2021年, 第46卷, 第1期　
刊出日期：2021-01-15

  

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试验研究
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  油气两相动压密封自振稳定性流固热耦合分析

  李双喜, 廖浩然, 陈炼, 刘兴华, 赵祥

  润滑与密封. 2021, 46(1): 1-9,26. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2021.01.001

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  考虑热与变形对油气两相动压密封自振稳定性的影响，建立基于油气两相动压密封自振稳定性数学模型，采用流固热耦合有限元方法，研究油气比、转速、压差和O形圈阻尼等参数对油气两相动压密封受干扰后的轴向、角向自振稳定性能的影响。结果表明：转速较低时轴向自振稳定性较好而角向自振稳定性较差，转速高时两者相反，O形圈阻尼较低时轴向自振稳定性较差而角向自振稳定性较好，O形圈阻尼高时两者相反，因此在极端转速和取极端O形圈阻尼的情况下轴向或角向临界频率较小，不利于油气两相动压密封自振稳定；压差越大轴向临界频率越大，轴向自振稳定性越好，但角向临界频率越小，角向自振稳定性越差；随着两相介质油气比的增大，轴向临界频率减小而轴向临界质量增大，油气比在0.1~0.15时临界频率、质量以及转动惯量较大，密封综合自振稳定性能较好。
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  干气密封滑动密封端面高频微幅摩擦振动研究

  孙宝财, 丁雪兴, 严如奇, 陈金林

  润滑与密封. 2021, 46(1): 10-18. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2021.01.002

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  为揭示干气密封端面间摩擦振动规律，通过对密封端面在干摩擦状态下的微观形貌与受力进行分析，基于分形理论构建包含分形参数的密封端面法向位移激励，以及干气密封在干摩擦状态下的两自由度摩擦振动系统模型，并对摩擦振动系统模型的影响因素进行数值分析。研究结果表明：法向振动位移和速度随着分形维数与转速的增大先增大后减小；密封环面分形维数在1.3左右，以及密封环面平均滑动速度为67.86 m/s时会导致密封端面在法向出现共振现象；法向振动位移和速度随着特征尺度与摩擦因数的增大而增大；法向振动以准周期的高频微幅振动规律变化，相比于特征尺度，分形维数对法向振动的影响更加显著，而摩擦因数对法向振动来说不是一个敏感因素；切向振动位移和速度随着摩擦因数的增大而增大，而且以周期性的高频微幅振动规律变化；摩擦因数对系统切向振动的影响比对法向振动的影响更加明显。
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  旋转组合密封圈表面结构对密封性能的影响

  赵乐, 索双富, 时剑文, 李高盛

  润滑与密封. 2021, 46(1): 19-26. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2021.01.003

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  为研究旋转组合密封圈表面结构对密封性能的影响规律，对方圈表面分别加工单槽和双槽等不同表面结构，利用ABAQUS仿真分析不同表面结构的旋转组合密封圈在完成过盈安装与流体加载后的应力及接触压力分布，并研究油槽宽度变化对组合密封性能的影响。仿真结果表明：在过盈安装与流体加载情况下，O形圈的最大von Mises应力均有所减少，而带槽密封圈最大von Mises应力都出现增长，且过盈安装状态下应力增幅较大；带槽密封圈接触面被油槽分为多段，每段接触压力曲线相似，而接触压力均有不同程度的增大；方圈最大von Mises应力值在过盈安装状态下随着宽度增加而增大，在流体加载状态下随着宽度增加有不同程度的减小。方圈表面增加油槽有利于在动密封面上形成多个动压润滑区域，对增强密封性能、改善润滑条件具有一定作用，但增加油槽后会增大方圈应力，增加疲劳损坏风险。
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  制动条件下石墨对铜基摩擦材料瞬时摩擦性能的影响

  韩晓明, 王长峰, 杨俊英, 高飞

  润滑与密封. 2021, 46(1): 27-30,37. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2021.01.004

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  为研究石墨对铜基摩擦材料瞬时摩擦性能的影响，采用粉末冶金技术制备铜-SiO₂和铜-石墨-SiO₂烧结材料，通过干摩擦惯性试验，在始末速度不同的制动区间，测试材料的瞬时摩擦因数、瞬时磨损率，并观察摩擦表面形貌的变化。结果表明：在高速度制动区间，石墨的存在使得铜基摩擦材料摩擦因数的稳定性明显提高，磨损率降低，原因在于铜-石墨-SiO₂材料剥落石墨颗粒的分隔和保护作用，减弱冲击波动，从而提高瞬时摩擦因数稳定性并降低磨损；但较低制动速度时，石墨的存在反而提高了磨损率，原因在于摩擦层对颗粒的包裹度和基体强度降低。
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  网状表面织构对水润滑轴承摩擦磨损性能的影响

  何阳, 郭智威, 吴祖旻, 袁成清

  润滑与密封. 2021, 46(1): 31-37. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2021.01.005

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  为研究网状表面织构对水润滑轴承摩擦性能的影响，利用ANSYS对布置有不同密度和深度的轴承模型进行流固耦合仿真，研究不同网纹条件下水膜的承载能力；使用3D打印技术制备不同深度与密度的网状纹理的试样，使用CBZ-1摩擦磨损试验机进行摩擦试验并实时采集摩擦因数，利用表面轮廓仪对试样磨损表面的形貌进行观测。仿真结果表明：在忽略空蚀的条件下，同一转速下水膜承载能力基本随着网纹深度的增加先增大后减小。试验结果表明：合适的网状纹理表面织构能够有效改善水润滑轴承的润滑条件，进而提升轴承摩擦磨损性能；在试验低速条件下间隔5 mm、深1.5 mm的网纹织构能够有效促进摩擦表面形成润滑水膜，从而大幅改善摩擦表面的润滑条件，降低约22%的摩擦因数和约38%的磨损量，同时高速工况下该网纹织构仍可降低磨损量。
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  航空发动机气膜浮环密封上浮性能研究

  马也, 王庆锋, 施任杰, 张馨宇, 李庆展, 李双喜

  润滑与密封. 2021, 46(1): 38-44,50. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2021.01.006

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  为研究气膜浮环的上浮性能，针对航空发动机主轴承箱的气膜浮环密封系统，建立浮环的有限元模型并提出一种上浮转速的计算方法。采用Ansys建立密封组件的有限元模型，提取浮环与跑道的径向变形，得到浮环密封的动态间隙。采用Fluent建立浮环密封偏心气膜模型，提出浮环上浮转速与泄漏率的计算流程。在先增压至工作压力再增速和先增速到工作转速再增压2种操作条件下分析各结构参数、操作参数对浮环上浮转速的影响，并搭建试验台进行试验验证。结果表明：低压差下气膜浮环的泄漏率与偏心率呈近似二次关系，上浮力随偏心率增大而增大但会有一个畸变过程；在保证密封性能的前提下工程设计时应选取较小的波簧弹力，较大的节流长度。不同的操作方式下各密封参数对气膜浮环上浮性能的影响呈现很大的差异性，综合来说先增速后增压时上浮性能较好，有条件时开车前应先进行上浮性能的分析再选择操作条件施加的顺序。
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  高速角接触球轴承稳态温度场的数值模拟及实验研究

  李振峰, 沈锦龙, 季佳伟, 刘小君

  润滑与密封. 2021, 46(1): 45-50. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2021.01.007

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  工程应用中，高速滚动轴承由于发热引起的失效严重影响设备的正常工作，因此研究轴承的温度场至关重要。以高速机床主轴上常用的B7010C/P4Y轴承为研究对象，用整体法分析轴承的生热量，使用热网络法建立轴承稳态温度计算模型，求解不同转速、载荷和润滑油温度下的轴承温度。结果表明：各节点温度与载荷和转速成正比，钢球节点处温度最高，内滚道节点、内圈节点、外滚道节点、外圈节点温度依次降低；各节点的稳态温度随润滑油温度的降低呈线性减小，表明冷却润滑油对于控制轴承温度有重要作用。利用航空发动机主轴轴承试验机对轴承外圈温度进行试验研究，验证了热网络法求解轴承温度的可行性。
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  La₂O₃对铜基自润滑复合材料高温摩擦磨损性能的影响

  陆大伟, 钱刚, 凤仪, 赵浩, 周子珏, 张学斌

  润滑与密封. 2021, 46(1): 51-58,73. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2021.01.008

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  为进一步提高铜基自润滑复合材料的硬度和高温摩擦磨损性能，采用粉末冶金热压法向铜-石墨烯-WS₂复合材料中引入La₂O₃增强相颗粒，并对铜-石墨烯-WS₂复合材料和La₂O₃增强铜-石墨烯-WS₂复合材料在不同温度下的摩擦磨损性能进行对比研究。结果表明：复合材料烧结过程中各组元没有发生分解或互相反应，烧结后材料结构致密并且各组元均匀分布于基体中，La₂O₃增强相的引入在提高复合材料硬度的同时会降低材料热导率；室温下2种复合材料摩擦因数和磨损率比较相近，而高温下石墨烯和WS₂的氧化导致Cu-RGO-WS₂复合材料摩擦磨损性能下降，而La₂O₃则能发挥增强相作用和高温自润滑作用，使Cu-RGO-WS₂-La₂O₃复合材料的高温摩擦磨损性能更优异。室温下铜-石墨烯-WS₂复合材料的磨痕处仅发生了轻微的塑性变形，而La₂O₃增强铜-石墨烯-WS₂复合材料的磨损机制主要是磨粒磨损；高温下铜-石墨烯-WS₂复合材料的磨损机制为黏着磨损，而La₂O₃增强铜-石墨烯-WS₂复合材料的磨损机制则为磨粒磨损和疲劳磨损。
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  水润滑条件下转速对车轮钢滚动接触疲劳和磨损性能的影响

  林杰, 曾东方, 鲁连涛, 李伟, 邹朗, 刘卫东

  润滑与密封. 2021, 46(1): 59-65,73. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2021.01.009

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  为探究水润滑条件下转速对车轮钢滚动接触疲劳和磨损性能的影响，利用滚动接触摩擦磨损试验测试不同转速下车轮试样的剥离寿命、摩擦因数和磨损率，并结合磨损形貌和裂纹扩展形貌观察，对比分析不同转速下摩擦磨损和剥离寿命的影响因素。结果表明：随转速提高，车轮材料氧化程度加剧，导致摩擦因数逐渐增加；当转速由250 r/min增至500 r/min时，摩擦因数增幅较小，应变速率增加导致磨损率下降，当转速由500 r/min增至1 000 r/min时，摩擦因数急剧增加，导致材料磨损率增加；随转速提高，剖面塑性流动层厚度、裂纹扩展角度、裂纹分叉深度和最大扩展深度均呈现减小趋势。转速增加带来的摩擦因数的增加，一方面缩短裂纹萌生寿命，另一方面减小了裂纹发生向上转折的深度，最终导致滚动接触疲劳寿命随转速的增加而减小。
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  石墨烯/MoS₂复合涂层多环境下的摩擦学性能

  程蓓, 李迎春, 邱明, 谷守旭, 许艳雷

  润滑与密封. 2021, 46(1): 66-73. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2021.01.010

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  以MoS₂作为润滑剂，以石墨烯(GE)作为润滑添加剂，采用喷涂法在GCr15钢样片表面制备不同含量的GE/MoS₂复合涂层。利用HSR-2M型高速往复式摩擦磨损试验机测试涂层在干摩擦及海水环境中的摩擦磨损性能，并分析了磨痕形貌及磨损机制。结果表明：添加适量石墨烯可明显改善MoS₂涂层的摩擦磨损性能，且海水环境中涂层的摩擦因数、磨损率均低于干摩擦;在干摩擦和海水环境下，随着石墨烯含量的增加，GE/MoS₂复合涂层的摩擦因数和磨损量均呈现先下降后上升的趋势,当石墨烯质量分数为0.8%时，摩擦磨损性能最优。干摩擦下MoS₂涂层的磨损机制为疲劳磨损、黏着磨损和磨粒磨损，GE/MoS₂复合涂层主要为磨粒磨损；而在海水环境下几种涂层均仅出现磨粒磨损。
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  光助芬顿反应对6H-SiC化学机械抛光的影响

  夏永, 陈国美, 倪自丰, 王浩, 钱善华, 卞达, 赵永武

  润滑与密封. 2021, 46(1): 74-79. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2021.01.011

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  为提高6H-SiC晶片化学机械抛光的材料去除率(MRR)并改善其表面质量，采用光助芬顿反应体系对6H-SiC晶片进行化学机械抛光，研究紫外光功率、抛光液pH值、H₂O₂质量分数和Fe²⁺浓度对6H-SiC晶片抛光效果的影响。使用原子力显微镜观察6H-SiC晶片表面质量，采用纳米粒度电位仪测量抛光液中SiO₂磨粒的粒径分布及Zeta电位，利用可见分光光度法检测溶液中羟基自由基(·OH)的浓度并通过紫外-可见光谱分析紫外光的作用机制。结果表明：引入紫外光提高了6H-SiC的MRR，增大紫外光功率，MRR也随之增加；随pH值、H₂O₂质量分数和Fe²⁺浓度的升高，MRR先增大后减小；pH值影响磨粒间的静电排斥力及磨粒的分散稳定性，从而影响6H-SiC的MRR；与采用芬顿反应体系的抛光液相比，采用光助芬顿反应体系的抛光液中产生的·OH数量较多，说明紫外光能够增加反应体系中·OH的数量，从而促进6H-SiC晶片的表面氧化，提高6H-SiC晶片的MRR，并改善其表面质量。
开发应用
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  液压支架立柱组合蕾形密封圈结构参数与密封性能研究

  时鹏辉, 冷军发, 赵武, 荆双喜

  润滑与密封. 2021, 46(1): 80-85,93. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2021.01.012

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  以某大采高液压支架立柱组合蕾形密封圈为研究对象，采用有限元法分析唇内、外倾角和唇谷高等结构参数对组合蕾形密封圈静密封性能的影响，同时研究油压压力、密封间隙、立柱活塞速度、摩擦因数对密封圈动密封性能的影响。结果表明：一定取值范围内，唇内、外倾角和唇谷高越大，静密封性能越好；油压越大、密封间隙越小，动密封性能越好；摩擦因数越大，外行程时动密封性能越好，内行程时则相反；活塞运动速度对动密封性能影响较小。为保证该组合蕾形密封圈具有良好的综合密封性能，各参数优化取值范围为：唇外倾角20°~30°，唇内倾角20°~35°，唇谷高度12.2~13.2 mm，摩擦因数小于等于0.1，密封间隙0.1~0.3 mm，油压不超过50 MPa。
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  四种核电用包壳材料的微动磨损性能研究

  孟繁良, 张强, 刘彤, 任啟森, 李锐, 丁原, 蔡振兵

  润滑与密封. 2021, 46(1): 86-93. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2021.01.013

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  在切向微动磨损试验机上对4种核电用包壳材料(Zr合金、Zr/Cr涂层、FeCrAl和ODS-FeCrAl)进行切向微动磨损试验，考察不同包壳材料的微动磨损特性。研究结果表明:不同包壳材料的摩擦因数、耗散能曲线和形变有显著差异；4种包壳材料在切向微动过程中均处于部分滑移区。通过分析磨痕微观形貌和磨痕轮廓，发现ODS-FeCrAl相比FeCrAl具有更好的耐磨性；在常温环境下，Zr/Cr表现出更加优异的抗磨损性能。
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  粗糙表面微凸体对液黏传动的影响

  李虎, 崔建中, 孟利民, 马如宏

  润滑与密封. 2021, 46(1): 94-102. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2021.01.014

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  为研究液黏传动过程中粗糙表面的承载特性，将分形理论引入到两粗糙表面摩擦过程之中，分析传动过程中混合摩擦和边界摩擦两阶段的微凸体承载过程，考虑微凸体弹塑性变形，对M-B模型进行修正，建立修正的微凸体承载模型。建立基于修正M-B模型的微凸体承载模型。通过数值仿真得到有效面积系数、分形参数对液黏调速离合器传动过程的影响规律；对修正的微凸体承载模型的计算结果与M-B模型的计算结果进行对比分析。结果表明：微凸体接触载荷和传递转矩随着面积比的增大而增大，当有效面积系数与尺度系数增大时，接触载荷与传递转矩均有所增大；分形维数为1.5时，微凸体接触载荷与传递转矩最小且随面积比的变化最为缓慢；在整个接触区域内，弹性变形区域的面积、接触载荷以及传递转矩最大，其次是弹塑性变形区域，塑性变形区域最小；考虑弹塑性变形时，微凸体接触载荷与传递转矩均有所下降；修正M-B模型和M-B模型间的修正系数范围在25%以内，修正系数随着有效面积系数、尺度系数的增大而增大，随着分形维数的增大而减小。
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  球磨参数对石墨烯增强铜基复合材料性能的影响

  文国富, 梁艳娟, 王秀飞, 伊春强, 尹彩流, 蒙洁丽

  润滑与密封. 2021, 46(1): 103-110. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2021.01.015

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  采用粉末冶金法制备石墨烯增强铜基复合材料，研究全方位行星球磨机的球磨速度、球磨时间和球料比对复合材料的密度、显微硬度、导电率和拉伸性能的影响，并利用扫描电子显微镜(SEM)分析复合材料的显微形貌。结果表明：采用合适的球磨参数，石墨烯在铜基体中分散均匀；但球磨时间过长、球磨速度过快会导致石墨烯团聚，与铜基体之间的界面结合效果变差；随球料比的增加，复合材料的抗拉强度、延伸率和导电率明显改善；球磨速度为400 r/min时，显微硬度和导电率显示出相似的变化趋势。球磨时间直接影响石墨烯在铜基体中分散效果，球磨转速和球料比则影响铜粉颗粒的塑性变形以及石墨烯与铜基体的有效结合，当球料比为3∶1，球磨速度为300 r/min，球磨时间为6~8 h时复合材料的性能最优。
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  机械密封动环结构动力学特性研究与试验分析

  邹昕桓, 陈庆, 高路

  润滑与密封. 2021, 46(1): 111-116. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2021.01.016

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  旋转设备在运行中，传动轴的转动会导致机械密封摩擦副的接触端面发生振动。为研究接触端面振动对密封性能的影响，以某型号机械密封的摩擦副为研究对象，运用SolidWorks对机械密封的动环进行有限元建模，采用ANSYS Workbench对机械密封的动环进行结构动力学分析，分析发现：动环在1阶、2阶、3阶模态频率下会产生径向产生相对扭转；在4阶、5阶模态频率下动环两边向圆心方向发生弯曲；在6阶、7阶模态频率下密封面沿径向摆动；在8阶模态频率下端面产生相对拉伸；在9阶、10阶模态频率下端面处整体产生很大的形变。依据有限元分析结果取第1阶模态频率，通过机械密封试验台进行验证。结果表明：电机转动引起的机械密封低频共振使得动环外径处磨损严重，摩擦面大小不一且不连续；配合在轴上的静环几乎不受振动的影响，其磨损面相对均匀。机械密封动环的结构动力学分析，对减少机械密封的泄漏量，延长机械密封的使用寿命均具有重要意义。
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  液体润滑分段螺旋槽端面密封性能分析

  朱晓琳, 李勇凡, 孙彭涛, 李振涛, 孙鑫晖, 郝木明

  润滑与密封. 2021, 46(1): 117-123. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2021.01.017

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  为探讨螺旋槽衍生槽型液体润滑端面密封性能，以中间开槽密封为研究对象，建立考虑质量守恒JFO空化边界条件的雷诺方程，采用有限差分法进行数值求解，对螺旋槽、二段槽以及三段槽的性能进行对比分析，探讨结构参数和操作参数对其泵送能力、动压承载能力以及空化情况的影响，计算域中槽区边界处的膜厚值采用调和平均处理。结果表明：在所给参数范围内，3种槽型的泵送率几乎均为正值，即均可实现上游泵送；三段槽的流体膜承载力受转速影响的程度明显小于另2种槽型；相同条件下三段槽更不易诱发空化，其次为二段槽；相比于螺旋槽和二段槽，三段槽受结构参数和操作参数的影响更小，具有更稳定的流体膜承载力及上游泵送性能。
技术探讨
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  地铁轨道曲线半径与钢轨波磨的相关性研究

  陈晓丽, 陈光雄, 夏晨光, 康熙, 黄之元

  润滑与密封. 2021, 46(1): 124-129,110. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2021.01.018

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  现有地铁线路钢轨波磨80%以上出现在小半径曲线轨道内股钢轨上，而大半径曲线和小半径曲线外股钢轨几乎没有出现钢轨波磨。为了探索这一现象深层次的原因，基于摩擦自激振动导致钢轨波磨的机制，分别建立Simpack车辆多体动力学曲线通过模型和轮轨系统ABAQUS有限元摩擦自激振动模型，采用复特征值分析法对不同曲线半径轨道的钢轨波磨进行研究。结果表明：随着曲线轨道半径增大，摩擦自激振动产生的概率减小，即钢轨波磨发生概率下降，且钢轨波磨主要出现在低轨上而高轨较少；随着曲线半径增大，在曲线半径400～450 m范围内，轮轨蠕滑力逐渐由饱和状态变为不饱和状态；蠕滑力饱和时轮轨系统有可能出现摩擦自激振动，即产生钢轨波磨，当蠕滑力不饱和时，轮轨系统就不会出现摩擦自激振动，因而大概率不会发生钢轨波磨。
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  基于格子Boltzmann方法的分叉微通道内非牛顿流体流动特性研究

  郑馨瑶, 杨刚, 张会臣

  润滑与密封. 2021, 46(1): 130-136. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2021.01.019

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  为探究分叉微通道内非牛顿流体的流动特性，将非牛顿流体幂律模型引入牛顿流体格子Boltzmann模型，在不同分叉角度矩形截面微通道内数值模拟不同质量分数剪切稀化流体的流动行为；通过分析流动过程中密度随时间的变化趋势以及稳态流动下的密度，得到微通道内压力的分布以及流动区间的压力降；分析溶液质量分数、入口速度与分叉角度对非牛顿流体流动特性的影响，探讨流体特性和微通道几何构型对非牛顿流体流动行为的影响机制。结果表明：分叉角度为90°的微通道内流体的压力降最小，当分叉角度大于90°时，压力降随着分叉角度的增大而减小，当分叉角度小于90°时，压力降随着分叉角度的增大而增大；流体入口速度和流体溶液质量分数增大，压力降均增大；流体溶液质量分数增大使得分叉角度和入口速度对出口处压力降的影响更为显著；微通道内各截面处压力降分布呈抛物线形。
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  确定法兰螺栓预紧力的EN法与Waters法对比研究

  梁瑞, 陈斐, 郭一帆, 姜峰, 周文海, 俞瑞利, 杨曦

  润滑与密封. 2021, 46(1): 137-144. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2021.01.020

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  为了验证不同方法计算所得的螺栓预紧力能否满足密封性要求，选取2种不同尺寸和工况的管法兰-螺栓-垫片模型，进行有限元分析。运用ANSYS Workbench有限元软件建立三维模型，施加温度载荷后得到法兰系统的温度场分布。根据EN13445附录G和Waters方法确定了螺栓预紧力，分别作为初始预紧力施加在对应的管法兰系统上并进行热-结构耦合。对预紧工况和操作工况下的法兰系统进行模拟分析，并对其密封及其强度性能进行评定。结果表明:通过EN法和Waters法计算所得的螺栓预紧力，均能使法兰系统满足密封条件且符合安全评定要求；但EN13445附录G方法确定的螺栓预紧力能保证应力在法兰上更均匀地分布，且应力水平更低；EN13445附录G方法在计算时考虑了整个法兰连接接头的密封要求及其强度要求，相较于Waters法考虑情况更加全面。