基于滑动摩擦的摩擦副表面织构优化分析-相似但不相同-理论分析可能可以借鉴

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表面织构改善摩擦磨损性能的研究进展

面都进入完全流体润滑状态，织构化钢盘和未织构化钢盘的摩擦因数相差不大；织构化钢盘在高速、高载和高黏度润滑油下有更好的摩擦学性能。吕文斐等的研究表明，在Ｈｅｒｓｅｙ数较小时，纹理表面试
样的摩擦因数不如光滑表面试样，随着润滑剂黏度、
ｏｏｏＯ ● ，Ｏｏｏｏｏ
模量弹流润滑性能的影响，结果表明：在小波数区，粗糙度的峰高、波长和相位的变化对润滑各特征膜厚的影响十分明显，随着粗糙度的波数增大，粗糙度的影响趋于稳定；粗糙度峰高是使膜厚均值和幅值增加的根本因素，且膜厚均值和幅值基本上等于粗糙度幅值。王顺等人的实验研究表明，表面粗糙度幅值在混合润滑时对摩擦力的影响较大，且随速度增加而增强，边界润滑时影响很小。马国亮等对不同粗糙度条件下硅橡胶表面织构润滑特性的研究表明，在较低的滑动速度下，表面织构会增大光滑ＰＤＭＳ试样的摩擦因数，但是会降低粗糙ＰＤＭＳ试样的摩擦因数；当摩擦副处于混合润滑时，粗糙度并非越小越好，而是具有一个最优粗糙度的范围。
运行速度的增大和载荷的减小，纹理的引人才能提高材料的摩擦学性能。王顺等人的研究表明，在弹流润滑下，摩擦因数随着速度降低而减小；在混合润滑下，摩擦因数随着速度降低而增大；在边界润滑下，摩擦因数随速度降低变化很小并趋于某一定值。
２０１３年第８期
邱孝聪等：表面织构改善摩擦磨损性能的研究进展
目ｎ／蕾ｌｄｕ

基于表面织构的机械部件摩擦学性能改善研究进展

的凹坑和平行或成网状分布的槽形，在所有参数中，织构尺寸和深度的比值对摩擦性能的影响较大。同时表面织构的分布对摩擦因数也有较大的影响，如采用局部织构可比全面织构提高耐摩擦磨损性能，同时可降低织构成本【。在表面织构技术的发展过程中，出现了各种各样的方法，目前普遍使用的有激光表面织构技术（Ｓ）、ＬＧＬＴＩＡ和Ｕ技术、反应离子蚀刻技术Ｖ
ｔｅｐｅｅｔｔｄｎｉｒｖｎｒｏｏｉａｅｏｍａｃｆｍｅｈｎｃｌａｔｕｈａｃａｉａｅｌ，ｓｉｅｅｉｇ，ｃｌｄｒａｄｐｓｈｒｓｎｕｙｏｍｐｏｉｇｔｂｌｇｃｐｒｒｎｅｏｃａｉａｒｓｓｃｓｍｅｈｎｃｌａｓｌｒｂａｎｓｉｌｆｐｓｄｒｙｉｅｎｉ— ｎ
制。
分析表明，动环上的微坑通过产生动压提高了气膜开启力。ＹＦＬＭＡＥＤＮ等０用数值模型分析了局部织构对气密封摩擦性能的影响，结果表明：摩擦性能主要受到面积密度的影响，直径大小对其影响甚微。面积密度为０７和量纲一的深度为１４的局部织构可．．得到最佳的静压膜刚度和效率。王楠等人主要计算了气体润滑微孔端面机械密封气膜稳态和动态压力分布，研究了频率数、面积比和布孔方式等参数对密封动态刚度和阻尼等表征气膜特性参数的影响。彭旭东等研究了激光加工多孔端面干式气体密封的临界静压开启特性，分析了周向开孔比、径向开孔比、深径比、面积密度等微孔几何参数对临界开启力以及气膜刚度的影响规律。ＢＩｈｏｉ建立了表面织构ＡａｘａＳｎ为椭圆微坑的气密封理论模型，考察在不同的转速、压力和间隙操作条件下几何参数对动压的影响。结果表明椭圆微坑方向选择合理时可显著提高微坑的动压效应，在转速为３０ｍｎ时开启力可提高２％。０ｒｉ０／０２２滑动轴承．由于推力轴承和密封在理论模型上的相似性，各国学者在机械密封表面织构取得重大进展的基础上，

表面织构化改善摩擦学性能研究综述

年首次提出，其利用光刻蚀的办法获得表面织构，通过电流的测量判断有效润滑膜的存在．其后，Ｅｔｓｉｏｎ等Ｌ２通过激光对摩擦副进行织构化处理，考察其润
滑性能的变化，研究发现，带微孔阵列的表面比光滑表面具有更好的润滑性能，表面的部分织构化能够十分有效地增加流体动压效应．Ｔ０ｎｄｅ ” ｊ将表面织
密封等）中得到成功应用．１９６６年，Ｈａｍｉｌｔｏｎ等ｕ最先通过蚀刻技术在机械
密封件上制造出一系列微观凸起，并通过理论分析和
构引发的流体动压效应归因于２个方面：一是表面织构区会产生类似Ｒａｙｌｅｉｇｈ轴承的阶梯效应，二是
中图分类号：３ｔｔｌ１７文献标志码：Ａ
０前
言
多年来，表面织构化作为一种改善机械零件、微／纳零件摩擦学性能的有效手段已得到广泛共识．目前，这种技术已在计算机磁盘存储器、ＭＥＮＳ系统及机械行业（内燃机活塞与气缸套系统、齿轮、轴承和
实验验证，获得了最优的表面织构尺寸，其研究结果表明，这些微观凸起可以起到微流体动压轴承的作
用，明显增强了摩擦副的承载能力，降低摩擦系数．之后，研究人员又推出了许多新的表面织构技术，并运
用多种表面织构化形式来改善摩擦学性能．比如，Ｅｔ．ｓｉｏｎ等ｕ２利用激光加工技术在机械密封件接触面上

V字型表面织构在油润滑条件下的摩擦学性能

V字型表面织构在油润滑条件下的摩擦学性能吴元博;杨学锋;王守仁;成健;张辉;鹿重阳;陈海龙【摘要】为了研究V字型织构在油润滑条件下的摩擦学性能,选取加载力和速度为影响因素,每个因素选取6个水平,通过MMG-10多功能摩擦磨损实验机对环形排列的V字型织构进行摩擦磨损实验研究.并利用Matlab软件对实验结果进行数据整理和分析,结果表明摩擦因数与加载力和速度存在近线性关系,它们之间的关系可以通过一个函数方程式表示,并且加载力对摩擦因数的影响能力要大于速度.实验后试件的SEM图像表明了V字型织构的主要磨损区为尖端部分.通过Solidworks建立单个V字型织构模型并使用CFD划分网格,导入到Fluent中求解.通过压力分布云图以及湍流强度云图可知,油膜的稳定性提高是由于油膜流动性增强和油压值波动小导致的,尖端部分也正是湍流强度值较大的区域.而油膜稳定性的提高正是V字型织构能在加载力增加的情况下降低摩擦因数的关键.【期刊名称】《西北工业大学学报》【年(卷),期】2019(037)002【总页数】6页(P401-406)【关键词】V字型织构;摩擦磨损实验;流动性【作者】吴元博;杨学锋;王守仁;成健;张辉;鹿重阳;陈海龙【作者单位】济南大学机械工程学院,山东济南 250022;济南大学机械工程学院,山东济南 250022;济南大学机械工程学院,山东济南 250022;湖北工业大学机械工程学院,湖北武汉 430000;济南大学机械工程学院,山东济南 250022;济南大学机械工程学院,山东济南 250022;济南大学机械工程学院,山东济南 250022【正文语种】中文【中图分类】TH117.1近年来,摩擦学新理论和实验数据表明,两运动摩擦副接触表面并不是越光滑摩擦因数越小,接触表面的合理织构可以提高其摩擦学性能[1-5]。

每年由于各种形式的摩擦磨损造成约80%的零件损坏和40%的能量损耗,直接导致了高达数千亿的经济损失[6-9]。

表面织构化改善摩擦学性能研究综述

表面织构化改善摩擦学性能研究综述张玉周【摘要】表面织构技术已得到国内外科研人员的广泛关注.理论研究和工程实践表明,表面织构化可以显著改善接触表面的摩擦学性能,从表面织构的减摩机理和应用2个方面对织构化提高表面摩擦学性能的研究进展进行了综述,并对其发展趋势进行展望和预测.【期刊名称】《成都大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(032)001【总页数】5页(P64-67,70)【关键词】表面织构;流体动压效应;二次润滑;数值分析;综述【作者】张玉周【作者单位】集美大学机械工程学院,福建厦门361021【正文语种】中文【中图分类】TH117多年来,表面织构化作为一种改善机械零件、微/纳零件摩擦学性能的有效手段已得到广泛共识.目前,这种技术已在计算机磁盘存储器、MENS系统及机械行业(内燃机活塞与气缸套系统、齿轮、轴承和密封等)中得到成功应用.1966年,Hamilton等[1]最先通过蚀刻技术在机械密封件上制造出一系列微观凸起,并通过理论分析和实验验证,获得了最优的表面织构尺寸,其研究结果表明,这些微观凸起可以起到微流体动压轴承的作用,明显增强了摩擦副的承载能力,降低摩擦系数.之后,研究人员又推出了许多新的表面织构技术,并运用多种表面织构化形式来改善摩擦学性能.比如,Etsion等[2]利用激光加工技术在机械密封件接触面上加工出微凹坑.实验证实,球形凹坑形状最优,且存在一最优的凹坑深径比,使得液膜刚度及PV参数最大.此外,有文献报导,研究人员运用微细电解加工、磨粒喷射、机械微加工、微细特种加工、LIGA等技术分别在多种材料上进行表面织构化处理,并评价了表面织构对摩擦性能的影响,试验结果都证实了表面织构化对表面摩擦学性能的有效改善[3-10,22-24].本文从减摩机理和应用2个方面对表面织构改善摩擦学性能的研究现状进行了综述,并对其发展趋势进行了展望和预测.附加流体动压效应理论由Hamilton等[1]在1966年首次提出,其利用光刻蚀的办法获得表面织构,通过电流的测量判断有效润滑膜的存在.其后,Etsion等[2]通过激光对摩擦副进行织构化处理,考察其润滑性能的变化,研究发现,带微孔阵列的表面比光滑表面具有更好的润滑性能,表面的部分织构化能够十分有效地增加流体动压效应.Tonder[11]将表面织构引发的流体动压效应归因于2个方面:一是表面织构区会产生类似Rayleigh轴承的阶梯效应,二是表面织构会阻碍压力区内润滑油的流动.Kovalchenko[12]等通过销—盘接触的Stribeck曲线的测量研究了表面织构对流体润滑向混合润滑转变的影响.此外,王晓雷等[13]对水润滑下碳化硅陶瓷的承载能力及表面织构的影响进行了系统的研究,通过实验获得的表面织构特征参数对承载能力的影响规律与按流体动压理论得到的理论分布呈现类似的趋势,表明即使在水润滑条件下,通过表面织构获得的流体动压润滑效果也是显著的.相对于附加流体动压效应理论,目前科研人员对边界润滑区域的“二次润滑”理论以及容纳磨损颗粒理论研究较少.王晓雷等[14]对边界润滑条件下表面微细织构减摩特性进行了研究,利用纳米压痕仪在碳钢表面制作了具有不同密度和深度的划痕点阵,并对其在边界润滑条件下的摩擦性能进行了评价.胡天昌等[15]利用固体脉冲激光对GCr15钢样品表面进行了微坑织构化处理,考察了表面织构参数对其摩擦性能的影响,并得出如下结论:干摩擦条件下,织构面的摩擦系数均高于未织构面,而其磨损率均小于未织构面,SEM显示微坑槽起到了捕获磨屑的作用;而在贫油润滑条件下,织构面的摩擦系数与磨损均低于未织构面,Stribenck曲线表明织构面在试验条件下均处于油膜流体润滑状态,而未织构面则明显产生了向混合及边界润滑的过渡,说明表面微坑延伸了摩擦副动压润滑发生的范围,而在运行过程中微坑内贮存的润滑剂通过二次润滑效应补充到对偶表面形成连续的油膜.虽然研究人员对表面织构化减摩机理的研究已取得了重要进展,但目前仍存在一些分歧和不足.1)表面织构之所以能够提高承载力,学者们提出了不同的看法.比如,Hamilton等[1]认为由于织构产生空化从而使织构两边的压力不对称得到承载力,而Tonder[11]则认为是由于织构区域能够在接触区域内存储润滑油,因而较好保持油膜从而得到承载力.2)在流体润滑区域,表面织构是否能够减小摩擦系数,提高摩擦学性能,学者们还没有统一的认识.3)目前科研人员对表面织构化的研究大多是在光滑表面上进行,表面粗糙度对织构表面的润滑减摩性能研究还很缺乏.有学者通过反复试验来分析表面织构化处理对表面摩擦学性能的影响,并确定较优的结构形式和参数[16].但这种研究手段材料消耗大、周期长,研究结果受实际试验条件的限制,不具有普适性,也很难找到最优的结构形式和参数.目前,国内外学者分析了表面织构如何有效改善机械部件(机械密封、滑动轴承、活塞与气缸套系统)、微/纳器件的摩擦学性能,建立了多个表面织构的理论计算模型,并通过数值分析的方法对模型进行求解.这些计算模型,大部分是基于Reynolds方程开展的,而且在一定条件下理论分析结果与试验结果也显示出较好的一致性.但考虑流体惯性项的影响,有学者认为应该采用更精确的N-S方程.数值解法主要为有限元法、有限差分法和有限体积法.其中,有限体积法计算效率和精度更高,近几年发展迅速.Estion[20-23]对机械密封端面的织构化处理进行了理论分析,并建立了具有规则分布的半球形微孔机械密封的物理模型,通过求解Reynolds方程获得了端面间压力分布规律,分析了微孔形状、尺寸、深径比、分布密度等对密封性能的影响,并获得了最优化参数.于新奇等[24]建立了激光加工多孔端面机械密封的计算模型和边界条件,推导了激光加工多孔端面机械密封的摩擦扭矩表达式,并采用有限差分法求解液膜控制方程,获得了在不同操作工况和表面微孔结构参数下的密封开启力,得到了产生最大端面动压力时的优化结构参数.赵中等[25]建立了激光加工微孔端面液体润滑机械密封的理论模型,分析了微孔沿圆周和半径方向呈间断扇形分布时的密封性能,采用有限元法求解Reynolds方程获得不同扇形区和微孔结构尺寸参数条件下的端面液膜压力分布,在此基础上计算了液膜刚度、开启力、泄漏量、摩擦扭矩、刚漏比和开漏比等密封性能参数,讨论了各密封性能参数随结构参数的变化规律.郑显良等[26]分析了表面织构对活塞环摩擦学性能的影响,建立了考虑动压效应和挤压效应的一系列微单元织构的流体润滑模型,通过有限差分法求解数学模型,得出了表面织构各参数对缸套活塞环油膜润滑的影响规律.符永宏等[27]基于摩擦学理论和缸套/活塞环的润滑磨损特征,建立了具有规则微观几何形貌特征的缸套内表面润滑理论模型,用变异的多重网格法进行了数值求解,并对微观几何形貌参数进行了初步的优化设计.Brizmer等[28]建立了推力轴承表面织构化的理论模型,并比较了推力轴承全面织构和局部织构的承载能力.此外,裴世源等[17]为解决传统数值方法在求解多尺度织构流体润滑问题时计算速度慢、效率低、规模受限等问题,提出了一种多尺度表面织构流体润滑问题的快速求解方法——有限细胞算法(FCM).马晨波等[18]借助计算流体动力学,通过建立求解NS方程的表面织构润滑计算模型的方法研究惯性项对织构表面流体动力学性能的影响规律,并进一步提出N-S方程和Reynolds方程在建立求解流体润滑条件下表面织构润滑计算模型时适用范围的判别依据.Etsion等[2]最早对机械密封的表面织构进行了系统研究,通过求解Reynolds方程得出端面的流体动压分布及各种工况下的平均压力.研究发现,微凹坑的直径、深度和密度是描述表面织构减摩性能的关键参数,微凹坑的形状影响较小,但深径比对承载能力的影响非常大.研究表明,机械密封的表面织构使得摩擦扭矩减小65%以上,端面温升也远低于未织构化处理.但是,随着机械密封承受的单位载荷和压力的提高,摩擦扭矩的减小效应会逐步消失.采用局部高密度的织构化处理,可以改善高压密封件的摩擦学性能,由于减小了2个接触表面的接触压力,摩擦扭矩可减小90%以上. Hoppermann等[29]的研究发现,如果只在机械密封的一个耦合面上进行织构化处理,摩擦力会比未织构化处理减小40%,而如果2个耦合面都进行织构化处理,摩擦力反而会增加100%.Kligerman等[30]研究了表面织构化对气密封摩擦学性能的影响.结果表明,织构化同样能改善气密封的摩擦学性能,摩擦扭矩和端面温升与未织构化处理相比大大减小.但是,最优深径比与液体润滑相比要小得多.此外,研究还发现,在滑动轴承、活塞与气缸套系统上进行织构化处理后,摩擦学性能的改善基本上得到了与机械密封时同样的效果,但仍表现出一些特点.虽然表面织构的形状、深径比及分布密度同样是提高减摩性能和承载能力的关键因素,但Rahmani等[31]的研究表明,矩形微坑对滑动轴承的摩擦性能影响最大;矩形凸台织构承载能力最高.符永宏等[32-33]的研究表明,即使在活塞与气缸套系统的2个平面摩擦副上进行织构化处理,也能获得良好的动压效果.Ryk等[34]比较了活塞环表面全面和局部织构化对改善系统摩擦学性能的影响,结果表明,全面织构耐摩擦能力相对未织构化处理可提高40%,而局部织构在全面织构的基础上,耐摩擦能力又提高了25%,这主要是因为局部织构产生的是聚集效应,相当于在名义平行表面上提供了一个当量楔形间隙,减小了摩擦.这些结果与机械密封织构化所表现出的明显不同.这可能与表面织构在不同的机械部件上的减摩机理存在差异有关,但目前还未有研究人员就表面织构在不同机械部件上的减摩机理进行比较研究.另外,近年来表面织构改善微观摩擦学性能的研究也取得重大进展,主要体现在表面织构在磁盘存储器和MENS系统上的应用.为了提高存储效率,在磁盘存储器中,磁头和磁盘的间隙现在已降到10 nm左右.同样,在MENS系统中,摩擦副表面的间隙也是处于纳米级.由于尺寸效应和表面效应,微构件间的表面张力、摩擦力和黏着力成为影响微/纳构件的功能、可靠性和使用寿命的关键因素,改善微/纳构件的摩擦学性能已成为新的研究热点.其中,表面织构化处理已被实践证明是有效手段之一.国内外学者普遍认为,微/纳器件表面的织构化处理之所以能够改善摩擦学性能,主要是因为表面织构化处理可减小摩擦副表面的接触面积,增加接触表面的粗糙度,增强表面的疏水性,从而大大降低了表面的黏着力和摩擦力.比如,Ranjan等[35]和Suh[36]等利用激光技术在计算机硬盘盘片上制造微小隆起或凹坑以减小表面接触,研究结果都证明了表面织构化处理可以有效减小磁头与磁盘表面之间的真实接触面积,从而降低摩擦和黏着力.虽然国内外对于表面织构改善摩擦学性能方面的研究和应用较多,但对表面织构减摩机理的认识还存在分歧,理论模型的研究较少,不具有普遍性和通用性.另外,当前表面功能结构正从宏观结构向微结构、纳米结构发展,从单一结构向复合功能结构发展.因此,从目前的研究趋势来看,今后可着重从以下5个方面开展对表面织构的深入研究.1)在机理方面,应更注重表面织构理论模型的研究,使之更具有一般性和通用性,更能科学地反映织构制备工艺参数、织构化几何形状及参数等因素与摩擦润滑理论之间的关系.充分利用计算机技术来开展虚拟织构、表面织构仿真等方面的研究.2)揭示复合表面功能结构、微结构及纳米结构条件下表现出有别于单一的、宏观表面功能结构的特殊作用机理,并提出相应的制造方法、建立相关理论.3)发展织构加工技术,提出新的制造理论和方法,扩大表面织构的应用范围.4)表面织构表征方面的研究,尚未见有文献报导.当前,分形理论在摩擦学研究中的应用已成为新的研究热点,是否可以考虑应用分形理论解决表面织构的表征问题,值得探讨.5)在摩擦副运行过程中,表面织构的形貌、参数,表面的接触状态均发生非线性变化,润滑机理和摩擦学性能也会变化,这方面的研究有待进一步深入.【相关文献】[1] Hamilton D B,Halowit J A.A theory of lubrication by micro irregularities[J].Journal of Basic Engineering,1966,88(1):177-185.[2] Etsion I.Improving tribological performance of mechanical components by laser surface texturing[J].Tribology Letters,2004,17(4):733-737.[3] 刘一静,袁明超,王晓雷.表面织构对发动机活塞/缸套摩擦性能的影响[J].中国矿业大学学报,2009,55(6):866-871.[4] Wakuda M,Yamauchi Y,Kanzaki S,et al.Effect of surface texturing on friction reduction between ceramic and steel materials under lubrication sliding contact[J].Wear,2003,254(3-4):356-363.[5] Andersson P,Koskinen J,Varjus S,et al.Microlubrication effect by laser-textured steelsurfaces[J].Wear,2007,262(3-4):369-379.[6] 胡天昌,胡丽天,丁齐.45钢表面激光织构化及其干摩擦特性研究[J].摩擦学学报,2010,30(1):46-52.[7] Voevodin A A,Zabinski J ser surface texturing for adaptive solidlubrication[J].Wear,2006,261(11-12):1285-1292.[8] Basnyat P,Luster B,Muratore C,et al.Surface texturing for adaptive solidlubrication[J].Surface&Coating Technology,2008,203(1-2):73-79.[9] 汪家道,陈大融,孔宪梅.规则凹坑表面形貌润滑研究[J].摩擦学学报,2003,23(1):52-55.[10] Pettersson U,Jacobson S.Influence of surface texture on boundary lubricated sliding contacts[J].Tribology International,2003,36(11):857-864.[11] Tonder K.Hydrodynamic effects of tailored inlet roughness:extendedtheory[J].Tribology International,2004,37(2):137-142.[12] Kovalchenko A,Ajayi O,Erdemira A,et al.The effect of laser surface texturing on transitionsin lubricationreg imesduring unidirectional sliding contacts[J].TribologyInternational,2005,38(3):219-225.[13] Wang X L,Kato K,et al.Load carrying capacity map for the surface texture design of SiC thrust bearing sliding in water[J].Tribology International,2003,36(3):189-197.[14] 王晓雷,韩文非.边界润滑条件下表面微细织构减摩特性研究[J].润滑与密封,2007,32(12):36-39.[15] 胡天昌,丁齐,胡丽天.激光表面织构化对GCr15钢摩擦磨损性能的影响[J].摩擦学学报,2011,31(5):447-451.[16] 于海武,袁思欢,孙造,等.微凹坑形状对试件表面摩擦特性的影响[J].华南理工大学学报(自然科学版),2011,39(1):106-110.[17] 裴世源,徐华,马石磊,等.多尺度表面织构流体润滑问题的快速求解方法[J].西安交通大学学报,2011,45(5):119-126.[18] 马晨波,朱华,孙见君.基于CFD分析的表面织构润滑计算适用方程研究[J].机械工程学报,2011,47(15):95-100.[19] Wang Q J,Zhu D.Virtual texturing:modeling the performance of lubricated contacts of engineered surface[J].Tribology Tractions,2005,127(4):722-728.[20] EpsteinD,Keer LM,Wang Q J.Effect of surface topography on contact fatigue in mixed lubrication[J].Tribology Tractions,2003,46(4):506-512,3-11.[21] Etsion I,Halperin G.A laser surface textured hydrostatic mechanical seal[J].Tribology Transactions,2002,45(3):430-434.[22] Etsion I.Improving Tribological performance of mechanical componentsby lasersurface texturing[J].Tribology Letters,2004,17(4):733-737.[23] Etsion I,Burstein L.A model for mechanical seals with regular micro surface structure[J].Tribology Transactions,1996,39(3):677-683.[24] 于新奇,蔡仁良.激光加工的多孔端面机械密封的性能数值分析[J].现代制造工程,2004,27(7):66-68.[25] 赵中,彭旭东,盛颂恩,等.多孔扇形分布端面机械密封性能的数值分析[J].化工学报,2009,60(4):965-971.[26] 郑显良.表面织构化活塞环的摩擦学性能研究[D].北京:北京交通大学,2010.[27] 符永宏,张华伟,纪敬虎,等.微造型活塞环表面的润滑性能数值分析[J].内燃机学报,2009,27(2):180-185.[28] Brizmer V,Kligerman Y,Etsion I.A laser surface textured parallel thrustbearing[J].Tribology Transactions,2003,46(3):397-403.[29] Hoppermann A,Kordt M.Tribological optimization using laser structured contact surfaces,O+P oelhydraulik und pneumatik[J].Vereinigte Fachverlage Mainz,2002,46(4):385-392.[30] Kligerman Y,Etsion I.Analysis of the hydrodynamic effects in a surface textured circumferential gas seal[J].Tribology Transactions,2001,44(3):472-478.[31] Rahmani R,Mirzaee I,Sshirvani A,et al.An analytical approach for analysis andoptimization of slider bearings with infinite width[J].TribologyInternational,2010,43(8):1551-1565.[32] 符永宏,叶云霞,张永康,等.发动机气缸孔表面的激光珩磨技术研究[J].激光技术,2002,26(5):379-381.[33] 符永宏,叶云霞,张永康,等.用于显著改善摩擦副润滑状态的激光珩磨技术[J].机械工程学报,2002,38(8):115-117.[34] Ryk G,Etsion I.Testing piston rings with partial laser surface texturing for friction reduction[J].Wear,2006,261(7-8):792-796.[35] Ranjan R,Lambeth D N,Tromel M,et ser texturing for low flying heightmedia[J].Journal of Applied Physics,1991,69(8):5745-5747.[36] Suh A Y,Lee S C,PolycarpouA A.Adhesion and friction evaluation of textured slider surfaces in ultra-low head-disk interface[J].Trobology Letter,2004,17(4):739-749.。

摩擦副表面沟槽型织构润滑性能的数值仿真

摩擦副表面沟槽型织构润滑性能的数值仿真
李少军;吴振鹏;董博闻;吴小艳;宋海龙
【期刊名称】《液压与气动》
【年(卷),期】2022(46)10
【摘要】从目前的研究来看,织构的深度和载荷对油膜的润滑性能具有显著的影响,然而,在载荷变化的情况下,润滑膜的最小膜厚和黏性阻力是一个动态变化的过程。

因此不同载荷下,最佳织构深度的选取还需系统地进行分析。

通过建立沟槽型织构
流体润滑模型,分析了织构的深度以及承载力对摩擦副的油膜厚度、压力、剪切力、以及摩擦因数的影响。

结果表明:在承载力一定时,油膜厚度随织构深度的增加呈先
增大后减小的趋势。

在89 N载荷下时,存在最佳油膜厚度6.4184μm,此时织构深
度为2.97μm,摩擦因数为0.0162。

【总页数】7页(P157-163)
【作者】李少军;吴振鹏;董博闻;吴小艳;宋海龙
【作者单位】湖北理工学院机电工程学院;湖北理工学院智能输送技术与装备湖北
省重点实验室(筹)
【正文语种】中文
【中图分类】TH137
【相关文献】
1.柴油机缸套表面微沟槽织构润滑性能仿真分析
2.摩擦副接触方式变化对织构表面动压润滑性能的影响
3.摩擦副接触方式变化对织构表面动压润滑性能的影响
4.考
虑空化效应的表面微凸体织构摩擦副润滑性能研究5.沟槽形表面织构对柱塞密封副摩擦性能的影响
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机械摩擦学特性分析与摩擦副优化设计

机械摩擦学特性分析与摩擦副优化设计摩擦是机械系统中的一个普遍现象，对机械运动和能量传递起着至关重要的作用。

了解机械摩擦学特性并进行摩擦副的优化设计，对于提高机械系统的效率和寿命具有重要意义。

本文将分析机械摩擦学的特性，并探讨如何进行摩擦副的优化设计。

一. 摩擦学特性的分析摩擦学是研究摩擦、磨损和润滑的科学。

在机械系统中，摩擦是由于两个物体之间的相对运动而产生的一种阻力。

摩擦学包含摩擦力、摩擦系数、摩擦磨损和润滑等方面的内容。

了解这些特性对于理解机械运动过程和改善机械系统性能至关重要。

摩擦力是摩擦副中最基本的特性之一。

它是指两个物体之间由于接触而产生的力，可以分为静摩擦力和动摩擦力。

静摩擦力是两个物体在相对静止时的摩擦力，动摩擦力则是两个物体在相对运动时的摩擦力。

了解摩擦力的大小和变化规律对于预测机械系统的摩擦效应至关重要。

摩擦系数是描述两个物体之间摩擦特性的参数，是摩擦力与法向压力之比。

它受摩擦副材料、表面形状、润滑状况等因素的影响。

不同材料和不同工况下的摩擦系数有所不同。

了解摩擦系数的变化规律，可以指导选择合适的材料和设计合理的表面形状，以减小摩擦力和磨损。

摩擦磨损是机械系统中不可避免的问题。

摩擦副在长时间使用过程中，由于摩擦力的作用，会导致其表面的材料失去或改变。

磨损的严重程度直接影响到机械系统的运行效率和寿命。

因此，研究摩擦磨损的规律，并采取相应的措施进行预防和修复，是摩擦学的重要研究内容。

二. 摩擦副的优化设计在机械系统中，摩擦副的设计是摩擦学研究的核心问题之一。

通过合理的摩擦副设计，可以减小摩擦力和磨损，提高机械系统的性能。

以下是摩擦副优化设计的几个关键方面：1. 材料选择：不同材料的表面性质和耐磨性不同，选择合适的材料对于减小摩擦力和延长摩擦副寿命至关重要。

在选择材料时，需要考虑材料的硬度、热导率、热膨胀系数等因素。

2. 表面处理：通过表面处理，可以改变摩擦副的摩擦系数和润滑性能，减小摩擦力和磨损。

基于摩擦学的表面织构技术应用研究进展_王素华

基于摩擦学的表面织构技术应用研究进展王素华,吴新跃海军工程大学摘要:表面织构是在摩擦面上加工出具有一定尺寸和排列的凹坑或微小沟槽的点阵,可有效改善表面摩擦学性能。

本文介绍了表面织构的几何参数和加工方法,总结了表面织构技术在机械部件、材料加工、磁存储设备、摩擦制动等方面的研究进展,展望了未来表面织构技术可能的发展方向。

关键词:表面织构技术;摩擦学性能;应用中图分类号:TG174.4;TH117文献标志码:AResearch on Applications of Surface Texturing Based on TribologyWang Suhua,Wu XinyueAbstract:Surface texturing has generate controlled opti mal shapes and locations of micro-dimples,that could i mprove the overall tri bological performance.The geometrical parameters and techniques of surface texture were introduced.The applications of surface texturin g like mechanical parts,material processi ng,magnetic storage and friction braking were reviewed.Some potential researches on surface texturing were put forward.Keywords:surface texturing;triblogical properties;application1引言摩擦磨损是工业设备失效的主要原因之一,据统计大约有80%的零件损坏是由于各种形式的磨损引起,磨损不仅消耗能源和材料,而且加速设备报废、导致频繁更换零件,对经济造成极大的损失[1]。

滑动轴承摩擦副表面织构的摩擦学性能研究

滑动轴承摩擦副表面织构的摩擦学性能研究滑动轴承摩擦副表面织构的摩擦学性能研究摩擦是滑动轴承运行中常见的现象，直接影响着轴承的使用寿命和性能。

为了提高滑动轴承的运行效率和降低摩擦损失，研究人员开始探索使用表面织构来改变摩擦副的接触表面结构，从而提高轴承的摩擦学性能。

本文将对滑动轴承摩擦副表面织构的摩擦学性能进行深入研究。

首先，我们来介绍一下滑动轴承的基本原理。

滑动轴承是一种基于润滑油膜来减小接触面直接接触从而降低摩擦力和磨损的机械加工件。

一般来说，滑动轴承由内环、外环和滚动体组成，其中滚动体在内外环之间滚动，从而形成润滑油膜。

润滑油膜的形成和维持是轴承正常运行的关键。

然而，摩擦副的表面结构对润滑油膜的形成和润滑性能有着重要影响。

表面织构是一种通过在摩擦副表面上加工微米级别的凹凸结构来改变接触界面形态的方法。

其目的是提高轴承的摩擦学性能，如降低摩擦力和磨损，改善润滑性能和减缓摩擦副的热量积聚。

表面织构的设计需要考虑多种因素，包括凹凸结构的形状、大小和分布等。

一般而言，凹凸结构越小越密集，摩擦副的润滑性能就越好。

关于滑动轴承摩擦副表面织构的摩擦学性能的研究，目前国内外学者已经做出了一些重要的进展。

例如，石森等人通过设计微米级别的孔结构在滑动轴承摩擦副表面形成了一种类似多孔介质的结构，结果表明这种表面织构可以降低摩擦力和磨损，提高润滑性能。

韩剑等人则通过数值模拟的方法研究了不同形状的表面织构对轴承润滑性能的影响，得出了不同表面织构结构的最佳参数。

另外，兴发等人通过实验研究了不同材料表面处理方法对摩擦副性能的影响，发现带有特殊表面处理的材料可以显著提高润滑性能。

这些研究结果表明滑动轴承摩擦副表面织构的摩擦学性能研究具有重要的应用价值和理论意义。

然而，滑动轴承摩擦副表面织构的摩擦学性能研究仍然存在一些问题和挑战。

首先，表面织构的设计方法尚未得到统一，目前主要依靠试错法进行设计，缺乏理论指导。

其次，现有的研究大多局限于单一参数的改变，对于不同参数组合的表面织构的摩擦学性能研究较少。

滑动摩擦副表面强化工艺措施对比试验

滑动摩擦副表面强化工艺措施对比试验
李曼林
【期刊名称】《大连交通大学学报》
【年(卷),期】2010(031)001
【摘要】采用MPX-2000盘销式摩擦磨损试验机,对调质处理、高频淬火处理、软氮化处理、硬氮化处理、激光淬火处理5种滑动摩擦副表面强化工艺措施进行了表面抗咬合性能和表面耐磨损性能对比试验.试验研究结果表明,激光淬火处理和软氮化处理工艺对滑动摩擦副表面强化效果好与较好,可用于高速重载且重要的零部件表面强化.硬氮化处理工艺表面强化效果中等,可用于中等载荷条件下零件表面强化.调质处理工艺对滑动摩擦副表面强化效果较差,可用于载荷较小的非重要零部件表面强化.高频淬火处理工艺试件的抗咬合能力差,不宜采用.
【总页数】4页(P49-52)
【作者】李曼林
【作者单位】大连交通大学机械工程学院,辽宁,大连,116028
【正文语种】中文
【中图分类】TH117.1
【相关文献】
1.水润滑下与表面镀Cr40Cr钢配副的C/C复合材料的滑动摩擦磨损行为 [J], 葛毅成;易茂中;李丽娅
2.表面接触分形模型对滑动摩擦副磨损的预测 [J], 张长军;贺林
3.滑动摩擦副表面变织构的润滑与承载特性研究 [J], 何涛;陈强曼;陈国瑜;王传礼;黄森;沈浩
4.基于滑动摩擦的摩擦副表面织构优化分析 [J], 丁行武;王家序;郭胤;杨荣松;周广武
5.含磨屑粗糙表面接触滑动摩擦副温度场的计算 [J], 程西云;蒋松;邓小桅;韦云隆;周银生
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基于单坑模型理论分
析了不同的凹坑形状和方向对共形接触表面的摩擦性能的影响，指出凹坑形状和方向对摩擦副的承载能力有很大影响。邓海顺
［11 ］
利用数值分析方法研
究了表面织构对轴向柱塞泵配流副低压区的油膜承载力的影响，表明：较大直径的微凹坑提供较大的承载力；凹坑面积率的合理范围为 12% ～ 18% ，微凹
Optimization Analysis of the Surface Texture of Friction Pair Based on Sliding Friction
DING Xingwu1 ， WANG Jiaxu1 ， GUO Yin1 ， YANG Ｒongsong1 ， ZHOU Guangwu2
3087 （ 2013 ）增刊 1018306 文章编号： 1009-
基于滑动摩擦的摩擦副表面织构优化分析
1 1 丁行武，王家序，郭 1 1 2 胤，杨荣松，周广武
（ 1．四川大学制造科学与工程学院，四川成都 610065 ； 2．重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆 400044 ）
（ 1． School of Manufacturing Sci． and Eng．， Sichuan Univ．， Chengdu 610065 ， China； 2． State Key Lab． of Mechanical Transmission， Chongqing Univ．， Chongqing 400044 ， China ）
第 45 卷增刊 1 2013 年 6 月
四川大学学报（工程科学版）
JOUＲNAL OF SICHUAN UNIVEＲSITY （ ENGINEEＲING SCIENCE EDITION）
Vol． 45 Supp． 1 June 2013

摘
要：利用数值计算方法对织构化滑动摩擦副表面的动压润滑模型进行了求解，从理论上分析了表面织构不同
截面类型和表面形状对摩擦副的润滑特性的影响，获得了特定工况下的最优织构参数和织构类型。结果表明：表面织构的不同截面类型和表面形状对摩擦副的摩擦系数和承载力有着非常大的影响；各类截面圆形凹坑都存在一个最优织构半径使得摩擦副摩擦系数最低；凹坑底面适当倾斜能够提高织构区域的承载能力和降低摩擦系数；各类典型表面形状中，底边靠近入口的倒三角形获得了最优的润滑性能；将凹坑底面合理倾斜与优化表面形状相结合可使得承载力得到大大提升。关键词：表面织构；动压润滑；滑动摩擦；结构优化中图分类号： TH133． 3 ； TH117 文献标志码： A
3 3 h p h p h （） + （） = 6U （ 2） x η x y η y x h 为润滑膜厚度， p 为润滑膜压力， U 为相对滑式中，
（ d）抛物截面
（ e）三角形截面
（ f）梯形截面
图1 Fig． 1
微圆凹坑截面类型
η 为润滑介质黏度。动速度，对于具有不同截面类型的微圆凹坑摩擦副表，面有如下膜厚方程： y ）瓝Ω； h = h0 ，（ x， h1 = h0 + h p ； hp l w r2 －（ s －） 2 －（ y －） 2 ； h2 = h0 + r 2 2 r2 hp 2 r2 hp l 2 w 2 h3= h0 + （ 2h + 2 ）－（ x － 2 ）－（ y － 2 ）－（ 2h － 2 ）； p p hp 2 l 2 w 2 （ x， y） E ∈ Ω； h4 = h0 + r2 （ r －（ x － 2 ）－（ y － 2 ））， 2 l w （） x －） 2 + （ y －） 1）； h5 = h0 + h p （ 1 － r 2 2 l 2 w 2 0 ＜ φ ＜ 90 ° h6= h0 + （ r －（ x － 2 ） + （ y － 2 ）） tan φ，
槡

槡
（ 3）
增刊 1
丁行武，等：基于滑动摩擦的摩擦副表面织构优化分析
185
r 为织构区域半径， h1 、 h2 、 h3 、 h4 、 Ω 为微圆凹坑区域， h5 和 h6 分别对应图 1 所示 6 种截面类型的润滑膜厚。对于图 2 所示的 8 种不同表面形状，其数学表达 b 的大小关系不同，式略，且 a、表面形状长度方向不同。表面织构摩擦学研究的主要目的是为了获取最优承载能力和摩擦系数。织构化摩擦副的承载力和 S 为摩擦摩擦力可分别利用式（ 4 ）和（ 5 ）进行计算。 f = 副表面，由式（ 4 ）和式（ 5 ）可以求得摩擦系数， F / W。 W =
Fig． 3
图 3 织构化摩擦副截面图 Crosssection of textured friction pair
润滑介质为常规润滑油，并做出如下假设： 1 ）润滑介质为牛顿流体，且不可压缩，黏度为一定值
（ a）矩形截面（ b）椭圆截面（ c）球形截面
η0 ； 2 ）摩擦副为刚性体，不考虑其弹性变形； 3 ）Ｒeynolds 方程的基本假设成立。基于上述假设，得到只考虑动压效应项的简化 2 维雷诺方程：
Abstract： The hydrodynamic lubrication model of sliding friction pair with surface texture was calculated by using numerical methods． The effect of surface texture on the lubrication performance of friction pair was theoretically analyzed based on different crosssections and surface profiles． The optimal parameter and type of surface texture were obtained under specific condition．Ｒesults showed that there is a great influence on the frictional coefficient and carrying capacity of friction pair caused by different crosssections and surface profiles of surface texture． All of the crosssections have an optimal diameter making the frictional coefficient minimum． It was discovered that making the underside of micropits with rectangular crosssection tilted improves the carrying capacity of textured region significantly and reduces the frictional coefficient largely． In all kinds of typical surface profiles， the inverted triangle surface profile whose bottom edge close to the entrance obtains the best lubrication performance． Moreover， great improvement is acquired on carrying capacity if tilted underside and surface profiles are combined optimally． Key words： surface texture； hydrodynamic lubrication； sliding friction； structural optimization
Sections of circular micropit
（ a）圆形
（ b）方形
（ c）长方形 / /
（ d）长方形⊥
槡
槡
（ e）椭圆形 / /
（ f）椭圆形⊥
（ g）三角形△
（ h）三角形▽
图2 Fig． 2
微凹坑表面形状
Surface profiles of micropit
为了获得不同工况参数下，不同截面类型和表面形状对织构化摩擦副的影响规律，选取相同织构面积比 S p 为 34 ． 9 % ，织构微单元尺寸为 800 μm × 800 μm，润滑油的动力黏度为 0． 1 Pa · s，面积比由
184 坑的深度对承载力影响较大。
四川大学学报（工程科学版）
第 45 卷
式（ 1 ）定义： Sp = S凹 l ·w （ 1）
目前大部分有关表面织构的研究主要集中在矩形截面类圆形凹坑，对有关不同表面形状和截面类型的规则凹坑的润滑效应研究得很少，没有得出共识。作者旨在重点研究不同工况参数下，不同表面形状和截面类型的规则凹坑对摩擦副摩擦学特性的影响，从而为工程机械上滑动摩擦副的表面工程设计及应用提供理论依据。
w l
b、 c、 d、 e、 f 分别对应图 1 中体如图 4 所示。图中 a、的 6 种截面；通过比较不同截面所获得的平均压力值发现：矩形截面获得了最大的平均压力值，因而其承载能力最优；梯形截面次之，且倾斜角度越大，承载性能越好。各类截面最大压力值和平均压力有着这说明不同截面所产生的阶近似相反的变化规律，梯效应特性不同。