2016年36卷3期

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粗糙表面的黏着试验研究
陈荣誉, 黄平
2016, 36(3):269-275. doi: 10.16078/j.tribology.2016.03.001
[摘要](857) [PDF 20713KB](420)
摘要:
在微机械电子系统中, 表面粗糙峰的几何特征、尺寸以及形状等对表面黏着以及摩擦特性有重要作用. 为了研究粗糙度对黏着力的影响, 首先用KOH溶液腐蚀硅片, 得到8个粗糙度不同的样品. 使用原子力显微镜(AFM)来测量样品的黏着力. 分别使用两种探针来模拟不同的接触几何, 第一种探针针尖为一个2 μm左右的平台, 另一种探针为尖探针. 试验分别在干燥的手套箱内以及在空气中进行. 在样品表面随机选取15个测量点, 每个点测量50次, 然后根据计算值, 确定平面的平均黏着力以及标准差. 并与Robinovich模型的计算结果作比较. 结果显示: 当粗糙度较小的时候, 随着粗糙度增大, 黏着力下降很快, 这与Robinovich模型变化趋势较吻合; 当粗糙度较大时, 随着粗糙度增大黏着力略有增加, 但不是很明显, 与Robinovich模型相差较大.

基于变转速条件下内燃机油抗磨试验方法研究
杜鹏飞, 宋世远, 陈国需, 赵立涛, 吴江, 李进
2016, 36(3):276-280. doi: 10.16078/j.tribology.2016.03.002
[摘要](661) [PDF 1668KB](812)
摘要:
通过对内燃机油工作环境和润滑状态的研究, 提出变转速试验方法来评定内燃机油的抗磨性能. 该方法以四球机为试验平台, 以Stribeck曲线和椭圆接触理论为依据, 通过试验转速的改变来匹配不同的油膜厚度, 从而在测试过程中模拟发动机的润滑状态. 对11种油品的抗磨性能进行了测试, 考察了变转速试验方法的相关性、重复性、区分性, 并与标准方法SH/T 0189进行了比较. 结果表明: 变转速试验方法与SH/T 0189方法显著相关, 其重复性及区分能力优于SH/T 0189方法, 可用于内燃机油抗磨性能研究.

二元离子液体混合润滑剂的摩擦学性能研究
凡明锦, 祝海涛, 高鹏, 严云云, 杨得锁, 王晓玲, 周峰, 刘维
2016, 36(3):281-289. doi: 10.16078/j.tribology.2016.03.003
[摘要](768) [PDF 32902KB](365)
摘要:
以1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(L-B104)、六氟磷酸盐(L-P104)及双三氟甲烷磺酰亚胺盐(L-F104)三种离子液体为研究对象, 采用STA 449 C同步热分析仪、SYP1003-III运动黏度仪、Optimol SRV-IV微动摩擦磨损试验机、MicroXAM三维廓仪以及铜片腐蚀试验分别测试了这三种离子液体在混合前后其热稳定性、黏温性能、摩擦学性能以及对基底材料的腐蚀性能的变化规律. 研究结果表明: L-B104+L-P104, L-B104+L-F104和L-P104+LF104三个混合体系中, L-B104+L-F104对基底材料的腐蚀性比未混合之前两种纯离子液体的腐蚀性低; 其热稳定性高于纯离子液体L-B104, 而接近于L-F104; 这个体系在常温和高温条件下, 都表现出较好的减摩抗磨性能. 使用这种混合润滑剂, 在实际应用中不但可以降低高成本离子液体L-F104的使用量, 同时还能达到理想的润滑效果.

基于半光滑牛顿法的润滑液膜有限元空化算法
顾林峰, 孟祥铠, 李纪云, 彭旭东
2016, 36(3):290-296. doi: 10.16078/j.tribology.2016.03.004
[摘要](771) [PDF 5884KB](742)
摘要:
针对润滑液膜中空化问题, 引入Fischer-Burmeister函数, 提出一种求解满足质量守恒雷诺方程的半光滑牛顿迭代算法. 该算法将空化问题的非线性互补关系转化为等式约束方程, 避免了迭代计算中的不等式约束识别问题.算法可将空化约束方程与雷诺方程、力平衡方程、变形方程等同时纳入牛顿迭代方程组, 有效解决了传统松弛迭代算法需要多重嵌套循环带来的效率低下问题及压力与膜厚的强耦合性带来的收敛困难问题. 计算实例表明, 该算法计算效率高、收敛性好, 且易应用于弹流润滑分析中, 在滑动轴承和机械端面密封等多种物理模型下均有良好的适用性.

谐波减速器黏着磨损失效加速寿命模型研究
李俊阳, 王家序, 范凯杰, 汪忠来
2016, 36(3):297-303. doi: 10.16078/j.tribology.2016.03.005
[摘要](569) [PDF 5441KB](639)
摘要:
针对空间润滑谐波减速器黏着磨损失效的加速寿命试验方法问题, 首先基于Johnson-Williamson的粗糙表面接触模型建立了混合润滑状态下的黏着磨损模型, 模型表明磨损速率主要由粗糙表面微凸体接触承担的载荷比例决定. 然后, 对磨损部位进行考虑粗糙表面真实形貌与润滑剂流变特性的混合润滑数值分析表明, 转速与载荷对微观界面接触与润滑分布状态的影响显著, 温度的影响有限, 因此传统提高转速并升高温度以保持油膜厚度一致的加速寿命试验方法已不适用. 最后以增大转速、载荷并保持或增大混合润滑状态下微凸体接触承担的载荷为加速寿命试验准则, 以微凸体承担载荷为加速应力建立了黏着磨损的加速寿命模型, 并以不同工况的加速寿命试验与寿命分布统计对其准确性进行了验证.

TBM滚刀刀圈硬度与岩石匹配性能试验
夏毅敏, 毛晴松, 朱宗铭, 吴才章, 丛国强
2016, 36(3):304-309. doi: 10.16078/j.tribology.2016.03.006
[摘要](520) [PDF 32466KB](324)
摘要:
为了研究TBM滚刀刀圈硬度与岩石匹配性能对滚刀刀圈磨损量及磨损去除机制的影响机理, 将四种材料相同但硬度不同的滚刀刀圈试样分别与同一种TBM工程中典型的花岗岩试样进行匹配磨损试验. 试验结果表明:材料相同硬度不同的刀圈, 其微观组织结构存在一定的差异, 刀圈硬度对刀圈磨损量及磨损去除机制有显著影响. 随着刀圈硬度的增加, 刀圈的磨损量呈先减小后增大的变化趋势且硬度最高的刀圈的磨损量最大. 当刀圈硬度较低时, 刀圈的磨损以显微切削去除机制为主, 且在一定范围内随着刀圈硬度的增加, 显微切削去除作用减弱, 刀圈的耐磨性更好; 但当刀圈硬度高于一定值后, 刀圈的磨损去除机制发生转变, 刀圈磨损以韧性断裂剥落去除机制为主, 刀圈的耐磨性急剧变差.

触变成型AZ91D镁合金的干滑动磨损机制图研究
任峻, 马颖, 陶钦贵
2016, 36(3):310-319. doi: 10.16078/j.tribology.2016.03.007
[摘要](576) [PDF 34830KB](346)
摘要:
磨损机制图是表征材料在特定接触模式、滑动速度、试验载荷下的磨损机制转换关系. 本文作者以触变成形AZ91D镁合金为研究对象, 试验在ASTM1045钢块上进行, 在98~490 N的载荷及0.083~1.084 m/s的滑动速度范围内进行磨损率的测量, 通过扫描电镜(SEM)、电子探针分析仪(EPMA)和X射线衍射仪(XRD)对磨损表面(断面)和磨屑的形态及微观结构进行观察, 探讨了触变成型AZ91D镁合金在干滑动条件下的磨损机理并绘制了合金的磨损机制图. 结果表明: 触变成形AZ91D镁合金在干滑动条件下的磨损行为可分轻微磨损和严重磨损, 前者在稳定情况下进行, 接触面温度存在热平衡效应, 其磨损量与滑动距离成线性增加, 而严重磨损的磨损量随滑动距离剧烈增加. 轻微磨损又包括以氧化与磨粒的混合磨损和剥层磨损两种机制, 其磨损的转变逐渐发生, 磨损率无明显差异; 严重磨损主要以严重塑性变形引起的磨损和熔融磨损进行, 其转变会导致磨损率的剧烈增加. 磨损试验中, 接触面温度与表达式(F1/4V1/2)存在函数关系, 除熔融磨损外, 轻微磨损到严重磨损的转变发生在摩擦面温度75℃±5℃左右.

配副金属表面粗糙度对丁腈橡胶O型圈摩擦学特性的影响
沈明学, 董峰, 彭旭东, 孟祥铠, 王玉明
2016, 36(3):320-325. doi: 10.16078/j.tribology.2016.03.008
[摘要](701) [PDF 27046KB](358)
摘要:
UMT-3多功能摩擦磨损试验机上, 以丁腈橡胶O型圈/316L不锈钢粗糙表面配副为研究对象, 系统研究了配副金属表面粗糙度对丁腈橡胶摩擦学行为的影响, 重点探讨了不同表面粗糙度下摩擦系数和磨损体积的变化规律、揭示了不同表面粗糙度下橡胶表面的损伤机制. 结果表明:表面粗糙度对丁腈橡胶O型圈的摩擦磨损有重要影响;随着表面粗糙度的增加, 稳定阶段的摩擦系数呈先降低后升高的变化趋势.当表面粗糙度在Ra为0.1 μm左右时, 丁腈橡胶表现出较低的摩擦系数和材料磨耗, 磨损表面呈现出典型的花纹磨损特征;而过高或过低的表面粗糙度下丁腈橡胶均表现出较高的摩擦系数和材料磨耗, 其磨损机制以黏着磨损和疲劳磨损为主.

DMTD在Ti-DLC自配副摩擦界面的吸附及摩擦学行为的研究
魏晓莉, 张广安, 王立平
2016, 36(3):326-331. doi: 10.16078/j.tribology.2016.03.009
[摘要](552) [PDF 9557KB](425)
摘要:
采用非平衡磁控溅射技术制备了Ti掺杂的类金刚石(Ti-DLC)薄膜, 用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)分别对薄膜结构和断面致密度进行了分析. 用球盘式往复摩擦试验机考察了薄膜与以聚a-烯烃(PAO)为基础油, 2, 5-二巯基-1, 3, 4-噻二唑(DMTD)衍生物作为添加剂复合后的摩擦学性能, 同时采用X射线光电子能谱(XPS)对摩擦后的磨痕进行元素分析, 并进行动力学计算. 结果表明: 添加剂分子DMTD分子以巯基S作为吸附点吸附在摩擦界面, 扩散是吸附的控制因素, 吸附过程跟表面的覆盖度无关, 符合Langmuir吸附模型. 最后讨论了液体添加剂分子在DLC表面的吸附过程和气体分子吸附过程不同的可能原因.

激光微造型对粉末润滑界面边界层行为和润滑特性的影响
季佳伟, 刘焜, 王伟
2016, 36(3):332-340. doi: 10.16078/j.tribology.2016.03.010
[摘要](653) [PDF 62946KB](336)
摘要:
粉末润滑在极端条件下可以有效地减摩, 但粉末的介入性和界面保持性仍有待提高, 研究尝试利用表面的激光微造型, 阐明其对粉末润滑特性的影响, 改善润滑特性. 采用控制变量法, 分别改变多功能摩擦磨损试验机的载荷和转速, 使用形状测量激光显微系统观察载荷和转速对微造型表面摩擦特性的影响. 结果表明: 激光微造型表面相对于无微造型表面能承受更大的载荷和转速; 激光微造型部位最先形成蝌蚪状界面边界层, 在界面边界层损坏过程中, 微造型凹坑部位界面边界层保留时间较长, 出现蝌蚪状残留和圆坑残留现象; 在一定范围内, 表面粗糙度随着载荷和转速的增大而逐渐增大.

低速下润滑接触区补充供油机制的研究
韩兵, 王文中, 赵自强
2016, 36(3):341-347. doi: 10.16078/j.tribology.2016.03.011
[摘要](626) [PDF 5470KB](757)
摘要:
在滚动轴承运行的过程中, 滚道上的润滑剂在滚动体的反复碾压下, 厚度不断减小, 轴承最终进入乏油润滑状态. 为了解释长期工作在乏油条件下的轴承依旧能够保持较长时间的良好工作状态, 有必要研究在轴承中是否存在某种自发的补充供油机制. 本文作者基于球盘接触模型, 分别考虑毛细力和分离压力在润滑油迁移过程中的作用, 建立赫兹接触区附近油层分布模型, 并以此修正弹流计算中的入口供油条件, 采用统一Reynolds方程法计算在静止或低速条件下的润滑油膜厚度和压力分布, 研究毛细力和分离压力的补充供油机制对润滑条件的改善作用.

季膦盐离子液体润滑脂的制备及摩擦学规律研究
王泽云, 姚美焕, 柯桢, 金艳萍
2016, 36(3):348-353. doi: 10.16078/j.tribology.2016.03.012
[摘要](532) [PDF 8241KB](370)
摘要:
发展高性能离子液润滑脂是离子液体作为新型润滑材料在摩擦学领域的热点和重点. 针对这一问题, 用三丁基烷基季膦盐离子液体为基础油, 聚四氟乙烯微粉为稠化剂制备了三种具有较高滴点的润滑脂. 在钢/钢摩擦副表面摩擦学研究结果表明: 与1-辛基-3甲基咪唑磷酸二辛基酯盐离子液体润滑脂相比, 在室温和高温(100 ℃)下, 三丁基烷基季膦盐离子液体润滑脂均具有优异的减摩抗磨性能. 通过磨斑表面的XPS分析和电场条件下考察离子液体润滑脂摩擦系数变化, 推断三丁基烷基季膦盐离子液体润滑脂的减摩抗磨机理为离子液体润滑脂中的聚四氟乙烯与摩擦表面发生摩擦化学反应生成含FeF2的化学反应膜, 以及离子液体阳离子、阴离子以物理吸附的方式在摩擦表面形成稳定吸附膜.

接触式机械密封端面摩擦系数影响因素分析与试验
魏龙, 张鹏高, 刘其和, 金良, 房桂芳
2016, 36(3):354-361. doi: 10.16078/j.tribology.2016.03.013
[摘要](619) [PDF 2319KB](568)
摘要:
通过理论模拟计算和试验, 研究并分析工作参数和端面形貌分形参数对接触式机械密封端面摩擦系数的影响. 依据接触式机械密封端面摩擦系数分形模型, 并考虑端面摩擦系数与端面平均温度的相互耦合关系, 通过模拟计算, 对B104a-70型机械密封端面摩擦系数的影响因素进行分析. 计算结果表明, 端面摩擦系数随着弹簧比压的增大而增大, 随着密封流体压力的增大而减小; 当转速较小时, 端面摩擦系数随着转速的增大而增大, 当转速增大到一定数值后, 端面摩擦系数则随着转速的增大而略有减小; 端面摩擦系数随着软质环端面分形维数的增大和特征尺度系数的减小而增大, 且端面越光滑增大的幅度越大. 通过在不同的弹簧比压、密封流体压力和转速下的试验对理论计算结果进行了验证, 试验密封流体为15 ℃清水. 结果表明:随着弹簧比压、密封流体压力及转速的变化, 摩擦系数理论计算值与试验值的变化规律相同; 当转速和密封流体压力均较小时, 最大相对误差为21.74%; 而当转速达到正常工作转速2 900 r/min时, 最大相对误差为5.08%.

等离子堆焊Stellite合金高温摩擦磨损特性研究
屈盛官, 熊志华, 赖福强, 王光宏, 李小强, 邓继韶, 黎志彦
2016, 36(3):362-370. doi: 10.16078/j.tribology.2016.03.014
[摘要](609) [PDF 14152KB](536)
摘要:
采用等离子堆焊技术在气门用钢基体上制备了Stellite 1和Stellite F合金堆焊层, 对堆焊层的金相组织、物相组成和硬度等进行了研究, 在MMU-10G高温端面摩擦磨损试验机上考察了不同温度条件对2种堆焊层摩擦磨损性能的影响, 并分析了堆焊层的磨损机理. 结果表明:高温条件下, 随着温度的上升, 2种合金堆焊层的摩擦系数增大, 磨损体积减小; 温度为400 ℃时, Stellite 1和Stellite F合金堆焊层分别产生了大量的疲劳裂纹和宽大的犁沟, 磨损较为剧烈; 温度为500和600 ℃时, 2种合金堆焊层磨损机制相似, 主要磨损机制分别为疲劳剥落和磨粒磨损; 氧化膜的快速形成以及上试样硬度的下降减小了磨损, 磨痕中心区域变窄, 磨痕边缘的磨屑不断堆积并被碾压产生了严重的黏着磨损, 导致摩擦系数增加.

粗糙表面的弹塑性接触研究
许迪初, 汪久根
2016, 36(3):371-379. doi: 10.16078/j.tribology.2016.03.015
[摘要](774) [PDF 10751KB](685)
摘要:
建立了综合载荷作用下粗糙表面弹塑性接触的确定性模型, 考虑了微凸峰接触的弹塑性变形阶段, 数值求解得到实际接触面积、压力分布和微凸峰塑性形变. 分析了实际接触面积与法向载荷的关系, 并研究了点接触的椭圆参数对上述关系的影响. 建立了结点增长模型, 分析了结点增长与滑动摩擦系数的关系以及滑动摩擦系数随椭圆参数的变化. 结果表明: 随着法向载荷增大, 实际接触面积与法向载荷之间的非线性关系愈加显著; 椭圆参数越大, 实际接触面积越小, 选择较小的椭圆参数可降低平均接触压力; 结点增长的速率随滑动摩擦系数增大而增大; 表面剪切作用力使最大Mises应力值升高, 疲劳裂纹的发生源向表面靠近; 重载时选择较小的滚动轴承沟曲率半径系数有利于减小摩擦功耗.

面接触条件下海藻酸钠的水基润滑
盛德尊, 张会臣
2016, 36(3):380-387. doi: 10.16078/j.tribology.2016.03.016
[摘要](578) [PDF 35771KB](316)
摘要:
以海藻酸钠作为水基润滑添加剂, 研究面接触条件下石英玻璃片摩擦副的摩擦学特性. 采用红外光谱仪分析海藻酸钠的分子结构, 采用3D表面轮廓仪测量试样的表面形貌, 在微摩擦磨损试验机上测试不同摩擦副的摩擦系数. 结果表明: 面接触条件下, 下试样表面粗糙度Ra值为0.555 nm时, 上试样表面粗糙度大于下试样表面粗糙度时方可相对滑动, 上试样表面粗糙度越大, 摩擦系数越大. 上下试样表面粗糙度合理搭配可保证海藻酸钠溶液能形成稳定的润滑膜, 获得极低的摩擦系数. 加入饱和氯化物破坏海藻酸钠水合分子层, 摩擦系数急剧增大. 海藻酸钠水基润滑层包括水分子层和海藻酸钠水合分子层, 其中海藻酸钠水合分子层起主要作用.

人工关节材料磨屑分离与表征的研究进展
宋剑, 廖振华, 王松, 刘宇宏, 刘伟强
2016, 36(3):388-396. doi: 10.16078/j.tribology.2016.03.017
[摘要](526) [PDF 12818KB](368)
摘要:
人工关节长期磨损或离解产生的磨屑将引起一系列生物学反应, 使关节假体产生无菌性松动进而影响人工关节置换术的长期疗效. 研究人工关节假体运动过程中产生的磨屑形态、数量及其产生机理, 对提高人工关节的耐磨性和使用寿命具有重要意义. 本文中重点阐述人工关节材料磨屑分离与表征的研究进展, 并对其发展趋势进行展望.

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