大学生研究性学习和创新性实验计划项目申报表

1、附件6： 第七届大学生研究性学习和创新性实验计划项目申 报 表项目名称发动机活塞-缸套摩擦装置的设计、仿真及磨损自修复实验项目类别创新训练项目þ 创业训练项目项目级别省部级þ 校级项目主持人学生所在学院机械工程学院专业班级13过程装备与控制工程2班联系电话指导老师张建平填表日期 湘 潭 大 学 教 务 处 制填写说明一、申报书要按要求逐项认真填写，填写内容必须实事求是，表达明确严谨。空缺项要填“无”。二、创新训练项目是本科生个人或团队，在导师指导下，自主完成创新性研究项目设计、研究条件准备和项目实施、研究报告撰写、成果（学术）交流等工作。创业训练项目是本科生团队，在导师指导

2、下，团队中每个学生在项目实施过程中扮演一个或多个具体的角色，通过编制商业计划书、开展可行性研究、模拟企业运行、参加企业实践、撰写创业报告等工作。三、格式要求：表格中的字体用小四号仿宋体，1.5倍行距；需签字部分由相关人员以黑色钢笔或水笔签名。均用A4纸双面打印，于左侧装订成册。四、申报省部级项目如未获批立项，将参与校级项目的遴选。五、本页不装订。项目名称:学生姓名学 号专业名称性别入学年份指导教师张建平职称讲师项目所属一级学科动力工程及工程热物理学生曾经参与科研或创业的情况指导教师承担科研课题情况主持：国家自然科学基金青年项目【51405415】：基于无网格/有限体积法活塞的流固耦合传热及优化

3、研究，2015-2017主持：湘潭大学博士科研启动项目【14QDZ06】：基于无网格法考虑摩擦热的活塞组-油膜-缸套耦合系统瞬态传热研究，2014-2016主持：湘潭大学自然科学基金项目【08XZX20】：RKPM在连续体结构动力拓扑优化中的应用研究，2009-2010参与（排名第2）：横向课题“活性炭脱硫脱硝吸附塔的流场仿真分析”，中冶长天国际工程有限责任公司，2014参与（排名第2）：横向课题“镁法脱硫工艺浓缩塔颤振结构因素仿真分析”，中冶长天国际工程有限责任公司，2014参与（排名第2）：横向课题“不同粒度组成的活性炭透过性能实验研究”，中冶长天国际工程有限责任公司，2014项目研究和实

4、验的目的、内容和要解决的主要问题 摘要 摩擦副运行的过程中，在润滑油膜厚度一定条件下，摩擦副的表面粗糙度决定了其润滑状态，直接影响到摩擦副的摩擦磨损性能。某些硅酸盐自修复材料在使用过程中，通过表面的机械抛光等作用改善摩擦副表面形貌，降低表面粗糙度，同时该类微纳米自修复材料还能够与摩擦副产生机械物理作用和物理化学作用，从而在摩擦副纳米级或微米级厚度层内渗入或诱发产生新元素或新物质，使金属表面的微组织、微结构得到改善，从而改善金属的强度、硬度、塑性等，实现摩擦副表面的形貌优化与在线强化，提高摩擦副的承载能力和抗磨性能。通过摩擦条件的优化达到最佳的摩擦磨损状态，最终表现为整个摩擦副甚至是摩擦系统摩擦

5、磨损性能的恢复，而不仅仅是摩擦副表面磨损的修复，此类自修复也可以称之为“摩擦系统自修复”一；实验目的1；设计一种用于活塞-缸套摩擦磨损以及自修复的试验台2；解决目前试验台的局限性，扩大试验台的实验环境，采用零部件模拟法对模拟进行优化。3；缩短试验周期，减少成本，提高试验参数等，在试验效率和试验尺寸范围上进一步的改善。4；降低试验加载的复杂性。二；研究内容本项目要进行发动机活塞-缸套的模拟，并且通过试验运用摩擦磨损自修复润滑油添加剂对其摩擦磨损进行自修复，达到发动机寿命的延长。具体内容如下；(1) 对活塞-缸套进行试验，并且记录数据对摩擦磨损量进行考量。 通过申请号201410149158.5基

6、于缸套磨损的柴油机寿命计量方法和装置进行试验，并且记录数据，分析。得出摩擦磨损的情况并且对其采用自修复润滑油添加剂对其进行修复，达到发动机的最好性能。 涉及试验台的研究方案 （2）关于摩擦磨损自修复润滑油添加剂研究的选择 摩擦磨损是发动机必然存在的一种现象，而磨损是材料与设备破坏和失效的3种主要形式之一，而润滑是降低摩擦，减小或避免磨损的有效技术。而且润滑添加剂在很大程度上决定了润滑剂的使用性能。为了使材料在摩擦过程中自动修复磨损表面的功能，需要合适的具有自修复对的润滑添加剂。如日本学者研究了具有自组装，自修复特点的机械系统和环氧离子进行自修复的智能材料系统。美国学者研究了对低速冲击具有自修复

7、能力的树脂复合材料。而且在21世纪中最有竞争力的纳米级润滑油添加剂表现出巨大的潜力。 目前的润滑油添加剂有纳米铜颗粒润滑油添加剂，陶瓷润滑油添加剂，矿物微粉自修复添加剂等，它们有各自的优缺点。下面对这些添加剂的分析并且选出适合的添加剂。如下；（1）纳米铜颗粒 纳米铜颗粒是具有面心立方结构且具有小尺寸效应，表面效应，量子隧道效应等所特有的性质外，还具有低熔点，各项同性，温度适用范围广等特点，因此作为添加剂具有优异的抗磨，减磨，抗极压，自修复性能及环境友好等特点从而使其成为了研究热点。 1.1纳米铜颗粒在润滑油中的分散稳定性纳米铜颗粒添加在润滑油中，由于粒子小，表面能高，颗粒之间存在引力，自动聚集

8、的倾向很大，容易发生团聚，这种团聚即使在润滑油中被强行分散，颗粒也会在相互碰撞中再次的团聚发生沉淀。而颗粒一旦发生团聚，沉淀或变性，就不在具有原有特性，同时还可能对活塞-缸套造成负面影响。1.2纳米铜颗粒的作用机理 1.2.1；球轴承机制 该 机 制认为均匀分散在润滑油中的纳米铜颗粒以变摩擦副之间的滑动摩擦为滚动摩擦同时起到支撑作用表现出优异的抗磨减擦和抗极压性能。1.2.2修复填充机制该机制认为，分散在润滑油中的纳米颗粒通过吸附，沉积或镶嵌作用填补表面的微损伤或微划痕，使表面光滑，平整，有利于应力的释放和改善摩擦，并且具有一定修复作用。此为关于该机制1；摩擦副表面越平整，承载时接触面越大，纳

9、米颗粒的填充，修复作用和对改善摩擦学性能的贡献越大；2在保证纳米颗粒分散性和分散稳定性前提下，具有一定粒度的纳米颗粒，有利于填充大小不同的摩擦表面微坑实现更大程度的修复。1.2.3成膜机制该机制认为纳米铜颗粒在摩擦表面通过物理，化学作用形成一层低剪切强度的保护膜，变摩擦副之间的磨损为保护膜的膜内磨损。关于保护膜的形成机理有以下几种观点； 1机械化学反应成膜Tarasov等认为摩擦表面微接触区的直接接触导致摩擦副局部过热，在摩擦剪切力，局部高温，高压的作用下，纳米铜颗粒在摩擦表面形成了一层靠机械涂抹作用形成的铜保护膜该保护膜在高温下可以起到类似高粘度流体的润滑作用效果。此外，由于试验过程中使用的

10、基础油含有各种抗磨，减磨添加剂，这些添加剂在摩擦微接触区分解，分解产物与摩擦副基体反应形成摩擦化学反应膜起到抗磨减摩作用，同时在摩擦过程中高温作用下与纳米铜发生置换反应，引起纳米铜在机体表面的化学沉积，形成一种复杂的化学反应膜。 2电泳运动-沉积-铺展成膜周静芳等认为纳米铜颗粒在摩擦过程中在摩擦形成的电场作用下通过电泳运动在摩擦表面逐渐沉积，沉积的纳米铜颗粒，由于粒径小，熔点低，且延展性好，在摩擦接触的高温高压下融熔铺展形成致密的保护膜。由于这层膜的剪切强度比较低，可以减少摩擦界面的粘着磨损，故而表现出良好的减摩抗磨性能。3冶金效应成膜姜秉新等认为，由于受到摩擦表面微凸体或粗糙峰强烈碰撞和热能

11、的影响，纳米铜颗粒与铁磨粒参与了局部冶金反应，互相熔合重组并焊接在磨斑表面，填补摩擦表面的凹处，同时与表面共晶微粒和软质铜组成一层保护膜。起到抗磨减摩作用。4载体积物理化学作用成膜徐滨士等认为，对于表面修饰的纳米铜颗粒，因为选择的表面修饰剂本身就具有良好的摩擦学性能，而纳米颗粒表面能大，活性高在摩擦过程中，表面修饰的纳米铜颗粒在向已经被高度活化的摩擦副表面移动时，同时具有良好摩擦性的有机修饰剂也被转移到摩擦副表面，在此过程中纳米颗粒充当了转移有机载体的作用。表面修饰的纳米颗粒在转移吸附到摩擦副表面后形成一层具有协同效应的有机/无机复合润滑膜，起到改善摩擦磨损作用。当载荷增大到一定程度时，在微区

12、高温作用下，表面修饰剂与纳米颗粒之间的作用完全遭到破坏，裸露的纳米铜颗粒可直接与金属发生物理化学作用，生成一层能够承受更大载荷的化学反应膜，实现苛刻条件下的润滑。 成膜机制是人们对纳米铜添加剂摩擦学作用原理普遍接受的观点。2.纳米铜颗粒摩擦学性能 2.1粒径及添加量的影响 初步表明粒径为15nm的纳米铜颗粒在润滑油中的抗磨效果优于粒径为40nm的铜纳米颗粒。据此可以推测，粒径较小的纳米颗粒作为润滑油添加剂在金属表面的沉积及其对磨损表面的修复能力更强。通过徐健生等的研究表明纳米铜颗粒的粒径存在一个较佳的范围，4到15nm时纳米铜颗粒润滑效果明显，在此范围外，则不明显。 在此基础上研究表明纳米铜颗

13、粒的的含量在润滑油中存在一个合理的添加范围添加过少或过多都会削弱其抗摩性能。而此范围目前没有明确的表示。需要下实验中通过大量的数据分析进行确定。 2.2滑动转速，负荷的影响 通过学者研究结果表明同低负荷相比，纳米铜在高负荷下表现出了较好的摩擦学性能，原因是在高负荷下纳米铜更容易在摩擦表面沉积，成膜。对滑动速度影响的研究表明；在低负荷时，纳米铜的减摩性能随滑动速度的减小而提高；在高负荷时，滑动速度对纳米铜摩擦学性能的影响较小。 2.3润滑介质的影响 目前研究中使用基础油有液体石蜡，矿物基础油，汽油机油，柴油机油，军用机油，二冲程润滑油，齿轮油等。研究表明纳米铜颗粒几乎在各种润滑油中都有优异的性能

14、，只是在不同油品中表现的作用效果因为油品本生性能差异而有所不同。 2.4摩擦副材料的影响 研究表明纳米铜颗粒对钢-钢，钢-铁，钢-铜，钢-铝摩擦副都有一定抗摩减磨作用对于硬度较低的铜，铝等材料，因在高负荷条件下容易发生变形因此作用效果同低负荷条件相比较差。 对此，纳米铜颗粒的研究任然再继续，而且需要通过大量的实验来验证其效果。所以我们需要在前人的基础上努力。（2） 陶瓷润滑油添加剂 通过实验表明陶瓷添加剂表现出明显的磨损自修复功能，可以很好的覆盖修补缸套表面原有的裂纹，显著降低缸套表面粗糙度，改善缸套润滑性能；摩擦表面生成由富C层和过渡层组成，厚度250到450nm左右且分布不均匀的修复改性层

15、，初步推测其中富C层为金刚石结构；该陶瓷添加剂本身不参与修复改性层的构建，但是能1发生关键而复杂的催化作用。在摩擦学学报第26卷第6期中通过陶瓷润滑油添加剂对镀铬缸套磨损自修复特性的影响中得出结论；1,陶瓷润滑油添加剂表现出优异的抗磨修复功能，使缸套表面粗糙度显著降低，其表面硬度低于基体镀铬层，但纳米硬度高达10GPa。2陶瓷添加剂作用后在缸套摩擦表面生成了一层具有优异性能的修复改性层，可以有效覆盖和修补原有裂纹。3摩擦表面的修复改性层由富C层和过渡层2部分组成，初步推测其中富C层为类金刚石结构，但其分布不均匀且含有SP3键比例较低。4陶瓷添加剂本身并不参加修复改性层的结构建，但在修复改性层的

16、形成过程中起到关键而复杂的催化作用。（3） 微纳米减摩自修复 微纳米材料微纳米材料能够以润滑油为载体，通过机械摩擦作用、摩擦化学作用和摩擦电化学作用等，在磨损表面沉积、结晶、渗透、铺展成膜，对磨损损伤进行一定程度的填补和修复，以补偿所产生的磨损，达到磨损和修复的动态平衡，甚至可形成一定厚度的修复层。微纳米材料在减摩技术中的应用为装备运行中的不解体维修提供了可行性。微纳米粉体材料有微纳米单质粉体，纳米硫属化合物，微纳米氧化物和氢氧化物，微纳米硼系，稀土类化合物。层状硅酸盐矿物微粉，磨损自补偿润滑修复添加剂。由于中国拥有丰富的矿场资源，所以微纳米技术我觉得更符合当下中国的发展。微纳米减摩自修复技术

17、能够在不停机、 不解体状况下， 利用分散于润滑介质中的微纳米颗粒的独特作用， 通过摩擦机械化学的方法在磨损表面原位生成一层具有良好润滑作用的减摩自修复层， 实现摩擦副表面的在线强化或原位动态自修复。 该技术突破了摩擦学的某些传统规律，例如磨损与行程成正比，磨损与载荷成正比，磨损随润滑油粘度减小而增大等规律，给传统摩擦学研究和维修技术研究带来了全新的理念， 同时由于微纳米自修复材料自身的复杂性及应用过程中的复杂性， 也对该领域的技术研究提出了新的挑战。 总之微纳米减摩自修复技术不仅可以达到预防和减免故障，实现装备的高效、高可靠性、长寿命的要求，还能够减少摩擦磨损造成的能源、材料浪费。随着各种机械

18、设备的不断发展， 人类对节能环保要求的不断提高， 微纳米减摩自修复技术的发展将会显示出越来越重要的地位。（4）对润滑油添加剂的选择 目前世界范围研究较多的有纳米铜颗粒等一系列优异的添加剂，但是同比当下中国的发展，中国要有自己的发展计划。通过比较上面几种添加剂，我认为微纳米添加剂更好。国内外研究现状和发展动态20 世纪 90 年代，美国从产业角度建立了 3R体系 (再利用 Reuse、再循环 Recycle、再制造Remanufacture)；日本从环境保护的角度也建立了3R 体系 (减量化 Reduce、再利用 Reuse、再循环Recycle)。中国在总结世界各国经验的基础上， 创造性地提出

19、具有中国特色的 4R 体系 （减量化Reduce、再利用 Reuse、再循环 Recycle、再制造Remanufacture ）。由于再制造中最重要的是表面工程，具体在发动机中有对活塞-缸套的自修复。国外的发展再制造在国外的发展再制造在欧美等发达国家已有几十年的发展历史， 在废品回收责任制、 再制造产品质量保证、 再制造产品销售和售后服务等方面都已形成了较完善的制度。具体表现有；废品回收责任制，欧盟要求厂家为其产品对环境造成的影响负责， 相关垃圾的回收和处理费用由厂家承担。日本政府制定政策， 要求制造商、 零售商和消费者分担产品回收费用， 即消费者出回收费， 零售商负责收集， 制造商要对废旧

20、产品进行回收利用。北美工程机械市场提高了国际交易的门槛， 要求制造商在出售产品的同时， 也必须承担回收责任， 应拿出销售额的 50回收废旧产品。再制造产品的质量保证，欧美国家对再制造产品的质量保证有严格要求， 再制造产品必须在质量、 性能、 售后服务上达到与新品一样的水平。对再制造产品实施与新品一样的管理， 包括质量标准、 企业准入门槛、 税收政策等。针对再制造行业的特殊性， 政府部门还制定了与再制造产品相关的广告、 标识以及知识产权等方面的规定。再制造的经济效益制造商开展再制造，已成为新的经济增长点。美国卡特彼勒公司开展工程机械再制造， 不仅没有影响新品销售， 反而因能够为用户提供更廉价的再

21、制造零部件而大大增强了其竞争力， 销售收入增长更快。1996 年，美国专业化再制造公司达 73 000家， 年销售额 530 亿美元， 直接雇员 48 万人 ； 2005年， 美国再制造产业产值已超过 800 亿美元， 其中汽车和工程机械再制造占 2/3 以上， 约 500 亿美元。 再制造在国内的发展我国再制造产业发展相对较晚， 但发展势头很好，目前已成为世界上最重要的再制造中心之一。中国在这方面有了一定的发展，在政府的支持下和一些民间私人间的合作以及和国外的合作，以及一些学术研究都极大的促进了发展。具体有以下例子； 1 2005 年 7 月， 国务院颁布的 21、 22 号文件明确表示国家

22、将 “支持废旧机电产品再制造” ，并把“绿色再制造技术”列为 “国务院有关部门和地方各级人民政府要加大经费支持力度的关键、共性项目之一” ； 11 月，国家发改委等 6 部委联合公布了国家首批循环经济示范试点领域及企业名单， 再制造成为 4 个重点领域之一， 济南复强再制造公司被列为再制造重点领域中的试点单位； 2 2006 年，时任国务院副总理曾培炎就发展我国汽车零部件再制造产业做出重要批示： “同意以汽车零部件为再制造产业试点， 探索经验， 研发技术； 同时要考虑定时修订有关法律法规” ； 3 2007 年， 根据曾培炎副总理的指示， 国家发改委组织开展了国内汽车零部件再制造产业试点的系列

23、工作， 并委托中国汽车工业协会牵头， 成立了由原机械工业部部长何光远和徐滨士院士为顾问的专题研究小组； 4 2008 年 3 月， 国家发改委批准全国 14 家企业作为新一轮 “汽车零部件再制造产业试点企业” ，其中包括一汽、 东风、 上汽、 重汽和奇瑞等整车制造企业和潍柴、 玉柴等发动机制造企业； 6 月， 国家标准化管理委员会批准成立 “全国绿色制造标准化技术委员会再制造分技术委员会” ，由装备再制造技术国防科技重点实验室作为秘书处挂靠单位和委员会筹建单位， 目前该实验室正在积极开展 “再制造术语标准、 技术工艺标准、 性能检测标准、 质量控制标准， 以及关键技术标准” 等相关工作； 5

24、2009 年 1 月， 中华人民共和国循环经济促进法正式生效，标志着再制造已进入国家法律。循环经济促进法第四十条指出： “国家支持企业开展机动车零部件、 工程机械、 机床等产品的再制造和轮胎翻新” ； 并规定 “销售的再制造产品和翻新产品的质量必须符合国家规定的标准， 并在显著位置标识为再制造产品或者翻新产品” ； 4 月，国家发改委组织发布了全国统一的汽车零部件再制造产品标志。 而在摩擦磨损自修复添加剂中中国的学者进行了展望。机械零件的磨损一般起始于早期的轻度磨损 , 摩擦磨损的自适应、自修复是材料学和摩擦学设计的最终目标 , 这既是对提高性能的要求 , 又是仿生化和环境友好化的要求。为减少或消除磨损 , 除进行合理的摩擦学设计外 , 可通过 3 条途径来实现 : 一是减