CN116484765A - 一种用于摩擦润滑与磨屑调控的设备及优化方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于摩擦润滑与磨屑调控的设备及优化方法，首先根据摩擦副的接触和运动形式，考虑摩擦对润滑介质流动的影响，开展沟槽型微织构纹理走向的设计；然后利用固液二相流理论，开展沟槽内部磨屑的运动速度分析，实现沟槽截面形状和尺寸的优化；最后开展表面耐磨涂层设计加工，通过磨损学实验获取磨损率和摩擦系数，综合考虑涂层对摩擦磨损性能，采用多目标函数法，实现耐磨涂层的优选。其中，所述的纹理走向包括螺旋形、直线形等；所述沟槽截面包括矩形、三角形、半圆形等；所述涂层包括DLC涂层、CrN涂层、TiN涂层等。本发明旨在解决特殊工况下摩擦副润滑性能差和磨粒磨损严重造成的摩擦副性能差和寿命低的问题。
Description
技术领域
本发明属于摩擦磨损主动控制技术领域，具体涉及一种面向摩擦界面润滑与磨屑运动调控的表面设计及优化方法。
背景技术
在工业应用中，很多摩擦副工作于油润滑低速重载工况下，难以形成动压润滑，而且接触面积比较大，周围的润滑油难以进入接触界面，而磨损生成的磨屑难以从结合面排出，造成润滑不良和磨粒磨损严重，最终造成磨损率高，耐磨性能差。
为了减轻摩擦副的磨损，目前常用的手段主要有以下手段：(1)发明和制备新型的涂层材料，利用先进的镀层技术和性能优质的材料制备耐磨的涂层。(2)选用运动粘度范围宽，粘度指数高，成膜性能好的润滑介质。以上技术手段对轻载或者动压润滑状态下的摩擦副有效，但是对于部分低速重载下的油润滑摩擦副，容易存在润滑油难以进入，磨屑难以逸出的问题，进而造成润滑不良磨损加剧，影响摩擦副的服役寿命。
为了解决上述问题，本发明中提出了一种面向摩擦界面润滑与磨屑运动调控的表面设计及优化方法。
发明内容
本发明提供一种面向摩擦界面润滑与磨屑运动调控的表面设计及优化方法，旨在解决低速重载工况下摩擦副周围的润滑油难以进入，而生成的磨屑难以从结合面溢出造成的摩擦磨损加剧问题。
针对低速重载摩擦副摩擦磨损严重的问题，本发明提供一种用于摩擦润滑与磨屑调控的设备，所述设备包括摩擦接触面、沟槽型微织构和耐磨涂层，所述摩擦接触面浸润在液体环境中；所述摩擦接触面上附有均匀的耐磨涂层；所述摩擦接触面上加工有沟槽型微织构。沟槽型微织构等间距的分布在摩擦接触面上。
进一步地，所述摩擦接触面为圆形或者矩形。
进一步地，当摩擦接触面为圆形时，所述沟槽型微织构的纹理走向为：双螺旋纹理走向、单螺旋纹理走向或者偏置直线纹理走向，纹理间周向角度间距为α，沟槽数量为n1，则n1＝360/α；常用的周转角α为45°或者60°。
进一步地，当摩擦接触面为矩形时，所述沟槽型微织构的纹理走向为对称直线纹理走向；相邻两沟槽的间距为d，矩形结合面的宽度为a，沟槽数为n2，则n2＝a/d-1；间距d的选取由结合面的大小决定。
进一步地，所述沟槽型微织构的截面形状为矩形、三角形、半圆形。
进一步地，所述沟槽型微织构的深度沿纹理走向逐渐变化，内径处深度h1＝20μm，外径处深度h2＝50μm。
进一步地，所述耐磨涂层的材料为DLC涂层、CrN涂层、TiN涂层。
进一步地，一种用于摩擦润滑与磨屑调控的设备的优化方法，所述方法包括如下步骤：
S1：根据摩擦副的接触和运动形式，开展面向润滑油流动调控的沟槽型微织构的纹理走向设计；
S2：基于固液二相流理论，利用CFD-EDEM耦合计算沟槽内磨屑的运动速度，以流速最大为目标，确定最优的沟槽截面形状和尺寸；
CFD-EDEM耦合计算流程是基于流场网格及颗粒尺度层面分别依次完成液相及固相的独立跟踪计算，以此实现动量与能量的耦合。每完成一个流场网格的计算，就会得到该网格的动量和能量源相，EDEM再基于此结果追踪计算固相颗粒的运动获得磨屑的运动和分布规律。
质量守恒方程：
动量守恒方程：
体积分数方程：
受力平衡方程：
式中，α为连续流体所占体积率；vi为流体在笛卡尔坐标系i方向上的流速分量；gi为i方向上的体积力；Fi为连续相与离散相的相互作用力。mp为颗粒密度，为流体速度，/>为颗粒速度，ρ为流体密度，ρp为颗粒密度，/>为附加力，τr为颗粒弛豫时间，Cd为曳力系数，Vm为多相流混合速度，ρm为多相混合密度，ak为各相体积分数，ρk为各相密度，Vk为各相速度。
S3：开展耐磨涂层的设计加工，通过摩擦学实验，获取摩擦力和磨损率数据，综合考虑涂层对摩擦磨损的影响，采用多目标函数法，实现对涂层材料的优选。
磨损率和摩擦力的计算公式如下：
V＝αEd
Ed＝∫QdS
F＝μ×P
W＝V÷(S×P)
式中，V是磨损体积；K是尺寸Archard系数；P是法向力；μ为表面摩擦系数；α为能量磨损系数；S是滑动距离；Q为剪力；Ed为总能量消耗；W为磨损率。
寿命预测是以磨损率、摩擦因数和厚度比作为目标函数，采用多目标优化进行全局搜索，实现对涂层材料的优选。多目标规划函数如下：
式中是目标函数，a和b分别是目标函数与设计变量的数量，ylow和yup分别是设计变量的极限值。
S4：综合摩擦副的运动形式、磨屑调控运动速度以及寿命预测结果，确定表面结构的沟槽型微织构形态以及耐磨涂层的设计。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：本发明对与磨屑的调控方案多，应用范围广；现有的技术缺乏对磨屑运动的模拟，本发明在固液二相流理论的基础上，通过CFD-EDEM耦合计算流程模拟磨屑的运动，根据运动规律选择合适的调控方案。另外，本发明通过多目标规划在开展寿命预测验证方案的同时解决了表面涂层方案选择的问题，更大程度上的降低了低速重载条件下的摩擦磨损。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为摩擦界面轴向侧视结构示意图；
图3为沟槽的局部放大图；
图4(a)为双螺旋纹理走向微织构方案示意图；
图4(b)为单螺旋纹理走向微织构方案示意图；
图4(c)为偏置直线纹理走向微织构方案示意图；
图4(d)为对称直线纹理走向方案示意图；
图5为沟槽型微织构沟槽深度结构示意图；
图6(a)为矩形沟槽型微织构沟槽截面形状方案示意图；
图6(b)为半圆形沟槽型微织构沟槽截面形状方案示意图；
图6(c)为三角形沟槽型微织构沟槽截面形状方案示意图；
图7为CFD-EDEM耦合计算流程图；
附图标记如下：
1、液体环境；2、摩擦界面；3、微织构；4、涂层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
下面结合附图1-图7描述本发明的一种面向摩擦界面润滑和磨屑调控的表面设计及寿命预测方法。
一种用于摩擦润滑与磨屑调控的设备，所述设备包括摩擦接触面2、沟槽型微织构3和耐磨涂层4，所述摩擦接触面2浸润在液体环境1中；所述摩擦接触面2上附有均匀的耐磨涂层4；所述摩擦接触面2上加工有沟槽型微织构3。沟槽型微织构3等间距的分布在摩擦接触面2上。
所述摩擦接触面2为圆形或者矩形。
当摩擦接触面为圆形时，所述沟槽型微织构3的纹理走向为：双螺旋纹理走向、单螺旋纹理走向或者偏置直线纹理走向，纹理间周向角度间距为α，沟槽数量为n1，则n1＝360/α；常用的周转角α为45°或者60°。
当摩擦接触面2为矩形时，所述沟槽型微织构3的纹理走向为对称直线纹理走向；相邻两沟槽的间距为d，矩形结合面的宽度为a，沟槽数为n2，则n2＝a/d-1；间距d的选取由结合面的大小决定。
所述沟槽型微织构3的截面形状为矩形、半圆形、三角形。
所述沟槽型微织构3的深度沿纹理走向逐渐变化，从而有利于磨屑在重力、流体拖拽力等协同作用下从结合面内部向外侧迁移。为达到最优的摩擦磨损性能，内径处深度h1＝20μm，外径处深度h2＝50μm。
所述耐磨涂层4的材料为DLC涂层、CrN涂层、TiN涂层。
一种用于摩擦润滑与磨屑调控的设备的优化方法，所述优选方法包括如下步骤：
S1：根据摩擦副的接触和运动形式，开展面向润滑油流动调控的沟槽型微织构3的纹理走向设计；
S2：考虑沟槽截面特征对沟槽内部磨屑和润滑介质流动的影响，基于固液二相流理论，利用CFD-EDEM耦合计算沟槽内磨屑的运动速度，以流速最大为目标，确定最优的沟槽截面形状和尺寸；
CFD-EDEM耦合计算流程是基于流场网格及颗粒尺度层面分别依次完成液相及固相的独立跟踪计算，以此实现动量与能量的耦合。每完成一个流场网格的计算，就会得到该网格的动量和能量源相，EDEM再基于此结果追踪计算固相颗粒的运动获得磨屑的运动和分布规律。
质量守恒方程：
动量守恒方程：
体积分数方程：
受力平衡方程：
式中，α为连续流体所占体积率；vi为流体在笛卡尔坐标系i方向上的流速分量；gi为i方向上的体积力；Fi为连续相与离散相的相互作用力。mp为颗粒密度，为流体速度，/>为颗粒速度，ρ为流体密度，ρp为颗粒密度，/>为附加力，τr为颗粒弛豫时间，Cd为曳力系数，Vm为多相流混合速度，ρm为多相混合密度，ak为各相体积分数，ρk为各相密度，Vk为各相速度。
S3：开展耐磨涂层的设计加工，通过摩擦学实验，获取摩擦力和磨损率数据，综合考虑涂层对摩擦磨损的影响，采用多目标函数法，实现对涂层材料的优化。
磨损率和摩擦力的计算公式如下：
V＝αEd
Ed＝∫QdS
F＝μ×P
W＝V÷(S×P)
式中，V是磨损体积；K是尺寸Archard系数；P是法向力；μ为表面摩擦系数；α为能量磨损系数；S是滑动距离；Q为剪力；Ed为总能量消耗；W为磨损率。
寿命预测是以磨损率、摩擦因数和厚度比作为目标函数，采用多目标优化进行全局搜索，实现对涂层材料的优化。多目标规划函数如下：
式中是目标函数，a和b分别是目标函数与设计变量的数量，ylow和yup分别是设计变量的极限值。
S4：综合摩擦副的运动形式、磨屑调控运动速度以及寿命预测结果，确定表面结构的沟槽型微织构形态以及耐磨涂层的设计。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种用于摩擦润滑与磨屑调控的设备，其特征在于，所述设备包括摩擦接触面(2)、沟槽型微织构(3)和耐磨涂层(4)，所述摩擦接触面(2)浸润在液体环境(1)中；所述摩擦接触面(2)上附有均匀的耐磨涂层(4)；所述摩擦接触面(2)上加工有沟槽型微织构(3)；沟槽型微织构(3)等间距的分布在摩擦接触面(2)上。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述摩擦接触面(2)为圆形或者矩形。
3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，当摩擦接触面为圆形时，所述沟槽型微织构(3)的纹理走向为：双螺旋纹理走向、单螺旋纹理走向或者偏置直线纹理走向，纹理间周向角度间距为α，沟槽数量为n1，则n1＝360/α；常用的周转角α为45°或者60°；当摩擦接触面(2)为矩形时，所述沟槽型微织构(3)的纹理走向为对称直线纹理走向；相邻两沟槽的间距为d，矩形结合面的宽度为a，沟槽数为n2，则n2＝a/d-1；间距d的选取由结合面的大小决定。
4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述沟槽型微织构(3)的截面形状为矩形、半圆形或者三角形。
5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述沟槽型微织构(3)的深度沿纹理走向逐渐变化，内径处深度h1＝20μm，外径处深度h2＝50μm。
6.如权利要求5所述的设备，其特征在于，所述耐磨涂层(4)的材料为DLC涂层、CrN涂层、TiN涂层。
7.一种用于摩擦润滑与磨屑调控的设备的优化方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1：根据摩擦副的接触和运动形式，开展面向润滑油流动调控的沟槽型微织构(3)的纹理走向设计；
S2：基于固液二相流理论，利用CFD-EDEM耦合计算沟槽内磨屑的运动速度，以流速最大为目标，确定最优的沟槽截面形状和尺寸；
CFD-EDEM耦合计算流程是基于流场网格及颗粒尺度层面分别依次完成液相及固相的独立跟踪计算，以此实现动量与能量的耦合；每完成一个流场网格的计算，就会得到该网格的动量和能量源相，EDEM再基于此结果追踪计算固相颗粒的运动获得磨屑的运动和分布规律；
质量守恒方程：
动量守恒方程：
体积分数方程：
受力平衡方程：
式中，α为连续流体所占体积率；vi为流体在笛卡尔坐标系i方向上的流速分量；gi为i方向上的体积力；Fi为连续相与离散相的相互作用力；mp为颗粒密度，为流体速度，/>为颗粒速度，ρ为流体密度，ρp为颗粒密度，/>为附加力，τr为颗粒弛豫时间，Cd为曳力系数，Vm为多相流混合速度，ρm为多相混合密度，ak为各相体积分数，ρk为各相密度，Vk为各相速度；
S3：开展耐磨涂层的设计加工，通过摩擦学实验，获取摩擦力和磨损率数据，综合考虑涂层对摩擦磨损的影响，采用多目标函数法，实现对涂层材料的优化；
磨损率和摩擦力的计算公式如下：
V＝αEd
Ed＝∫QdS
F＝μ×P
W＝V÷(S×P)
式中，V是磨损体积；K是尺寸Archard系数；P是法向力；μ为表面摩擦系数；α为能量磨损系数；S是滑动距离；Q为剪力；Ed为总能量消耗；W为磨损率；寿命预测是以磨损率、摩擦因数和厚度比作为目标函数，采用多目标优化进行全局搜索，实现对涂层材料的优化；多目标规划函数如下：
式中是目标函数，a和b分别是目标函数与设计变量的数量，ylow和yup分别是设计变量的极限值；
将磨损率W,摩擦因数μ和厚度比hc/hs设为设计变量，且设计变量的约束条件如下：
S4：综合摩擦副的运动形式、磨屑调控运动速度以及寿命预测结果，确定表面结构的沟槽型微织构形态以及耐磨涂层的设计。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116677712A (zh) * | 2023-08-02 | 2023-09-01 | 吉林大学 | 一种仿贝壳条纹的表面织构脱钴金刚石止推轴承 |
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2023
- 2023-05-04 CN CN202310493235.8A patent/CN116484765A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN116677712A (zh) * | 2023-08-02 | 2023-09-01 | 吉林大学 | 一种仿贝壳条纹的表面织构脱钴金刚石止推轴承 |
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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