基于分形理论的无油润滑涡旋压缩机端面摩擦问题研究

摘要

涡旋压缩机是一种新型高效的容积式压缩机,具有结构紧凑、运行平稳、噪声低等特点,其应用范围目前已从空调制冷向医药、食品、燃料电池等需求无油污染的洁净压缩气体的领域拓展。由于涡旋压缩机特定的运动方式,存在较多摩擦副,其摩擦损耗在很大程度上影响着涡旋压缩机的效率和性能。摩擦副的表面形貌对压缩机的性能和摩擦副相互作用表面间的摩擦、磨损、混合润滑特性及接触刚度等都具有很大的影响。摩擦力和摩擦因数则是反映摩擦副摩擦磨损行为的重要参数,所以,对摩擦副材料初始表面形貌与其摩擦信号相关性的研究,将对零件的加工过程、质量控制以及提高零件的使用性能等具有重要的意义。无油润滑涡旋压缩机摩擦副摩擦特性不仅与压缩机运行工况、负载有关,而且还与摩擦副对偶材料、表面初始特性以及运行过程中摩擦副端面分形特征有关,因此通过对摩擦副端面微观接触和受力分析,建立摩擦力数学模型,预测涡旋压缩机摩擦学系统的摩擦行为,可为压缩机动力学特性分析和理论设计提供参考。
　　 本研究基于摩擦学和分形理论,通过试验对自润滑材料聚醚醚酮PEEK、聚酰亚胺PI、聚醚砜PES与涡旋压缩机常用材料球墨铸铁QT对磨的摩擦性能进行了研究,并选用不同初始表面的PEEK,在触针式表面轮廓仪上对初始表面轮廓进行采集,在JSM-5600LV扫描电子显微镜下观察其表面形貌,在UMT-3MT摩擦试验机上进行PEEK/QT摩擦副试样试验。运用分形理论对表面形貌及摩擦信号进行分形表征,并对PEEK初始表面形貌与其摩擦信号相关性进行研究。在试验的基础上,结合M-B分形模型和滑动摩擦力分形预测模型,依据无油润滑涡旋压缩机的结构、运行方式及受力特点,在分析动静涡旋摩擦副端面微观接触状态及微观接触受力情况的基础上,建立了无油润滑涡旋压缩机动静涡旋端面摩擦副的摩擦力分形预测模型,并通过实例计算,对该模型进行了验证与分析。结果表明,聚醚醚酮初始表面和摩擦信号均具有显著的分形特征;在相同速度,相同初始表面下,摩擦信号的分形维数随着载荷的增大而增大;在相同速度,不同载荷下,磨合初期摩擦信号的分形维数均与初始表面分形维数负相关。根据预测模型分析可得,表面分形维数对摩擦力的影响有一最佳值;在最佳表面分形维数下,摩擦力F随着G*和A*,的减小而降低;动静涡旋端面摩擦副材料性能对摩擦力也有很大的影响,选择合适的自润滑材料及配对摩擦副可提高无油润滑涡旋压缩机的使用性能及寿命。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:主要符号表

第1章 绪论

1.1 涡旋压缩机发展概述

1.1.1 涡旋压缩机发展历程

1.1.2 涡旋压缩机的研究热点及现状

1.2 无油润滑涡旋压缩机工作原理及特性

1.3 本课题研究的目的与意义

1.4 无油润滑涡旋压缩机的研究热点及现状

1.5 分形理论及摩擦学的分形研究现状

1.5.1 分形的发展

1.5.2 摩擦学的分形研究现状

1.6 课题的主要研究内容及来源

1.7 课题的创新性

1.8 本章小结

第2章 无油润滑涡旋压缩机摩擦及力学分析

2.1 无油润滑涡旋压缩机摩擦副分析

2.1.1 摩擦副分析

2.1.2 自润滑技术

2.1.3 无油润滑涡旋压缩机动静涡旋摩擦副的结构及运动方式

2.2 涡旋盘的受力分析

2.2.1 单涡旋齿气体力分析

2.2.2 双涡旋齿气体力分析

2.3 倾覆力矩

2.4 平衡轴向气体力的背压力分析

2.5 本章小结

第3章 自润滑材料摩擦性能的试验研究

3.1 试验部分

3.1.1 试验材料

3.1.2 试验方法

3.1.3 试验仪器

3.2 结果与分析

3.2.1 相同初始表面及相同载荷下材料摩擦性能

3.2.2 相同初始表面及不同载荷下材料摩擦性能

3.3 试验结论

3.4 本章小结

第4章 分形理论在表面形貌分析中的应用与研究

4.1 分形定义

4.2 分形维数

4.3 表面形貌分析

4.3.1 一维表面形貌参数

4.3.2 表面形貌统计参数

4.4 表面形貌的测量方法

4.5 粗糙表面的分形表征

4.6 粗糙表面轮廓分形维数计算方法

4.7 无标度区间的确定

4.8 PEEK表面形貌分形表征

4.9 本章小结

第5章 摩擦信号与表面形貌相关性的试验研究

5.1 试验部分

5.1.1 试验材料

5.1.2 试验方法

5.2 分形表征

5.2.1 初始表面形貌分形表征

5.2.2 摩擦信号分形表征

5.2.3 初始表面分形维数和摩擦信号分形维数关系

5.3 试验结论

5.4 本章小结

第6章 粗糙表面接触性质及分形接触模型

6.1 粗糙表面接触性质

6.2 粗糙表面接触模型

6.2.1 Hertz弹性接触模型

6.2.2 弹、塑性变形模型

6.2.3 G-W接触模型

6.2.4 W-A接触模型

6.3 分形接触模型

6.3.1 分形接触模型的提出

6.3.2 M-B分形接触模型

6.4 本章小结

第7章 动静涡旋端面摩擦副摩擦力分形预测模型

7.1 动静涡旋端面接触状态分析

7.2 动静涡旋端面微观接触力学分析

7.3 动静涡旋盘的气体力分析

7.4 动静涡旋端面接触面积分析

7.4.1 动静涡旋端面名义接触面积

7.4.2 动静涡旋端面真实接触面积

7.5 动静涡旋端面摩擦力分形预测模型

7.6 算例与分析

7.7 本章小结

第8章 总结与展望

参考文献

致谢

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