织构化表面的润滑计算模型及减摩特性研究

发布时间：2020-06-13 07:28

【摘要】： 表面织构是指通过一定的加工技术在材料表面上加工出具有一定尺寸、形状和排列的图案。为了系统全面地研究表面织构的减摩规律,寻求具体工况和润滑条件下的最优织构参数,论文分别对流体润滑状态和考虑粗糙度影响时的混合润滑状态下不同形状、尺寸和面积比织构表面的润滑减摩性能开展了相关的理论和试验研究,并对较复杂织构表面(包括变面积比织构表面和双织构表面)进行了探索性试验研究,得到了对摩擦副表面织构的减摩设计具有借鉴意义的研究结果。 首先,通过应用Fluent软件对Navier-Stokes(N-S)方程的计算流体动力学(CFD)求解,研究了织构表面在流体润滑状态下的摩擦学特性。结果表明:惯性项作用对表面织构区域流动的求解具有重大的影响;流体域中压力变化曲线的幅值与织构的动压性能存在一定的对应关系,一般幅值越大,其动压性能越好;流体域中涡流的出现不利于动压性能的提高,其中,涡流开始出现时的织构深度与最优织构深度相对应;当流体域典型长度尺寸与摩擦副间隙尺寸比值L/h0≥46时,可以采用Reynolds方程代替N-S方程进行表面织构问题的理论求解,但此时必须考虑空化现象对压力分布的影响。 其次,采用Visual Fortran语言编程对Reynolds方程数值求解的方法,研究了当L/h0≥46时织构表面在流体润滑状态下的摩擦学特性。研究发现:最优织构直径和最优织构深度之间存在一定的对应关系,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系数影响的唯一表征,但不论织构深度和直径如何,当织构深径比在0.005-0.01之间时,其对应的摩擦系数均较小。在仿真结果的基础上,建立了椭圆形截面织构的最优参数设计模型,并对其进行了试验验证和机理分析。 通过引入Patir和Cheng的平均流量模型,考察了当考虑粗糙度影响时的混合润滑状态下织构表面的摩擦学特性。研究发现:织构最优参数不随方向参数的变化而变化;最优织构直径随综合粗糙度σ的增大而增大;当σ≥0.5μm时,最优织构深度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。基于理论分析的结果,提出了考虑粗糙度影响时的最优织构参数设计模型,并通过试验对其进行了验证和机理分析。 论文最后还对较复杂的变面积比织构表面以及双织构表面进行了试验研究。结果表明:变面积比织构表面在重载高速的场合能够有效提高往复运动摩擦副的减摩性能;同时,其设计应遵循从中间到两端面积比逐渐增大的原则,而且面积比的大小与数量都应该处于一个合适的范围;在富油、乏油和不同试验载荷条件下,双织构表面与无织构表面下的摩擦系数相比差别不大,其并不能有效提高摩擦副的减摩性能。
【图文】：

国内杭州电子工业学院张云电等[13]提出用超声加工方法在钢质薄壁缸套内孔形成窝状微坑，其属于接触式的机械加工方法，，具有加工效率高的特点。喷丸处理是由气体携带磨料微粒形成高速气流冲击工件表面而去除材料的精密加方法。当磨料冲击加工表面时，磨粒会击碎工件表面并产生小的碎屑，每一个冲击颗只能去除很少的材料，气流将磨料微粒和破碎的材料颗粒一起带走[23]。该技术为不规微细形貌的加工方法，对微细形貌的尺寸参数不可控。激光加工技术是利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点上能够达到很高的能量密度，光热效应来加工各种材料，在表面织构加工中使用最为广泛。激光加工表面织构的示图如图 1-2 所示。早在上世纪八十年代，该技术已用在磁存储器 (如硬盘等)[25]用以止在启动阶段的粘附效应。Etsion 等将激光表面织构加工技术应用于缸套-活塞环12,27]、轴承[26]和机械密封[28,29]等摩擦副，也取得了较好的摩擦学效果。江苏大学符永等[35]提出了激光珩磨技术，即利用具有一定能量密度的激光束，在发动机气缸内孔表，加工出与气缸润滑减摩性能要求优化匹配、连续均匀的，并且有一定密度(间距)、度、深度、角度和形状的网纹状沟槽。

国内杭州电子工业学院张云电等[13]提出用超声加工方法在钢质薄壁缸套内孔形成窝状微坑，其属于接触式的机械加工方法，具有加工效率高的特点。喷丸处理是由气体携带磨料微粒形成高速气流冲击工件表面而去除材料的精密加方法。当磨料冲击加工表面时，磨粒会击碎工件表面并产生小的碎屑，每一个冲击颗只能去除很少的材料，气流将磨料微粒和破碎的材料颗粒一起带走[23]。该技术为不规微细形貌的加工方法，对微细形貌的尺寸参数不可控。激光加工技术是利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点上能够达到很高的能量密度，光热效应来加工各种材料，在表面织构加工中使用最为广泛。激光加工表面织构的示图如图 1-2 所示。早在上世纪八十年代，该技术已用在磁存储器 (如硬盘等)[25]用以止在启动阶段的粘附效应。Etsion 等将激光表面织构加工技术应用于缸套-活塞环12,27]、轴承[26]和机械密封[28,29]等摩擦副，也取得了较好的摩擦学效果。江苏大学符永等[35]提出了激光珩磨技术，即利用具有一定能量密度的激光束，在发动机气缸内孔表，加工出与气缸润滑减摩性能要求优化匹配、连续均匀的，并且有一定密度(间距)、度、深度、角度和形状的网纹状沟槽。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TH117.2

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本文编号：2710847