跨尺度复合织构化摩擦副端面密封性能分析

在密封副的表面上引入大尺度的凹槽与小尺度微孔结合的跨尺度复合织构,提出椭圆形微孔与T形槽结合的复合织构化机械密封端面,并创建间隙液膜流体模型;根据质量守恒空化边界条件建立数学模型,采用有限单元法进行数值求解,研究不同长短轴比的椭圆微孔分别与T形槽复合对密封性能的影响,确定最佳复合构型;对比分析不同工况参数下,不同织构化端面密封的开启力、泄漏量等密封性能的变化规律。结果表明:最佳复合构型为长短轴比1.8的椭圆微孔与T形槽复合,在相同工况参数下,相较单一织构,跨尺度复合织构化端面密封具有更强的动压润滑效应、更低的泄漏量、更高的开启力,综合密封性能最好。研究结果可应用于机械密封织构化摩擦副端面的设计及优化。

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%。

基于图像处理技术界定微纳复合织构防覆冰性能

目的制备具有防覆冰性能的微织构表面,准确评价微织构表面的结冰性能。方法采用激光二次扫描方法,以铝合金为基底,构筑沟槽-凹坑型复合微织构表面,以水滴在其表面结冰过程的图像为对象,采用阈值法分割图像和背景,对提取出的图像进行形态学运算,通过分析水滴结冰过程中的轮廓变化规律,研究水滴结冰过程的状态变化,进一步界定水滴的结冰时间。结果纳秒激光一次扫描形成的沟槽结构,增加了试件表面的粗糙度,使铝合金表面接触角由54.4°提高到116.5°,实现了铝合金表面的疏水性能。而二次扫描构建的沟槽-凹坑复合微织构,形成了C^w-C^n接触模型,进一步提高了试件表面的疏水性,试件表面接触角增大至154.4°。超疏水表面成核能垒高,且沟槽-凹坑复合微织构捕获的空气降低了固液界面的热交换速度,是铝合金表面结冰时间由11s延长到551s的原因。图像处理方法准确界定了水滴在结冰过程中的三个阶段。采用Harris角点检测法,可以实现精确判断结冰完成时间,减小了肉眼判断结冰状态所带来的主观误差。结论纳秒激光二次扫描构筑的沟槽-凹坑复合微织构可以有效提高Al7075表面的疏水性,并延缓水滴在其表面的结冰时间。图像法处理提取的表面轮廓,为研究分析水滴在结冰过程中的状态变化提供了一种新思路。

激光复合织构焊管轧辊模具成形有限元模拟与试验研究

目的提高焊管成形质量,为激光复合织构轧辊模具产业化提供试验依据。方法通过数值模拟方法模拟焊管轧辊成形过程,获得不同摩擦系数组合下板料成形应力应变和径向厚度数据,并获得最优模具表面织构方案,为轧辊模具表面织构处理提供依据。依据数值模拟结果,运用激光表面织构技术对辊子模具表面进行复合织构加工处理,开展激光复合织构模具和未织构模具成形对比,并对成形件进行残余应力、应变、边缘减薄率等检测分析。结果数值模拟结果表明,下辊边缘区域应为减摩区,上辊边缘区域应为增摩区;应对下辊边缘区域进行激光微织构减摩,上辊边缘区域进行激光毛化增摩。成形试验结果表明,试验结果与数值模拟结果基本一致;与未织构模具相比,激光复合织构焊管轧辊模具优化了成形件的应力应变分布,降低了板厚边缘减薄率(5.06%),提高了成形件的均匀性(3.9%),成形件边缘区域形成了残余压应力。结论激光复合织构焊管轧辊模具相比未织构模具,可显著改善成形件的边缘稳定度和成形质量。

复合织构化压裂泵柱塞密封副动压润滑性能仿真研究

为改善压裂泵柱塞密封副的摩擦磨损性能,在压裂泵柱塞密封副表面建立不同的复合表面织构(不同复合织构类型、不同分布方式、不同截面形状等),并在结合柱塞密封副几何结构特征、压力边界条件及雷诺方程的基础上,建立织构化柱塞密封副动压润滑理论模型,采用有限差分对雷诺方程进行求解,仿真分析复合织构对柱塞密封副动压润滑性能的影响规律。数值仿真研究结果表明:复合织构对动压润滑性能的影响与外织构深度有密切关系;内织构为凹坑或凸起,以及内织构为不同截面形状的复合织构,主要是通过影响织构平均深度与摩擦副间隙的大小关系,而对复合织构的动压润滑性能造成不同的影响规律;内织构分布于外织构右侧(润滑介质入口一侧)对复合织构动压润滑性能的提升最大。

激光复合织构薄壁弯管模具成型试验

目的研究激光复合织构薄壁弯管模具的成型性能。方法分析模具与管件的摩擦对弯管成型的影响规律。利用激光毛化和微造型技术对弯管模具的夹块、压块、防皱板进行表面复合织构,完成了绕弯成型对比试验,采用直接测量法对成型件的外壁减薄率和截面畸变程度进行检测,结果弯管模具经过复合织构后,成型件外壁减薄率降低了0.5%~4.5%,截面畸变程度减轻了0.8%~2%,对于表面质量较好的不锈钢管,激光复合织构弯管模具能够使成型件表面保持较低的表面粗糙度和良好的光泽度。结论将激光复合织构技术应用于弯管模具,能够显著提高成型管件的质量。

煤矿水液压支架安全阀复合织构阀芯润滑性能分析

针对煤矿水液压支架安全阀阀芯的润滑问题,建立复合织构几何模型,通过FLUENT进行仿真计算,分析不同排列顺序、不同深度、不同面积率的复合织构对动压润滑承载力的影响,研究复合织构对阀芯润滑特性的影响规律。

复合织构模具对筒形件成形影响的数值模拟及实验研究

采用凹体减摩形貌和凸体增摩形貌的复合织构主动调控模具/工件界面的摩擦特性,改善工件成形缺陷。模拟对比了复合织构模具和无织构模具拉深后成形件的最大减薄率和成形极限。同时,进行筒形件成形实验,分析了复合织构模具对筒形件成形的影响规律。仿真结果表明,相较于无织构模具,复合织构模具可以优化模具表面的摩擦特性,降低成形件底部圆角区域的减薄率。实验结果证实了凸起形貌可以增大摩擦,抑制材料流出,凹坑形貌则减小摩擦,促进材料流入,从而使成形件底部圆角区域的厚度增大,降低拉裂风险,与仿真结果一致。

复合织构刀具切削铝合金的性能

基于铝合金材料切削的现状和需求,针对单一织构刀具存在的抗黏减摩性能不足的问题,将不同织构应用于刀-屑接触区域,提出刀具前刀面分区异构的思想。利用皮秒激光在刀具黏结区与滑移区分别加工凹坑和沟槽,并调整沟槽的取向(平行/垂直于主切削刃),得到上下型(SXDV和SXDP)和左右型(ZYDV和ZYDP)四种复合织构刀具。对6061铝合金进行湿切削试验,研究不同区域内添加不同织构对刀-屑接触表面摩擦状态的影响。研究结果表明,对比无织构和单一织构刀具,ZYDP复合织构刀具展现了更好的切削性能。具体表现如下:与无织构刀具相比,ZYDP刀具的主切削力降低30.7%,刀面黏结面积减少63.9%,切屑卷曲半径减少27.4%。合理的复合织构方案可以明显改善刀具切削过程中的黏结磨损问题,延长了刀具寿命。复合织构方案的提出以及相应的激光加工过程可为织构刀具的设计及实际应用提供新思路。

圆凹坑-球凸复合织构的激光铣削加工及其摩擦学性能

圆凹坑织构被广泛应用于各类摩擦副以改善摩擦学性能。为进一步提高圆凹坑织构的摩擦学性能,鉴于球凸织构能产生优异的动压效应,提出圆凹坑-球凸复合织构,使球凸在圆凹坑内产生二次动压来增强圆凹坑织构的减摩效果。为加工出圆凹坑-球凸复合织构,分析其激光铣削加工工艺,并研究复合织构在销-盘面接触下的摩擦磨损特性。结果表明,在变角度直线扫描路径,单脉冲能量23μJ和光斑间距2μm下激光能量分布较均匀,复合织构的加工误差较小。合适的球凸高度可大幅提高圆凹坑织构的摩擦学性能,在一定条件下,圆凹坑-球凸复合织构较圆凹坑织构平均摩擦系数下降41.0%。

多圆弧与三角形复合织构表面的动压润滑性能

合理的表面织构能有效地改善摩擦副的动压润滑性能.建立了由多圆弧及三角形复合构成的织构表面的几何模型及流体力学控制方程;应用基于N-S方程的CFD软件FLUENT,对该复合织构表面的动压润滑性能进行数值分析.结果表明,复合织构表面的压力分布更加合理,举升力明显大于两种单一织构表面产生的举升力之和,即复合织构表面动压润滑效果更好.

平行滑块表面矩形-半球型复合织构润滑性能研究

研究仿生硅藻的多级孔结构——矩形与半球型结合的复合型织构对平行滑块润滑性能的影响。通过建立矩形-半球型的复合型织构单个单元模型,采用双向流固耦合的方法,分析两滑动表面在不同面积率和织构深度条件下的摩擦润滑性能。结果表明:织构表面摩擦因数随着面积率的增大而减小,承载力随着面积率的增大先增大后减小,在考虑摩擦性能与承载力的条件下,矩形-半球型复合型织构的面积率应控制在25%~36%之间;在确定合适的面积率的条件下,还应考虑不同的织构深度所产生的旋涡的影响。

仿生微坑—槽复合织构陶瓷刀具硬车削性能研究

在金属加工中,切屑一般被当做固体进行研究。有研究表明,切屑具有类似于流体的特性,因此,刀—屑接触处于固体与固体接触和固体与流体接触的混合状态。为改善刀具切削性能,综合考虑刀具与切屑接触的混合状态以及切屑流动方向,本文基于蜣螂表皮和鲨鱼表皮,在陶瓷刀具前刀面设计加工了微凹坑织构(DT)、微沟槽织构(GT)和微坑—槽复合织构(DGT)。通过有限元仿真和车削试验,研究了不同切削速度下干式车削GCr15淬硬轴承钢时织构对于刀具切削性能的影响规律。研究表明:三种织构刀具有效改善了陶瓷刀具的切削性能;微坑—槽复合织构刀具(DGT)在不同切削速度下切削性能均为最优;微凹坑织构刀具(DT)在较低切削速度时表现出相对良好的减摩特性,适合于较低的切削速度;微沟槽织构刀具(GT)更适合于较高的切削速度。

考虑粗糙度的复合微织构轴承动力特性分析

为了提高滑动轴承旋转摩擦副的动力学性能和优化轴承结构,综合考虑表面粗糙度和复合微织构等因素,建立轴承转子系统的动力学特性计算模型,从理论上研究了考虑表面粗糙度时的复合微织构轴承的稳定性。针对圆形复合矩形微织构轴承,计算了不同粗糙度下轴承的油膜压力和临界速度,分析了不同复合微织构深度下的轴承刚度系数、阻尼系数及临界速度。研究结果表明:复合微织构轴承可以获得更大的临界速度,提高轴承的稳定性;复合微织构轴承的稳定性随织构深度的增大先增大后减小,在圆形和矩形织构无量纲深度分别为0.2和0.3附近稳定性最佳;相较于不考虑粗糙度时,采用均方根偏差为0.209μm时的考虑粗糙度的复合微织构轴承稳定性更佳,但最佳织构深度有所减小。

复合表面织构对锭子振动性能的影响研究

为提高锭子振动性能,在锭子的高速旋转表面用激光微加工出具有减阻作用的仿贝壳状、仿鲨鱼皮状、仿黄缘真龙虱状复合表面织构,对比分析了相同条件下双弹性锭子和单弹性锭子增加复合表面织构前后的振动性能。结果表明:增加仿鲨鱼皮状复合表面织构后,双弹性和单弹性锭子的振动性能略有提升;增加仿贝壳状和中尺寸仿黄缘真龙虱状复合表面织构后,双弹性锭子振幅较小且不受临界转速影响,其可在任意转速下工作;而增加大尺寸和小尺寸仿黄缘真龙虱状复合表面织构的双弹性和单弹性锭子在高速时振动性能明显提升。

圆-椭圆垂直复合微孔织构对密炼机端面密封装置摩擦性能的影响

建立密炼机端面密封装置圆-椭圆垂直复合微孔织构(简称复合织构)的流体动压润滑模型,研究织构参数和工况参数对复合织构摩擦性能的影响。结果表明:当复合织构深度为5μm时,复合织构端面密封装置具有最好的减摩性能;当复合织构面积率为43.96%时,润滑油膜平均无量纲压力(P_(a))最大和摩擦因数(μ)最小;复合织构的μ随着动密封环转速(n)和润滑油粘度(η)的增大而增大;密封间隙(h_(0))为3和6μm时,复合织构的P_(a)和μ都随着n和η的增大而增大;在不同的n和η下,复合织构的P_(a)和μ随着h_(0)的增大而减小。

复合微织构排列方式对轴承润滑性能的影响

目前对于多种织构复合表面轴承的排列方式的研究有待进一步深化.为了提升轴承承载力、降低摩擦因数和提升轴承稳定性,数值模拟及试验研究复合微织构排列方式对滑动轴承系统的动静特性的影响,并与单一微织构轴承及光滑轴承进行比较.利用有限差分法对轴承转子系统中油膜的Reynolds方程进行数值求解,针对圆形复合矩形、三角形复合菱形及六边形复合月牙形三种复合织构,在四种不同排列方式的条件下对轴承静特性(油膜压力、承载力、摩擦阻力和端泄量)以及轴承动特性(刚度系数和阻尼系数)的影响进行研究,并利用摩擦磨损试验仪对摩擦副摩擦学性能进行进一步试验探究.理论及试验结果显示,复合微织构轴承比光滑轴承和单一微织构轴承获得更大的承载力、更小的摩擦因数、更佳的动特性性能;三角形复合菱形微织构时摩擦副性能最佳,排列方式为周向对应平行排列时能够取得更佳的摩擦及润滑性能.研究复合织构排列方式对轴承润滑性能的影响可为复合织构在实际工况中应用提供理论参考和指导.

齿槽表面多级微织构构筑及其润湿机理

目的使外科手术器械表面具有超疏水功能,有效防止感染,解决医疗器械的清洁问题,降低设备维护成本。方法通过电火花线切割(WEDM)复合纳秒激光烧蚀在3Cr13不锈钢表面制备了亚毫米/微米多级复合织构表面,随后在表面上制备了1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷溶液(PFDS)自组装超疏水涂层。利用台式扫描电镜和激光共聚焦显微镜观察复合织构表面形貌特征,使用接触角测量仪对水滴与复合织构表面的接触状态进行观察,并测量水滴的接触角与滚动角。利用表界面张力仪对多级织构表面黏附力进行表征。结果微米沟槽在亚毫米齿槽斜面上均布且不同高度的沟槽形状一致,方向与齿槽平行。水滴与齿槽阵列表面为Wenzel模型接触,水滴与多级结构表面为Cassie-Baxter模型接触。齿槽阵列试样最大黏附力为164.1μN,最小黏附力为123.5μN,多级织构试样的黏附力分别为77.2、47、24.1μN。结论微米沟槽的存在改变了水滴接触状态,在亚毫米尺度上水滴与表面的接触状态由Wenzel状态转为Cassie-Baxter状态,有效改善了水滴的接触性能与滚动性能。多级织构试样齿槽顶角的减小,有效减小了固液接触面积,水滴接触角最大为163.2°。

考虑粗糙度的水润滑复合微织构推力轴承性能分析

目的改善摩擦副润滑性能,研究考虑表面粗糙度时复合微织构参数对推力轴承性能的影响,同时通过实验进一步说明复合微织构的减摩作用机理。方法建立表面粗糙度模型、复合微织构的水膜厚度方程和推力轴承的广义雷诺方程,研究不同复合微织构形状和排列方式推力轴承的性能。通过摩擦磨损实验验证复合微织构形状对轴承润滑性能的影响。结果复合微织构有效改善了摩擦副的摩擦学性能,在15种复合微织构和2种单一织构中,复合微织构的承载性能均优于单一鱼形和圆形织构,圆形复合鱼形微织构具有较好的润滑性能;当不同微织构沿周向排列时获得了较好的润滑参数,相较于径向排列,其承载力提升了45.45%;考虑表面粗糙度时,轴承的润滑性能得到提高,当尺度系数为0.0022、分维系数为2.6时,轴承获得了较好的润滑性能,相较于未考虑粗糙度时其承载力得到提高。结论实验得出与理论相同的结论,圆形复合鱼形微织构具有较好的承载力和减摩性能,合适的复合微织构参数可以有效提高水润滑推力轴承的润滑性能,降低摩擦因数。

三角形-椭圆复合微孔织构化机械端面密封性能的数值研究

通过构建三角形-椭圆复合微孔机械端面密封的几何模型;利用数值模拟的方法计算出三角形、椭圆及三角形-椭圆复合微孔织构化密封端面流场的压力分布;系统考察结构参数织构深度hp、织构面积率Sp、三角形、椭圆微孔偏转角度α,β;工况参数密封间隙h0、动环旋转速度n等对密封端面性能参数的影响。结果表明:当hp=4~5μm,三种织构化端面的承载力F、流体膜刚度K均能获得最大值、且泄漏量Q可以控制在较低水平;当h0<4μm时,三角形-椭圆复合织构化端面的承载力F、泄漏量Q、流体膜刚度K均优于其他2种单一微孔织构化端面;当α=15°、β=10°~20°时,三角形-椭圆复合微孔织构化密封端面具有最佳的综合密封性能。