水润滑轴承内表面仿生织构摩擦学机理研究

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随着仿生机械学的发展,把某些生物的优越表面结构与其良好的物理特性相结合,从而得到性能与该类生物类似或更好的机械表面结构已成为可能。研究表明,自然界中多种植物的表面具有良好的亲水性或疏水性,能够对水分有较好的吸附或疏散作用。而产生这些性能的原因很大程度归因于织物表面微观形貌的特征。为此,本课题提出在水润滑轴承内表面进行仿生织构,以改善其润湿性,进而改善其润滑效果、降低摩擦系数、提高承载能力的设想,开展基于仿生织构的水润滑轴承摩擦学改性方法、理论与技术研究。本文的研究工作和主要内容包括:  (1)以某些植物叶片为研究对象,采用接触角表征叶片的润湿性,利用分形维数表征其表面形貌。利用SEM进行表面形貌观察分析,同时利用自行研发的表面重构及分形维数计算软件对表面进行定性定量分析。结合植物试样SEM形貌图,分析表面形貌对润湿性的影响,并分析表面织构、润湿性及分形维数间的关系。研究发现所选植物表面具有明显的自相似特性,可以利用分形维数表征,且表面分形维数与接触角呈正相关,即分形维数越小,接触角越小,润湿性越好,反之亦然。  (2)考虑两向异性,利用W-M函数模拟具有分形特征的水润滑轴承表面织构,将模拟的粗糙表面应用到经典的雷诺方程中,研究表面形貌对轴承承载能力和摩擦性能的影响,分析表面分形维数与处在弹流润滑状态的水润滑轴承摩擦学性能之间的关系。  (3)选用水润滑轴承通用的赛龙材料,根据观察的植物表面织构,利用激光打标机进行表面仿生织构加工,并进行加工后试样表面接触角和分形维数的测量分析。结果表明:仿生织构可改变轴承表面的润湿性。织构后表面的润湿性及其分形维数的关系与前述对植物表面织构研究结果具有一致性。同时,织构尺寸、间距对表面润湿性和分形维数影响较明显,深度影响较弱。  (4)利用Plint TE-92微机控制旋转式摩擦试验机进行不同表面织构摩擦学性能实验。分析发现,织构能够改善表面的摩擦学性能,且孔径、间距、深度等织构都对水润滑摩擦副的的摩擦学性能有显著影响。
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