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织构化表面润滑特性剖析及在推力轴承中的创新应用研究

一、引言

1.1研究背景与意义

在机械工程领域，摩擦与磨损是影响机械设备性能、效率及寿命的关键因素。据统计，世界上约1/3-1/2的能源消耗源于摩擦和磨损，约80%的机械零件因磨损而失效报废。因此，降低摩擦副的摩擦阻力、提高其承载能力，对于改善机械设备的服役性能、提高工作寿命以及节约能源具有重要意义。

表面织构技术作为一种新兴的表面工程技术，通过在材料表面加工出特定几何形状和分布特征的微凹坑、微沟槽等阵列结构，能够有效改善摩擦表面的润滑性能，降低摩擦力，提高润滑油膜的承载能力。这一技术为解决机械零件的摩擦磨损问题提供了新的途径，受到了广泛的关注和研究。

推力轴承作为一种重要的机械部件，主要用于承受轴向载荷，广泛应用于航空航天、船舶、电力、冶金等领域。在实际工作中，推力轴承的性能直接影响到整个机械设备的运行稳定性和可靠性。然而，传统的推力轴承在高速、重载等恶劣工况下，容易出现磨损、发热等问题，限制了其应用范围和性能提升。

将表面织构技术应用于推力轴承，有望改善其润滑性能，提高承载能力和抗磨损性能，从而满足现代工业对推力轴承高性能、长寿命的要求。因此，研究织构化表面的润滑特性及其在推力轴承中的应用，具有重要的理论意义和实际应用价值。从理论角度来看，深入探究织构化表面的润滑机理，有助于丰富和完善摩擦学理论体系；从实际应用层面出发，开发高性能的织构化推力轴承，能够推动相关行业的技术进步，提高机械设备的运行效率和可靠性，降低维护成本，具有显著的经济效益和社会效益。

1.2国内外研究现状

国外对织构化表面润滑特性的研究起步较早。20世纪90年代，Etsion等学者率先开展了表面织构在润滑领域的研究工作，通过在机械密封表面加工微凹坑织构，发现织构能够显著改善密封性能，提高密封的可靠性和寿命。此后，众多国外学者围绕织构化表面的润滑性能展开了深入研究，涉及织构形状、尺寸、分布密度、深度等参数对润滑性能的影响。在织构形状方面，研究了圆形、方形、菱形、三角形等多种形状的织构，发现不同形状的织构对润滑性能的影响存在差异；对于织构尺寸，研究表明存在一个最佳尺寸范围，使得润滑性能达到最优；在分布密度和深度方面，也分别确定了它们与润滑性能之间的关系。同时，国外学者还将表面织构技术应用于多种机械零部件，如滑动轴承、滚动轴承、活塞环等，并取得了一系列重要成果。

国内在织构化表面润滑特性及应用研究方面虽然起步相对较晚，但近年来发展迅速。许多高校和科研机构积极开展相关研究工作，在理论分析、实验研究和数值模拟等方面都取得了显著进展。在理论分析方面，国内学者建立了多种织构化表面的润滑理论模型，如基于雷诺方程的润滑模型、考虑表面粗糙度的润滑模型等，通过理论推导和分析，深入研究了织构化表面的润滑机理；在实验研究方面，利用激光加工、电火花加工、光刻等技术制备了各种织构化表面，并通过摩擦磨损实验、润滑性能实验等手段，系统研究了织构参数对润滑性能的影响规律；在数值模拟方面，运用计算流体力学（CFD）、有限元分析（FEA）等方法，对织构化表面的润滑过程进行了数值模拟，为实验研究提供了理论支持和指导。在推力轴承应用方面，国内学者针对不同类型的推力轴承，开展了织构化表面的应用研究，探索了织构化推力轴承的性能优化方法。

尽管国内外在织构化表面润滑特性及在推力轴承应用方面取得了一定的研究成果，但目前仍存在一些不足之处。首先，织构化表面的润滑机理尚未完全明确，特别是在复杂工况下，如高温、高压、高速、多相流等条件下，织构与润滑剂之间的相互作用机制还需要进一步深入研究；其次，织构参数的优化设计缺乏统一的理论和方法，目前的研究大多是针对特定工况和材料进行的，难以推广应用到其他情况；再者，织构化表面的制备工艺还不够成熟，存在加工精度低、成本高、效率低等问题，限制了其大规模工程应用；最后，对于织构化推力轴承的长期可靠性和耐久性研究还相对较少，无法满足实际工程的需求。

1.3研究内容与方法

本文主要围绕织构化表面的润滑特性及其在推力轴承中的应用展开研究，具体研究内容如下：

织构化表面润滑特性研究：对织构化表面的润滑机理进行深入研究，分析织构形状、尺寸、分布密度、深度等参数对润滑性能的影响规律。建立织构化表面的润滑理论模型，运用数值模拟方法对润滑过程进行仿真分析，揭示织构化表面的润滑特性。

织构化表面在推力轴承中的应用研究：将织构化表面技术应用于推力轴承，设计并制备织构化推力轴承。通过实验研究和数值模拟，分析织构化推力轴承的承载能力、摩擦特性、磨损性能等，探讨织构化表面对推力轴承性能的影响。

织构化推力轴承性能优化研究：基于织构化表面的润滑特性和在推力轴承中的应用研究结果，对织构化推力轴承的织构参数和结构进行优化设计。采用多目