微凹槽织构化粗糙表面热流体动力润滑确定性模型及减摩机理研究

Surface texturing has attracted most attentions from scholars and engineers at home and abroad and become key problems in the field of tribology because it can significant improve the tribological performance of surfaces. In this project, the thermohydrodynamic lubrication deterministic model of textured rough surfaces with micro-grooves will be established by considering surface roughness and thermal effects. The simultaneous solution of the generalized Reynolds equation, oil film thickness equation, three-dimensional energy equation, three-dimensional heat transfer equation and force equilibrium equation will be presented by the multi-grid algorithm. Consequently, the three-dimensional pressure and temperature distribution maps of sinusoidal model asperities will be obtained to investigate on the effect of geometrical parameters, cross-section, line shapes, and partial surface texturing of micro-grooves on load carrying capacity, friction coefficient and temperature. Then, in order to investigate the tribological performance of textured surfaces with micro-grooves, the friction coefficients of tribo-pairs will be measured on face to face contact friction pairs. After that, the deterministic models will be improved by analyzing and comparing the experimental and theoretical results. The project aims to reveal the lubrication and antifriction mechanisms of micro-grooves, which can be used to support the tribological optimization design and the engineering applications of surface texture.

表面织构化能显著提高表面的摩擦学性能，受到国内外学者和工程技术人员的广泛关注，成为当前摩擦学领域的热点课题。本项目综合考虑粗糙度和热效应的因素，建立微凹槽织构化粗糙表面热流体动力润滑确定性模型，联立广义Reynolds方程、润滑油膜膜厚方程、三维能量方程、三维热传导方程以及载荷平衡方程，利用多重网格法计算润滑油膜压力和温度分布曲线图，研究正弦模型粗糙峰条件下微凹槽的几何参数、截面形状、线形及局部织构对油膜承载能力、摩擦系数和温度的影响规律。然后，采用面-面接触式摩擦副对微凹槽织构化试样进行摩擦学特性试验研究，通过对试验与理论研究结果的对比分析，进一步完善数学模型。本研究旨在揭示微凹槽织构的润滑减摩机理，为表面织构的摩擦学优化设计及其工程应用提供理论支持。

摩擦耗能和磨损失效对机械装备可靠性、使用寿命和节能减排等有着重要的影响。表面织构作为一种能有效改进零件表面摩擦学性能的方法受到越来越多的关注。表面织构的类型大致可以分为微凹坑和微凹槽两类，目前表面织构的研究主要以微凹坑为主要研究对象，而对微凹槽的研究相对较少，特别是理论研究。.本项目主要针对微凹槽织构化粗糙表面的热流体动力润滑性能和减摩机理开展了系统和深入的研究。本项目采用正弦模型粗糙峰模拟粗糙表面的微观几何形貌，基于质量守恒空化边界条件，建立了微凹槽织构化粗糙表面热流体动力润滑确定性模型，利用多重网格法求解润滑油膜压力分布和温度场分布，系统研究粗糙度、 微凹槽几何参数、 微凹槽截面形状对热流体动力润滑的影响，揭示其热流体动力润滑机理。在理论研究的基础上，开展了相关的摩擦学性能试验。理论与试验研究结果表明：.（1）表面粗糙度削弱了微凹槽织构表面流体动力润滑效应，但是可以起到降低油膜温度的作用。.（2）当正弦模型粗糙峰峰高与微凹槽织构的深度比值较小时，粗糙度波长对润滑油膜的热流体动力润滑性能的影响可以忽略不计，说明采用正弦模型粗糙峰模拟粗糙表面微观几何形貌的效果可以等效于粗糙度轮廓算术平均偏差Ra。.（3）微凹槽的几何参数对润滑油膜的热流体动力润滑性能影响显著，存在使润滑油膜承载能力达到最大的最优凹槽深度、间距和倾角，润滑油膜承载能力随着凹槽宽度的增加而增大；润滑油膜温度随着微凹槽的宽度和深度的增加而降低，而随着间距的增加而升高，微凹槽倾角对润滑油温度几何没有影响。.（4）微凹槽的截面形状润滑油膜热流体动力润滑性能有较大的影响，主要是由于截面形状的辩护导致收敛楔形的变化。.（5）采用销-盘式摩擦副考察了微凹槽织构对减摩性能的影响, 并将试验与理论研究进行了对比分析。.本项目的研究结果丰富了表面织构摩擦学理论, 可为表面织构的设计及在轴承、缸套-活塞环等典型摩擦副中的应用提供理论参考。