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| 內容簡介： |
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《双层织构化滑动轴承界面性能》综合应用摩擦学、表面工程、界面力学、声学及计算流体力学等多学科理论，系统阐述了双层织构化滑动轴承的润滑机理、摩擦学特性、流场噪声分析与试验方法，在此基础上进一步论述了典型壳壁结构滑动轴承应用实践，并深入探讨了其综合性能的提升与优化设计方法等。《双层织构化滑动轴承界面性能》共5章，主要内容包括：织构化滑动轴承基本概念，双层织构化滑动轴承的静态特性、动态特性和声学性能分析，以及双层织构化滑动轴承的摩擦学性能、声学性能和热特性等多目标的协同优化设计等。
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目录前言第1章 织构化滑动轴承概述 11.1 滑动轴承工作原理 11.2 表面织构起源 21.3 硅藻结构 51.4 硅藻培养 71.4.1 硅藻培养准备 71.4.2 硅藻培养装置与方法 101.4.3 圆筛藻图像采集 121.5 圆筛藻壳结构摩擦学性能 141.5.1 有限元模型 141.5.2 控制方程 151.5.3 孔径比影响 171.5.4 其他孔尺寸影响 201.6 圆筛藻壳结构声学性能 211.6.1 控制方程 221.6.2 孔深影响 241.6.3 孔径影响 261.6.4 孔距影响 281.7 双层织构化滑动轴承摩擦学性能 301.7.1 有限元模型 301.7.2 控制方程 321.7.3 织构间距影响 341.8 织构加工 401.9 试验验证 43参考文献 44第2章 双层织构化滑动轴承静态特性 472.1 控制方程 472.1.1 雷诺方程 472.1.2 膜厚方程 492.1.3 弹性变形方程 492.1.4 黏度密度方程 502.1.5 温度控制方程 502.1.6 受力方程 512.2 方程求解 522.2.1 方程无量纲化 522.2.2 方程离散 542.2.3 求解方法 582.3 结果验证 612.4 双层织构化滑动轴承温度场 632.4.1 织构布置位置影响 642.4.2 织构尺寸影响 662.4.3 织构周向跨度影响 682.5 双层织构化滑动轴承其他静态特性 692.5.1 织构布置位置影响 692.5.2 织构尺寸影响 732.5.3 织构周向跨度影响 79参考文献 82第3章 双层织构化滑动轴承动态特性 843.1 双层织构化轴承及轴承-转子系统物理模型 843.2 双层织构化轴承动态特性分析方程 853.2.1 雷诺方程 853.2.2 扰动压力方程 873.2.3 润滑膜动态特性方程 893.2.4 轴承-转子系统失稳速度方程 913.3 动态特性方程求解 923.3.1 无量纲化 923.3.2 方程离散 933.3.3 求解方法 953.4 模型验证 973.5 双层织构化滑动轴承动态特性分析 993.5.1 计入气穴和热作用结果对比 993.5.2 双层织构尺寸影响 1033.6 双层织构化滑动轴承动态特性试验 1083.6.1 试验设备及材料 1083.6.2 试验过程 1123.6.3 试验与仿真对比 115参考文献 117第4章 双层织构化滑动轴承声学性能 1194.1 物理模型 1194.1.1 几何模型 1194.1.2 边界条件 1204.1.3 网格灵敏度分析 1214.2 控制方程求解 1224.3 模型有效性验证 1244.4 织构化滑动轴承声学性能分析 1284.4.1 织构尺寸影响 1304.4.2 织构位置影响 1344.4.3 织构间隔角度影响 1364.4.4 润滑剂黏度影响 1384.5 织构化滑动轴承声学性能试验验证 141参考文献 145第5章 双层织构化滑动轴承性能提升 1475.1 双层织构化滑动轴承摩擦学综合性能智能优化 1475.1.1 优化方法 1475.1.2 协同优化思想 1485.1.3 轴承性能BP神经网络预测 1505.1.4 基于遗传算法的摩擦学性能优化 1565.1.5 优化方法准确性验证 1615.1.6 双层织构尺寸优化 1625.1.7 双层织构优化结果验证 1655.2 双层织构化滑动轴承摩擦学与声学性能协同优化 1685.2.1 线性回归理论 1685.2.2 双层织构化轴承摩擦学性能预测模型 1725.2.3 平均声功率级预测模型 1785.2.4 双层织构化轴承温升预测模型 1825.2.5 织构轴承摩擦学性能多目标优化 185参考文献 187
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第1章织构化滑动轴承概述 1.1滑动轴承工作原理 滑动轴承因具有承载能力强、结构简单及抗冲击能力强等优点，常应用于各种机械装置中，如汽轮机、内燃机和大型搅拌机等。滑动轴承主要由轴承套、润滑膜和轴颈三部分构成，其工作示意图如图1-1所示，其中O1、O2分别为轴承套和轴颈的几何中心，R1、R0分别为轴承套内、外表面半径，r为轴颈的半径。假设轴以转速n顺时针沿周向旋转，转轴在外载荷F作用下，轴颈偏斜形成偏心距e，其大小即距离，此时润滑剂从轴与轴承套间隙大端流入间隙小端，形成油楔，在流体润滑动压效应下油膜产生承载力以平衡载荷F。当此过程达到稳定状态时，会形成最大膜厚和*小膜厚，分别记为hmax和hmin。假设为最大油膜厚度处与外载荷的夹角(偏位角)，φ为以最大油膜厚度处为起始点的周向角度。在不考虑变形影响下，轴承的油膜厚度可表示为 (1-1) 式中，c表示轴承油膜间隙，定义为c=R1–r。 图1-1滑动轴承工作示意图 这种在轴与轴承套之间因流体动压效应形成的润滑膜，会起到承载、润滑及抗冲击等作用，因此滑动轴承油膜的润滑性能对轴承整体性能有至关重要的影响[1，2]。 随着使用环境的改变和对性能要求的提高，滑动轴承主要存在以下问题： (1)滑动轴承因工作条件恶劣(高低速、重载等)导致润滑条件恶化，进而出现烧瓦、磨损甚至疲劳断裂等失效现象。 (2)滑动轴承在使用过程中常因乏油、高速等工况而导致其振动噪声加剧。 (3)在高温、高速和振动等工况下，润滑剂会发生气化，使滑动轴承产生气蚀损害，导致轴承整体噪声水平增加。 (4)滑动轴承在以水作为润滑剂时，在使用过程中常出现承载力不足或摩擦力过大等现象。 1.2表面织构起源 1966年，Hamilton[3]*早提出“不规则表面润滑效应”，他发现滑动轴承不规则表面可改善其摩擦学性能，使轴承的油膜压力在不规则处上升，从而提高轴承承载力。之后，一些学者在此方面进行了大量的理论与试验研究，由此诞生了一种能有效改善摩擦副表面摩擦学性能的新方法——表面织构技术[4，5]。该方法人为地通过激光加工等手段，在摩擦副表面上加工出微小的凹坑，通过凹坑的储油和微润滑作用改善摩擦副的摩擦学性能。从1996年开始，Etsion等[6-8]将表面织构技术运用于机械密封上，发现合理布置表面织构能显著降低密封的摩擦力矩，这促进了表面织构的研究。 目前，随着微加工技术的发展，表面织构的应用范围越来越广泛。例如，已有研究表明，相较于光滑表面轴承(简称光滑轴承)，单层表面织构能提升轴承的综合性能，如增加承载力、降低摩擦力矩等[9-11]。 以矩形织构为例，在如图1-2所示的单层织构化滑动轴承示意图中，织构在宽为L的轴瓦内表面布置的起始角度为φs，织构沿轴承圆周方向的布置跨度为β，沿轴承宽度方向的布置跨度为Lw，织构沿轴承圆周方向及宽度方向的布置个数为Nx=Nz=4，如图1-3所示。将织构放置在相同大小的织构单元中，并且织构中心与织构单元中心On重合。织构单元的长度Lx=βR1/Nx，宽度Lz=Lw/Nz，单层织构的宽度和深度分别为L1和H1。 改变表面织构跨度布置、尺寸等，单层织构化轴承的摩擦学性能将得到改善，如提高轴承的承载能力(图1-4和图1-5)、减小轴承的摩擦力(图1-6和图1-7)等。以承载力为例，如图1-4所示，随着织构周向跨度的增加，单层织构化轴承的承载力均先增大后减小，织构布置的周向跨度βop≈52.5°时轴承的承载力最大，织构化轴承的承载力相较于光滑轴承提高了约2.3%。当织构的周向跨度过大时，部分织构会布置在轴承的*小间隙处，增加轴承的*小膜厚，使得润滑油的动压效应减弱，油膜压力降低，织构化轴承的承载力会低于光滑轴承。*优织构深度使双层织构化轴承的承载力*高的结论同样发现于文献[12]和[13]。 需要指出的是，单层织构虽能提高滑动轴承的承载能力，并降低轴承摩擦力，但因其结构较单一，形成的动压效应有限，在增加轴承承载力和减小轴承摩擦力方面能力有限。 1.3硅藻结构 硅藻(diatom)是一类分布极其广泛的浮游生物，被称为海洋的“草原”，它们完成了自然界中80%以上的光合作用，凡是有水的地方就有硅藻。硅藻是自然界中大约25%[14]以上的初级生产力来源，且广泛分布于全球海洋环境和淡水环境。据统计，目前世界上现存200多个属、超过105个硅藻物种[15]。 硅藻壳壁的基本成分是SiO2，它是自然界中大量存在的脆性材料。处于体相状态的SiO2，一旦初始裂纹扩展就很容易失效，但是*近的研究工作发现，这种低劣脆性材料所构成的硅藻壳壁因存在多孔洞排列表现出很好的力学特性。一个令人印象深刻的方面是，硅藻的多级孔结构不但能减轻硅藻重量便于其运动，而且具有高刚度、高弹性和高韧性。例如，F.kerguelensis硅藻具有22.4GPa的弹性模量，在失效前达到的最大拉伸应力和最大压缩应力分别约为0.6GPa和0.7GPa，显示出很高的极限拉伸和压缩强度[16]。圆筛藻*外层具有的*小硬度和弹性模量分别为(0.076±0.034)GPa和(3.40±1.35)GPa，而*内层的硬度和弹性模量最大可分别高达(0.53±0.13)GPa和(15.61±5.13)GPa[17，18]。Garcia等[19-21]研究发现，当组成硅藻壳壁孔洞结构的构架宽度为4nm时，硅藻壳的极限拉伸强度高达3GPa，拉伸应变可达70%，这与体相SiO2的脆性行为形成强烈对比。需要指出的是，藻壳的断裂韧性可达到1.2×109J/m3，可与之相比较的高性能工程非晶态体相材料的韧性一般仅在106J/m3量级。 除了硅材料的各向异性外，造成藻壳反常的力学性能的一个重要原因是硅藻壳壁的孔状结构[22]。尽管硅藻在几何结构上表现出了巨大的差异，但硅藻具有精细的纳米至微米级别的多级孔结构。随着纳米材料研究的不断深入，超精密仪器的出现实现了硅壳结构在纳米与微米尺度量级上的研究。人们发现，硅壳的三维结构呈现出精致的形态和结构，表现出高度的规律性，不仅带给人们视觉上的震撼，还因其构造绝妙而具有非常优异的性质。 例如，通过Zeiss Auriga双聚焦离子束(focused ion beam，FIB)场发射扫描双束电镜观察圆筛藻样品，获得圆筛藻周向和全貌电镜照片，如图1-8所示。图1-8(a)和(b)所示照片分别来自两个不同观察方向，它们的放大倍数分别为1260和1840，标尺注释尺寸分别为10μm和3μm。对应照片中圆筛藻的大小和比例尺，圆筛藻横向直径约为40μm，纵向厚度约为25μm。由图1-8(b)可以看出，圆筛藻呈圆盘状，其横向表面分布有孔状结构。 此外，Losic等[22]研究的典型圆筛藻具有特殊的多级孔层结构，这些孔由外到内依次为筛器、筛板和孔层，它们的直径由外到内依次增大，且孔形状多为六边形、正方形或圆形，孔直径由内到外依次为40nm、120nm、1100nm，各层孔的弹性模量分别约高达3.4GPa、1.7GPa、15.61GPa。Subhash等[23]采用纳米压痕仪测试了圆筛藻硅壳的硬度，发现其硬度高达0.12GPa。Hamm等[24]研究了硅藻壳的机械应力，发现其多级孔结构可承受的应力达到150～680N/mm2。 图1-9为圆筛藻壳的剖面电镜照片，放大倍数为8020，标尺注释尺寸为1μm。由图1-9可以看出，每一个六边形基本单元均包含**层的小孔和第二、三层的
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