摘要
机械部件磨损造成的能量损失巨大，是机械部件可靠性显著降低和服役寿命大幅缩短的关键诱因。仿生学为机械减摩方向提供了一种新的参考方式。近年来，国内外学者利用仿生技术在材料表面加工微结构阵列以达到减阻抗磨、减振、降噪的目的，在材料功能性表面的设计方面取得了丰硕成果。金属多孔材料由于其孔隙结构具有存储润滑油的特殊功能，在少油和乏油润滑等特殊工况下呈现出良好减摩性能。受此启发，本文在金属多孔材料材料表面建立微结构阵列，针对二者耦合作用对机械部件减摩的影响开展研究。 首先，基于一种特殊的金属多孔材料——透气钢。其具有7μm、25μm、35μm三种不同孔径。经过测试：三种孔径样件的孔隙率均约为25%，且含油保持率随着孔径的增大而降低。通过纳米压痕和抗压强度测试，并开展浸油前后多孔材料摩擦磨损实验，结果表明：理论上耐磨性随着孔径增大而降低，但浸油后摩擦系数均明显降低，且25μm孔径试样浸油后摩擦系数最低。 其次，基于鲨鱼皮肤减阻理论，设计、制备多孔材料微结构阵列并开展摩擦行为分析。综合考虑鲨鱼表皮鳞刺参数和线切割加工技术特点，确定三种金属多孔材料微结构阵列的尺寸参数为0.5mm×0.5mm、0.6mm×0.6mm、0.7mm×0.7mm。将三种不同孔径金属多孔材料与三种不同尺寸的阵列结构依次结合，通过摩擦磨损试验机开展试验，并对试验样品的摩擦形貌和摩擦系数进行分析。结果表明：与“浸油”无阵列多孔试样相比，“浸油”微结构阵列多孔试样均具有更低的摩擦系数；当金属多孔材料基底孔径不变时，0.5mm方形微结构阵列具有最低的摩擦系数，且金属多孔材料微结构阵列的摩擦系数随微结构尺寸的增大、密度的减小均呈现逐渐上升趋势；25μm孔径试样在与0.5mm方形微结构阵列的耦合作用下，呈现出相对最低的平均摩擦系数。 最后，为了解决现有摩擦磨损试验机单一恒定负载输出无法满足时变载荷作用下金属多孔材料微结构阵列的减摩特性，研制了一套动态施压微动装置。该装置采用压电驱动器和柔性铰链分别作为驱动器和导向机构，通过调节输入信号频率及振幅来实现载荷的实时变化。利用有限元软件对装置进行静力学分析和模态分析，并对装置静态刚度、动态响应特性进行测试，结果表明，所研制的微动装置能够满足微结构阵列试验中的时变载荷要求。同时对摩擦磨损后的摩擦系数以及磨痕形貌进行分析，验证了金属多孔材料微结构阵列与时变载荷耦合作用具有减摩作用。
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