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网友wuxwivg046近日为您收集整理了关于仿生非光滑表面技术在机械工程中的应用.pdf的文档，希望对您的工作和学习有所帮助。以下是文档介绍：新技术新工艺 20]2年 第 5期 1 用仿生非光滑表面技术制备缸套铝合金活塞在铸铁缸套内的滑动,如同柔软的蚯蚓在相对其基体坚硬得多的土壤中钻行一样,如果没有充分的润滑必然会受到磨损。蚯蚓组织结构及其非光滑体表 如图 2所示。仿照蚯蚓能够分泌体表液的特点,通过对活塞的表面形态进行仿生改形,在短时间润滑不良时,利用仿生形态提供润滑油,实现油膜润滑的功能,就可以降低活塞与缸套之间的摩擦与磨损,达到功能仿生的目的。妇前菜口刚毛受精囊雌孔雄孔瑕带图 2 蚯蚓组织结构及其非光滑体表 Nakada[7]通过对一种典型发动机调查发现,发动机的摩擦力消耗大部分的能量,而在发动机的零部件中,活塞环及气缸套系统的摩擦损失最大,占 50￣60 。减小活塞环及气缸套系统摩擦力的关键是适当的润滑与表面粗糙度,在此方面各国学者作了大量研究 l8刮。在 1980年 Rohde首次提出用非光滑表面减小摩擦力的方法,Ronen等人运用不同尺寸的凹坑表面于活塞环模拟活塞环及气缸套系统。研究结果表明,非光滑表面比光滑表面试件的平均摩擦力减小 3O 甚至更多。根据仿生学理论,邓宝清等利用铝合金活塞和铸铁气缸套材料设计了光滑和几种不同仿生非光滑形态的摩擦副,如图 3所示,并在摩擦试验机上进行磨损对比试验。试验结果l_1 ”表明,在干摩擦条件下非光滑形态和光滑形态的摩擦副的摩擦性能基本一致;在沾油润滑条件下仿生非光滑形态的摩擦副的抗黏着图 3 蚯蚓组织结构及其非磨损性能要明显优于光 光滑体表滑形态,最佳非光滑形态比光滑形态的抗磨损性能提高 4倍多,其原因是在有润滑条件下,仿生非光滑形态具有较强的储存润滑油及形成油膜的能力。裴荣薛对非光滑活塞一缸套摩擦副摩擦生热进行模拟,结果表明,表面带有凹坑的非光滑活塞可改善试件的界面温度分布,使裙部表面温度分布均匀, 提高活塞裙部表面的耐磨性,延长活塞的使用寿命。其原因是非光滑活塞裙部表面温度集中区域分散、影响面积小,不易引起磨损积聚及牵连作用,而光滑活塞裙部表面存在温度集中现象。其模拟结果与邓宝清口l_在内燃机活塞缸套系统非光滑效应的仿生研究结果吻合。 2 用仿生非光滑表面技术制备齿轮仿生学研究发现,许多生物体表所具有的某种特定非光滑形态有着较好的耐磨特性,如长期生活在土壤中的动物(蝼蛄、蜣螂和穿山甲等),形成的生物非光滑表面,其体表触土部位呈现出凹坑、凸包、鳞片和波纹等非光滑形态,具有非常高的耐磨性能L1 。。经过多年研究,目前已将凹坑、网格等多种仿生表面形态应用于提高齿轮的耐磨性和抗疲劳性能,并取得了显著效果。吉林大学韩志武等 5]为了改变传统的齿轮加工方式,运用仿生非光滑理论,提供了一种提高齿轮表面耐磨性的仿生非光滑耐磨齿轮,其轮齿表面上分布着椭球凹坑状、沟槽状或网格状非光滑单元体, 单元体与齿轮基体表面呈 25 p.m 高度差,分布密度即其基体表面上的几何投影面积之和与基体表面积之比为 15~3o ,非光滑单元体与基体材料之问的硬度差为 20~40HRC,并进行了试验。结果表明, 仿生非光滑耐磨齿轮比光滑表面齿轮的耐磨性提高 3~5倍,寿命提高 3~4倍,且生产非光滑形态的耐磨齿轮的成本仅提高 15~40 。图 4a所示的耐磨齿轮的表面形态为椭球状凹坑,应用于某机床变速箱中的 1对直齿圆柱齿轮传动中。经过仿生非光滑表面处理的齿轮和未处理齿轮,在同样条件下工作时,相互间摩擦系数可降低 17 ,具有仿生非光滑表面齿轮的寿命为未处理齿轮的 3.7倍,处理仿生非光滑齿轮的成本约提高 22 。图 4b所示的耐磨齿轮的表面形态为沟槽状,应用于汽车差速器的直齿圆锥齿轮传动中。经过仿生非光滑表面处理的齿轮和未处理齿轮,在同样条件下工作时,相互啮合 2齿轮间摩擦系数降低 2o , 而仿生非光滑齿轮的寿命为未处理齿轮的 4.2倍, 处理仿生非光滑齿轮的成本仅提高 32 。《新技术新工艺》数字技术与机械工程数字技术 机械工程图 4c所示的耐磨齿轮的表面形态为网格状,应用于搅拌机的第一减速闭式单级直齿圆锥齿轮传动中。在同样条件下工作,相互啮合 2齿轮间摩擦系数降低 19 ,而仿生非光滑齿轮的寿命为未处理齿轮的 4.4倍,处理仿生非光滑齿轮的成本仅提高 38 。 a】椭球状凹 b)沟槽状 c)网格状图 4 仿生非光滑耐磨齿轮表面形态示意图韩志武等__1 在 Pro/E 中建立了高精度的参数化渐开线直齿圆柱齿轮模型,并导入 MSC.Nas— tran,以工程仿生学和有限元理论为基础,对普通齿轮和仿生表面形态齿轮进行了模态分析。分析结果表明,仿生表面形态齿轮比普通齿轮最大振幅小,其固有频率范围减小,且趋势更为平稳,有效地改善了齿轮的动态特性,提高了齿轮运动的可靠性。韩志武等L1 还利用试验优化技术设计试验方案,设计齿轮表面仿生非光滑形态,采用激光图形雕刻加工的手段实现,研究非光滑与光滑 2种形态齿轮的耐磨损性能。结果表明,具有非光滑形态的齿轮,试验后其齿形误差中的总体、压力角、形状相对误差大部分降低,未处理过的光滑形态齿轮,其误差值明显增大,甚至出现了负值。由此可知,光滑形态的齿轮在磨损试验过程中磨损量较大,而非光滑形态齿轮较光滑齿轮的耐磨性提高了近 20 。 3 用仿生非光滑表面技术制备轧辊随着轧钢工业的发展,对轧辊的质量要求越来越高,要求轧辊表面有较高的耐磨性。为提高冷轧辊的耐磨性,近年来在工作轧辊表面采用特殊调制的高重复频率、高能量密度的大功率 YAG 脉冲激光束,产生一定非光滑形态以实现非光滑耐磨。目前可实现的非光滑形态主要有凹坑和凸包。应用表明,经激光处理冷轧工作辊成非光滑形态后,其使用寿命和使用效果明显提高。在 2O辊森吉米尔轧机上,用其冷轧低碳钢钢板,其轧辊寿命比普通轧辊寿命提高 3倍以上;用其平整退火低碳钢钢板,其使用寿命可较普通轧辊提高 5倍以上,甚至超过 1O 倍[1。;在普通的二辊轧机上,用非光滑轧辊冷轧高强度 65Mn弹簧钢,其寿命是普通轧辊的 2~ 3 倍㈨。杨卓娟[2。。。提出,用凹坑形仿生非光滑表面,在通化钢铁集团公司高速线材厂和长春市矩型焊管有限责任公司,分别进行光滑与不同尺寸及分布密度的仿生非光滑轧辊现场对比试验。结果表明,同材质的非光滑表面轧辊的使用寿命比光滑表面轧辊使用寿命提高约 2倍。杨卓娟还利用有限元分析软件 ANsYS/LS_ DYNA,对仿生非光滑轧辊轧件模型轧制过程进行了三维有限元数值模拟。模拟结果表明,凹坑形仿生非光滑轧辊的轧制性能要比光滑轧辊的好,凹坑形仿生非光滑轧辊提高了轧辊的耐磨性能,延长了使用寿命。且不同尺寸及分布密度的凹坑单元体形态对轧辊磨损性能的影响不同:在间距相同的情况下,直径较大凹坑非光滑形态的耐磨性能较好;在直径相同的情况下,间距较大的凹坑非光滑形态耐磨性能较好。 4 用仿生非光滑表面技术制备模具任露泉等妇提出了一种具有仿生非光滑表面的模具,其特征是模具的成型工作面上分布有与其基体表面呈 0.01~O.5 m 高度差的凸凹单元体,该凸凹单元体分别为球冠状凸包或凹坑、火山口状凹凸体、平行或网

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