滑动轴承表面形貌的分形模拟及对摩擦学性能的影响

运用分形理论对滑动轴承粗糙表面进行模拟,研究粗糙表面对其膜厚、压力以及承载力的影响。进一步模拟两向异性粗糙表面,比较轴承圆周及轴向方向上粗糙表面对轴承承载及摩擦性能的影响。结果表明:在一定载荷下,轴瓦表面分形维数越小,尺度系数越大,则轮廓幅值越大,表面轮廓越简单,越难形成润滑膜;表面轮廓幅值对润滑膜压力影响明显,幅值越大,润滑膜压力分布越不平滑,润滑性能越差;表面分形维数越小,特征粗糙度值越大,则承载力越低,摩擦力越大,且圆周方向上的分形维数以及特征粗糙度的影响要比轴线方向的影响大。     

粗糙表面分形特征的模拟及其表征

为了研究工程表面具有分形的特性,即在不同尺度下具有统计自相似性,探讨粗糙表面的分形特征,用随机中点位移和Weierstrass-Mandelbrot函数两种方法对轮廓和表面进行模拟,并对表面轮廓进行幂率谱分析,建立分形维数和幂率谱的关系,检验计算表明模拟表面的分形维数和指定值吻合良好。讨论分形参数的尺寸独立性和分形表面的统计特征,从幂率谱图可以看出,单分形的幂率谱图为一个区段,而双分形表面的幂率谱呈现明显的两个区段,不同尺度下的分形维数体现在其幂率谱图形上。与传统的统计参数相比,分形维数和特征尺度具有一定程度尺寸独立性。统计检验表明两种方法模拟的表面均符合近似的高斯分布。指出粗糙表面完整的描述和表征应兼顾分形和统计特征两个方面。     

粗糙表面几何形貌特征的分形参数描述

采用分形参数研究表面粗糙度对粗糙表面轮廓几何形貌的影响规律。结合表面粗糙度加工参数和随机抽样方法,模拟得到服从正态分布和预设粗糙度的表面轮廓曲线,根据统计得到的模拟轮廓曲线几何形态共性特征,建立基于平均峰角和平均峰高的等腰三角形轮廓曲线分形模型。采用剖面位形法通过轮廓曲线总长及其相应分形标度获得不同轮廓算术平均偏差下的分形维数,通过幂律拟合得到分形维数与表面粗糙度间的函数关系。在同一表面粗糙度下用数学软件回归得到分形标度与平均峰角的数学表达式,同时建立数学表达式中相关参数与分形维数间的函数关系,最终得到表面粗糙度在0.1-1.6 μm范围内的粗糙表面轮廓几何形貌特征值（平均峰角和平均峰高）的分形参数（分形维数和分形标度）描述公式。     

过盈配合单向分形界面微观接触面积研究

通过对模拟压缩机叶轮和轴过盈配合的试件表面轮廓进行分析,发现切削加工的粗糙配合表面具有单向粗糙度特征,同时垂直加工纹理方向的表面轮廓具有明显分形特性。基于M-B分形接触的修正模型,建立了具有单向粗糙度分形特征表面的理论接触模型,推导出接触面积与法向载荷的函数关系式。结合真实粗糙表面,建立了具有分形特性的单向粗糙度实体模型,利用有限元分析软件对实体模型进行了仿真分析,验证了接触面积与法向载荷函数关系的正确性。     

各向同性滚磨光整齿轮接触疲劳强度研究

经过传统磨削的齿轮齿面,其表面粗糙度在微观上具有典型的各向异性特征,而经过滚磨光整加工的齿面,其微观表面的纹理呈各向同性特征。根据齿轮分形接触强度理论和赫兹理论,讨论了微观形貌对齿轮接触应力计算的影响,并通过齿轮接触疲劳强度对比试验,得出传统磨削齿轮与滚磨光整齿轮的接触应力极限。通过对比试验结果表明各向同性光整工艺可以使齿面微观纹理趋于各向同性,有效提高齿轮接触疲劳强度,为相关材料齿轮寿命设计和可靠性设计提供了依据。     

分形维数与铣削参数的模型关联及验证

基于工程粗糙表面的微观形貌具有统计自相似分形特征,将分形几何学运用于金属材料表面形貌研究。粗糙表面的分形参数与加工条件密切相关。铣削加工过程中,切削参数会影响表面分形维数和表面粗糙度,考察了分形维数和传统表面粗糙度参数之间的关系,分别建立铣削参数与表面分形维数和表面粗糙度之间关系模型,并采用实验进行验证。实验结果表明,铣削加工表面具有分形特征;铣削表面分形维数D基本不随切削速度增加而变化,但表面粗糙度Ra会随切削速度的增加而减小;表面粗糙度与加工进给量成正相关,分形维数先增大后减小,并存在临界点;分形维数D与表面粗糙度Ra呈幂指数关系;所建立模型合理。相关研究结果可以为提高工程表面的使用性能及降低成本提供参考。     

小波系数表征机械加工表面分形特征的计算方法

针对表征机械加工表面轮廓形貌分形特性,提出应用小波变换系数计算分形维数的算法。基于Majumdar-Bhushan分形函数构造典型曲线,采用工程常用的三种小波基函数,通过小波分解提取小波系数,并将在不同分解尺度和阶数下计算出的分形维数进行对比分析和验证,选择出计算分形维数精度较高的小波基函数和分解尺度。用该方法对车削和铣削加工的结合面实验试件表面形貌的分形维数进行计算,评价了表面形貌的分形特征。     

基于分形函数的齿面粗糙度效应研究

为了从理论上探讨齿面粗糙度对齿轮传动接触疲劳应力的影响,首先借助分形函数模拟生成横向纹理粗糙曲线;然后将其叠加到油膜厚度方程中进而构建了重载齿轮传动混合弹流润滑模型。基于此模型,采用多重网格法进行了40组数值计算。结果表明:随着齿面粗糙度的增加,齿面平均油膜厚度几乎呈线性增加;而齿面接触应力则是先逐渐降低然后再不断变大,即二者之间呈抛物线关系。通过对计算结果的回归分析,建立了齿面接触应力与齿面粗糙度之间的定量关系。     

基于小波变换的三维粗糙表面分形维数计算方法

基于小波变换提出一种三维粗糙表面分形维数的计算方法。该方法采用小波变换对三维表面形貌数据进行多尺度分解,通过对不同分解尺度下小波系数平方的均值进行函数拟合,继而得到粗糙表面的三维分形维数。为验证提出的方法的正确性与准确性,采用已知参数构建三维分形表面,对不同方法下分形维数的计算结果进行对比分析。对比结果显示,相比原始盒维数法与差分盒维数法,采用提出的小波变换法计算得到的分形维数误差更小。特别是在小波变换过程中选用sym4小波基函数时,分形维数的计算误差最小,误差能够控制在2%以内。将提出的方法应用于磨削表面分形维数的计算,得到了不同粗糙度下磨削表面的分形维数,进而验证了该方法的实用性。提出的方法能够更加精确地计算三维粗糙表面的分形维数,为粗糙表面分形接触模型的构建提供了参数基础。     

微点蚀齿轮法向接触刚度分形预估模型

微点蚀作为齿面疲劳点蚀失效作用的初期特征,准确地预估其法向接触刚度是研究齿轮系统动力学故障特性重要课题之一.结合微观尺度下表面形貌分形参数和接触点面积分布作用,通过单微凸体弹-塑性接触力学性能研究引申建立结合面法向接触刚度分形模型,定性地分析微观元素对法向载荷和法向接触刚度的影响.根据渐开线齿轮宏观几何尺寸和微观微点蚀物理几何成因,建立近似粗糙度模拟微点蚀特征的预估分形参数,研究齿面不同加工工艺和不同程度微点蚀特征的渐开线齿轮法向接触刚度特性.结果表明:表面微观元素对法向载荷和法向接触刚度具有不同的影响作用,且元素之间具有关联性,沿齿廓啮合点具有不同的表面接触系数,提高齿面精度(降低粗糙度)能够提高啮合齿面法向接触刚度.齿面微点蚀使得齿轮结合面法向接触刚度明显降低,仿真结果与实际工程相吻合,为后期分析微点蚀动力学响应及微点蚀扩展等做研究基础铺垫.