SiC表面水滴型微织构的水润滑特性研究

目的 提高水润滑条件下SiC陶瓷的摩擦性能。方法 通过对剪切力矩和摩擦因数的测试和计算,结合扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)观察试件表面的磨痕形貌及元素含量分布,分析转速、载荷和织构排布方式对变深度水滴型织构在SiC表面摩擦因数、磨损特征和摩擦化学反应的影响规律。结果 在变深度动压弹流润滑和摩擦化学反应的协同作用下,单侧水滴型织构试件在润滑介质从小端流向大端时可以实现更好的润滑性能,并且随着转速从200 r/min升至900 r/min,稳定摩擦因数从0.004增至0.068,远低于相同工况下斜槽型织构和无织构的光滑表面试件。对于水滴型织构,当润滑介质从大端流向小端时,其呈现的摩擦因数与无织构表面光滑试件的摩擦因数相近,维持在0.014~0.114。双侧水滴型织构在重载时具有更优异的润滑减摩效果,在200~900 r/min的转速范围内,能够提供稳定且较小的摩擦因数。结论 在SiC材料表面设计具有变深度特征的水滴型织构,可以有效提高系统的润滑减摩效果,特别是当润滑介质从织构较浅处流向较深处时,可以促进SiC试件表面的摩擦化学反应,生成的氧化物薄膜会覆盖在试件表面形成保护层,使SiC陶瓷的摩擦学行为得到改善。

织构类型对活塞润滑性能影响的数值分析

作为内燃机的关键部件,活塞-缸套间的润滑性能可以有效改善整机的动力性和经济型。从流体润滑基本理论出发,通过流场特性分析,结合雷诺方程和膜厚方程,比较了相同深度的圆形凹坑织构和三角形凹坑织构对内燃机活塞-缸套摩擦副之间的润滑减摩性能的影响。结果表明:圆形凹坑微织构较三角形微织构可以产生更明显的动压减摩效应,而三角形凹坑微织构对润滑油膜内产生的空化效应更明显。进一步对比圆形织构和三角形织构的承载力和摩擦系数发现:三角形织构形成的承载能力整体小于圆形凹坑微织构下的承载能力,在前半个周期约为圆形织构的68%,在后半个周期内约为圆形织构的82%;相同工况下,圆形织构的摩擦系数约为三角形微合织构的30%~50%,在上下止点处两者的摩擦系数接近。

表面织构类型对摩擦副减摩性能的影响分析

目前对表面织构润滑减摩机理的认识还不够完善。为研究不同织构类型所适用的最佳工况,以内燃机活塞-缸套摩擦副为研究对象,采用时均雷诺方程及周期边界条件,建立织构条件下平面摩擦副润滑油膜的控制方程。通过试验测试结合流场分析,明确表面均布凹坑型微织构和斜槽型微织构的润滑减摩机制。进一步对比坑-槽复合型织构和槽-槽耦合对摩时摩擦因数的变化规律,从转速和载荷的角度明确适合各织构类型的最优工况。研究发现:斜槽型织构具有更优的减摩效果,并在负载100 N时摩擦因数最优,转速对摩擦因数的影响较小;凹坑型织构和复合型织构在80 N载荷下减摩效果最佳,在350 r/min时摩擦因数达到最小值;耦合槽型织构在低承载时摩擦因数低于单斜槽织构(最大相差10.2%),转速对摩擦因数的影响较小。针对几种织构类型所适应的最优工况进行研究,明确了不同工况下的织构类型的选择和优化。

表面微织构润滑减摩机理数值分析

作为内燃机的核心部件,活塞与缸套之间的摩擦磨损不仅影响内燃机使用寿命,还会增加油耗,影响排放。基于流体润滑理论,综合挤压膜雷诺方程、膜厚方程及周期边界条件,建立活塞-缸套之间润滑油膜的控制方程。针对耦合织构之间润滑油流场特性进行分析,发现活塞-缸套间耦合织构在流体动压、空化效应以及瞬态涡流共同作用下可以有效减小摩擦副的摩擦系数。