>2014—2015机械工程学科发展报告(摩擦学) 通过专门的软件与零件原始设计尺寸参数进行比对反求,得到再制造毛坯缺损区域的形状 尺寸信息,通过3D打印技术逐层堆积恢复零件形状和尺寸精度实现再制造。特别是以材 料去除为主要损伤形式的装备摩擦学零件,3D打印再制造技术可实现再制造毛坯表层三 维体积损伤的高效率、高可靠和高精度修复N 装甲兵工程学院、西北工业大学、哈尔滨工业大学等单位以及相关企业都大力开展了 关键零部件和高附加值工业装备的3D打印研究与应用。针对汽车、冶金、工程机械等领 域大量装备磨损和疲劳失效问题,装甲兵工程学院朱胜等与相关企业联合开展3D打印再 制造技术攻关,攻克了汽车发动机5C件(连杆、曲轴、凸轮轴、缸体、缸盖)、冶金生 产线大型轧辊和转子、混凝土泵车油缸活塞杄、挖掘机臂架等裝备关键零部件摩擦磨损的 高质量、高效率修复难题。 (4)材料表面摩擦状态监测智能涂层技术 摩擦运转零件服役过程中,表层材料的工作状态难于掌控。传统的材料级(标准试 样)的磨损试验和接触疲劳试验多以振动、摩擦系数、温度等因素的异常变化作为评估材 料摩擦磨损状态的特征量,当选定的判定因素超过了预设的门槛值,视为材料发生了失 效,然后对失效部位进行微观分析,通过经验或经典理论反向推断失效机理,完成“事后 判断”。这种“事后判断”方法不能显示材料失效演变过程,也不能掌握材料临界失效状 态以便进行失效预警n。 近年来,装甲兵工程学院、河北工业大学等单位尝试利用材料压电效应,在零件表面 制备既具有耐磨损、抗疲劳性能,又具有压电传感性能的复合涂层。通过研究压电传感层 的输出信号与摩擦副接触状态、零件表面完整性的映射关系,力图实现对材料表面裂纹萌 生、扩展和材料去除行为的动态捕捉。目前的研究主要集中于传感涂层磨损和疲劳失效 机理、传感信号特征量和门槛值的选取、实际服役工况下传感信号的提取和传输等科学 问题 2.陆地交遁领域摩擦学 (1)汽车摩擦学 汽车涉及大量的摩擦学系统,如动力系统、运动系统、传动系统和制动系统等。 第一,汽车发动机摩擦学。发动杋摩擦学设计:针对活塞环-缸套的工况特殊,摩 擦润滑分析考虑弹性变形及温度场、润滑油中颗粒以及表面形貌等因素,指导了环宽及廓 面形状设计、减少环数以及润滑油的系统最佳化设计。摩擦润滑分析和活塞系统动力学方 程结合,并全面考虑力变形和热变形影响,实现对二阶运动准确描述∞,指导活塞裙部 型线优化设计、涂层减摩和减振降噪。针对配气机构,在耐磨涂层、减小接触力设计,以 及耦合润滑理论和动力学的高速凸轮机构设计等方面取得进展。针对表面织构的摩擦学设 计,在表面形貌功能特性和结构特性,及其在混合润滑和边界润滑下的效应方面取得明显 进展。开发和借助仿真工具从摩擦学的系统依赖性、时变性和多学科耦合角度,对发动机 摩擦学系统性能进行评估和优化
18 2014— 2015 机械工程学科发展报告（摩擦学） 通过专门的软件与零件原始设计尺寸参数进行比对反求，得到再制造毛坯缺损区域的形状 尺寸信息，通过 3D 打印技术逐层堆积恢复零件形状和尺寸精度实现再制造。特别是以材 料去除为主要损伤形式的装备摩擦学零件，3D 打印再制造技术可实现再制造毛坯表层三 维体积损伤的高效率、高可靠和高精度修复［78］。 装甲兵工程学院、西北工业大学、哈尔滨工业大学等单位以及相关企业都大力开展了 关键零部件和高附加值工业装备的 3D 打印研究与应用。针对汽车、冶金、工程机械等领 域大量装备磨损和疲劳失效问题，装甲兵工程学院朱胜等与相关企业联合开展 3D 打印再 制造技术攻关，攻克了汽车发动机 5C 件（连杆、曲轴、凸轮轴、缸体、缸盖）、冶金生 产线大型轧辊和转子、混凝土泵车油缸活塞杆、挖掘机臂架等装备关键零部件摩擦磨损的 高质量、高效率修复难题。 （4）材料表面摩擦状态监测智能涂层技术 摩擦运转零件服役过程中，表层材料的工作状态难于掌控。传统的材料级（标准试 样）的磨损试验和接触疲劳试验多以振动、摩擦系数、温度等因素的异常变化作为评估材 料摩擦磨损状态的特征量，当选定的判定因素超过了预设的门槛值，视为材料发生了失 效，然后对失效部位进行微观分析，通过经验或经典理论反向推断失效机理，完成“事后 判断”。这种“事后判断”方法不能显示材料失效演变过程，也不能掌握材料临界失效状 态以便进行失效预警［79］。 近年来，装甲兵工程学院、河北工业大学等单位尝试利用材料压电效应，在零件表面 制备既具有耐磨损、抗疲劳性能，又具有压电传感性能的复合涂层。通过研究压电传感层 的输出信号与摩擦副接触状态、零件表面完整性的映射关系，力图实现对材料表面裂纹萌 生、扩展和材料去除行为的动态捕捉。目前的研究主要集中于传感涂层磨损和疲劳失效 机理、传感信号特征量和门槛值的选取、实际服役工况下传感信号的提取和传输等科学 问题。 2. 陆地交通领域摩擦学 （1）汽车摩擦学 汽车涉及大量的摩擦学系统，如动力系统、运动系统、传动系统和制动系统等。 第一，汽车发动机摩擦学。发动机摩擦学设计：针对活塞环 - 缸套的工况特殊，摩 擦润滑分析考虑弹性变形及温度场、润滑油中颗粒以及表面形貌等因素，指导了环宽及廓 面形状设计、减少环数以及润滑油的系统最佳化设计。摩擦润滑分析和活塞系统动力学方 程结合，并全面考虑力变形和热变形影响，实现对二阶运动准确描述［80］，指导活塞裙部 型线优化设计、涂层减摩和减振降噪。针对配气机构，在耐磨涂层、减小接触力设计，以 及耦合润滑理论和动力学的高速凸轮机构设计等方面取得进展。针对表面织构的摩擦学设 计，在表面形貌功能特性和结构特性，及其在混合润滑和边界润滑下的效应方面取得明显 进展。开发和借助仿真工具从摩擦学的系统依赖性、时变性和多学科耦合角度，对发动机 摩擦学系统性能进行评估和优化
综合报告 发动机摩擦学新材料、新工艺研究:开发出高硅过共晶铝合金的缸体/缸筒材料、轻 量化基材以及高性能减摩自润滑材料,显著减少摩擦损失。采用物理、化学或物理化学等 新型表面处理技术手段提升表面性能是近年来的主要特征,包括复合镀膜、超音速火焰喷 涂、气相沉积、类金刚石涂层等。 发动机摩擦学测试技术硏究:开发活塞组-缸套摩擦力无线遥测系统,在倒拖及点火 工况下可实现活塞组-缸套摩擦力的测量M。在发动机台架试验中,采用在线铁谱技术 建立多元分析指标的磨粒图像描述体系用以分析发动机磨损情况。 第二,汽车制动摩擦学。多重混杂增强纤维硏究:开展了多重混杂纤维增强汽车制动 摩擦材料的硏究,用剑麻纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、各种陶瓷纤维和矿物纤维等替代 钢纤维 高性能黏结剂体系研究:利用金属粉末或金属硫化物在髙温下具有的特殊性能,减少 树脂在摩擦材料中的使用比例,弥补树脂及橡胶在高温下的不足。 轻量化无污染研究:开展较低密度刹车片材料的研究,获得了重量轻、体积小、制动 更安全的新型陶瓷型刹车片。 第三,汽车轮胎/地面摩擦学。轮胎材料研究:进展主要体现在新材料研发与应用、 轮胎结构设计优化和生产装备改进3个方面。如出现了一系列抗湿滑、降低滚动阻力和省 油的改性丁苯橡胶(SBR)、顺丁橡胶(BR)和异戊橡胶(IR)、丁基橡胶(IR)。 轮胎与路面匹配关系研究:基于分形理论建立了路面不平度的再现模型和橡胶粗糙路 面接触面积改进模型。考虑路面形貌的三维表征和固体颗粒对轮胎的湿附着性能,建立了 基于平均流量方程的轮胎-路面滑水模型,可用于分析轮胎湿附着性能2。采用胎面单 元侧向刚度能量法建立轮胎多边形磨损动力学模型,揭示了多边形磨损机理。 第四,汽车润滑系统摩擦学。活塞环-缸套的润滑理论计算模型:平均流量模型- 三维粗糙表面参数由统计参数表达,引进压力和剪切流量因子,建立了平均 Reynolds方程 粗糙表面润滑分析。确定性模型——Hu-zhu模型可以精确求解混合润滑区域内每个点的 膜厚和压力信息。 滑膜的测量:电容法、荧光法、超声波法等技术实现了汽车典型润滑零部件间油膜 厚度的测量,尤其是活塞环一缸套润滑副。 碳基固体膜润滑或固液复合膜润滑技术:类金刚石薄膜( diamond like carbon,简称 DC)或类富勒烯碳薄膜比αrN涂层,大大降低了活塞环摩擦功耗、磨损率、噪声,改善 密封性。DC薄膜与特定的润滑油脂和添加剂所形成的固液复合润滑可有效降低摩擦力 表面织构技术对汽车活塞环-缸套润滑的改进:表面织构技术可以显著改善润滑与摩 擦性能,已在机械端面密封和内燃杋活塞环-缸套接触副中得到广泛应用,使摩擦系数降 低20%~40%,油耗降低4%。 第五,汽车传动系统摩擦学。变速箱系统:在螺旋锥齿轮润滑研究方面取得进展「83 使对重载滚-滑下齿轮摩擦润滑性能有了进一步的认识。开发了基于在线铁谱油液分析技
综 合 报 告 19 发动机摩擦学新材料、新工艺研究：开发出高硅过共晶铝合金的缸体 / 缸筒材料、轻 量化基材以及高性能减摩自润滑材料，显著减少摩擦损失。采用物理、化学或物理化学等 新型表面处理技术手段提升表面性能是近年来的主要特征，包括复合镀膜、超音速火焰喷 涂、气相沉积、类金刚石涂层等。 发动机摩擦学测试技术研究：开发活塞组 - 缸套摩擦力无线遥测系统，在倒拖及点火 工况下可实现活塞组 - 缸套摩擦力的测量［81］。在发动机台架试验中，采用在线铁谱技术 建立多元分析指标的磨粒图像描述体系用以分析发动机磨损情况。 第二，汽车制动摩擦学。多重混杂增强纤维研究：开展了多重混杂纤维增强汽车制动 摩擦材料的研究，用剑麻纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、各种陶瓷纤维和矿物纤维等替代 钢纤维。 高性能黏结剂体系研究：利用金属粉末或金属硫化物在高温下具有的特殊性能，减少 树脂在摩擦材料中的使用比例，弥补树脂及橡胶在高温下的不足。 轻量化无污染研究：开展较低密度刹车片材料的研究，获得了重量轻、体积小、制动 更安全的新型陶瓷型刹车片。 第三，汽车轮胎 / 地面摩擦学。轮胎材料研究：进展主要体现在新材料研发与应用、 轮胎结构设计优化和生产装备改进 3 个方面。如出现了一系列抗湿滑、降低滚动阻力和省 油的改性丁苯橡胶（SBR）、顺丁橡胶（BR）和异戊橡胶（IR）、丁基橡胶（IIR）。 轮胎与路面匹配关系研究：基于分形理论建立了路面不平度的再现模型和橡胶粗糙路 面接触面积改进模型。考虑路面形貌的三维表征和固体颗粒对轮胎的湿附着性能，建立了 基于平均流量方程的轮胎 - 路面滑水模型，可用于分析轮胎湿附着性能［82］。采用胎面单 元侧向刚度能量法建立轮胎多边形磨损动力学模型，揭示了多边形磨损机理。 第四，汽车润滑系统摩擦学。活塞环 - 缸套的润滑理论计算模型：平均流量模型—— 三维粗糙表面参数由统计参数表达，引进压力和剪切流量因子，建立了平均 Reynolds 方程 粗糙表面润滑分析。确定性模型—— Hu-Zhu 模型可以精确求解混合润滑区域内每个点的 膜厚和压力信息。 润滑膜的测量：电容法、荧光法、超声波法等技术实现了汽车典型润滑零部件间油膜 厚度的测量，尤其是活塞环 - 缸套润滑副。 碳基固体膜润滑或固液复合膜润滑技术：类金刚石薄膜（diamond like carbon，简称 DLC）或类富勒烯碳薄膜比 CrN 涂层，大大降低了活塞环摩擦功耗、磨损率、噪声，改善 密封性。DLC 薄膜与特定的润滑油脂和添加剂所形成的固液复合润滑可有效降低摩擦力。 表面织构技术对汽车活塞环 - 缸套润滑的改进：表面织构技术可以显著改善润滑与摩 擦性能，已在机械端面密封和内燃机活塞环 - 缸套接触副中得到广泛应用，使摩擦系数降 低 20% ～ 40%，油耗降低 4%。 第五，汽车传动系统摩擦学。变速箱系统：在螺旋锥齿轮润滑研究方面取得进展［83］， 使对重载滚 - 滑下齿轮摩擦润滑性能有了进一步的认识。开发了基于在线铁谱油液分析技
>2014—2015机械工程学科发展报告(摩擦学 术的齿轮箱磨损状态在线监测技术、基于极坐标角-频分布和BP神经网络法的变速箱齿 轮磨损状态监测方法,以及基于信息熵和灰色系统的故障诊断和磨损寿命预测方法等 离合器摩擦学:在摩擦片摩擦性能的仿真分析方法、离合器以及摩擦片表面的摩擦学 设计、摩擦片材料的制备与性能硏究以及摩擦片摩擦性能的实验硏究方面取得进展。 (2)铁路摩擦学 铁路摩擦学研究近年来在我国发展迅速,主要针对轮轨系统、弓网系统、制动系统和 紧配合连接的关键摩擦学问题进行研究,而且主要针对高速铁路。 第一,轮轨摩擦学。高速列车轮轨接触行为研究:考虑轮轨高速惯性、高频弹性振 动、接触振动、轮轨接触几何表面形貌和材料应变率效应等,建立了高速轮轨瞬态滚动接 触力学模型。考虑轮对柔性弯曲和轮轨接触模型,建立了车辆/轨道刚柔耦合动力学模型 为高速轮轨磨耗和噪声机理硏究提供了硏究手段。 高速列车轮轨黏着行为研究:基于部分膜弹流理论、平均流量模型以及微观固体接触 模型,建立了高速轮轨黏着三维计算模型,并得到了试验验证。利用大型轮轨模拟试验机 系统,获得了存在水或油污染时,考虑列车速度、轮轨表面粗糙度以及轴重等参数的轮轨 黏着特性曲线,从而优化了轮轨增黏措施 高速列车轮轨磨耗和疲劳损伤研究:跟踪测试,掌握了我国高速车轮磨耗的特征和演 变规律,及其对车内噪声的影响,发现了高速车轮高阶多边形磨耗现象。考虑车辆悬挂参 数特性、线路随机谱激励、轮对踏面磨耗规律,提岀了高速列车轮对踏面设计新方法(简 称“磨耗量预置法”或“均良设计法”)。掌握了我国高铁钢轨波磨的特征和演变规律,揭 示了其形成机理。基于疲劳和断裂力学理论,建立了考虑磨损作用下的钢轨疲劳寿命和剩 余寿命预测模型。建立了我国不同运输条件下的钢轨分级使用制度,已成为铁路行业标准 轮轨摩擦噪声研究:建立了满足500km/h速度等级的髙速列车车内外声源识别系统, 测试掌握了我国高速列车的噪声源和频谱特征,发现我国高速列车车外噪声主要来自轮轨 噪声。建立了高速车轮-轨道耦合振动-声辐射计算模型,为噪声控制提供了理论依据 第二,弓网摩擦学。动态电弧的观察与表征:揭示粗糙峰摩擦接触的随机性决定了电 接触的随机性,由此导致电弧产生的随机性。对于动态平衡的载流摩擦系统,宏观上电弧 具有平衡性和统计性。研究表明随着电流和滑动速度増大,燃弧率和电弧能量增大,即电 弧危害增大 弓网材料磨损杋理硏究:载流摩擦中材料的损伤包括机楲磨损、腐蚀磨损和电弧侵 蚀,具有耦合作用特征。发现温度是影响滑板材料磨损的主要因素。髙速下,电流产生的 电阻热和电弧热以及摩擦热使得摩擦副的表面温度显著升高,最终导致弓网材料,特别是 滑板材料的异常磨损(8]。 第三,髙速制动摩擦材料。材料设计硏究:突破了原有列车制动摩擦材料以铁为基 体的惯例,采用低熔点、导热优异的铜基体,降低摩擦表面温度,提升材料承载能力;克 服铁铜有限固溶特性,大大提高了铜基体的强度和耐磨性。开发了多尺度新型摩擦组元体
20 2014— 2015 机械工程学科发展报告（摩擦学） 术的齿轮箱磨损状态在线监测技术、基于极坐标角 - 频分布和 BP 神经网络法的变速箱齿 轮磨损状态监测方法，以及基于信息熵和灰色系统的故障诊断和磨损寿命预测方法等。 离合器摩擦学：在摩擦片摩擦性能的仿真分析方法、离合器以及摩擦片表面的摩擦学 设计、摩擦片材料的制备与性能研究以及摩擦片摩擦性能的实验研究方面取得进展。 （2）铁路摩擦学 铁路摩擦学研究近年来在我国发展迅速，主要针对轮轨系统、弓网系统、制动系统和 紧配合连接的关键摩擦学问题进行研究，而且主要针对高速铁路。 第一，轮轨摩擦学。高速列车轮轨接触行为研究：考虑轮轨高速惯性、高频弹性振 动、接触振动、轮轨接触几何表面形貌和材料应变率效应等，建立了高速轮轨瞬态滚动接 触力学模型。考虑轮对柔性弯曲和轮轨接触模型，建立了车辆 / 轨道刚柔耦合动力学模型， 为高速轮轨磨耗和噪声机理研究提供了研究手段。 高速列车轮轨黏着行为研究：基于部分膜弹流理论、平均流量模型以及微观固体接触 模型，建立了高速轮轨黏着三维计算模型，并得到了试验验证。利用大型轮轨模拟试验机 系统，获得了存在水或油污染时，考虑列车速度、轮轨表面粗糙度以及轴重等参数的轮轨 黏着特性曲线，从而优化了轮轨增黏措施［84］。 高速列车轮轨磨耗和疲劳损伤研究：跟踪测试，掌握了我国高速车轮磨耗的特征和演 变规律，及其对车内噪声的影响，发现了高速车轮高阶多边形磨耗现象。考虑车辆悬挂参 数特性、线路随机谱激励、轮对踏面磨耗规律，提出了高速列车轮对踏面设计新方法（简 称“磨耗量预置法”或“均良设计法”）。掌握了我国高铁钢轨波磨的特征和演变规律，揭 示了其形成机理。基于疲劳和断裂力学理论，建立了考虑磨损作用下的钢轨疲劳寿命和剩 余寿命预测模型。建立了我国不同运输条件下的钢轨分级使用制度，已成为铁路行业标准。 轮轨摩擦噪声研究：建立了满足 500 km/h 速度等级的高速列车车内外声源识别系统， 测试掌握了我国高速列车的噪声源和频谱特征，发现我国高速列车车外噪声主要来自轮轨 噪声。建立了高速车轮 - 轨道耦合振动 - 声辐射计算模型，为噪声控制提供了理论依据。 第二，弓网摩擦学。动态电弧的观察与表征：揭示粗糙峰摩擦接触的随机性决定了电 接触的随机性，由此导致电弧产生的随机性。对于动态平衡的载流摩擦系统，宏观上电弧 具有平衡性和统计性。研究表明随着电流和滑动速度增大，燃弧率和电弧能量增大，即电 弧危害增大。 弓网材料磨损机理研究：载流摩擦中材料的损伤包括机械磨损、腐蚀磨损和电弧侵 蚀，具有耦合作用特征。发现温度是影响滑板材料磨损的主要因素。高速下，电流产生的 电阻热和电弧热以及摩擦热使得摩擦副的表面温度显著升高，最终导致弓网材料，特别是 滑板材料的异常磨损［85］。 第三，高速制动摩擦材料。材料设计研究：突破了原有列车制动摩擦材料以铁为基 体的惯例，采用低熔点、导热优异的铜基体，降低摩擦表面温度，提升材料承载能力；克 服铁铜有限固溶特性，大大提高了铜基体的强度和耐磨性。开发了多尺度新型摩擦组元体