沟槽形表面织构对柱塞密封副摩擦性能的影响

目的提高压裂泵柱塞表面的摩擦学性能。方法基于稳态二维不可压缩Reynolds方程,建立沟槽形表面织构化柱塞动压润滑理论模型,然后利用有限差分法和高斯-赛德尔迭代法求解柱塞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系数,开展最小油膜厚度、织构的深度、横截面形状、面积占比以及分布角度对柱塞密封副油膜承载能力和摩擦系数影响规律的数值分析。结果随矩形沟槽织构深度从2μm增加到40μm,织构的动压润滑性能先增大后减小,当深度约为最小油膜厚度的0.6倍时达到最佳,并且最小油膜厚度越大,织构的动压效应越差。4种横截面沟槽织构的动压润滑性能优劣顺序为:矩形内凸阶梯型椭圆形V型。随织构宽度从100μm增加到480μm,油膜承载力先增加后减小,宽度在360μm(72%面积占比)时达到最大。在6种分布角度中,60°矩形沟槽织构的润滑减磨性能最好。结论在流体动压润滑范围内,适当减小最小油膜厚度,沟槽底部尽可能平整,保持织构深度略小于最小油膜厚度,并使垂直速度方向油膜收敛区域的织构长度较长,便能获得润滑减摩性能较好的沟槽形表面织构。合理参数的沟槽形织构能够极大提高压裂泵柱塞表面的油膜承载力,降低摩擦系数,有利于延长柱塞密封副的使用寿命。     

织构型水润滑推力轴承软弹流润滑分析及多目标协同优化

目的 提高以水作为润滑介质的织构型非金属推力轴承的润滑性能,为水润滑推力轴承的优化设计提供参考.方法 基于计算流体力学方法建立织构型水润滑推力轴承的流体动压润滑模型,采用双向流固耦合方法计算润滑流场与材料变形之间的相互作用.随后,以承载力最高和摩擦力最低为目标,采用响应曲面与非支配排序遗传算法相结合的多目标协同优化方法,对4种非金属材料的织构型推力轴承进行优化.结果 随着轴承材料弹性模量的降低,轴承内最高压力值逐渐降低,最大变形逐渐增加,且最优织构覆盖率值逐渐减小.当织构覆盖率为20％时,轴承材料对最优织构深度值无明显影响;当织构覆盖率增至40％及以上时,随着轴承材料弹性模量的降低,最优织构深度值逐渐增加.在同一轴承材料下,最优织构参数之间相互影响,随着织构覆盖率的增加,最优织构深度值逐渐增大.对于碳化硅陶瓷和尼龙等弹性模量较大的轴承材料,优化后,轴承内流体最高压力明显提升;对于超高分子量聚乙烯和赛龙等弹性模量较小的轴承材料,优化后,高压区面积明显增大.结论 轴承材料对轴承润滑性能及最优织构参数均有明显影响,且最优织构参数间相互影响.经过对织构型水润滑推力轴承的多目标协同优化,轴承润滑性能明显改善.     

脂润滑条件下PTFE/GCr15激光织构表面滑动摩擦性能研究

目的 研究PTFE薄膜与激光织构化GCr15轴承钢配副在脂润滑条件下的摩擦学性能,探究微织构面积占有率和工况参数对摩擦学行为的影响规律。方法 采用二极管泵浦声光调Q Nd∶YAG激光器对下试样进行表面织构加工,在Rtec MFT-5000多功能摩擦磨损试验机上进行往复摩擦学试验,其中上试样为粘结PTFE薄膜的圆柱销,下试样为进行激光织构化的GCr15轴承钢滑块。结果 脂润滑介质下,PTFE与微织构表面耦合摩擦系数最低。在前期磨合阶段,不同微织构面积占有率的表面摩擦系数均有小幅度上升;试验中期,不同微织构面积占有率的表面摩擦系数区分度逐渐变大。当微织构面积占有率由10%上升为40%时,摩擦系数先减小后增大,且微织构面积占有率为20%时,表面摩擦系数最小,仅为0.032。脂润滑条件下,三种不同微织构面积占有率的试样随着载荷由20 N增加至100 N时,摩擦系数均出现下降趋势,且趋势逐渐趋缓。在低频率阶段的摩擦系数较大,高频率阶段摩擦系数较小。结论 脂润滑条件下,PTFE与微织构耦合是一种有效的复合减摩手段。随着织构面积占有率的提升,表面摩擦系数先减小后增大,随着载荷的增大,表面摩擦系数迅速下降;随着往复运动频率的增大,表面摩擦系数先上升再缓慢下降。当面积占有率为20%时,能获得较好的摩擦润滑性能。     

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。     

平行滑块表面不同形状复合型织构的润滑性能研究

目的 研究具有仿生硅藻结构的复合型织构对滑动轴承润滑性能的影响.方法 采用流固耦合的方法,对具有复合型织构的单元模型进行研究,依照硅藻的多孔结构,设计出矩形-半球型、矩形-椭球型、圆柱-半球型及圆柱-椭球型等4种类型的织构,建立这几种复合型织构的单个单元模型.在不同面积率和织构深度条件下,分析不同织构类型对滑动表面摩擦...     

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。     

纳米磁性流体与表面织构对钛合金的协同减摩作用机制

目的 提高钛合金表面的摩擦学性能。方法 采用纳秒激光器在钛合金表面构造沟槽型微织构图案,并以水基纳米磁流体和去离子水为润滑剂,利用UMT-3摩擦磨损试验机探究了织构与纳米磁流体的协同减摩作用机制。结果 分析了不同润滑条件下,沟槽型织构的分布间距对钛合金表面摩擦磨损性能的影响,在织构与纳米磁流体的协同作用下,钛合金表面的摩擦学性能得到改善,织构间距为250μm时的摩擦学性能最好,摩擦因数最大降低约51.5%,磨损率最大降低77.6%。当织构间距过小,织构化表面承载区减少,导致织构磨损较快,而织构间距过大会弱化织构效果。其次,以最优织构间距为基础,进一步探究了不同表面织构形貌和深度对钛合金表面摩擦学性能的影响。最后,研究了最优织构参数下,滑动速度和加载载荷对钛合金减摩性能的影响。结论 在润滑条件下,织构的表面形貌和深度影响钛合金表面的摩擦学性能,织构深度太浅或太深时,其流体动压效应都会减弱,从而导致摩擦因数和磨损量增大;当产生足够大的动压效应时,织构边缘的凸起结构能够对织构起到保护作用,延缓织构磨损。     

微织构排布方式对水润滑轴承启停过程摩擦学性能的影响

梯度排布微织构在提升水润滑轴承摩擦学性能方面具有显著效果,然而梯度排布微织构在水润滑轴承中的应用仍缺乏系统性研究。为了探究梯度排布微织构对水润滑轴承启停过程摩擦学性能的影响,基于 Greenwood-Tripp 微凸体接触模型、 Archard 磨损模型求解轴瓦表面的磨损量。通过 CFT-I 材料表面性能综合测试仪对 CNC 雕刻机加工的织构化表面进行水润滑条件下的摩擦学试验研究。针对光滑、单一圆形织构、圆形与三角形以轴向交错平行（¹₁2 ）和周向交错平行分布（1212）方式梯度排布的表面,测量各个表面的磨损量和摩擦因数。通过立体显微镜、扫描电子显微镜对摩擦磨损试验前后的表面形貌和摩擦因数进行分析。数值模拟和试验结果显示,与光滑表面和单一织构化表面相比,梯度排布微织构化表面磨损量和摩擦因数显著降低;圆形与三角形以¹₁2 方式的梯度排布微织构化表面摩擦学性能最佳,接触表面磨损量最小、表面摩擦因数最低。 梯度排布微织构在流体润滑过程中相互影响,可以起到提高轴承表面举升力,减少表面接触,降低表面磨损和摩擦因数的作用。研究不同形状、排布方式下梯度排布微织构化表面的磨损量和摩擦因数的变化规律,可为舰船装备水润滑轴承研制阶段主动设计提供理论基础。     

油润滑下不同槽宽网状织构表面润滑特性研究

为了提高油膜承载力、改善润滑效果、优化织构化表面的摩擦学性能，研究不同黏度润滑油下网状织构的润滑性能。设计4种不同凹槽宽度的网状织构，通过测量接触角、油膜承载力以及摩擦因数，得到不同转速、不同黏度润滑油下4种网状织构的油膜承载力以及摩擦因数的变化规律。实验结果表明：在4种织构中，凹槽宽度为0.4 mm的网状织构润滑性能最好，在设定的实验条件下，最大油膜承载力为0.52 N,最小摩擦因数为0.019。此外，接触角测量实验表明凹槽宽度为0.4 mm的网状织构表面疏水性能更好，有比较好的成膜能力，使得织构表面动压承载力有比较大提升，摩擦因数也更小。比较不同黏度润滑油和不同转速下网状织构润滑性能，黏度越大的润滑油，油膜承载力越大，润滑效果更佳。同时，油膜承载力随着转速的增大而增大，在润滑油黏度较高时这种影响更为显著。     

纳米复合薄膜水润滑摩擦学性能的研究进展

评述了类金刚石基(DLC、a-C)、非晶氮化碳基(a-CNx)、过渡金属氮化物基(TiN、CrN)及其改性纳米复合薄膜的水润滑摩擦学性能,分析了微观结构、梯度结构、元素掺杂、对磨材料及摩擦参数对其水润滑摩擦磨损性能的影响,并揭示了水润滑中纳米复合薄膜存在的摩擦磨损机制,指出了三种纳米复合薄膜体系在水润滑中均可表现出优异的减摩抗磨特性,但与薄膜成分、层状结构、力学性能及对磨材料物理化学性能密切相关。一般而言,相比于过渡金属氮化物基薄膜,类金刚石基及非晶氮化碳基薄膜由于在水润滑中形成转移层和水合润滑层而呈现出更低的摩擦系数和磨损率。当选用的对磨材料易于发生摩擦水合反应时,形成的水合层起到的保护作用使得纳米复合薄膜均表现出了更低的磨损率。在保证薄膜未发生剥落而失效时,适当地加载载荷和滑移速度也是获得最优水润滑摩擦学性能的关键因素。为薄膜应用在水润滑器械作业提供了一定的参考,并展望了纳米复合薄膜水润滑摩擦学未来的研究方向。     

镍基718材料表面修饰类型的有限元仿真优化设计

目的研究不同凹坑形状组合分布对表面特性的影响规律,进一步提高微造型表面的摩擦学性能和承载能力。方法利用有限元仿真技术和单因素仿真设计,分析比较半球形、方形、三角形三种凹坑形状混合分布的微造型表面,对镍基718高温合金摩擦学性能的影响。结果分析获得了不同速度和载荷下,不同微造型表面对油膜承载力和摩擦系数的影响规律。半球形、方形、三角形三种凹坑形状共同存在的微造型表面的承载能力最好,而半球形凹坑和方形凹坑组合分布的微造型表面的摩擦系数最小。结论对镍基718高温合金材料进行表面凹坑修饰,可以显著提高油膜的承载能力,有利于完整润滑油膜的形成。不同凹坑形状的组合分布对材料摩擦学性能和承载能力的影响非常大,随着速度和载荷的增大,各微造型表面的摩擦系数差别减小,凹坑形状及组合分布对摩擦学性能的影响减弱。     

局部凹坑织构化径向滑动轴承流体动力润滑数值分析

目的 探究局部凹坑织构化表面对径向滑动轴承流体动力润滑的影响.方法 基于雷诺边界条件和Reynolds方程,建立凹坑织构化径向滑动轴承表面流体动力润滑理论模型,采用Gauss-Seidel松弛迭代方法数值求解,获得润滑油膜的压力分布和承载能力,分析其润滑油膜承载机制,探讨凹坑几何参数和分布规律对油膜承载力的影响规律.结果 理论模型的数值解与经典理论的数值解误差较小,能有效分析轴承的流体动压润滑特性.当偏心率较大时,摩擦力的上升幅度也变大,在轴承承载区进行凹坑织构化处理能明显减小摩擦力,并且随着凹坑深度的增大,摩擦力减小,可见凹坑起润滑减摩的作用.油膜承载力随着偏心率的增大而增大,通过凹坑织构的"楔形效应"能够改善非承载区的油膜压力,存在最佳凹坑深度使得轴承达到流体动力润滑最佳状态.摩擦力随着面积率的增大而增大,特别是在偏心率较大时,润滑减摩效果较为明显,面积率对油膜承载力影响不大.将织构布置在径向滑动轴承的不同区域,其中当织构完全在下半瓦(压降区)时,织构能明显增大油膜厚度,产生油膜压力,有效降低摩擦力,提升承载力.结论 凹坑织构能明显改善径向滑动轴承流体动力润滑性能,合理设计轴承的偏心率,合适的织构参数与分布位置,能使流体动力润滑效果最佳.     

局部织构无限长可倾瓦推力轴承流体动压润滑分析

目的 研究局部凹坑织构对无限长可倾瓦推力轴承的流体动压润滑性能的影响.方法 基于质量守恒空化边界条件的雷诺方程,建立了局部凹坑织构无限长可倾瓦推力轴承动压润滑二维理论模型.采用多重网格法求解雷诺方程,模拟局部凹坑织构无限长可倾瓦推力轴承的流体动压分布,分析局部织构比、位置比、深度、水平间距及数量对流体动压润滑性能的影响...     

复合微织构排列方式对轴承润滑性能的影响

目前对于多种织构复合表面轴承的排列方式的研究有待进一步深化。为了提升轴承承载力、降低摩擦因数和提升轴承稳定性,数值模拟及试验研究复合微织构排列方式对滑动轴承系统的动静特性的影响,并与单一微织构轴承及光滑轴承进行比较。利用有限差分法对轴承转子系统中油膜的Reynolds方程进行数值求解,针对圆形复合矩形、三角形复合菱形及六边形复合月牙形三种复合织构,在四种不同排列方式的条件下对轴承静特性（油膜压力、承载力、摩擦阻力和端泄量）以及轴承动特性（刚度系数和阻尼系数）的影响进行研究,并利用摩擦磨损试验仪对摩擦副摩擦学性能进行进一步试验探究。理论及试验结果显示,复合微织构轴承比光滑轴承和单一微织构轴承获得更大的承载力、更小的摩擦因数、更佳的动特性性能;三角形复合菱形微织构时摩擦副性能最佳,排列方式为周向对应平行排列时能够取得更佳的摩擦及润滑性能。研究复合织构排列方式对轴承润滑性能的影响可为复合织构在实际工况中应用提供理论参考和指导。     

Effective solution for the tribological problems of Ti-6Al-4V: Combination of laser surface texturing and solid lubricant film

Titanium alloys are characterized by poor tribological properties, and the traditional use of titanium alloys has been restricted to nontribological applications. Surface texturing has been recognized as an effective means of surface engineering to improve tribological properties of sliding surfaces. In this study, the patterns of micro-dimple with different dimples density were fabricated on the surface of Ti-6Al-4V by using laser. The effect of dimples density on the friction behavior of the titanium alloy was investigated under dry friction and coated MoS₂. The results showed that the textured surface with higher dimples density had lower friction coefficients only at low load and speed under dry friction. When combining the solid lubricant with dimples, some textured samples showed excellent tribological performance for all applied loads. The optimum surface pattern was found, and the mechanisms for friction reduction and anti-wear were discussed.     

速度和载荷对凹坑织构乏油润滑摩擦学性能的影响

摩擦副表面加工特定的织构后会在不同速度和载荷以及严重乏油的条件下运行,比如设备的启停阶段。因此有必要研究极度乏油条件下速度和载荷对凹坑织构表面摩擦学性能的影响,为表面织构的实际应用进行前期探索。利用激光加工技术在45钢表面加工凹坑织构;在UMT-2型多功能摩擦磨损试验机上,采用球-盘式分别对织构和未织构试样进行乏油滑动试验;利用三维表面轮廓仪和扫描电镜等分析试样表面的磨损形貌。结果表明:相比于未织构试样,凹坑织构在不同速度和载荷下均能有效延长摩擦面间的乏油润滑状态,有良好的减摩效果,可降低摩擦因数约68%～75%。载荷对织构表面的摩擦学性能影响较大,在一定范围内摩擦因数随着载荷的增大而降低;但载荷过高时,在摩擦后期会出现摩擦因数的突然升高,表面磨损严重。     

Design and characterisation of an advanced duplex system based on carbon S-phase case and GiC coatings for 316LVM austenitic stainless steel

Low temperature plasma carburising of austenitic stainless steels is attracting special attention because it can effectively improve their hardness, wear resistance and fatigue properties by the formation of interstitial supersaturated, super-hard and metastable S-phase. However, this S-phase layer tends to have a high friction coefficient between 0.5 and 0.7 under dry sliding conditions against WC ball. In this study, a new duplex surface system has been designed by combing chromium doped carbon-based GiC coating with S-phase to improve the tribological and load bearing capacity of 316LVM austenitic stainless steel. Laser confocal microscopy, SEM, XRD, XTEM, Micro-scratch and a pin-on-disc tester were employed to characterize the phase constitution, surface morphology, hardness, friction coefficient and load-bearing capacity of the single coated and duplex treated specimens. The results show that the new duplex surface system possesses a desirable combination of properties in terms of low friction (0.1-0.2), high wear resistance and high load bearing capacity.     

微坑分布位置对复合润滑结构缸套摩擦磨损性能的影响规律

采用电火花加工方法在FeNi合金镀铁缸套试样表面的止点、中点、全程位置刻蚀微坑织构,采用球磨法对微坑填充固体润滑剂MoS_2以制备复合润滑结构缸套。采用对置往复式摩擦磨损试验机,研究微坑分布位置对复合润滑结构缸套摩擦磨损性能的影响规律。采用SEM和EDS研究配副的磨损形貌。结果表明:复合润滑结构缸套能提高承载性能、降低摩擦因数,但不一定都能提高缸套的磨损性能和抗拉缸性能。唯有微坑分布在止点的复合润滑结构缸套相比未处理缸套,表现出良好的减摩耐磨和抗拉缸性能,摩擦因数降低了4.97%~6.26%,对磨环磨损量减少了58.3%,拉缸时间延长了10倍。随着往复运动的进行,微坑中的MoS_2逐渐向缸套表面转移,改善了止点区域的润滑性能,良好保护了摩擦界面。     

织构型水润滑轴承动压叠加承载及微动压效应分析

目的提高水润滑轴承承载力,探究织构型水润滑轴承的承载机理。方法采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法建立三维织构型水润滑滑动轴承和二维织构型平行接触副模型,分别从宏观和微观角度对表面微织构承载机理进行研究。结果宏观角度上,在保证织构结构参数不变时,随着织构分布由液膜最高压力区下游向上游移动,水润滑轴承承载力呈现出先上升后下降的趋势,织构处产生微动压现象,逐渐上升的压力脉动趋势使轴承承载力上升,但原动压区逐渐变成以织构为中心的点状区域,使得承载区面积下降。微观角度上,随着织构向入口方向移动,压力分布整体向左移动,当Re1时,随着惯性效应的增强,压力分布整体上移,考虑空化效应时,织构处压力降低被限制。结论宏观角度上,微动压效应与原动压效应之间的非同向叠加效应决定了织构型水润滑滑动轴承的承载能力,表现为以液膜最高压力区为分界,织构区域位于其上游时,轴承承载力上升,反之,承载力下降。微观角度上,织构的微动压效应主要通过入口卷吸效应、空化作用以及惯性作用产生。