基于半解析法的钢绞线丝间摩擦学性能研究

为探究钢绞线丝间摩擦学性能，考虑钢绞线丝间摩擦接触和往复滑动行为等因素，基于曲杆理论、Archard磨损理论等，建立了周期弯曲钢绞线丝间摩擦学性能求解模型，采用半解析法实现快速求解，并通过与曲杆理论、有限元仿真结果对比以及磨损试验验证模型有效性，进而研究钢绞线丝间磨损深度、摩擦接触滑移等摩擦学性能参数的分布规律，分析载荷幅值、几何结构以及材料属性等对其丝间摩擦学性能的影响.结果表明：钢绞线丝间磨损发生在弯曲中性层外侧，钢丝未接触或接触但未发生滑移之处不发生磨损；弯曲载荷越大，磨损越严重；侧丝半径、捻角越大，丝间接触压力与接触变形均增大，故而磨损加剧；总磨损深度随钢绞线材料的弹性模量和泊松比增大而增大.     

铸型尼龙端面扭动与滑动摩擦学行为研究

为研究端面扭动摩擦特性,研制了端面扭动摩擦特性测量装置,进行了玻璃纤维增强铸型尼龙（MC尼龙）复合材料与45#钢在123 N法向载荷下的扭动与滑动摩擦学试验,扭动角位移幅值为60°和90°,使用扫描电镜观察MC尼龙复合材料磨损表面形貌,采用光学显微镜观察45#钢偶副表面转移膜形貌.结果表明：扭动摩擦的扭矩-角位移（T-θ）曲线随着循环次数的增加保持平行四边形,而摩擦扭矩随之升高;扭动状态下的摩擦系数高于滑动摩擦系数,扭动磨损后MC尼龙试样质量增加;滑动状态下的磨损机理主要为塑性变形和疲劳磨损,扭动状态下的磨损机理为更为严重的黏着磨损和疲劳磨损;滑动摩擦状态下,45#钢偶副表面形成了大面积连续的转移膜,扭动状态下,45#钢偶副表面只在接触中心区域有少量条块状转移物质.     

CF/PTFE纤维混编织物增强环氧复合材料干摩擦特性

采用碳纤维与聚四氟乙烯纤维(CF/PTFE)混编织物增强,制备了环氧树脂基自润滑复合材料,研究了钢背衬复合材料与45钢在环-环端面干摩擦状态下的摩擦学特性,考查了纤维织物、摩擦热、载荷、速度对材料摩擦磨损性能的影响,用红外热像仪、热电偶及风冷方式对摩擦副温度进行监控,用激光共聚焦显微镜和扫描电子显微镜对复合材料及偶件磨损面进行了观察与能谱分析.结果表明:与碳织物相比,混编纤维织物大大改善了复合材料的摩擦学性能,改善效果极大依赖于摩擦温度、载荷和速度参数.PTFE纤维磨损后在树脂基体及偶件表面形成减摩型转移膜层,材料表现为疲劳磨损特征.摩擦高温使复合材料摩擦学特性改变,黏结磨损加剧,偶件钢环表面出现氧化磨损,树脂基体塑性流动,摩擦力增大.混编纤维的排布方式影响复合材料的摩擦磨损性能,摩擦面上大量破碎的碳纤维易使偶件表面转移膜受到破坏,复合材料转变为以磨粒磨损为主,减摩主要源于磨屑中的润滑组分.     

类金刚石薄膜的微动行为研究

微动磨损是1种极具隐蔽性和危害性的磨损形式，目前一般通过固体薄膜或流体润滑剂来进行防护.类金刚石碳基(diamond-like carbon, DLC)薄膜具有良好的摩擦学性能，因而广泛应用于各种润滑.探索DLC薄膜的微动行为对预防和减轻机械微动损耗至关重要.本文作者通过调控法向载荷和位移幅值，开展了DLC薄膜的微动摩擦试验，探究二者对DLC薄膜微动摩擦行为的影响，并结合各种表征手段研究薄膜损伤情况及磨损机理.结果表明：在微动试验中二者的大小会直接影响微动接触状态；微动磨损在部分滑移区和完全滑移区的磨损机理不同；施加的载荷和位移幅值调控着摩擦界面的氧化程度、碳质转移膜形成及DLC薄膜石墨化程度，从而决定了DLC薄膜的减摩耐磨机理.此工作为DLC薄膜在实际微动工况中的应用提供一定理论依据.     

碳纤维铜基复合材料的摩擦学性能研究

本文对碳纤维铜基复合材料与钢组成的摩擦副进行了摩擦学性能研究,在不同的滑动速度和不同的载荷条件下,得出了摩擦系数和比磨损率的试验结果,并且对碳膜的形成和破裂,摩擦系数的变化过程,以及出现的磨损状态等进行了分析和讨论。     

润滑条件下钢表面氧化膜结构的SAM研究

作者在球-盘式摩擦磨损试验机上采用阶梯式加载和20~#机油滴注式润滑进行了GCr15钢球对45~#钢盘的摩擦磨损试验。通过摩擦系数的变化记录了在不同滑动速度下摩擦磨损状态发生转化时的临界载荷,从而获得了反映摩擦副摩擦学特性的P-V图,并用扫描俄歇微探针仪(SAM)研究了该摩擦副处于不同状态时表面氧化膜的结构,提出了钢表面氧化膜的结构层次模型,论证了钢的摩擦磨损特性与氧化膜结构之间的关系。     

界面调控对类金刚石碳基薄膜在甲烷气氛下摩擦学性能的影响

在甲烷气氛下，利用不同材质摩擦副与非晶碳(a-C)基薄膜构成不同的自配副与非自配副摩擦体系，构建出不同的滑动界面，通过研究非晶碳(a-C)基薄膜与不同摩擦副对摩时的摩擦学行为，分析探索滑动界面对体系摩擦学行为的作用机理. 结果表明:摩擦副对a-C薄膜的摩擦学行为影响较为明显，主要通过影响滑动界面碳悬键的再杂化形式来引起体系摩擦学行为差异；甲烷解离基团对碳悬键的钝化能够有效降低体系摩擦系数，但过多的钝化形成多聚a-C:H，对体系造成不利影响. 研究结果为烃类下提高DLC薄膜的减磨作用提供参考.      

车轮钢滚动剥离摩擦磨损特性研究

在NENE-2型摩擦磨损试验机上利用往复滚动试验装置研究了不同滚滑状态下车轮钢的剥离摩擦磨损特性和碳含量对车轮钢滚动剥离磨损性能的影响.结果表明:在不同滚滑状态下摩擦副之间的摩擦力不同,平面试样的表面磨痕形貌随着不同的切向摩擦力而明显不同,随着切向摩擦力的增大滚动磨损机制亦发生改变,剥离磨损加剧且磨损深度变大,当相对滑动量增大到一定程度后,磨损表现为明显的剥层机制;碳含量对车轮钢的滚动磨损表面磨痕形貌影响显著,碳含量低时磨痕以犁沟为主,碳含量高时剥离磨损发生的概率增加.     

聚乙烯醇水凝胶/钛合金摩擦磨损特性的正交试验研究

利用冷冻-解冻法制备聚乙烯醇(PVA)水凝胶,运用正交试验法在球-盘摩擦磨损试验机上研究滑动速度、载荷和润滑状态对PVA水凝胶/钛合金摩擦副摩擦系数的影响及在不同载荷下的磨损性能.结果表明:滑动速度、载荷和润滑状态3种因素对PVA水凝胶/钛合金球摩擦副的摩擦系数影响显著程度由高到低依次为载荷＞滑动速度＞润滑状态;在干摩擦和水润滑状态下,摩擦系数变化甚微,平均摩擦系数随滑动速度的增加而下降,随着载荷增加而升高;当转速从110 r/min升至220 r/min时,平均摩擦系数从0.038降至0.031,降幅达19.4%;当载荷从5 N增至10 N时,平均摩擦系数从0.027增至0.042,增幅达51.8%;PVA水凝胶的磨损率随载荷增加而降低且载荷对磨损率影响的显著程度逐渐降低;当载荷从5 N增至10 N时,磨损率降幅高达2.6倍,当载荷从10 N增至15 N时,仅下降35%.     

Ti_3SiC_2/Cu摩擦副的载流摩擦学性能

本文中考察了Ti3SiC2/Cu摩擦副在干摩擦和微量离子液体润滑条件下的载流摩擦学特性.在干摩擦条件下,Ti3SiC2/Cu摩擦副的摩擦系数值为0.6~0.75.当滑动速度从0.11增至0.33 m/s时,接触电阻降低小,在Ti3SiC2栓磨损表面有Cu的转移膜形成.当滑动速度为0.44和0.56 m/s时,栓/盘接触不稳定并且产生电火花,表明在机械磨损和电磨损共同作用下Ti3SiC2栓发生了严重磨损.在微量离子液体润滑条件下,Ti3SiC2/Cu摩擦副处于边界润滑状态,随着滑动速度的提高,摩擦系数由0.08增至0.2.当滑动速度高于0.33 m/s时,产生长约数厘米、平均直径53μm的弯曲缠绕的铜丝,这是相对较硬的Ti3SiC2对Cu盘犁削作用的结果.铜丝将离子液体"扫离"了摩擦表面,并且对摩擦学性能和电性能造成不利影响.     

钛合金表面DLC薄膜的制备及其与不同材料配副的摩擦学性能研究

利用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在钛合金TC4表面制备了梯度结构DLC薄膜,并研究了DLC薄膜微观形貌结构、力学性能以及不同对偶球材料(包括4种陶瓷与4种金属材料)对其摩擦学性能的影响. 结果表明:所制备的梯度结构DLC薄膜表面相对光滑平坦且与基底结合紧密,具有良好的力学性能;对于陶瓷球/DLC配副,在摩擦过程中由于对偶球硬度较大且耐磨,从而在陶瓷球表面易于形成稳定的碳质转移膜,SiC/DLC、Si₃N₄/DLC和ZrO₂/DLC表现为轻微的磨粒磨损和黏着磨损,而Al₂O₃球表面的碳元素含量较高使得DLC薄膜虽然发生破损和剥落但其摩擦系数仍保持在较低水平;金属球/DLC与陶瓷/DLC相比较,由于金属对偶球硬度较低,在摩擦过程中碳质转移膜无法稳定地覆盖在金属球,引起较高的摩擦系数,Al/DLC主要表现为严重的磨粒磨损,而Brass/DLC、304SS/DLC和GCr15/DLC主要为轻微的磨粒磨损或黏着磨损;SiC/DLC、ZrO₂/DLC、304SS/DLC和GCr15/DLC的DLC薄膜均具有较低的摩擦系数和磨损率且对偶球的磨斑较小,故其为较合理的摩擦副. 赫兹接触分析表明,陶瓷/DLC中除了ZrO₂/DLC,平均摩擦系数和计算接触半径的变化趋势是一致的,而在金属/DLC中并未发现这一规律.      

沟槽对界面振动及摩擦磨损特性的影响

选用球-面/面-面两种不同的接触模式,分别探究了摩擦界面沟槽的存在对界面振动及摩擦磨损特性的影响.结果表明:沟槽具有捕获磨屑的能力,能够有效地减轻磨屑对界面磨损的影响,但接触模式的不同,沟槽棱边上的振动及摩擦磨损特性差异显著.在球-面接触模式下,沟槽的存在打断了界面的连续接触,导致界面摩擦信号产生突变,此外,球试样滑过沟槽时与沟槽棱边产生的撞击加剧了棱边的磨损,进而影响了沟槽收集磨屑的效率.在面-面接触中,沟槽的存在实时改变了界面的接触状态,从而导致了界面上接触压力的分布发生了转移,从而改变了界面力信号,此外,块试样与沟槽棱边并没有出现明显的撞击作用,因此沟槽的棱边保存得较为完好.     

几种含铅有机化合物作为润滑油添加剂的摩擦学特性及作用机理研究

在 2 0 0 SN矿物基础油中 ,用原位合成法、复分解法以及微波辅助合成法分别合成了月桂酸铅、油酸铅、环烷酸铅、硬脂酸铅和烷基水杨酸铅 .用四球摩擦磨损试验机 ,在高速低负荷及低速高负荷两组试验条件下评价了其摩擦学性能 .结果表明 :不同结构羧酸铅的油溶性、抗磨减摩性能以及抗极压性能存在较大差异 ,其摩擦学性能与羧基结构密切相关 ,环烷酸铅和烷基水杨酸铅的油溶性最好 ;月桂酸铅的抗磨性能和抗极压性能最好 ,油酸铅的减摩性能最好 .通过对铅盐分子结构及相应钢球磨斑表面进行扫描电子显微镜和 X射线光电子能谱分析 ,发现铅盐对基础油摩擦学性能的改善归因于摩擦过程中有机铅盐在摩擦副表面形成一定强度的吸附膜以及部分吸附膜转化为铅氧化物膜的摩擦化学反应 .铅盐烷基链结构的不同使其在摩擦副表面的吸附量和吸附强度不同 ,从而影响润滑油膜的化学组成和物理性能 ,并进而产生摩擦学性能差异     

水深对POM摩擦学性能的影响

本文中以聚甲醛(POM)作为摩擦副材料,与不锈钢(0Cr17Ni12Mo2)配对,研究了POM在0~300 m不同模拟水深(去离子水)中的摩擦磨损性能,并与大气压下干摩擦进行对比,试验目的主要是探寻水深变化引起的水环境压力变化对POM材料摩擦磨损性能的单因素影响.采用白光共焦三维轮廓仪与扫描电子显微镜对试验前后的表面形貌进行测量与分析.结果表明:模拟水深对POM磨损深度及POM/0Cr17Ni12Mo2摩擦副的摩擦系数有较大影响,且有明显规律;在0~300 m模拟水深(去离子水)范围内,随着模拟水深深度的加大,POM的磨损深度和POM/0Cr17Ni12Mo2摩擦副的摩擦系数均有所减少;模拟水深对试样摩擦后的表面粗糙度无明显影响;对主导的磨损机理无明显影响.     

盘-销摩擦系统摩擦接触力测试与特性分析

测量分析动态摩擦接触力是研究摩擦振动与噪声发生机理的关键.本文中建立了盘-销系统摩擦尖叫试验台架,成功再现了摩擦尖叫.采用三向力传感器对有无摩擦尖叫条件下的动态摩擦接触力进行了测量,并利用小波信号分解、概率密度函数、功率谱密度函数、时频分析等方法进行了分析和讨论.研究发现:在发生摩擦尖叫时,动态摩擦力和法向力发生高频波动,是系统噪声的激励源;无摩擦尖叫时的摩擦力和法向力的动态分量为典型的白噪声随机过程,呈非高斯分布;有摩擦尖叫时的摩擦力和法向力为窄带高频类谐波信号,摩擦力呈非高斯分布,而法向力近似为高斯分布;模态耦合是导致盘-销系统发生动态接触力高频波动以及摩擦尖叫的原因.     

水解／接枝处理诺梅克斯纤维织物复合材料的摩擦磨损性能研究

采用水解／接枝处理制备出Nomex纤维织物复合材料，用红外光谱仪分析处理前后纤维织物的结构，在玄武三号栓-盘式摩擦磨损试验机上评价了水解／接枝处理Nomex纤维织物复合材料的常温和高温摩擦磨损性能，用扫描电子显微镜观察Nomex纤维织物复合材料界面及其磨损表面形貌．结果表明：经过水解／接枝处理后，在Nomex纤维织物表面引入活性羧基基团，增加Nomex纤维织物的活性，使Nomex纤维织物与粘结树脂的结合力有所增加；水解／接枝处理前后Nomex纤维织物复合材料的磨损分为2个阶段，即严重磨损阶段和稳定磨损阶段，当载荷较低时，由严重磨损向稳定磨损的转化发生在摩擦前10min，当载荷较高时，复合材料一直停留于严重的磨损阶段，直到材料磨穿失效；水解／接枝处理明显提高了Nomex纤维织物复合材料的摩擦磨损性能和最大承载能力．     

磷酸酯离子液体对钢/铝摩擦副的摩擦性能研究

为解决钢/铝摩擦副润滑困难的现状,合成了1种磷酸酯类离子液体.采用SRV微动摩擦磨损试验机对其在钢/铝摩擦副条件下的摩擦学行为进行了测试;采用扫描电子显微镜（SEM）及X光电子能谱（XPS）对磨损表面进行了分析.结果表明：此磷酸酯离子液体对钢/铝摩擦副具有优良的减摩抗磨性能,优于常见的含氟类离子液体（LB106和LP106）及液体石蜡.SEM和XPS分析结果表明：磷酸酯离子液体在摩擦过程中于金属表面形成了包含有机金属配合物,磷酸铝盐的复合边界润滑膜,从而使其表现出优异的摩擦学性能.     

N/P无卤素离子液体润滑剂的链长与摩擦学性能的关系

合成了不同链长的N/P无卤素离子液体(NPILs:缩写为NP-11114，NP-11116，NP-11118)润滑剂，以聚α-烯烃(PAO 10)和卤素离子液体1-辛基3-甲基咪唑六氟磷酸盐(L-P 108)作为参照样，评价NPILs、PAO 10及L-P 108之间黏温性能、热稳定性以及室温和高温条件下的钢/钢摩擦副润滑剂的性能差异，探索了NPILs阳离子链长变化对其物理化学性质和摩擦学性能的影响规律. 结果表明:NPILs的黏度高于PAO 10和L-P 108，热分解温度低于PAO 10和L-P 108，NPILs黏度和热分解温度随着链长的增加而增加. 作为钢/钢摩擦副的润滑剂时，NPILs室温状态下减摩性能不及L-P108，但是NP-11118的抗磨性能优于L-P108；高温状态下，NPILs的减摩抗磨性能均优于L-P 108. 在常温和高温下NPILs相比PAO 10均具有优异的减摩抗磨性能，而且摩擦学性能随着烷基链长的增加而提高. 通过对磨斑表面进行扫描电镜分析证明这类离子液体具有优异的抗磨性能，通过EDS和XPS对磨斑表面的元素进行分析结果表明这类离子液体优异的摩擦学性能归因于离子液体结构中包含的N、P元素与金属基底发生摩擦化学反应所形成的具有优异减摩抗磨特性的摩擦化学反应膜.      

往复滑动干摩擦条件下碳烟颗粒的摩擦学特性研究

采用往复摩擦磨损试验机分别研究了生物质燃油碳烟颗粒和0#柴油碳烟颗粒对滑动干摩擦条件下铸铁/铸铁摩擦副摩擦磨损行为的影响;借助扫描电镜、原子力显微镜和拉曼光谱仪等分析测试设备探讨了不同碳烟颗粒的摩擦学作用机理.结果表明:引入碳烟颗粒后,铸铁摩擦副的摩擦磨损明显减轻,摩擦系数和磨损量均随往复频率的增加而增大;且生物质燃油碳烟颗粒的抗磨减摩效果优于柴油碳烟颗粒.其原因归于碳烟颗粒自身的力学特性、自润滑性以及摩擦副表面特性,主要包括含碳烟颗粒摩擦表面膜的形成、摩擦诱导铁基氧化物的生成,以及摩擦表面有序化碳含量的增加.     

摩擦振动信号谐波小波包特征提取

在销-盘摩擦磨损试验机上进行了船用柴油机缸套-活塞环摩擦配副摩擦磨损试验,应用谐波小波包变换分析了不同磨损状态下的摩擦振动信号.结果表明:谐波小波包变换可提取微弱的摩擦振动特征.当磨损机制为轻微的黏着磨损时,摩擦振动信号的频谱以边频为主,没有明显的固有频率,平均幅值小;当磨损机制以磨粒磨损为主时,摩擦振动信号的频谱出现较大峰值的固有频率,但仍存在大量的边频,平均幅值变大;当磨损机制以疲劳磨损为主时,摩擦振动信号频谱的固有频率更加明显,边频显著减弱,平均幅值最大.因此,谐波小波包变换可实现微弱摩擦振动信号的特征提取.