纤维材质对UHMWPE水润滑轴承复合材料摩擦学性能的影响

超高分子量聚乙烯(Ultra-high molecular weight polyethylene, UHMWPE)在水润滑轴承领域具有巨大的发展潜力,然而单一的UHMWPE难以满足水润滑轴承的耐磨性需求,尤其是在低速重载工况下.通过纤维改性的方法可以提高其摩擦学性能,但是纤维材质的不同特性对于复合材料摩擦学性能的影响存在差异.通过热压模具分别制备剑麻纤维(Sisal fiber,SF)、碳纤维(Carbon fiber,CF)和聚酯纤维(Polyester fiber,PETF)与UHMWPE混合的定向纤维复合材料,并与纯UHMWPE做对照试验.利用R-tec往复摩擦试验机模拟不同载荷(5和10 N)和不同速度(20、40和60 mm/s)下铜球与不同复合材料的摩擦过程,通过邵氏硬度和极限抗弯强度试验对复合材料力学性能进行表征测试,采用接触角测试复合材料的浸润性,试验结束后用扫描电子显微镜观察表面磨损形貌.结果表明:纤维的力学性能,尤其是硬度和抗弯强度是影响定向纤维复合材料摩擦学性能的关键因素,所添加纤维在复合材料中强有力的支撑作用使摩擦学性能显著提高,纤维的耐磨性和浸润性是次要因素.试验工况下,CF/UHMWPE摩擦系数最低,且在低速重载(载荷10 N,速度20 mm/s)时的摩擦系数与纯UHMWPE相比降低了36.92%;添加耐磨性强的PETF纤维后,复合材料磨损体积与纯UHMWPE相比降低了30.56%.

15#航空液压油的摩擦磨损性能研究

15#航空液压油是航空领域广泛应用的1种特定型号的液压油.本文中使用MCR302流变仪测量了该液压油的黏温曲线,并选用GCr15钢球通过四球摩擦磨损试验机采用单因素变量法研究了不同载荷、温度和转速对摩擦磨损的影响.同时,使用光学显微镜、白光三维表面形貌仪、扫描电子显微镜和X射线光电子能谱分析仪对钢球表面的磨斑进行微观观察,并分析其磨损机理.试验结果显示,在不同载荷下,摩擦系数相对稳定,但随着载荷的增加,磨斑直径(WSD)逐渐增大,磨损程度变得更严重.随着温度的增加,摩擦系数较为稳定,但液压油的黏度逐渐减小,导致无法形成有效的摩擦反应膜,使磨损现象变得更加显著,尤其在75~100℃范围内,磨斑直径的增长速率最为显著,增加了约60%.随着转速的提高,摩擦系数首先保持不变,然后逐渐减小,而磨损率逐渐降低.润滑状态逐渐从边界润滑过渡到混合润滑和流体动压润滑.

臂式离心机机室空气内摩擦功率及支座摩擦系数的实验反演分析

为了提高臂式离心机驱动功率的预估精度,对工程解析计算方法中几个前提参数(即机室空气内摩擦发热消耗功率与总风阻功率之比C_(1)、机室内空气从出风口自然流出的线速度与其环向线速度之比C_(2)、支座的摩擦系数f_(e))的确定方法进行了研究。首先,针对一台臂式离心机以四种不同转速稳定运行的状态,利用离心机控制系统,读取了四组驱动电枢电压U和电枢电流I数据,采用三杯仪测试了四个空气从出风口流出的线速度V_(0)数据;然后,根据离心机风阻功率、排风功率和支座摩擦功率的解析理论表达式、能量守恒原理,建立了含待定系数C_(1)、C_(2)、f_(e1)和f_(e2)的关于U、I和V_(0)的求解方程,并将四组实测数据U、I和V_(0)代入所建方程,得到了关于系数C_(1)、C_(2)、f_(e1)和f_(e2)的求解方程组;最后,将所得C_(1)、C_(2)、f_(e1)和f_(e2)的值用于计算另一台类似臂式离心机的驱动功率。研究结果表明:所得驱动功率的计算结果比实测结果大2.23%,而以前依据经验取定C_(1)、C_(2)和f_(e)时的计算结果比实测结果小6.30%。对应用实例的综合分析表明:所建方法可弥补这些参数在以前的工程计算中,其取值缺乏实验依据的不足,提高这些参数的取值准确性和臂式离心机驱动功率的预估精度。

铜增韧Mo_(2)BC陶瓷的力学性能和摩擦学性能

采用快速热压反应烧结法制备高强韧Mo_(2)BC/Cu陶瓷基复合材料。研究铜含量对Mo_(2)BC/Cu复合材料的微观组织、力学性能和摩擦学性能的影响,并对其增韧机制和磨损机理进行分析。研究结果表明:Cu均匀地分散在Mo_(2)BC基体中,具有细化晶粒的作用。Mo_(2)BC/Cu复合材料中铜可以添加的最大质量分数为7.5%。随着铜含量的增加,Mo_(2)BC/Cu复合材料的弯曲强度和断裂韧性增加。当Cu质量分数为7.5%时,复合材料的弯曲强度和断裂韧性最高,分别为625.1 MPa和7.4 MPa·m^(1/2),与Mo_(2)BC陶瓷相比,分别提高了24%和62%,其主要的增韧机制为铜的塑性变形、晶粒拔出、桥接效应和裂纹的偏转。此外,铜的添加还可以明显提高Mo_(2)BC/Cu复合材料的摩擦磨损性能。当Cu质量分数为2.5%时,复合材料的摩擦因数可低至0.36,磨损量最小,耐磨性最优,其主要的磨损机制为轻微的二体磨粒磨损和氧化磨损。

空间连杆引纬机构的刚柔耦合磨损分析

为准确预测空间连杆引纬机构间隙磨损机制,通过结合Lankarani-Nikravesh与Bai碰撞力模型,建立可变刚度与阻尼系数非连续接触碰撞力模型,采用改进的Coulomb摩擦力模型描述含间隙机构旋转铰的切向摩擦力,通过Lagrange方法对系统动力学建模;其次选取空间连杆为柔性化对象,综合Ansys与Adams分析,对空间连杆引纬机构进行刚柔耦合动力学仿真;最后将系统的动态仿真响应结果与Archard模型相结合,求解运动副磨损情况。结果表明:柔性构件可以有效缓解机构间隙碰撞的冲击作用,间隙为0.15 mm条件下,剑头加速度振荡最大幅值缩减53.2%;当间隙升至0.5 mm后,虽磨损范围大幅增加,但间隙磨损深度并未随之大幅提升。

钢丝绳摩擦学性能测试实验平台研制与教学应用

为满足“工程摩擦学”实验课程高阶性、创新性和挑战性的需求,该文研制了钢丝绳摩擦学性能测试实验教学平台,该平台可实现摩擦学性能测试、微动状态分析,并支持开展多种接触参数和环境工况下微动疲劳特性分析。实验平台的研制过程为:首先,设计了多丝螺旋捻制结构、绳芯钢丝微动结构、横向加载结构和外层钢丝气动加载结构;然后,完成了传感器布置方案设计和电路硬件选型;最后,基于LabVIEW设计的采集程序和基于触控屏的控制系统组成了测控软件。该实验平台可开展多工况下钢丝绳摩擦学性能测试实验教学,有助于提升学生工程实践创新能力。

Ti掺杂类金刚石薄膜的制备及其高温摩擦学性能研究

为探究金属Ti掺杂DLC薄膜在高温环境下的摩擦磨损行为,通过射频磁控溅射和直流磁控溅射混合的沉积系统制备不同Ti含量的Ti-DLC薄膜,利用SEM、XRD、Raman、纳米压痕和摩擦试验机等分析Ti含量对Ti-DLC薄膜的微观结构、力学性能及不同温度下的摩擦学性能的影响。结果表明:Ti掺杂使得Ti-DLC薄膜中sp^(3)键的占比随着Ti含量的增加先升高后下降;Ti掺杂提高了Ti-DLC薄膜的硬度和弹性模量,并一定程度上提升了Ti-DLC薄膜的膜基结合力。摩擦测试表明:在常温下,Ti-DLC薄膜的摩擦因数和磨损率随Ti含量的增加而下降,但薄膜发生明显的磨粒磨损,且磨损率略高于DLC薄膜;Ti掺杂有效地提高了DLC薄膜的热稳定性和高温摩擦学性能,在300℃的高温下,掺杂薄膜仍维持较低的摩擦因数和磨损率。

基于EWT-KLD的机械密封金刚石涂层磨损声发射降噪

为了准确获得机械密封金刚石涂层在磨损过程的声发射信号,在分析机械密封设备的噪声特性基础上,提出了基于经验小波变换(EWT)和相对熵(KLD)的声发射降噪方法;通过对磨损声发射信号进行经验小波变换得到划分其频带的滤波器组,对磨损声发射信号和背景噪声发射信号用相同的滤波器组划分频带;计算相应频带2种信号的相对熵,用累计和算法在升序排列的相对熵中找到首个大于3σ的值作为阈值,保留相对熵值大于阈值的频带重构信号,完成降噪.研究结果表明:本文所提的EWT-KLD方法可以有效抑制不同工况、不同磨损状态的声发射信号的噪声,有效改善了磨损声发射信号的信噪比,尤其是微弱磨损信号的信噪比,提高了密封端面磨损声发射检测的精度和灵敏度;通过与传统降噪方法的对比发现,本文方法能够对不同工况下的密封磨损声发射信号降噪表现出更强的适应性和稳定性,对于及时检测早期密封磨损和准确监测磨损累积变化过程具有重要意义.

考虑滚道缺陷的圆柱滚子轴承保持架振动特性

基于滚动轴承多体动力学理论,以滚子经过滚道缺陷区域时产生的附加位移表征故障,建立轴承滚道缺陷动力学模型。考虑滚子进出缺陷区域时与滚道间接触载荷的变化,建立圆柱滚子轴承动力学微分方程组并求解,研究滚道缺陷时保持架振动响应规律。结果表明:与正常轴承相比,滚道缺陷会导致保持架与滚子间碰撞力增大且接触频率增加,同时保持架打滑率增大;随缺陷宽度增大,内滚道缺陷时保持架振动加速度级逐渐增加,外滚道缺陷时保持架振动加速度级先减小后增加,缺陷宽度大于1 mm后,内滚道缺陷时保持架的振动加速度级明显更大。

滑动摩擦副表面非对称微织构空化效应数值分析

为探究滑动摩擦副表面非对称微织构空化效应及其影响因素,基于N-S方程建立了表面织构化滑动摩擦副数值计算模型并进行求解,讨论了凹槽型非对称微织构的结构参数、运动速度和润滑油黏度对凹槽内的气相分布、空化面积率、油膜承载力和摩擦系数等的影响.结果表明:凹槽型非对称微织构的承载力大于对称微织构,而其摩擦系数小于对称微织构;在考虑空化效应时,凹槽型非对称微织构比对称微织构能更显著地改善摩擦学性能,并且非对称微织构凹槽离入口距离越远,空化效应越显著;滑动摩擦副运动速度和润滑油黏度对空化效应有重要影响,运动速度越高、润滑油黏度越大,凹槽型非对称微织构的空化效应越明显,且提升承载力的能力明显优于对称微织构,该研究对滑动摩擦副表面微织构的设计和分析有一定的参考意义.

浸渍石墨在陶瓷摩擦副下的摩擦腐蚀行为研究

研究不同介质环境中浸渍石墨的摩擦腐蚀特性,采用扫描电子显微镜和激光共聚焦显微镜分别表征了表面磨痕形貌、磨痕轮廓和磨损体积,通过分析在纯水与海水中的开路电位、极化曲线与电化学阻抗图及其相关参数,对浸渍石墨与2种陶瓷对偶球的摩擦磨损情况与机理进行评估分析.结果表明:浸渍石墨与陶瓷球Si_(3)N_(4)相对摩擦时自腐蚀电流密度更低,容抗弧度与相位角较大,极化电阻值更高,具有更好的耐腐蚀性能和耐磨性.随着载荷的增大,开路电位负移耐腐蚀性增强.纯水中石墨磨损表面存在明显的犁沟现象,以摩擦磨损为主.海水中腐蚀产物与磨屑混合在接触表面形成转移膜,表现较为光滑.摩擦过程中磨损体积、摩擦耗散能与载荷呈正相关性,而磨损率与载荷呈负相关性.海水中黏着现象较为明显,伴有磨粒磨损和轻微的氧化磨损.纯水中接触区以磨粒磨损为主,伴有轻微的黏着磨损和疲劳磨损.

固溶处理对新型全奥氏体高锰低温钢微观组织、力学性能及摩擦性能的影响

针对新型奥氏体高锰低温钢在LNG (Liquefied natural gas)储罐应用中的磨损问题,本文中研究了不同固溶处理温度对微观组织、力学性能和耐磨性能影响以及三者之间的关联性.将25Mn高锰钢分别在950、1 000、1 050以及1 100℃下固溶处理0.5 h,并采用光学显微镜、白光干涉仪、扫描电子显微镜及能谱仪对试样的微观组织、磨损轮廓和磨痕形貌进行了表征.结果表明:随着固溶处理温度的升高,高锰钢的表面硬度逐渐下降,1 100℃固溶处理后钢材硬度降到最低,约为261 HV.另外,钢材的抗拉强度随固溶温度升高先增大后减小,其中在1 000℃下展现出最优的抗拉强度、屈服强度及应变硬化速率.在摩擦性能测试结果中可以看出,高锰钢表面平均摩擦系数随着固溶处理温度先增大后减小再增大,在1 000℃时因发生氧化摩擦而降到最低,约为0.39,磨损率为0.49‰,表现了最优的耐磨性能.这主要是由于1 000℃热处理后的高锰钢磨痕表面密布颗粒均匀的碳化物,导致磨损后的硬度增大近50.6%,磨损机理从颗粒磨损与疲劳磨损结合转变为黏着磨损为主,颗粒磨损为辅.

皮质悬吊装置和股骨间微动磨损有限元分析

研究了皮质悬吊装置的钛板和股骨表面的皮质骨承受交变载荷发生的微动行为.基于钛/皮质骨材料建立了球/平面微动磨损有限元模型,通过与Hertz接触理论和已有试验结果进行对比,验证了有限元方法的正确性;同时研究了位移幅值、摩擦系数和法向力对钛球/皮质骨接触面间微动磨损行为的影响.最后把已验证的模型和方法用于研究前交叉韧带(ACL)重建手术中的皮质悬吊装置和股骨间的微动磨损情况.发现随着微动位移幅值从2μm增大至10μm,磨损状态由部分滑移向完全滑移转变,最大磨损深度由0.195μm逐渐增大至14.13μm,磨损体积由5.69×10^(4)μm^(3)增大至1.41×10^(6)μm^(3);在位移幅值为5和10μm时,磨损深度、磨损面积和磨损体积都表现出随摩擦系数增大而减小的趋势;在位移幅值为5μm时,磨损深度随法向力的增加逐渐减小,在位移幅值为10μm时,磨损深度随法向力的增加逐渐增大.通过研究交变载荷下皮质悬吊装置/皮质骨微动磨损模型的微动磨损行为发现:磨损深度最大值在皮质骨隧道孔边缘的应力最大值处,并且与球/平面微动磨损模型预测趋势相同,可以通过增加皮质悬吊装置和皮质骨隧道孔边缘接触面间的摩擦系数来提高皮质骨的抗微动磨损能力,提高ACL重建手术成功率.

调制周期对磁控溅射Cr/类石墨碳多层膜腐蚀-磨损性能的影响

海洋环境用关键运动部件在使用时承受腐蚀与磨损的交互作用,在其表面涂覆耐腐蚀-磨损防护涂层是提高其服役寿命的有效手段之一。本工作采用直流磁控溅射沉积技术在15-5PH不锈钢试样上制备调制周期为940 nm、375 nm和234 nm的Cr/GLC多层膜(分别标记为S1、S2和S3),并通过微观形貌分析、电化学试验、腐蚀-磨损试验分析了调制周期对Cr/GLC多层膜的结构、电化学性能及耐腐蚀-磨损性能的影响。研究结果表明:随着调制周期的缩短,薄膜柱状生长趋势逐渐减弱,膜层更加致密,同时sp^(2)键相对含量逐渐增大,石墨化程度加剧,力学性能更优。在人工海水介质中,随着调制周期的缩短,薄膜层间界面增多,抑制了裂纹的扩展和腐蚀通道的形成,阻碍了腐蚀介质的渗透,多层膜S3的耐腐蚀性能最优。在腐蚀-磨损过程中,由于载荷和腐蚀介质的共同作用,具有致密结构、适宜调制周期的S2薄膜的磨损率仅为2.50×10^(-16)m^(3)/(N·m),表现出最优的耐腐蚀-磨损性能。因此,设计合适的调制周期是提高Cr/GLC多层膜耐腐蚀-磨损性能的关键。

圆柱面结合部接触应力的三维分形模型

为了对机械结构中圆柱结合部的承载能力进行研究,基于Hertz接触理论,并结合修正的三维分形理论,应用三维分形曲面来模拟实际工程中的结合面,在综合考虑宏观特性因素与微观形貌因素的情况下,建立了圆柱结合部接触应力的三维分形模型,并与Hertz接触模型进行了对比分析,证明了所建立模型的合理性。通过Matlab仿真分析得到,从宏观特性因素上,可以选用内接触圆柱结合部,或增大小圆柱体的半径来降低接触应力,提高承载能力;从微观形貌因素上,可以减小分形尺度参数,或减小材料特性参数来降低接触应力。分形维数对接触应力的影响比较复杂:当2.1≤D≤2.5时,增大分形维数,可以降低接触应力;当2.5≤D≤2.9时,减小分形维数,可以降低接触应力。

Ag/MoS_(2)-WS_(2)复合材料的微纳摩擦学特性

为探明Ag/MoS_(2)-WS_(2)复合材料在解决空间载流摩擦部件高稳定载流和抗磨损问题的作用效果,采用纳米压痕、纳米划痕、表面轮廓仪、扫描电镜等研究微/纳力学尺度下、不同载荷和电流时Ag/MoS_(2)-WS_(2)复合材料的力学行为和摩擦磨损特性。研究结果表明:Ag/MoS_(2)-WS_(2)复合材料在精准微小力作用下具有良好的塑性,压痕模量和硬度与载荷呈非线性关系,其变化机制主要由压痕尺寸效应和塑性变形共同主导;随着载荷增加,Ag/MoS_(2)-WS_(2)复合材料压痕最大深度和塑性深度呈线性增大,当载荷从10 mN增加到20 mN时,压痕最大深度增加约44%,塑性深度增加约51%,而当载荷从20 mN增加到50 mN时,压痕最大深度增加约78%,塑性深度增加约79%,材料的弹塑性转变载荷约为20 mN。在较低载荷(50~100 mN)下,Ag/MoS_(2)-WS_(2)复合材料具有较好的耐磨性。

凹坑织构位置对81107轴承摩擦磨损性能的影响

通过在机械零件表面进行织构化来改善其摩擦磨损性能的方法已经得到广泛的认可,但其在滚动轴承的应用与研究较少。考虑到滚子与滚道接触区域的内外侧应力较大而中间位置应力相对较小,在81107轴承的轴圈上分别设计并制备了1/4内侧、1/4外侧、1/2内侧、1/2外侧、3/4内侧、3/4外侧、双侧以及全织构等8种不同位置分布的凹坑织构化试样,并利用MMW-1A型万能摩擦磨损试验机、三维非接触式形貌仪和电子天平等设备进行了试验和表征。结果表明:外侧分布织构试样的摩擦磨损性能比内侧的好;1/4外侧分布试样的摩擦磨损性能最好。与光滑轴承相比,磨损量降低了16%,平均摩擦系数降低了47%。这将为滚动轴承的滚道设计和优化提供重要参考。

凹坑织构化81107轴承变载摩擦磨损性能研究

为了探究变载条件下凹坑织构化轴承的摩擦磨损性能,以81107TN推力圆柱滚子轴承为研究对象,通过在轴圈表面制备不同直径和不同深度的凹坑型织构,利用MMW-1A型万能摩擦磨损试验机,在阶梯渐进增长式载荷和贫油条件下进行试验。通过分析和对比试验后的摩擦系数、磨损量以及表面形貌,发现:直径250μm、深度20μm的凹坑织构化轴承表现出良好的摩擦磨损性能,其平均摩擦系数上升时间点比光滑无织构轴承滞后6000s,磨损量相比光滑无织构轴承降低7%;这里的条件下,变载荷条件下轴承的平均摩擦系数比恒定载荷低,最大差值为0.031,且后期变载荷轴承平均摩擦系数更稳定,变载荷轴承磨损量相比恒定载荷轴承也减少了7.3%。

凹坑织构对GCr15贫油滑动摩擦磨损性能影响

为研究在较大载荷和较高转速下,凹坑织构参数对GCr15贫油滑动摩擦磨损性能的影响,这里采用PL100-30W型激光打标机,在高碳铬轴承钢GCr15表面加工出规则排列的圆形凹坑阵列,然后利用MMW-1A型立式万能摩擦磨损试验机,对织构试样和光滑试样进行了贫油润滑条件下的摩擦磨损性能试验。最后,使用三维形貌仪对试样的磨损表面进行了表征。结果表明:凹坑织构表面对GCr15钢贫油润滑条件下的滑动摩擦磨损性能影响显著;存在最优的凹坑面积率和深径比,当其值为14.9%和1:12时,其摩擦系数和磨损量相比光滑试样分别降低了26%和64%;随着载荷的增大,织构试样与光滑试样的摩擦系数均呈上升趋势,但光滑试样的摩擦系数增长速率大于织构试样。

不同制动工况下地铁车轮踏面磨耗研究

为研究不同制动方式对地铁车轮踏面磨耗的影响规律,联合ANSYS和SIMPACK软件,建立了车轮-闸瓦热机耦合有限元模型和含有柔性轮对的车辆动力学模型,同时考虑不同制动初速度和制动减速度对车轮踏面温度、踏面硬度、踏面与闸瓦间接触应力及制动距离的影响,分析了不同制动方式下车轮-闸瓦磨耗、车轮-钢轨磨耗和踏面总磨耗的变化规律。结果表明:踏面磨耗随着制动初速度的增大而增大;随着制动减速度的增大,车轮-闸瓦磨耗和总磨耗增大,车轮-钢轨磨耗减小;制动时踏面总磨耗主要受车轮-闸瓦磨耗影响。