20161105仿生表面织构及其在油气装备中的应用
不同粗糙度条件下硅橡胶表面织构润滑特性的研究
不同粗糙度条件下硅橡胶表面织构润滑特性的研究马国亮;姜亮;黄巍;王晓雷【期刊名称】《西安交通大学学报》【年(卷),期】2010(044)009【摘要】为了研究表面织构在不同粗糙度条件下的润滑特性,使用球-盘式摩擦实验机,以具有不同粗糙度和表面织构的硅橡胶(PDMS)试样盘为下试样、GCr15轴承钢球为上试样进行摩擦实验,润滑液采用体积分数为60%的甘油-水溶液.实验结果表明,在较低的滑行速度下,表面织构会增大光滑PDMS试样的摩擦因数,但却降低粗糙PDMS试样的摩擦因数.当摩擦副处于混合润滑状态时,试样表面粗糙度有一个最优值范围,在该范围内织构化的试样具有最优的摩擦性能,如在滑行速度为1 mm/s、织构面积率为10.4%的情况下,粗糙度为230 nm的试样比粗糙度为20、280和360 nm的试样具有更低的摩擦因数.【总页数】6页(P87-92)【作者】马国亮;姜亮;黄巍;王晓雷【作者单位】南京航空航天大学江苏省精密与微细制造技术重点实验室,210016,南京;南京航空航天大学江苏省精密与微细制造技术重点实验室,210016,南京;南京航空航天大学江苏省精密与微细制造技术重点实验室,210016,南京;南京航空航天大学江苏省精密与微细制造技术重点实验室,210016,南京【正文语种】中文【中图分类】TH117.2【相关文献】1.表面织构化的平行滑块润滑特性研究 [J], 朱侃;金健;孙捷杰2.面接触摩擦副织构化表面润滑特性优化研究 [J], 陈杰;张君松;丁行武;李丹;孙大朋3.面接触摩擦副织构化表面润滑特性优化研究 [J], 陈杰;张君松;丁行武;李丹;孙大朋;4.表面织构活塞环与CuO纳米润滑油协同润滑特性数值研究 [J], 朱世新;叶晓明;姜羽泽;徐继旺;聂富成5.激光表面织构机械密封润滑特性的试验研究 [J], 纪敬虎;符永宏;魏龙;华希俊;毕勤胜因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
表面织构润滑减摩的国内外研究现状及进展
第50卷第12期表面技术2021年12月SURFACE TECHNOLOGY·217·表面织构润滑减摩的国内外研究现状及进展黄云磊，钟林，王国荣，魏刚，彭事超（西南石油大学，成都 610500）摘要：表面织构是源自于自然界生物非光滑表面的微纳米结构，这些微观结构使得生物在进化过程中呈现出优异的自润滑和抗磨减摩性能。
国内外研究也一致表明，表面织构是改善表界面摩擦学特性的一种有效手段，可使材料表面实现自润滑效果，并且能够减少摩擦磨损带来的机械设备提前失效和能源耗损。
从表面织构的形态特征及其作用机制出发，对近年来表面织构在润滑减摩方面的国内外研究现状及进展进行调研分析。
讨论了表面织构形状（规则织构、不规则织构等）、织构分布形式（全织构分布、部分织构分布等）、织构几何参数（深度、面积比、深径比等）、工况参数（载荷、速度等）等因素，对织构化表面润滑减摩性能的影响，同时总结了表面织构润滑减摩作用机制研究中面临的难题。
提出未来应重点开展极端工况、混合润滑状态下多类型复合织构的润滑减摩作用机制，考虑动态磨损的表面粗糙度与织构协同作用润滑减摩规律和仿生微织构与涂层耦合作用下抗磨性能等方面的研究，从而进一步推动表面织构在润滑减摩领域的工程应用。
关键词：表面织构；摩擦；润滑；减摩；表面粗糙度；涂层中图分类号：TH117 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2021)12-0217-16DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2021.12.022Research Status and Progress of Surface TextureLubrication and Friction ReductionHUANG Yun-lei, ZHONG Lin, WANG Guo-rong, WEI Gang, PENG Shi-chao(Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China)ABSTRACT: Surface texture is a kind of micro-nano structure derived from the non-smooth surface of natural organisms.These microstructures enable organisms to exhibit excellent self-lubricating, anti-wear and friction reduction properties during the evolution process. The studies at home and abroad have also consistently shown that surface texture is an effective means to improve the tribological performance of the surface, which can realize the self-lubricating effect of the material surface and reduce the premature failure of mechanical equipment and the energy consumption caused by friction and wear. In this paper, from the perspective of the morphological characteristics of surface texture and its mechanism of action, the research status and收稿日期：2020-11-29；修订日期：2021-06-01Received：2020-11-29；Revised：2021-06-01基金项目：国家重点研发计划（2018YFC0310201，2019YFC0312305）；国家自然科学基金面上项目（51775463）；国际合作项目（2019-GH02- 00055-HZ）；省级大学生创新创业训练项目（S202010615075）Fund：National Key R&D Program of China (2018YFC0310201, 2019YFC0312305); General Program of the National Natural Science Foundation of China (51775463); International Cooperation Projects (2019-GH02- 00055-HZ); College Students' Innovative Entrepreneurial Training Plan Program (S202010615075)通讯作者：钟林（1985—），男，博士，实验师，主要研究方向为油气装备的仿生摩擦学。
表面织构与DLC涂层复合处理影响材料摩擦特性的研究进展
表面织构与DLC涂层复合处理影响材料摩擦特性的研究进展袁浩恩;吴继忠;王海军;陈文刚;程家豪;郭思良;周意昊;魏北朝;罗海【期刊名称】《功能材料》【年(卷),期】2024(55)2【摘要】近些年来表面织构化与表面涂覆技术在提高摩擦学性能方面取得了良好的进展,有越来越多的研究将表面织构技术与涂覆技术进行融合,发现在适当的外界环境下合适的织构化参数与DLC涂层复合处理后显现出优异的摩擦学特性,两者间做到了1+1大于2的效果。
表面织构化已经广泛的应用在改善材料摩擦性能等方面,然而其在干摩擦条件下可能并不能起到很好的润滑效果。
DLC涂层被世间公认为是有效的固体润滑剂,它具有良好的减摩、抗磨性,但涂层却有着吸附力差的缺点,表面织构可以增大涂层与基材之间的有效结合强度,增加表面的腐蚀能力,进而可以提高涂层的摩擦学性能、腐蚀性能、生物相容性。
织构化与DLC涂层的结合可以在航空、汽车、机械等领域得到广泛应用,进而提高产品的性能和可靠性。
主要介绍表面织构化与DLC涂层复合改性处理后材料的摩擦磨损特性。
并从织构的几何参数、实验条件、接触方式、摄入元素、涂层厚度以及仿真分析等几方面进行阐述。
为帮助后续的研究方向提供参考。
最后对织构与涂层复合改性方面的发展趋势进行展望。
【总页数】14页(P2091-2104)【作者】袁浩恩;吴继忠;王海军;陈文刚;程家豪;郭思良;周意昊;魏北朝;罗海【作者单位】西南林业大学机械与交通学院;攀枝花学院智能制造学院【正文语种】中文【中图分类】TH117.1【相关文献】1.DLC薄膜微织构表面对干气密封环摩擦性能的影响2.表面织构化DLC涂层在脂润滑下的摩擦学性能研究3.石墨烯/铜基复合材料织构表面的摩擦特性4.表面微织构复合固体润滑材料的摩擦学性能研究进展因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
表面织构对动压润滑的局部效应影响研究
表面织构对动压润滑的局部效应影响研究
袁春宇;孙浩洋
【期刊名称】《青岛大学学报（工程技术版）》
【年(卷),期】2024(39)1
【摘要】在面接触副表面织构的研究中,需设置足够的节点密度以准确描述微织构的几何特征,当织构的几何尺度远小于面接触计算域时,节点数量过多给润滑全域的计算带来困难。
为此提出了一种选取织构微单元近似求解的方法,在有限的节点数量下研究了微织构的局部润滑效应,算例表明:与无织构表面相比,凸起织构表面使膜厚减小,承载量增大10.8%;凹陷织构表面使膜厚增大,承载量减小18.5%。
承载量随凹陷深度的增加而减小,随凸起高度的增加而增大,凹陷几何形状对承载量的影响不显著。
在面积比相同条件下,圆形、方形复合织构和圆形凸起与圆形凹陷复合织构的承载量可大于单一织构的承载量。
【总页数】7页(P37-43)
【作者】袁春宇;孙浩洋
【作者单位】青岛大学机电工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TH117.2
【相关文献】
1.基于流体动压润滑效应的人工髋关节材料表面织构优化研究∗
2.表面织构分布参数对流体动压润滑的影响及其数值优化
3.非对称表面织构表征及动压润滑效应分析
4.表面织构对磁性液体动压润滑性能的影响
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基于摩擦学的表面织构技术应用研究进展_王素华
基于摩擦学的表面织构技术应用研究进展王素华,吴新跃海军工程大学摘要:表面织构是在摩擦面上加工出具有一定尺寸和排列的凹坑或微小沟槽的点阵,可有效改善表面摩擦学性能。
本文介绍了表面织构的几何参数和加工方法,总结了表面织构技术在机械部件、材料加工、磁存储设备、摩擦制动等方面的研究进展,展望了未来表面织构技术可能的发展方向。
关键词:表面织构技术;摩擦学性能;应用中图分类号:TG174.4;TH117文献标志码:AResearch on Applications of Surface Texturing Based on TribologyWang Suhua,Wu XinyueAbstract:Surface texturing has generate controlled opti mal shapes and locations of micro-dimples,that could i mprove the overall tri bological performance.The geometrical parameters and techniques of surface texture were introduced.The applications of surface texturin g like mechanical parts,material processi ng,magnetic storage and friction braking were reviewed.Some potential researches on surface texturing were put forward.Keywords:surface texturing;triblogical properties;application1引言摩擦磨损是工业设备失效的主要原因之一,据统计大约有80%的零件损坏是由于各种形式的磨损引起,磨损不仅消耗能源和材料,而且加速设备报废、导致频繁更换零件,对经济造成极大的损失[1]。
激光表面织构在摩擦学中的应用
激光表面织构在摩擦学中的应用
刘明朗;黄仲佳
【期刊名称】《材料保护》
【年(卷),期】2012(45)5
【摘要】主要介绍了国内外激光表面织构在摩擦学领域的研究和应用现状,指出在摩擦表面制备适当参数的激光表面织构,可以降低摩擦系数、减少磨损及提高承载力等,最后指出了需要深入研究的2条要点。
【总页数】3页(P48-50)
【关键词】表面技术;激光织构;摩擦学
【作者】刘明朗;黄仲佳
【作者单位】安徽工程大学安徽省高性能有色金属材料重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TG172.2
【相关文献】
1.激光表面织构化对材料摩擦学性能影响的研究进展 [J], 郑晓辉;宋皓;张庆;叶雄;孟令东;谭俊
2.45钢的黏结型激光微织构表面摩擦学性能及固体润滑机理分析 [J], 华希俊;王蓉;周万;刘凯;符永宏;纪敬虎
3.激光微织构固体润滑表面高温摩擦学性能研究 [J], 华希俊;孙建国;张培耘;丁积霖;郝静文;刘凯
4.纳米烟炱颗粒作为添加剂在激光刻蚀织构表面的摩擦学性能 [J], 张祖川;蔡振兵;
咼盟飞;李正阳;朱旻昊
5.激光表面织构微坑形貌及面积占有率对氮化气缸套摩擦学性能的影响 [J], 徐阳阳;韩晓光;徐久军;单英春;陈玉珍;黄若轩
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抽油泵柱塞仿生六边形织构表面摩擦和润滑性能研究
抽油泵柱塞仿生六边形织构表面摩擦和润滑性能研究石油作为一种不可再生的自然资源,具有重要的经济价值和战略意义。
当前石油开采方式以机械采油为主,而有杆抽油泵仍是我国主要的机械采油工具,其中抽油泵柱塞是有杆抽油泵总成的核心零件。
而柱塞运动过程当中的摩擦阻力,在多种环境因素作用下,将引起柱塞表面磨损失效,影响油田产量及经济效益。
如何延长柱塞的使用寿命,提高抽油泵的工作效率仍是机械采油急需解决的主要问题之一。
为适应沙漠中长时间受沙粒磨损的生活环境,东方沙蚺进化出具有优异摩擦学性能的体表鳞片。
研究东方沙蚺体表鳞片减阻耐磨生物机理可为减阻耐磨抽油泵柱塞表面的设计提供仿生学依据。
本文针对抽油泵柱塞运动过程中存在摩擦阻力大且表面磨损严重的问题,以东方沙蚺为生物模本,研究了东方沙蚺体表鳞片减阻和耐磨原理,借鉴六边形鳞片形貌特征,开展了仿生六边形织构表面摩擦和润滑性能研究。
本文使用显微镜、仿真模拟、纳米压痕仪和纳米摩擦仪,对宏观及微观尺度下的东方沙蚺体表鳞片表面形貌特征及材料力学性能进行了测试与分析,探讨了东方沙蚺体表鳞片减阻耐磨生物机理。
结果表明,东方沙蚺体表由六边形鳞片织构所覆盖,单个鳞片表面具有微米级鳞片和纳米级凹坑的非光滑复合结构,鳞片内部为弹性模量/硬度连续变化的梯度材料且具有摩擦各向异性特点。
相比背部和侧部鳞片,腹部鳞片具有较低的表面粗糙度和较高的弹性模量/硬度及较大的摩擦系数。
分析表明,蛇体表鳞片复合形貌特征与梯度材料之间的耦合作用具有提高鳞片表面减阻耐磨性能的作用。
本文借鉴鳞片六边形织构形貌特征及梯度材料,利用激光淬火技术,设计并制备出多元耦合仿生试样,探究了耦合仿生效应对试样表面干摩擦性能的影响。
结果表明,多元耦合仿生试样表面的沟槽具有减小接触面积、分散表面应力、存储磨屑、降低二次磨损的作用。
而且试样表层硬度梯度可缓解摩擦过程中对试样的应力冲击,在实现稳定运动的同时,能够减少表面材料的剥落,从而更有效地降低试样表面磨损,进而揭示了耦合仿生减阻耐磨机理。
织构化表面改性及其在生物材料上的应用
织构化表面改性及其在生物材料上的应用秦立果;杨浩;刘斌;张辉;冯新安;张雅利;董光能【期刊名称】《表面技术》【年(卷),期】2018(47)9【摘要】表面织构化(Surface texturing)改性是指根据材料属性选择合适的加工手段,在相对运动的摩擦副表面引入具备特定形状、尺寸、分布和排列的微观结构阵列,从而实现摩擦副摩擦学性能的调控。
随着生物材料的迅速发展,生物界面的摩擦学问题是制约其服役安全与寿命的关键因素。
表面改性(如合理的表面织构化设计)因强大的润滑优化功能,由此受到科研工作者的广泛关注。
在生物材料服役寿命需求日益增加的背景下,首先分析和总结了典型生物材料产品——人工关节在人体服役过程中的失效原因,并将其分为了摩擦学和生物学问题,由此提出了通过表面织构化技术改进人工关节材料的耐磨性和增强其生物相容性,最终达到实现长寿命人工关节服役的目的。
详细地论述了近年来表面织构在生物材料上的研究进展,分析了表面织构化参数,如形状、尺寸及排布等对摩擦学性能的影响,考察了不同织构对摩擦副在不同运动工况下承载力及耐磨性的影响,阐述了表面织构的减摩耐磨机理。
最后讨论了表面织构对细胞接触引导生长的调控,如对细胞的粘附状态、形态、增殖和分化能力的影响,尽管利于细胞生长的尺寸小于润滑优化的尺寸,但通过多层次或复合设计可望实现生物相容性与摩擦学性能改善相兼具的目标。
最后在现有人工关节材料表面改性的研究基础上,对延长人工关节服役寿命的研究方向、发展趋势和应用领域进行了展望。
【总页数】11页(P1-11)【关键词】生物材料;表面织构化;摩擦;磨损;接触引导;生物相容性【作者】秦立果;杨浩;刘斌;张辉;冯新安;张雅利;董光能【作者单位】西安交通大学设计科学与基础部件研究所;西安交通大学现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室;西安交通大学机器人与智能系统研究所;西安交通大学生物医学信息教育部重点实验室【正文语种】中文【中图分类】TH117【相关文献】1.激光表面织构化对材料摩擦学性能影响的研究进展 [J], 郑晓辉;宋皓;张庆;叶雄;孟令东;谭俊2.用于心血管医疗装置的聚合物材料表面构建与生物相容性评价：聚合物生物材料表面的内皮细胞组织工程化改性 [J], 陈宝林;王东安;;3.用于心血管医疗装置的聚合物材料表面构建与生物相容性评价：聚合物生物材料表面的内皮细胞组织工程化改性 [J], 陈宝林;王东安4.织构化聚氨酯改性石墨烯复合防腐材料的制备 [J], 陈浩;余兴建5.柔性表面织构化在海洋装备减阻与防污上的应用 [J], 秦立果;杨浩;董光能;张雅利因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
仿生非光滑理论在钻探(井)工程中的应用与前景分析
仿生非光滑理论在钻探(井)工程中的应用与前景分析仲崇梅;孙友宏;徐良;高科;任露泉【摘要】介绍了仿生工程学研究领域的重大发现,即自然界中,无论是陆地、海洋还是天空中的生物,为适应不同的生活环境需要进化而成的表面,都是非光滑表面,该非光滑表面具有减粘、脱附、减阻的特性.实践证明,有规律的非光滑表面还具有耐磨特性,用在发动机活塞表面和轧辊表面均能大幅度提高使用寿命.将仿生非光滑特性应用到金刚石钻头的设计上,研制出了JBD-75S仿生非光滑绳索取心金刚石钻头.现场试验证明,在同样的加工工艺和使用条件下,有规律的仿生非光滑表面金刚石钻头比普通金刚石钻头机械钻速提高47%～83%,钻头寿命提高2.43～2.61倍.【期刊名称】《石油钻探技术》【年(卷),期】2009(037)002【总页数】4页(P22-25)【关键词】仿生学;非光滑理论;金刚石钻头;机械钻速【作者】仲崇梅;孙友宏;徐良;高科;任露泉【作者单位】长春工程学院,土木学院,吉林,长春,130012;吉林大学,建设工程学院,吉林,长春,130026;吉林大学,建设工程学院,吉林,长春,130026;吉林大学,建设工程学院,吉林,长春,130026;吉林大学,建设工程学院,吉林,长春,130026;中原石油勘探局,钻井工程技术研究院,河南,濮阳,457001;吉林大学,地面机械仿生技术教育部重点实验室,吉林,长春,130022【正文语种】中文【中图分类】P634.4当前，随着人类对油气资源需求量的不断增大，勘探工作量不断增加，而油气资源越来越少，勘探开发的难度越来越大，钻孔越来越深，钻进地层越来越复杂，对钻具的要求也越来越高。
就目前的钻井施工而言，提高钻具的性能(包括钻头的寿命、钻杆和套管的强度和耐磨性等)，将会大大降低钻井成本。
仿生学是生物科学与技术科学之间发展起来的一门新兴边缘学科。
将仿生学技术引用到钻井工程中，特别是将生物表面非光滑理论引用到破碎岩石的钻头中，将为钻井工程技术的发展提供创新的源泉。
轴向柱塞泵柱塞副的摩擦学特性及其表面织构化研究进展
第54卷 第4期2023年7月太原理工大学学报J O U R N A L O F T A I Y U A N U N I V E R S I T Y O F T E C HN O L O G YV o l .54N o .4 J u l .2023引文格式:林乃明,王杰,王强,等.轴向柱塞泵柱塞副的摩擦学特性及其表面织构化研究进展[J ].太原理工大学学报,2023,54(4):585-598.L I N N a i m i n g ,WA N G J i e ,WA N G Q i a n g ,e t a l .P r o g r e s s o n t r i b o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s a n d s u r f a c e t e x t u r i n g of p l u ng e r p a i r s i n a x i a l p i s t o n p u m p [J ].J o u r n a l o f T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e ch n o l o g y,2023,54(4):585-598.收稿日期:2022-08-29;修回日期:2023-04-18基金项目:国家自然科学基金资助项目(51501125);山西省应用基础研究计划项目(201901D 111063);山西省回国留学人员科研资助项目(2020-035) 第一作者:林乃明(1981-),博士,副教授,主要从事金属材料表面改性的研究,(E -m a i l )l n m l z 33@126.c o m通信作者:吴玉程(1962-),博士,教授,主要从事能源材料㊁表面工程等的研究,(E -m a i l )w y c @t yu t .e d u .c n 轴向柱塞泵柱塞副的摩擦学特性及其表面织构化研究进展林乃明1,王 杰1,王 强1,王焕焕1,袁 烁1,刘志奇2,曾群锋3,吴玉程4(1.太原理工大学材料科学与工程学院,太原030024;2.太原科技大学机械工程学院,太原030024;3.西安交通大学现代设计及转子轴承系统教育部实验室,西安710049;4.合肥工业大学有色金属与加工国家地方联合工程研究中心,合肥230009)摘 要:ʌ目的ɔ为提升柱塞泵的性能㊁寿命与安全运行提供参考㊂ʌ方法ɔ从理论计算及仿真的角度综述了柱塞副的油膜特性,针对其厚度场㊁压力场和温度场进行了分析,概述了柱塞副的摩擦学特性㊁润滑介质和匹配材料对其摩擦学行为的影响,列举了具有更低磨损率的柱塞副匹配材料,阐述了表面织构的润滑减摩机理及表面织构的形状㊁面积率和尺寸及分布方式等因素对柱塞副摩擦学性能的影响㊂ʌ结论ɔ轴向柱塞泵是液压装备的核心元件,被称作液压系统的 心脏 ㊂柱塞泵关键摩擦副服役状态下的磨损严重威胁着装备的可靠运行和长寿命服役安全,更是制约柱塞泵发展和应用的技术瓶颈㊂柱塞副是轴向柱塞泵中数量最多㊁最为关键的摩擦副之一,其摩擦学性能直接决定了柱塞泵的服役寿命㊂当柱塞副油膜润滑不良时,轴向柱塞泵会严重损坏㊂关键词:轴向柱塞泵;柱塞副;油膜;摩擦学特性;表面织构中图分类号:T G 141 文献标识码:AD O I :10.16355/j .c n k i .i s s n 1007-9432t yu t .2023.04.002 文章编号:1007-9432(2023)04-0585-14P r o g r e s s o n T r i b o l o gi c a l C h a r a c t e r i s t i c s a n d S u r f a c e T e x t u r i n g o f P l u n g e r P a i r s i n A x i a l P i s t o n P u m pL I N N a i m i n g 1,W A N G J i e 1,W A N G Q i a n g 1,W AN G H u a n h u a n 1,Y U A N S h u o 1,L I U Z h i q i 2,Z E N G Q u n f e n g 3,W U Y u c h e n g4(1.C o l l e g e o f M a t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ,T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ,T a i yu a n 030024,C h i n a ;2.S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ,T a i y u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ,T a i yu a n 030024,C h i n a ;3.L a b o r a t o r y o f M o d e r n D e s i g n a n d R o t o r B e a r i n g S y s t e m ,M i n i s t r y o f Ed u c a t i o n ,X i a n J i a o t o n g U n i ve r s i t y ,X i a n 710049,C h i n a ;4.N a t i o n a l a n d L o c a l J o i n t E n g i n e e r i n g Re s e a r c h C e n t e rf o r N o n f e r r o u s M e t a l s a n d P r o c e s s i ng ,H e f e i U n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ,H e fe i 230009,C h i n a )A b s t r a c t :ʌP u r po s e s ɔI t w a s e x p e c t e d t o p r o v i d e a r e f e r e n c e f o r i m p r o v i n g t h e p e r f o r m a n c e ,l i f e t i m e a n d s e r v i c e s a f e t y o f p i s t o n p u m p.ʌM e t h o d s ɔT h i s w o r k r e v i e w e d t h e o i l f i l m c h a r a t e r i s -t i c s o f p l u n ge r p a i r sf r o m t h e v i e w o f t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n a n d s i m u l a t i o n .T h e t h i c k n e s s f i e l d ,p r e s s u r e f i e l d ,a n d t e m p e r a t u r e f i e l d o f o i l f i l m w e r e a n a l yz e d t o e l u c i d a t e t h e l u b r i c a t i o n p e r -f o r m a n c e .T h e t r i b o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f p l u n ge r p a i r s ,a n d t h e ef f e c t o f l u b r i c a t i o n m e d i u m a n d m a t c h i ng m a t e r i a l s o n th ei r t r i b o l o g i c a l b e h a v i o r w e r e s u mm a r i z e d .T h e p l u n ge r p a i r s m a t c -h i n g ma t e r i a l s w i t h l o w w e a r r a t e a t p r e s e n t w e r e e n l i s t e d .T h e l ub r ic a t i o n a nd f r i c t i o n re d u c t i o n m e c h a n i s m of s u r f a c e t e x t u r e ,a n d t h e e f f e c t o f t e x t u r e s h a pe ,a r e a r a t i o ,s i z e ,a n d d i s t r i b u t i o n o n t r i b o l o g i c a l p r o p e r t i e s of p l u ng e r p a i r s w e r e e l u c i d a t e d .ʌC o n c l u s i o n s ɔA x i a l p i s t o n p u m p is t h e c o r e c o m p o n e n t o f h y d r a u l i c e q u i p m e n t ,k n o w n a s t h e 'h e a r t 'o f h y d r a u l i c s ys t e m.T h e w e a r o f k e y f r i c t i o n p a i r s o f p i s t o n p u m p i n s e r v i c e c o n d i t i o n s e r i o u s l y t h r e a t e n s t h e r e l i a b l e o pe r a t i o n a n d l o n g l if e s e r v i c e s a f e t y o f e q u i p m e n t ,a n d i s a l s o a t e c h n i c a l b o t t l e n e c k r e s t r i c t i ng th e d e v e l -o p m e n t a n d a p p l i c a t i o n o f p i s t o n p u m p .P l u n g e r p a i r s a r e o n e o f t h e m o s t n u m e r o u s a n d k e yf r i c -t i o n p a i r s i n a x i a l p i s t o n p u m p ,a n d t h e i r t r i b o l og i c a l p e r f o r m a n c e d i r e c t l y de t e r m i n e s t h e s e r v i c e l if e o f p i s t o n p u m p .T h e a x i a l p i s t o n p u m p w i l l b e s e r i o u s l y d a m ag e d i f th e p l u n g e r pa i r s a r e w i t h po o r l u b r i c a t i o n .K e yw o r d s :A x i a l p i s t o n p u m p ;P i s t o n p a i r ;O i l f i l m p r o p e r t i e s ;T r i b o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ;S u r f a c e t e x t u r e液压传动是液体介质进行能量与信号传递㊁转化㊁分配和控制的一种传动方式,是现代机械传动与控制的关键技术之一[1]㊂液压泵是液压传动系统的核心及动力源,其效率的高低决定着液压系统的服役性能与使用寿命[2]㊂轴向柱塞泵(图1(a))因其容积效率高㊁运转平稳㊁噪声低㊁工作压力高等优势而广泛应用于液压传动系统[3-4]㊂轴向柱塞泵主要有两种类型,分别为斜盘式和斜轴式,而本文主要针对的是斜盘式轴向柱塞泵,其中共存在三组关键摩擦副如图1(b )所示:1)由滑靴与斜盘形成的滑靴缸膛柱塞缸体轴斜盘阀（a ）轴向柱塞泵滑靴副配流副柱塞副（b ）斜盘式轴向柱塞泵的摩擦副图1 轴向柱塞泵及斜盘式轴向柱塞泵摩擦副示意图F i g .1 S c h e m a t i c d i a g r a m o f a n a x i a l p i s t o n p u m p an d f r i c t i o n p a i r s o f a s w a s h p l a t e a x i a l p i s t o n p u m p副;2)由柱塞与缸体形成的柱塞副;3)由缸体与配流盘形成的配流副[5]㊂与斜盘式轴向柱塞泵不同的是,斜轴式不存在滑靴副㊂轴向柱塞泵在高速㊁高压以及交变应力等复杂㊁苛刻工况下服役[5]㊂柱塞副对柱塞泵的作用主要有三方面:首先是密封作用,合理的摩擦副间隙可以形成密封面,防止液压油泄露;其次是润滑作用,由于柱塞副间存在润滑油膜,使得配副间由原来的干摩擦变为润滑膜分子间的摩擦,极大避免了磨损,提高了泵的使用寿命;最后是传递动力的作用,其运动示意图如图2所示,在高速旋转过程中,柱塞副将传递和承受较大的力或力矩作用[7-8]㊂综上,柱塞副的性能对其服役可靠性和使用寿命有极大影响[9-11]㊂图2 柱塞副的运动示意图F i g .2 M o t i o n d i a g r a m o f p l u n ge r p a i r s 若柱塞副之间的间隙过大,将导致液压油从中泄漏,挤压作用难以形成;若柱塞副之间的间隙过小,则不能形成润滑油膜,这会导致两者直接接触从而造成柱塞副间的干摩擦磨损现象[12,13]㊂具体地,685太原理工大学学报 第54卷当液压油中存在固体颗粒及一定量的腐蚀介质时,柱塞副会受到磨粒磨损和腐蚀磨损作用,而液压泵内若存在残留气泡,在局部高压区发生溃灭时则会造成柱塞副的气蚀损伤,严重影响了柱塞副的服役行为(表现为振动㊁噪声㊁效率降低)㊂因此,降低泵的磨损,提高其寿命是当前需要解决的关键问题[14-16]㊂本文从轴向柱塞泵柱塞副的油膜特性和摩擦学特性出发,综述了的润滑减摩机理及表面织构化对柱塞副摩擦学性能的影响,旨在为促进轴向柱塞泵的研发和应用提供参考㊂1油润滑轴向柱塞泵柱塞副油膜特性柱塞副的主要作用是通过柱塞在缸体中的往复运动,使容腔容积发生变化,进行吸油和排油,进而实现机械能向液压能的转化㊂在运行过程中,柱塞与缸体之间会形成一层间隙油膜,其性能直接影响着泵的寿命,柱塞副的润滑性能主要由油膜的厚度决定,油膜厚度主要受油膜压力和温度分布的影响,为了保证泵的正常运行,需要保证活塞-缸体内随时存在压力油膜,使摩擦副处于完全液体润滑状态[17]㊂轴向柱塞泵柱塞副的油膜特性,是影响磨损的主要参数㊂柱塞受到的径向力会使油膜厚度减小,导致其磨损更加严重[18]㊂研究柱塞副润滑性能的三大重要因素包括油膜的压力场㊁厚度场及温度场㊂目前,国内外研究者对柱塞副油膜特性开展了广泛的研究,而研究方法主要有理论计算和仿真分析㊂1.1理论计算目前,国内研究者对柱塞副油膜特性的研究大多基于仿真软件建立虚拟样机进行模拟[18-19],在建立模型求解过程中,以恒温为前提,忽略了实际工况的需要,对实际应用意义不大㊂马俊等[19]针对柱塞副中的实际温度进行了理论分析和数值求解,基于柱塞副能量方程,ρc p vΔθ=Δ㊃(ζΔθ)+μΘD.(1)假设流体热传导系数为常数,温度在相邻网格间线性变化,能量方程可简化为,a pθp=a EθE+a WθW+a NθN+a SθS+b.(2)其中,a P=a E+a W+a N+a S.(3)对方程(2)采用超松迭代法进行求解,并结合边界条件,分别沿长度方向和圆周方向得到油膜的温度场㊂柱塞泵在运行过程中,柱塞会受到复杂多变的力,使得柱塞与缸体的中心无法重合,进而产生一定的偏心,导致油膜形成不规则的形状㊂宋旸[20]基于对柱塞偏心的数学描述,建立了油膜的厚度场模型,通过数值求解,得到油膜的厚度方程,h=(R b c o sφk-x p)2+(R b s i nφk-y p)2-R k.(4)若考虑柱塞副弹性变形的影响,油膜的厚度方程可表示为,h p=h+δp.(5)式中:(x p,y p)表示任意截面的偏心坐标,R k表示柱塞的半径,φk表示偏心角,δp表示柱塞副表面的弹性变形㊂此厚度方程为后续油膜压力分布的研究奠定了基础㊂为研究柱塞副的油膜压力分布,王克龙等[21]提出了轴向柱塞泵柱塞副油膜流固热耦合模型的算法,先基于N a v i e r-S t o k e s方程Δp=Δ㊃(μΔv)(6)将公式(6)在各方向进行分解,并根据边界条件,u z=zc=u c,v z=z c=v c,u z=zp=u p,v z=z p=v p.(7)得到柱塞副油膜特性方程,即雷诺方程,-Δ㊃(ρh312μΔp)+ρv p2㊃Δh+ρv p㊃Δz p+ρ h t=0.(8)结合得到油膜的厚度分布情况h,柱塞表面的运动速度v p,柱塞表面的挤压速度 h t,柱塞副油膜的压力边界条件,求解雷诺方程,从而获得柱塞副油膜上的压力分布p.1.2仿真分析为了更加形象地表示油膜特性,提高结果的准确度和可靠性,并对理论计算结果进行验证,在建立了油膜的温度场㊁厚度场及压力场数学模型的基础上,还有不少学者利用各种仿真软件将其描绘出来,为之后的实验研究提供理论基础㊂以下归纳了部分研究者对油膜特性的仿真分析㊂油膜的厚度可以直观地反映轴向柱塞泵中柱塞和缸体之间的接触情况,当柱塞副油膜厚度过低时,会导致过大的摩擦和磨损,为减低磨损损伤,提高轴向柱塞泵的使用寿命,张梦俭等[22]通过MA T L A B 软件分析得到了柱塞副油膜厚度的分布情况如图3所示,主轴转速分别设置600r/m i n㊁900r/m i n㊁785第4期林乃明,等:轴向柱塞泵柱塞副的摩擦学特性及其表面织构化研究进展1200r /m i n ㊁1500r /m i n .仿真结果表明,主轴转速越快,油膜厚度变化越小,越趋于稳定㊂4035302520油膜厚度/ μm 10.50.51xy（a ）600 r/min 2624222018161412油膜厚度/ μm 10.50.51xy（b ）900 r/min 4035302520油膜厚度/ μm 10.50.51x y（c ）1 200 r/min 3025201510油膜厚度/ μm 10.50.51xy（d ）1 500 r/min图3 不同主轴转速下柱塞副油膜的厚度F i g .3 O i l f i l m t h i c k n e s s o f p l u n g e r p a i r s a t d i f f e r e n t s p i n d l e s pe e d s 国内研究机构针对油膜温度特性的研究,较多关注在设计合理的结构,减少泵中能量的散发㊂俞奇宽等[23]利用仿真手段研究了柱塞副油膜的温度场分布,并使用MA T L A B 建立了温度场的仿真程序,输入主要的仿真物理参数,得到入口油温为40ħ下油膜的温度场如图4所示㊂此模拟误差控制在ʃ0.7ħ,研究表明,油膜温度沿着轴向逐渐上升,且在油膜中段,温升最高可达10ħ,而油膜两侧温升较为缓慢,最根本的原因是油膜两端柱塞的偏心量较大,黏性耗散较高㊂适当的温度可以使油膜黏性较好,润滑更充分,有利于降低泵的磨损,提高寿命㊂605550454035温度/ ℃4020100200300周向/ （°）轴向/ m m35302520151053503002502001501005052504846444240温度/ ℃周向/ （°）轴向/ mm图4 油膜温度仿真结果(入口温度40ħ)[23]F i g .4 S i m u l a t i o n r e s u l t s o f o i l f i l m t e m p e r a t u r e (i n l e t t e m pe r a t u r e 40ħ)[23]柱塞和缸体的弹性变形会对油膜的厚度产生影响,进而间接影响柱塞副的磨损率㊂卫昌辰[24]通过观察动态润滑膜的流动状态,对柱塞副进行了受力分析,在此基础上,建立了油膜压力模型,并通过调节单一工况参数(负载压力㊁主轴转速㊁斜盘倾角),利用MA T L A B 软件研究了实际深海环境中油膜的润滑特性如图5所示㊂结果表明,柱塞在不同倾角下所受到的力不相同,这会导致油膜的形貌时刻发生变化㊂当柱塞施加给油膜的作用力与外力达到平衡时,油膜便可保持动态稳定,进入稳定磨损阶段㊂除此之外,还有部分学者同时对两种油膜特性模型进行了仿真分析㊂张雪超[25]根据柱塞副所处位置的不同,分别构建了关于柱塞副油膜的厚度场与压力场的模型,继而使用MA T L A B 软件进行885太原理工大学学报 第54卷6420压力/ M P a 10.500100200300400X 圆周位置/ （°）Y 轴向位置（a ）Φ＝2°50403020100压力/ M P a10.500100200300400X 圆周位置/ （°）Y 轴向位置（b ）Φ＝30°6420压力/ M P a 10.500100200300400X 圆周位置/ （°）Y 轴向位置（c ）Φ＝90°151050压力/ M P a10.500100200300400X 圆周位置/ （°）Y 轴向位置（d ）Φ＝182°图5 不同转角下柱塞副油膜的分布F i g .5 D i s t r i b u t i o n o f o i l f i l m o f p l u n g e r p a i r s a t d i f f e r e n t r o t a t i o n a n gl e s 了多种参数(包括转速与压力)下柱塞副油膜的仿真分析㊂同时,作者还采用有限体积法进行网格划分并将油膜压力场控制方程进行了离散化求解㊂研究表明,当柱塞副受到外界压力作用时会在缸体中转变为倾斜的状态,并且当其受到的压力不断增大时,倾斜程度增大,而油膜的厚度在减小,处于此种状态时能从压力分布图中看到明显的压力尖峰㊂但是该结果未能与实验结果吻合,实验压力曲线呈三角形,而仿真曲线呈矩形波形,主要原因在于配流机构,当压力增大后,配流机构泄漏增大,不能持续保持高压㊂2 轴向柱塞泵柱塞副的摩擦学特性2.1 基础理论轴向柱塞泵虽应用广泛,但随着更高性能液压系统的需求,解决轴向柱塞泵的磨损问题迫在眉睫㊂柱塞副作为轴向柱塞泵的关键摩擦副之一[26],其长期面临着高压高速带来的磨损损伤和失效问题㊂轴向柱塞泵运行过程复杂,柱塞的受力情况复杂多变,因此可以通过力学分析描述柱塞的磨损行为[27-28]㊂卢义敏等[27]使用MA T L A B 软件对柱塞的受力情况进行了数值模拟,通过旋转缸体使其处于不同转角时对柱塞受力进行求解,并选取了柱塞与缸体间的合适间隙来平衡泄露和磨损,研究表明柱塞前端比后端受力更大,磨损更多,当柱塞和缸体间隙为6~10μm 时,液压泵整体工况较好㊂实际上,柱塞与缸体之间存在套筒,大多数研究者在受力分析时未能充分考虑其影响,导致结果与实际产生偏差㊂申儒林等[28]分析了柱塞在缸体内往复运动时柱塞所受到的力,结果表明,由于柱塞副的间隙远大于柱塞与套筒的间隙,会使保持运动状态中的柱塞在发生偏心时,其末端与缸孔之间的缝隙变大,造成的挤压就会变小,因此,为了反映真实情况就需要对柱塞中段部分进行详细受力分析㊂除了运行过程中发生必要的磨损之外,轴向柱塞泵所处环境及柱塞副的材料也影响其磨损性能㊂在2.2中将具体阐述国内外学者针对环境及材料对柱塞副磨损特性影响的研究㊂2.2 介质对柱塞副摩擦学特性的影响柱塞副的液压介质可分为油介质和水介质㊂随着更多高难度大型项目在极寒环境中的开发,液压油的低温性能较差而导致大多数的普通液压泵无法进行正常工作,因此,提高液压油的低温性能,使其具有良好的流动性㊁合适的黏度成为迫切需要解决的问题㊂马海军[29]从黏度㊁比热容㊁热膨胀性㊁倾点㊁凝点㊁闪点等角度对矿物油系液压油和难燃型液压油进行了对比,结果表明,在-40ħ的低温环境中,L -H S 32液压油更好的满足了低倾点及高粘度的要求㊂在航天液压系统中,随着越来越轻量化要求的提出,以煤油作为液压介质成为了一个新的趋势㊂姜继海等[32]分析了以煤油为介质的轴向柱塞泵摩985 第4期 林乃明,等:轴向柱塞泵柱塞副的摩擦学特性及其表面织构化研究进展擦副寿命较传统轴向柱塞泵的优劣势,煤油可直接从发动机传导,不需要额外携带油箱,还可作为燃料为其他系统提供动力,但是由于其黏度较低,容易导致柱塞与缸体直接接触,从而造成干摩擦,寿命降低㊂为应对更大的需求,轴向柱塞泵的使用环境已扩展到海水中,但由于海水介质黏度较低,润滑性相对较差,导致柱塞副容易发生润滑失效现象[24],因此,对海水中柱塞副磨损特性的研究成为重中之重㊂由于海水几乎没有边界润滑的能力,再加上海水中存在固体杂质,使得柱塞副发生严重的黏着磨损,所以必须进行技术探究,寻求合理的解决方案㊂杨曙东[31]在进行理论计算的基础上,配合计算机仿真分析与实验研究相结合的方法,研制出了国内第一台中高压海水泵,该泵使用高分子复合材料作缸套,并设计了配合长度为定值的缸孔柱塞副结构和配合间隙,突破性地解决了柱塞和缸孔在干摩擦环境下的互相刮削及泄漏问题㊂张涛华[32]主要研究的对象是轴向柱塞泵柱塞副在海水中的磨损形式,结果表明,最主要的磨损形式包括腐蚀磨损㊁气蚀磨损及冲蚀磨损㊂腐蚀磨损主要是由于海水中的大量粒子构成了电化学腐蚀,形成了对柱塞副的极大破坏,其影响因素具体如图6所示[32];而柱塞副在海水中发生气蚀磨损,是由于大量气泡破裂产生局部冲击高压,对柱塞造成破坏;冲蚀磨损则是海水中的颗粒物垂直冲击柱塞副表面,释放出比表面结合力更大的能量造成的结果㊂微观组织表面粗糙度塑性硬度电位极化阻抗腐蚀性溶液黏度电导率温度运动类型接触面性质速度载荷纯化膜的生成电化学材料腐蚀介质零部件/工况图6 腐蚀磨损的主要影响因素[32]F i g .6 M a i n i n f l u e n c i n g fa c t o r s o f c o r r o s i v e w e a r [32]腐蚀磨损是摩擦副在相互摩擦和腐蚀介质共同作用下发生的磨损现象,在摩擦副的相互接触过程中,不仅破坏了材料表面的保护膜,使其丧失保护效应,而且直接磨耗了材料,因此,腐蚀磨损后果更加严重[33]㊂综上所述,柱塞泵的磨损形式为腐蚀磨损㊁气蚀磨损和冲蚀磨损,海水中颗粒物较多㊁介质黏度低且容易气化等则是造成磨损行为的主要原因㊂要想从根本上解决柱塞副摩擦磨损的难题,还需要从材料选取上着手,2.3将具体阐述柱塞副材料匹配的选取,并对其性能优劣进行了测试㊂2.3 材料对柱塞副摩擦学特性的影响除介质外,材料对柱塞副摩擦特性也值得被深入研究㊂现如今,轴向柱塞泵摩擦副材料的匹配形式主要包含3种类型:硬基材与硬基材配对㊁硬基材与软基材配对㊁(硬+软)基材与硬基材配对[34]㊂其中,柱塞副主要采用软/硬材料的匹配形式,该形式的优点是导热好及抗黏着磨损能力强,但仍存在缺陷,如耐磨粒磨损能力差[34]㊂在日常的工作环境中,有不少学者就对材料影响进行了实验分析,L I U e t a l [35]选择了7对材料进行实验,调整转速从100r /m i n 到1200r /m i n,在确认系统运行正常后加载,压力从2M P a 到12M P a ,最终,选择速度和压力分别为1200r /m i n 和12M P a,每2h 记录一次,观察测量腐蚀磨损,试验结果表明,柱塞材料为1C r 18N i 9T i,缸体材料为T o r l o n 4301时,磨损性能最好,这是由于与司太立合金㊁M o n e l k 500合金㊁T C 4合金和1C r 18N i 9T i 相比,T o r l o n 4301柱塞表面熔质合金的硬度较高,耐磨能力较高㊂此外,导热系数也是柱塞副材料选择中必须考虑的一个因素㊂同年Z H A N G e t a l [36]研究了在70M P a 超高压情况下摩擦副材料的选择,研究表明,30C r 2M o V A 材料的硬度较低,陶瓷材料的硬度较高,而硬度越高,摩擦系数相对越低,因此30C r 2M o V A 材料的摩擦系数较高,磨损率相对较高;陶瓷材料摩擦系数较低,磨损率相对较小㊂海水泵已被广泛用于发电厂㊁炼铁厂㊁化工厂等行业,海水被用作海水淡化和制盐设备的原料与冷却水[37],在海水环境中柱塞副材料的选择是当前面临的比较大的问题㊂焦素娟等[38]分析了水润滑条件下柱塞副材料为改性聚醚醚酮与不锈钢时的摩擦磨损特性㊂研究发现,柱塞副在高载荷下发生严重的塑性变形,磨损机理主要为疲劳磨损,该配副仅适用于小载荷工况,该研究为后续高聚物材料在摩擦副中的应用提供了依据㊂在软/硬材料的匹配形式中,陶瓷作为一种硬度较高的材料,常常被用在柱塞副的缸体中㊂Y A N Ge t a l[39]使用MM -200磨损测量仪研究了940不锈095太原理工大学学报 第54卷钢与氧化铝陶瓷配对的柱塞副的摩擦磨损性能,在水润滑条件下调节负荷为196N ,速度为0.84m /s ,持续时间1h ,通过磨损测量仪记录摩擦力矩和滑动距离之间的关系如图7所示㊂结果表明,940不锈钢表面磨损严重,表面细条纹较多,氧化铝陶瓷表面有黑色金属颗粒,磨痕平均宽度为14.6mm ,二者接触边缘有过热的黄色斑点㊂将不锈钢与工程塑料匹配进行同样条件下的摩擦磨损测试,结果表明,实验后不锈钢表面无磨损现象,这是因为工程塑料块在不锈钢表面产生了一层塑料转移膜,降低了二者间的摩擦阻力㊂0.80.70.60.50.40.30.20.10T / （N ·m -1）1234567S / 103 m图7 水润滑条件下摩擦力矩与滑动距离的关系[37]F i g .7 R e l a t i o n s h i p b e t w e e n f r i c t i o n t o r q u e a n d s l i d i n gd i s t a n ce u n d e r w a t e r l u b r i c a t i o n c o n d i t i o n[37]晏小伟[40]在前人的基础上综合分析了金属材料㊁工程塑料㊁工程陶瓷在海水中的摩擦磨损性能,结合海水泵摩擦副的选材原则,对柱塞副进行了材料设计,研究表明,T C 4/T O R L O N 4301柱塞副效果最好,转速为1500r /m i n ㊁压力为14M P a 时,其磨损性能依然很好㊂杨金祥[41]对柱塞和缸体的尺寸以及柱塞所能承受的最大P V 值进行了设计计算,最终发现氮化硅陶瓷作为柱塞材料,T O R L O N4301P A I 作为缸体的材料,可以很好地满足P V 值要求,并且该柱塞副耐磨性好,尺寸稳定㊂申凤梅[42]研究了海水环境下多种材料与C F R P E E K 配对的柱塞副的耐磨性能,发现碳化硅陶瓷和氮化硅陶瓷与C F R P E E K 配对时,摩擦系数最小,大致为0.1.廖武举等[43]在M C F -10摩擦磨损试验机上模拟了海水情况下无烧结陶瓷S i C 与工程塑料P E E K 450-F C 30的磨损性能,实验结束后用电子显微镜观察其表面形貌并对其磨损机理作出了分析㊂结果表明,该摩擦副磨损率相对较低,耐磨性能相对较好㊂就摩擦磨损机理而言,工程塑料的磨损大致分为两个阶段,第一阶段为刚开始时的黏着磨损,第二阶段为摩擦过程中工程塑料向陶瓷表面的转移㊂李东林等[44]研究了1C r 17N i 2/C F R P E E K 和17-4P H /C F R P E E K 两种配对的柱塞副摩擦特性实验,研究表明,柱塞副配对材料1C r 17N i 2/C F R -P E E K 比17-4P H /C F R P E E K 的耐磨性能好㊂从以上研究可以看出在柱塞副匹配形式中不仅陶瓷材料发挥重要作用,高聚物材料也得到了高度认可㊂本节从柱塞副的磨损特性基础理论研究出发,分别综述了介质和材料对柱塞副磨损特性的影响㊂其中,柱塞副材料的选取情况汇总见表1㊂由表1可知,在现有的研究结果中以碳化硅陶瓷作为柱塞的设计材料时,柱塞副具有更好的摩擦磨损性能㊂表1 柱塞副材料选择情况汇总表T a b l e 1 S u mm a r y o f m a t e r i a l s e l e c t i o n f o r p l u n ge r p a i r s 材料方法结论参考文献30C r 2M o V A /陶瓷70M P a 超高压陶瓷磨损较弱[36]940不锈钢/氧化铝负荷196N ,速度0.84m /s ,持续时间1h940不锈钢表面磨损严重[37]7对不同材料加载压力从2M P a 到12M P a ,调整转速从100r /m i n 到1200r /m i n1C r 18N i 9T i /T o r -l o n 4301磨损最弱[38]1C r 17N i 2/C F R -P E E K 和17-4P H/C F R P E E K /1C r 17N i 2/C F R -P E E K 比17-4P H /C F R P E E K 的耐磨性好[39]不同材料与C F R -P E E K 配对/碳化硅和氮化硅与C F R P E E K 配对时,摩擦系数最低,在0.1左右[40]陶瓷S i C /P E E K 450-F C 30/摩擦学性能较好[41]氮化硅陶瓷/T O R -L O N 4301P A I/摩擦系数小,耐磨性好,尺寸稳定[42]3 表面织构对摩擦学特性的影响由于轴向柱塞泵的使用环境十分复杂,易造成其关键摩擦副磨损损伤,进而严重影响了柱塞泵的服役性能,为此,在选择好合适的柱塞副材料后需要寻求一种表面处理方法来进一步减小泵的损伤㊁提高其寿命㊂前文所述研究尚未达到解决轴向柱塞泵减阻耐磨问题的理想效果,而表面织构化技术为其研究提供了崭新的设计思路㊂近几年来,离子氮化㊁碳氮共渗㊁离子注入㊁P V D 硬质涂层已被广泛运用于表面强化[45]㊂而表面织构化(如图8)技术作为一种改善材料表面摩擦性能的方法被世界各地的研究小组所熟知,因其成本低㊁效率高㊁精度高㊁热影响区小而被广泛应用㊂R A O e t a l [46]研究了4个织构宽度(包括1mm ㊁2mm ㊁3mm ㊁4mm )对耐磨硼铸铁/195 第4期 林乃明,等:轴向柱塞泵柱塞副的摩擦学特性及其表面织构化研究进展球墨铸铁摩擦副磨损性能的影响,研究发现,2mm 宽度更有利于提高球墨铸铁的低速磨损性能,3mm 宽度更有利于提高高速磨损性能,应根据液压泵实际工作环境来设计凹槽的尺寸㊂V I G N E S H e t a l[47]研究了单排凹窝㊁单排凹槽㊁双排凹窝㊁双排凹槽等椭圆织构的几何分布对黄铜摩擦学性能的影响,结果表明,具有双排凹槽椭圆织构试样的摩擦系数较单排凹槽椭圆织构试样的摩擦系数降低了59%,较大的凹窝直径和细长比进一步提高了具有双排凹窝椭圆织构的摩擦学性能㊂（a）凹坑（b）沟槽（c）凸起图8典型表面织构特征图F i g.8 T y p i c a l s u r f a c e t e x t u r e c h a r a c t e r i s t i c s3.1表面织构的润滑减摩机理郑龙[49]发现,自然界中,毛蛤㊁龙虾㊁鲨鱼等生物体表呈现出非光滑表面形态,如图9所示,其中毛蛤与龙虾类似,呈现放射状棱纹凸起,这可以增强其体表抵抗水中沙砾和急流磨损的能力;同样,微观下能观察到鲨鱼体表交错分布着许多微小盾磷,每片盾磷表面有V型凹槽,该结构可实现湍流减阻目的㊂受自然界生物的启发而新兴的表面织构化技术对提高轴向柱塞泵减摩性能方面提供了新思路㊂两个物体表面之间的纳米级接触会有很高的吸附力,从而产生很大的摩擦,极大的缩短机器的寿命㊂表面织构化技术可以实现增大表面粗糙度的效果,起到减摩的作用,由此来提高其耐磨性,其作用示意图如图10所示,润滑条件下表面织构可以储存润滑介质,使润滑连续进行;流体润滑状态下起到增强动压效应的作用;边界润滑条件下可以充当润滑剂,降低摩擦系数㊂干摩擦条件下,表面织构可以捕龙虾鲨鱼毛蛤棱纹型刚毛型V型凹槽图9典型水生动物及其微观表面形貌[49-50]F i g.9 T y p i c a l a q u a t i c a n i m a l s a n d t h e i r m i c r o s c o p i c s u r f a c e m o r p h o l o g y[49-50]获磨屑,降低磨粒磨损,减小摩擦接触面积㊁抑制黏着磨损[50-52]㊂3.2表面织构几何参数的影响3.2.1织构形状的影响表面织构的类型较多,主要包括凹坑㊁凸起㊁凹槽以及各类混合形貌㊂目前对表面织构的润滑减摩的研究多集中在凹坑型和凹槽型两种类型[53]㊂麻凯等[54]在不同载荷情况下研究了表面织构形貌对柱塞摩擦性能的影响,实验结果表明,在400N载荷情况下,椭圆㊁圆形㊁方形表面织构的摩擦系数相对于未进行表面织构化的基体的摩擦系数分别减少了1.1%㊁18.3%㊁14.1%;在高载荷600N工况下,分别减少了35.3%㊁35.3%㊁19.1%.于海武等[55]采用数值方法分析了织构形状对工件表面摩擦性能的影响㊂研究表明,椭圆形表面织构在众多织构形貌中减摩效果最优,正方形表面织构次之,圆形表面织构减摩效果最差㊂S E G U e t a l[56]比较了多形状复合织构(圆和椭圆㊁圆和三角形㊁圆和方形)和单形状织构接触面的摩擦学性能,分别在干燥和润滑,23~25ħ的室温和相对湿度为46%~50%的条件下,进行了滑动摩擦试验㊂实验结果表明,在干燥和润滑条件下,多形状纹理表面的摩擦系数波动较低㊁相对稳定,摩擦系数波动较小㊂295太原理工大学学报第54卷。
表面织构改善摩擦特性的研究进展
表面织构改善摩擦特性的研究进展
许璐;郑锦华;吴双;魏新煦;王俊杰
【期刊名称】《工具技术》
【年(卷),期】2018(52)4
【摘要】介绍了凸包形、凹坑形及凹痕形等表面织构形貌,并对表面织构的几种加工技术进行对比。
通过分析表面织构在工业方面的应用实例,阐述了表面织构在不
同润滑状态条件下的减摩理论:附加流体动压效应理论、二次润滑理论和俘获磨屑
颗粒理论。
重点讨论了织构形貌、面积密度、纹理尺寸和深径比及分布形式等参数对摩擦特性的影响。
同时运行条件和润滑状态对摩擦特性也起主要作用,但并非所
有的表面织构都可以改善摩擦学特性,只有具有合适参数的表面织构在合适的运行
条件和润滑状态下才可以显著改善摩擦学特性。
总结了表面织构与涂层技术相结合、混合表面织构两种未来表面织构的研究方向,指出表面织构还需进一步深入研究的
方面。
【总页数】6页(P7-12)
【关键词】表面织构;减摩机理;摩擦学性能;混合表面织构
【作者】许璐;郑锦华;吴双;魏新煦;王俊杰
【作者单位】郑州大学热能系统节能技术与装备教育部工程研究中心;河南瑞邦能
源科技开发有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TG174.4;TH117
【相关文献】
1.表面织构改善摩擦磨损性能的研究进展 [J], 邱孝聪;樊曙天;伍勇
2.基于表面织构的机械部件摩擦学性能改善研究进展 [J], 王素华;吴新跃
3.激光表面织构化改善摩擦学性能的研究进展 [J], 万轶;熊党生
4.表面微织构改善摩擦性能的研究进展 [J], 曾亚维;陈立宇;杨夏明;涂文斌;王匀因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
利用激光表面织构改善钛锆合金乏油润滑摩擦学性能
利用激光表面织构改善钛锆合金乏油润滑摩擦学性能
牛一旭;逄显娟;赵若凡;上官宝;张永振
【期刊名称】《河南科技大学学报:自然科学版》
【年(卷),期】2022(43)5
【摘要】为提高钛合金表面摩擦磨损性能,在其表面加工了面密度分别为5%、10%、15%和20%的凹坑织构,并在不同载荷和滑动速度条件下进行乏油润滑摩擦磨损试验。
计算分析了材料表面的摩擦因数和平均磨损率,并利用三维形貌仪和扫描电子显微镜对试样表面的磨痕形貌进行了分析。
研究结果表明:载荷对钛合金表面摩擦学性能影响较大,载荷较低时,面密度为20%的凹坑织构可以降低平均摩擦因数约20%~23%,但会加剧材料表面的磨损。
载荷为12 N、滑动速度为4 mm/s 时,面密度为10%的凹坑织构可以降低平均摩擦因数约11%,减小平均磨损率约49%,提高了钛合金表面的摩擦磨损性能。
【总页数】8页(P1-6)
【作者】牛一旭;逄显娟;赵若凡;上官宝;张永振
【作者单位】河南科技大学高端轴承摩擦学技术与应用国家地方联合工程实验室;河南科技大学材料科学与工程学院;河南科技大学化工与制药学院
【正文语种】中文
【中图分类】TH117.1
【相关文献】
1.V字型表面织构在油润滑条件下的摩擦学性能
2.织构深度对不锈钢表面油润滑条件下摩擦学性能影响的试验和仿真研究
3.激光表面织构化与固体润滑技术复合处理改善表面摩擦学性能的研究现状
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石油仿生大碰撞
石油知识OILKNOWLEDGE交叉学科，石油恋上了“仿生”仿生学是20世纪生物科学与技术科学快速发展中产生的一门新兴交叉学科，是沟通各学科、行业的桥梁。
从天空翱翔的飞机、地上飞驰的高铁和水中巡航的潜艇，到“万里眼”雷达、“可再生”人体器官，无一不涉及仿生学。
仿生学作为前沿领域，研究成果大多属于探索类，注重理论性和超前性，而石油作为传统能源应用行业，以现场需求为驱动力，更加注重科研成果的实用性和推广性。
在科研实践中，仿生学以满足生产中的技术需求为根本出发点，以改善现有的或创造崭新的技术系统为目的，有层次、分阶段地进行了单元仿生或多元耦合仿生研究，从而逐渐衍生出了特色鲜明的“石油工程仿生学”。
“石油工程仿生学”借鉴生物系统的结构、原理、功能等特征，有针对性地发掘石油工程的仿生创新源头，为石油工程技术难题提供解决方案。
它的研究过程分为生物原型阶段、数学模型阶段和工程实现阶段三个阶段：即首先研究生物某种功能的实现机制和结构特点；然后研究并简化其结构，抽象出物理模型，进而建立数学模型；最后采用技术手段，制备实物模型，实现对生物系统的工程模拟。
前景无限，“谜”一样技术革命当能源行业遇上“谜”一样的仿生学，一场前景无限的技术革命正在悄然进行。
仿生学在石油工程中的研究应用主要有两种类型：“需求驱动型”是在石油工业的科研和生产实践中提出技术问题或功能需求，有针对性地寻找并借鉴生物的同类或相似功能，经过可行性研究后开展仿生学三阶段研究工作；“源头驱动型”则是通过加强与世界仿生学研究机构之间的交流与合作，密切关注仿生学或生命科学研究的最新成果，找准其与石油工业技术需求的结合点，开展应用研究。
2009年，中国石油勘探开发研究院成立了中国第一个石油工程仿生研究部门，致力于开展仿生学在石油工程中的应用研究。
目前，仿生学在国内外石油工程现场应用案例中都取得实质性进展，在钻井、管道、井筒、油藏等领域产生了一些研究成果。
例如在钻井领域，出现了仿生钻井液，仿生PDC 钻头；在管道防护领域，出现了仿生水草海底防冲刷技术，仿生血小板管道修复技术；在井筒领域也出现了仿生泡沫金属防砂技术、仿生非光滑表面膨胀锥技术，仿生振动波通讯技术等。
基于表面喷涂和织构技术的油井光杆摩擦性能改进
基于表面喷涂和织构技术的油井光杆摩擦性能改进刘涛;刘天宇;张岩;张磊;李大建【摘要】为了提升油井光杆耐磨损性能,延长其使用寿命,应用表面喷涂和表面织构技术对光杆摩擦段表面进行处理,在UMT磨损实验机上对不同表面处理技术的光杆进行摩擦性能测试评价.结果表明:超音速等离子喷涂、超音速火焰喷涂涂层可使光杆摩擦因数从0.96分别下降至0.85、0.91,表面织构可使光杆摩擦因数降低至0.77.表面喷涂技术和表面织构技术均能有效降低光杆表面摩擦因数,而表面织构技术在光杆提升摩擦性能方面优于表面喷涂技术,且加工更方便,具有较好的应用前景.【期刊名称】《润滑与密封》【年(卷),期】2018(043)011【总页数】5页(P125-128,132)【关键词】镍基金属;超音速等离子喷涂;超音速火焰喷涂;表面织构;摩擦因数【作者】刘涛;刘天宇;张岩;张磊;李大建【作者单位】中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院陕西西安710018;低渗透油气田勘探开发国家工程实验室陕西西安710018;中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院陕西西安710018;低渗透油气田勘探开发国家工程实验室陕西西安710018;中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院陕西西安710018;低渗透油气田勘探开发国家工程实验室陕西西安710018;中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院陕西西安710018;低渗透油气田勘探开发国家工程实验室陕西西安710018;中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院陕西西安710018;低渗透油气田勘探开发国家工程实验室陕西西安710018【正文语种】中文【中图分类】TH117.1目前国内有杆采油系统在人工举升中仍占主导地位，占井数90%以上。
光杆是抽油机连接深井泵的关键构件，在生产中，光杆一方面要与井液、空气等介质接触，另一方面每天完成几千次往复运行，一直承受交变载荷的作用，光杆表面容易出现多种机械磨损和腐蚀，造成井口漏油，污染环境，严重的甚至发生断裂事故。
硬质合金激光改性协同仿生微织构对硼掺杂金刚石涂层性能的影响
表面技术第52卷第7期硬质合金激光改性协同仿生微织构对硼掺杂金刚石涂层性能的影响苏泽彬，向道辉，李艳琴，彭培成，张志强，高国富，赵波，张智鹏（河南理工大学 机械与动力工程学院，河南 焦作 454000）摘要：目的研制应用于超精密加工领域的高性能金刚石涂层，探究硬质合金基体表面激光微织构对硼掺杂金刚石（BDD）涂层沉积质量的影响，分析不同类型的仿生微织构对基–膜结合强度、工具切削性能的改善效果及原因。
方法在硬质合金表面使用激光脉冲制备不同类型的仿生微织构，并通过热丝化学气相沉积（HFCVD）法在刀具表面沉积BDD涂层。
采用数显洛氏硬度计（HRS-150）、超景深三维显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）、白光干涉表面轮廓仪、拉曼光谱（Raman）对样品进行表征。
通过压痕试验及铣削试验研究涂层的附着强度和刀具的切削性能。
结果激光微织构边缘发生表面硬化。
激光微织构区域沉积BDD涂层后，基体表面缺陷显著降低，织构内部金刚石晶粒更密集，沉积质量提升，三角织构（TT）边缘的金刚石颗粒堆积坡度最缓，不同类型的织构化BDD涂层的粗糙度、金刚石纯度、切削性能及附着强度均不同，涂层附着力与表面硬度呈正相关。
硼掺杂三角织构（BDTTD）涂层刀具具有最佳的切削性能。
结论织构边缘和内部具有更高的金刚石二次成核率和沉积质量。
织构的存在可以提升BDD涂层的附着强度和刀具性能，并且织构边缘的涂层附着力最强，这些得益于激光烧蚀及仿生微织构对硬质合金表面的硬化及对BDD涂层内在缺陷的修复。
关键词：HFCVD；硼掺杂金刚石；仿生微织构；激光；切削性能；涂层附着力中图分类号：TG178 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2023)07-0384-13DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.07.035Effects of Laser Surface Modification of Cemented Carbide and Bionic Microtexture on Properties of Boron-doped Diamond CoatingsSU Ze-bin, XIANG Dao-hui, LI Yan-qin, PENG Pei-cheng, ZHANG Zhi-qiang,GAO Guo-fu, ZHAO Bo, ZHANG Zhi-peng(School of Mechanical and Power Engineering, Henan Polytechnic University, Henan Jiaozuo 454000, China)收稿日期：2022–07–05；修订日期：2022–08–23Received：2022-07-05；Revised：2022-08-23基金项目：河南省科技攻关项目（222102220005）；国家自然科学基金（51975188）Fund：Department of Science and Technology of Henan Province (222102220005); The National Natural Science Foundation of China (51975188)作者简介：苏泽彬（1997—），男，硕士研究生，主要研究方向为精密超精密装备及表面技术。
仿生表面织构的摩擦及粘附性能研究
仿生表面织构的摩擦及粘附性能研究
摩擦和粘附现象在日生活中很常见。
通常,人们可通过改善表面性能来解决某些实际的问题。
比如手机、平板等设备的防滑性能就尤为重要,防滑性能不好可能会导致不必要的经济损失。
受到树蛙、蝾螈等脚掌结构的启发,本文考虑在手机、平板电脑等手持设备外壳所用涂料表面加工出不同参数的表面织构,以期改善其摩擦和粘附性能。
本文选取手机外壳常用的一种聚氨酯丙烯酸酯(PUA)涂料作为研究对象,结合紫外光固化技术与光刻-复模技术,在PUA试样表面加工出了不同参数的仿生表面织构,根据实际使用背景选取了三种载荷与三种接触条件,分别对两种试样表面的静摩擦性能和粘附性能进行了研究,并对试验结果进行分析,揭示了仿生表面织构的作用机理。
全文的主要结论如下:1、在大部分试验条件下,在PUA试样表面加工出表面织构均可在一定程度上提高试样的静摩擦系数,同时也可以适当降低试样的粘附力。
在一定条件下,最优参数的表面织构可使试样的静摩擦系数增加53.26%,使粘附力降低30%。
2、接触条件对试样的静摩擦系数影响较小。
随着汗液量的增加,试样的粘附力显著增加,织构的对粘附力的作用效果也逐渐减弱。
在一定范围内,随着预载力的增加,试样的粘附力显著增加。
随着载荷的增加,静摩擦系数显著降低,织构的增摩效果逐渐减弱。
3、随着织构面积率的增加,试样的静摩擦系数与粘附力均逐渐上升。
直径的变化对于PUA试样的静摩擦系数和粘附力均影响较小。
相比于圆凹坑织构,六边形凸起织构具有更好的增摩作用,同时在大部分情况下减粘作用也相
对明显。
本文的研究成果可以为手机、平板等电子设备的外壳表面设计提供丰富的参考。
表面织构创新设计的研究回顾及展望_王静秋
机 械 工 程 学 报JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING 第51卷第23期 2015年12月Vol.51 No.23 Dec. 2015DOI ：10.3901/JME.2015.23.084表面织构创新设计的研究回顾及展望*王静秋1, 2 王晓雷1, 2(1. 南京航空航天大学机电学院 南京 210016；2. 南京航空航天大学江苏省精密与微细制造技术重点实验室 南京 210016)摘要：近十年来，作为一种可以显著提高界面性能的方法，表面织构已成为国内外界面科学领域的一个研究热点。
微细加工技术的进步，使得通过精确控制织构的形状和尺度，优化其界面性能成为可能；仿生技术的发展为表面织构设计提供了源泉；对表面织构作用机制的深化理解促使了其应用领域的扩展。
目前，表面织构的应用已涉及减摩、抗磨、增摩、减振、抗粘附、抗蠕爬等多个领域。
TRIZ 理论认为实现发明创新的基本原理和规律是客观存在的。
人们如果掌握这些原理和规律，就可以能动地进行设计和创新，其结果具有预测性和可控性。
对表面织构的研究进展进行了综述，从TRIZ 理论的角度进行了归纳和总结，并通过TRIZ 理论对表面织构研究的发展趋势进行了展望。
关键词：表面织构；摩擦；磨损；润滑；TRIZ 理论 中图分类号：TH117State of the Art in Innovative Design of Surface TextureWANG Jingqiu 1, 2 WANG Xiaolei 1, 2(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016;2. Key Laboratory of Precision and Micro-Manufacturing Technology, Nanjing University of Aeronautics andAstronautics, Nanjing 210016)Abstract ：Over the past decade, surface texture has received a significant boost in the field of interfacial science since it is proven to be an effective means to improve the properties of interface. The modern micro-machining technology makes it possible to optimize the interface performance by precisely controlling the shape and dimensions of surface texture. The understandings of the principles of bio-systems provide novel concepts and ideas for surface texture design. The discovery on the mechanisms of surface texture enhances the development of surface texture for different applications in industrial fields. Currently, surface texture has been involved in reducing friction, anti-wear, increasing friction, reducing vibration, anti-adhesion, anti-creeping etc. TRIZ is a theory of inventive problem solving, which indicates the objective existence of methodology and principles of innovation process. By mastering the methodology and principles, the innovative designing process could be promoted, and the results could be predictable and controllable. The research progresses of surface texture are reviewed, analyzed, and prospected based on TRIZ theory. Key words ：surface texture ；friction ；wear ；lubrication ；TRIZ theory0 前言无论是在自然界还是推动人类文明进步的各类机械设备中，大部分涉及能量交换、运动和信号传递的物理过程都是通过表面来实现的。
柱塞仿生表面织构设计和密封性能分析
柱塞仿生表面织构设计和密封性能分析
孙博颖;李万钟;王维旭;刘超;任丰伟
【期刊名称】《机电工程技术》
【年(卷),期】2024(53)2
【摘要】排水采气柱塞的密封性能是柱塞气举排水采气工艺的关键。
为研究不同柱塞表面织构对柱塞密封性能的影响,结合仿生学原理,选择矩形槽、圆弧槽、梯形槽、柱状坑和圆弧5种仿生表面织构,通过Computational Fluid Dynamics (CFD)流体模拟方法对柱塞举液上行过程中的气液两相流动进行模拟,对柱塞举液过程中的气液流动进行研究和分析,分析不同表面仿生织构对柱塞与油管壁间隙间流场流体流动和柱塞密封性能的影响。
结果表明,柱塞上行过程中,仿生表面织构加剧了柱塞举液过程中气液两相流体相互作用,在织构区域形成局部湍流,消耗了气体的能量,阻碍了液体的漏失;相比于传统的槽状织构,凹坑状织构柱塞在合适的尺寸下的密封性能更好,模拟范围内密封性能最好的为圆弧坑织构,深6 mm,直径12 mm,周向均布8个。
研究结果可为柱塞表面织构设计和柱塞举液工艺优化提供指导。
【总页数】5页(P94-98)
【作者】孙博颖;李万钟;王维旭;刘超;任丰伟
【作者单位】西安石油大学机械工程学院;宝鸡石油机械有限责任公司;中油国家油气钻井装备工程技术研究中心有限公司钻机所
【正文语种】中文
【中图分类】TE37
【相关文献】
1.含表面织构的O形橡胶密封性能分析
2.沟槽形表面织构对柱塞密封副摩擦性能的影响
3.仿生织构对抽油泵柱塞表面摩擦性能影响
4.轴向柱塞泵柱塞副的摩擦学特性及其表面织构化研究进展
5.表面织构化机械密封热弹流润滑性能分析
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自然界生物的体表微观形貌
2.表面织构的润滑减磨机理
产生附件流体动压 储存和补充润滑介质 捕捉磨损颗粒 提升润滑状态
3.表面织构的应用领域
提升了相对滑动摩擦副的润滑、 减磨性能；延长了产品的使用寿 命；
发动机气缸内部微结构
降低了高尔夫球在运动过程中 的空气阻力，提高了运动过程 中的平稳性；
(b)沟槽圆柱
升力系数曲线图
沟槽平均压力云图
(a)光滑圆柱
升力功率谱密度图
(b)沟槽圆柱
h=0.2,d=1.4,n=32
结论：合理的参数显著降低隔水管绕流的阻力和升力系数
五、结论与展望
结论
实验和理论研究论证了仿生表面织构可有效提升井下工具 润滑、减磨和减阻等摩擦学性能。 基于精密机械、纳秒激光和飞秒激光加工工艺和技术，所 设计的表面织构可有效的布置于井下工具的相对滑动摩擦 副表面。
4.4 织构隔水管绕流减阻－实验研究
雷诺数、织构参数 隔水管试样横向及纵向力分布影响规律
隔水管绕流减阻测试实验装置示意图 发明专利：一种隔水管绕流阻力系数和升力系数的测定装置及方法（ZL201511019556.6 ）
沟槽瞬时速度云图
(a)光滑圆柱
(b)沟槽圆柱
阻力系数曲线图
沟槽平均速度云图
(a)光滑圆柱
无织构 0.11 0.12 0.2
面积比 (%)
0 0.5 1 2
排列 凹坑深度 润滑剂
— 交错 均匀 均匀
h=6～ 10μm
L-CKD 150
初步结论： 直径0.11～0.2mm,面积比0.5% ～ 2%，凹坑深度6 ～ 10μ m的圆柱形柱塞织 构可以显著的提高压裂泵柱塞密封系统的 减磨性能。
2.2 织构类型对柱塞动密封配对副摩擦磨损性能影响
性能较优；
微沟槽织构摩擦系数变化曲线 微沟槽织构磨损量变化曲线
G. Wang, L. Zhong, et al, Proc IMechE Part J:,J Engineering Tribology, 230,7783(2015)
钻头轴承配对副摩擦性能-Stribeck 参数和深径比
摩擦系数随Stribeck 参数的变化
油气装备是石油天然
气勘探开发的重要支 撑，其性能和寿命在 很大程度上影响着石 油的开发成本和安全
一、油气装备工程背景
1 牙轮钻头工程背景
1.1 牙轮钻头结构与工况
井底 高温
一次 性脂 润滑 冲击 重载
工况 恶劣
低速 高压
牙轮钻头结构示意图
牙轮钻头工况示意图
钻头破岩过程模拟
1.2 牙轮钻头轴承失效形式
墨西哥湾隔水管破坏
深水钻井示意图
深水钻井隔水管
安哥拉钻井中隔水管破裂
二、仿生织构摩擦学简介
1.表面织构的概念
表面织构（surface texture）:就是在摩擦副表面加工出
具有一定尺寸、形状和排列的微小结构阵列。
表面织构优异功能：降低摩擦、减小磨损和提高承载能力， 是改善摩擦副摩擦学性能的一种有效手段。
椭圆形凹坑
人字形沟槽
三角形凹坑
钻头滑动轴承缩比模型-优选织构轴颈与光滑轴颈的磨损形貌
合理的织 构参数布 置于轴颈 表面可显 著降低轴 承的粘着 磨损失效。
2.表面织构在柱塞动密封系统减磨应用中研究
2.1表面织构提升柱塞动密封系统润滑性能的可行性
编 号
0# 1# 2# 3#
凹坑直径 （mm）
仿生表面织构及其在 油气装备中的应用
王国荣
西南石油大学
2016-11-5
目 录
一、油气装备的工程背景 二、仿生织构摩擦学的简介 三、仿生织构减磨研究-钻头轴承与柱塞动密封副
四、仿生表面织构减阻研究-深水钻井隔水管 五、总结和展望
一、油气装备工程背景
石油和天然气是目前 一次能源的重要组成 部分
圆形（圆柱形）
椭圆形织构
三角形织构 人字形织构 Submitted the paper to 7th International Conference on Surface Engineering
钻头滑动轴承缩比模型轴颈磨损量-不同织构类型
圆形（圆柱形）凹坑
优选的圆柱 形、椭圆形、 人字形和三 角形沟槽织 构参数可使 钻头滑动轴 承轴颈的减 磨效率提升 41.8%以上。
无织构（左）与优选织构（右）磨损形貌对比
1.6 钻头轴承缩比模型配对副-织构的润滑减磨性能
钻头轴承缩比模型摩擦系数-不同织构类型
面积比5%-30%范 围内，圆柱形、 椭圆形、人字形 和三角形织构显 著提升了钻头轴 承的润滑性能； 针对所测试织构 参数，优选的织 构面积比参数可 使轴承的摩擦系 数降低43.2%以 上。
椭圆形凹坑
十字交叉形沟槽
波浪形沟槽
1.4 钻头轴承配对副表面织构的微加工
机械精密雕刻
纳秒激光雕刻
飞秒激光雕刻
曲面纳秒激光烧蚀- 1.圆形凹坑
2.椭圆形凹坑
3.人字形沟槽
4.三角形凹坑
1.5 钻头轴承（销-盘）配对副-织构的润滑减磨性能
钻头轴承配对副摩擦性能-圆形、椭圆形和微沟槽织构
优选圆柱形凹坑 d=300μm， γ=5.04%， h=40μm； 优选椭圆形凹坑 γ=10.08%；
4.3 织构隔水管绕流减阻－仿真分析
探索隔水管表面布置仿生织构时，表面张力系数、升力系 数、斯特努尔哈数、速度分布和压力分布随织构形状、几 何参数和排列的变化规律，从而对减阻效果较优的表面织 构参数进行优化设计； 模型建立：基于雷诺相似设计模型尺寸。
入口
流速2m/s
出口
织构隔水管绕流减阻数值仿真分析模型
发明专利：织构化牙轮钻头滑动轴承及单元摩擦学性能测试(授权：ZL201310416270.6）
1.2 缩比试验方案
几何相似
基于相似理论的钻头滑动轴承试样设计
索莫菲尔德相似
钻头滑动轴承模拟实验装置
1.3 钻头轴承摩擦副表面织构的设计
低速重载工况下润滑、减磨效果较优织构━引入钻头轴承
圆柱形凹坑
温升曲线
2.3 织构类型对柱塞动密封配对副承载能力的影响
单个凹坑织构的仿真模型
边界条件：进出口 压力均为151.8MPa；移 动速度u=2.24m/s;织构 深度h=35μm；无织构 油膜厚度h0=0.958μm 。
结论：圆柱形、椭圆 形及方形微凹坑的油膜承 载能力显著优于无织构油 膜承载能力。
椭圆形和圆柱形织构摩擦系数变化曲线 优选织构磨损量随深度参数的变化 G. Wang, L. Zhong, et al, Proc IMechE Part J:,J Engineering Tribology, 12,1392(2014)
• 十字交叉形和波浪形 微沟槽织构存在优选 的面积比和夹角使配 对副的摩擦系数减磨
圆形凹坑
椭圆形凹坑
条形沟槽
方形沟槽
2.4 全尺寸织构柱塞试样的纳秒激光加工
全织构柱塞试样纳秒激光加工优选表面织构
发明专利：表面织构化的压裂泵柱塞及其动密封系统性能测试方案(ZL201310423514.3）,授权
四、仿生表面织构减阻研究-深水钻井隔水管
4.1 立管涡激振动抑制装置
旋 转 分 离 盘 旋转整流罩和实物
不适用
附属管线控制
四、仿生表面织构减阻研究-深水钻井隔水管
4.2 基于隔水管涡激振动－织构减阻新构想
洋 流
挠度 h
隔 水 由于洋流阻力作用，引起隔 管 水管轴向应力集中、振动幅
值增大，隔水管寿命降低。
首次提出隔水管浮力材料表面 布置合理织构参数的构想，进 而减小隔水管表面由于洋流引 起的横向力。
一种减小隔水管柱所受洋流阻力的浮力块表面结构(201410626829.2) 一种深水钻井工况下隔水管振动特性模拟试验装置（ ZL2013 2 0248422.1） Q.Y. Liu et al, Natural gas industry,12, 6(2013). S.W. Zhou,et al, China offshore oil and gas,6,1(2013) 国家科技进步特等奖（集体奖，个人第3/单位第5）
塑性变形
磨料磨损
轴承断裂
牙轮钻头轴承失效破坏形式
黏着磨损
2 柱塞泵液力端工程背景
2.1 柱塞泵液力端结构与工况
大功率、大排量
工 况 恶 劣 和 复 杂
高排出压力
冲击动载
交变往复运动
2.1 柱塞泵液力端零部件失效形式
压裂泵液力端是目前出现事故最多、失效最严重的部件。主要表现
为泵阀冲蚀磨损、柱塞密封失效和阀箱疲劳断裂等三个方面；
优选微凹坑磨损量变化曲线
钻头轴承销-盘织构试样优选深径比为0.165和0.483时，润滑、减磨性能较优。
X. He, L. Zhong, et al, Industrial Lubrication and Tribology, 67, 630, 2015
(a) χ = 0
(b) χ = 0.165
展望
基于已有的研究进展，采用改进现有试验平台和修正理论分 析模型相结合的研究方法，开展织构摩擦学性能的研究必将 为仿生织构在井下工具中的应用和推广提供广阔的前景。
敬请各位专家批评指正
谢 谢！
摩擦系数曲线
磨损量曲线
结论： 柱塞试样表面布置有合适几何参数的圆柱 形、椭圆形及方形微凹坑，可显著提升刚 体-弹性体配对副的润滑、减磨性能。
X. He, et al, TRIBOLOGY, 04,364(2014). G.Wang et al, LUBRICATION ENGINEERING,40,17(2015).