钢球展开轮表面微结构几何参数优化研究

作     者：潘承怡 童圆栖 赵彦玲 李侠 曹冠群 PAN Cheng-yi;TONG Yuan-qi;ZHAO Yan-ling;LI Xia;CAO Guan-qun

作者机构：哈尔滨理工大学机械动力工程学院哈尔滨150080 

出 版 物：《表面技术》 (Surface Technology)

年 卷 期：2021年第50卷第7期

页      面：212-224页

核心收录：

学科分类：0817[工学-化学工程与技术] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 

基　　金：黑龙江省自然科学基金项目(E2017052) 国家自然科学基金(51875142) 

主　　题：钢球展开轮 表面微结构 摩擦 磨损 数值模拟 参数优化 

摘      要：目的对钢球展开轮表面凹坑形微结构的几何参数(形状、大小、深度、间距)进行优化,获得增摩降磨(增加摩擦系数、降低磨损量)特性最佳的展开轮表面微结构几何参数匹配,为微结构展开轮的设计和应用提供方法和依据。方法首先运用Hertz理论对展开轮与钢球的接触面积进行分析,确定微结构几何参数范围,设计正交试验表,并进行摩擦磨损试验;然后,基于Archard理论推导展开轮表面磨损深度计算模型,通过数值模拟获得不同几何参数情况下微结构表面的磨损深度,将仿真结果与试验结果进行对比和验证;最后,以最小磨损量和最大摩擦系数为目标函数,利用基于Pareto思想的遗传算法建立微结构几何参数优化模型,通过求解得到摩擦系数和磨损深度的最佳范围及相应微结构的几何参数匹配。结果求解得到0.2 s时间内微结构展开轮磨损深度h为5.24×10^(–7)~5.32×10^(–7)mm,摩擦系数μ为0.2600~0.2607,与之对应的20个非劣解中,形状系数c为0.289左右,面积s全部为0.0310mm~2,深度d为97~112μm,大多数集中在100μm左右,间距θ在全部间距取值范围内都有分布,其中出现频数最高的为3.59°。结论微结构几何参数对展开轮表面磨损深度的影响程度顺序为:面积形状深度间距;对摩擦系数的影响程度顺序为:形状面积间距深度。展开轮表面微结构的最佳几何参数匹配:形状为菱形,面积为0.0310 mm^(2),深度为100μm左右,间距为3.6°。