本研究由北京信息科技大学现代测控技术教育部重点实验室的Jianpeng Wu、Ao Ding、Liyong Wang、Chengbing Yang，弗吉尼亚理工暨州立大学的Wenya Shu，以及深圳技术大学的Heyan Li共同完成。论文题为“混合润滑下多形态微织构摩擦副的微观磨损失效概率分析”，发表于2025年12月4日在线出版的Wear期刊，2026年第586卷，文章编号206448。
一、 学术背景 本文研究属于机械工程领域，具体为摩擦学与重型机械传动系统可靠性交叉方向。湿式摩擦副（Wet friction component）是重型机械（如装甲车辆、船舶）动力传动系统的核心部件，其摩擦行为的稳定性和可靠性直接关系到传动效率与装备的持续作战能力。摩擦副的磨损是导致其失效的主要原因，尤其是在混合润滑（Mixed lubrication）状态下，界面接触情况复杂，涉及流体润滑与粗糙峰（asperity）固体接触的耦合作用。
研究背景主要基于以下几点： 1. 性能研究需求：已有大量研究关注微织构（Micro-texture）对改善摩擦副润滑性能和摩擦系数（Coefficient of Friction, COF）的积极影响，但多数研究集中于宏观摩擦性能的表征。 2. 失效评估挑战：针对摩擦副的失效评估，以往研究多从宏观现象（如衬片厚度减薄、表面裂纹、疲劳剥落）入手，缺乏从微观接触机制出发，对磨损失效进行定量概率预测的理论模型。 3. 理论模型缺口：虽然基于微观接触特征的弹性流体动力润滑（Elastohydrodynamic Lubrication, EHL）模型可用于计算接触参数，但如何将其与微观失效概率直接关联，进而预测具有不同微织构形态的摩擦副的可靠性，仍是一个待解决的难题。
因此，本研究旨在建立一个从微观机制到概率预测的完整分析框架。具体目标包括： 1. 基于混合润滑微观接触特性，建立一个能够准确预测圆形微织构摩擦副界面形貌和摩擦系数的EHL模型。 2. 利用EHL模型提取的微观磨损特征参数（如粗糙峰曲率半径、变形量），结合极限状态函数（Limit state function）和蒙特卡洛模拟（Monte Carlo simulation），建立微观磨损失效概率（Microscopic Wear Failure Probability, MWFP）统计模型，以分析摩擦副的微观磨损失效。 3. 通过试验数据验证上述两个模型的准确性。 4. 分析不同微织构形状、深度和直径对摩擦副微观失效概率的影响，并探究试验中摩擦副表面的磨损机理，特别是铜转移和摩擦材料的自修复行为。
二、 研究流程详述
本研究主要包含三个核心环节：理论模型建立、模型试验验证、以及应用分析与机理探究。工作流程环环相扣，逻辑严密。
程序一：理论模型构建 此环节是整个研究的理论基础，包含两个子模型： 1. 弹性流体动力润滑模型建立：研究首先建立了一个适用于湿式摩擦副在混合润滑状态下分析的EHL模型。该模型将接触界面简化为一个粗糙表面与一个光滑表面的二维相互作用，载荷由油膜和微凸体共同承担。模型的基本假设包括：考虑润滑油的流变特性；微凸体发生弹塑性接触，忽略热弹性变形及同一表面上不同微凸体间的相互作用；固体材料各向同性。 * 核心方程：模型耦合了雷诺方程（Reynolds equation）、弹性变形方程和载荷平衡方程，以精确描述固液相互作用。通过考虑润滑油的粘压-粘温效应（使用Roelands公式）和密压-密温关系，并引入Hertz接触理论计算表面变形，最终实现了对界面油膜厚度、压力和接触面积的精细化求解。 * 数值求解：采用有限差分法对计算区域进行网格划分（257×257网格），并应用具有“即时更新”优势的高斯-赛德尔松弛迭代法进行求解。设定复合收敛准则，确保局部压力残差足够小且全局载荷平衡方程严格满足。收敛后，计算由流体剪切应力和固体接触剪切应力共同构成的总摩擦系数。 * 模型通用性：作者强调，尽管本研究针对铜基粉末冶金材料和特定润滑条件，但该模型通过调整参数，可适用于预测不同材料或不同润滑状态下的摩擦副界面形貌和摩擦系数，且在高速、重载、高温等极端条件下仍能保持较高精度。
R和法向变形量δ）后，研究建立了MWFP模型来量化微观区域的失效风险。 Z = R - S，其中R代表当前微观区域的临界载荷（基于材料硬度、弹性模量等计算），S代表当前区域承受的载荷。Z > 0为安全，Z = 0为临界，Z < 0为失效。该函数将微观失效的物理机制（塑性屈服或过度磨损）明确嵌入。Z值。统计Z < 0的样本数量占总样本数的比例，即为该微观区域的失效概率Pf。此方法不依赖于特定的解析分布，适用于复杂的多变量系统。程序二：模型试验验证 该环节旨在通过试验数据验证上述两个理论模型的准确性和可靠性。 1. 试验对象与设备：试验对象为配对的钢盘（65Mn钢）和摩擦盘（铜基粉末冶金材料）。摩擦盘表面加工有特定参数的圆形微织构阵列（例如，直径400 μm，深度400 μm，中心距1.5 mm）。使用UMT-Tribolab摩擦磨损试验机进行盘-盘式测试，同时利用白光干涉仪在线测量摩擦界面微凸体的高度，以获取界面形貌数据。 2. 试验流程：安装新试样并进行跑合；设定压力、转速和初始温度；建立润滑油循环并开始测试；在寿命试验的25%、50%、75%和失效四个时间点拆卸试样，保存表面形貌数据并记录摩擦系数；更换试样进行下一循环测试。 3. EHL模型验证： * 摩擦系数验证：在不同压力、不同润滑油温度、不同速度条件下，对比试验测得的COF与EHL模型、SSA-XGBoost模型的预测值。结果表明，EHL模型的预测曲线与试验数据高度吻合，其在不同压力、温度、速度数据集上的平均绝对误差分别为0.006、0.008和0.0045，均方根误差（RMSE）也显著低于对比的机器学习模型（SSA-XGBOOST）。 * 界面形貌验证：在不同压力-速度组合条件下，对比白光干涉仪测得的真实界面形貌与EHL模型、Archard磨损模型的预测形貌。结果显示，EHL模型预测的形貌与试验结果高度一致，其RMSE值（0.021-0.047 μm）低于Archard模型（0.029-0.062 μm），决定系数R²达到0.948，证明了EHL模型在描述混合润滑下界面微观变形方面更高的精度。 4. MWFP模型验证：对具有微织构的摩擦副进行全寿命试验，在四个寿命节点采集微观磨损失效特征数据。利用MWFP模型计算各时间点摩擦副表面的平均失效概率μ，并与试验观测的失效进程进行对比。结果显示，模型计算的μ值在25%、50%、75%和失效时的寿命点分别为0.227、0.478、0.762和0.979，与试验数据曲线高度一致，R²高达0.995，RMSE为0.021。进一步与九种不同的神经网络预测模型（如BiLSTM、BiGRU-A、GA-BP等）对比，MWFP模型在拟合能力和鲁棒性上均表现出显著优势。
程序三：应用分析与表面机理研究 在模型得到验证的基础上，研究利用已验证的模型进行参数化分析，并深入探究磨损现象。 1. 微织构参数影响分析：使用EHL和MWFP模型，系统分析了不同微织构形状（三角形、椭圆形、圆形、五边形、矩形、正方形）、不同深度（40, 60, 80, 100, 120 μm）和不同半径（116, 155, 194, 233, 272 μm）对摩擦副界面温度场、接触面积、摩擦系数、表面粗糙度Ra及微观失效概率μ的影响。通过大量模拟，找出了综合性能较优的微织构参数组合。 2. 整体磨损分析：针对选定的较优微织构（圆形，半径194 μm，深度80 μm），模拟分析了整个摩擦盘在不同径向位置（对应不同滑动速度）下的磨损体积和失效概率分布，揭示了磨损沿径向加剧的非均匀特性。 3. 表面磨损机理实验研究：对具有优选圆形微织构的摩擦副进行测试后，利用金相显微镜和白光干涉仪观察不同径向位置的表面磨损形貌，并使用扫描电镜能谱分析表面元素成分。重点揭示了两个关键现象： * 铜转移：在高滑动速度和温度下，较软的铜基摩擦盘材料产生磨屑，这些磨屑在高温下软化并粘附到较硬的钢盘表面，形成铜转移层。短期内可能形成保护膜，但长期可能导致摩擦系数波动。 * 自修复行为：在密封和高温条件下，润滑油中的成分（如天然石墨）与细微的铜基磨屑混合，填充表面划痕，并与氧气反应形成金属氧化膜，从而修复损伤区域，提高表面硬度和耐磨性。研究表明，圆形微织构因其有利的几何形状，能更好地促进润滑剂和空气循环，从而最有效地增强了这种自修复现象。
三、 主要研究结果 1. EHL模型验证结果：模型成功预测了混合润滑下微织构摩擦副的界面形貌和摩擦系数。与试验对比，COF预测的RMSE低至0.0045-0.0079，界面形貌预测的R²高达0.948，证明了模型的高精度和可靠性。模型能够捕捉到压力升高导致油膜破坏、COF上升，以及速度增加促进油膜形成、COF下降的规律。 2. MWFP模型验证结果：所建立的MWFP模型能够准确计算摩擦副微观区域的失效概率，其预测的失效概率增长趋势与全寿命试验数据高度吻合。模型优势在于将失效概率分析的基本单元从宏观部件尺度细化到微观粗糙峰尺度，并直接耦合了从EHL模型获得的微观磨损参数，实现了物理机制明确的高鲁棒性失效评估。 3. 最优微织构参数：综合分析表明，圆形微织构在各项性能中表现最佳。其中，深度为80 μm、半径为194 μm的圆形微织构具有最佳的摩擦性能：其摩擦系数(0.132)和表面粗糙度(0.3912 mm)相对较高，有利于扭矩传递；同时平均界面温度(151.072°C)和微观失效概率(0.3565)相对较低，表明其耐磨性和可靠性更好。 4. 磨损分布规律：摩擦副的磨损呈现明显的径向不均匀性。从内径到外径，随着半径增大、线速度增加，磨损体积和失效概率显著上升。在2.5 MPa压力下，外径处速度1.25 m/s时，总磨损体积为10.912 mm³，整体μ为0.3652。 5. 关键表面机理：实验观察证实了铜转移和自修复现象的存在。铜转移发生在钢盘表面，短期内可能有益但长期影响稳定性。自修复现象则通过填充划痕和形成氧化膜，有效修复了摩擦盘表面的损伤，圆形微织构对此有显著促进作用。例如，自修复后，划痕宽度减小15.3%，深度减少59.76%，表面粗糙度降低20.54%，损伤边界硬度提高27.03%。
四、 结论与价值 本研究成功构建了一个从微观接触力学建模到可靠性概率评估的完整理论-实验体系。主要结论包括： 1. 开发的EHL模型能够高精度预测混合润滑下微织构摩擦副的界面行为。 2. 提出的MWFP模型首次实现了基于微观接触参数的摩擦副磨损失效概率定量计算，且预测精度优于多种数据驱动模型。 3. 明确了圆形微织构（深度80 μm，半径194 μm）在提升摩擦性能与可靠性方面的综合优势。 4. 揭示了湿式摩擦副在运行中同时存在的铜转移和自修复两种竞争性表面行为，为理解其复杂磨损机理和寿命演变提供了新视角。
科学价值：本研究将确定性力学模型（EHL）与概率性可靠性分析（MWFP）有机结合，为摩擦学系统的微观失效预测提供了一种新的、物理意义明确的方法论。所建立的模型框架具有通用性，可扩展至其他材料体系和润滑状态的研究。
应用价值：研究成果可直接指导重型机械（如装甲车辆）湿式离合器中摩擦副表面微织构的优化设计，通过选择最佳的织构参数，在保证传动效率的同时，显著提高部件的耐磨性和服役寿命，对于提升装备的可靠性和维护经济性具有重要意义。
五、 研究亮点 1. 方法创新：首创了“EHL微观参数提取 + MWFP概率评估”的耦合分析框架，实现了从微观机制到宏观可靠性预测的跨越。 2. 模型优势：EHL模型通过多物理场耦合提高了界面形貌预测精度；MWFP模型通过引入极限状态函数，使失效概率计算具有清晰的物理内涵，而非黑箱预测。 3. 系统分析：对微织构形状、深度、半径进行了全面、系统的参数化研究，并给出了明确的优化设计建议。 4. 机理深入：不仅停留在性能参数比较，还通过精细的表征手段，深入揭示了摩擦副在实际工作过程中铜转移和自修复这一对共存的、影响寿命的关键表面现象，丰富了该领域的理论基础。