润滑状态下线接触滑动粗糙界面的动摩擦特性研究

滑动粗糙界面的摩擦润滑特性对界面的润滑设计和润滑状态预测具有重要的理论和实际意义。本文通过建立不同润滑状态下的滑动粗糙界面模型,基于界面的法向载荷由润滑油膜和粗糙体共同承担的载荷分配思想,采用Greenwood-Williamson统计模型描述粗糙表面形貌,考虑界面润滑的时变效应和润滑油的粘-压特性,建立了线接触滑动粗糙界面的油膜厚度方程和粗糙体接触压力方程,获得了整个润滑区的润滑油膜载荷比例因子、油膜厚度和摩擦系数随滑动速度的变化关系,推导了界面由混合润滑过渡为液压润滑的临界速度关系表达式,分析了滑动粗糙界面的润滑承载机理,获得了界面油膜厚度、摩擦系数和临界速度随界面形貌参数、法向载荷、润滑油属性参数的变化规律,为机械结构的界面润滑设计、润滑状态预测和润滑优化提供理论和实验参考。     

粗糙界面法向接触振动响应与能量耗散特性研究

粗糙界面的法向接触振动与能量耗散特性对描述界面动力学机理具有重要的理论和实际意义。本文通过建立粗糙界面法向接触振动的动力学模型,提出了其法向接触振动响应特征量和振动能量耗散量的计算方法。基于粗糙表面的三维分形模型描述,构造了粗糙界面的接触力-变形关系式,并与Hertz接触模型的力-变形关系进行了对比分析;建立了粗糙界面接触振动系统的动力学方程,计算了不同表面形貌粗糙界面系统每周期的振动能量耗散率和累计能量耗散率;分析了粗糙界面法向接触振动的响应特征与能量耗散特性,从理论上对界面法向微动能量耗散的实验结果进行了解释,为描述接触界面的动力学机理提供了理论依据。     

混合润滑状态下粗糙界面法向接触刚度计算模型与特性研究

机械装备系统的静态特性和动力学特性取决于系统接触界面法向接触刚度。基于粗糙表面形貌的Greenwood-Williamson统计模型描述与液体润滑界面的油膜共振模型和弹簧模型,推导了机械结构混合润滑粗糙界面固体接触刚度和液体润滑介质接触刚度,并实现粗糙微凸体固体接触刚度与液体润滑介质接触刚度的耦合,提出了一种混合润滑状态下粗糙界面法向接触刚度的计算模型,分析了接触界面形貌参数、润滑介质和接触基体材料属性对界面法向接触刚度的影响规律。结果表明:润滑介质的声阻抗是影响液体接触刚度的主要因素,声阻抗增大时,液体接触刚度减小;接触基体材料的表面形貌和弹性模量是影响固体接触刚度的主要因素,界面粗糙度和弹性模量增大时,固体接触刚度增大。混合润滑粗糙界面接触刚度计算模型的提出,为机械结构润滑接触界面的刚度计算、性能预测与优化提供理论和实验参考。     

分形粗糙表面加卸载接触特性演变行为分析

粗糙表面加卸载接触特性演变行为对研究界面接触力学性能具有重要的理论意义。基于粗糙表面分形理论,依据修正的双参数Weierstrass-Mandelbrot(W-M)分形函数,采用点云处理技术和Coons patch曲面拟合方法生成三维分形粗糙表面数字模型。根据Prandtl-Reuss本构关系和von Mises屈服准则,选择双线性等向强化非线性材料,建立了精确的分形粗糙表面与刚性平面接触有限元模型。探讨加卸载过程中分形维数和尺度参数对粗糙表面接触载荷、接触面积和变形量的影响;同时,采用核密度估计法分析不同接触状态下粗糙表面形貌高度参数分布的演变规律,并从分形参数和能量角度揭示分形粗糙表面接触特性的内在机理,为进一步研究粗糙表面接触力学性能和载荷传递效率与增强机理提供理论依据。     

基于分形理论的两粗糙表面接触的黏滑摩擦模型EI北大核心CSCD

两粗糙表面的接触本质上是大量微凸体的接触,具有复杂的力学行为,连接界面的力学建模是重要的科学问题。从微观角度出发,对单个微凸体进行接触分析,并考虑了微凸体相互作用造成的基底面的下降,根据分形理论积分,建立了整个接触面的法向接触模型。利用该模型,可确定在给定法向预紧载荷下微接触截面积的概率密度函数;根据Mindlin模型、Masing准则和分形理论,建立了两粗糙表面接触的切向载荷与切向位移的关系,并研究了不同参数对系统能量耗散的影响。数值仿真结果表明,能量耗散随分形维数D增大而增大,随分形粗糙度参数G及法向预紧力增大而降低。     

圆柱滚子轴承混合润滑状态下的超声法膜厚测量

圆柱滚子轴承由于其线接触特点被广泛应用于各类低速重载工况下的大型设备中,其运行性能和稳定性与滚子和内外圈间的接触润滑状态密切相关;基于等效刚度的超声法可用于实际工况的滚子轴承弹流润滑油膜厚度测量,但无法直接适用于低速重载工况下流体润滑和粗糙峰接触共存的混合润滑状态膜厚测量。为此,提出了一种混合润滑状态下的超声测量方法,建立了界面油膜刚度和粗糙体接触刚度的并联模型,通过引入接触系数并结合经验公式对超声法所测界面总刚度进行分解,获取混合润滑状态下的油膜刚度,进而得到更加准确的油膜厚度。将实验结果和理论结果的对比分析,验证了该模型的可行性和有效性。     

混合润滑状态下结合面的法向接触刚度研究

针对润滑条件下机械结合面的接触特性受油膜影响的问题,基于结合面接触刚度由油膜接触刚度和固体表面接触刚度组成的思想,建立混合润滑状态下结合面的法向接触刚度模型。采用三维的Weierstrass-Mandelbrot函数获得具有分形特征的粗糙表面,并基于统计学方法建立干摩擦条件下结合面的法向接触刚度模型,考虑了微凸体的完全弹性变形、弹塑性变形以及完全塑性变形过程。在此基础上,求解了油膜的等效厚度并建立油膜的接触刚度模型。结果表明:结合面的法向接触刚度随法向载荷的增加而增加,且混合润滑状态下结合面的接触刚度大于干摩擦条件下结合面的接触刚度;该模型避免了油膜厚度测量难的问题,为机械结构的润滑状态预测提供了帮助。     

考虑法向载荷变化的微滑摩擦系统振动分析

工程结构中,常采用干摩擦阻尼器来降低系统的动力响应幅值。振动环境中,连接界面间存在着复杂的接触和摩擦行为,这些行为具有跨尺度、迟滞非线性和切法向耦合等特点。建立了一种能同时考虑法向载荷变化和切向微滑摩擦行为的接触力学模型,推导了模型恢复力和相对位移间关系的表达式,利用不同模型间的比较验证了模型的有效性。将该模型应用于简化的摩擦阻尼器系统,求解了简谐激励下系统的迟滞回线、单位周期的能量耗散和频率响应曲线,并对不同模型的特性进行了比较分析。结果表明:是否考虑法向载荷变化对系统动力学响应预测有很大影响;考虑法向载荷变化的微滑摩擦模型能够更加完善、准确地模拟接触界面间的力学行为。     

非连续粗糙多界面接触变形和能量损耗特性研究

非连续多层叠加结构的粗糙界面接触形变与能量损耗特性一项研究较少的难题。本文在单一界面能量损耗特性研究的基础上,通过建立“多层粗糙金属板--刚性平面”的多界面模型,采用有限元方法,对加载与卸载过程中,具有不同界面形貌、不同塑性变形行为和界面摩擦的多层叠加模型粗糙多界面的接触力和变形进行计算,研究了多层叠加结构粗糙界面上的接触力-变形关系,以及由塑性变形与界面摩擦引起的能量损耗特性,构造了描述粗糙多界面上接触力-变形关系表达式,计算了多层粗糙界面的能量传递损耗率,分析了多层叠加结构的非连续粗糙多界面接触变形机理和能量损耗特性。     

线接触作用下超薄膜-基底界面力学分析

高副接触的摩擦部件中广泛使用1 μm左右的超薄膜,其界面失效对部件的工作寿命具有重要影响。该文针对轴承钢基底表面1 μm厚度的硬质和软质超薄膜所构成的膜基系统,建立了线接触载荷作用下的界面力学分析模型。采用复变函数镜像法求解了单元点力的格林函数解,并积分获得了界面应力的分布状态。利用匀质模型完成了退化对比验证,以DLC和MoS₂两种硬软固体薄膜的线接触为例进行了计算和分析。该方法可用于机械部件表面沉积超薄膜的膜基界面分析与设计。     

切向加载、卸载和振荡强耦合下机床螺栓结合部之摩擦能量耗散机制

在保持微凸体受法向力恒定的状态下,侧重导出切向力和变形量的切向加载、切向卸载和切向振荡接触方程。当2个球形微凸体接触时,构建每循环中切向接触摩擦能量耗散力学模型。按照赫兹静力弹性法向接触理论,得到微凸体顶端曲率半径。根据微凸体分担法向力的光滑性与连续性法则,校正临界弹性变形微接触面积与临界变形量的数学表达式。面向有条件等式,在弹性和纯塑性变形基础上,建立整个结合部法向力与切向接触摩擦能量耗散的理论模型。以北京机电院高技术股份有限公司直线电机驱动Linear MC6000普莱诺五面体加工中心上的龙门横梁-导轨螺栓结合部为研究对象,分析法向预紧力、表面粗糙轮廓分形维数、切向力、分形粗糙度、相关因子、单轴向屈服应变及静摩擦因数等7个相对独立参数对切向接触摩擦能量耗散的影响规律。可视化的数值分析结果表明:切向接触摩擦能量耗散随着法向预紧力的增大先增大后减小;表面粗糙轮廓分形维数在较小范围内,切向接触摩擦能量耗散随着表面粗糙轮廓分形维数或分形粗糙度的增大而增大;表面粗糙轮廓分形维数在较大范围内,切向接触摩擦能量耗散随着表面粗糙轮廓分形维数或分形粗糙度的增加而减小;切向接触摩擦能量耗散随着切向力、相关因子、单轴向屈服应变的增加而加大;切向接触摩擦能量耗散随着静摩擦因数的增加而降低与经典结论完全相反,这是因为当静摩擦因数较大时,根据近代分形几何理论可知法向预紧力越大,微滑趋势将更小,导致较小切向接触摩擦能量耗散。     

考虑轧制界面粗糙形貌的轧机辊系非线性振动特性研究

轧制界面的粗糙形貌可导致界面行为的根本变化,极大地影响着轧机辊系的动力学响应行为。考虑轧制界面粗糙形貌的影响,建立了轧机辊系系统的非线性垂直振动动力学模型,计算了具有不同粗糙形貌轧制界面的轧机辊系系统非线性刚度特性和固有频率特性,并与采用Duffing振子描述界面刚度的传统轧机模型进行了对比。采用多尺度法求解了考虑界面粗糙形貌影响的轧机系统主共振幅频特性方程,并推导了系统受迫振动响应的跳跃频率和跳跃幅值表达式,分析了轧制界面粗糙形貌、激励载荷、非线性刚度率和阻尼对轧机辊系系统动力学响应特性的影响,为抑制轧机振动提供有效的理论参考。     

混合润滑状态下结合面法向动态接触刚度与阻尼模型

机械结合面的动态接触特性对评估机床整机性能有着重要的意义.针对混合润滑状态下固定结合面复杂的接触特性,提出了一种结合面的法向接触刚度与阻尼模型.采用三维Weierstrass?Mandelbrot函数获得粗糙表面形貌,并基于分形理论建立了结合面固体部分的接触刚度与接触阻尼模型;根据平均流动的广义雷诺方程建立了液体油膜接...     

直线运动滚动导轨副混合润滑研究

综合考虑了直线运动导轨副接触几何、预紧力、真实表面粗糙度、曲率系数等因素,建立了直线运动导轨副混合润滑数值模型,研究了滑块移动速度、曲率半径系数、工作载荷、表面粗糙度对导轨接触副润滑特性的影响,得到结论:导轨副法向工作载荷、最大赫兹接触压力和赫兹接触半径随着外加总载荷的增大而增大,平均膜厚随着载荷的增大而减小;混合润滑模型可预测导轨副在大范围工况条件下完整的润滑状态;直线运动导轨大多工作在混合润滑状态下,随着滑块移动速度的增加,接触界面由边界润滑状态向混合润滑状态转变,润滑性能逐渐提高;适当增加曲率半径系数,有利于润滑油膜的形成与稳定。     

粗糙表面固态耦合超声检测研究

固态耦合超声检测时两固体粗糙表面接触界面处的超声波不完全耦合,为提升该界面处超声检测的耦合效果,需深入研究其耦合特性。以粗糙表面的弹簧接触模型为基础,结合粗糙表面接触理论推导出固态耦合超声检测的耦合界面理论模型。根据实际情况以及材料参数分析,得到表征界面耦合效果的平均声反射系数与接触载荷以及接触表面当量粗糙度的关系,并与T模型的计算结果进行对比。在不同当量表面粗糙度和不同接触载荷下分别测得接触界面的平均声反射系数,并对比了不同当量表面粗糙度下界面声耦合效果达到最佳时接触载荷的理论值和实验值,计算得最大相对误差为13.04%,表明实验结果与所提出的理论模型结果基本吻合。所建立的固态耦合超声检测界面理论模型形式简洁,实用性强,并可通过针对性地控制相关参数来改善耦合效果。     

基于粗糙表面分形表征新方法的结合面法向接触刚度模型

如何有效预测结合面的接触刚度,是机械结构设计研究的一个重要课题。结合面接触刚度模型主要分为基于统计学特征参数的和基于分形参数的两类。前者依赖于粗糙表面形貌的测量尺度,后者与测量尺度无关。然而,多数研究者在利用分形理论进行建模时,以对应于微凸体接触面积a的尺寸l=a~(1/2)作为微凸体基底尺寸描述微凸体初始轮廓,给出了错误的微凸体变形机制和结合面接触刚度模型。提出了一种基于D,G和最大微凸体高度的粗糙表面轮廓分形表征新方法,探讨了微凸体接触变形机制,建立了与测量尺度无关的粗糙表面接触力学分形模型,揭示了接触刚度的变化规律。研究表明:接触载荷可用表达式F_c=F(E,D,G,h,a_L)描述;当结合面上的接触压力小于其屈服强度时,无论微凸体发生何种变形,结合面均因存在有弹性变形的接触点而具有一定的法向接触刚度。     

结合面静态接触参数的统计模型研究

基于对粗糙表面形貌统计分析的基础上,综合考虑微凸体的完全弹性、弹-塑性和完全塑性三种变形机制,建立了结合面的接触面积、接触载荷及接触刚度的统计模型。该模型揭示了结合面接触参数与材料性能参数及粗糙表面形貌参数之间复杂的非线性关系。在不同的微凸体高度随机分布及塑性指数条件下,对接触参数进行预估和对比研究。结果表明,修正的指数分布对高斯分布有着较好的近似,而简单的指数分布与高斯分布之间的误差较大,且相差1至3个数量级;接触表面间距减小时,接触参数值均呈现增大的趋势;塑性指数增大时,接触载荷和接触刚度都随之增大,而接触面积的变化较小。     

考虑接触刚度的燃气轮机拉杆转子动力特性研究

基于弹塑性理论对具有粗糙表面的长方微元体进行有限元接触分析,根据受力和变形关系得到了不同载荷作用下的法向和切向界面接触刚度。将微元体界面接触刚度与宏观结构应力分析结果相结合,给出了考虑接触刚度的组合结构动力特性研究方法,分析了压气段轮盘接触刚度对某重型燃气轮机拉杆转子固有振动频率的影响。结果表明,界面接触刚度导致转子固有频率降低,随着接触刚度的增加,其对固有频率的影响逐渐减小。接触刚度对转子各阶固有频率的影响不同,法向刚度对第一阶弯曲频率影响较大,切向刚度对第二阶弯曲频率影响较大。     

考虑表面张力的机械结合面特性建模研究

表面张力是物质表面层分子间存在的力,它对机械结合面的接触特性有着重要的影响。为此,采用Nayak随机过程模型表征各向同性表面上微凸体的高度与曲率分布,建立考虑表面张力的单个微凸体接触模型,通过高斯-切比雪夫求积公式求解验证了模型的正确性;基于统计学理论将单个微凸体的计算模型扩展到整个粗糙表面上,建立了新的结合面接触模型,揭示了表面张力对结合面接触载荷、真实接触面积以及接触刚度的影响规律。结果表明:当两表面间平均距离相同时,与传统不考虑表面张力的模型相比,新模型具有较大的接触载荷和接触刚度,较小的真实接触面积;当接触载荷增大时,真实接触面积增大的速率随着表面张力的增大而减小;接触刚度随着接触载荷或真实接触面积的增大而增大,且表面张力越大,递增速率越快。     

干气密封摩擦界面弹塑性接触刚度模型EI北大核心CSCD

针对干气密封摩擦界面复杂多变的弹塑性变形阶段,基于微凸体在变形全过程满足连续性、光滑性和单调性的特点,通过余弦函数来探究接触面变形量与接触特性之间的关系,建立了具有光滑连续特性的微凸体弹塑性接触模型,然后基于统计学理论,建立摩擦界面整体接触模型,最后将所建立的模型与GW模型、CEB模型、ZMC模型、KE模型和Li模型五种经典模型进行对比分析,并通过理论分析与数值求解得到干气密封摩擦界面的力学特性及影响因素。结果表明:该模型实现了微凸体在变形全阶段的连续性、光滑性和单调性;接触载荷、接触面积和接触刚度与无量纲接触变形量成正相关;与无量纲表面平均接触距离成负相关,且无量纲表面平均接触距离越小,其粗糙表面发生塑性变形的比重就越大;为使干气密封动环和静环更加可靠平稳地运行,应保证动环和静环的接触面尽量光滑平整,使其无量纲表面平均接触距离控制在2.5以下。