高副表面微织构的润滑机理和减摩设计方法研究

表面微织构和纹理化被认为是一种非常有前途的有效改进零件摩擦学性能的手段，近年受到广泛关注。本申请项目旨在研究高副接触表面微织构的润滑、减摩机理及相关的基础问题，着重进行以下研究：（1）在全润滑域进行微织构表面实验研究，探索其对润滑、摩擦的影响规律；（2）构建多因素耦合的润滑接触摩擦模型，探索其高效高精度的数值求解算法；发展全润滑域的摩擦力统一预测模型；揭示润滑区内表面微特征间气穴效应对润滑摩擦性能的影响规律和机理。（3）基于实验研究和理论模型在全润滑域内揭示微织构表面的润滑、摩擦机理，进而阐明表面微织构和纹理的减摩机制；（4）建立微织构表面的全润滑域减摩设计方法。研究成果将为微织构表面的优化设计和应用提供理论基础，并满足制造业对减摩技术的需求，例如为提高能源利用效率，设计节能机械等提供有效的技术和方法。

能源紧缺和日益枯竭已成为全球性的危机，通过减小摩擦实现节能成为摩擦学界面临的重要任务。表面微织构被认为是一种非常有前途的有效改进零件摩擦学性能的手段受到越来越多的关注。目前表面微织构的研究主要以机械密封等低接触压力副为主要研究对象，针对点线接触等高副研究相对较少。本项目主要针对滚动轴承和齿轮副等典型高压力接触副开展表面微织构的润滑机理和减摩设计方法研究。通过本项目的研究，首次建立了考虑供油量和接触区气穴效应的多因素耦合润滑接触分析模型，模型可较全面的研究不同因素包括表面粗糙度、表面织构、供油条件以及接触区局部气穴效应等对摩擦副润滑性能的影响规律，揭示其内在机理。在采用实验标定润滑剂流变参数的基础上，基于建立的多因素耦合润滑接触分析模型，系统研究了不同供油条件下不同形式的表面微织构对润滑接触性能影响的机理，探索了实现减摩效果的最优微织构分布和形状。数值模拟和实验研究结果表明：（1）入口供油层厚度显著影响接触区油膜膜厚，随入口油层厚度减小，接触区油膜厚度显著减小，压力接近Hertz压力分布；入口供油量存在优化值；（2）接触区入口供油条件显著影响润滑接触性能，入口供油层的变化将导致接触区膜厚和压力的显著波动；（3）表面微织构可以改善接触区内的润滑性能，但在稳态工况和瞬态工况下呈现不同的规律。稳态时，供油越充分，越能发挥微织构改善润滑的优势。而瞬态时，乏油程度越严重，表面微织构改善润滑的能力越大；（4）微织构导致接触副摩擦系数产生周期波动，高副接触下微织构的减摩机理主要是在接触区形成了局部膜厚增大区，局部膜厚增大区主要是润滑油的卷吸和压力流动的联合作用所形成，而微织构作为储油池在接触区的挤压变形在一定程度上也有贡献。（5）微织构结构参数显著影响减摩效果，对于三角形和矩形等形状的微织构，其优化的深度和面积比分别为10~15μm、10%左右，较大的微坑效果较好；（6）存在优化的微织构分布，对于矩形微织构，最优分布为垂直于运动方向的宽度接近Hertz接触直径，而横向宽度和间隙比接近黄金分割比例。本项目发展的考虑供油条件和局部气穴等因素的润滑分析模型为高副接触润滑机理和性能的分析提供了有力的工具，而微织构减摩效应的系统研究则为该类研究提供了基础分析实验数据，有助于对表面微织构减摩机理的深入理解。