粗糙表面间密封性能研究进展

在微观尺度下的静密封界面表面形貌是粗糙不平的，两粗糙表面上的微凸体在载荷作用下会接触形成孔隙；随着接触压力的减小或观察尺度的增加，当孔隙增加到一定数量时孔隙之间会相互连通形成泄漏通道，影响密封性能。现有的粗糙表面密封分析基于均化思想、逾渗理论和多孔介质思想等方法建立泄漏通道模型，考虑表面粗糙度、表面纹理以及表面载荷等对密封性能的影响。对现有的粗糙表面间密封性能的研究现状进行综述，分析现有的粗糙表面密封研究方法存在的不足之处，指出粗糙表面间密封研究可能的方向，为进一步研究粗糙表面密封机制提供了参考。     

基于多孔介质理论的双粗糙面金属静密封泄漏模型

粗糙面微观几何形貌是影响静密封泄漏特性的重要因素。应用粗糙面的三维点云数据,将粗糙面进行离散化处理,进而将由双粗糙面构成的密封界面等效为三维逾渗栅格模型,基于多孔介质理论计算得到密封界面的孔隙率和渗透率,从而建立了一种双粗糙密封界面的泄漏率模型。搭建金属静密封泄漏率测量试验台,通过对环面金属静密封泄漏特性的试验研究,验证了该泄漏模型的有效性。利用该模型分析了表面纹理方向、粗糙面波动频率与材料特性对金属静密封泄漏特性的影响。结果表明：各向异性粗糙面构成的密封界面具有较好的密封性能;粗糙面波动频率越大,密封性能越好;低硬度材料易于实现有效密封;在重载情况下,粗糙面微观几何形貌对孔隙率与泄漏率的影响不显著。     

基于栅格渗漏模型的静密封界面状态演变特性研究

由于密封界面微观形貌的复杂性,静密封机理及其状态演变一直以来是个难题。在对密封界面进行离散和近似的基础上,提出一种基于栅格渗漏模型的静密封界面渗漏状态预测模型。给出栅格渗漏模型的构建方法,在此基础上通过大量数值试验对密封-渗漏状态演变特性进行了分析,进而建立了静密封界面状态演变曲线的数学模型,发现渗漏发生的概率在与系统相关的阈值附近呈现急转的规律,同时研究表明静密封界面的接触面积、表面纹理方向等对密封界面的状态演变特性有显著影响。结合逾渗理论和试验数据,讨论所提出模型及所发现规律的通用性。     

炭-石墨多孔材料制备工艺中的逾渗研究

从逾渗理论出发,研究炭-石墨多孔材料制备工艺中的成型、焙烧和浸渍过程.分析表明:坯料的成型、焙烧与浸渍过程的本质是流体在多孔介质中的流动,具有典型的逾渗特征,可用逾渗理论进行分析和解释.应用逾渗理论优化制备工艺,实现二次逾渗,体积密度从2.15 g/cm3提高到2.50 g/cm3,气孔率从3%下降到1%,肖氏硬度从Hs70提高到Hs89,抗压强度从160 MPa提高到275 MPa,抗折强度从45 MPa提高到86 MPa,显著改善了材料的物理性能.     

表面粗糙度对橡塑O形圈往复密封性能的影响

建立三维确定性混合润滑数值仿真模型,该模型采用统一Reynolds方程系统法,耦合了固体力学分析、流体力学分析和接触力学分析;生成非高斯粗糙表面,基于混合润滑模型研究表面粗糙度、自相关长度比值和纹理方向对橡塑O形圈往复密封摩擦力、泄漏率、平均膜厚和接触面积比等密封性能的影响规律。研究表明：低速时随着表面粗糙度的增大,润滑区接触面积比增大,引起摩擦因数增大,平均膜厚先增大后减小,临界接触面积比约为40%;在混合润滑状态时,对于横向纹理粗糙表面,存在合适的自相关长度比值使得密封的摩擦因数和接触面积比最低;当纹理方向θ=π/10时,摩擦因数最小。     

表面形貌对粗糙接触界面流体润滑特性的影响

为探究不同表面形貌对粗糙接触界面液体润滑特性的影响,基于有限差分法结合雷诺方程和膜厚方程,研究阶梯形貌、波纹形貌、随机形貌和峡谷形貌4种不同粗糙接触界面液体润滑时的载荷分布及规律。研究发现：4种粗糙表面的三维载荷分布规律都与其表面形貌相对应,在波“峰”处载荷大,摩擦力随载荷的增大而增大,在波“谷”载荷小,摩擦力随载荷减小而减小;4种粗糙表面的载荷随表面展开面积比的变化趋势却有所不同;随表面展开面积比的增大,阶梯形貌表面的载荷呈线性增大,波纹形貌表面的载荷基本不变,随机分布形貌表面的载荷呈增大趋势,峡谷形貌表面的载荷呈先增大后减小的变化趋势。研究结果可以进一步补充现有表面形貌表征和流体润滑等相关研究理论。     

基于形态变换的三维表面形貌方向特性研究

针对面向功能的三维表面形貌表征存在的问题,基于灰值形态学的基本运算构造了边缘检测形态算法,有效地提取了三维形貌的形态学边缘,实现了三维形貌的纹理方向特征的提取,获得了表征纹理方向特性的表征参数.该方法不仅适用于直线纹理,而且也适用于曲线纹理,为分析表征三维形貌的各向异性特征提供了一个新的方法.把它引入到粗糙表面的润滑分析中,能够更确切地揭示出各向异性表面的纹理方向特性对润滑性能的影响规律.     

表面形貌对活塞环密封及摩擦性能的影响

综合考虑活塞环表面形貌、弹性变形、运动面型线影响,建立柴油机活塞环-缸套摩擦副的弹性流体动压润滑计算模型,分析活塞环表面纹理方向及粗糙度大小对活塞环窜气及摩擦功耗的影响。研究发现,随着转速的提升,活塞的窜气量及摩擦功耗会加剧,导致发动机效率降低;活塞环-缸套摩擦副的表面纹理方向影响窜气量和摩擦功耗,采用活塞环横向纹理和缸套纵向纹理配合时,对活塞环窜气量及摩擦功耗的改善效果较好;活塞环和缸套的表面粗糙度对密封和润滑特性有较大影响,当缸套表面粗糙度增大时,窜气量先减小后增大,摩擦功耗先增大后减小,而在一定范围内,当活塞环表面粗糙度增大时,窜气量和摩擦功耗都减小。     

基于逾渗理论的接触式机械密封泄漏特性分析

以接触式机械密封动、静环接触界面为研究对象,分析其表面微观形貌中的自仿射分形特性,结合逾渗理论,对密封端面泄漏通道特性进行理论分析,并利用Fluent软件对微通道内的流体流动进行数值模拟,探讨机械密封的端面载荷、表面形貌参数对泄漏量的影响。研究结果表明,密封端面的泄漏量随密封端面分形维数的增加而降低;在某一确定分形维数下,随着表面轮廓尺寸系数的增大,泄漏率也相应增大;端面比载荷对机械密封泄漏率的影响存在但并不显著。逾渗理论是一种研究多孔介质的强无序及随机几何结构端面特性的较好方法,对实现机械密封工作状况的正确判断,指导机械密封件的设计、制造、使用和维修具有一定的指导意义。     

40Cr气体多元共渗后表面硬度研究

40Cr进行气体多元共渗处理后能形成渗层，通过X射线衍射和扫描电镜对渗层的相结构与形貌进行分析，在材料表面形成了由ε相组成的白亮层和由氮化物组成的扩散层，因此材料表面硬度增加并随着与表面距离的增加而呈梯度减小。     

三维粗糙表面的计算机生成及其纹理控制

工程实际中,大部分机械加工后的表面都存在一定的纹理,纹理作为表面的一种空间特征,无法用单一的表面形貌参数来描述其各向异性特征。利用基于AR模型的二维数字滤波技术,通过计算机模拟生成具有指定自相关函数的粗糙表面;通过控制自相关函数来控制纹理,获得纹理的本质特征,在此基础上提出了一种能有效模拟所需表面纹理的自相关函数。结果表明:数字滤波的方法能比较准确地生成具有规定自相关函数的表面;表面纹理与自相关函数的周期分量相关,可通过控制自相关函数的周期特征来模拟具有周期性的加工表面纹理。最后通过与WYKO实测的表面对比以及由实测表面来获得自相关函数的图像对比,证实方法的有效性。     

面接触条件下织构表面摩擦特性研究

为研究织构表面对面接触摩擦副摩擦特性的影响,设计和制造4个表面高度算术平均值相同、表面微凹坑面积占有率分别为7%、14%、21%、28% 的试件,选用HDM20端面摩擦磨损试验机,针对油润滑和脂润滑两种润滑剂,在不同载荷、转速等工况和不同摩擦副配对材料等条件下进行了试验研究,探讨表面形貌对摩擦特性的影响规律,并使用Talysurf CCI Lite 非接触式三维光学轮廓仪对试样进行三维表面测量,采用ISO25178定义的体积参数和连通性系数对三维表面形貌进行表征,从而得出表面体积参数及连通性系数与摩擦因数的关系。结果表明：在油润滑条件下表面形貌的微观结构特性对摩擦的影响要比脂润滑条件下的更显著;在钢对铜摩擦副条件下织构表面的摩擦因数变化比较复杂,在钢对钢摩擦副条件下织构表面的摩擦因数变化相对平稳;在不同的条件下,最优的表面微观结构特性也不同;将连通性系数和体积参数结合起来对表面形貌进行表征将更有利于表面微观结构特性的摩擦学设计。     

粗糙表面上微织构对流量因子的影响

为研究混合润滑条件下粗糙表面上微织构对流量因子的影响,在不同表面纹理方向的高斯随机粗糙表面的基础上,建立不同织构参数的几何模型,通过数值求解雷诺方程,研究织构的面密度及深宽比对压力流量因子、剪切流量因子的影响。结果表明:压力流量因子和剪切流量因子随着表面织构面密度和深宽比的增大而增大,且随着深宽比的增加,压力流量因子增大的幅度逐渐减小;在各向同性、横向纹理及纵向纹理表面下,表面织构的面密度和深宽比对压力流量因子和剪切流量因子的影响大致相同。     

表面形貌的研究现状及发展趋势

对国内外表面形貌测量仪器、表征方法研究情况进行了阐述,并指出了其发展趋势。随着纳米技术、激光测量等相关技术的发展和新的先进数学方法,如分形理论、小波分析等应用于表面表征中,表面测量仪器、表征方法也越来越多;二维参数表征已不能满足工程界的要求,三维表征参数将取代原来的二维参数;粗糙表面的分形特性研究主要集中在机加工表面与磨损表面,开展密封表面的分形特性研究将大大促进密封技术的发展。     

A study on the effect of surface topography on rough friction in roller contact

The friction behaviour of gear teeth in the context of tribology can have a strong effect on housing vibration, noise and efficiency. One of the parameters that greatly influences the friction under certain running conditions is surface roughness. In this work, rough friction was studied in lubricated sliding of roller surfaces, which were manufactured to simulate the real gear surfaces. By examining 3D surface topography of two mating bodies, both surface roughness and its effect on friction behaviour can be studied. In a previous study, a rough-friction test rig has been designed, constructed and initially verified. The types of surfaces involved in this study are ground, shot-peened, phosphated and electrochemically deburred. These rollers were subjected to the same friction testing procedures. Roller surfaces were then examined, and correlation between the topography and the frictional behaviour was analysed. Friction behaviour was interpreted in terms of Stribeck curves (friction coefficient as the function of Hersey parameter (ην/p)). The results showed that electrochemically deburred and certain phosphated surfaces provide lower friction coefficient values which are competitive to fine-ground surfaces in lubricated rolling/sliding contact.