汽车制动过程中摩擦层结构的发展及其对摩擦性能的影响

汽车制动过程中摩擦材料和摩擦盘表面形成摩擦层,摩擦层的组成和结构与摩擦材料的本体组成和结构不同.摩擦层结构的生成与破坏过程即摩擦层结构的发展是理解摩擦材料组成和摩擦性能关系的桥梁.本文综述了汽车制动过程中摩擦层形成的两种主要机理：磨屑聚集和物质选择性转移,分析了这两种机理在摩擦材料表面形成摩擦层结构生成与破坏的发展过程,讨论了摩擦层结构发展对摩擦系数和磨损率的影响.     

聚乙烯醇／羟基磷灰石复合水凝胶的摩擦磨损机理研究

选用高分子聚乙烯醇（PVA）和纳米羟基磷灰石（HA）为原料，采用反复冷冻-解冻法制备PVA／HA复合水凝胶．在超高精度三维轮廓仪和扫描电镜上观察PVA／HA复合水凝胶的微观形貌，采用平头圆柱压头测定PVA／HA复合水凝胶的压缩弹性模量和应力松弛特性，在微摩擦试验机上开展PVA／HA复合水凝胶与牛膝关节软骨之间的摩擦磨损实验，利用环境扫描电镜表征试样磨损后的表面形貌．结果表明，PVA／HA复合水凝胶具有与天然骨组织相似的交联网状微观结构，随着冷冻．解冻次数和HA含量的增加，PVA／HA复合水凝胶交联度增加，结晶程度增强，弹性模量显著提高，应力松弛速率增大，应力平衡值降低；摩擦系数随冷冻-解冻次数和HA含量的增加而降低，且冷冻-解冻次数越大，摩擦系数达到稳定平衡值的时间越早；PVA／HA复合水凝胶／牛膝关节软骨配副的摩擦变形深度随冷冻．解冻次数和HA含量的增加而减少；PVA／HA复合水凝胶的磨损机理主要表现为塑性流动和粘着现象，磨损轻重程度随冷冻-解冻次数和HA含量的增加而降低．     

低温/宽温域下自润滑关节轴承摩擦学性能研究

针对我国大型低温风洞设计建设中关键运动执行机构的运动精度和稳定性需求,开展了低温/宽温域环境下,自润滑关节轴承的摩擦磨损规律和模拟服役性能研究.自主研制了低温关节轴承试验机和适用于低温工况的自润滑关节轴承,开展了113～323 K宽温域范围内的摩擦磨损试验,研究了温度、载荷对关节轴承整体摩擦系数的影响规律,并开展了关节轴承的低温耐久性试验.研究结果表明:随着环境温度的降低,关节轴承的动、静摩擦系数均呈现先上升后平稳或下降的趋势,反映了热激活效应和自润滑材料理化特性对其摩擦性能的综合影响规律;温度高于153 K时,较高载荷有利于摩擦转移膜的形成,从而导致摩擦系数降低,然而当温度低于153 K时,几乎难以形成转移膜,载荷越大磨损越严重,因此摩擦系数在高载荷下反而更大;经过113 K低温下30000摆次试验,关节轴承的动摩擦系数略有升高,但仍低于0.18;轴承磨损量不大于0.08 mm,外圈内表面上织物磨损均匀,并在内圈表面形成转移膜以起到润滑作用.     

方向微孔表面动压效应实验研究

表面微孔的方向性可以改变表面流体的流向,在孔区末端的汇聚挤压形成明显的流体动压效应.文中以椭圆微孔表面为研究对象,通过环环润滑实验考察了方向微孔表面的动压效应.对不同倾斜角、方向因子和开孔面积的微孔表面,在不同载荷和转速工况下的膜厚和摩擦扭矩的变化规律进行了研究.实验结果表明：方向微孔通过改变流体的流向形成表面流体膜动压效应,方向微孔表面具有显著的动压承载能力,使摩擦副端面迅速打开,容易形成全膜润滑,避免表面间的摩擦磨损;微孔方向因子、倾斜角等参数对表面动压效应影响明显,方向性越强、转速越高,动压效应越大,表面流体膜承载能力越高.实验结果与理论分析相一致,方向性微孔可有效改善密封端面的动压开启性能.     

改善汽油机燃油经济性的生物基添加剂研究

将棕榈油的提取物作为添加剂，分别以0．2％，0．4％和0．6％的体积比例加入基础汽油（辛烷值93的市售汽油）、已知成分汽油、乙醇汽油和甲醇汽油中，采用城市路况车用典型发动机转速2000r／min负荷特性下的台架试验，并对基础汽油中添加0．6％的添加剂油品进行道路试验，对加剂前后的汽油机燃油经济性和排放性进行了比较分析．结果表明：对于基础油和已知成分汽油，分别添加0．4％和0．2％比例的添加剂，其节油效果最大分别达到8．1％和10.2％；醇类汽油燃油消耗率高于纯汽油，E10和M10汽油分别比基础油的质量燃油消耗率高出3．1％和3．9％；在0．6％的添加比例下，M10和M20汽油燃油消耗率平均降低约为3．7％；道路试验平均节油约7．0％．同时通过定容燃烧弹、缸内燃烧过程分析、同步辐射以及高温摩擦试验等手段，从燃烧特性和摩擦学的角度初步探讨了这种生物基添加剂的节油机理．试验结果反映使用添加剂后可以提高最大缸内压力和增大燃烧放热率、改善排放，并且能够大幅度的降低摩擦系数．     

潮湿环境下非氢类金刚石薄膜的超自润滑性能研究

采用脉冲激光沉积（PLD）方法在不同衬底温度条件下制备了不含氢的类金刚石薄膜，在相对湿度为80％与5％的条件下测试了类金刚石薄膜的摩擦学特性．由于PLD方法的独特性，薄膜具“软-硬”双层结构，保证了薄膜在潮湿条件（RH=80％）下仍保持非常优异的摩擦性能，摩擦系数与磨损率最低达0．045与5．94×10^-10mm^3·N^-1·m^-1，相对于干燥条件下测试结果来看，几乎没有明显变化．原子力显微镜与白光干涉仪测试结果表明，薄膜的均方根粗糙度小于1nm，最小值为0．209nm；XPS表明薄膜sp^3最高含量达72％，并且Raman光谱结果表明室温下制备的薄膜是非晶网络结构；纳米压痕迹测试表明，薄膜最高硬度与弹性模量分别达51 GPa与350 GPa，且随衬底温度升高而降低；样品表面的水接触角均大于90°，薄膜表面疏水并具有极低的表面能．     

仿尺蠖步态的爬杆机器人的动态仿真研究

以仿尺蠖步态的爬杆机器人为研究对象，对其机械结构及行进步态进行了分析，并进一步利用ADAMS软件建立了该仿生机器人的虚拟样机，对该仿生机器人进行了动态模拟仿真实验。研究了在爬杆过程中仿生机器人头部与尾部的速度及位移随时间的变化关系，以及该仿生机器人对变直径工作杆的适应能力，同时分析了不同摩擦材料制成的自锁机构对机器人运动特性的影响。仿真结果表明：该仿生机器人对于直径在一定范围内变化的工作杆有着较好的适应能力，且自锁机构的静摩擦系数为影响该机器人运动特性的关键参数。     

摩擦伏特效应

摩擦起电是一个普遍存在的现象,几乎发生在任何材料界面,其中半导体之间的摩擦起电具有独特的性质.当p型半导体在n型半导体表面摩擦时,两个材料界面在机械滑动的作用下发生化学键的断裂以及新化学键的生成,释放能量(简称键合子“bindington”)并激发半导体界面电子-空穴对.摩擦激发的电子-空穴对在p-n结处的内建电场作用下分离并产生直流电,这个过程与光伏效应类似,因此该现象被命名为摩擦伏特效应.摩擦伏特效应与光伏效应唯一的不同是摩擦伏特效应中电子-空穴对是由界面原子瞬时结合成键而释放的能量所激发,而光伏效应是由光所激发.本文回顾了近年来摩擦伏特效应研究的相关进展,总结了基于摩擦伏特效应的摩擦伏特发电机技术及其潜在应用.摩擦伏特效应作为半导体界面接触起电中重要的一环,对其研究不仅有助于深入了解接触起电的机理,还有望推动摩擦纳米发电机、半导体等研究领域的发展.     

热及电场诱导石英玻璃的理论分析

基于实验结果, 归纳了热及电场诱导石英材料的3个基本结论. 在此基础上, 计算了经热及电场诱导块状石英玻璃的二阶非线性光学系数, 并得到了该值与诱导中的外加电压和诱导后产生的非线性层厚度的关系. 理论结果表明：经诱导的块状石英玻璃的二阶极化率χ⁽²⁾ 和二次谐波效率h 分别与外加电压成平方根和平方关系. 经一般热及电场诱导后, 块状石英玻璃的χ⁽²⁾ 为0.2~1.6 pm/V. 当热及电场诱导石英玻璃近似达到稳定状态后, χ⁽²⁾ 随着诱导时间的延长而减小. 理论结果与实验报道相当吻合.     

风机偏航执行机构噪音剖析和预防

国内外对风机偏航噪音源的发现和解决方案有很多,但缺少原因的实用性分析和预防.针对此问题,以固体摩擦的现代理论为基础,分析实际工程中遇到的摩擦面间不平行、润滑油或脂缺失、偏航阻尼过大或过小、齿轮副轮齿损坏等状态如何改变摩擦面间的黏性切向力和犁削力,进而剖析产生偏航噪音的根本性原因.提出了噪音预防措施,从调节螺栓的选取、导油槽的设计,到安装过程中危险缝隙的消除,再到维护事项,将噪音消灭在萌芽状态.从运行效果看,实施预防措施的风力发电机组没有发生偏航噪音故障.     

低密度聚乙烯中空间电荷包的形成与迁移过程

利用压力波法(pressure wave propagation, PWP), 在中低电场下对低密度聚乙烯中的空间电荷包行为的研究发现, 施加在样品上的外电场极性变化并不改变空间电荷包的产生和迁移规律, 即正负极性的外加电压都是在样品阳极处产生正极性的空间电荷包而且总是向阴极迁移. 还对空间电荷包在30~40℃温度下空间电荷包的宏观迁移率、空间电荷包的电荷来源以及电荷的陷阱能级作了探讨.     

组合摩擦材料研究

由于国内外摩擦材料的研究仍处于经验阶段，我们提出组合摩擦材料的概念并进行了组合摩擦材料研究，旨在解决摩擦材料配方研究中存在的三个问题：如何选择原材料，如何匹配原材料含量和摩擦材料性能优化。组合摩擦材料研究包括用组合方法筛选和评价原材料和用黄金分割法优化摩擦材料配方是解决经验地尝试法研究摩擦材料配方的一个有效途径。用组合方法筛选和评价原材料，通过组合路线考察原材料间的相互作用，寻找具有协同效应的原材料组合规律，可以合理选择原材料和合理设计摩擦材料配方。用黄金分割法可以优化摩擦材料性能。通过组合摩擦材料研究可以实现摩擦材料的研究从经验走向科学。两个实例证明了组合摩擦材料研究的可行性。     

机械密封端面间液膜摩擦热的传热规律

建立了由机械密封的动环、静环、端面间液膜和密封介质组成的传热系统，研究了液膜摩擦热的传热规律．影响传热规律的主要因素有密封环对介质的给热系数、摩擦热流密度和摩擦热的分配系数等．推导了密封环与液膜的温度分布方程，在考虑液膜黏度随温度变化的基础上，对液膜的摩擦热和密封环的热变形进行了耦合分析，确定了变形端面之间的夹角．研究表明，液膜摩擦热对液膜特性和密封性能的影响显著，其不仅改变了端面间的间隙形式，而且使液膜黏度减小，导致泄漏率增加．传热系统的最高温度位于液膜内径处，绝大部分摩擦热通过动环传递到介质中．依据提出的传热分析方法，可确定密封环的最佳几何尺寸并选择合适的密封环材料．     

并联型12脉波整流系统直流侧有源谐波抑制研究

为提高多脉波整流系统的谐波抑制能力,降低系统的开关损耗,研究了一种多脉波整流系统直流侧有源谐波抑制方法.根据多脉波整流系统交、直流侧电流关系,分析了输入电流为正弦波时所需的环流,并给出了可实现的环流形状;根据有源平衡电抗器副边电压和可实现环流的关系,确定了可通过在有源平衡电抗器副边串联电阻消耗输入电流谐波能量;为回收串联电阻所消耗的谐波能量,设计了半桥PWM整流电路串联于有源平衡电抗器副边,回收谐波能量并返送给负载,实现了谐波能量的回收再利用.实验结果表明,PWM整流器正常运行时,系统功率因数近似为1,且系统的谐波抑制性能不受负载变化和输入电压变化影响.     

淡水龙虾螯的结构及力学性能的研究

本文用X射线衍射仪、场发射电子显微镜和能谱仪分别分析和观察了龙虾螯的微观结构和成份,并用纳米压痕仪和UMT-2摩擦磨损实验机测量了龙虾螯的硬度和摩擦学特性.结果表明：龙虾螯含有Ca,Mg,C,O和Na等元素,以非晶的矿物质相存在.在螯的表面存在微小凹坑和半圆微凸起,在凹坑内和微凸起周围有刚毛,刚毛上有小刺,呈非光滑表面.螯被分为上表皮、外表皮和内表皮,其外表皮层和内表皮层是由螺旋夹板层构成.螯的表面硬度和弹性模量分别为0.27和5.28 GPa.随着横截面距离的增大,龙虾螯的硬度和弹性模量逐渐降低,存在明显的力学性能梯度.当热处理温度低于200°C时,螯的硬度和弹性模量变化不大,随后逐渐增加.在水润滑条件下,螯/氮化硅摩擦副的摩擦因数大于其干摩擦下的摩擦因数.该研究为抗压复合材料和抗摩表面的设计提供仿生学依据.     

电压源电流源混合型高压直流输电控制方法研究

由传统电网换相换流器（1ine．commutated—converter，LCC）和电压源换流器（voltage source converter，VSC）构成的混合型高压直流输电（hybrid—HVDC），结合了LCC和VSC的优势，是一种新型拓扑，具有广泛的应用前景．研究了整流侧采用VSC，逆变侧采用LCC的混合直流输电系统，建立了其数学模型．针对其逆变侧LCC易发生换相失败的情况，设计了新的抑制换相失败的协调控制策略，即在整流侧VSC采用定直流电压控制的基础上设计低压限压控制，逆变侧LCC采用包含低压限流的定直流电流控制的基础上加入定关断角备用控制．在电磁暂态仿真软件PSCAD／EMTDC下进行了正常和故障情况下的仿真，对比采用基本的控制策略和新的协调控制策略时系统的故障特性，验证了所设计的控制策略可以有效降低换相失败发生的概率，而且可以改善混合直流输电系统的故障恢复特性．     

油酸功能化金属有机框架纳米片的摩擦学性能研究

利用对苯二甲酸与乙酸铜为原料,采用超声辅助自组装合成了铜基金属有机框架(Cu-MOF)纳米片,之后通过超声处理将油酸分子修饰于Cu-MOF表面,得到Cu-MOF@OA纳米片.相比于Cu-MOF纳米片, Cu-MOF@OA纳米片在保持片状结构的同时,其尺寸进一步减小,同时也使团聚问题得到了极大改善,在基础油500 N中表现出良好的分散稳定性.摩擦学试验表明,在1.0 wt.%的添加浓度下, Cu-MOF@OA展现出最佳的摩擦学性能,其摩擦系数降低至基础油的3/5,磨损体积降低至基础油的1/6.最后,利用扫描电子显微镜(SEM)与X射线光电子能谱(XPS)对Cu-MOF@OA纳米片润滑后的磨痕进行形貌和特征元素的表征,探究其润滑机制.结果表明,摩擦过程中在负载和剪切应力的共同作用下, Cu-MOF@OA纳米片、基础油以及铁基底三者之间发生了复杂的摩擦化学反应,形成了由含氮物质、含碳物质与铁氧化物组成的摩擦膜,降低了摩擦磨损.     

柔性隔离层下多漏斗矿岩流动特性及影响因素正交模拟试验

研究散粒体的流动性能及其影响因素对于降低损失和贫化具有重要的意义.借鉴前人研究成果,选择了隔离层厚度、隔离层界面摩擦系数、颗粒摩擦系数、颗粒半径、墙体摩擦系数5项主要影响因素,采用正交实验法。建立了五因素三水平正交放矿数值模型;通过对多漏斗放矿条件下矿岩流动规律的模拟,探讨了柔性隔离层作用下多漏斗放矿流动特性;结合多漏斗放矿试验特点,选取放出量与放出体交线高度比与隔离层起伏角为评价指标.利用矩阵分析法,获取指标体系的权矩阵,阐明了影响因素作用规律.研究结果表明:多漏斗放矿条件下,因各放矿口间的相互影响而产生交错、缺失等不同程度的变异,放出体并不呈规则椭球体形状;隔离层界面在放矿初期呈近似水平下移,后期弯曲起伏较大,呈圆弧形下移,直至放矿终了以波浪形悬浮于底部结构;隔离层运动形态对放矿效果的影响起着至关重要的作用;5项主要因素影响的主次顺序是墙体摩擦系数、颗粒摩擦系数、颗粒半径、界面摩擦系数、隔离层厚度;当墙体摩擦系数为0.2、颗粒摩擦系数为0.8、颗粒半径为0.008m、界面摩擦系数为0.8、厚度为0.005 m时,放矿效果最佳.     

基于薄膜拍打型摩擦纳米发电机的风能收集研究

大量无线传感器网络节点的能量供给是目前限制物联网技术发展的一个瓶颈.作为新型能量收集技术,摩擦纳米发电机在环境能量收集方面有着显著优势,为解决无线传感节点供电问题提供了技术思路.本文基于摩擦纳米发电机和风致振动原理,提出并系统研究了一种薄膜拍打型摩擦纳米发电机(FF-TENG),实现了风能高效收集.本文采用仿真软件分析了薄膜拍打过程中的电场分布,利用流场显示方法展示了薄膜的运动状态.同时,研究了薄膜材料、风速、薄膜长度、薄膜串联对FF-TENG输出性能的影响规律.研究发现:随着风速提高,薄膜拍打频率增加,摩擦纳米发电机输出的短路电流增大,而输出电压和转移电荷量在风速超过4.7 m/s之后保持稳定.随着薄膜长度的增加,其拍打频率降低较快,单位长度上的发电性能呈现先增后减的规律.在双薄膜FF-TENG实验中,上游薄膜的扰动导致下游薄膜的拍打幅度更大,这使得两个短薄膜的输出电压比单个长薄膜提升了45%.通过演示实验,本文设计的薄膜拍打型摩擦纳米发电机成功地驱动了温度传感器,并点亮了至少300盏LED灯,表明其在无线传感器供电领域有着广阔的应用前景.     

高速可压缩流动壁函数边界条件的改进与应用

为发展适用于高速流动的壁函数边界条件以降低摩阻和热流模拟时的网格相关性，针对Nichols等人提出的可压缩壁函数边界条件开展了改进研究．首先，通过数值试验修正了可压缩速度壁面律的参数取值·9其次，基于数值试验和理论分析，对温度壁面律的表达式进行了修正；最后，推导了近壁区的热传导项表达式，更准确地实现了壁函数边界条件与CFD程序的耦合．之后，对修正的可压缩壁函数边界条件开展了应用研究．对超声速平板湍流边界层的模拟结果表明：壁函数在壁面法向第1层网格y＋〈400时均能给出准确的壁面热流密度和摩擦系数值，且在稀网格下也可得到合理的边界层速度型、温度型以及湍流涡黏性系数分布；数值实验表明对原始壁函数的修正显著提高了热流密度和摩擦系数的模拟精度．对包含分离流动的超声速凹槽和高超声速轴对称压缩拐角算例的数值模拟发现：基于充分发展的附着湍流边界层理论建立的可压缩速度壁面律对分离区内部近壁区仍然近似适用，可保证分离区内部给出可靠的摩擦系数和热流密度；而对于分离／再附点附近，壁函数的模拟精度相对较差，其原因在于分离／再附点附近的真实速度型与壁函数中速度壁面律形式出现明显差别．