冲击滑动条件下激光织构化9Cr18表面的摩擦学行为研究

摘要

航空轴承长期工作在高速、重载、振动、高温等恶劣的工况条件下，保持架和套圈的引导面经常受到冲击滑动耦合作用，导致润滑油膜破损，带来材料表面的磨损失效，进而引起轴承整体寿命不足。表面织构作为一种可以有效降低摩擦副表面摩擦磨损，改善润滑状况的方法，已经受到国内外越来越多学者的关注。为此本文提出了轴承引导面表面织构化改善磨损性能的方法，开展了摩擦副织构表面动压润滑模拟仿真、9Cr18激光织构化的工艺试验研究及在冲击滑动工况下的摩擦磨损特性研究，探讨了表面织构对冲击滑动摩擦过程的影响，为表面织构应用于滚动轴承提供了基础。
　　为了研究摩擦副织构表面动压润滑特性，利用COMSOL Multiphysics建立了表面织构的有限元仿真模型，设计了织构化参数（包括形状、宽度、直径、深度等）和工况参数（速度、润滑油粘度），分析了表面织构的动压润滑特性，探究了织构提高油膜承载能力的机理。仿真结果表明凹坑织构和凹槽织构分别存在最佳的深径比和深宽比使油膜承载能力达到最大；油膜的承载能力随着凹坑织构的直径、凹槽织构的宽度增加而提高；不同形式的凹槽织构对油膜压力影响不同，矩形凹槽承载能力较强。
　　在理论分析的基础上，设计了9Cr18轴承钢表面织构化参数，利用紫外激光加工技术开展了成型试验研究。利用激光共聚焦显微镜、扫描电子显微镜和微纳米力学测量系统对织构形貌及力学性能进行了检测。试验结果表明，紫外激光对9Cr18加工的机理主要以光热消融为主，加工出的织构的几何尺寸与激光在材料表面分布的能量有关。凹槽的宽度和深度随着激光功率增加而增大，随着重复频率增大而降低，在一定范围内，凹槽的宽度和深度随扫描速度降低而增加，速度降低到一定值后，宽度和深度不再增加；凹坑的直径和深度随激光作用时间增加而变大。
　　为了模拟轴承引导面在冲击滑动作用下摩擦磨损性能，在9Cr18圆环内圆表面进行了激光织构化处理，利用自制的冲击滑动试验台进行了富油和断油状况下的冲击滑动试验研究，对试验后的磨损形貌进行了分析，探索了冲击滑动工况条件下表面织构的摩擦磨损特性。试验结果表明部分织构参数可以起到减摩作用，其他织构反而起到增大摩擦的作用，表面织构可以一定程度改善供油状况不佳时的润滑状态。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 表面织构的研究现状

1.2.2 表面织构在轴承中应用的研究现状

1.2.3 冲击滑动摩擦的研究现状

1.3 本课题主要研究内容

第2章 基于COMSOL的表面织构动压润滑仿真分析

2.1.1 表面织构动压润滑理论基础

2.1.2 基于COMSOL的表面织构动压效应仿真模型

2.1.3 基于COMSOL的CFD仿真求解过程

2.2.1 织构动压润滑仿真方案设计

2.2.2 凹坑织构对油膜承载能力的影响分析

2.2.3 沟槽织构对油膜承载能力的影响

2.3.1 模拟工况的方案设计

2.3.2 滑动速度对油膜承载能力的影响

2.3.3 润滑油粘度对油膜承载能力的影响

2.3.4 油膜厚度对油膜承载能力的影响

2.4.1冲击作用原理和建模过程

2.4.2仿真方案设计

2.4.3仿真结果分析

2.5 本章小结

第3章 紫外激光加工9Cr18表面织构成型试验研究

3.1.1试验材料

3.1.2试验设备

3.2 工艺试验方案设计

3.3.1激光参数对沟槽加工效果的影响

3.3.2激光加工时间对凹坑加工效果的影响

3.3.4紫外激光对材料表面硬度的影响

3.4 本章小结

第4章 冲击滑动工况下9Cr18织构化表面的摩擦磨损性能研究

4.1.1 实验设备

4.1.2 实验方案设计

4.2.1 富油润滑下凹坑织构冲击滑动摩擦实验

4.2.2 富油润滑下沟槽织构冲击滑动摩擦实验

4.2.3 试件磨损形貌分析

4.3.1 断油润滑下凹坑织构的冲击滑动试验

4.3.2 断油润滑下沟槽织构的冲击滑动试验

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢