摩擦副织构参数应用设计准则及摩擦特性研究

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摩擦副接触面间的摩擦磨损是限制机械设备服役性能与工作寿命的主要原因,如何提升摩擦副接触面间的摩擦特性一直是研究重点与热点。液压端面摩擦副长期处于压力高、工作转速变化范围大、交变载荷导致的压力波动大等复杂工况,对摩擦副接触面间的摩擦性能要求更加严苛。近年来,随着表面织构研究的发展,在摩擦副接触面中进行织构化处理成为了提升接触面摩擦学性能的热门研究方向。目前的研究缺乏针对液压复杂工况下的织构参数设计体系,本文综合动压润滑效应仿真计算与摩擦学特性试验结果,对摩擦副表面织构参数设计及摩擦特性影响规律进行了研究。研究提出了面向实际工况的织构应用设计准则,为织构化表面在液压端面摩擦副的设计与应用奠定了理论基础,对液压端面摩擦副的摩擦特性提升起到关键作用。本文的主要研究内容如下:(1)液压系统在启停过程中的高压、低速引起的润滑不足是导致油膜失效的重要原因,本文在该工况条件下,基于Reynolds方程、JFO空化理论模型,建立了理想化织构表面的动压润滑模型。对织构化表面的动压润滑效应分布、作用强弱、动压耦合效应等现象进行了分析。以理想化织构表面总和承载力为评价指标,通过织构参数单因素分析、正交试验组仿真计算,得到了织构参数对动压润滑效应的影响权重为直径>密度>深度>形状,揭示了织构参数对织构化表面动压润滑效应的影响规律。(2)在试验中自行设计并装配了PLC控制的微量欠润滑自动补油装置,模拟了高压、低速工况中润滑不足的工况,实现在试验机上以较短时间模拟接触面长期磨损后的状态。通过正交化试验方法,以旋转、往复两种典型运动条件进行试验,以磨损量、相对磨损率为评价标准,对织构化表面的摩擦特性进行分析,利用极差分析法得到了该工况条件下的织构最优参数值为外接圆直径700μm、形状三角形、深度300μm、面密度8%,各织构参数影响权重为直径>深度>面密度>形状。通过摩擦试验结果与仿真分析结果对比,各织构参数的影响权重和规律基本接近,结果可相互印证,揭示了动压润滑效应对油膜的提升作用是提高织构化表面摩擦特性的主要因素。(3)接触面间产生的磨屑与油液污染携带的碎屑会对摩擦副接触面的摩擦特性产生影响,从而引起接触面间磨损形貌的变化。通过对正交化试验组试样的磨损形貌观测可知,织构化表面在油液污染的情况下,其收集碎屑的能力降低了三体磨损出现的可能性,有效提高了织构化表面的摩擦学性能。分析结果表明,织构不仅通过动压润滑效应改善了接触面间的润滑条件,其对油液中杂质的收集作用也提高了接触面的摩擦性能。(4)液压系统中存在广泛的交变载荷工况,本文对织构化表面在压力变化条件下由于挤压效应产生的形变与收集碎屑后织构结构变化组成的综合形变进行分析研究。织构受到挤压效应产生周期性形变,导致织构体积变化与油膜流动特性的改变,是织构产生二次润滑效应的根本作用机理,织构的二次润滑效应有效提升了织构化表面在交变载荷条件下的摩擦特性。结合织构综合形变对其周围流体流动特性影响与动压润滑耦合削弱效应,得到了针对不同工况、不同摩擦副基底材料的应用设计准则,即织构的面密度最大上限应使得织构间距大于织构在综合形变后的直径。(5)液压端面摩擦副中,有旋转与往复两种典型运动形式,非对称织构在两种运动形式中具有明显的方向性。本文研究了非对称织构排布方向与油液流动方向(即接触面运动方向)的夹角对织构化表面动压润滑特性和摩擦特性的影响。通过动压润滑效应仿真和摩擦学试验的综合分析研究表明,织构的排布方向具有明显方向性,织构边缘结构与油液流动方向夹角从锐角方向接近垂直时(80°-90°),排布方向的最优选取有效提高了非对称织构的动压润滑特性和摩擦特性。
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