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关键词： 齿轮泵   磨损故障   变分模态分解   特征选择  

摘要： 齿轮泵性能可靠、结构简单、成本低，广泛用于工程机械的液压系统。然而，持续于恶劣条件下的高压重载荷工况，使得齿轮泵成为较容易发生故障且故障成本较高的元件。为避免故障造成无法挽回的损失，保障液压系统的稳定作业，本文基于数据驱动深入研究齿轮泵的磨损故障诊断方法。　　首先，针对齿轮泵振动信号中的噪声和干扰，引入一种基于算数优化变分模态分解（AOA-VMD）的去噪方法，并通过正弦信号仿真，验证了该方法的优越性。将分解后的相关性较大的内涵模态分量（IMF）进行重构，最大程度的保证原始信息的完整性，并基于重构信号提取故障信息的时域、频域和时频域共28种特征。　　其次，针对重构信号中提取的特征数据维度大，存在无关和冗余特征的问题，采用无限潜在特征选择（ILFS）进行齿轮泵磨损故障特征选择，并与ReliefF和最大相关最小冗余（mRMR）选择结果对比，试验结果验证了ILFS选择的最优特征子集的表达能力和可分性。同时采用t分布随机邻近嵌入（t-SNE）对原始特征进行降维并结果可视化，平衡了特征局部与全局信息的保留，试验结果证明，t-SNE方法分类效果比核主成分分析（KPCA）和线性判别（LDA）方法更好。　　最后，提出两种齿轮泵磨损故障诊断方法。一种是基于沙丘猫优化支持向量机（SCSO-SVM）的齿轮泵磨损故障诊断方法，利用 SCSO 根据特征参数自适应优化SVM 的两个参数以获取最佳诊断效果;另一种是基于秃鹰优化算法（BES）的同步优化特征选择，将优化、特征选择与分类的优势融合，采用BES同步优化SVM参数和完成特征选择，快速、准确的实现最优特征选择与故障诊断。试验结果显示， SCSO-SVM 和 BES 同步优化特征选择比粒子群优化随机森林（PSO-RF）和黏菌优化核极限学习机（SMA-KELM）具有更高的诊断精度和运算效率。

关键词： 浮环密封石墨材料   摩擦磨损   腐蚀-磨损交互   磨损机理  

摘要： 浮环密封石墨材料因具有高机械强度、显著的耐热冲击性、耐磨性、低膨胀系数、低摩擦力和物理性能良好等优点而被广泛应用;但针对不同配对副材料对浮环密封材料摩擦磨损性能的研究尚有欠缺。本文采用球面接触形式探究浮环密封石墨材料摩擦磨损性能,使用Si3N4陶瓷球、Al2O3陶瓷球和GCr15钢球作为摩擦副,利用TRB3摩擦试验机分别进行干摩擦和腐蚀-磨损交互试验。对摩擦系数、磨损体积、磨痕形貌等进行表征,分析浮环密封石墨材料在不同环境工况下的磨损机制,并探讨浮环密封石墨材料的耐磨性能。主要研究内容和结论如下:（1）干摩擦和腐蚀环境中,浮环密封石墨材料的摩擦系数均出现快速上升、波动和稳定三个阶段;其中干摩擦环境中的摩擦系数始终大于腐蚀环境中的摩擦系数;是由于腐蚀环境中的溶液对石墨材料具有润滑减摩的作用,使其摩擦系数均较小。（2）干摩擦和腐蚀环境中,浮环密封石墨材料的磨损体积随着法向载荷的增加而增大;其中腐蚀环境中的磨损体积始终小于干摩擦环境中的磨损体积,且在海水中的磨损体积大于纯水环境,说明海水的腐蚀作用加速浮环密封石墨材料的磨损,在腐蚀与磨损双重作用下,加剧了材料的流失。（3）对比三种对偶球与浮环密封材料在不同法向载荷下的表面轮廓曲线,其中干摩擦环境中,上试样分别为GCr15、Si3N4和Al2O3时,表面轮廓分别呈现“U”形、“V”形和“W”形轮廓;在两种腐蚀环境中,表面轮廓均呈现类似“W”形轮廓。（4）浮环密封材料与GCr15、Si3N4和Al2O3摩擦时,摩擦耗散能和能量磨损系数随着法向载荷的增加呈现上升趋势。当配对副材料的硬度越大时,摩擦耗散能和能量磨损系数越大;说明摩擦配对的材料对整个摩擦进程有较大的影响,摩擦接触区域黏着和滑移条件的改变会导致材料的耐磨性显著降低。（5）浮环密封材料在不同载荷下与三种不同材料的摩擦对发生不同的磨损形式:小载荷下主要为粘着磨损和磨粒磨损,大载荷下则以磨粒磨损和氧化磨损为主;同时,摩擦副表面也出现了材料的转移、剥落和划痕等现象。（6）两种腐蚀液中电化学结果表明:纯水中开路电位低于海水,说明浮环密封石墨材料在纯水中的耐蚀性能高于海水中;纯水中的容抗弧、极化电阻均大于海水,海水中的自腐蚀电位存在不同程度地负移,自腐蚀电流密度略大,说明在海水耐蚀性低于纯水,腐蚀倾向较大。

关键词： 深度学习   小样本学习   刀具磨损   模型融合  

摘要： 随着科学技术的不断进步和工业4.0的不断推进,新兴的技术逐步应用于制造业及相关产业,智能制造已经进入了蓬勃发展的时代。刀具作为智能制造车间中机床的重要组件,其工作状态直接影响到整个加工器件的精度和质量,甚至对所在机床的状态也产生影响。传统刀具状态监测较为依赖丰富的人工经验以及大量的运行时数据,导致其整体的监测成本以及智能化程度存在明显瓶颈。因此,如何对刀具的状态进行有效的监测,是一个重要的研究课题。本文的关注点在于刀具加工过程中刀具的磨损状态,采用刀具主轴的旋转轴和进动轴的电流负载数据作为监测指标,搭建高性能数据采集平台,实时采集实际加工生产过程中的运行数据,并根据数据分析结果对刀具状态做出判断。本文的主要工作如下:(1)提出一种加工阶段数据的自适应提取方案并通过特征提取结合传统分类器对刀具状态进行分类。针对时间戳信息缺失导致无法直接对数据进行插值的问题,利用yolov3网络和动态时间归整算法找出映射关系,并根据映射关系进行插值。在实际生产过程由于网络波动等原因所导致的数据缺失,影响数据提取精度。在有时间戳信息的条件下,本文对数据进行不同的插值操作,并选取最优的插值方式;同时,本文进一步考虑了数据采集过程存在时间戳信息缺失无法直接对数据进行插值的场景。为了解决这一场景,首先通过将序列的序号作为x轴坐标,对应的电流负载数据值为y轴坐标,用二维图表示时序数据,并结合目标检测中的yolov3网络在数据中进行候选框选取。然后,在确定候选框后,利用动态时间归整算法找出候选框与模板之间的映射关系,并根据该映射关系生成待插值序列,再利用线性插值法,对候选框中的数据进行插值。最后对提取到的数据进行时域特征分析,并结合传统机器学习中的分类算法进行刀具磨损状态分析。(2)针对样本特征表述不充分的问题,本文融合了wide&deep架构和深度残差收缩网络,使得网络模型在特征提取阶段能够综合考虑样本数据的高纬度特征和低纬度特征,进一步加强了模型的记忆能力和抗干扰能力。针对数据样本量较少的问题,在融合了wide&deep架构和深度残差收缩网络的基础上,进一步设计了基于wide&deep的深度残差收缩孪生网络、深度残差收缩原型网络以及深度残差收缩关系网络。为了避免单一小样本模型在复杂计算中陷入局部最优困境,对上述模型进行融合分析,提升刀具磨损状态监测模型的准确性。

关键词： 盘式制动器   摩擦-热-磨损耦合   多尺度   磨损机理   磨损寿命预测  

摘要： 盘式制动器是保证轨道列车安全运行的关键部件。轨道列车盘式制动器在高速重载工况制动时,摩擦、热、磨损多个物理现象的相互作用使得制动盘表面易产生摩擦力-热分布不均、摩擦接触区域异常磨损等问题,造成制动器的制动效能减少、可靠性降低,严重影响轨道列车的运行安全。仅通过宏观、细观或者微观单个尺度对制动盘表面磨损研究,无法揭示制动盘表面磨损机理及其作用机制,因此,开展基于摩擦-热-磨损耦合的制动盘微观-细观-宏观多尺度表面磨损机理研究,预测制动盘磨损规律及磨损寿命具有重要意义。本文将宏观-细观-微观三个尺度有机结合,建立了摩擦副微观磨损表面材料损伤模拟分析模型和面向摩擦副分形粗糙表面细观磨损计算分析模型,提出了摩擦副分形粗糙表面的时变磨损迭代计算方法、摩擦-热-磨损耦合作用下制动盘表面磨损分析方法和基于多尺度磨损计算的制动盘磨损寿命预测方法,设计了轨道列车盘式制动器制动盘磨损寿命预测系统。主要研究内容和成果如下:(1)针对摩擦副磨损过程中微观表面所发生的材料破坏和损伤问题,建立了摩擦副微观磨损表面材料损伤模拟分析模型。建立微观材料损伤准则,以离散元表征微观表面摩擦材料。应用具有边界重新映射特征的颗粒流循环方法,建立了滑动摩擦表面损伤离散元仿真模型,获得了滑动摩擦表面损伤所造成的界面间隙变化和滑动摩擦系数的变化规律。(2)针对摩擦副真实粗糙表面相互摩擦过程中产生的磨损现象,建立了面向摩擦副分形粗糙表面的细观磨损计算分析模型。分析摩擦过程中单峰接触状态下微凸峰的弹塑性变形受力状态,获得了微凸峰弹塑性变形判据。建立了分形粗糙表面磨损计算模型,分析了磨损系数和分形参数对表面磨损量和磨损率的影响,以销-盘摩擦磨损试验验证了磨损计算模型,获得了摩擦参数对表面磨损体积和体积磨损率的影响规律。(3)考虑摩擦副表面在磨损过程中表面形貌随时间变化的特点,提出了摩擦副分形粗糙表面时变磨损迭代计算方法。考虑不同摩擦接触状态下粗糙表面所发生的峰值磨损和凹坑刻划现象,建立了磨损表面的时变磨损计算模型和未磨损表面的补偿磨损计算模型,综合描述瞬时磨损量与粗糙表面形貌动态变化的关系。采用图像数字化处理将连续的粗糙表面进行微元化处理,模拟了粗糙表面磨损量和表面形貌的动态变化,获得了摩擦参数对磨损表面稳定性和磨损表面质量的影响规律。(4)针对制动摩擦副在制动过程中制动盘表面不均匀磨损现象,提出了摩擦-热-磨损耦合作用下制动盘表面磨损分析方法。通过分析制动摩擦副表面产热-散热机制,建立了制动盘表面热量转换方程。结合制动摩擦材料本构模型和摩擦界面剪切失效评价标准,建立了摩擦-热-磨损耦合作用下制动盘表面磨损有限元模型,获得了制动过程中制动盘表面磨损分布云图。以盘式制动摩擦磨损试验对制动盘表面的热-磨损结果进行了验证。获得了制动参数对制动盘表面磨损的影响和磨损稳定性的变化规律。(5)针对盘式制动器制动盘表面因磨损到限失效的问题,提出了基于多尺度磨损计算的制动盘磨损寿命预测方法。建立了基于多尺度磨损计算的制动盘磨损寿命预测分析流程。搭建了神经网络预测模型,以仿真磨损结果训练预测模型,建立了制动盘磨损寿命预测模型。设计了轨道列车盘式制动器制动盘磨损寿命预测系统,实现了列车制动盘磨损寿命的程序化预测。本文揭示了摩擦-热-磨损耦合作用下制动盘表面多尺度磨损机理,预测了制动盘表面磨损分布规律以及寿命,为制动盘的设计与制造提供了理论依据,为摩擦副的摩擦磨损研究提供了新的思路。

关键词： 铝材   冷轧   润滑   磨损   轧制油  

摘要： 作为铝板带箔生产的关键技术,工艺润滑决定了产品的尺寸精度和表面质量。传统轧制油以矿物油为基础油,添加适量润滑添加剂。润滑添加剂的抗磨减摩性能在工艺润滑中起主导作用,其性能的发挥受到基础油分子结构的影响,而关于二者配伍性的研究缺乏分子理论依据。近年来,煤制基础油在铝轧制产业中的应用受到普遍关注,但对其摩擦学性能及冷轧润滑性能的研究尚处空白。同时,轧制油中磨损产物是制约轧后表面质量提升的关键因素,对其产生机理及对表面质量影响机制的探究极具科学价值和现实意义。为此,本文开展基础油分子结构与摩擦学行为的相关性研究,探讨其与添加剂的配伍性,深入阐释磨损产物形成机制及影响,并揭示有机分子对轧后表面腐蚀的影响机制: 首先,基于量子化学计算、钢-铝销盘磨损试验和四球试验,揭示了基础油分子结构和润滑性能的依赖性及基础油与添加剂的配伍性。矿物油分子前线轨道分布具有对称性,主要以平行方式发生吸附。煤制油分子最高占有轨道(HOMO)主要分布于碳链主链,而最低未占有轨道(LUMO)仅分布于含支链侧碳链末端,其能以任意方式发生吸附。矿物油和煤制油在钢-铝摩擦副表面的摩擦系数均随载荷增加而减小,随速度增加先减小后增加,且前者摩擦系数对载荷和速度条件更加敏感。煤制油最大无卡咬负荷(PB=88N)低于矿物油(PB=98N),但其与十二烷醇和亚磷酸二正丁酯(DBPI)具有协同润滑性,这也符合量子化学的预测结果。当十二烷醇浓度为2 wt.%时,煤制油体系PB为304N,矿物油为245N;含DBPI煤制油体系PB最大值为1050 N,矿物油为981 N。邻氧萘酮具有优异的抗磨减摩性能,当浓度为0.7 wt.%时,PB达到392N,平均摩擦系数和磨斑直径(WSD)分别降低20.0%和11.9%,其浓度对混合润滑和弹流体润滑影响较大。 其次,采用钢-铝销盘模型,系统研究了在无润滑和基础油润滑条件下的磨损产物结构特征及对基础油的影响。无润滑条件下的磨损机制包括磨粒磨损、粘着磨损和疲劳磨损,而在基础油润滑条件下,粘着磨损被抑制。煤制油润滑后磨损产物的粒径分布更加离散。其中,纳米尺度磨损产物峰值粒径为307nm,低于矿物油润滑(332nm);微米尺度磨损产物峰值粒径为11.2μm、平均粒径为15.3 μm,高于矿物油润滑28.7%和31.9%。磨损产物促进流体对金属表面的润湿,特征符合Cassie-B axter模型。磨损产物导致基础油微分热重曲线在高温侧出现“双峰”特征,使终止挥发温度增加34.4%。 随后,探究了极压剂DBPI的抗磨减摩机理及其诱导的异常磨损产生机制。DBPI导致四球磨斑沿运动方向缩进、形貌由凹陷向凸起结构转变,磨损机理为磨粒磨损和腐蚀磨损。异常磨损发生于0.2 wt.%DBPI以上浓度条件,由DBPI高反应活性、磨损产物结构和轧制油回流产生。DBPI润滑后的磨损产物,微观上,呈“胶囊”结构,非晶壳层由FePO4、Fe3(PO4)2、Fe[DBPI]2、Fe[DBPI]3、磷酸二丁酯和基础油组成,核心为金属磨屑;宏观上,为絮凝结构。基于磨斑运动方向直径(Xi)和垂直运动方向直径(Yi),建立特征参数ε=1/3∑i=1 3 Xi-WSD/WSD和ψ=1/3∑i=13 Y'i/Yi,分别描述X和Y方向异常磨损程度。ε与DBPI浓度及时间呈正相关,ψ与DBPI浓度呈正相关,但与时间无关联。 最后,以矿物油和煤制油为基础油制备的铝轧制油应用于冷轧工艺润滑,使终轧厚度下降3.8%和7.3%,表面面粗糙度降低22.0%和30.5%。通过研究添加剂对轧后表面质量的影响,量子化学计算阐明溶剂化主要作用于噻唑衍生物(BODTA)的全局反应活性,对反应活性位点分布没有影响。BODTA在铝表面的吸附过程中,垂直构型将向水平构型转变,这与水平构型较高的反应活性有关。电化学试验表明低浓度BODTA具有缓蚀性,但高浓度将抑制铝表面钝化。邻氧萘酮在水相和油相的吸附活性高于气相,其通过接受铝表面电子以平行方式吸附于表面,并与表面Al2O3层表现出协同作用,最优缓蚀效率为89.6%。

关键词： 高速激光熔覆   强力旋压   热处理   组织演变   耐磨性  

摘要： 传统工业装备的飞速发展,造成大量的高附加值重型装备进入报废高峰期,加重了资源和能源的浪费。高速激光熔覆采用同步送粉方式,汇聚于基体上方,通过激光束照射快速熔化和冷却,形成与基体成冶金结合的涂层能修复受损零部件,延长其使用寿命。受限于激光熔覆的工艺特点,其成形表面形状和尺寸难以到达使用要求,传统的机械加工方法与激光熔覆技术相结合是目前主要处理手段,但势必会造成涂层材料的浪费。因而表面强化技术被运用于激光熔覆涂层,改善涂层表面质量的同时进一步优化涂层特性。本文以液压支架常用材料27Si Mn钢为基体材料制备Fe-19.66 Cr-2.69Ni-1.06Si-0.1C(wt%)涂层。采用数值模拟的方法,建立强力旋压高速激光熔覆筒型件有限元模型,分析强力旋压作用于涂层表面应力情况、多道次作用后涂层中的应力应变情况及旋轮工作区隆起情况。结果表明:二道次后涂层表面整体较为平整,波动减少,表面质量有了一定的提升,开始出现缩颈现象,已成形区整体压下量到达0.4mm左右,稳旋阶段,表层在旋轮的作用下产生较大的变形,等效应力由361MPa增加至466MPa,对于结合区而言,二道次旋压后增加50MPa,能减少作用力对结合区的影响。在数值模拟的基础上,采用强力数控旋压机进行旋压试验,进行强力旋压高速激光熔覆涂层一、二道次试验,其中各道次均采用压下量为20μm,转速600r/min,进给量2mm/r,利用SEM、XRD、EBSD、TEM等手段研究不同旋压道次下涂层表面形貌、组织演变机理和微观力学性能改变。结论如下:涂层随旋压道次的增加,表层晶粒沿进给方向倾斜,表层组织得到细化,以变形组织为主分布在表层中,随道次增加,变形组织占比增多,出现了较多的低角晶界和几何位错。强力旋压能有效地改善熔覆层的宏观成形质量,旋轮多次作用,涂层表面波峰金属向波谷流动,降低了熔覆层的表面粗糙度。晶粒细化和位错密度增加的共同作用使表层的显微硬度提高,进一步摩擦磨损测试表明,强力旋压后磨损机制的转变,有利于提升涂层耐磨性。然而,旋压过程中涂层表面发生较大的塑性变形,形成冷变形织构,致使在成形涂层中存在较大残余应力。通过在350℃、450℃、550℃退火两小时后,对其残余应力、显微硬度、耐磨性等进行测定。结果表明,热处理后,涂层中残余应力明显降低,在试验参数范围内熔覆层表层硬度随温度的升高而出现一定的下降。350℃去应力退火后,枝状共晶得到均匀细化,组织变得更加致密且位错密度降低,材料的强度下降但塑形有所提高,表现出更优异的耐磨性。综上,本文利用强力旋压工艺对高速激光熔覆涂层进行后处理,研究了旋压道次对涂层耐磨性的影响,揭示了强力旋压激光熔覆涂层的微观结构及组织演变,拟改善熔覆涂层的表面形貌和粗糙度,并进一步提升耐磨性,为涂层后处理提供新的方案,有助于拓宽强力旋压的应用领域,并推动高速激光熔覆的应用和发展。

关键词： 管道磨损   数值模拟   充填弯管   磨损机理   减磨措施  

摘要： 目前,充填采矿法是矿山应用最广泛的开采方式之一。管道输送是充填系统最重要的环节,在管输过程中管道磨损、堵管和爆管等事故时有发生,其中管道磨损最为普遍。弯管作为充填管道重要组成部分,也是充填管道最易磨损的部位。本文以固液两相流和流变学为理论基础,通过室内实验和数值模拟的方法,研究了各因素对弯管磨损速率的影响规律,揭示了充填弯管的磨损机理,并提出了降低管道磨损的措施,主要研究内容和成果如下。 利用尾砂物化特性实验,发现了尾砂粒径分布较广、级配良好、尾砂中硫含量较低,能满足充填体力学强度需求及输送性能要求,可作为充填骨料。通过流变仪实验得到了充填料浆的屈服应力和粘度系数。利用塌落度实验确定了满足管输过程中流动性能要求的充填料浆为灰砂比1:6、浓度70%～76%。 对充填料浆中颗粒的运动状态进行分析,得到了颗粒的推移运动对弯管造成的磨损最严重。探究了料浆浓度、料浆流速、弯管曲率半径对弯管磨损速率的影响规律:弯管磨损速率与料浆浓度、弯管曲率半径呈负相关关系,与料浆流速呈正相关。对颗粒与管壁之间的相互作用力进行分析,揭示了充填弯管的磨损机理。 从优化充填参数和改变管道布置方式两方面,提出了降低管道磨损的措施。对充填参数进行优化,得到了最佳充填条件为灰砂比1:6、浓度74%、流速1.2m/s、曲率半径250mm。设计了多台阶管道布置方式,得到了三段台阶管道布置的充填弯管使用期限最长。在最优充填参数和管道布置条件下,充填弯管的使用期限为18456h。 该论文有图87幅,表11个,参考文献127篇。

摘要： 可靠性作为衡量产品质量的六大特性之一，它是指产品在规定的条件下和时间区间内，完成规定功能的能力。故障模式及影响分析（Mode and Effect Analysis，以下简称FMEA）就是从可靠性角度对设计和工艺进行详细评价。FMEA是进行系统可靠性设计的一种重要方法。自设计阶段开始，就通过分析，预测设计、过程中潜在的故障，研究故障的原因及其后果，并采取必要的预防措施，以避免或减少这些潜在的故障，从而提高产品、过程的可靠性。

关键词： 转载点   带式输送机   防堆煤   有限元分析   离散元仿真   正交实验  

摘要： 带式输送机是煤矿最理想的高效连续运输设备,已成为煤炭开采机电一体化技术与装备的关键设备。在井下煤炭长时间连续运输过程中,特别是在上、下级带式输送机转载点,容易发生堆煤事故;且煤炭下落产生的冲击较大,容易导致皮带受力不均,加剧皮带损伤甚至引起撕裂事故,影响正常生产运输。故针对以上问题,拟设计一种在转载点保护皮带的装置,以减小冲击破坏、防止堆煤。本文的主要研究工作有:1.简要分析了转载点下落物体产生冲击的理论及发生堆煤事故处的输送皮带受力情况,初步得到了影响下落冲击及输送带受力情况的各因素之间的关系式,为后续机械装置的设计奠定基础。2.结合设计目标及工作要求,设计一种可安装在下级带式输送机落煤位置的防堆煤装置,在Solidworks中完成装配体模型的建立。装置的主要零部件材料选择Q235B与45号钢,采用液压动力源驱动,以煤炭的压力变化为衡量指标,控制液压杆伸缩来控制动作方式,实现实时调节、防止堆积的功能。3.对防堆煤装置的等效四杆机构进行力学特性分析,得到相关力学特性的方程表达式;使用有限元仿真软件,对装置的主体结构进行了静力学特性分析,经验证其结构的强度和刚度符合要求;对动作机构进行疲劳分析,经验证其长时间连续工作时稳定可靠;进行模态和运动学特性分析,验证其动态特性符合要求。4.在EDEM中建立转载点落煤经防堆煤结构后对下级输送皮带的冲击仿真实验环境,通过控制变量的方法研究单个因素对冲击作用的影响进行仿真实验,初步得到单个性能参数对仿真结果的影响。利用Design Expert 12进行正交实验方案设计,进行多组正交仿真实验,利用响应面法得到落煤冲击力与接货溜板倾角、送料量和颗粒粒径大小三个变量参数的拟合函数表达式,通过方差、残差等评价指标验证该表达式。该论文有图67幅,表17个,参考文献68篇。

关键词： 动力系统   表面织构   润滑模式   摩擦   磨损  

摘要： 随着汽车动力系统向低碳化、高速化和多元化发展,对高效发动机、变速箱、驱动电机等核心部件的动力性和耐久可靠性等要求更高,动力系统中的关键零部件润滑减摩设计一直是其性能品质提升的关键。由于工况特点和润滑需求差异,动力总成系统中关键摩擦副的润滑摩擦问题复杂而多变,且工作过程中存在边界润滑、混合润滑、弹流润滑和流体动压润滑四种典型润滑模式的转换,寻求复杂工况和多种润滑模式下的润滑减摩方法和创新性设计成为研究热点和难点。基于此,论文从关键摩擦副的“表面微观控形”技术出发,针对动力系统摩擦副工程实际表面形貌特征与润滑条件的多样性,构建织构化摩擦副润滑理论模型并进行模拟计算,阐明表面织构在不同润滑模式下的作用机理,结合基础摩擦学试验分析摩擦系数Stribeck曲线的迁移规律,形成表面织构多重润滑模式下的优化设计方法;并以混合动力总成系统的核心部件专用发动机和变速箱离合器为对象,根据其关键摩擦副工况特点分别进行表面织构功能差异化设计,以改善润滑摩擦性能并提升动力系统机械效率等综合性能。主要研究成果如下:(1)针对动力总成关键摩擦副工作过程中润滑条件划分的四种典型润滑模式,构建多重润滑模式下织构化摩擦副润滑理论模型,为表面织构润滑摩擦性能模拟计算研究提供理论基础。在雷诺方程的基础上添加压力和剪切流量因子以考虑表面粗糙度的影响,并引入接触因子以考虑微凸体相互接触的影响,建立织构化摩擦副面接触润滑理论模型,采用有限差分法结合多重网格法进行求解,实现边界、混合及流体动压润滑模式下摩擦副润滑性能模拟计算;根据线接触弹性变形理论基础,以雷诺方程为控制方程,建立织构化摩擦副线接触弹流润滑理论模型,利用Newton-Raphson迭代方法计算求解,并制定求解流程,实现弹流润滑模式下摩擦副润滑性能模拟计算。(2)开展多重润滑模式下织构化摩擦副润滑性能模拟计算,考察表面织构特征参数对摩擦副润滑摩擦性能的影响,分析表面织构在边界、混合、流体动压和弹流润滑模式下的作用规律,形成典型润滑模式下表面织构的优化设计方法。计算结果表明:对于织构化面接触滑动摩擦副,随着相对滑动速度的增大,润滑模式渐次由边界润滑向混合润滑,再向流体动压润滑切换,表面织构的润滑作用主要体现为提高油膜厚度和承载能力,从而降低摩擦。其中,在边界和混合润滑模式下,随着凹坑深度的减小或面积占有率的增大,油膜压力提高而微凸体压力降低,有利于减小微凸体接触,改善表面摩擦磨损性能;在流体动压润滑模式下,摩擦系数随着凹坑面积占有率增大而增大,小深度(3μm)和面积占有率(5%)的凹坑在各工况下综合减摩效果更好。对于织构化线接触摩擦副,弹流润滑模式下油膜厚度分布沿着弹性变形区域增大,且织构表面油膜压力在中部区域出现多个压力峰,表面织构合适的深度(4-5μm)和直径(30-70μm)可获得较大油膜厚度和压力,能在不同工况下表现出良好的润滑作用。(3)根据数值模拟计算结果,利用激光表面织构技术加工了不同参数织构方案,开展基础摩擦学试验对表面织构的润滑减摩效果进行分析和验证。摩擦试验结果显示:与无织构摩擦副相比,表面织构优化设计的摩擦副摩擦系数在各轴承特性系数下较小,即织构摩擦副多重润滑模式下的Stribeck曲线向左下方(低速区域)迁移,表明表面织构的存在可以改善摩擦副润滑性能。对于面接触油润滑摩擦副而言,小深度(或小深径比)和小面积占有率的凹坑织构在边界、混合和流体动压润滑模式下可获得低摩擦全域优化效果;对于线接触油润滑摩擦副而言,合适的凹坑直径能够有效衔接多种类型工况,较大深度和面积占有率的凹坑织构在弹流润滑模式下可降低摩擦,与模拟计算结果一致。磨损试验结果显示:织构表面的微凹坑可以储存润滑介质,在摩擦表面逐渐磨损的进程中持续释放以提供一定的润滑作用,且凹坑微结构还可以捕获一些表面磨损碎屑,从而缓解磨粒磨损的进程,因而织构深度较大且密度较高的表面具有更好的抗磨损性能。基础摩擦学试验验证了织构表面在多重润滑模式下的减摩和耐磨性能,为动力总成通用零部件关键摩擦副表面织构的减摩耐磨设计提供依据。(4)基于混和动力专用发动机米勒循环工况特点,开展了缸套非高斯表面织构耦合设计和润滑适应性研究。通过搭建织构化缸套活塞环润滑理论模型,研究粗糙度非高斯分布的缸套表面织构在不同润滑模式下的影响规律,并对织构参数进行优化设计,模拟计算结果表明对于该专用发动机缸套-活塞环摩擦副的不同润滑模式,缸套表面凹坑织构深径比控制在0.07-0.13之间、面积占有率在5%-10%之间较为合适。同时,缸套表面织构可以弱化润滑油稀释对多重润滑模式下摩擦性能的差异性影响,有效缩小瞬时摩擦功率的变动幅度,降低微凸体接触压力和摩擦,减小缸套活塞环摩擦损失约16.2%-20.3%,体现出对系统摩擦损失的调节能力和对润滑油稀释的适应性。利用激光织构方法实现产品