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安徽工业大学研究生创新研究基金项目立项申请书项目编号：项目名称：项目申请人：所在院系：联系电话：申请日期：申请类别□竞赛项目■研究项目填表说明1、申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。2、表内签名处一律用黑色水笔或钢笔填写，字迹要端正、清楚。3、项目编号由研究生创新基金管委会编写。4、立项申请书电子版可发送邮箱：安徽工业大学研究生创新研究基金立项申请书简表项目名称项目编号起止年月2015年9月至2017年6月学科领域项目来源与导师研究方向及在研课题的关系项目研究来源于企业产品设计中面临的技术难题，相关研究内容属于导师关注的研究方向，与导师在研课题没有直接联系。申请金额（元）批准金额（元）导师配套金额（元）申请人姓名性别■男□女出生年月1992年09月专业年级联系地址机械楼345电话手机指导教师姓名性别职称所在院系联系方式男教授主要研究内容及意义大量的理论和试验研究证明，在摩擦副表面加工合理的非光滑表面特征是一种改善摩擦特性的有效方法。缝隙流动广泛存在于马达、阀等液压元件中，如何在保证其润滑性的同时保证其密封性一直是研究热点。本项目针对非光滑表面特征在圆柱表面上的应用，探究改善环形缝隙流动流动行为的新方法。本项目将会对环形缝隙流动各种工况进行总结，结合CFD仿真和流动试验分析，探究各种非光滑表面特征对环形缝隙流动的影响规律，从而为非光滑表面特征在缝隙流动中应用开发提供参考。立论依据项目的研究意义、国内外研究现状分析，附主要的参考文献研究意义环形缝隙的存在十分广泛，如何在保证其润滑性的同时保证其密封性一直是研究热点，尤其随着液压机械向着高速高压方向发展，对于机械的密封性，润滑性和稳定性有了更大的要求。减小流量和保持充分润滑是提高液压机械使用效率，延长其使用寿命和保证其性能稳定性的关键。非光滑表面特征为解决润滑性和密封性之间的平衡问题上提供了新的方向。上世纪六十年代出现的非光滑表面特征技术为摩擦学领域开辟了新的研究空间，并成为近年来摩擦学领域的研究热点。随着先进加工技术的发展和应用，表面特征的加工成本越来越低，原本只存在于实验室研究的非光滑表面特征设计方案，开始逐渐应用于各类型机械零件产品设计过程中。本项目拟将非光滑表面特征应用到环形缝隙流动中，探究非光滑表面特征对于缝隙流动流动行为的影响规律。国内外研究现状分析通过大量理论试验研究和实践证明，在摩擦副接触面上加工有规则的表面特征，将会有很好的减摩，减阻效果。任露全[1-2]，孙久荣[3]等总结出了凹坑非光滑，凸包非光滑，波纹非光滑，鳞片非光滑四种典型的非光滑表面特征，并考虑到转速、负荷、时间等因素对其进行了试验研究，结果表明其耐磨性和脱附性有明显提升。各国学者从摩擦润滑机理上研究解释了非光滑表面特征的工作原理，非光滑表面表面特征在不同条件下分别起到如下效果：充当微小动压润滑轴承，增强动压效应而提高承载能力；充当润滑剂储存器，提供持续润滑及捕获磨损粒子而减小犁沟；充当微型刀具，平整摩擦表面而加速磨合；充当易变形体，改善应力分布而提高可靠性和寿命。[4-6]针对在空气流体中的非光滑表面特征的作用，黄海鹏[7]研究了在空气流体中旋成体叶序排布非光滑表面的减阻效果，通过数值分析和仿真模拟试验，从非光滑点的排布位置，凹坑直径，来流速度等方面分析减阻规律。宋娟娟[8]研究了在风力机叶片上肋条非光滑表面特征对风力机工作性能的影响，通过数值分析，CFD仿真和风洞试验，表明肋条非光滑表面特征有引导气流沿弦向前进，改善叶片表面的流动分离状态，减小扰流器前后附近位置处压力面的逆压梯度等作用。以上研究说明非光滑表面特征在空气流体中可以改变空气的流动行为，由此可以类推假设在液体流体中，非光滑表面特征也有相似的作用。对于液体流体，非光滑表面特征的研究主要分为凸型特征和凹形特征两个方向。周传玺[9]和穆谦[10]使用光刻技术在硅胶上制备微小凸起，通过数值分析和试验研究，分析了在不同润滑条件和相对速度下，具有不同形状，直径，面积率等因素微凸起对于摩擦润滑性能的影响。结果表明，微凸起对硅胶，橡胶等软材料有显著的减摩作用。而对于凹型的研究，大多集中在沟槽型和微凹坑型非光滑表面特征上。实际上已经越来越多的柱塞泵会在其柱塞表面上加工毫米级沟槽型纹路。而S.Kumar[11]通过CFD仿真分析方法，考虑了柱塞的倾斜和偏心，研究了不同的柱塞直径和不同的沟槽深度，宽度，布置对于缝隙流动的压力布置，泄漏量，力矩的影响。王光煜[12]则设计了一种螺旋沟槽织构，并通过数值分析和试验，对比应力、应变、摩擦系数、温升，磨损状况等因素，研究了螺旋织构特征对柱塞-铜套摩擦副接触行为在不同载荷和速度下的影响。于海武[13]基于Reynolds方程建立了表面织构的流体动压润滑模型，利用数值法对其求解，并设计了织构化表面减摩试验，研究了表面织构参数，微凹坑形状以及微凹坑排布方式对织构表面润滑减摩性能的影响。李媛等[14]人设计制造了表面微凹坑面积占有率不同，表面高度算术平均值相同的试件，针对油润滑和脂润滑，在不同工况下进行了试验研究，结果表明在油润滑条件下表面形貌的微观结构特性对摩擦的影响更显著。张恩阳[15]针对流体动压润滑状态下的油膜厚度，从微凹坑的直径，面积率，排布方式和深度四个方面，研究了微凹坑型织构对油膜厚度特性的影响规律，同时通过建立的承载力分析模型，得到了油膜承载特性，进一步分析了微凹坑型织构改善摩擦副润滑性能的作用机理。以上的研究证明凹型表面特征在金属等硬材质上有很好的减摩减阻的作用，但是以上研究都是在平面板上加工表面特征。针对具体的圆柱面接触摩擦副，敏等[16]在雷诺方程的基础上对缸套－活塞环润滑系统进行数学建模并对单个微坑的润滑状况进行分析计算，运用MATLAB软件对圆形坑口的球形、椭球形、圆锥形及椭圆抛物面形微坑的润滑状况进行有限元分析，结果表明椭圆形微凹坑的油膜承载力最大；刘一静[17]利用微细电解加工技术在真实的活塞裙部表面制作了制作了不同之间，不同深度的微米级表面织构，并进行了摩擦磨损试验研究，结果表明表面织构在活塞-缸套摩擦过程中表现出了很好的减摩效果；杨华蕊[18]建立了JFO空化边界条件下表面织构化滑动轴承的润滑模型和表面织构化滑动轴承的确定性混合润滑模型，数值求解了广义Reynolds方程，并提出了磨损的计算方法。计算结果表明，部分分布织构轴承的润滑性能优于完全分布织构轴承，但轴承承载力会有所降低，磨损范围会增大。因此可以得知，凹形非表面特征在各种摩擦副上都有很好的减摩减阻作用。既然非光滑表面特征可以有效的减少摩擦阻力，那么它对于摩擦副之间润滑油的流动行为一定产生了影响。因此将其应用到缝隙流动中，研究其对于流动行为的影响规律，从而应用它来减小缝隙泄漏量和增加密封性。而环形缝隙流动在液压元件中广泛存在，对其进行研究具有代表性。环形缝隙流动的间隙尺寸一般是微米级，其流动特性对于泄漏量和润滑情况有着重要影响。根据平行板理论公式做出变通，可以得出同心环形缝隙流理论公式[19]。而许贤良等[20]人引用粘性流体力学的N-S方程在圆柱坐标系中形式，考虑到同心环形缝隙流中粘性力为主导条件，忽略惯性力和质量力，并考虑到流动的对称性，得出了流体运动微分方程，并进一步推导了速度分布和流量压差方程。在实际工作情况中，环形缝隙多数情况下都不是同心的，存在一定的倾斜和偏心。胡仁喜等[21]人建立了基于柱塞倾斜角度和偏心距离的柱塞副倾斜偏心圆环缝隙泄漏流场数学模型，并结合柱塞副动力学分析结果，利用动压支撑理论确定了倾斜偏心泄漏流场数学模型中的倾斜角度和偏心距离。王东等[22]人则考虑了柱塞密封长度的变化，对柱塞与缸孔间环形间隙流动流量公式进行了修正，得出了修正系数的计算公式，从而可以求出柱塞本中缝隙流动的平均流量和瞬态流量；王智慧等[23]人用辛普森公式计算压力的积分讨论了供油压力，主轴转速，往复运动速度等参数改变时，柱塞自转速度对油膜承载能力的影响，得出高压情况下，自转对承载能力影响不大，低压高速情况下，自转的影响显著的结论。所以就以上研究现状，系统的分析在各种工况下，圆柱非光滑表面特征对缝隙流动行为的影响，利用模拟仿真和试验研究，主要针对流量变化和压力分布，总结表面特征的各种因素对环形缝隙流动流动行为的影响，为改善缝隙流动行为的开发设计提供参考。参考文献[1]任露泉，王再宙，韩志武.仿生非光滑表面滑动摩擦磨损试验研究[J].农业机械学报，2003（2）：86-90.[2]田丽梅，任露泉，韩志武，施卫平，丛茜.仿生非光滑表面脱附与减阻技术在工程上的应用[J].农业机械学报，2005（3）：138-143.[3]孙久荣，戴振东.非光滑表面仿生学[J].自然科学进展，2008（3）：241-247.[4]李袭.往复运动下仿生非光滑表面耐磨性能研究[D].浙江：浙江大学，2014.1:59-70.[5]WangXL,KatoK,AdachiK,etal.LoadscarryingcapacitymapforthesurfacetexturedesignofSiCthrustbearingslidinginwater[J].TribologyInternational,2003,36:189-197.[6]马晨波,朱华,历建全.摩擦副不同表面织构化的润滑减摩性能试验研究[J].中国矿业大学学报,2010,39：245-248.[7]黄海鹏.仿生非光滑表面湍流场的数值模拟及减阻机理分析[D].吉林：吉林大学，2003.9：9-52[8]宋娟娟.非光滑表面湍流减阻及流动控制研究[D].中国科学院研究所院，2012.6:18-80.[9]周传玺.微凸起阵列对PDMS表面摩擦特性的影响研究[D].南京：南京航天航空大学，2012.3：18-57.[10]穆谦.仿生六边形微凸起织构的摩擦学特性研究[D].南京：南京航天航空大学，2012.3:20-65.[11]S.Kumar,J.M.Bergada.TheeffetofpistongroovesperformanceinanaxialpistonxiaCFDanalysis[J].InternationalJournalofMechanicalSciences,2013：168-179.[12]王光煜.螺旋沟槽式柱塞-铜套接触与摩擦特性研究[D].马鞍山：安徽工业大学，2015：28-50.[13]于海武，基于流体动压润滑效应的表面织构优化设计[D].南京：南京航空航天科技大学，2011.11：4-80.[14]李媛，刘小君，张彦，面接触条件下织构表面摩擦特性研究[J].机械工程学报，20.1.10（19）：109-106.[15]张恩阳，表面微凹坑阵列对流体动压润滑性能的影响[D].南京：南京航空航天科技大学，2010：26-55.[16]柯敏，祝锡晶，王建青，不同造型微坑的动压润滑性能分析[J].润滑和密封.2013.11(11)：60-64.[17]刘一静,袁明超,王晓雷.表面织构对发动机活塞/缸套摩擦性能的影响[J].中国矿业大学学报,2009,38：866-871.[18]杨华蕊.表面织构及气油两相流对滑动轴承性能的影响研究[D].北京：北京理工大学，2014.1：6-41.[19]张也影.流体力学（第二版）[M].北京：高等教育出版社，1999：358-380.[20]许贤良,朱兵,张军等.同心环形缝隙流理论研究[J].安徽理工大学学报.2004(3)：40-42.[21]胡仁喜,苑士华,刘红宁等.高压高速条件下柱塞副泄漏流场分析[J].农业机械学报，2009(4):221-226.[22]王东,李壮云,朱玉泉.柱塞泵柱塞摩擦副泄漏流量的分析[J].液压气动与密封，2002.4(2)：22-23.[23]王智慧,苑士华,彭增雄.柱塞自转对油膜承载能力的影响[J].北京理工大学学报，2012.4（4）：381-385.研究方案1.研究目标、研究内容和拟解决的关键问题研究目标通过仿真分析和试验研究圆柱体非光滑表面特征对缝隙流动行为的影响，考虑环形缝隙的实际工况，主要