冲击滑动耦合作用下高速轴承与密封材料磨损行为的研究

摘要

高速、高温、低温、重载、高频振动环境和工况条件在航空、航天、国防领域及民品高端产品领域越来越频繁，在这种条件下，密封、轴承、齿轮和泵、阀中的磨损问题日益突出，严重制约着复杂装备的寿命、可靠性、极限性能及其稳定性。其中，有一类由于冲击滑动耦合作用产生的磨损，往往直接导致高速轴承及密封的快速、异常失效，最终导致型号等高速复杂机械系统的止转性失效。本文建立了冲击滑动磨损试验机及冲击滑动耦合作用下摩擦副的热-机耦合分析模型，通过模拟分析及试验研究，对该类磨损的机理进行了探索。
　　首先基于密封和轴承中典型冲击滑动耦合作用的摩擦副实际工况，研制了冲击滑动磨损试验机。实现了所有物理参量的自动显示、存储和监控，主要技术参数调节灵活，冲击工作载荷稳定，持久工作能力强。模拟试验的有效性和重现性结果表明：在相同条件下的试验数据具有较好的重现性，能够用于材料在冲击滑动耦合作用下的磨损机理研究。
　　为了研究冲击滑动作用下由于热-机耦合效应产生的微区特性变化，本文建立了冲击滑动耦合作用下的接触模型，利用虚拟接触载荷法离散载荷，简化了有限元模型中的接触搜索算法，提高了计算效率。结果表明：冲击滑动接触主要表现为反复的热冲击和剪切表面化，并伴随冲击和滑动加剧，材料的表面及亚表层存在温度梯度分布和剪切表面化加剧。热-机耦合作用下，热影响区很薄，仅存在于0.3mm以内的亚表层。热效应增加了沿深度方向分布的等效应力梯度，且最大等效应力更接近接触表层。
　　设计了L16(45)四水平正交试验，研究了5种典型摩擦配副材料在冲击滑动耦合作用下的磨损特性及行为。通过因素对磨损影响的极差分析和多元线性回归分析得到：冲击滑动耦合作用下，冲击力及冲击频率对冲击试件的磨损体积影响最大。较硬的钛合金TC4和较软的铝青铜QA10-4-4配副时会出现异常磨损行为，即“软磨硬”现象。在20CrNiMo钢及硬铝与GCr15钢配副时，冲击试件的平均磨损量与冲击频率、冲击力幅值及滑动速度之间存在十分显著的三元线性回归关系，为建立配副定量设计准则提供了依据。
　　为研究材料在冲击滑动耦合作用下的磨损机制，本文利用二维、三维轮廓测试、X射线衍射、EDS能谱分析及电子扫描显微镜对磨痕进行分析。结果表明，金属冲击试件在磨损后，磨痕表面分布着大量剥落坑，表明剥落是金属冲击试件磨损的主要原因，磨损机制适用剥层理论。其中当冲击试件屈服极限高时，在冲击滑动耦合作用下材料主要发生疲劳剥落，且冲击频率增加剥落趋向严重，随着摩擦系数增大，导致剥落的裂纹趋向表面化。当冲击试件屈服极限较低时，材料主要发生显微切削、磨粒磨损及粘着剥落，工况参数增加，磨损机制发生由显微切削、磨粒磨损向粘着剥落的转变过程。浸渍锑合金石墨在冲击滑动耦合作用下，接触区内材料颗粒不断剥落，在对偶件的推碾作用下部份被挤入冲击试件的空隙中，在一定程度上减少了接触区内材料的气孔及微裂纹等缺陷，提高了材料的耐磨性。
　　在五组配副试验中，钛合金回转试件发生了严重的磨损。钛合金产生“软磨硬”的机制为，钛合金与铜等低熔点金属接触时，其断裂强度与塑性指标显著降低，会发生铜脆现象，导致钛合金发生剥落，并且表面温度大幅变化导致铜的扩散加速，铜脆倾向增大。其他配副中，尽管回转试件磨损轻微，但材料表面的原始形貌发生较大的变化，其中GCr15钢磨痕区内残余奥氏体含量增加，导致这一转变的主要原因为摩擦生热产生的接触区高温及接触区应变产生的再结晶温度降低。论文为高频工作环境下选配合理摩擦副材料提供了依据。

目录

冲击滑动耦合作用下高速轴承与密封材料磨损行为的研究

STUDY ON WEAR BEHAVIOR OF MATERIAL IN HIGH SPEED BEARING AND SEALING UNDER IMPACT-SLIDING CONDITION

摘要

Abstract

目录

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究现状

1.3 国内外研究存在的不足

1.4 论文研究的主要内容

第2章 冲击滑动磨损试验机的研制

2.1 引言

2.2 试验机的总体方案

2.3 试验机结构及系统组成

2.4 试验机的主要技术参数

2.5 试验结果的有效性和可重复精度

2.6 本章小结

第3章 冲击滑动耦合作用下的温度及热-机耦合数值模拟分析

3.1 引言

3.2 冲击滑动接触的计算模型

3.3 计算结果

3.4 本章小结

第4章 冲击滑动耦合作用下材料磨损的试验研究

4.1 引言

4.2 试验部分

4.3 试验结果分析

4.4 本章小结

第5章 磨痕表面形貌成分及磨损行为研究

5.1 引言

5.2 磨痕表面形貌及成份分析

5.3 高速轴承及密封材料磨损行为研究

5.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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