方向性菱形孔机械密封性能实验研究及机理剖析

采用自行搭建机械密封实验台,对菱形孔织构端面密封进行多种工况的机械密封运转试验,从而获得润滑和密封性能良好的端面织构。在给定工况条件下,考察菱形孔织构的尺寸、形状、排布方式以及深度对摩擦扭矩、腔体温度和端面温度的影响规律、端面间液膜的运动形态及其孔型成膜机理分析。结果表明:在同工况条件下,6种织构端面的摩擦扭矩排序为:6#≤4#≤3#≤2#≤7#≤1#,故摩擦学性能最好是6#试件;同样,所产生的密封腔体温度△Tq°C和端面温度△Td°C具有相似规律。具有合适孔型尺寸、孔深、分布形式和方向角的织构端面,会产生极好的动压、空化和界面滑移效应以及二次存储油液功能,可有效提高端面密封性能,减小端面摩擦扭矩。     

凹坑型微织构对不锈钢/皮质骨摩擦副摩擦性能的影响

采用MMW-1型立式万能摩擦磨损试验机研究了凹坑型微织构在微量润滑条件下对4cr13不锈钢/猪骨皮质骨摩擦副的滑动摩擦性能的影响.利用激光加工技术在4cr13不锈钢盘上加工出不同尺寸的凹坑型微织构.在相同载荷、转速情况下,分析有无微织构对摩擦副摩擦系数的影响,以及凹坑型微织构的直径、间距、深度对微织构减摩性能的影响.结果表明,在试验参数范围内,微织构参数中凹坑的间距对摩擦系数的影响最显著,深度次之,直径对摩擦系数影响最小.     

织构化的铝合金表面摩擦学特性研究

本文利用精密加工方法在铝合金表面加工出不同的织构,通过摩擦磨损试验研究了表面织构形态对试样动压润滑、摩擦磨损特性的影响。结果表明,铝合金表面织构化可以有效地改善其摩擦学特性。条纹状织构深度越深,动压润滑效果越好,摩擦系数越小,磨损深度越浅;当网状织构夹角由小变大时,试件表面摩擦系数呈现抛物线变化,磨损深度随之增大。     

滑动速度对织构化表面润滑状态的影响

为了研究滑动速度对织构化摩擦副的润滑状态的影响,采用Nd:YAG固体脉冲激光对GCr15钢盘表面进行织构化处理,形成直径约150μm、深度约30~40μm的环形排列的微孔。在摩擦试验机上对Al_2O_3陶瓷球/GCr15钢盘进行摩擦学性能测试,并基于Stribeck曲线和弹流理论研究滑动速度对织构化表面润滑状态的影响。研究结果表明:在油润滑条件下,试样的摩擦因数随滑动速度的增大而减小。当滑动速度大于2 m/s,润滑状态从混合润滑逐渐进入到流体润滑区域;而经过织构化处理的配副能在较低的速度下实现由混合润滑向流体润滑状态过渡。根据磨损形貌比对可以看出:在流体润滑状态下,织构可以增加摩擦配副间的润滑膜厚度,使流体产生额外动压,提高油膜承载能力,减少磨痕宽度。     

不锈钢表面条纹织构倾斜角对摩擦性能的影响

利用电加工的方法在不锈钢表面分别制备了垂直织构和倾斜织构两种条纹织构试样,利用UMT-3摩擦磨损仪研究了具有不同倾斜角表面织构试样的摩擦性能,考察了在干摩擦和油润滑条件下摩擦接触副在织构区摩擦系数的变化情况,分析了条纹织构倾斜角对摩擦性能的影响.结果表明,钢球在织构表面区域滑动过程中,摩擦系数经历了一个先降低后增高的过程,即织构的存在导致了摩擦系数的波动.与垂直织构相比,倾斜织构会导致更明显的摩擦系数波动,且波动幅度与织构倾斜方向有关.当摩擦方向与织构倾斜方向相同时,摩擦系数的变化幅度较反方向更大.     

椭圆形截面织构的最优参数设计模型

为建立流体润滑状态下表面织构的最优参数设计模型,采用求解表面织构润滑计算模型的方法研究织构参数和工况参数对摩擦因数的影响规律.研究结果表明:最优织构直径越大,其对应的最优织构深度也越大;深径比参数不能作为织构尺寸参数对摩擦因数影响的唯一表征,即织构直径和深度2个参数应分别进行研究,但当深径比在0.005～0.01之间时,不论织构直径和深度如何,其对应的摩擦因数均较小;最优织构面积比与织构尺寸参数及工况参数无关;载荷越大,速度越小,对应的最优织构深度越小,而最优织构直径越大.在仿真结果的基础上,建立椭圆形截面织构的最优参数设计模型,并对模型进行试验验证和应用分析.     

微菱形织构表面旋转轴密封性能研究

综合考虑液膜空化及质量守恒边界条件,构建了轴面微菱形织构油封模型,通过数值计算获得膜压分布和微菱形孔结构参数对密封性能的影响关系。结果表明：微菱形孔所引起的动压效应可使膜压场产生变化,从而影响密封可靠性、润滑特性和泵汲效应;通过改变结构可控制泵吸方向、稳定液膜和减小摩擦。为提高稳定性和泵汲效应,并降低泄漏和磨损,选用半轴比γ=0.4~0.6、孔深h₁=1.5~4.5μm和微孔旋转角α=40°~50°轴面微菱形孔织构更为合理。     

过盈配合织构界面间渗流润滑对拆解损伤的影响

过盈配合件拆解时极易发生摩擦损伤,研究发现在过盈配合界面上添加激光凹坑织构,可显著降低拆解损伤。但由于添加织构的过盈配合界面拆解仍为干摩擦拆解状态,当过盈量过大时,织构化界面仍会形成较严重的拆解损伤。为此,基于岩石渗流原理,文章采用渗流试验将润滑剂引入配合面,实现过盈配合面的润滑拆解,并通过拆解实验分析大过盈量拆解时配合面的损伤情况。结果表明：过盈配合界面上加工出保留熔融层的凹坑织构,在一定渗流条件下可以将润滑油引入配合面中,形成边界润滑或混合润滑状态,且蜂窝织构的渗流效果较为突出;在大过盈量状态下,当接触压力为200 MPa时,有熔融层蜂窝织构干摩擦拆解相较于无织构拆解能够减小拆解损伤,但最大损伤深度仍有76.7μm;而有熔融层蜂窝织构渗流润滑拆解与有熔融层蜂窝织构干摩擦拆解相比,拆解损伤明显降低,可达到无损拆解。     

低黏度润滑油与织构对活塞环-缸套摩擦特性的影响

针对活塞环-缸套系统的摩擦行为建立了模型并进行数值求解,考虑了气穴现象和混合润滑的影响,研究了低黏度润滑油条件下织构对活塞环-缸套系统摩擦特性的影响,对比了在低黏度润滑油SAE0W20和SAE5W20的条件下活塞环表面含半径30μm、深度3μm的球形织构与不含织构的活塞环-缸套系统摩擦特性.结果表明:织构的作用与润滑油黏度密切相关;在润滑油SAE0W20的条件下,球形织构起到了一定的减摩作用;在润滑油SAE5W20的条件下,球形织构增大了系统的摩擦功率损失和摩擦平均有效压力.     

射流表面射流孔菱形排布减阻特性实验分析

针对射流表面流场特性,以回转体的U-PVC管为实验样件载体,在其表面上加工出按菱形排布的射流孔结构.在射流表面减阻测试实验平台上,对光滑表面和不同射流孔排布方式的射流表面所受摩擦扭矩进行模型实验,分析射流孔排布、射流速度、旋转速度等因素对射流表面减阻率的影响,研究射流孔不同排布方式下射流表面减阻特性.结果表明:不同排布方式的实验样件射流表面具有较好减阻效果,射流孔菱形排布的两个对角线均能影响射流表面减阻特性.     

不同试验条件下C/C复合材料的摩擦磨损性能

利用MM-W1型立式万能摩擦磨损试验机测试C/C复合材料在不同载荷(0.5, 1.0,1.5 MPa)及不同润滑(干态、水润滑、油润滑)条件下的摩擦磨损性能,借助扫描电子显微镜对不同状态下的磨损表面形貌进行观察分析.结果表明:摩擦系数均随摩擦时间的增加而增大至一定范围内保持稳定;随着载荷的增大,干态条件下的摩擦系数不断减小;相同载荷下,干态摩擦试样的摩擦系数最大,磨损率最小;干态条件下能形成完整、光滑的磨屑膜,有效隔离了材料与对磨销之间的接触,降低了磨损率;油润滑和水润滑条件下形成的液态膜具有润滑作用,降低了摩擦系数,但不利于磨屑膜的形成,导致磨损率较大.     

织构化表面固体润滑性能试验

采用激光表面织构技术,在45#钢试样表面加工微凹坑形貌,将固体润滑剂MoS2压填至微凹坑内,利用UMT-2型多功能摩擦磨损试验机,考察其在不同载荷条件下,不同间距微凹坑试样的摩擦磨损特性,并通过扫描电镜与能量色散谱仪对磨损表面进行测试分析.结果表明:集成运用激光微织构技术与固体润滑技术,能有效提高表面润滑性能;与未织构光滑试样相比,激光表面织构试样摩擦系数显著降低;一定范围内,随着织构密度增加,表面摩擦系数减小,耐磨、抗擦伤性能明显提高,较佳的织构面积占有率为19.6%~30.0%;微凹坑中预埋的固体润滑剂在摩擦过程中能有效涂覆到试样接触表面,形成稳定可靠的固体润滑膜.     

铝碳陶瓷材料的摩擦磨损性能

以铝碳陶瓷材料作为研究对象,利用摩擦磨损实验机研究了铝碳陶瓷材料在干摩擦和固体润滑两种状态下的摩擦磨损性能,并采用有限元方法分析了两种摩擦状态下的应力分布情况.实验结果表明,干摩擦及润滑状态下试样的滑动摩擦系数随载荷的增加而减少;并且润滑状态下滑动摩擦系数仅是干摩擦状态下滑动摩擦系数的1/2左右; 有限元分析结果表明,铝碳陶瓷材料干摩擦状态下最大剪切应力大于最大正应力,试样表面容易发生由微断裂引起的磨粒磨损.固体润滑状态下的接触应力很小,这是因为固体润滑状态下主要发生的是固体润滑涂层材料之间的内摩擦.     

表面织构对巴氏合金轴承材料摩擦学性能影响

为了改善滑动轴承混合润滑时的摩擦学性能,在锡基巴氏合金表面加工出矩形阵列和发射线阵列的圆坑织构.采用销-盘式摩擦实验机和数值模拟对织构的润滑性能及机理进行分析,研究不同滑动速度和载荷下表面织构的摩擦系数,并数值模拟了表面织构的油膜压力分布.实验结果表明:表面织构能降低混合润滑的摩擦系数.随着滑动速度的增加,表面织构的减摩性能更佳;但是随着接触压力的增加,表面织构的减摩性能降低.相对于发射线阵列织构,矩形阵列织构的摩擦系数更低并且稳定性更好.面密度为8.6%的矩形织构阵列(3#)具有较优的摩擦学特性,在滑动速度0.3m/s、载荷5.0 MPa下的摩擦系数为0.015.模拟结果表明:相对于发射线型阵列织构,矩形阵列织构的油膜压力分布能减小润滑油泄漏,从而获得较好的摩擦学特性.     

碳纤维锻造复合材料的摩擦行为

采用模压成型工艺制备了环氧树脂基碳纤维锻造复合材料,测试了该材料在干摩擦和水润滑摩擦条件下的不同摩擦行为,研究了两种摩擦条件下摩擦系数的变化特性差异,并进一步分析了微观磨损机理.结果表明:两种不同摩擦条件下锻造复合材料的摩擦系数展现出不同的变化趋势,干摩擦条件下摩擦系数经历了初始稳定期、转移膜形成期和稳定期3个阶段,期间形成的含铁转移膜具有自润滑效应;水润滑摩擦条件下由水润滑膜主导复合材料的摩擦行为,摩擦过程能快速进入稳定期,摩擦系数和磨损率较小,磨损率保持较为稳定;锻造复合材料在两种摩擦条件下的摩擦系数减少率基本相同.     

缸套表面复合织构润滑性能理论及试验研究

通过建立织构化缸套活塞环混合润滑理论计算模型,基于织构协同润滑机理模拟分析,设计、计算了槽腔及交叉沟槽2种复合织构,同时结合摩擦学性能试验,研究了复合织构对摩擦副润滑性能的影响。结果表明,复合织构润滑性能明显优于单一织构,较槽腔复合织构而言,交叉沟槽织构在改善润滑摩擦性能方面效果更好。复合织构改善润滑的原理是:在上止点处通过协同叠加形成局部高压油膜,从而缩小了混合润滑范围;在行程中部区域通过协同互补有效地弥补了空化区域的油膜压力衰减,从而延展了有效承载面积。相比单一凹腔织构,槽腔复合织构在各行程中部区域的最小膜厚比可增加34.3%左右,交叉沟槽织构可增加57.6%,槽腔复合织构的循环摩擦功耗可降低8.2%,交叉沟槽织构可降低19.7%。摩擦磨损试验结果显示,相对于未经织构试样,织构试样表面的润滑性能可得到显著改善,尤其是交叉沟槽织构,其摩擦系数最大可降低48.1%。     

氯化胆碱作为润滑剂研究

研究了氯化胆碱在钢-钢摩擦副表面上不同速度不同载荷条件下的润滑特性.在利痕试验机和销盘式摩擦磨损试验机上测定不同速度不同载荷条件下的摩擦系数,分析其润滑特性;通过测试摩擦副表面粗糙度、润滑剂吸附力,研究其润滑机理;结果表明,用氯化胆碱作为润滑剂,钢-钢摩擦副之间能出现低的摩擦系数,但在摩擦一段时间之后,润滑剂会失去,摩...     

考虑粗糙度影响的表面织构最优参数设计模型

为考察表面粗糙度对织构表面摩擦学性能的影响,采用求解基于平均雷诺方程的表面织构润滑计算模型的方法,研究综合粗糙度和方向参数等对摩擦系数及最优织构参数的影响规律.结果表明:当织构表面具有横向粗糙条纹时具有较优的摩擦学性能表现;当综合粗糙度σ<0.5μm时,摩擦系数和最优织构深度不随综合粗糙度的变化而变化,当σ≥0.5μm时,摩擦系数和最优织构深度随粗糙度的增大而增大;最优织构直径随综合粗糙度的增大而增大,最优织构面积比与综合粗糙度之间不相关,最优织构参数不随方向参数的变化而变化.在仿真结果的基础上,建立考虑粗糙度影响时表面织构的最优参数设计模型,试验验证所建立的模型是合理的和正确的.     

气缸套表面微织构填充的摩擦学性能实验研究

为了探究气缸套表面微级织结构(简称微织构)填充的摩擦学性能,在其试样表面进行微织构并分别填充蛇纹石和二硫化钼微纳米粉。在高载和低载条件下,通过往复式摩擦磨损试验机进行实验,利用SEM、EDX观察试样表面形貌和元素成分,探索表面微织构填充气缸套试样的摩擦行为和磨损机理。结果表明:微织构填充气缸套试样的摩擦学性能在高载荷和低载荷条件下都好于单微织构及机械珩磨的气缸套试样,其减摩耐磨性能是微织构和填充物质协同作用的结果;并且较大尺寸的微坑内径对摩擦系数的影响效果更明显;二硫化钼对摩擦系数的改善效果好于蛇纹石。     

不同粗糙度条件下硅橡胶表面织构润滑特性的研究

为了研究表面织构在不同粗糙度条件下的润滑特性,使用球-盘式摩擦实验机,以具有不同粗糙度和表面织构的硅橡胶(PDMS)试样盘为下试样、GCr15轴承钢球为上试样进行摩擦实验,润滑液采用体积分数为60%的甘油-水溶液.实验结果表明,在较低的滑行速度下,表面织构会增大光滑PDMS试样的摩擦因数,但却降低粗糙PDMS试样的摩擦因数.当摩擦副处于混合润滑状态时,试样表面粗糙度有一个最优值范围,在该范围内织构化的试样具有最优的摩擦性能,如在滑行速度为1mm/s、织构面积率为10.4%的情况下,粗糙度为230nm的试样比粗糙度为20、280和360nm的试样具有更低的摩擦因数.