2017年37卷6期

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外加直流电场对DLC/PAO固液复合润滑体系摩擦学行为的影响
丁奇, 汤金柱, 张松伟, 李昊坤, 胡丽天
2017, 37(6):707-716. doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.001
[摘要](314) [HTML全文] (594) [PDF 8148KB](19)
摘要:
本文中利用球-盘式载流摩擦试验机研究了DLC/PAO固液复合润滑体系在外加直流电场中的摩擦学行为,考察摩擦副滑动速度、加载电压以及回路电流的影响,结果表明:外加直流电场对复合润滑体系摩擦磨损行为的影响与摩擦副的滑动速度密切相关,这源于不同润滑状态时DLC薄膜的电气损伤行为以及薄膜的结构、成分变化. 根据润滑状态和外加电压的不同,DLC薄膜的电气损伤可以表现为线状隆起或烧蚀坑,其中线状隆起型损伤源于载流摩擦界面的焦耳热,烧蚀坑损伤则源于摩擦对偶之间的拉弧放电及PAO油膜的击穿. Raman光谱显示电气损伤区DLC薄膜发生显著的石墨化转变,且石墨化程度取决于回路电流的大小. 外加电场条件下DLC薄膜的石墨化转变虽然在一定条件下可使复合润滑体系的摩擦系数降低,但削弱了DLC薄膜的抗磨性能,使薄膜的磨损表现为电气损伤和机械磨损的耦合.

高温条件下热固性聚酰亚胺摩擦学性能研究
段春俭, 崔宇, 王超, 陶立明, 王齐华, 谢海, 王廷梅
2017, 37(6):717-724. doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
[摘要](297) [HTML全文] (568) [PDF 7803KB](17)
摘要:
以3,3,4’,4’-联苯四甲酸二酐(s-BPDA)、4,4’-二氨基二苯醚(4,4’-ODA)、3,4’-二氨基二苯醚(3,4’-ODA)、4-苯乙炔苯酐(4-PEPA)为前驱体,设计并制备了热固性聚酰亚胺. 采用球盘式高温摩擦磨损试验机进行室温(25 ℃)、100、200、250、300和350 ℃条件下的滑动摩擦磨损试验. 通过表征不同温度磨损后的材料和对偶表面形貌,研究了其高温条件下的摩擦行为和磨损机制. 结果表明:随着环境温度的升高,热固性聚酰亚胺的磨损率呈现先升高,后降低再升高的趋势;而摩擦系数却一直降低. 这种趋势归结于聚合物接触表面机械性能的改变. 不同温度条件下的磨损机理也是不同的,25和100 ℃条件下的磨损主要为疲劳磨损和磨粒磨损;随着环境温度升高到200 ℃时,磨损表面部分链段易于剪切,形成一层均匀的转移膜而降低了磨粒磨损;当温度升高至250、300以及350 ℃时,磨损表面的分子链段运动更加剧烈,在试验载荷持续挤压下,分子链间作用力破坏而剥落,磨损率急剧升高,表现为黏着磨损,并且环境温度越高,磨损率越大.

纳米级稠化剂颗粒沉积膜在乏脂润滑中的作用机制研究
黄鹭, 高思田, 施玉书, 温诗铸, 温天佑
2017, 37(6):725-733. doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.003
[摘要](226) [HTML全文] (525) [PDF 10296KB](11)
摘要:
利用双光束干涉法对点接触区乏脂润滑成膜特性规律以及接触区附近润滑剂的微观迁移特性进行了观测. 在试验条件下,接触区会经历充分润滑—乏脂—沉积膜润滑—分离油润滑等润滑状态. 借助原子力显微镜,探测到沉积膜是润滑脂的稠化剂被碾压破碎而沉积在滚压轨道表面的一层纳米级颗粒薄膜;而分离油是在剪切过程中润滑脂内逐渐释放基础油. 试验初始,接触区周围的润滑脂池因乏脂而迅速消失,但分离油会逐渐形成“第二相油池”以实现回流补给. 沉积膜增大了基础油在滚动轨道表面的接触角,阻碍回流补给,但其会随运动逐渐磨损,此后分离油将进入接触区补充润滑膜. 初步发现,当分离油不充足时,沉积膜有利于保护润滑轨道.

基于逾渗理论的机械密封界面静态泄漏预测方法
嵇正波, 孙见君, 陆建花, 马晨波, 於秋萍
2017, 37(6):734-742. doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.004
[摘要](253) [HTML全文] (73) [PDF 1659KB](9)
摘要:
针对现有机械密封泄漏机理研究存在的不足,利用Hertz理论研究机械密封界面接触力学问题,揭示了孔隙率随端面形貌、端面载荷等参数的变化规律;基于逾渗理论,探讨了不同网格层数下密封界面的逾渗阈值与孔隙率的关系,建立了密封界面泄漏通道模型,以及泄漏率与端面形貌参数关系表达式;研制了机械密封静态泄漏测试装置,测试了6组不同端面形貌试件在一定介质压力下的泄漏率. 结果表明:密封界面的初始孔隙率ϕ0随着分形维数D的增大而增大;端面比压pc增大,孔隙率ϕ减小,并随着D的增大和尺度系数G的减小,ϕ快速减小,直至填实. 在端面比压作用下,密封界面的孔隙率均大于0.593,密封界面泄漏通道可以简化为单层网格逾渗模型. 密封环的表面越粗糙,其密封界面的孔隙率越大,而由孔隙连通形成的泄漏微通道孔喉尺寸就越大,致使密封界面的泄漏率越大;泄漏率理论预测值与试验结果具有良好的吻合度,验证了本文泄漏预测方法的合理性.

下游泵送螺旋槽密封空化试验及性能分析
李振涛, 王赟磊, 郝木明, 李勇凡, 袁俊马
2017, 37(6):743-755. doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.005
[摘要](212) [HTML全文] (67) [PDF 2370KB](8)
摘要:
基于自主设计的可视化试验装置及膜温和膜厚测量方法,对下游泵送螺旋槽密封空化特征及性能参数进行试验研究. 探讨了油压和转速对不同螺旋槽密封液膜中空穴发生位置、空穴分布及空穴边界的影响,拟合了不同螺旋槽密封空穴边界的试验关系式,并对不同空化模型的理论泄漏量和膜厚与相应试验值进行了对比分析. 结果表明:内槽型和中槽型密封的空穴均发生在螺旋槽内,但两者的空穴区形状明显不同;油压的增加有助于抑制液膜中空穴的发生,而转速的增加反之;尤其是内槽型,油压对其空穴发生影响更为显著;在低转速或高油压时,Reynolds和JFO两空化模型均可用于预测泄漏量和膜厚;在高转速或低油压时,JFO空化模型预测值更准确,而Reynolds空化模型预测值偏大.

游离水对点接触区润滑油成膜特性的影响
刘翔, 王金涛, 张跃, 张竟月, 李占宏, 许常红, 佟林
2017, 37(6):756-767. doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.006
[摘要](236) [HTML全文] (69) [PDF 6188KB](6)
摘要:
水污染作为润滑系统污染的常见形式,对润滑油本身以及机械系统都有巨大的危害. 目前关于水分对点接触区润滑特性造成影响的直接观测研究还较少,更多的是通过磨损后的接触副状态来推测可能的破坏机理. 因此开展水分存在条件下与润滑接触区油池的相互作用,以及对接触区润滑能力造成影响的研究,能够对探究水分造成的机械元件早期失效机理,开展水污染的防护工作起到理论指导作用. 本文作者研究了不同润滑条件下游离水对点接触区成膜特性的影响,提出了游离水对接触区膜厚产生影响的无量纲判据,发现了游离水对点接触润滑油池及轨道的冲刷及乳化作用,是造成接触区膜厚下降及回流减弱的主要原因,直接证明了游离水可造成点接触结构的早期润滑失效.

冲击载荷下蛋白质水溶液吸附成膜的润滑试验研究
马龙华, 刘海超, 郭峰, 姜培刚
2017, 37(6):768-775. doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.007
[摘要](422) [HTML全文] (739) [PDF 903KB](15)
摘要:
利用球盘接触形式的光干涉膜厚测量试验机,研究了周期冲击载荷作用下蛋白质水溶液在材料表面的吸附膜生长特性. 对比了溶液蛋白质组分、亲疏水对偶表面和冲击条件对球盘接触区蛋白质吸附膜厚的影响. 结果显示动态冲击下蛋白质的吸附膜厚要远高于静态吸附,吸附膜不断在接触区生长,之后趋于稳定. 金属钢球比陶瓷球、疏水盘表面比亲水盘面,均更有利于蛋白质吸附膜的生长. 同时发现吸附膜厚与单一蛋白质的浓度关系不大,却和蛋白质种类关系很大,球蛋白比白蛋白具有更好的吸附成膜性能.

AlCoCrFeNi高熵合金的高温摩擦磨损性能
张爱军, 韩杰胜, 苏博, 孟军虎
2017, 37(6):776-783. doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.008
[摘要](242) [HTML全文] (94) [PDF 8778KB](17)
摘要:
AlCoCrFeNi高熵合金因其优异的综合力学性能而有望成为新一代高温结构材料,但对其高温摩擦磨损性能的研究还较为少见. 本文中应用放电等离子烧结(SPS)技术制备了AlCoCrFeNi高熵合金,研究了其显微组织和力学性能,系统地考察了其在室温至800 ℃时的摩擦磨损性能. 结果表明:应用SPS技术制备的AlCoCrFeNi高熵合金主要由FCC相、无序BCC相和少量有序BCC相组成;呈网格状分布的FCC相使高熵合金具有良好的塑性和韧性,而呈等轴状分布的BCC相赋予了高熵合金优异的强度;高熵合金室温至800 ℃时的摩擦系数在0.43~0.51之间,磨损率低于10–5 mm3/(N·m). 室温至中温阶段主要为磨粒磨损,中温至高温阶段的磨损机制为磨粒磨损、黏着磨损和塑性变形综合作用. 高温下高熵合金表面形成了一层主要由为Al2O3和Cr2O3组成的氧化物膜,在一定程度上起到抗磨作用.

考虑转速影响的滚珠丝杠副摩擦系数计算与试验研究
赵哲, 欧屹, 孟军虎, 冯虎田, 周长光
2017, 37(6):784-790. doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.009
[摘要](315) [HTML全文] (364) [PDF 1810KB](13)
摘要:
针对目前滚珠丝杠副摩擦系数选取多以轴承经验值为依据的现状,基于滚珠丝杠副的结构特点建立滚珠与滚道的运动学及动力学模型,得到滚珠丝杠副摩擦系数与预紧力及摩擦力矩之间的关系,并推导出滚珠丝杠副摩擦系数计算公式. 通过新型设计的预紧力可调机构可实现对双螺母滚珠丝杠副预紧力的任意加载与实时监测. 利用该机构,结合摩擦力矩测量系统便可实现对滚珠丝杠副摩擦力矩和预紧力的直接测量,从而计算不同预紧力和转速下的实际摩擦系数. 由于测量系统转速限制,试验在转速400 r/min以下的低速条件进行,最终得到摩擦系数随转速与预紧力的变化规律,并给出了滚珠丝杠副低速下摩擦系数的选用范围. 通过试验得到合理的滚珠丝杠副摩擦系数取值对今后研究其摩擦特性有着重要的意义.

B4C/hBN复相陶瓷与球墨铸铁配副在乳化液润滑下的摩擦学性能研究
潘武, 高义民, 党帅帅, 李洁
2017, 37(6):791-797. doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.010
[摘要](225) [HTML全文] (85) [PDF 8932KB](4)
摘要:
本文中以热压烧结法分别制备纯碳化硼陶瓷(B4C)及含30%质量分数的六方氮化硼的碳化硼/六方氮化硼复相陶瓷(B4C/hBN)作为销试样,与球墨铸铁(QT)盘试样分别在浸入及滴入乳化液润滑条件下进行摩擦磨损试验. 借助对摩擦表面的观察,对试验前后乳化液成分的分析等手段,结合摩擦系数及磨损率规律,澄清了在不同乳化液加入方式下,纯B4C陶瓷及B4C/hBN复相陶瓷与铸铁配副各自的磨损机制及润滑机理. 研究表明:在浸入乳化液润滑条件下,纯B4C陶瓷与QT配副时,摩擦系数随着摩擦过程的进行可降低至0.03,达到流体润滑,而B4C/hBN复相陶瓷与QT配副时,配副的摩擦系数始终高于0.1;相反,在滴入乳化液润滑条件下,纯B4C陶瓷与QT配副的摩擦系数高于0.1,而B4C/hBN复相陶瓷与QT配副的摩擦系数降低至0.003.

石墨烯/碳纳米管增强氧化铝陶瓷涂层的制备及摩擦学性能的研究
秦卢梦, 卞达, 徐晓燕, 郭永信, 赵永武, 白林森
2017, 37(6):798-805. doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.011
[摘要](283) [HTML全文] (526) [PDF 4995KB](13)
摘要:
对碳纳米管进行混杂功能化处理,并与石墨烯,氧化铝按一定配比制成骨料,与胶黏剂混合充分,采用手工涂覆,低温固化的方法在304不锈钢表面制备复合陶瓷涂层. 对混杂碳纳米管分子组成进行了表征;对涂层的微观结构, 石墨烯和碳纳米管的分散性,涂层的显微硬度、断裂韧性、涂层与基体的结合强度及摩擦学性能进行了分析. 结果表明:混杂处理的碳纳米管表面既接枝了活性基团同时也包覆了表面活性剂,复合涂层结构致密,石墨烯和混杂处理的碳纳米管均匀分散在涂层中, 且复合涂层的硬度、断裂韧性、结合强度和耐磨减摩性能明显提高.

高速气流阻塞效应对倾斜微孔端面密封动压特性的影响
谢静, 白少先
2017, 37(6):806-813. doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.012
[摘要](206) [HTML全文] (78) [PDF 2982KB](10)
摘要:
以倾斜椭圆微孔端面为研究对象,考虑出口阻塞效应和入口压力损失,对高速气流润滑密封动压特性展开理论研究. 采用数值方法重点分析不同密封压力、转速等操作参数和端面宽度等几何参数以及方向因子、倾斜角、孔深及面积比等微孔几何参数下,阻塞效应对开启力和泄漏量等密封特性参数的影响规律. 结果表明:入口压力损失使入口处压力降低,出口阻塞效应使出口处压力抬升,导致端面开启力和泄漏量降低. 随着转速和密封压力的增加,阻塞效应增强,与强制压力边界下的值相比,当密封压力为10 MPa,转速为50 000 r/min时,开启力降低可达5%以上,泄漏量可降低67%以上. 当孔深取2~4 μm,微孔倾斜角取20°~40°时较易获得优异的动压开启性能.

基于证据推理规则的船舶柴油机磨损类型辨识研究
徐晓健, 严新平, 盛晨兴, 袁成清
2017, 37(6):814-822. doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.013
[摘要](206) [HTML全文] (76) [PDF 8309KB](6)
摘要:
为了利用不确定、不完整信息对船舶柴油机磨损故障进行诊断,以磨粒的二维和三维特征作为诊断信息,提出了基于证据推理(ER)规则的船舶柴油机磨粒类型辨识模型,并以此作为识别柴油机磨损类型的依据. 在船舶柴油机油底壳附近安装油液监测系统以采集油液样本,提取油液中磨粒的二维和三维特征. 对每一磨粒特征进行k均值聚类确定其参考值,对磨粒样本与参考值的相似性进行似然归一化,获得了证据的置信度分布. 考虑辨识证据的可靠性和重要性,利用ER融合规则对多条辨识证据进行融合,辨识磨粒类型,进而确定柴油机磨损类型. 通过5折交叉验证以及不同模型对比分析表明:该模型能够利用不确定、不完整信息识别磨粒类型,确定柴油机磨损类型,并且模型结构简单,辨识准确性高,辨识结果客观、可靠.

含Fe2O3摩擦层的促进形成对H13和45钢磨损性能的影响
张秋阳, 丁红燕, 周广宏, 张临财, 陈秋明, 秦珂, 戴玉娇
2017, 37(6):823-830. doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.014
[摘要](211) [HTML全文] (79) [PDF 4463KB](8)
摘要:
Fe2O3是钢材高温或高速干滑动表面摩擦氧化物层的重要构成. 本文作者通过在H13钢、45钢/GCr15钢的滑动界面添加Fe2O3纳米颗粒,试图促进保护性摩擦氧化物层的快速形成,避免了高温恶化材料的机械性能. 研究了Fe2O3对H13钢和45钢磨损性能的影响,分析了摩擦氧化物层的形成机理,并探讨了基体硬度对摩擦氧化物层的作用. 研究结果表明:无添加时,低硬度45钢的耐磨性明显差于高硬度的H13钢;GCr15钢在与45钢对摩时,磨损率也明显大于与H13钢对摩时. 添加Fe2O3后,纳米颗粒在H13和GCr15钢表面迅速相互黏着并形成保护性的摩擦氧化物层,导致磨损率急剧下降,且随载荷增加仅轻微波动. 而较软45钢基体对摩擦氧化物层的支撑能力较弱,摩擦氧化物层破碎,高载下磨损率明显大于低载下.

Mg-3Al-0.4Si镁合金的高温磨损行为研究
张翼祥, 闫晓晗, 王渊博, 冯吉贺, 郜来奔, 董洋, 安健
2017, 37(6):831-837. doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.015
[摘要](204) [HTML全文] (85) [PDF 7037KB](6)
摘要:
在20~200 ℃温度下,利用销盘式磨损试验机研究Mg-3Al-0.4Si合金的磨损行为,评价载荷和温度对磨损速率的影响. 应用扫描电子显微镜观察磨损表面形貌以确定高温下的磨损机制,通过光学显微镜观察磨损亚表层组织演变,然后采用显微硬度计测量硬度变化. 研究结果表明:随着磨损温度提高,Mg-3Al-0.4Si合金的磨损率随载荷增加而上升的趋势更为明显. 其磨损行为可分为轻微和严重磨损,增加磨损温度显著降低轻微-严重磨损转变载荷. 轻微-严重磨损前后的亚表层组织和硬度变化表明,摩擦热诱发磨损亚表层发生动态再结晶(DRX)组织转变引起的热软化是造成轻微-严重磨损转变的主要原因.

迷彩服织物与人体肘部皮肤摩擦特性研究
张宇轩, 纪伟, 刘陶峰, 李炜, 周仲荣
2017, 37(6):838-844. doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.016
[摘要](232) [HTML全文] (284) [PDF 2244KB](14)
摘要:
在往复摩擦模式下模拟迷彩服穿着环境,研究了5种不同迷彩服织物的表面结构、亲疏水性、接触力值以及干湿状态对皮肤摩擦特性的影响. 结果表明:在法向载荷为1 N时,湿态下的环境增强了织物与皮肤间的黏着力,织物与皮肤在湿态下的摩擦系数均高于干态;当法向载荷增加到5 N时,界面间的干湿状态对织物与皮肤的摩擦系数无明显影响. 在干态时,不同迷彩服织物与皮肤的摩擦性能与织物的材质和针织结构有关,纯棉材质和斜纹结构的织物与皮肤的摩擦系数较小;在湿态时,不同迷彩服织物与皮肤的摩擦性能与织物的亲疏水性有关,疏水性强的织物由于增强了皮肤的水合作用以及界面间的粘附力,因此增加了织物与皮肤的摩擦系数. 质地较硬的平纹结构织物易造成摩擦后的皮肤表面粗糙,造成皮肤不同程度的角质层分离及表皮撕裂,增加了皮肤表面损伤的风险.

单晶硅高速磨削亚表层损伤机制的分子动力学仿真研究
朱宝义, 吕明, 梁国星, 黄永贵
2017, 37(6):845-853. doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.017
[摘要](252) [HTML全文] (514) [PDF 5615KB](11)
摘要:
运用分子动力学仿真模拟高速磨削下单颗金刚石磨粒切削单晶硅的过程,通过分析切屑、相变、位错运动并结合工件表面积的演变规律研究磨削速度对亚表层损伤和磨削表面完整性的影响. 仿真结果显示:磨削速度的增大会加剧磨粒前端材料的堆积,超过200 m/s后增加不再明显. 而加工区域的平均温度通过原子之间的挤压和摩擦会不断增大. 在磨削温度、磨削力以及粘附效应的相互作用下,摩擦系数先增大后减小. 晶格的变形、晶格重构和非晶相变导致切屑形成过程中的磨削力剧烈波动. 研究结果表明:在加工脆性材料单晶硅过程中,随着磨削速度的升高亚表层损伤厚度先减小后增大. 当磨削速度低于150 m/s时,随着磨削速度的升高,磨粒下方的原子晶格重新排列的时间缩短,非晶结构的产生减少,亚表层损伤厚度减小. 当磨削速度超过150 m/s时,加工区域中的高温成为主导因素促进位错的成核、运动致使亚表层损伤厚度增大.

7075铝合金扭转微动疲劳行为研究
张俊, 彭金方, 徐志彪, 金潇, 朱旻昊
2017, 37(6):854-862. doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.018
[摘要](237) [HTML全文] (250) [PDF 11712KB](7)
摘要:
在基于多轴疲劳试验机上自主设计的扭转微动疲劳装置上,对7075铝合金材料进行了扭转微动疲劳试验,讨论了相同法向载荷下不同扭转切应力对扭转微动疲劳寿命的影响,建立了7075铝合金扭转微动疲劳S-N曲线,并采用SEM,EDS,EPMA等分析方法对扭转微动疲劳的损伤区域进行了分析,建立了扭转微动疲劳混合区接触表面损伤和裂纹萌生及扩展的物理模型,揭示了7075铝合金扭转微动疲劳的损伤机理. 试验结果表明:微动作用导致疲劳寿命大大降低;扭转微动疲劳S-N曲线呈“ε”型曲线特征;损伤区靠加载端位置氧化严重,氧化程度随着循环次数增加而增加;微动疲劳的裂纹萌生于次表面,接触区中心两侧主裂纹扩展交叉后垂直于接触表面扩展至试样断裂.

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