滚动轴承摩擦副微织构表面摩擦学技术及性能研究

摘要

滚动轴承作为机械的关节,是用来支承轴及轴上零件回转的重要元件。随着现代科学技术和工业的迅速发展，传统的润滑方式已很难满足滚动轴承在特殊工况下正常工作的润滑要求。本文为了提高滚动轴承表面的摩擦学性能，延长其使用寿命，通过对滚动轴承摩擦副表面进行激光微织构以及涂层技术的复合处理，深入探究油润滑条件下滚动轴承的摩擦学性能及其磨损机理。 首先以油润滑条件下的圆柱滚子轴承为研究对象，建立圆柱滚子轴承的弹流润滑理论数学模型，对方程采用有限差分法进行离散化，并对圆柱滚子轴承表面油膜压力分布进行数值求解，分析其润滑效果与微织构几何形貌参数的规律。通过激光设备在M50NiL轴承钢表面开展微织构工艺实验，研究了微织构的几何形貌与脉冲重复次数、单脉冲能量等激光参数的影响规律。其次，在油润滑条件下，选用滚动摩擦副研究了M50NiL轴承钢的摩擦学性能与其表面织构形貌参数以及载荷、转速等工况参数的规律。最后，对M50NiL轴承钢试样进行了激光微织构和涂层复合处理，探索了其摩擦学性能与凹坑密度、载荷、转速等因素的规律，并研究了不同表面处理方式对滚动摩擦副润滑性能的影响规律，进一步研究了微织构涂层表面油润滑的减摩耐磨机理，并得到了以下结论： (1) 经过激光微织构的圆柱滚子轴承表面的油膜平均无量纲—压力，随着载荷和转速的增大而上升；当微织构深度为8μm，直径为80μm时，油膜平均无量纲压力随着面积占有率的逐渐增大先上升后下降。 (2) 微织构深度的大小受重复次数的影响较大，随着重复次数的增加而增大；微织构直径的大小受单脉冲能量的影响较大，随着能量的增大而增大。 (3) 在油润滑条件下，随着微织构密度的增大，滚动摩擦副表面的摩擦系数先下降后上升，其表面的润滑效果在织构密度为15%时最佳；随着织构深度的增大先下降后上升，在织构深度为8μm时取得较佳的润滑性能；随着载荷的提高出现先降低最终趋于稳定的趋势；随着转速的提高出现先逐渐上升最终趋于稳定的趋势。 (4) 在油润滑条件下，随着织构密度的增大，经过激光和涂层复合处理的滚动摩擦副表面的摩擦系数先下降后上升，其表面的润滑效果在织构密度为10%时最佳；随着载荷的提高呈现出先降低并最终趋于稳定；随着转速的增大而逐渐增大并最终趋于稳定；相比仅经过织构处理或者涂层处理的试样，表面经织构化并涂层的油润滑试样表现出较佳的减摩耐磨效果。

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摘 要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 滚动轴承润滑技术研究现状

1.2.2 表面微织构技术及其应用研究进展

1.2.3 微织构表面摩擦学技术研究进展

1.3 本课题的研究内容及意义

1.3.1 研究内容

1.3.2研究意义

1.4 课题来源

第二章 滚动轴承织构表面润滑性能数值分析

2.1 表面微凹坑内圈/圆柱滚子几何模型

2.2 圆柱滚子轴承的运动分析

2.2.1当量曲率半径R

2.2.2卷吸速度ue

2.3圆柱滚子轴承润滑模型

2.3.1 Reynolds方程

2.3.2 Reynolds方程的边界条件

2.3.3 膜厚方程

2.3.4粘压方程

2.3.5密压方程

2.4.2 Reynolds方程的无量纲化

2.4.3 压力边界条件的无量纲化

2.4.4 膜厚方程的无量纲化

2.4.5 粘压方程的无量纲化

2.4.6 密压方程的无量纲化

2.4.7 载荷方程方程的无量纲化

2.4.8 平均压力求解方程的无量纲化

2.5数值计算与结果分析

2.5.1无量纲方程的离散

2.5.2程序流程

2.5.3相关参数

2.5.4平均无量纲压力分布

2.5.5 载荷的影响

2.5.6 转速的影响

2.5.7 微凹坑面积占有率的影响

2.6 本章小结

第三章 激光表面微织构工艺优化实验研究

3.1 试验设备

3.1.1 激光微织构加工设备

3.1.2 三维形貌测量设备

3.1.3 其他试验仪器

3.2 试验材料及研究方法

3.2.1 试验材料

3.2.2 试验步骤

3.3 激光表面微织构的工艺试验研究

3.3.1 织构形貌与脉冲重复次数的规律

3.3.2 织构形貌与单脉冲能量的规律

3.4 本章小结

第四章 微织构表面油润滑摩擦性能研究

4.1 激光微织构加工试验

4.1.1 摩擦试验设备

4.1.2 线接触滚动摩擦副

4.1.3 润滑剂的选用

4.2 摩擦学性能与织构密度的关系

4.2.1 微织构密度的概念

4.2.2 试验过程

4.2.3 摩擦系数与织构密度的关系

4.3 摩擦学性能与织构深度的关系

4.3.1 试验过程

4.3.2 摩擦系数与织构深度的关系

4.4 工况对摩擦学性能的影响

4.4.1摩擦系数与载荷的关系

4.4.2 转速对摩擦系数的影响

4.5本章小结

第五章 微织构涂层表面摩擦学性能研究

5.1 微织构表面涂层试验方案

5.1.1 试验设备

5.1.2 涂层制备技术 阴极电弧等离子体沉积的原理是在真空的环境下，依靠阴极靶材与阳极之间存在的弧光放电，从而能够产生密度比较高的等离子体，沉积在基体表面。该技术在离化率、沉积速率、膜基结合力和涂层致密性等方面优势明显，在工业中得到了普遍应用。 在采用阴极电弧制备TiAlSiN涂层时，由于采用粉末冶金制备的TiAlSi作为阴极靶材成本非常高；因此，一般用TiAl靶、Ti靶、AlSi靶或Si靶[79]。在制备TiAlSiN涂层时，发现靶材各成分所占的比例、基体偏压和靶材电流等工艺参数会影响涂层...

5.1.3 涂层制备工艺

5.2 微织构涂层表面摩擦学性能研究

5.2.1 织构密度对摩擦系数的影响

5.2.2 摩擦系数与载荷的关系

5.2.3 转速对摩擦系数的影响

5.3 摩擦学性能与表面处理方式的关系及磨损机理分析

5.3.1摩擦学性能与不同表面处理方式的关系

5.3.2摩擦磨损机理分析

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1 研究总结

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间相关成果

发表论文情况

发明专利