重大技術裝備是國之重器。高可靠性、高精密度基礎零部件應用于航空航天、高速鐵路、風電等重要領域,直接決定了重大技術裝備的工作性能和可靠性。我國的基礎零部件產(chǎn)業(yè)大而不強,制約著我國從工業(yè)大國向工業(yè)強國邁進。隨著現(xiàn)代機械裝備向小型化、輕量化發(fā)展,對基礎零部件的運行工況提出愈來愈高的要求。運行于高速重載下的基礎零部件常常處于邊界潤滑狀態(tài),此時摩擦副的接觸表面不再由流體膜分離;潤滑劑與表面間發(fā)生摩擦化學反應生成納米級摩擦化學反貨膜,簡稱摩擦膜。摩擦膜能夠有效地防止重載、高速、高溫下的摩擦表面發(fā)生膠合失效。邊界潤滑設計是基礎零部件摩擦學設計中的重要一環(huán)。任何機械零件在發(fā)生最終失效之前都要經(jīng)歷邊界膜的破裂,因此,邊界潤滑是保護摩擦副免受膠合失效的最后一道防線。但是目前的邊界潤滑研究,特別是摩擦化學研究卻遇到許多瓶頸問題:1)邊界潤滑動態(tài)特性包括了微凸體接觸、表面溫升、微觀膠合的瞬時性以及摩擦膜的動態(tài)生長和去除過程,如何理解微觀尺度下的瞬態(tài)邊界潤滑機制、微觀膠合發(fā)生和動態(tài)擴展機制、邊界膜破裂機制,這是亟待解決的問題之一;2)摩擦化學反應過程復雜,摩擦膜的形成、去除以及膜的突然崩潰為動態(tài)過程,如何實時地捕捉摩擦膜在微觀尺度下的動態(tài)生長和去除一直是摩擦化學研究的難題;3)缺乏摩擦化學反應的定量研究,如何定量分析摩擦膜動態(tài)生長以及研究摩擦膜對摩擦系統(tǒng)的作用機制是迫切需要解決的問題;4)摩擦過程中,摩擦膜在不斷生長的同時又不斷地被磨損與去除,其潤滑效果取決于生長和去除的動態(tài)平衡;然而如何預測摩擦化學的動態(tài)平衡狀態(tài)一直是邊界潤滑設計迫切需要解決的難題。本論文從以下幾部分提供了解決上述困境的研究思路。本文第一部分闡述了邊界潤滑動態(tài)特性研究的背景和工程意義,概述了邊界潤滑的基本理論和研究現(xiàn)狀,介紹了摩擦化學反應機理、摩擦化學實驗研究以及摩擦化學理論模型的國內(nèi)外研究進展,明確了摩擦化學反應理論及其實驗研究中存在的瓶頸問題和面臨的實驗技術挑戰(zhàn)。最后,確立了粗糙表面模擬、彈塑性接觸和閃溫、摩擦膜動態(tài)生長和去除的實驗研究、摩擦膜動態(tài)生長模型和邊界潤滑摩擦預測,這四個主要研究內(nèi)容,并闡述了本文的研究意義。第二部分建立了粗糙表面模擬與表征的小波模型。提出的模型能夠模擬任意尺度的各向同性、各向異性高斯粗糙表面。小波模型與Johnson轉(zhuǎn)換系統(tǒng)結(jié)合,可生成給定偏態(tài)、峰態(tài)的非高斯粗糙表面。提出的三維支承面曲線能夠更加準確反映表面真實信息。定義的微凸體接觸率曲線和粗糙表面非接觸率曲線為未來研究粗糙表面微觀接觸、微觀摩擦、微觀磨損以及微觀膠合提供理論基礎。第三部分建立了考慮結(jié)點增長的粗糙表面彈塑性接觸和表面溫升數(shù)值模型�；诠曹椞荻确ê涂焖俑盗⑷~變換方法,數(shù)值求解了接觸應力、真實接觸面積、結(jié)點增長率以及微凸體塑性變形。數(shù)值求解了瞬態(tài)表面溫升,并考慮了結(jié)點增長和微觀邊界膜破裂對表面溫升的影響。綜合載荷作用下結(jié)點增長率隨摩擦系數(shù)呈指數(shù)型上升;模型中Tabor常數(shù)與材料塑性指數(shù)有關,是影響結(jié)點增長率的重要因素;表面剪切作用使得最大Mises應力值升高以及最大Mises應力距離表面深度減小,疲勞裂紋發(fā)生源向表面靠近,這增加了表面失效發(fā)生的可能性。數(shù)值模擬結(jié)果證明了由微凸體塑性變形引起的微觀接觸區(qū)域聚集是形成表面溫度峰的主要原因。第四部分基于拉曼光譜和原子力顯微鏡表面分析技術,實驗探究了二硫化鉬(MoS2)摩擦膜動態(tài)生長機制及其對摩擦系數(shù)的影響。利用拉曼光譜面掃描成像技術,得到了時變MoS2摩擦膜的生成量和空間分布;采用原子力顯微鏡技術,測量了球表面磨痕處摩擦膜膜厚的演變。建立了 MoS2摩擦膜動態(tài)生長與邊界潤滑摩擦系數(shù)的數(shù)值關系。提出了一種邊界潤滑摩擦膜的減摩機制:局部生成的MoS2摩擦膜將導致微觀摩擦系數(shù)的降低,當MoS2摩擦膜生成量達到閾值后,微觀摩擦系數(shù)停止降低。宏觀邊界潤滑摩擦系數(shù)取決于MoS2摩擦膜的表面覆蓋率。第五部分實驗研究了 MoS2摩擦膜去除行為的影響因素。油溫、載荷、摩擦膜形成階段以及潤滑油成分對接觸區(qū)MoS2摩擦膜的去除以及隨之引起的摩擦系數(shù)上升均有影響。設計了原位拉曼光譜實驗,并測量得到了接觸區(qū)MoS2摩擦膜的去除率,其去除率遠高于等效的ZDDP摩擦膜去除率。摩擦初始階段,MoS2形成率遠大于其去除率,這導致摩擦系數(shù)的不斷降低,而在摩擦系數(shù)的穩(wěn)定階段,MoS2形成與去除之間達到動態(tài)平衡狀態(tài)。第六部分構(gòu)建了 MoS2摩擦膜動態(tài)生長模型和邊界潤滑摩擦預測模型。提出了一種理論模型與實驗測量耦合的方法,求解了微觀尺度MoS2摩擦膜動態(tài)生長率。數(shù)值模擬了接觸區(qū)MoS2摩擦膜動態(tài)生長過程,并預測了宏觀摩擦系數(shù)。摩擦系數(shù)的數(shù)值模擬結(jié)果與實驗測量結(jié)果吻合較好,證明了理論模型的準確性和可行性。本文提出的實驗方法和理論模型研究框架為微觀尺度研究摩擦化學反應機理提供了有效途徑。第七部分總結(jié)了本文的研究工作和主要結(jié)論、論文創(chuàng)新點,對今后邊界潤滑動態(tài)特性的實驗技術以及理論研究發(fā)展提出進一步的規(guī)劃和展望。
【學位單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TH117.2
【部分圖文】：

至關重要的作用。??提高燃油經(jīng)濟性和減少溫室氣體排放是全球性挑戰(zhàn)，邊界潤滑摩擦化學研究對于節(jié)能??減排和發(fā)展綠色經(jīng)濟具有重要意義。圖１．１表明當前各國都致力于減少二氧化碳排放。乘??用車中普遍使用低粘度潤滑油以提高燃油經(jīng)濟性，但也導致摩擦副運行于邊界潤滑狀態(tài)，??如何減小邊界潤滑狀態(tài)下的摩擦損耗是提高燃油經(jīng)濟性的關鍵問題。此外，潤滑劑中硫和??磷元素的限制性使用使得對“綠色”添加劑的需求更為迫切，摩擦化學研究有助于設計綠??色環(huán)保的新型潤滑添加劑。??￥?２２０??Ｖ％?９??Ｓ?２００??毛：１４０?＾?Ｖ?６?＾??３?ｉ??監(jiān)?Ｈ?２０２２：?１１３?５?°??ｆ?�。埃�?３??ＥＵ?２０２１?９５?ｕｓ?２０２５?９９?４??＾?８０?謠??乂?３硪??｜?６０?癢??＾?４０?２?５??一?ｈｉｓｔｏｒｉｃａｌ?ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ?—?ｅｎａｃｔｅｄ?ｔａｒｇｅｔ??｜?２０?１??Ｏ?０?????０??°?２０００?２００５?２０１０?２０１５?２０２０?２０２５?２０３０??圖１．１各國乘用車（：０２歷史排放量和現(xiàn)行標準ｗ??重大技術裝備是國之重器，其核心基礎零部件應用于航空航天、軌道交通和能源等重??要領域，直接決定了重大技術裝備的工作性能和可靠性。邊界潤滑設計是基礎零部件摩擦??學設計的重要一環(huán)

［２］將航空裝備列為未來１０年的重點突破目標。作為飛機“心臟”的航空發(fā)動機被譽為現(xiàn)??代工業(yè)“皇冠上的明珠”，是一國工業(yè)基礎、科技水平和綜合國力的集中體現(xiàn)。與航空發(fā)??動機配套的高可靠性、高精密度的高端軸承（如圖１．２）是關鍵部件之一，常常運行于高??速重載、高溫和受力復雜條件下，導致航空發(fā)動機主軸承運行于邊界潤滑狀態(tài)。而主軸承??工作性能直接影響航空發(fā)動機的性能、壽命和可靠性。我國軸承產(chǎn)業(yè)大而不強，國產(chǎn)航空??發(fā)動機中的主軸承壽命有限。民用的航空發(fā)動機軸承尚可依賴進口，但是軍用高端軸承技??術卻被西方牢牢把控。因此，出于國家安全和地區(qū)的和平穩(wěn)定考慮，必須自力更生，打破??核心基礎零部件受制于人的局面。??＊＞？？＊？（?｛ｃｊｒｓｙｔｔｔｍ??（ａ）?Ｐｒａｔｔ?＆?Ｗｈｉｔｎｅｙ公司Ｖ２５００－Ｅｎｇｉｎｅ?（ｂ）航空發(fā)動機內(nèi)軸承布置??圖１．２航空發(fā)動機及主軸承??高端軸承的“短板”并不僅僅存在于航空發(fā)動機領域。過去十年我國迎來了高速鐵路??建設的巨大發(fā)展，建成了?一批設計時速３５０公里、具有世界先進水平的高速鐵路，形成了??比較完善的高鐵技術體系，成為地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的強大推動力，為國家長期繁榮昌盛提供保??障。高鐵動車組使用的軸承運行于復雜惡劣的工況條件下，對軸承潤滑性能提出相當高的??要求。然而目前我國高鐵軸承長期依賴于進口

１．２邊界潤滑理論國內(nèi)外研究現(xiàn)狀??１．２．１邊界潤滑基本理論??歸納滑動軸承在不同載荷、速度以及粘度下的摩擦系數(shù)，得到如圖１．３所示的Ｓｔｒｅｉｂｅｃｋ??曲線［５］，該曲線表示了潤滑狀態(tài)的轉(zhuǎn)化關系。圖中橫坐標表征粘度ｘ速度／載荷，即流體??潤滑中的索莫菲爾德數(shù)（Ｓｏｍｍｅｒｆｅｌｄ?ｎｕｍｂｅｒ）；縱坐標為摩擦系數(shù)。圖１．３中Ｉ區(qū)屬流體??潤滑（Ｆｕｌｌ－ｆｉｌｍ?Ｈｙｄｒｏ－ｄｙｎａｍｉｃ，ＦＨＤ），摩擦阻力產(chǎn)生于流體內(nèi)摩擦；ＩＩ區(qū)統(tǒng)稱混合潤滑??（Ｍｉｘｅｄ?ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ），這時摩擦表面之間的間隔接近于表面微凸體的高度，摩擦阻力是由??潤滑流體的剪切以及微凸體的變形和剪切共同產(chǎn)生；區(qū)域ＩＩＩ工況下，摩擦面的間隙進一步??減小，微凸體相互作用加強，邊界膜膜厚遠小于粗糙峰高度，此時表面層物理化學作用和??微凸體接觸力學顯著影響系統(tǒng)的摩擦特性，即摩擦界面處于邊界潤滑機制（Ｂｏｕｎｄａｒｙ??ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ?ｒｅｇｉｍｅ）。??￣￣ｊ一一；——｜????Ｉ：?全膜潤滑?微彈流潤滑??ｒａ?ｉ?ｉ?固體，?．??ｇ?
【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 鄧志誠;林軍;;邊界潤滑探究[J];廣東科技;2006年08期

2 S.N.Tiwari;石云山;;鋁鉛軸承合金的抗咬合性[J];國外機車車輛工藝;1987年01期

3 李明懷,王勁先;邊界潤滑狀態(tài)下軸承鋼接觸疲勞壽命與其斷裂特性參數(shù)相關性的試驗研究[J];固體潤滑;1988年01期

4 ;礦山重型柴油車發(fā)動機潤滑油[J];長安大學學報(自然科學版);1988年02期

5 薛群基;蒸汽沉積潤滑[J];固體潤滑;1989年03期

6 孫志武;;油性劑邊界潤滑作用機理[J];潤滑油;1990年04期

7 王澤;周明;葉霞;楊曉紅;盧雅琳;楊龍興;;小腸的結(jié)構(gòu)及邊界潤滑模型建立[J];摩擦學學報;2013年04期

8 張會臣,季世軍,姜振君;邊界潤滑條件下摩擦化學反應機理研究[J];大連海事大學學報;1999年02期

9 王成彪，溫詩鑄;鑄鐵滑動摩擦副邊界潤滑表面膜的考察[J];摩擦學學報;1995年04期

10 W.A.GLAESER;K.F.DUFRANE;施光富;;邊界潤滑圓柱軸承新設計方法[J];四川機械;1979年03期

相關博士學位論文 前2條

1 許迪初;邊界潤滑動態(tài)特性及其實驗研究[D];浙江大學;2019年

2 王祥;泥鰍體表黏液的流變行為及黏液糖蛋白的功能與超分子結(jié)構(gòu)研究[D];浙江大學;2015年

相關碩士學位論文 前10條

1 陳俊寰;銀鍍層在邊界潤滑下的導電能力和載流摩擦學性能研究[D];華北電力大學(北京);2018年

2 朱濤;基于相似數(shù)據(jù)和均勻?qū)嶒炘O計的磨損研究[D];東北大學;2010年

3 鳳維民;邊界潤滑條件下碳煙對摩擦反應膜機械性能的影響及其磨損機理研究[D];合肥工業(yè)大學;2017年

4 李曉東;316L不銹鋼N離子注入層與MoDTC潤滑油添加劑的交互作用研究[D];中國地質(zhì)大學(北京);2016年

5 王勝偉;邊界潤滑狀態(tài)下面齒輪傳動的失效機理研究[D];湖南工業(yè)大學;2015年

6 夏良武;銷—盤摩擦過程中的熱行為研究[D];華東理工大學;2014年

7 丁有永;乏/無油潤滑航空齒輪傳動的磨損及溫度場分析[D];南京航空航天大學;2013年

8 金硪馨;Cu-14Al-X噴熔層摩擦性能研究[D];蘭州理工大學;2008年

9 陳懷松;邊界潤滑狀態(tài)下往復摩擦磨損的數(shù)值仿真研究[D];武漢理工大學;2005年

10 李星亮;鎢/鉬膜的固體潤滑表面處理及其摩擦化學機理研究[D];中國地質(zhì)大學（北京）;2013年

本文編號：2866189