类鲨鱼皮织构的制备及其减摩性能研究

摘要

随着经济快速的发展，生产中的高效、节能变得尤为重要。在机械设备中普遍存在的摩擦、磨损和润滑等问题也倍受人们的关注。研究表明：仿生织构表面在降低摩擦、减小磨损、改善润滑和减小流体阻力等方面具有良好的效果。因此仿生织构表面受到人们的重视，并在船舶和航空飞机中得到很好的应用。同时也在以一种潜移默化的方式，在逐渐的影响机械行业。本文从鲨鱼皮表面的真实结构出发，构建与其有相同规律的沟槽模型。通过实验的方法获得不同载荷、不同的织构角度和不同的润滑条件下，凸起型类鲨鱼皮织构对材料表面摩擦磨损性能的影响。并分析了其减摩机理，为仿生织构在机械中的应用提供依据。 本文从鲨鱼皮肋条的减摩机理出发，首先，介绍了盾鳞的肋条结构，并分析了在流体中肋条的减摩机理。其次，根据鲨鱼皮表面真实的盾鳞结构为原型进行简化和拟合重构，建立类鲨鱼皮凸起型沟槽模型。原始织构尺寸宽为60μm，高为1μm（后面称为微米级别织构），经过放大40倍（称为毫米级别的织构）之后，利用传统的加工工艺--数控雕铣床对45钢材料表面加工出类鲨鱼皮沟槽。之后用实验的手段在MM-P2摩擦磨损试验机上研究其在线面接触时的减摩性能，从而得到实验结论： （1）在200N载荷，边界润滑时，90°织构面和未织构面两者的摩擦系数的平均值分别为0.9021和0.997。与未织构面相比织构面的平均摩擦系数减小了9.52%；0°织构面摩擦系数的平均值为0.824。与未织构面相比织构面的平均摩擦系数减小了17.35%；但织构角度为0°时，织构面的摩擦系数上下变动幅度比较大。 （2）在200N载荷，混合润滑时，90°织构面和未织构面两者的平均摩擦系数分别为0.8052和0.9053。与未织构面相比织构面的平均摩擦系数减小了11.06%；0°织构面的平均摩擦系数分别为0.8007。与未织构面相比织构面的平均摩擦系数减小了11.55%。但织构角度为0°时，织构面的摩擦系数的上下变动幅度比较大。 （3）混合润滑时，90°织构面，在100N和300N载荷下的平均摩擦系数为1.2828和0.5687，相比同等实验条件下的未织构面分别减小16.62%和4.8%，都具有一定的减摩效果。且随着载荷力的增大，材料表面的平均摩擦系数降低。 最后，根据相似理论，用因次分析法推导出，混合润滑条件下，仿生织构表面在摩擦磨损实验中的相似准则，并进行了简化得到相应的相似准则关系式。使织构表面在摩擦磨损中进行相似推广。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 表面织构在国内外的研究现状

1.2 国内外仿生织构的研究现状

1.3 国内外表面织构制备工艺的研究现状

1.4国内外织构表面减摩机理的研究现状

1.5 研究来源和意义

1.6 研究内容

第二章 鲨鱼皮表面形貌表征及其减摩机理

2.1 鲨鱼盾鳞的组织结构

2.2 鲨鱼皮盾鳞的功能

2.3 盾鳞肋条的减阻机理

2.4 本章小结

第三章 机械零件表面鲨鱼皮织构的制备

3.1 引言

3.2鲨鱼皮盾鳞肋条曲线的模拟与模型重构

3.3数控雕铣床织构加工编程

3.4设备的介绍

3.5加工工艺

3.6本章小结

第四章 鲨鱼皮织构的减摩试验研究

4.1 引言

4.2摩擦磨损试验方案的设计

4.3摩擦磨损试验结果分析

4.4 减摩的机理分析

4.5本章小结

第五章 相似原理在摩擦因数方面的应用

5.1 相似理论基本概念

5.2相似准则推导

5.3 相似准则的简化

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文主要工作和结论

6.2 展望

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间的研究成果