考虑空化效应的表面微织构摩擦副润滑性能研究

作     者：方勋 

作者单位：大连海事大学 

学位级别：硕士

导师姓名：严志军

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 082402[工学-轮机工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 

主      题：表面织构 空化效应 数值模拟 动压润滑 织构参数 

摘      要：在摩擦副表面加工合理的微织构能够有效提高摩擦副的润滑性能,但目前关于考虑空化效应条件下表面微织构对摩擦副润滑性能影响规律的研究存在不完善之处,理论和实验方面的研究较少。因此本研究采用数值模拟和实验研究两种方法较系统地分析了微织构的结构参数、分布位置、间距、角度和转速等对摩擦副润滑性能的影响,从而揭示微织构对摩擦副空化现象和承载特性的作用规律和机理。数值模拟方面,采用Fluent软件对具有表面微织构的摩擦副润滑特性进行模拟研究,以转速和织构的宽度、深(高)度、分布位置、角度和形貌等为参数,模拟得到单个或多个微织构油膜压力分布图以及空化效应图等,通过观察微织构的空化现象,分析空化发生模式及机理,研究空化效应对摩擦副动压润滑的影响。实验方面,利用轴承空化现象可视化实验台,通过速度、载荷等因数变化,得到不同织构参数下承载力和摩擦力等参数,并且采集不同条件下的空化效应图,从而获得不同工况参数、织构参数对空化效应的影响以及其对滑动摩擦副润滑特性的影响,最后与数值模拟结果进行对比分析。模拟研究结果表明:对于表面具有微凸体织构的平面摩擦副而言,增加表面之间相对运动速度、微凸体织构的宽度或高度、微织构前段和后端的角度,均能导致空化区域面积增加,使空化现象更加明显。空化效应的出现,抑制了微凸体后端负压区压力的降低,摩擦副的承载能力也随之提高;同时,由于空化效应使界面之间由液体润滑转变为局部的气体润滑,使得界面之间摩擦系数的数值明显减小。对于表面具有微织构的滑动轴承而言,无论织构布置在入口区域、最小油膜厚度处还是出口区域,空化现象仅发生在出口区域。当微织构布置在中间区域时,较无织构时相比承载力下降,摩擦力有所提高,布置在入口区域或出口区域时,能有效提高承载力,降低摩擦系数,其中在出口区域时效果最佳:适当增大转速以及织构的深宽会使空化现象更为明显,提高承载力,降低摩擦力;存在一个最优的织构间距(间距为织构宽度的14倍),使滑动轴承润滑性能最好。实验研究结果表明:与模拟结果趋势大致相同,适当增加转速和载荷,均能使空化区域面积增加,空化现象更为明显;织构宽度的增大,使得摩擦副的摩擦系数减小;织构的分布位置对摩擦副润滑性能有重要的影响,其中当织构布置在出口区域时效果最佳。