互穿复合材料起重机伸缩臂滑块的研究

摘要

研制耐磨且力学性能优异的新型起重机伸缩臂滑块材料是研究的热点之一，兼具金属与聚合物优良性能的互穿复合材料引起人们的广泛关注。本论文介绍了目前国内外导向滑块材料的发展现状以及互穿复合材料的研究进展，初步探讨了泡沫金属/聚合物互穿复合材料滑块的理论基础，对新型起重机伸缩臂滑块材料的研制与应用进行了较为详细的研究。
　　 采用注塑成型方法，以泡沫铝为基体、聚甲醛(POM)为填充相制备了泡沫铝/POM互穿复合材料;采用正交实验方法，以弯曲强度、无缺口冲击强度为指标，优化了注塑成型工艺参数;采用不同体积分数硅烷偶联剂(KH550)溶液对泡沫铝进行预处理，得到了最佳泡沫铝预处理工艺;添加10％聚四氟乙烯(PTFE)以进一步改善了泡沫铝/POM互穿复合材料的力学性能与摩擦学性能;使用光电子能谱(EDS)和电子扫描显微镜(SEM)观察泡沫金属-聚合物互穿复合材料磨损表面，以研究其摩擦磨损机理;分别对泡沫铝/POM互穿复合材料滑块与尼龙滑块进行静力分析、微观力学分析与ANSYS有限元分析，探讨了两种不同材料滑块在起重机二节臂全伸、额定吊重工况下的应力与应变。主要结论如下:
　　 泡沫铝/POM互穿复合材料力学性能优异，其中弯曲强度与POM相当且是纯泡沫铝的6.3倍;其摩擦学性能介于纯泡沫铝与POM之间，摩擦系数随着载荷增加呈下降趋势且随着转速增加变化范围较小，磨损量随着载荷与转速增加而增加;PTFE的加入能提高泡沫铝/POM互穿复合材料的力学性能与摩擦学性能，其中冲击强度提高36.1％，摩擦系数降低12.7％，磨损量减少33.3％;复合材料磨损表面EDS分析与SEM分析表明在摩擦过程中，POM在泡沫金属表面发生转移并形成一层转移膜，因而有效地降低磨损。泡沫铝/POM/PTFE互穿复合材料的力学性能与摩擦学性能可以达到尼龙滑块材料的性能要求，其中摩擦系数降低49.1％。在QY16起重机二节臂全伸、额定吊重的工况下，泡沫铝/POM互穿复合材料滑块最大应变值比尼龙滑块低27.5％，可相应降低滑块与伸缩臂的接触间隙，因此能提高滑块使用寿命。综上所述，泡沫铝/POM互穿复合材料滑块具有替代尼龙滑块的潜力。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 滑块的发展现状

1．1．1 金属滑块

1．1．2 塑料滑块

1．1．3 组合式自润滑滑块

1．2 互穿复合材料的研究进展

1．2．1 互穿复合材料的制备方法

1．2．2 互穿复合材料的性能研究

1．2．3 互穿复合材料的应用前景

1．3 互穿复合材料起重机伸缩臂滑块的理论基础

1．3．1 互穿复合材料增强增韧理论

1．3．2 互穿复合材料摩擦磨损理论

1．4 本论文的主要内容

1．5 本论文的研究目的及意义

第二章 互穿复合材料的制备与工艺优化

2．1 互穿复合材料组分的确定

2．1．1 贯穿结构的选择

2．1．2 增强相的选择

2．2 加工工艺方法的选择

2．3 实验部分

2．3．1 实验原料

2．3．2 实验设备

2．3．3 试样制备

2．3．4 性能测试

2．4 正交实验设计

2．4．1 正交试验因素的确定

2．4．2 正交实验方案的确定

2．5 正交实验分析

2．5．1 极差分析

2．5．2 方差分析

2．6 小结

第三章 互穿复合材料的性能研究

3．1 实验部分

3．1．1 试样制备

3．1．2 测试与表征

3．2 互穿复合材料的界面研究

3．3 互穿复合材料的力学性能分析

3．4 互穿复合材料的摩擦学性能分析

3．5 互穿复合材料与尼龙滑块材料的性能比较

3．6 小结

第四章 改性互穿复合材料的性能研究

4．1 复合材料改性技术

4．2 实验部分

4．2．1 原材料

4．2．2 实验设备

4．2．3 试样制备

4．2．3 测试与表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 改性互穿复合材料的力学性能

4．3．2 改性互穿复合材料的摩擦学性能

4．3．3 磨损表面EDS分析

4．3．4 磨损表面SEM分析

4．3．5 改性互穿复合材料与尼龙滑块材料的性能比较

4．4 小结

第五章 互穿复合材料伸缩臂滑块的力学分析

5．1 起重机伸缩臂滑块的静力分析

5．1．1 变幅平面吊臂所受的载荷

5．1．2 旋转平面吊臂所受的的载荷

5．1．3 实例分析

5．2 互穿复合材料的细观力学分析

5．2．1 互穿复合材料的细观力学胞元模型

5．2．2 互穿复合材料的有效弹性模量预测

5．3 起重机伸缩臂滑块的有限元分析

5．3．1 两种不同材料滑块的参数

5．3．2 模型网格划分及加载

5．3．3 两种不同材料滑块的应力分析

5．3．4 两种不同材料滑块的应变分析

5．4 小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录 攻读硕士学位期间发表的论文