油润滑条件下减摩织构表面的优化设计

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1、博士学位论文油润滑条件下减摩织构表面的优化设计OptimizationDesignofAntifrictionTexturedSurfaceunderOilLubrication作者：王洪涛导师：朱华教授中国矿业大学二〇一五年五月中图分类号TH117学校代码10290UDC621.8密级公开中国矿业大学博士学位论文油润滑条件下减摩织构表面的优化设计OptimizationDesignofAntifrictionTexturedSurfaceunderOilLubrication作者王洪涛导师朱华申请学位工学博士培养单位机电工程学院学科专业机

2、械制造及其自动化研究方向摩擦学答辩委员会主席程先华评阅人二○一五年五月论文审阅认定书研究生王洪涛在规定的学习年限内，按照研究生培养方案的要求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学位论文,经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论文作为学位申请论文送专家评审。导师签字：年月日致谢本论文是在导师朱华教授的悉心指导下完成的，每一点研究成果的取得都凝结着导师的智慧和心血。在攻读博士学位期间通过对导师的深入了解，我深深折服于朱老师的人格魅力，他对待工作的认真严谨的态度，他的渊博的专业

3、知识，他的朴实平和、开朗风趣的生活作风，他对学生的无私帮助和殷切关心，为我树立了一个榜样和标杆。在论文工作中，还得到了机电学院杨海峰老师、电力学院王利军老师及材料学院许林敏老师等的热情帮助和指导，在此向他们表示衷心的感谢！感谢救援装备与技术研究所马西良博士、王勇博士、巩固博士、杜希波博士、周元凯博士、左雪博士、李雨潭博士、陈天驰博士及陈南轩、李岩、庄秀丽、孙国栋等同学的交流探讨和无私协助，在此一并表示谢意！感谢中国矿业大学研究生院和机电学院各位领导和老师对我课题研究工作的支持和帮助，同时也要感谢理学院的各位领导和同事们在工作及生活各方面给予

4、的配合与支持。在攻读博士期间，我的妻子李艳和父母亲是我生活上的坚强后盾，他们无微不至的照料我的生活，并在精神上默默的支持我。感谢我的两个孩子，他们天真灿烂的笑脸使我在疲惫的工作之余能获得心理上的舒缓和满足，使我在偶尔的颓废中亦能快速坚定前行的勇气和信心。感谢我的家人，永远爱你们！最后，衷心感谢参与论文评审和答辩工作的专家，虚心聆听你们对论文的意见和建议，希望能获得你们的肯定和认可，同时也恳请各位专家对我的论文和今后的学术研究给予技术性和方向性的指导与帮助！谢谢。摘要机械设备接触表面间的摩擦问题直接影响设备的能量损耗、失效时间及可靠性，如何减

5、小机械磨损，提高能量效率和延长失效时间是机械行业的重要研究课题。近年来，表面织构作为一种表面处理技术在减摩抗磨领域显现出了较大的优势。通过对零件接触表面进行表面织构的优化设计，可以有效改善润滑状态，减小摩擦磨损。为进一步丰富表面织构领域的科学研究，本文在传统织构研究的基础上通过理论建模和试验研究方法研究了多织构位置排布及各向异性织构形貌的排布模式等因素对润滑摩擦性能的影响，同时对具有复杂嵌套结构的织构表面的润滑摩擦特性进行了深入研究。首先，基于常见的球冠状织构单元建立了CFD流体动压润滑模型，利用高性能科学计算平台计算得到了Navier-S

6、tokes方程的数值解，详细讨论了织构半径、深度、面积率及相对滑动速度对摩擦系数和动压承载能力的影响。结果发现摩擦系数与面积比和深度成反比，其中深度对摩擦系数的影响更大，而动压承载能力则主要与织构深度和相对滑动速度有关，随着深度的增加动压承载能力逐渐增加，在无量纲深度达到15时承载能力达到最大。然后，利用数值仿真方法建立了基于多织构单元相互作用的流体动压润滑模型，研究了圆柱形凹坑织构单元的位置偏移率对摩擦学性能的影响，并采用正交设计方法研究了织构单元的深度、半径、位置偏移率及相对滑动速度对摩擦系数和动压承载能力的影响。结果发现织构单元位置偏

7、移率对摩擦副表面间的动压承载能力有十分显著的影响，当位置偏移率由0增加到0.5时，压力系数的增幅达34.9倍，与此同时摩擦系数仅增加约0.59%。同时发现，适当增加圆柱状织构单元的面积可以在有效增加动压承载能力的同时减小摩擦力。对于具有圆对称结构的圆柱状凹坑，不需要考虑织构单元的倾角因素，而对于像椭圆形织构单元这种具有各向异性结构特征的织构而言，其倾角、位置偏移率及排布模式对摩擦学性能的协同影响则是织构优化设计必须要考虑的重要因素。正交设计的具有不同面积、倾角、位置偏移率及排布模式的椭圆织构表面的CFD仿真结果发现增加椭圆织构单元的面积能显

8、著降低织构表面的摩擦系数，而椭圆长轴与相对滑动方向一致时摩擦系数最小。织构单元的倾角和位置偏移率对动压承载能力的提升有显著贡献。摩擦磨损试验结果同样发现椭圆柱状织构的倾角和位置偏