Fe-Ni基自润滑材料的研究及其在高温蜗杆传动中的应用

摘要

随着能源、材料和信息技术的不断发展，使得研发在高温下具有优异润滑性能的抗磨减磨材料成为材料学领域热点问题。但由于大部分减磨材料不具有可供参考的材料参数，导致其在应用方面存在许多困难，所以目前的高温自润滑复合材料只能用于一些面接触的零部件，极少用于一些重要的传动零件，如蜗杆传动。蜗杆传动因其传动平稳且承载能力强等特点被广泛应用在各个领域，但由于传动过程存在大摩擦，所以无法应用于高温贫油润滑场合，使得这种重要的传动方式受到很大的限制。
　　 针对以上问题，本文采用粉末冶金方法制备了两种拟用于制造高温自润滑蜗轮的复合材料，并分析了各材料的机械性能和摩擦学性能，最后通过MATLAB、Pro/E和ANSYS软件研究了两种复合材料在摩擦过程中形成的润滑膜的最大承载能力和ZA蜗杆传动的最大接触应力可知，本文所制备的复合材料(WS2和CaF2的质量分数分别为2％和5％)可用于高温蜗杆传动的制造，并通过应用实验证明了所得结论。主要的研究结果与研究工作如下:
　　 (1)使用万能材料试验机和布氏硬度仪分别测试添加WS2、PbO和添加WS2、CaF2铁镍基自润滑复合材料的抗弯强度和硬度可知:添加WS2和CaF2的复合材料的力学性能明显优于添加WS2和PbO，PbO的加入使得材料的硬度和抗弯强度大幅度下降，当PbO添加量为7％时，材料的力学性能最差，而对于添加WS2和CaF2的复合材料，随着CaF2添加量的增加，复合材料的硬度和抗弯强度也逐渐增强。
　　 (2)实验通过使用UMT-2摩擦磨损试验机高温模块和常温模块测试了固体自润滑复合材料的摩擦学性能，发现两种材料在300℃以下摩擦系数和磨损率均较高，随着温度的升高，其自润滑性能越来越明显，到600℃时摩擦系数和磨损率均达到最小值，WS2和PbO质量分数分别为4％和3％的试样（A3试样）与WS2和CaF2质量分数分别为2％和5％的试样（B2试样）600℃时具有优异的摩擦学性能，通过金相显微镜、SEM和XRD分析了两种材料和对磨钢球的磨痕微观形貌和物相组成，发现B2式样表面在高温摩擦下具有优异的成膜性，且其润滑膜具有较好的转移膜特性。
　　 (3)通过使用UMT-2摩擦磨损试验机和金相显微镜分析A3和B2式样高温润滑膜的承载能力，实验发现A3试样和B2试样临界载荷分别约为3kg和5kg，最后通过Pro/E和ANSYS分析其分别在3kg和5kg载荷下球盘摩擦副的最大接触应力可知A3和B2的最大接触应力分别为56.932Mpa和130.48Mpa。
　　 (4)通过利用合理的数学模型对蜗轮范成加工原理进行等效转化，以此作为基础提出了一种在Pro/E环境下建立精确蜗杆传动模型的方法，该方法有别于当前任何一种蜗轮建模方法，其精确度完全可满足有限元分析要求。
　　 (5)本文对在ANSYS环境下进行蜗杆传动分析的前处理过程和面接触分析的各项参数进行了详细的讲解，分析了ZA蜗杆传动在相同扭矩下蜗轮转动一个轮齿的不同啮合位置的接触情况，并用所得数据与A3和B2润滑膜最大承载能力进行对比，初步推断B2自润滑复合材料可用于制造高温自润滑蜗轮。最后通过应用实验表明:本文制备的铁镍基高温自润滑蜗轮可在600℃下连续正常工作62小时。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 固体润滑材料

1．2．1 金属氧化物

1．2．2 过度族金属的硫化物、硒化物、碲化物

1．2．3 软金属

1．2．4 氟化物

1．3 固体润滑复合材料制备方法

1．3．1 机械混合

1．3．2 热压烧结

1．3．3 粘结

1．3．4 气相沉积

1．3．5 化学反应

1．3．6 铸造

1．3．7 浸渍

1．3．8 共混

1．3．9 热喷涂技术

1．4 蜗杆传动研究现状及有限元分析

1．4．1 蜗轮蜗杆传动的研究现状

1．4．2 建立阿基米德蜗杆传动实体模型的研究现状

1．4．3 数值分析方法

1．4．4 有限元法在齿轮、蜗杆传动研究方面的应用现状

1．5 本文意义和研究内容

1．5．1 立题意义

1．5．2 研究内容

第二章 实验与研究方法

2．1 实验技术路线

2．2 实验材料

2．2．1 Fe-Ni基自润滑复合材料

2．3 实验原理与实验设备

2．3．1 机械性能测试

2．3．2 摩擦磨损实验

2．4 模型仿真及应力校核

2．4．1 摩擦副的建模及润滑膜应力分析

2．4．2 蜗轮实体建模

2．4．3 蜗轮蜗杆传动有限元分析

第三章 添加WS2+PbO对Fe-Ni合金基复合材料摩擦性能的影响

3．1 引言

3．2 试验方法

3．2．1 实验材料及制备

3．2．2 实验方法

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 复合材料的组织和力学性能

3．3．2 摩擦磨损特性

3．4 本章小结

第四章 添加WS2+CaF2对Fe-Ni合金基复合材料摩擦性能的影响

4．1 引言

4．1 实验方法

4．1．2 试样制备

4．2．2 试验方法

4．3 实验结果与讨论

4．3．1 力学性能

4．3．2 物相及显微组织分析

4．3．3 不同配比对摩擦磨损性能的影响

4．3．4 摩擦磨损形貌分析

4．4 本章小结

第五章 润滑膜的承载能力研究

5．1 引言

5．2 润滑表面分析

5．3 通过MATLAB拟合摩擦副横截面曲线

5．3．1 获取有效磨痕截面曲线

5．3．2 拟合磨痕截面曲线

5．4 基于Pro／E的摩擦副三维建模

5．5 不同试样摩擦副的接触分析

5．6 本章小结

第六章 ZA蜗杆传动的有限元分析及实物实验

6．1 引言

6．2 在Pro／E中建立蜗轮蜗杆三维实体模型的方法

6．2．1 Pro／E环境下的三维建模

6．2．2 Pro／E环境下的特征建模

6．2．3 Pro／E中建立蜗轮蜗杆实体模型

6．2．4 建立蜗杆传动装配模型

6．3 阿基米德蜗轮蜗杆传动的有限元分析

6、3．1 ANSYS中的接触分析方法

6．3．2 阿基米德蜗杆传动的接触有限元分析

6．3．3 给定约束边界条件、施加载荷、定义求解和载荷步选项

6．3．4 ZA蜗杆传动在同一负载不同位置时的接触分析

6．5 实物实验研究

6．5 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

致谢

硕士期间发表的论文及专利