化工机械设备轴承合金表面微造型对摩擦磨损性能的影响

为了研究表面微凹坑造型对化工机械设备中轴承合金润滑摩擦性能的影响,利用UMT-2型多功能摩擦磨损试验机,对不同工艺参数表面微凹坑轴承合金进行油润滑条件下摩擦磨损试验。研究了微凹坑面积密度、深度对摩擦因数的影响规律,同时探讨了工况条件对摩擦性能的影响。试验结果表明:微凹坑面积密度和微凹坑深度对摩擦性能的影响均存在最优值,微凹坑面积密度为10%,深度为25μm时,表面微凹坑造型减摩效果最佳;微凹坑面积密度、深度不变时,表面微凹坑造型试样摩擦因数随加载载荷增大而增加,说明高载荷工况下利用微凹坑造型改善耐磨性能效果不明显。磨痕形貌分析表明,低载荷工况下,合金表面微凹坑造型抗磨损效果明显。     

润滑条件对黄豆/不锈钢摩擦副摩擦学行为的影响

食品机械加工中的摩擦磨损直接影响着食品安全问题。选用黄豆与316L不锈钢进行配副,采用滑动摩擦磨损试验机,研究干摩擦和水润滑条件对其摩擦学性能的影响。利用光学显微镜、光学三维形貌仪和红外光谱仪对试样的表面形貌、粗糙度和磨损表面成分进行了分析。结果表明：干摩擦条件下,黄豆/316L不锈钢摩擦副的平均摩擦因数波动较小,约为0.24,水润滑条件下其平均摩擦因数达到干摩擦条件下的4.4倍左右,且在摩擦过程中存在反复波动;与干摩擦相比,水润滑条件下不锈钢试样表面的磨痕宽度提高约10%,而黄豆试样表面的磨痕宽度的增加幅度约高达160%;水润滑摩擦过程中不锈钢磨痕表面产生更多黄豆分解的有机物,其磨痕表面的犁沟数量和深度均显著减少,黄豆试样磨痕表面基本没有犁沟;干摩擦条件下黄豆/不锈钢的磨损机制以磨粒磨损为主,而水润滑条件下,黏着磨损显著增加。     

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。     

水凝胶/热塑性聚氨酯复合材料在水润滑条件下的摩擦学性能

为提高水润滑轴承的承载能力，利用水凝胶在水润滑条件下的水合作用来改善热塑性聚氨酯（TPU）轴承材料的摩擦学性能。利用聚乙烯醇、海藻酸钠、壳聚糖等材料制备水凝胶颗粒，并通过熔融共混法制备水凝胶/TPU复合材料；在0.3和0.5 MPa的载荷下测试复合材料的摩擦磨损性能，利用激光干涉表面轮廓仪和扫描电子显微镜观察其磨损表面形貌，分析其磨损机制。结果表明：水凝胶微粒可以通过水合润滑改善摩擦副的润滑条件，从而降低摩擦因数和磨损量，提高复合材料的摩擦性能；水凝胶质量分数4%时复合材料具有最佳的摩擦磨损性能，其在0.3和0.5 MPa工况下相对于TPU试样的平均摩擦因数减少率分别为52.31%和43.94%。研究结果为开发高性能水润滑轴承材料提供了一种方法。     

纳米磷酸盐薄膜的表面摩擦磨损性能研究

研究了轴承钢表面的纳米磷酸盐薄膜对轴承钢表面摩擦性能的影响。采用PHI595SAM型俄歇能谱仪对GCr15轴承钢试样表面纳米磷酸盐薄膜进行了分析和厚度测量。通过四球试验机和铁姆肯摩擦磨损试验机对表面覆盖磷酸盐薄膜的试样与普通试样进行了摩擦磨损对比试验。结果表明:表面覆盖20 nm厚磷酸盐薄膜的试样,具有良好的减摩抗磨效果。同时也对其高速轴承润滑系统的影响进行了讨论,发现纳米磷酸盐薄膜可以有效地改善高速轴承的润滑状态,延长轴承的使用寿命。     

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。     

HMn58-2配流盘摩擦副表面激光加工微阵列对其摩擦磨损性能的影响

轴向柱塞泵配流盘摩擦副长期处于高速相对滑动和重接触载荷工况下,因此,其摩擦磨损性能对配流盘服役寿命至关重要。采用光纤激光器在HMn58-2配流盘摩擦副表面加工了微阵列结构。在MMW-1A摩擦磨损机上,选用摩擦副常用配偶材料38CrMoAl以面-面接触形式分别对具有微阵列和未改性HMn58-2配流盘摩擦副摩擦磨损性能进行了测试。采用正交实验方法分析了激光加工微阵列直径、深度、密度、载荷和转速对试样摩擦磨损性能的影响及磨损机理。试验结果表明:与未经加工HMn58-2光滑试样相比,激光加工微阵列降低了HMn58-2试样表面摩擦系数,减轻了磨粒磨损和黏着磨损程度;各因素对激光表面改性试样摩擦磨损影响程度依次为载荷、微阵列深度、转速、微阵列直径和密度。     

磨损时间对金属磨损自修复的影响及机理分析

利用MMU-5G型端面摩擦磨损试验机,研究不同磨损时间对45钢－45钢摩擦副磨损表面自修复膜生成的影响及其机理,借助KYKY-2800型扫描电子显微镜测试分析摩擦副的表面和自修复层形貌及表面成分组成。结果表明,磨损时间对添加剂在磨损表面形成自修复膜影响显著;摩擦磨损时间为24h时,试样失重为零,试样磨损表面自修复膜生成;自修复膜的生成使得试样摩擦磨损表面平整光滑,可以有效降低金属磨损。     

波箔气体轴承WC-12Co涂层的制备和性能研究

为降低波箔轴承的摩擦磨损,采用等离子喷涂技术在圆盘试样和波箔轴承轴套表面制备WC-12Co涂层,采用自制销盘摩擦磨损试验机研究圆盘试样的摩擦磨损性能,通过扫SEM和EDS分析涂层摩擦磨损前后表面和截面形貌和面能谱,利用波箔轴承实验平台探究涂层实际使用过程中的摩擦磨损性能。结果表明:涂层和基底分界线明显且结合紧密,涂层整体由片状颗粒堆叠而成,片状颗粒之间分布有非常微小的孔隙,涂层的结合方式以机械结合为主,伴有一定的冶金结合方式;销盘摩擦磨损试验结果表明,WC-12Co涂层具有很好的耐磨和减摩性能,其平均摩擦因数相对GCr15轴承钢减小约50%,平均磨损量相对减小约78%。波箔轴承台架试验结果表明,WC-12Co涂层也表现出非常好的耐磨和减摩效果,WC-12Co涂层轴套启动时的最大摩擦力矩大幅下降。     

波箔气体轴承MoS2基润滑涂层的制备和性能研究

为了提高波箔轴承的耐磨减摩性能,采用喷涂法在平箔片和圆盘试样上制备MoS_2固体润滑涂层,并对圆盘试样涂层结合强度进行分析;采用自制球盘摩擦磨损试验机研究涂层圆盘试样的摩擦磨损性能,通过扫描电镜(SEM)测试涂层圆盘试样摩擦磨损前后表面、截面形貌,利用波箔轴承性能测试实验台探究涂层在实际工作中的耐磨减摩性能。研究结果表明:基体表面的粗糙度影响MoS_2涂层的结合强度,其中试样表面进行喷砂处理后与MoS_2涂层结合力最好;制备的MoS_2固体润滑涂层中各成分均匀分布,涂层的结合方式以机械结合为主;球盘摩擦磨损试验表明,制备的MoS_2涂层的耐磨减摩性能较好,其平均摩擦因数相比不锈钢基体降低了54.5%左右,磨损量相对减小了40.7%;波箔轴承台架试验表明,制备的MoS_2涂层减摩性能已接近商用PTFE涂层,但其耐磨性能较差。     

仿生织构形态对缸套-活塞环摩擦学性能的影响

为了提高缸套-活塞环的摩擦学性能,设计了一种仿生排布的菱形凹坑织构,并通过激光刻蚀技术在缸套表面进行加工;在同一转速和不同载荷下,在MWF-10往复式摩擦磨损试验机上进行试验,以探究仿生排布的菱形织构对缸套-活塞环摩擦副摩擦磨损性能的影响,并与使用阵列排布的纹理的缸套以及未经处理的原始缸套进行比较。结果表明:织构的排布形式对油膜厚度的影响较大,尤其在重载荷工况下,合理地优化排布形式能够实现较好的动压润滑效果;仿生排布的菱形织构实现了往复运动方向上纹理特征的全覆盖,能够极大程度上限制磨屑的移动并对磨屑进行收集,有效降低磨损后的表面粗糙度,从而减少磨粒磨损;仿生排布的菱形织构在各试验工况下能够有效提高油膜厚度,提升表面承载能力,实现最佳的润滑效果。     

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。     

表面织构形貌参数影响润滑性能的三维CFD分析

为研究在流体润滑条件下,表面微织构形貌参数对润滑性能的影响,建立考虑空化效应的单织构三维计算模型。用CFD方法模拟织构在不同深度、面积密度和表面形状条件下,油膜承载力、摩擦因数和压力分布的变化情况。结果表明:随着织构深度(面积密度)的增加,油膜的承载力先增大后减小,摩擦因数先减小后增大,即织构存在最优的深度和面积密度使得流体动压润滑性能最优;随着上壁面滑移速度的增大,织构的最优深度有减小的趋势,而最优面积密度趋于稳定;设计具有汇流作用的织构表面形状可以提高油膜的承载力,且速度越大,改善润滑的效果越明显。     

凹坑织构对石墨材料水润滑性能的影响

为提高核主泵屏蔽电机用水润滑石墨轴承的摩擦润滑性能，采用高速雕铣机在石墨试样表面加工不同形状、深度和面积占有率的凹坑织构，通过水润滑条件下的销盘摩擦试验，测试分析凹坑织构结构参数对石墨材料水润滑性能的影响。结果表明：在水润滑条件下凹坑织构具有一定的减摩效果，随着转速的增加，凹坑织构的动压效应增强，石墨试样摩擦因数减小；随着载荷的增加，石墨试样摩擦因数减小；随着凹坑深径比、面积占有率的增加，石墨试样摩擦因数均呈现先减小后增大的变化趋势，当凹坑深径比为0.5、凹坑面积占有率为3%左右时，石墨试样摩擦因数最小；相较三角形凹坑织构，正方形凹坑和圆形凹坑织构的减摩效果更好。     

青铜-石墨热喷涂层在干摩擦和水润滑条件下的摩擦磨损性能

在MM-200摩擦磨损试验机上研究了青铜-石墨热喷涂层在干摩擦和水润滑条件下的摩擦磨损性能,采用扫描电镜(SEM)对磨损表面形貌进行了观测和采用X射线能谱分析(XPS)分析了涂层成分。结果表明,在水润滑条件下涂层摩擦因数和磨损率均低于干摩擦条件下;在水润滑条件下磨损机制为轻微磨粒磨损和犁削磨损,在干摩擦下主要是较为严重的粘着磨损和犁削。这是由于水润滑降低了摩擦副界面温度,提高了石墨润滑膜的韧性,改善了润滑效果,从而阻止了粘着磨损的发生,水还促进了钢偶件表面致密氧化膜的形成,从而减轻磨损。因此水润滑对涂层磨损性能有较大影响。     

Comparative Study on Tribological Behaviors of Polyetheretherketone Composite Reinforced with Carbon Fiber and Polytetrafluoroethylene Under Water-Lubricated and Dry-Sliding Against Stainless Steel

The tribological behaviors of the composites of polyetheretherketone (PEEK) reinforced by carbon fiber and polytetrafluoroethylene (PTFE) under distilled-water-lubricated- and dry-sliding against stainless steel were investigated. It was found that the PEEK composite had much better wear-resistance under water-lubricated sliding against stainless steel than under dry-sliding. The transfer film had smaller effect on the tribological behavior of PEEK composite under water-lubricated condition than under dry-sliding, because under water-lubricated condition the cooling and boundary lubricating effects of the water medium dominated the tribological behavior. Moreover, the considerably hindered transfer of the PEEK composite under water lubrication might also account for the decreased wear rate under water lubrication. The PEEK composite was characterized by mild scuffing and fiber protruding under water lubrication, while the plastic deformation and adhesion was significantly abated than under dry-sliding.     

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。     

具备温度感知的船用智能水润滑尾轴承设计及性能验证

提出了一种船用智能水润滑尾轴承的创新设计方法,以此辅助船舶尾轴系统在苛刻环境下的运行状态监测与性能预测。基于微型嵌入式自供电监测系统和水润滑轴承结构与材料设计,实时采集与分析船舶航行中水润滑轴承的关键性能参数,实现其运行状态辨识、评估与寿命预测。以苛刻工况下轴承内部温度变化特性及其表征为例,利用CBZ-1摩擦磨损试验机进行智能水润滑尾轴承设计方案的可行性验证。试验结果表明,轴承内部温度可以很好地反映其润滑与工作状态,常温水润滑条件下,其初期升温速度为0.1~0.4 ℃/min、末期升温速度为0~0.01 ℃/min、平稳运行时温度为29~33 ℃,而在干摩擦条件下,以上三项数据分别为0.6~1.4 ℃/min、0.03~0.25 ℃/min、36~45 ℃。不同润滑状态下的巨大差异使得通过温度判断轴承润滑状态成为可能,温度监测的实现将大大提高水润滑轴承的可靠性。     

表面织构的深度影响润滑油膜承载能力的机制研究

采用基于N-S方程的CFD方法,研究最小油膜厚度为4μm时圆弧凹槽表面微织构深度的变化对动压润滑效果的影响,并深入探讨其机制。结果表明,在一定的工况条件下,凹槽深度不同,其承载性能存在一定的差异,当凹槽深度小于4μm时,随织构深度的增加其承载能力逐渐增强,当凹槽深度大于4μm时,随织构深度的增加其承载能力逐渐减弱,即深度值在4μm左右时油膜的承载能力最强。分析发现,织构深度的变化改变了润滑油流场的流动,深度增大到某个值时润滑油开始出现逆流现象,随着凹槽深度的增加,逆流区变大;逆流的存在削弱了织构的承载能力;速度不影响润滑油的流动走向,但会影响承压能力的大小;织构截面形状对润滑油的流动走向有影响,但对织构底部形成漩涡的规模大小影响不大,对润滑油膜承压能力影响不大。