2019年39卷5期

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机械密封织构化表面粗糙度效应的有限元模型与摩擦学特性分析
陈文杰, 孟祥铠, 王玉明, 梁杨杨, 彭旭东
2019, 39(5):523-531. doi: 10.16078/j.tribology.2019004
[摘要](1045) [HTML全文] (224) [PDF 1471KB](124)
摘要:
为研究粗糙度效应对机械密封织构化端面承载能力、摩擦学特性以及密封性能的影响,基于有限元法建立了机械密封的混合润滑模型,针对确定性非高斯随机分布粗糙表面,考虑润滑液膜的宏微观空化作用和粗糙峰的接触,研究了圆孔型织构化机械密封的摩擦学性能和密封性能. 结果表明:平衡状态下处于全膜润滑区间的非高斯型粗糙织构表面,在研究范围内均方根值越大的表面其减摩效果越好,且泄漏率越大,从混合润滑区到全膜润滑区转变的速度也随之增大;非高斯表面的偏态值和峰态值对密封表面的承载能力,润滑性能以及密封性能有影响,但无明显规律;在混合润滑区,圆孔织构具有增摩效果,而在全膜润滑区表现出减摩效果.

曲轴轴向运动对粗糙表面曲轴主轴承润滑性能影响的研究
高亚明, 孙军, 李彪, 朱少禹, 付杨杨, 任燕平, 朱桂香
2019, 39(5):532-540. doi: 10.16078/j.tribology.2019049
[摘要](838) [HTML全文] (173) [PDF 1595KB](40)
摘要:
内燃机实际工作中,在多种影响因素综合影响下,曲轴进行旋转运动的同时,还存在沿轴承轴线方向的运动. 以某四缸四冲程内燃机曲轴-轴承系统为研究对象,综合考虑曲轴轴向运动、曲轴变形和摩擦表面粗糙度,基于平均Reynolds方程,建立了耦合曲轴轴向运动的粗糙表面主轴承润滑分析模型,着重研究了倾斜曲轴轴向运动对主轴承润滑特性的影响. 分析中,采用试验法实测曲轴沿轴承轴线方向的运动规律,应用有限单元法求解曲轴受载变形导致轴颈在轴承孔中倾斜状况. 结果表明:曲轴轴向运动对粗糙表面内燃机主轴承润滑特性影响显著;计及曲轴轴向运动时内燃机各主轴承轴颈轴心轨迹均为1条不封闭的三维空间曲线;曲轴轴向运动对主轴承润滑特性的影响程度与摩擦表面粗糙度直接相关;计及曲轴轴向运动时摩擦表面粗糙度对主轴承润滑特性影响趋势及程度均发生明显变化.

牙齿表面微观磨损形貌的数值化分析研究
华李成, 王玮园, 黄海波, 沈明学
2019, 39(5):541-546. doi: 10.16078/j.tribology.2019056
[摘要](830) [HTML全文] (179) [PDF 682KB](43)
摘要:
牙齿表面磨损一般通过显微镜进行形貌图像表征分析,而数值化分析牙齿表面磨损形貌的工作相对较少. 本研究中通过白光共聚焦显微镜,Solarmap Universal 软件和Tooth-Frax软件对牙齿咬合前后表面磨损形貌进行数值化分析,建立磨损前后表面尺度敏感曲线. 结果显示:牙齿表面磨损形貌可以通过轮廓分形分析法建立相应的表面尺度敏感曲线,形成表面磨损尺度敏感数字信号. 本工作的主要目的是寻求通过表面磨损数值化分析为研发牙齿磨损动态监测设备提供理论基础和技术支撑.

不同分子量和交联密度对形状记忆聚酰亚胺摩擦学性能的影响机制研究
李霄, 杨增辉, 段春俭, 王廷梅, 王齐华, 张新瑞
2019, 39(5):547-555. doi: 10.16078/j.tribology.2019043
[摘要](810) [HTML全文] (139) [PDF 1333KB](34)
摘要:
近年来由于形状记忆聚合物(SMPs)对热、光、磁和电等外界刺激的自主响应能力,其作为智能润滑材料引起广泛的关注. 本研究中以3,3’,4,4’-联苯四甲酸二酐(BPDA)、4,4’-二氨基联苯醚(ODA)和三聚氰胺为前驱体,制备了一系列不同分子量(Mn)的热塑性(TPIs)和不同交联密度(d)的热固性(CPIs)形状记忆聚酰亚胺,并采用球盘式往复摩擦试验机表征材料的摩擦学性能. 结果表明:两类聚合物不仅具有不同的磨损机制,且随着分子量Mn的增加和交联剂的引入,材料的摩擦系数和体积磨损率显著降低;此外,摩擦过程中局部摩擦热诱发线性聚酰亚胺的局部形状记忆效应,从而在一定程度上增加摩擦系数和磨损率,但热固性聚酰亚胺受材料形状记忆效应的影响相对较小.

利用圆锥压头微米划痕测试材料断裂韧性
刘明, 李烁, 高诚辉
2019, 39(5):556-564. doi: 10.16078/j.tribology.2019021
[摘要](904) [HTML全文] (179) [PDF 1405KB](40)
摘要:
利用Rockwell C金刚石压头对铜、聚碳酸酯、熔融石英和钠钙硅玻璃4种材料进行了微米划痕测试,这是国内首次利用划痕方法测量材料的断裂韧性. 研究表明:在划痕深度较浅时,必须要考虑压头顶端的球体区域,考虑和未考虑压头顶端球体区域时的压头形函数差别较大;考虑压头顶端的球体区域后,采用线弹性断裂力学(LEFM)模型评估断裂韧性的结果和能量尺寸效应(SEL)模型的计算结果接近,与单边切口梁(SENB)法、山形切口梁(CNB)法或压痕断裂(IF)法评估的断裂韧性相吻合,而未考虑压头顶端球体区域时计算断裂韧性的结果偏大;采用SEL模型评估断裂韧性时,按照投影接触面积等效的压头半顶角评估的断裂韧性相对按照周长等效的压头半顶角评估的断裂韧性误差更小,与LEFM模型的评估结果更接近.

铝掺杂WC-Co基硬质合金的高温摩擦学性能、磨损机理及抗氧化性能研究
刘育林, 朱圣宇, 于源, 程军, 宋承立, 乔竹辉, 胡斌
2019, 39(5):565-576. doi: 10.16078/j.tribology.2019044
[摘要](871) [HTML全文] (174) [PDF 2032KB](41)
摘要:
通过高能球磨和电火花等离子烧结,成功制备了(xAl-WC)-6Co(x=0.2,0.33)三元复合材料,并研究了铝掺杂WC-Co基硬质合金在空气环境中500、600和700 ℃下的摩擦学性能. 所制备的铝掺杂WC-Co,基体由WC和Co耦合而成,Al在烧结过程中发生氧化,基体上弥散分布细小的Cr3C2和Al2O3增强相. (0.2Al-WC-6Co)的硬度与断裂韧性明显高于WC-6Co, (0.33Al-WC)-6Co的断裂韧性较低. 脆性钨类氧化物的形成是Al-WC-Co硬质合金高温磨损的主要原因. 随着Al元素加入量的提高,硬质合金的高温抗软化性能和抗氧化性能提高,磨损表面的剥落和破碎行为减弱,材料的高温耐磨性能提高.

基底纹理对镍/铜纳米双层膜刮擦行为影响的分子动力学模拟
马俊, 王冰, 范海冬, 蒋晗
2019, 39(5):577-584. doi: 10.16078/j.tribology.2019035
[摘要](861) [HTML全文] (136) [PDF 1073KB](33)
摘要:
采用分子动力学模拟研究纳米尺度下的镍/铜双层膜的表面刮擦响应. 考虑基底铜膜材料的不同表面纹理,建立分子动力学模拟模型,分析了纳米双层膜不同基底纹理下的刮擦响应,并且对比了两种典型基底纹理下不同刮头半径、不同刮擦深度对纳米双层膜刮擦响应的影响. 研究结果发现:不同的基底纹理下,位错缺陷程度的不同会导致刮头前方的切屑体积不同,存在切屑体积最大的基底纹理;针对两种典型基底纹理,在刮擦深度或刮头半径一定时,刮擦力随刮头半径或刮擦深度的增加而增大;当刮擦深度或刮头半径超过临界值时,表面具有特定齿槽纹理的基底具有一定的减摩作用.

计入油膜惯性作用椭圆接触弹流润滑性能研究
孟凡明, 张万民
2019, 39(5):585-592. doi: 10.16078/j.tribology.2019016
[摘要](1005) [HTML全文] (233) [PDF 4483KB](44)
摘要:
基于计入惯性项的Navier-Stokes方程和连续性方程,建立了计入油膜惯性作用的椭圆接触弹性流体润滑模型,研究了油膜惯性对椭圆接触弹流润滑性能的影响. 弹性变形通过快速傅里叶变换(FFT)计算,而油膜压力通过复合直接迭代法求解. 数值结果表明:在计入油膜惯性作用后,润滑膜的二次压力峰增大,入口区的油膜速度减小,且逆流区范围扩大;考虑油膜惯性作用后油膜厚度有所增大,当载荷从300 N增加到700 N时,中心膜厚最大增加了5.14%. 试验结果也表明,考虑油膜惯性作用后的中心膜厚数值解与试验结果更加接近.

Bionic Self-Healing Aqueous Lubrication Based on Interfacial Supramolecular Host-guest Interaction
Xin WEI, Rongnian XU, Meirong CAI, Yang WU
2019, 39(5):593-600. doi: 10.16078/j.tribology.2019076
[摘要](778) [HTML全文] (149) [PDF 4336KB](36)
摘要:
In this study, the adamantyl poly 3-sulfopropyl methacrylate potassium was successfully assembled onto the surface of cyclodextrin through the supramolecular host-guest recognition. The micro-topography, chemical composition, thickness and wettability of surface were detected to confirm the successful recognition and assembly. The frictional experiment of hydrophilic supramolecular substrate was implemented by reciprocating friction testing machine. The friction results showed an ultralow friction coefficient after assembling hydrophilic polymer ended with guest molecule under low load condition, but the friction coefficient became high under high load condition because the hydrophilic polymer may be sheared off from the supramolecular interface. More importantly, the surface not only owned ultralow friction coefficient but showed recoverability when friction failed under high load because of the non-covalent interaction between the guest and host groups.

干燥气氛下速度对钠钙玻璃磨损性能的影响
肖童金, 何洪途, 余家欣
2019, 39(5):601-610. doi: 10.16078/j.tribology.2019057
[摘要](847) [HTML全文] (187) [PDF 3694KB](24)
摘要:
以硼硅酸盐玻璃球为对摩副,在摩擦磨损试验机上研究了干燥气氛下滑动速度和载荷对钠钙玻璃表面磨损性能的影响规律与作用机理. 研究发现,随着滑动速度从0.25 mm/s逐渐增大到8 mm/s,钠钙玻璃在高载下(2 N)的稳态摩擦系数略微降低,当载荷降低为1 N时,速度对钠钙玻璃摩擦系数的影响并不明显. 随着滑动速度的增加,钠钙玻璃表面的磨损深度和磨损体积逐渐增加,钠钙玻璃在低载下(1 N)的磨损体积增大了21.5倍,而在高载下(2 N)的磨损体积增大了12.5倍. 低速时,钠钙玻璃接触界面温升较小,磨损机理以磨粒磨损和黏着磨损为主,并伴有少量脆性剥落. 随着速度的增加,磨屑逐渐转移到对摩副pyrex球表面并参与到磨损过程,钠钙玻璃的磨损机理转变为黏着磨损和犁沟去除. 相对于高载而言,低载下滑动速度对钠钙玻璃材料去除的影响更为显著,这是由于随着速度的增加,低载下玻璃界面的温升增长率大于高载下.

空间结构增强铜基复合材料的摩擦磨损特征
徐慧燕, 黎振华, 滕宝仁, 杨睿, 李淮阳, 任博
2019, 39(5):611-618. doi: 10.16078/j.tribology.2019068
[摘要](711) [HTML全文] (144) [PDF 1047KB](27)
摘要:
为实现铜基复合材料性能的有效调控,采用激光选区熔化成形制备了单元尺寸分别为5.00、3.75、2.75、1.75和0.75 mm的18Ni300空间结构增强体,然后在挤压铸造条件获得了具有不同增强体分布的18Ni300空间结构增强铜基复合材料. 研究了复合材料的微观组织、硬度、摩擦磨损性能和磨损表面形貌. 结果表明:随着空间结构单元尺寸的减小,复合材料增强体体积分数不断增加,硬度和耐磨性提高. 结构单元尺寸为0.75 mm时,复合材料增强体体积分数为13.35%,硬度达到HBW120,为铜基体硬度的1.71倍;载荷40 N、线速度0.75 m/s、磨损时间25 min 条件下的体积磨损量为35.4 mm3,比铜基体磨损量降低58%. 由于增强体的作用,复合材料的磨损机制由纯铜的黏着磨损转变为磨粒磨损.

复层孔隙分布铁基粉末冶金材料的力学和摩擦学性能
张国涛, 尹延国, 李蓉蓉, 童宝宏, 刘聪
2019, 39(5):619-627. doi: 10.16078/j.tribology.2019040
[摘要](710) [HTML全文] (154) [PDF 2813KB](22)
摘要:
采用粉末冶金工艺制备基体致密、表层多孔含油的复层铁基含油材料,利用SEM、EDX和XRD分析材料微观组织形貌、组元和物相组成及断口形貌,并基于HDM-20端面摩擦磨损试验机评价其摩擦磨损性能. 结果表明:在铁基粉末冶金材料中添加适量TiH2可有效提高材料的孔隙率,同时在孔隙附近内生TiC硬质相,有效弥补孔隙对力学性能削弱;添加TiH2后,材料的硬度提高,压溃强度有所降低,材料的断裂机理逐渐由韧性断裂转变为脆性断裂;随着TiH2含量增加,材料的摩擦学性能呈现先变好后恶化趋势,含质量分数3%TiH2材料的综合力学和摩擦学性能较好,能实现较高强度与良好自润滑特性的统一. 研究工作为研制高性能铁基含油轴承材料提供新的思路.

质子型离子液体水基润滑液摩擦学性能研究
张建文, 张朝辉, 刘志杭
2019, 39(5):628-634. doi: 10.16078/j.tribology.2019003
[摘要](795) [HTML全文] (136) [PDF 1015KB](20)
摘要:
配置了不同质量分数的质子型离子液体二乙醇胺月桂酸(Bis[(2-hydroxyethyl)ammonium] lauric,BOEAL)水溶液,使用MRS-10A摩擦试验仪、NGY-6型纳米膜厚测量仪、接触角测量仪,对BOEAL水溶液的减摩抗磨性能、极压性能、成膜性能和润湿性等进行试验研究,并用3D共聚焦表面形貌仪和XPS对摩擦磨损机制进行了分析. 结果表明: 质量分数为5%的BOEAL水溶液最大无卡咬负荷在834~883 N之间,相比纯水(98 N)有较大的提高,即BOEAL可作为水基润滑液的极压添加剂. BOEAL的加入显著提高了纯水的成膜能力以及在钢-钢摩擦副表面的润湿性能. 分析原因是BOEAL中的极性基团可以在金属表面形成致密的化学吸附膜或物理吸附膜,从而使得金属摩擦副的摩擦系数降低,抗磨效果提高,同时由于BOEAL分子极性较强,低质量分数的BOEAL水溶液在不锈钢表面就表现出良好的摩擦学性能.

表面速度异向条件下定量脂润滑特性试验观察
周广运, 栗心明, 郭峰, 张建军, 王晓波
2019, 39(5):635-642. doi: 10.16078/j.tribology.2018200
[摘要](838) [HTML全文] (146) [PDF 1060KB](21)
摘要:
采用球-盘点接触光干涉油膜测量仪观察了不同钢球和盘表面速度夹角下脂润滑的油膜特性. 试验发现,在表面速度异向条件下呈现出与已有定量脂润滑明显不同的两个特征:接触区入口油池的出现和油膜外形非对称性. 其中入口油池的出现使油膜厚度和润滑持续时间得到显著提升,这一发现也证明将经典的乏油边界条件应用于速度异向工况具有局限性;油膜外形的非对称性主要由滑动分量诱发的接触区温度分布不均匀引起,而且非对称性随着速度和角度的增加而变得明显. 表面速度异向条件下两表面上滚道交叉促进润滑剂回填,是入口油池形成的主要机制.

汽液两相流机械密封的研究进展
彭旭东, 金杰, 孟祥铠, 江锦波, 赵文静, 李纪云
2019, 39(5):643-655. doi: 10.16078/j.tribology.2018093
[摘要](728) [HTML全文] (140) [PDF 1193KB](38)
摘要:
液体润滑端面机械密封是流程工业用机泵轴端密封的主要形式,且大量应用于航空航天、海洋工程装备和高端制造装备中,实际运行过程中其端面间液体膜常常发生相变,由此产生端面变形、干磨和密封失稳等现象,甚至完全失效,严重影响了有关设备或整个装置的安全可靠与稳定运行,因此开展汽液两相流端面机械密封研究具有重要意义. 本文中综述了近50年来汽液两相端面机械密封的研究现状,归纳出了机械密封的典型热源及其热传播途径,阐述了机械密封的相变原理,总结了端面流体膜参数的测量技术与方法;在试验研究方面,提出机械密封的端面液膜汽化主要与操作工况、几何尺寸和表面形貌或表面织构有关,其中端面液体入口和出口工况、平衡比和端面变形程度等受到关注,但缺少关于端面形貌或织构的深度研究,也缺少端面摩擦副合理配对的系统研究;在理论研究方面,提出了机械密封相变稳定性判据,以及间断沸腾模型、连续沸腾模型和薄膜均相沸腾模型等3种理论模型,比较了3种模型的优缺点并指出其适用范围. 指出建立合理的相变理论模型,实现相变密封的稳定运行,突破相变密封监控关键技术,构建智能型液体润滑机械密封是未来两相流机械密封的研究重点.

电接触材料摩擦学研究进展
谢博华, 鞠鹏飞, 吉利, 李红轩, 周惠娣, 陈建敏
2019, 39(5):656-668. doi: 10.16078/j.tribology.2019025
[摘要](763) [HTML全文] (135) [PDF 975KB](48)
摘要:
电接触材料在生活生产应用中发挥着重要的作用,但其面临着较为复杂的摩擦磨损问题,因此对电接触材料的研究至关重要. 文章从摩擦学角度出发,综述了当前几种常见的铜基、银基和金基电接触材料的特点以及存在的问题,分析了不同接触载荷、电流和滑动速度等条件下电接触材料的载流摩擦学行为、载流摩擦磨损机制、计算模拟研究以及当前还存在的问题. 提出未来应发展石墨烯等性能优异的新型电接触材料以及加强对多因素耦合作用下电接触体系的摩擦磨损行为和失效机制的研究,这将为未来电接触材料摩擦学的研究发展提供一定的参考价值.

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