水润滑橡胶合金轴承的磨损机理及坡缕石改进其摩擦性能的研究

摘要

水润滑轴承具有环保、低成本、减振抑噪、结构简单紧凑、维修方便等优点，应用前景非常广泛。
　　水润滑轴承的摩擦性能取决于橡胶轴瓦的水润滑状态、硬度、动态粘弹性、表面形貌与结构等因素。改变工况或润滑状态，促进润滑水膜充分形成，有利于降低轴承的湿摩擦系数。
　　因为水的汽化压力低，润滑水容易产生气蚀，实际工况中，润滑水还可能混入泥砂等固体颗粒。而且由于自身和外界复杂的作用力，可能引起集中载荷瞬时冲击轴承，产生振动。这就要求轴承既有优异的湿滑性能，又具备良好的耐磨抗蚀能力。正常运行工况下，轴承同时具有低摩擦系数和高承载性能的要求，很难两全。
　　另外，橡胶轴瓦较低的弹性模量，即使施加轻载（相对较低的水膜压力），也会产生明显弹性变形，改变润滑水膜的厚度与形状，进而影响水膜压力的分布，使轴承的润滑机理更复杂。因此，研究水润滑轴承，既要考虑沟槽、曲面的几何形状结构，也要考虑橡胶轴瓦的材料性能对润滑特性的影响。
　　大多数现有的数值求解计算，只得出润滑水膜厚度统分析带有导水沟槽的水润滑轴承沿纵向、周向和压力分布曲线，并没有系的整个间隙内，随着开槽形状、偏心率、间隙不同，流体速度场及压力场的变化，也没有研究流体动压与橡胶轴瓦变形之间的双向流固耦合相互作用。而且都没有计入空化效应，轴承湍流润滑的数值模拟也很少。
　　因此，论文考虑空化效应，数值求解由不同水介质（清水、含砂水）润滑，轴承湍流状态动压润滑的流场特性，仿真分析轴承清水润滑双向流固耦合作用下，橡胶轴瓦表面的变形及其法向、切向接触应力。结合水润滑轴承摩擦磨损台架试验，用SEM观察并分析磨损轴承表面的微观形貌，探讨轴承磨损的成因、机制与主要影响因素，力图揭示轴承不同工况的磨损机理。进而提出一种简便有效的方法，通过改进橡胶轴瓦复合材料的工艺性能，提高水润滑轴承的工作性能。
　　论文主要的研究内容如下：
　　1.实际工况中，润滑水可能产生空化现象，并含有固体泥砂颗粒。论文将清水流场表述为气-液两相流流场，将含砂水流场描述为气-液-固三相流流场。根据多相流冲蚀磨损的理论，对比分析橡胶轴瓦的空蚀、冲蚀、空蚀-冲蚀交互磨损。压力使工作面凹陷，这利于形成流体润滑水膜。因为流场压力作用下橡胶轴瓦会变形，导致流体分布改变，促进流体动压润滑水膜形成，又使流场压力变动。所以，在轴承清水润滑流场的计算模型中，计入（流场压力变化与轴瓦弹性变形）双向流固耦合的影响，数值模拟且定性分析双向流固耦合作用下橡胶轴瓦的弹性变形，丰富充实水润滑轴承的弹流动压润滑理论。
　　2.建立水润滑轴承考虑空化影响、湍流状态润滑的求解模型，对不同偏心率的轴承进行数值模拟，得到不同工况下的水膜压力分布、橡胶轴瓦变形分布规律，并且推导出相应的润滑水膜承载力与摩擦系数的计算表达式。用计算流体力学CFD方法和ANSYS MFX多场求解器，求出润滑水膜变化与橡胶轴瓦弹性变形双向流固耦合下，橡胶轴瓦表面切向应力、法向应力、变形的数值与分布；结合轴承摩擦磨损试验，通过电镜观察分析磨损表面的微观形貌；从理论、试验两方面证实轴承（滑动接触）疲劳磨损的可能性与存在性。找出其重要的影响因素，探讨轴承疲劳磨损的成因与机制，并为轴承性能改进提供确切的评判依据。
　　3.水润滑轴承的摩擦性能取决于橡胶轴瓦的润滑状态、硬度、动态粘弹性等。选取坡缕石(AT)纳米粉体，经硅烷偶联剂KH-550表面改性处理后，加入NBR混炼、模压硫化成型，制成AT/NBR橡胶轴瓦硫化胶试件与AT/NBR水润滑轴承试件。检测表明，AT/NBR橡胶轴瓦硫化胶试件的综合力学性能、硬度提高，补强效果增加。用动态力学分析仪DMA测得，AT/NBR橡胶轴瓦硫化胶的初始储能模量较NBR橡胶轴瓦硫化胶更大，在橡胶基体中的分散更均匀精细、相容性更好，工艺性能改善。DMA还测得，NBR、AT/NBR橡胶轴瓦硫化胶试件在0℃时1Hz下的损耗因子大约相等，表明两者的湿滑能力基本不变。通过轴承摩擦磨损试验机，测出AT/NBR轴承试件的水润滑摩擦噪声、摩擦系数与磨损量降低。以上试验结果表明，AT/NBR轴承试件比NBR轴承试件的摩擦磨损等性能指标有所提高，并达到了美军标（船舶）MIL-DTL-17901C(SH)的规定。

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1 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 水润滑轴承的研究现状

1.3 水润滑轴承润滑理论的研究现状

1.4 水润滑轴承磨损机理的研究现状

1.5 坡缕石改进水润滑轴承性能的研究现状

1.6 论文研究的主要内容

2 考虑空化效应的轴承湍流润滑基本方程组

2.1 轴承润滑-承载原理

2.2 流体域求解的数理模型

2.3 轴承含砂水三相流的控制方程

2.4 轴承的流固耦合模型

2.5 计算求解轴承润滑的特性参数

3 轴承流场特性与流固耦合的仿真分析

3.1 水润滑轴承实体建模与网格划分

3.2 轴承清水、含砂水润滑考虑空化影响的流体域仿真分析

3.3 轴承清水润滑的流固耦合仿真分析

4 水润滑橡胶合金轴承磨损机理的试验研究

4.1 水润滑轴承磨损的分类

4.2 试验

4.3 试验结果分析

4.4 讨论

5 坡缕石纳米粉体改进水润滑轴承性能的试验研究

5.1 引言

5.2实验部分

5.3试验结果与分析

5.4 讨论

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 创新点

6.3 研究展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者攻读博士学位期间发表的论文

B. 作者攻读博士学位期间参加的科研项目