增大近一个数量级,更符合文献中的试验结果;与三角形、矩形及椭圆织构截面相比,球缺截面的织构空化面积更小,更有利于提高承载;微结构深度和宽度尺寸影响摩擦和承载性能,研究表明,减小织构深度、增大织构宽度有利于改善润滑性能。     

表面织构对水润滑轴承混合润滑性能的影响

为分析表面织构对水润滑轴承混合润滑性能的影响,基于平均Reynolds方程及JFO空化边界条件建立带有表面织构的水润滑轴承混合润滑模型并数值求解,获得不同织构参数下水润滑轴承的Stribeck曲线。研究结果表明:表面织构是否能改善润滑性能与其深径比及面密度参数密切相关,织构的引入并不一定能降低水润滑轴承的摩擦因数;表面织构的面密度和深径比存在最优值,能使水润滑轴承获得最大的膜厚比与最小的摩擦因数,并在较低的转速下由混合润滑状态进入流体动压润滑状态。     

表面织构对滑动轴承润滑性能的影响

以给定载荷和转速的滑动轴承为对象,基于统一Reynolds方程法建立润滑分析模型,研究几种分布形式的表面织构对润滑性能的影响。数值计算结果显示:织构分布对轴承偏心率和最小厚度影响显著,合理的部分分布织构明显改善轴承的润滑性能;存在最佳织构深度使得不同分布的织构润滑效果最优;矩形凹槽、矩形凹坑、圆形凹坑的织构分布中,矩形凹槽润滑效果最好;沿圆周方向单列矩形凹槽的润滑效果优于多列矩形凹坑;表面织构在高速、轻载时改善润滑的效果明显。     

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。     

考虑空化效应的表面微凸体织构摩擦副润滑性能研究

采用数值模拟方法,分析在不同速度和不同结构参数条件下微凸体织构的摩擦副润滑过程,研究在流体润滑条件下摩擦副表面的微凸体织构诱导空化效应的规律。结果表明：增加表面之间相对运动速度、微凸体织构的宽度或高度、微织构前段和后端的角度,均能导致空化区域面积增加,〖JP2〗使诱导空化现象更加明显;空化效应的出现抑制了微凸体后端负压区压力的降低,使得摩擦副的承载能力提高;空化效应可使界面之间由液体润滑转变为局部的气体润滑,使得界面之间摩擦因数的数值明显减小;考虑空化效应时,具有微凸体织构的摩擦副的承载力比不考虑空化效应时提高了35~74倍,摩擦因数降低了97.5%~98.7%。微凸体织构诱导产生的空化效应对提升承载力与降低摩擦因数的作用,明显大于微织构形成的流体动压作用,因此可以认为微织构诱导产生空化效应是微织构摩擦表面的一种重要承载机制。     

分形表面的微织构对动压润滑性能的影响

在分析分形表面形貌和人工织构对弹流润滑影响的基础上,建立关联表面分形特性的织构润滑模型。通过数值计算方法分析润滑模型中压力流量因子与表面分形维数及表面织构参数之间关系。计算结果表明:在一定分形维数下,平均流量模型结果适用于没有织构的各向同性分形表面;在同一分形维数下,压力流量因子随着织构参数凹腔深度的增加而增大,随着凹腔半径的增加而减小;在同一织构参数下,压力流量因子随分形维数的增加先增加后趋于稳定。     

考虑空化效应的齿面沟槽织构润滑性能CFD分析*

为探究齿面沟槽织构参数对渐开线圆柱直齿轮润滑性能的影响,简化齿轮啮合模型选取并建立单元沟槽CFD仿真模型,通过分别求解未考虑和考虑空化效应的2种仿真模型,获得不同沟槽尺寸参数对模型润滑性能的影响规律。结果表明：沟槽织构的存在改变了流体域油膜压力分布状态,具有更高的油膜承载力和更好的动压性能;不考虑空化效应时,油膜承载力大小与沟槽宽度的变化密切相关,而受沟槽深度变化的影响较小,沟槽织构浅且宽时齿面具有更好的润滑性能;考虑空化效应后,表面润滑性能随沟槽宽度与深度的变化而动态变化,相较于不考虑空化效应,沟槽宽度更窄、深度更深时齿面具有更好的润滑性能;在沟槽深度与宽度均较小时,空化效应对动压性能的影响不是很大,在沟槽深度较小而沟槽宽度较大时,空化效应对动压性能的影响较大;而在沟槽深度较大时,空化效应对动压性能的影响始终较大,且不受沟槽宽度变化的影响。     

缸套表面环槽织构润滑性能数值分析

为了改善缸套-活塞环摩擦副润滑性能,在缸套表面采取了环槽织构措施,通过数值计算的方法,研究了环槽形新型织构的润滑摩擦机理,并对比分析了环槽与圆形凹腔织构润滑性能的差异。结果表明:当活塞环经过环槽织构时,在运动方向上,环槽中心圆柱前槽与后槽分别产生油膜压力较小与较大的动压润滑效应,即环槽能产生二次动压效应;与相同外径的圆形凹腔织构相比,存在一个最佳槽宽能有效改善润滑摩擦性能,在此数值以外,合适的槽宽能使环槽润滑性能较好,相比于圆形凹腔织构,润滑油膜压力分布更为均匀,最小膜厚比增加,摩擦力和摩擦平均有效压力均呈下降趋势,其原因是二次动压效应与面积占有率对环槽影响的叠加中,前者占据了主导地位;过小的槽宽会使得环槽织构润滑效果恶化。     

激光微织构表面脂润滑性能试验研究

采用声光调 Q 二极管泵浦固体光源（DPSS）Nd∶YAG 激光器,在45＃钢试样表面进行激光微织构加工,采用 VYKO-NT1100三维形貌分析仪对微观织构形貌进行测量。以二硫化钼润滑脂为润滑剂,在 MMW-1A 型摩擦磨损试验机上进行微织构试样和光滑试样在不同工况条件下的摩擦性能对比试验。试验结果表明,在一定条件下,面积占有率为14％的微凹腔织构表面的脂润滑性能明显优于未织构光滑表面,且随着微凹腔面积占有率的增大,摩擦因数波动范围变小;凹槽织构表面较未织构光滑表面具有更好的润滑稳定性;在脂润滑条件下,激光微织构表面较未织构光滑表面摩擦因数最大可降低26％。     

水润滑飞龙滑动轴承的表面织构热弹流润滑性能分析

建立了考虑表面织构的滑动轴承的弹流润滑几何模型,对考虑圆弧形凹坑、矩形凹坑和直角-三角形凹坑的水润滑飞龙轴承的弹流性能进行了数值分析。结果表明,压力与膜厚在凹坑处均出现波动,压力峰值和最小膜厚减小;滑滚比增大,最小膜厚减小,圆弧形凹坑的最小膜厚大于矩形凹坑的,远远大于直角-三角形凹坑的最小膜厚;随着轴承表面凹坑深度的增加,压力波动不明显;膜厚随着凹坑深度的增大,波动幅度增大,最小膜厚减小;直角三角形凹坑的轴承最不利于润滑。     

表面织构对角接触球轴承润滑性能的影响

为研究油气润滑状态下表面织构对角接触球轴承润滑性能的影响,在角接触球轴承的内圈滚道上设计表面织构,基于气液两相流理论,采用多重参考坐标系(MRF)模型和流体体积(VOF)法,对高速角接触球轴承腔内润滑油流动特性进行数值分析,对比分析长沟槽、短沟槽、矩形、圆柱形4种表面织构对角接触球轴承润滑性能的影响,发现长沟槽形的表面织构对改善角接触球轴承的润滑性能效果最为显著,并进一步分析长沟槽形表面织构结构参数对轴承润滑性能的影响。结果表明：轴承腔内油相体积分数随着沟槽深度和面积率的增大先增大后减小,随着沟槽宽度的增加逐渐增大,存在最佳织构参数使得轴承腔内油相体积分数最大。因此,合理地设计织构参数能有效提高角接触球轴承润滑性能,该研究结果对角接触球轴承表面织构设计具有一定的参考价值。     

密封环圆台型织构化粗糙表面对润滑性能的影响

针对密封环接触面之间的润滑问题,基于Reynolds方程,考虑粗糙度的影响,建立在流体动压润滑状态下圆台型表面织构的数学模型,对密封环接触表面在不同织构参数、不同粗糙度参数下润滑膜压力大小及分布情况进行研究.采用有限差分法、牛顿迭代法研究不同润滑介质下,圆台型微凹坑的几何参数及粗糙度参数对润滑膜平均压力的影响,并与理论...     

考虑热作用的复合织构滑动轴承润滑性能

为揭示热作用对复合织构滑动轴承润滑性能的影响规律,建立考虑润滑剂热作用影响的复合织构滑动轴承润滑性能求解模型,分析织构位置、转速及长径比对复合织构滑动轴承润滑性能的影响,并将其与单层织构轴承和无织构轴承进行对比。结果表明：1）无论是否考虑热作用,织构位置在轴承压力上升区时,复合织构轴承的承载力最大,摩擦系数最小;随转速的增加,轴承承载力与摩擦力增大,且复合织构轴承承载力最大,摩擦力最小;随长径比的增大,轴承承载力增大但摩擦系数减小,复合织构轴承承载力最大,摩擦系数最小。2）考虑热作用后,相同工况参数下,轴承承载力、摩擦力和摩擦系数相较于不考虑热作用的更低,但复合织构轴承的承载力总是高于单层织构轴承与无织构轴承,且摩擦力与摩擦系数最低。     

表面织构形貌对油膜内部压力影响的仿真分析

表面织构技术是在材料表面制备出具有一定排列规则的几何阵列的技术。该技术能够有效改善材料表面的摩擦学性能,现已越来越广泛地应用于众多工程领域。为了研究表面微织构对于材料表面摩擦学性能的影响,应用ANSYS Fluent软件分别对相同区域内流经光滑表面及V形、三角形、矩形、圆形微织构表面的油膜进行仿真计算。分析对比了不同形貌的微织构对于油膜内部压力分布的影响。结果表明：微织构的存在能够使油膜内部压力产生明显变化,油膜内部有回流产生,使摩擦副表面产生了流体动压效应。油膜内部产生了正压区与负压区,当油膜内部压力低于其自身的饱和蒸气压时,会有空化效应产生。为在材料表面应用微织构提升摩擦学性能提供了良好的理论基础。     

表面形貌对内燃机主轴承润滑性能的影响

基于Patir和Cheng的平均流量方程和流量因子,计入表面形貌和弹性变形等因素,以流体润滑理论为基础,建立内燃机主轴承的润滑分析计算模型;研究主轴颈和轴瓦表面形貌对主轴承最小油膜厚度、最大油膜压力、摩擦损失总功和粗糙接触压力等润滑特性的影响。结果表明,轴颈和轴瓦表面粗糙度值大小和纹理方向对主轴承润滑性能具有显著影响,随着粗糙度值的增加,最小油膜厚度增加,油膜压力减小,粗糙接触压力增加,摩擦损失总功增大;相较横向纹理和各向同性,纵向纹理有利于提高最小油膜厚度,降低粗糙接触压力和摩擦损失总功;当粗糙度值不变时,随着内燃机转速和爆发压力的增加,粗糙接触压力增加,粗糙摩擦损失功率增加,导致磨损加剧效率降低。     

楔形织构对流体动压润滑性能的影响

采用基于N-S方程的CFD方法对流体动压润滑状态下的表面织构进行数值模拟,分析了不同几何参数下楔形结构对表面织构动压性能的影响。结果表明：几何参数对织构的动压性能有着显著影响,对称及楔形收敛织构的动压性能随深度比的增大呈先增大后减小趋势,随面积率的增大而增大;而相反的楔形结构使织构表现出相反的动压性能,因此当深度比增大到一定程度后,楔形发散织构表现出较楔形收敛织构更优的动压性能。此外通过正交模拟得出,相同工况下,对织构动压性能影响的主次因素依次为表面形状>面积率>截面形状>深度比,对负压幅值影响的主次因素依次为深度比>截面形状>表面形状>面积率,为织构的设计优化提供参考。     

摩擦副表面沟槽型织构润滑性能的数值仿真

从目前的研究来看,织构的深度和载荷对油膜的润滑性能具有显著的影响,然而,在载荷变化的情况下,润滑膜的最小膜厚和黏性阻力是一个动态变化的过程。因此不同载荷下,最佳织构深度的选取还需系统地进行分析。通过建立沟槽型织构流体润滑模型,分析了织构的深度以及承载力对摩擦副的油膜厚度、压力、剪切力、以及摩擦因数的影响。结果表明：在承载力一定时,油膜厚度随织构深度的增加呈先增大后减小的趋势。在89 N载荷下时,存在最佳油膜厚度6.4184μm,此时织构深度为2.97μm,摩擦因数为0.0162。     

考虑空化的倾斜织构表面摩擦学性能CFD分析

为了研究倾斜织构表面的摩擦学性能,建立单微孔倾斜织构的二维计算模型并且考虑空化效应的影响。利用CFD方法模拟不同倾斜角、油膜厚度和织构深度条件下空化面积、织构表面压力分布和油膜承载力的变化情况。结果表明:与平行织构表面不同,在倾斜织构表面中,与不考虑空化相比,考虑空化效应时油膜承载力不一定更大,在倾斜角一定时,与油膜厚度有关;织构深度会影响承载性能,每个计算模型都会存在一个最优织构深度使得承载力最大,且最优承载力会随倾斜角的增大而增大,随油膜厚度的增大而减小;最优承载力增长率的变化趋势与空化效应有很大关系,空化效应较强时,最优承载力增长率会随着倾斜角的增大而减小,空化效应较弱时,最优承载力增长率会随着倾斜角的增大而增大。     

GCr15钢微织构表面固体润滑性能研究

为研究不同表面处理方式对PTFE/GCr15钢配副表面摩擦学性能的影响,采用Nd:YAG纳秒激光器对GCr15轴承钢下试样表面进行激光织构加工,并以纳米MoS₂固体润滑剂作为润滑介质,以黏结有PTFE自润滑衬垫的圆柱销作为上试样进行对摩试验。研究发现:PTFE自润滑衬垫与微织构GCr15摩擦副在干摩擦条件下摩擦因数较低,仅为0.137,而在纳米MoS₂固体润滑剂润滑条件下,其摩擦因数进一步下降为0.123,且波动较小。通过EDS分析表明,表面微织构、聚四氟乙烯衬垫与纳米MoS₂润滑介质三者具有协同润滑减摩效应,可摩擦副表面生成一层由PTFE与纳米MoS₂材料组成的致密、平滑复合润滑膜,有效改善对摩副之间的润滑特性。研究表明,通过表面激光织构技术与固体自润滑技术(添加纳米MoS₂)的有效集成融合,可进一步改善PTFE/GCr15钢配副的润滑性能。     

表面织构化对摩擦学性能影响的研究进展

表面织构技术是通过微细加工技术在材料表面加工出具有一定几何形貌与尺寸,且排列规律的图案,从而改善材料表面摩擦学性能的新型表面改性技术。表面织构因在改善材料摩擦学特性方面具有的突出优势而在机械摩擦配副中发挥着重要的作用。介绍了常见的表面织构加工技术,阐述了不同工况下表面织构的减磨机理,总结了表面织构形貌及其几何参数对耐磨性能的影响,并展望了表面织构技术的未来发展方向。