织构化粗糙表面的减摩机理与润滑计算模型研究

摩擦表面的织构和表面粗糙度对表面的润滑减摩抗磨性能都具有重要影响。为了全面认识和掌握织构化表面润滑减摩的机理和规律，提出表面织构减摩抗磨控制与优化设计理论和方法，采用理论与试验相结合的方法开展对织构化粗糙表面减摩机理与润滑计算模型的系统、深入研究。模拟不同工况条件，对不同特征的织构表面进行润滑和磨损试验，研究不同织构表面的润滑机理与磨损行为规律；对由人工织构与表面机加工粗糙纹理共存的织构化粗糙表面，与光滑织构化表面进行对比研究，研究表面粗糙度对不同织构表面润滑与磨损行为的影响，研究织构化粗糙表面的润滑机理与磨损行为规律；通过表面织构的润滑磨损试验和理论研究，揭示织构化粗糙表面的接触力学行为、摩擦机制、润滑状态和机理等，建立织构化粗糙表面的润滑计算理论模型，提出织构化粗糙表面的润滑减摩理论；进而提出具有高润滑抗磨性能的表面织构参数选择和优化设计方法，为摩擦副表面织构的设计应用提供理论指导。

为了深入研究表面织构的减摩规律，寻求具体工况和润滑条件下的最优织构参数，分别进行了如下研究，得到了对摩擦副表面织构的减摩设计具有参考意义的研究结果：（1）通过应用Fluent软件对N-S方程进行计算流体动力学求解，研究了织构表面在流体润滑状态下的摩擦学特性。结果表明：当l/h0＜46时，必须采用N-S方程进行织构表面的理论建模；当l/h0≥46时，可以采用Reynolds方程建立流体润滑条件下的润滑计算模型。（2）建立了椭圆形截面织构的最优参数设计模型，并对其进行了试验验证和机理分析。最优织构直径和最优织构深度之间存在一定的对应关系，最优织构直径越大，其对应的最优织构深度也越大；深径比参数不能作为织构尺寸参数对摩擦系数影响的唯一表征，但不论织构深度和直径如何，当织构深径比在0.005-0.01之间时，对应的摩擦系数均较小。（3）获得了不同凹痕方向与运动方向夹角试件的摩擦系数随滑动速度与载荷的变化规律。在往复运动条件下，当凹痕方向与运动方向夹角为60度时，凹痕织构具有最优的减摩效果；在旋转运动条件下，所研究的混合角度具有最优的减摩效果。（4）对较复杂的变面积比织构表面以及双织构表面进行了试验研究，结果表明：变面积比织构表面在重载高速的场合能够有效提高往复运动摩擦副的减摩性能；双织构表面与无织构表面下的摩擦系数相比差别不大，其并不能有效提高摩擦副的减摩性能。（5）与宏观凹坑织构相比，表面粗糙度实际上是微观的表面织构，对油膜承载能力有着不可忽略的影响，因此织构化粗糙表面的摩擦学性能是表面织构、表面粗糙度及两者相互作用的综合表现。（6）针对缸套活塞环的具体工况，建立了缸套表面织构的数学模型，并计算了不同速度下的动压承载能力和油膜厚度，得到了最优织构参数范围。结果表明：分区域变参数织构比不分区域单一参数织构得到的动压承载能力更强。