高端轴承微织构表面润滑膜转移弥散机理与摩擦学设计

High performance bearings are necessary for the development of important equipments,such as aircrafts and spacecrafts, nuclear power, high speed railway,etc.Recently，research on the theory and application of self-lubrication performance of the micro-texturing surface has received considerable attention in tribology fields. A integrated method of solid lubrication and surface texturing is proposed to meet the demands of the high performance bearing.Main science problems about micro-texturing surface self-lubrication are researched intensively, such as coordination effect of various lubrication materials, mechanism of the molding and adhesion,micro-scale dispersion effect of the lubrication film, physical and chemical process of the lubrication film , tribological behavior, contact friction model and tribological properties .The design rules of self-lubrication material and quality indexes of the molding and adhesion are proposed.The basic database of the tribological properties about self-lubrication micro-texturing surface is established. A regressive analyses model is established to describe the relationship between friction coefficient /wear ratio and the main parameters.The dynamic change process of tribology station is discussed.The behavior of the interfacelubrication materials and failure mechanism is described. The friction and wear mechanism is also discussed considering the coupling effect of the multi-factors,such as force-thermal-lubrication materials- microtexture. The friction model of the self-lubrication micro-texturing surface is established based on the Fractal Theory. Tribological active design and manufacturing of the bearing self-lubrication micro-texturing surface is realized.This research is very important for the development of the theory and application of the Texturing Surface Tribology.

航空、航天、核电及高速轨道交通等领域对高端轴承需求日趋迫切，而表面微织构固体润滑理论与应用研究也正成为国内外摩擦学研究热点之一。本项目针对高端轴承的应用需求，提出运用固体润滑与表面微织构集成的方法，围绕微织构表面润滑剂多组元协同效应与成型粘结机理、润滑膜微尺度弥散效应、润滑膜摩擦物理化学过程、摩擦学行为特征、接触摩擦模型等科学问题开展系统研究。确立微织构表面自润滑材料的设计原则和成型粘结质量指标体系。并结合系统摩擦学试验，构建自润滑微织构表面摩擦学性能基础数据库。建立摩擦系数、磨损率与主要参数关系的回归分析模型。研究摩擦过程中摩擦状态动态演化机制，揭示接触界面间润滑材料的行为和失效规律，探寻"力－热－润滑介质－微织构"多因素耦合作用下摩擦磨损机理。以表面分形理论为基础，建立微织构表面摩擦模型。实现轴承微织构表面摩擦学主动设计制造，对于推动织构表面摩擦学理论研究和工程应用都具有重要意义。

目前对高端轴承需求日趋迫切，而表面微织构固体润滑理论与应用研究也正成为国内外摩擦学研究热点之一。本项目运用固体润滑与表面微织构集成创新的方法，围绕微织构表面润滑剂协同效应与成型粘结机理、润滑膜弥散效应和摩擦物理化学过程、摩擦学行为、摩擦模型等科学问题开展系统研究。. 通过激光SPI加工技术和辅助涂层优化，实现了微织构优质、高效加工； 通过润滑剂配方正交试验，获得的优化配方为Gr：MoS2：PI：CNTs=4:1:0.5:0.4；通过摩擦系数非线性回归分析, 得到摩擦系数回归方程；提出了一种润滑剂保温热压固化填充方法；建立了织构表面等效弹性模量计算公式，推导出临界弹性接触面积和临界塑性接触面积计算公式，建立了微织构自润滑表面摩擦模型；常温固体润滑研究表明：在滑动状态下，织构密度为42%时，摩擦系数最小，磨损最轻。摩擦系数随转速增大先减小后增大，随载荷和凹坑直径增大均呈减小趋势。在滚动状态下，当PI含量为20%时，摩擦系数最小。随着载荷和转速的增大摩擦系数均呈减小趋势；常温脂润滑研究表明：在织构密度为15%，凹坑深度为19μm时，摩擦系数最小。摩擦系数随载荷的增大而减小，随速度增大先升高后降低；固-脂润滑研究表明：织构密度为30%的表面，其摩擦系数最小。 随着载荷增加，摩擦系数呈下降趋势；高温润滑研究表明：当织构密度为46%时，摩擦系数最小。填充含6wt%碳纳米管复合润滑剂的试样摩擦系数最小，且比无碳纳米管的要降低约37%；提出了微织构滑动表面润滑膜“热膨胀—剪切—吸附—弥散—平衡”ESADB自润滑机制和微织构滚动表面 “吸附—挤推—堆积—弥散—平衡”AEADB自润滑机制；采用分区加工工艺，实现关节轴承球面激光微织构加工。经台架试验，自润滑微织构表面磨痕较轻，保持光亮，粗糙度Ra0.33μm。试验前后轴承径向游隙变化仅为0.01~0.02 mm。表明通过微织构嵌填自润滑处理，可实现固-脂复合润滑，有效减轻轴承磨损。. 本项目研究成果对于实现高端轴承微织构表面摩擦学主动设计制造，推动织构表面摩擦学理论研究和相关工程应用都具有重要意义。