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表面纹理技术是在摩擦副表面按照一定分布加工出微小凹坑或突起,以改变摩擦副的接触和润滑状态,实现对摩擦界面特性的调控。为了研究表面纹理对摩擦副油膜润滑的影响,本文首先开展了纹理表面的油膜润滑数值模拟研究,计算分析了表面纹理构型、形状尺寸参数、纹理分布模式等对油膜润滑的影响,获得了表面纹理对平面接触副油膜润滑承载力和摩擦系数的影响规律;最后进行针对平面接触副的表面纹理润滑特性实验研究。
表面纹理油膜润滑数值模拟是按照由浅入深的思路逐渐展开的。第二章在不考虑表面粗糙度和油膜温度变化等条件下,以方阵分布表面纹理中的单个凹坑作为研究对象,建立表面纹理流体动力润滑数值模拟方法,并对表面纹理影响油膜润滑的因素逐一分析。第三章通过引入Patir和cheng的平均流量模型,解决了考虑表面粗糙度时的表面纹理流体润滑计算。油膜温度变化对油膜润滑的影响非常明显,第四章从对流散热和传导散热两个方面计算油膜的温度场分布。计算得到油膜温度场后,需要根据粘温方程确定油膜粘度分布,再根据粘度分布计算油膜的压力分布,设计程序实现油膜温度、粘度和压力三者之间循环迭代,得到收敛后的压力分布和油膜摩擦系数。对有大量凹坑分布的表面纹理润滑计算,需要解决计算尺度和计算效率之间的矛盾,同时还要考虑计算机硬件条件的限制。为了实现对大尺度表面纹理的润滑计算分析,第五章在进行润滑计算中引入区域分解法。数值实验表明该方法使计算网格数和计算效率显著提高,基本实现了较大尺寸摩擦副表面纹理的油膜润滑计算。通过对平板轴承、阶梯轴承和径向滑动轴承表面在多种纹理分布情况下流体动压润滑特性的计算分析,得到了提高润滑油膜动压效应的纹理分布模式优化方案。
为了验证论文中的主要分析结果,第六章对表面纹理的尺寸参数和纹理分布模式进行了摩擦润滑实验。实验采用了针对面面接触的有表面纹理分布的摩擦环对摩实验方案。实验测得不同表面纹理试件随速度和载荷变化时的摩擦扭矩,得到其摩擦特性曲线。对比实验结果与理论计算结果,二者具有较好的一致性。
本文系统、全面的研究分析了表面纹理各种因素对油膜润滑的影响,加深了对表面纹理油膜润滑规律的认识,为表面纹理在工程中的应用和进一步的实验研究提供了理论基础。