大學生研究性學習和創(chuàng)新性實驗計劃項目申報表

1、附件6： 第七屆大學生研究性學習和創(chuàng)新性實驗計劃項目申 報 表項目名稱發(fā)動機活塞-缸套摩擦裝置的設計、仿真及磨損自修復實驗項目類別創(chuàng)新訓練項目þ 創(chuàng)業(yè)訓練項目項目級別省部級þ 校級項目主持人學生所在學院機械工程學院專業(yè)班級13過程裝備與控制工程2班聯(lián)系電話指導老師張建平填表日期 湘 潭 大 學 教 務 處 制填寫說明一、申報書要按要求逐項認真填寫，填寫內容必須實事求是，表達明確嚴謹?？杖表椧睢盁o”。二、創(chuàng)新訓練項目是本科生個人或團隊，在導師指導下，自主完成創(chuàng)新性研究項目設計、研究條件準備和項目實施、研究報告撰寫、成果（學術）交流等工作。創(chuàng)業(yè)訓練項目是本科生團隊，在導師指導

2、下，團隊中每個學生在項目實施過程中扮演一個或多個具體的角色，通過編制商業(yè)計劃書、開展可行性研究、模擬企業(yè)運行、參加企業(yè)實踐、撰寫創(chuàng)業(yè)報告等工作。三、格式要求：表格中的字體用小四號仿宋體，1.5倍行距；需簽字部分由相關人員以黑色鋼筆或水筆簽名。均用A4紙雙面打印，于左側裝訂成冊。四、申報省部級項目如未獲批立項，將參與校級項目的遴選。五、本頁不裝訂。項目名稱:學生姓名學 號專業(yè)名稱性別入學年份指導教師張建平職稱講師項目所屬一級學科動力工程及工程熱物理學生曾經(jīng)參與科研或創(chuàng)業(yè)的情況指導教師承擔科研課題情況主持：國家自然科學基金青年項目【51405415】：基于無網(wǎng)格/有限體積法活塞的流固耦合傳熱及優(yōu)化

3、研究，2015-2017主持：湘潭大學博士科研啟動項目【14QDZ06】：基于無網(wǎng)格法考慮摩擦熱的活塞組-油膜-缸套耦合系統(tǒng)瞬態(tài)傳熱研究，2014-2016主持：湘潭大學自然科學基金項目【08XZX20】：RKPM在連續(xù)體結構動力拓撲優(yōu)化中的應用研究，2009-2010參與（排名第2）：橫向課題“活性炭脫硫脫硝吸附塔的流場仿真分析”，中冶長天國際工程有限責任公司，2014參與（排名第2）：橫向課題“鎂法脫硫工藝濃縮塔顫振結構因素仿真分析”，中冶長天國際工程有限責任公司，2014參與（排名第2）：橫向課題“不同粒度組成的活性炭透過性能實驗研究”，中冶長天國際工程有限責任公司，2014項目研究和實

4、驗的目的、內容和要解決的主要問題 摘要 摩擦副運行的過程中，在潤滑油膜厚度一定條件下，摩擦副的表面粗糙度決定了其潤滑狀態(tài)，直接影響到摩擦副的摩擦磨損性能。某些硅酸鹽自修復材料在使用過程中，通過表面的機械拋光等作用改善摩擦副表面形貌，降低表面粗糙度，同時該類微納米自修復材料還能夠與摩擦副產(chǎn)生機械物理作用和物理化學作用，從而在摩擦副納米級或微米級厚度層內滲入或誘發(fā)產(chǎn)生新元素或新物質，使金屬表面的微組織、微結構得到改善，從而改善金屬的強度、硬度、塑性等，實現(xiàn)摩擦副表面的形貌優(yōu)化與在線強化，提高摩擦副的承載能力和抗磨性能。通過摩擦條件的優(yōu)化達到最佳的摩擦磨損狀態(tài)，最終表現(xiàn)為整個摩擦副甚至是摩擦系統(tǒng)摩擦

5、磨損性能的恢復，而不僅僅是摩擦副表面磨損的修復，此類自修復也可以稱之為“摩擦系統(tǒng)自修復”一；實驗目的1；設計一種用于活塞-缸套摩擦磨損以及自修復的試驗臺2；解決目前試驗臺的局限性，擴大試驗臺的實驗環(huán)境，采用零部件模擬法對模擬進行優(yōu)化。3；縮短試驗周期，減少成本，提高試驗參數(shù)等，在試驗效率和試驗尺寸范圍上進一步的改善。4；降低試驗加載的復雜性。二；研究內容本項目要進行發(fā)動機活塞-缸套的模擬，并且通過試驗運用摩擦磨損自修復潤滑油添加劑對其摩擦磨損進行自修復，達到發(fā)動機壽命的延長。具體內容如下；(1) 對活塞-缸套進行試驗，并且記錄數(shù)據(jù)對摩擦磨損量進行考量。 通過申請?zhí)?01410149158.5基

6、于缸套磨損的柴油機壽命計量方法和裝置進行試驗，并且記錄數(shù)據(jù)，分析。得出摩擦磨損的情況并且對其采用自修復潤滑油添加劑對其進行修復，達到發(fā)動機的最好性能。 涉及試驗臺的研究方案 （2）關于摩擦磨損自修復潤滑油添加劑研究的選擇 摩擦磨損是發(fā)動機必然存在的一種現(xiàn)象，而磨損是材料與設備破壞和失效的3種主要形式之一，而潤滑是降低摩擦，減小或避免磨損的有效技術。而且潤滑添加劑在很大程度上決定了潤滑劑的使用性能。為了使材料在摩擦過程中自動修復磨損表面的功能，需要合適的具有自修復對的潤滑添加劑。如日本學者研究了具有自組裝，自修復特點的機械系統(tǒng)和環(huán)氧離子進行自修復的智能材料系統(tǒng)。美國學者研究了對低速沖擊具有自修復

7、能力的樹脂復合材料。而且在21世紀中最有競爭力的納米級潤滑油添加劑表現(xiàn)出巨大的潛力。 目前的潤滑油添加劑有納米銅顆粒潤滑油添加劑，陶瓷潤滑油添加劑，礦物微粉自修復添加劑等，它們有各自的優(yōu)缺點。下面對這些添加劑的分析并且選出適合的添加劑。如下；（1）納米銅顆粒 納米銅顆粒是具有面心立方結構且具有小尺寸效應，表面效應，量子隧道效應等所特有的性質外，還具有低熔點，各項同性，溫度適用范圍廣等特點，因此作為添加劑具有優(yōu)異的抗磨，減磨，抗極壓，自修復性能及環(huán)境友好等特點從而使其成為了研究熱點。 1.1納米銅顆粒在潤滑油中的分散穩(wěn)定性納米銅顆粒添加在潤滑油中，由于粒子小，表面能高，顆粒之間存在引力，自動聚集

8、的傾向很大，容易發(fā)生團聚，這種團聚即使在潤滑油中被強行分散，顆粒也會在相互碰撞中再次的團聚發(fā)生沉淀。而顆粒一旦發(fā)生團聚，沉淀或變性，就不在具有原有特性，同時還可能對活塞-缸套造成負面影響。1.2納米銅顆粒的作用機理 1.2.1；球軸承機制 該 機 制認為均勻分散在潤滑油中的納米銅顆粒以變摩擦副之間的滑動摩擦為滾動摩擦同時起到支撐作用表現(xiàn)出優(yōu)異的抗磨減擦和抗極壓性能。1.2.2修復填充機制該機制認為，分散在潤滑油中的納米顆粒通過吸附，沉積或鑲嵌作用填補表面的微損傷或微劃痕，使表面光滑，平整，有利于應力的釋放和改善摩擦，并且具有一定修復作用。此為關于該機制1；摩擦副表面越平整，承載時接觸面越大，納

9、米顆粒的填充，修復作用和對改善摩擦學性能的貢獻越大；2在保證納米顆粒分散性和分散穩(wěn)定性前提下，具有一定粒度的納米顆粒，有利于填充大小不同的摩擦表面微坑實現(xiàn)更大程度的修復。1.2.3成膜機制該機制認為納米銅顆粒在摩擦表面通過物理，化學作用形成一層低剪切強度的保護膜，變摩擦副之間的磨損為保護膜的膜內磨損。關于保護膜的形成機理有以下幾種觀點； 1機械化學反應成膜Tarasov等認為摩擦表面微接觸區(qū)的直接接觸導致摩擦副局部過熱，在摩擦剪切力，局部高溫，高壓的作用下，納米銅顆粒在摩擦表面形成了一層靠機械涂抹作用形成的銅保護膜該保護膜在高溫下可以起到類似高粘度流體的潤滑作用效果。此外，由于試驗過程中使用的

10、基礎油含有各種抗磨，減磨添加劑，這些添加劑在摩擦微接觸區(qū)分解，分解產(chǎn)物與摩擦副基體反應形成摩擦化學反應膜起到抗磨減摩作用，同時在摩擦過程中高溫作用下與納米銅發(fā)生置換反應，引起納米銅在機體表面的化學沉積，形成一種復雜的化學反應膜。 2電泳運動-沉積-鋪展成膜周靜芳等認為納米銅顆粒在摩擦過程中在摩擦形成的電場作用下通過電泳運動在摩擦表面逐漸沉積，沉積的納米銅顆粒，由于粒徑小，熔點低，且延展性好，在摩擦接觸的高溫高壓下融熔鋪展形成致密的保護膜。由于這層膜的剪切強度比較低，可以減少摩擦界面的粘著磨損，故而表現(xiàn)出良好的減摩抗磨性能。3冶金效應成膜姜秉新等認為，由于受到摩擦表面微凸體或粗糙峰強烈碰撞和熱能

11、的影響，納米銅顆粒與鐵磨粒參與了局部冶金反應，互相熔合重組并焊接在磨斑表面，填補摩擦表面的凹處，同時與表面共晶微粒和軟質銅組成一層保護膜。起到抗磨減摩作用。4載體積物理化學作用成膜徐濱士等認為，對于表面修飾的納米銅顆粒，因為選擇的表面修飾劑本身就具有良好的摩擦學性能，而納米顆粒表面能大，活性高在摩擦過程中，表面修飾的納米銅顆粒在向已經(jīng)被高度活化的摩擦副表面移動時，同時具有良好摩擦性的有機修飾劑也被轉移到摩擦副表面，在此過程中納米顆粒充當了轉移有機載體的作用。表面修飾的納米顆粒在轉移吸附到摩擦副表面后形成一層具有協(xié)同效應的有機/無機復合潤滑膜，起到改善摩擦磨損作用。當載荷增大到一定程度時，在微區(qū)

12、高溫作用下，表面修飾劑與納米顆粒之間的作用完全遭到破壞，裸露的納米銅顆粒可直接與金屬發(fā)生物理化學作用，生成一層能夠承受更大載荷的化學反應膜，實現(xiàn)苛刻條件下的潤滑。 成膜機制是人們對納米銅添加劑摩擦學作用原理普遍接受的觀點。2.納米銅顆粒摩擦學性能 2.1粒徑及添加量的影響 初步表明粒徑為15nm的納米銅顆粒在潤滑油中的抗磨效果優(yōu)于粒徑為40nm的銅納米顆粒。據(jù)此可以推測，粒徑較小的納米顆粒作為潤滑油添加劑在金屬表面的沉積及其對磨損表面的修復能力更強。通過徐健生等的研究表明納米銅顆粒的粒徑存在一個較佳的范圍，4到15nm時納米銅顆粒潤滑效果明顯，在此范圍外，則不明顯。 在此基礎上研究表明納米銅顆

13、粒的的含量在潤滑油中存在一個合理的添加范圍添加過少或過多都會削弱其抗摩性能。而此范圍目前沒有明確的表示。需要下實驗中通過大量的數(shù)據(jù)分析進行確定。 2.2滑動轉速，負荷的影響 通過學者研究結果表明同低負荷相比，納米銅在高負荷下表現(xiàn)出了較好的摩擦學性能，原因是在高負荷下納米銅更容易在摩擦表面沉積，成膜。對滑動速度影響的研究表明；在低負荷時，納米銅的減摩性能隨滑動速度的減小而提高；在高負荷時，滑動速度對納米銅摩擦學性能的影響較小。 2.3潤滑介質的影響 目前研究中使用基礎油有液體石蠟，礦物基礎油，汽油機油，柴油機油，軍用機油，二沖程潤滑油，齒輪油等。研究表明納米銅顆粒幾乎在各種潤滑油中都有優(yōu)異的性能

14、，只是在不同油品中表現(xiàn)的作用效果因為油品本生性能差異而有所不同。 2.4摩擦副材料的影響 研究表明納米銅顆粒對鋼-鋼，鋼-鐵，鋼-銅，鋼-鋁摩擦副都有一定抗摩減磨作用對于硬度較低的銅，鋁等材料，因在高負荷條件下容易發(fā)生變形因此作用效果同低負荷條件相比較差。 對此，納米銅顆粒的研究任然再繼續(xù)，而且需要通過大量的實驗來驗證其效果。所以我們需要在前人的基礎上努力。（2） 陶瓷潤滑油添加劑 通過實驗表明陶瓷添加劑表現(xiàn)出明顯的磨損自修復功能，可以很好的覆蓋修補缸套表面原有的裂紋，顯著降低缸套表面粗糙度，改善缸套潤滑性能；摩擦表面生成由富C層和過渡層組成，厚度250到450nm左右且分布不均勻的修復改性層

15、，初步推測其中富C層為金剛石結構；該陶瓷添加劑本身不參與修復改性層的構建，但是能1發(fā)生關鍵而復雜的催化作用。在摩擦學學報第26卷第6期中通過陶瓷潤滑油添加劑對鍍鉻缸套磨損自修復特性的影響中得出結論；1,陶瓷潤滑油添加劑表現(xiàn)出優(yōu)異的抗磨修復功能，使缸套表面粗糙度顯著降低，其表面硬度低于基體鍍鉻層，但納米硬度高達10GPa。2陶瓷添加劑作用后在缸套摩擦表面生成了一層具有優(yōu)異性能的修復改性層，可以有效覆蓋和修補原有裂紋。3摩擦表面的修復改性層由富C層和過渡層2部分組成，初步推測其中富C層為類金剛石結構，但其分布不均勻且含有SP3鍵比例較低。4陶瓷添加劑本身并不參加修復改性層的結構建，但在修復改性層的

16、形成過程中起到關鍵而復雜的催化作用。（3） 微納米減摩自修復 微納米材料微納米材料能夠以潤滑油為載體，通過機械摩擦作用、摩擦化學作用和摩擦電化學作用等，在磨損表面沉積、結晶、滲透、鋪展成膜，對磨損損傷進行一定程度的填補和修復，以補償所產(chǎn)生的磨損，達到磨損和修復的動態(tài)平衡，甚至可形成一定厚度的修復層。微納米材料在減摩技術中的應用為裝備運行中的不解體維修提供了可行性。微納米粉體材料有微納米單質粉體，納米硫屬化合物，微納米氧化物和氫氧化物，微納米硼系，稀土類化合物。層狀硅酸鹽礦物微粉，磨損自補償潤滑修復添加劑。由于中國擁有豐富的礦場資源，所以微納米技術我覺得更符合當下中國的發(fā)展。微納米減摩自修復技術

17、能夠在不停機、 不解體狀況下， 利用分散于潤滑介質中的微納米顆粒的獨特作用， 通過摩擦機械化學的方法在磨損表面原位生成一層具有良好潤滑作用的減摩自修復層， 實現(xiàn)摩擦副表面的在線強化或原位動態(tài)自修復。 該技術突破了摩擦學的某些傳統(tǒng)規(guī)律，例如磨損與行程成正比，磨損與載荷成正比，磨損隨潤滑油粘度減小而增大等規(guī)律，給傳統(tǒng)摩擦學研究和維修技術研究帶來了全新的理念， 同時由于微納米自修復材料自身的復雜性及應用過程中的復雜性， 也對該領域的技術研究提出了新的挑戰(zhàn)。 總之微納米減摩自修復技術不僅可以達到預防和減免故障，實現(xiàn)裝備的高效、高可靠性、長壽命的要求，還能夠減少摩擦磨損造成的能源、材料浪費。隨著各種機械

18、設備的不斷發(fā)展， 人類對節(jié)能環(huán)保要求的不斷提高， 微納米減摩自修復技術的發(fā)展將會顯示出越來越重要的地位。（4）對潤滑油添加劑的選擇 目前世界范圍研究較多的有納米銅顆粒等一系列優(yōu)異的添加劑，但是同比當下中國的發(fā)展，中國要有自己的發(fā)展計劃。通過比較上面幾種添加劑，我認為微納米添加劑更好。國內外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)20 世紀 90 年代，美國從產(chǎn)業(yè)角度建立了 3R體系 (再利用 Reuse、再循環(huán) Recycle、再制造Remanufacture)；日本從環(huán)境保護的角度也建立了3R 體系 (減量化 Reduce、再利用 Reuse、再循環(huán)Recycle)。中國在總結世界各國經(jīng)驗的基礎上， 創(chuàng)造性地提出

19、具有中國特色的 4R 體系 （減量化Reduce、再利用 Reuse、再循環(huán) Recycle、再制造Remanufacture ）。由于再制造中最重要的是表面工程，具體在發(fā)動機中有對活塞-缸套的自修復。國外的發(fā)展再制造在國外的發(fā)展再制造在歐美等發(fā)達國家已有幾十年的發(fā)展歷史， 在廢品回收責任制、 再制造產(chǎn)品質量保證、 再制造產(chǎn)品銷售和售后服務等方面都已形成了較完善的制度。具體表現(xiàn)有；廢品回收責任制，歐盟要求廠家為其產(chǎn)品對環(huán)境造成的影響負責， 相關垃圾的回收和處理費用由廠家承擔。日本政府制定政策， 要求制造商、 零售商和消費者分擔產(chǎn)品回收費用， 即消費者出回收費， 零售商負責收集， 制造商要對廢舊

20、產(chǎn)品進行回收利用。北美工程機械市場提高了國際交易的門檻， 要求制造商在出售產(chǎn)品的同時， 也必須承擔回收責任， 應拿出銷售額的 50回收廢舊產(chǎn)品。再制造產(chǎn)品的質量保證，歐美國家對再制造產(chǎn)品的質量保證有嚴格要求， 再制造產(chǎn)品必須在質量、 性能、 售后服務上達到與新品一樣的水平。對再制造產(chǎn)品實施與新品一樣的管理， 包括質量標準、 企業(yè)準入門檻、 稅收政策等。針對再制造行業(yè)的特殊性， 政府部門還制定了與再制造產(chǎn)品相關的廣告、 標識以及知識產(chǎn)權等方面的規(guī)定。再制造的經(jīng)濟效益制造商開展再制造，已成為新的經(jīng)濟增長點。美國卡特彼勒公司開展工程機械再制造， 不僅沒有影響新品銷售， 反而因能夠為用戶提供更廉價的再

21、制造零部件而大大增強了其競爭力， 銷售收入增長更快。1996 年，美國專業(yè)化再制造公司達 73 000家， 年銷售額 530 億美元， 直接雇員 48 萬人 ； 2005年， 美國再制造產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值已超過 800 億美元， 其中汽車和工程機械再制造占 2/3 以上， 約 500 億美元。 再制造在國內的發(fā)展我國再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對較晚， 但發(fā)展勢頭很好，目前已成為世界上最重要的再制造中心之一。中國在這方面有了一定的發(fā)展，在政府的支持下和一些民間私人間的合作以及和國外的合作，以及一些學術研究都極大的促進了發(fā)展。具體有以下例子； 1 2005 年 7 月， 國務院頒布的 21、 22 號文件明確表示國家

22、將 “支持廢舊機電產(chǎn)品再制造” ，并把“綠色再制造技術”列為 “國務院有關部門和地方各級人民政府要加大經(jīng)費支持力度的關鍵、共性項目之一” ； 11 月，國家發(fā)改委等 6 部委聯(lián)合公布了國家首批循環(huán)經(jīng)濟示范試點領域及企業(yè)名單， 再制造成為 4 個重點領域之一， 濟南復強再制造公司被列為再制造重點領域中的試點單位； 2 2006 年，時任國務院副總理曾培炎就發(fā)展我國汽車零部件再制造產(chǎn)業(yè)做出重要批示： “同意以汽車零部件為再制造產(chǎn)業(yè)試點， 探索經(jīng)驗， 研發(fā)技術； 同時要考慮定時修訂有關法律法規(guī)” ； 3 2007 年， 根據(jù)曾培炎副總理的指示， 國家發(fā)改委組織開展了國內汽車零部件再制造產(chǎn)業(yè)試點的系列

23、工作， 并委托中國汽車工業(yè)協(xié)會牽頭， 成立了由原機械工業(yè)部部長何光遠和徐濱士院士為顧問的專題研究小組； 4 2008 年 3 月， 國家發(fā)改委批準全國 14 家企業(yè)作為新一輪 “汽車零部件再制造產(chǎn)業(yè)試點企業(yè)” ，其中包括一汽、 東風、 上汽、 重汽和奇瑞等整車制造企業(yè)和濰柴、 玉柴等發(fā)動機制造企業(yè)； 6 月， 國家標準化管理委員會批準成立 “全國綠色制造標準化技術委員會再制造分技術委員會” ，由裝備再制造技術國防科技重點實驗室作為秘書處掛靠單位和委員會籌建單位， 目前該實驗室正在積極開展 “再制造術語標準、 技術工藝標準、 性能檢測標準、 質量控制標準， 以及關鍵技術標準” 等相關工作； 5

24、2009 年 1 月， 中華人民共和國循環(huán)經(jīng)濟促進法正式生效，標志著再制造已進入國家法律。循環(huán)經(jīng)濟促進法第四十條指出： “國家支持企業(yè)開展機動車零部件、 工程機械、 機床等產(chǎn)品的再制造和輪胎翻新” ； 并規(guī)定 “銷售的再制造產(chǎn)品和翻新產(chǎn)品的質量必須符合國家規(guī)定的標準， 并在顯著位置標識為再制造產(chǎn)品或者翻新產(chǎn)品” ； 4 月，國家發(fā)改委組織發(fā)布了全國統(tǒng)一的汽車零部件再制造產(chǎn)品標志。 而在摩擦磨損自修復添加劑中中國的學者進行了展望。機械零件的磨損一般起始于早期的輕度磨損 , 摩擦磨損的自適應、自修復是材料學和摩擦學設計的最終目標 , 這既是對提高性能的要求 , 又是仿生化和環(huán)境友好化的要求。為減少或消除磨損 , 除進行合理的摩擦學設計外 , 可通過 3 條途徑來實現(xiàn) : 一是減