表面织构在脂润滑条件下的摩擦性能研究

采用声光调Q二极管泵浦Nd:YAG激光加工系统在H13钢表面加工出不同密度的织构,以润滑脂作为润滑剂,利用MMW-1A型微机控制万能摩擦磨损试验机考察表面织构在不同载荷、不同转速条件下的摩擦磨损特性。实验结果表明:在脂润滑条件下表面织构能有效改善摩擦副表面的摩擦性能;与光滑无织构试样相比,表面织构试样的摩擦因数显著降低;一定范围内,随着织构密度的增加,平均摩擦因数呈现出先减小后增大的趋势,且织构密度为10%时的平均摩擦因数最小,最小平均摩擦因数为0.18,较光滑无织构试样减小32.23%;摩擦因数随着试验载荷的增大而减小,但随着转速的增加呈现出先减小后增大的变化趋势。     

SLM成形表面织构对TC4钛合金干摩擦磨损性能的影响

基于一步法思路,采用金属3D打印机基于激光选区熔化（SLM）技术制备表面带有凹坑织构的TC4钛合金试样,采用光学相机、超景深显微镜和扫描电镜观察织构成形情况,利用激光共聚焦位移测试仪和显微维氏硬度计分别测试表面粗糙度和表面硬度,在干摩擦条件下采用摩擦磨损试验仪考察不同载荷下织构密度对TC4钛合金试样摩擦学性能的影响,并使用扫描电镜对摩擦实验前后的表面形貌进行分析。研究结果表明：一步法SLM成形能够在TC4钛合金表面获得成形良好的直径500 μm的织构;随着织构密度的提高,钛合金试样表面粗糙度增大,表面硬度有所降低;干摩擦条件下,提高TC4钛合金试样织构密度有利于磨屑的收集从而减少试样的三体磨损,提高载荷有利于改善摩擦副接触状态;5 N载荷下40%织构密度试样的平均摩擦因数和磨痕宽度均最小,与无织构试样相比,平均摩擦因数和磨痕宽度分别降低12%和16%;40%织构密度下,载荷提高会引起摩擦因数的降低和磨损量增大,磨损表面犁沟和片状剥落增多。在干摩擦条件下,3D打印一步法制备的表面织构可以显著改善TC4钛合金的磨粒磨损和黏着磨损。     

带仿生织构的水液压马达配流体摩擦副摩擦学特性仿真研究

针对水液压马达摩擦磨损的问题,基于动压支承理论,对水液压马达带仿生织构表面的配流副摩擦学特性进行了研究。首先利用现有表面微织构,在水液压马达配流副表面构建出了不同直径、不同深度及不同分布的仿生织构;然后运用有限元法,对不同织构形貌下的仿生配流体表面的应力分布进行了计算与分析;最后对其在不同深径比及织构密度下的摩擦等效应力进行了研究。研究结果表明:当配流体仿生织构表面的形状为锥形,转子端面为圆柱坑的双织构海水液压马达配流副的摩擦特性最优;在配流副表面加工出适当的凹坑,可以有效降低配流副表面的摩擦磨损,延长配流副的工作寿命。     

人工髋关节球形凹坑微织构表面摩擦学性能研究*

为改善人工髋关节表面的摩擦学性能,在人工髋关节表面设计球形凹坑微织构;建立人工髋关节微织构表面的流体动压润滑模型,利用CFD软件ANSYS Fluent对微织构表面流体动压进行数值分析,得到摩擦副表面相对滑动时产生的油膜平均承载力以及摩擦因数,并分析表面微织构参数对摩擦学性能的影响。结果表明:在给定的织构参数范围内,平均承载力随深径比的增加呈现出先降低后升高再降低的趋势,随面积密度的增加呈先升高再降低的趋势;摩擦因数随深径比和面积密度增加的变化趋势与平均承载力相反;织构的最优参数分别为深径比0.06,面积密度25%。因此,在人工髋关节表面设置合适参数的球形凹坑微织构可以提高油膜平均承载力和降低摩擦因数,从而起到减小关节的摩擦磨损提高人工关节使用寿命的作用。     

边缘凸起织构化压裂泵柱塞密封副摩擦磨损性能

采用纳秒激光烧蚀技术在柱塞单元盘试件表面烧蚀出3种不同分布的条形和椭圆形凹坑织构,利用MMW 1型微机控制式万能摩擦磨损试验机,在模拟工况下（试验力400 N,转速200~1 500 r/min）,研究纳秒激光烧蚀加工产生的金属熔融堆积造成的织构边缘凸起对压裂泵柱塞-橡胶动密封配对副摩擦性能的影响。结果表明：存在边缘凸起的织构对柱塞-橡胶配对副没有明显的减摩和抗磨性能,反而加剧了其摩擦磨损,其主要原因是微凹坑织构的边缘凸起加剧了柱塞试样与橡胶配对副的相互刮擦,凹坑的微流体动压润滑效应小于凹坑边缘凸起对配对副的刮擦作用;经抛光处理后的织构试件的摩擦因数和磨损量都低于无织构试件和未经抛光处理的织构试件,表明控制表面织构的加工质量可有效提高织构试件的抗磨减摩性能。     

内燃机气缸孔表面微织构设计与摩擦性能模拟试验

为提高内燃机气缸孔的使用寿命,根据气缸孔/活塞摩擦副往复运动的特点,采用0.10、0.30、0.50三种织构密度,设计出气缸孔表面两组不同密度组合形式,采用ZY型电路板制作机,在模拟气缸孔的钢块试样表面上分段织构出不同密度的微凹坑,与模拟活塞的钢销试样组成面对面摩擦副进行往复运动摩擦试验。结果表明:气缸孔两组不同密度组合形式表面摩擦系数均随着试验速度的升高而下降,且大多趋于平稳;中间区域织构密度高,两端区域织构密度低组合形式起增摩作用;中间区域织构密度大,两端区域织构密度低组合形式,低速相对运动时减摩效果不太明显,高速时减摩效果显著增强,0.30+0.10+0.30密度组合形式减磨效果较佳,当运动速度分别为0.10m/s、0.20m/s时,气缸孔摩擦系数相对无织构表面分别降低了19.3%和30%。     

织构边缘凸起对压裂泵柱塞密封副摩擦性能的影响

采用纳秒激光烧蚀技术在柱塞单元盘试件表面烧蚀出3种不同分布的条形和椭圆形凹坑织构,利用MMW-1型微机控制式万能摩擦磨损试验机,在模拟工况下(试验力400 N,转速200~1 500 r/min),研究纳秒激光烧蚀加工产生的金属熔融堆积造成的织构边缘凸起对压裂泵柱塞-橡胶动密封配对副摩擦性能的影响。结果表明:存在边缘凸起的织构对柱塞-橡胶配对副没有明显的减摩和抗磨性能,反而加剧了其摩擦磨损,其主要原因是微凹坑织构的边缘凸起加剧了柱塞试样与橡胶配对副的相互刮擦,凹坑的微流体动压润滑效应小于凹坑边缘凸起对配对副的刮擦作用;经抛光处理后的织构试件的摩擦因数和磨损量都低于无织构试件和未经抛光处理的织构试件,表明控制表面织构的加工质量可有效提高织构试件的抗磨减摩性能。     

纳米流体与微织构耦合作用对刀具材料摩擦磨损性能的影响研究

合理的表面织构可有效改善摩擦副界面间的摩擦状态。为研究纳米流体与表面微织构耦合作用对硬质合金刀具材料摩擦性能的影响,采用“两步法”将纳米Fe3O4颗粒添加到水基切削液基础液,制备出质量分数为0.5%的Fe3O4纳米流体,并利用激光微加工技术在光滑的YG6X硬质合金样件表面制备出不同尺寸参数的沟槽型与凹坑型表面微织构。分析纳米流体与表面微织构耦合作用下硬质合金样件的摩擦磨损性能,整理摩擦系数、样件表面磨损形貌、磨球磨损率等数据发现,纳米流体能够有效改善基础液的润滑性能,在一定尺寸形状的织构样件相互作用下表现出优异的抗磨减摩性能,并且揭示了相应的减摩抗磨机理。     

仿生织构表面对人工髋关节副动压润滑性能及减摩性分析

为提高钛合金TC4人工髋关节假体的耐磨性,从仿生学角度在钛合金关节表面设计出菱形织构.基于雷诺方程建立织构化关节表面流体动压润滑数学模型,采用有限差分法对其进行离散,通过Matlab编程进行迭代求解,获取织构表面的润滑油膜压力分布以及织构化关节表面的摩擦因数,分析织构几何参数(菱形织构对角线长度b和织构深度hp)对摩擦性能的影响规律.加工钛合金销-盘摩擦副,用激光在盘试样上加工出菱形织构,并在牛血清润滑状态下以及相同载荷和转速的条件下进行摩擦磨损试验.结果 表明:随着菱形织构参数b和织构深度hp的增加,摩擦因数呈先增加后减小的趋势.并且试验结果与数值仿真结果具有较高的一致性,在菱形织构参数b为447 μm,织构深度hp为10 μm,存在最小摩擦因数为0.14.微织构的存在可以实现流体动压润滑,提高关节副的承载力,降低摩擦因数,从而改善关节副的摩擦性能.该研究为提高人工髋关节的寿命提供理论依据.     

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。     

磁场作用下磁流体粘度特性的研究

采用自制的试验设备研究了磁流体的粘度与外加磁场及温度的关系。结果表明：磁流体的粘度随温度的增加而减小;当环境温度一定时,在磁场的作用下磁流体的粘度会增加,粘度的大小与磁场作用的时间有关;磁场作用达到一定时间后,磁流体的粘度达到稳定;随着磁场的增加,磁流体的粘度增加,当磁场达到一定强度后粘度不再增加。     

永磁齿轮的研究及其在磁性联轴器上的应用

永磁齿轮作为非接触传动机构的一种类型,其主动磁轮与从动磁轮之间没有物理接触,而是通过磁场间相互耦合作用产生的磁力来实现力矩和功率的传递。文章采用有限元法建立了永磁齿轮的模型,通过有限元分析软件ANSYS对齿轮进行磁场分析,可以为磁性齿轮系统的动态设计提供参考,同时也为磁性齿轮在磁性联轴器上的应用提供了基础。     

磁传动水表中动态磁路设计

基于铁磁学理论,建立了圆环磁性耦合的模型,推导出圆环磁性耦舍器剩磁的计算公式,二磁体尺寸的确定;对于磁传动水表的设计具有参考价值。     

微血管中磁性药物纳米粒子输运磁场分布的研究

磁场是磁性药物纳米粒子在微血管中输运的主要驱动力。在磁性药物靶向治疗系统中,磁粒子在磁场中被磁化,外磁场将对其产生吸引力,使其向磁场范围运动;同时被磁化的磁粒子之间将产生有效偶极子场,即附加磁场。考虑外磁场以及附加磁场的作用,推导出外磁场、附加磁场、外磁场力和附加磁场力的方程,通过数值模拟分析,讨论了磁场和磁力在微血管中的分布规律以及外磁介质参数对磁场强度和磁力的影响作用。研究结果显示,圆柱型永磁体能够产生较合适磁场强度和磁场梯度,以获得理想的靶向效果。     

磁悬浮轴承磁路结构分析与数学模型建立方法

介绍了磁悬浮轴承系统构成和工作原理,从控制电流的性质、受控自由度数、悬浮力产生方式、作用力方式、磁极布置形式等方面对磁悬浮轴承进行了比较与分析,给出了基于等效磁路法的磁悬浮轴承悬浮力数学模型建立方法和步骤,为该类轴承磁路结构设计和建立数学模型提供了参考。     

基于磁场三维动态导磁球上的磁性液体行为研究

利用自行搭建的磁场三维动态展示装置,通过调控电磁铁的励磁电流,进行磁场三维动态实心导磁球上磁性液体的行为研究。观察实心导磁球处于不同磁场下,三维立体磁感线的展示效果及其磁性液体突起三维尖峰的数目、间距、高度,探索分析这些参数与磁场间的变化规律,以期进一步拓展磁性液体的应用。     

磁粉性能对磁粉离合器特性影响分析研究

研究了磁粉离合器转矩传递的工作机理,建立了磁粉离合器磁场场域的分析模型,重点分析研究了磁粉的磁性能和粒径对磁粉离合器转矩传递特性的影响关系,仿真结果与磁粉离合器实际工作特性相吻合。研究结果表明,通过提高磁粉材料磁性能、减小磁粉粒径可有效提高磁粉离合器转矩传递性能。     

磁流体在磁场中的粘度测试研究

针对磁流体在磁场中粘度测试的特殊性,研制了一种新型的旋转法磁流体粘度测试实验台,该实验台可通过测试带动工作气隙内磁流体作旋转剪切运动所需的力矩来推算得出磁流体的粘度,满足磁流体在磁场中的粘度测试要求。利用所设计的实验台对矿物油基Fe3O4磁流体的粘度进行了测试,研究了外加磁场、温度及磁流体中磁性颗粒含量对其粘度的影响规律。结果表明:磁流体的粘度随着外加磁场强度的增加而增大,当磁场强度增大到一定程度时,其粘度变化逐渐趋缓;随着温度的升高,磁流体的粘度呈不断下降趋势,在有外加磁场作用情况下,其粘度下降的幅度要远大于无外加磁场作用的情况;随着磁流体中所含磁性颗粒质量分数的增加,其粘度逐渐增大,当磁性颗粒质量分数小于30%时,粘度增加缓慢,但当质量分数超过30%以后,粘度则急剧增大。     

磁极开槽形状和尺寸对磁场分布和磁粒光整加工能力影响的研究

通过数值模拟和实验,研究磁极不同开槽方式和开槽尺寸对加工区磁场分布、磁粒受和和加工效率的影响。结果表明,磁极表面开矩形槽比开Ｖ形槽和漏斗形槽可以得到有利的磁场分布。开矩形槽时,槽与齿宽度之比在１：１时,可以取得较高的加工效率和较低的表面粗糙度。槽与齿宽度之比太小时,磁粒运动所需的驱动力不足,但太小时,磁粒对工件的压力减小,这两种情况都不利于加工效率和加工质量的提高。     

旋转磁场磁粒光整加工研究

为解决特大型,异型零件光整加工的难题,提出了脉冲电路控制产生旋转磁场实现磁粒光整加工的新思路。研究旋转磁场磁粒光整加工原理,并对旋转磁场发生装置进行设计分析及实验研究。结果表明,磁粒填充量直接影响材料去除量和表面粗糙度,且存在最佳值,磁粒中添加合理比例和粒度的铁粉,可以有效是提高光整加工效率,改善表面粗糙度。