面向调距桨桨毂结合面的扭动微动磨损研究

摘要

可调距螺旋桨是海洋动力定位系统的一个核心部件，其服役过程中桨毂结合面的磨损，包括定距时的微动磨损和调距时的滑动磨损，是导致可调距螺旋桨调距灵活性下降及动密封失效的重要原因。本论文研究可调距螺旋桨服役过程中桨毂结合面的磨损机理，探讨装配和运行参数以及制备工艺对其磨损性能的影响规律，以为可调距螺旋桨相关制备工艺以及装配和运行参数优化，进而提升其服役性能和使用寿命提供依据。 论文主要工作和成果如下： 针对桨毂结合面磨损机理和磨损性能影响规律实验研究需要，结合调距桨服役过程中桨毂结合面的微动状况，研究开发了新型面面接触扭动微动磨损实验平台。该平台弥补了传统微动磨损实验平台用于桨毂结合面微动磨损研究在微动模式和接触形式上的不足，满足模拟不同制备工艺的桨毂结合面，在不同的装配和运行参数条件下开展扭动微动磨损和滑动磨损实验的需求。 针对桨毂结合面微动与滑动磨损并存但影响程度不明晰的问题，基于自主研制的面面接触扭动微动磨损实验平台，开展了桨毂结合面微动与滑动摩擦磨损性能对比实验与分析。依据桨毂结合面实际的不同载荷和润滑工况条件，进行了桨毂结合面微动与滑动磨损实验，结合磨痕表面加工硬化、磨损量和第三体固体润滑行为分析，揭示了微动磨损是造成桨毂结合面磨损失效的主要形式。 围绕桨毂结合面装配和运行参数对其扭动微动磨损特性影响规律问题，开展了不同载荷、角位移幅度和润滑条件下系列扭动微动磨损实验。结合微动图理论，揭示了载荷和角位移幅度对微动运行状态的影响规律；通过耗散能理论与磨损量分析，建立了角位移幅度与表面损伤机制之间的关联关系；基于磨痕表面微观组织表征，揭示了桨毂结合面在不同润滑条件下的损伤机理：油润滑条件下主要是磨粒磨损和塑性变形，海水条件下主要是磨粒磨损、裂纹和剥层，并且腐蚀特征明显，干摩擦条件下主要是磨粒磨损和氧化磨损。 围绕桨毂结合面表面形貌制备工艺优化，开展了多种工艺水平下的表面形貌系列扭动微动磨损实验与分析，探究了表面纹理方向和表面粗糙度对微动磨损性能的影响规律，并基于粗糙度特征对表面润滑剂存储效应和微凸体接触应力的影响分析，结合磨损深度对比和磨痕微观形貌表征，揭示了不同润滑条件下表面粗糙度对摩擦扭矩和磨损量的影响机理及损伤机制；最终结合桨毂结合面实际工况，得出桨毂结合面表面形貌纹理垂直于摩擦界面相对运动方向，且表面粗糙度Sa介于0.8μm和1.2μm之间时具有最优摩擦磨损性能的结论。 基于对桨毂结合面存在的磨粒磨损、塑性变形以及黏着磨损等损伤机制分析，提出了在桨毂结合面制备PVD TiCN耐磨涂层，以提升其耐磨损性能的有效方法。通过在桨毂结合面制备PVD TiCN涂层并开展系列不同润滑条件下扭动微动磨损实验及数据分析，证明了涂层制备对于桨毂结合面耐磨性能提升的有效性；结合光学显微镜、扫描电子显微镜下磨痕形貌分析以及X射线光电子能谱分析，揭示了不同润滑条件下涂层磨损机制及摩擦化学行为，阐明了涂层对表面磨损性能的改善机理，为采用PVD TiCN涂层降低桨毂结合面微动磨损提供了理论依据。

目录

第一个书签之前