微凹槽织构化粗糙表面摩擦润滑特性的理论与实验研究.doc

微凹槽织构化粗糙表面摩擦润滑特性的理论与实验研究表面织构技术可以有效地改善机械零件表面的摩擦润滑性能,业已成为当前机械工程领域的研究热点之一。微凹槽织构作为一种常见的织构类型,不仅可以起到提高流体动压润滑效应的作用,而且能疏通润滑油,达到快速布油的目的,从而有效提高表面摩擦学特性,引起科研工作者的广泛关注。近年来,科研工作者对微织构的研究主要集中在类型和几何参数对摩擦润滑性能的影响,而没有充分考虑微织构表面初始粗糙度的作用。然而,当表面粗糙度峰值与润滑油膜的平均厚度处在同一数量级时,表面粗糙度对润滑性能的影响至关重要。因此,研究粗糙度对微凹槽织构化表面摩擦润滑性能的影响具有重要的科学意义与实际工程价值。首先,本文采用正弦模型粗糙峰模拟表面粗糙度,基于JFO质量守恒空化边界条件,建立微凹槽织构化双向粗糙表面流体动力润滑确定性模型,利用多重网格法计算润滑油膜的压力分布图,分析双向正弦模型粗糙峰的峰高、波长与微凹槽织构几何参数对平均油膜压力的影响。结果表明:计算区域大小对数值计算精度有重要影响,计算区域越大精度越高;通过数值模拟方法研究微凹槽织构对流体动力润滑的影响时,正弦模型粗糙峰能在一定程度上反映粗糙度对润滑性能的影响;随着正弦模型粗糙峰峰高的增加油膜承载能力逐渐降低,最优微凹槽织构深度受粗糙度峰高的影响;在双向粗糙表面条件下,存在最佳的微凹槽织构几何参数使平均油膜压力达到最大。然后,采用单向正弦模型粗糙峰模拟表面粗糙度的单向纹理结构,建立微凹槽织构化单向粗糙表面流体动力润滑确定性模型,通过分析平均油膜压力的变化,研究单向正弦粗糙表面条件下微凹槽织构的几何参数对平均油膜压力分布的影响规律,并与双向正弦模型粗糙峰模拟的结果进行对比。结果发现:微凹槽织构化表面几何参数对平均油膜压力的作用规律受粗糙度模型变化的影响较小;微凹槽织构化单向粗糙表面的平均油膜压力高于双向粗糙度模拟时的结果。最后,以微凹槽织构化粗糙表面为研究对象,在Rtec摩擦磨损试验机上进行往复摩擦试验,分析粗糙度对微凹槽织构化表面平均摩擦系数的影响。结果表明:根据摩擦表面的载荷和速度工况条件,合理优化粗糙度值能使微凹槽织构获得理想的润滑减摩效果。存在最佳的粗糙度使得微凹槽织构化表面摩擦系数达到最小,最佳粗糙度值受载荷、速度和微凹槽深度大小的影响。通过数值模拟和试验研究表明粗糙度对微凹槽织构化表面的润滑性能具有重要的影响,不能简单忽略表面粗糙度的作用。本文的研究结果对微凹槽织构的摩擦学优化设计具有一定的科学意义和工程价值。