凹槽型织构对钻头滑动轴承表面摩擦学性能影响分析

基于雷诺方程建立表面织构化滑动轴承润滑理论模型,探究不同织构参数(分布角度、深度、面积比、偏斜角度、长度)对钻头滑动轴承承载力和摩擦因数的影响规律.在油膜收敛和最小油膜厚度附近区域布置织构,有利于增加轴承表面润滑性能,而织构布置在油膜发散处反而会减小轴承承载力,增大摩擦因数.织构的最佳织构深度与轴承的工况相关,不同偏心率条件下最优织构深度不同,轴承所承载的载荷越大,凹槽型织构化轴承的最佳织构深度越深;摩擦因数随织构面积比的增加先增大后减小,当面积比为18％时,摩擦因数最小.织构深度对织构偏斜角度的影响较小,轴承摩擦因数随偏斜角度的增加逐渐减小;织构长度为轴承宽度的1/2时,轴承润滑效果最佳.     

摩擦副表面沟槽型织构润滑性能的数值仿真

从目前的研究来看,织构的深度和载荷对油膜的润滑性能具有显著的影响,然而,在载荷变化的情况下,润滑膜的最小膜厚和黏性阻力是一个动态变化的过程。因此不同载荷下,最佳织构深度的选取还需系统地进行分析。通过建立沟槽型织构流体润滑模型,分析了织构的深度以及承载力对摩擦副的油膜厚度、压力、剪切力、以及摩擦因数的影响。结果表明:在承载力一定时,油膜厚度随织构深度的增加呈先增大后减小的趋势。在89 N载荷下时,存在最佳油膜厚度6.4184 μm,此时织构深度为2.97 μm,摩擦因数为0.0162。     

平行滑块表面矩形-半球型复合织构润滑性能研究*

研究仿生硅藻的多级孔结构——矩形与半球型结合的复合型织构对平行滑块润滑性能的影响。通过建立矩形-半球型的复合型织构单个单元模型,采用双向流固耦合的方法,分析两滑动表面在不同面积率和织构深度条件下的摩擦润滑性能。结果表明:织构表面摩擦因数随着面积率的增大而减小,承载力随着面积率的增大先增大后减小,在考虑摩擦性能与承载力的条件下,矩形-半球型复合型织构的面积率应控制在25%～36%之间;在确定合适的面积率的条件下,还应考虑不同的织构深度所产生的旋涡的影响。     

表面织构对人工膝关节流体动力润滑性能的影响

为探究表面织构对人工膝关节流体润滑性能的影响,对加入表面织构的人工膝关节进行流体动力润滑分析,推导出适合该模型的雷诺方程,并基于有限差分法对雷诺方程进行求解,通过借助MATLAB软件进行编程计算,得到表面织构参数对本模型的摩擦润滑性能的影响规律。结果表明:随着表面织构深度的增大,摩擦因数先增大后减小,在研究的表面织构半径范围内,摩擦因数随着表面织构半径的增大而减小,因此在一定范围内,适当增加表面织构半径和表面织构深度有利于改善该模型的摩擦润滑性能。     

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。     

线接触摩擦副织构化表面动压润滑性能

为研究线接触摩擦副织构化表面动压润滑性能,建立其理论模型,并运用多重网格法进行数值分析,探讨工况参数(载荷、转速)和微织构参数(面积占有率、深径比)对表面油膜压力的影响;在MMW-1A摩擦磨损试验机上研究微织构面积占有率与摩擦因数的关系。结果表明,线接触条件下微织构化表面的油膜平均压力随着载荷和转速的增大而增大,随着微织构面积占有率的增大而先增大后减小,随着深径比的增大而减小;而摩擦因数随着微织构面积占有率的增大而先减小后增大再减小;存在最优的微织构面积占有率,使得油膜平均压力最大和摩擦因数最小。试验结果较好地验证了数值模拟结果,表明线接触摩擦副织构化表面具有较好的减摩特性。     

弹性材料表面织构对摩擦副润滑性能的影响

为了研究弹性材料表面微织构对摩擦副空化现象和润滑特性的影响,建立考虑空化效应的二维弹性织构计算模型,采用流固耦合方法计算润滑流场与材料变形之间的相互作用。对比刚性材料表面微织构,从弹性模量、滑动速度、微织构深度以及织构间距等方面分析弹性材料表面织构对摩擦副润滑性能的影响,通过实验验证模拟结果的准确性。结果表明：弹性织构摩擦副比刚性织构摩擦副摩擦因数更小,润滑性能更好;存在最优织构深度,使得弹性织构摩擦副的摩擦力最小且承载力最大;适当增大滑动速度以及织构间距可以提高弹性摩擦副的润滑性能;随着弹性模量的降低,弹性变形和油膜厚度增加,空化现象更为显著,摩擦副的润滑性能得到提升。     

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。     

振动载荷下的织构化表面弹流润滑分析

建立周期性振动载荷作用下的织构化表面的弹流润滑模型,研究织构化表面的弹流润滑性能随织构参数的影响规律。研究结果表明:在一个振动载荷周期的不同时刻,织构化摩擦副表面间油膜的弹流润滑作用相同、平均摩擦因数随织构直径、深度、密度等因素的影响规律基本相同;当受外部振动载荷时,织构直径、深度和密度等参数均存在一个较优值,使得弹流润滑作用下的织构化摩擦副表面的平均摩擦因数均存在一个最小值,使润滑摩擦效果最优。     

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。     

表面织构对径向滑动轴承静态特性的影响

利用p-θ质量守恒算法研究表面织构对径向滑动轴承静态特性的影响,建立椭球形织构模型,分别讨论特殊椭球形织构半径、数目、深度和分布位置等对滑动轴承承载力、摩擦力和摩擦因数的影响。结果表明:与光滑表面轴承相比,在轴瓦表面合理分布部分织构能提升轴承润滑性能,使轴承承载力增大、摩擦力和摩擦因数减小;全织构对轴承润滑性能有消极影响,使轴承承载力和摩擦力减小,摩擦因数增大。织构半径、数目、深度等参数对滑动轴承润滑性能都有重要影响;织构周向分布在180°～360°比分布在0°～180°更有益于提升轴承性能;在较高偏心率下,织构对轴承润滑性能的提升不明显。     

脂润滑条件下表面织构对滑动表面承载性能的影响

为了研究脂润滑条件下表面织构对滑动表面承载性能的影响,设计球缺形、等边三角形、椭球缺形、圆台形、等腰梯形和直角三角形等6种不同形状的表面织构,利用CFD软件分析6种表面织构在相同深度和面积占有率下的承载性能,发现等边三角形织构的承载能力最强。针对等边三角形织构,探讨织构深度、面积占有率以及摩擦副表面间隙对其承载力的影响,结果表明:在一定的织构面积占有率范围内,承载力随着面积占有率的增加而增大;在相同面积占有率的条件下,承载力随织构深度大致呈现出先减小、后增大、再减小的变化规律;摩擦副表面间隙越小,其承载力越强。     

织构化表面空化效应影响润滑性能的CFD分析

考虑织构化表面润滑介质流场的空化效应,建立具有不同截面微结构特征的有限元计算模型,利用Fluent14.0软件进行计算,研究表面织构几何形状及尺寸对流体润滑性能的影响。结果表明:考虑惯性项作用时,表面微织构会产生额外的承载力,而且随着速度提高,承载力会进一步增大;考虑空化效应时,承载能力增大近一个数量级,更符合文献中的试验结果;与三角形、矩形及椭圆织构截面相比,球缺截面的织构空化面积更小,更有利于提高承载;微结构深度和宽度尺寸影响摩擦和承载性能,研究表明,减小织构深度、增大织构宽度有利于改善润滑性能。     

刀具表面微结构对流体润滑状态的仿真分析

为探讨刀具表面微结构的润滑情况和减摩机制,使用流体软件FLUENT仿真分析刀-屑接触面间润滑流体的流动情况,研究不同微结构面积率、深度及形状参数下润滑流体的压强分布、承载力、入口质量流速等,得到微结构优化参数;同时分析油膜上壁面运动速度及油膜厚度对润滑性能的影响。结果表明:随微结构区域面积率的增加,动压效应先增大后减小,总承载力持续下降;随着微结构深度的增加,总压承载先增大后趋于稳定,但动压效应总体趋于减小;正方形凹坑的总压承载情况较好,直沟槽的动压承载最好,波浪形沟槽的动、总压承载都较好;随着油膜厚度的增加,总压呈现下降趋势;随着油膜上壁面运动速度的增加,入口质量流速急剧增加,油膜上壁面的总压承载变化很小,动压承载急剧减小。优化的微结构可以减小刀-屑界面的摩擦,延缓刀具磨损,且切削速度和油膜厚度的选择可指导实际加工参数的设定。     

人工髋关节织构化表面摩擦学性能研究

为研究微织构形状对人工髋关节表面摩擦特性的影响,在人工髋关节表面分别设计仿生菱形织构、圆柱形织构和圆环形织构,以雷诺方程为理论研究基础建立流体动压润滑模型,用ANSYS Fluent进行数值模拟,得到微织构表面润滑油膜的平均承载力和摩擦因数,并比较不同织构形状的摩擦学性能。结果表明：在所选织构参数、工况参数范围内,平均承载力随着面积率增大以及滑动速度的提高均呈现上升趋势,在面积率为25%、滑动速度为0.3 m/s时达到最大;摩擦因数随着织构面积率的增大而呈下降趋势,在面积率25%达到最小值,摩擦因数与滑动速度的关系则因织构形状的不同存在一定的差异;研究的3种形状微织构中,仿生菱形织构的摩擦学性能最佳。因此合理选择织构形状可以减少人工髋关节摩擦副表面间的磨损。     

表面微织构影响点接触润滑摩擦性能的实验研究

针对球-盘高副点接触开展微织构表面摩擦学性能实验研究。采用激光工艺在试样表面上加工出具有一定形状、深度和面积比的矩形微织构,采用三维表面形貌仪测量微织构的形貌特征,在摩擦磨损实验机上进行摩擦学实验,研究往复运动模式下微织构深度、间距等参数对球-盘点接触润滑摩擦性能的影响。结果表明:较浅的微织构具有相对较小的摩擦因数;较高频率下微织构表现出较好的润滑和减摩效果;沿运动方向的微织构间距增大,摩擦因数逐渐降低,超过Hertz接触直径之后,摩擦因数变化不明显;垂直于运动方向微织构边长增大,摩擦因数呈现先减小后增大的变化趋势。     

部分沟槽表面织构摩擦学性能研究

采用紫外激光在GCr15圆盘试样表面加工出具有不同参数的部分沟槽,在HT-1000高温摩擦磨损试验机上,研究边界润滑状态下,不同载荷和速度下沟槽部分织构率和面积率对摩擦因数的影响。结果表明：在轻载下,随着部分织构率的增加,摩擦因数呈现先减小后增大的趋势,随着面积率的增加,摩擦因数呈现先增大后减小的趋势;部分沟槽表面织构在低速轻载下具有较好的减摩效果,但在高速重载下有增摩的现象。     

考虑空化的倾斜织构表面摩擦学性能CFD分析

为了研究倾斜织构表面的摩擦学性能,建立单微孔倾斜织构的二维计算模型并且考虑空化效应的影响。利用CFD方法模拟不同倾斜角、油膜厚度和织构深度条件下空化面积、织构表面压力分布和油膜承载力的变化情况。结果表明:与平行织构表面不同,在倾斜织构表面中,与不考虑空化相比,考虑空化效应时油膜承载力不一定更大,在倾斜角一定时,与油膜厚度有关;织构深度会影响承载性能,每个计算模型都会存在一个最优织构深度使得承载力最大,且最优承载力会随倾斜角的增大而增大,随油膜厚度的增大而减小;最优承载力增长率的变化趋势与空化效应有很大关系,空化效应较强时,最优承载力增长率会随着倾斜角的增大而减小,空化效应较弱时,最优承载力增长率会随着倾斜角的增大而增大。     

网状表面织构对水润滑轴承摩擦磨损性能的影响

为研究网状表面织构对水润滑轴承摩擦性能的影响,利用ANSYS对布置有不同密度和深度的轴承模型进行流固耦合仿真,研究不同网纹条件下水膜的承载能力;使用3D打印技术制备不同深度与密度的网状纹理的试样,使用CBZ-1摩擦磨损试验机进行摩擦试验并实时采集摩擦因数,利用表面轮廓仪对试样磨损表面的形貌进行观测。仿真结果表明:在忽略空蚀的条件下,同一转速下水膜承载能力基本随着网纹深度的增加先增大后减小。试验结果表明:合适的网状纹理表面织构能够有效改善水润滑轴承的润滑条件,进而提升轴承摩擦磨损性能;在试验低速条件下间隔5 mm、深1.5 mm的网纹织构能够有效促进摩擦表面形成润滑水膜,从而大幅改善摩擦表面的润滑条件,降低约22%的摩擦因数和约38%的磨损量,同时高速工况下该网纹织构仍可降低磨损量。     

凹槽织构流体动压润滑性能的CFD研究

采用基于N-S方程的CFD方法,探究了不同截面形状和凹槽承载力的关系,以及织构面积率、速度和凹槽深度对承载能力的影响。结果表明:方形截面形状凹槽的承载能力最好,三角形的最差;滑动速度对承载能力有很大的影响;随着织构面积率的增加,承载力呈现了先增大、后减小、再增大的过程;当织构深度和摩擦副间距大小相当时,凹槽承载力最优。