基于界面力学分析的轴承钢表面固体薄膜承载能力研究

摘要

固体薄膜润滑在空天、星际和深海等极端环境条件下的机械装置中广泛应用，其在重载等工况下的工作承载能力和运行寿命是机械设计关注的核心指标之一。本文以“探月工程”主轴钻杆的动力传输与支撑部件——密珠轴系重载下的表面固体薄膜润滑设计和实施为应用背景，探索轴承钢表面常用固体润滑薄膜在重载作用下的失效过程和界面力学机制，为密珠轴系的结构与润滑设计提供依据。
　　建立了固体薄膜表面在集中单元力作用下的二维和三维界面力学分析模型，采用复变函数镜像法，利用固体薄膜的自由表面和连续界面两个边界条件实现不同阶次的镜像迭代，计算固体薄膜和基底的每阶镜像递推系数使表面和界面边界条件得到满足，最终求解出界面应力和变形的解析解。通过对集中力的积分，获得膜基系统在法向和切向分布力协同作用下的二维和三维界面力学分析模型。
　　针对常见球形赫兹点接触形式，为简化三维积分过程，利用横观各向同性应力势函数的解，通过镜像法直接获得了膜基系统界面应力与变形解。通过与有限元法进行对比验证，该计算方法具有相同的精度和更快的速度，且对不同工况参数具有更好的适应性。
　　针对机械零件高副接触中常用的层状二硫化钼（MoS2）薄膜和硬脆性类金刚石碳（DLC）膜，采用球-盘摩擦和纳米/微米划痕方法测试了随载荷变化的薄膜摩擦与失效行为；利用纳米压痕测试获取固体薄膜和基底的弹性属性参数，结合界面力学计算，分析了固体薄膜承载过程中的界面应力响应规律和失效过程参数变化。MoS2固体薄膜在低界面剪切应力下发生膜内层间滑移，而在高界面剪切应力下发生片状剥落；DLC膜则表现为重载下接触后端薄膜拉伸断裂和前端膜基界面错位失效形式。
　　最后，针对钻杆密珠轴系的载荷需求开展了密珠轴系结构设计和内部载荷分析，根据固体薄膜失效特点及边界参数核算了二硫化钼和类金刚石碳薄膜润滑下的膜基界面应力状态；利用密珠轴系模拟工况试验平台完成了固体润滑的应用性能测试。

目录

第1章 绪 论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2 固体薄膜润滑研究现状及分析

1.3本文的主要研究内容

第2章 膜基系统界面力学分析模型

2.1引言

2.2膜基系统接触力学模型及界面应力影响分析

2.3膜基系统二维模型及镜像法求解

2.4膜基系统三维模型及镜像法求解

2.5本章小结

第3章 基于应力势函数的三维赫兹接触界面力学求解

3.1引言

3.2赫兹接触作用下势函数的表达

3.3固体薄膜表面赫兹点接触的镜像法求解

3.4本章小结

第4章 层状MoS2膜重载润滑失效测试与界面应力分析

4.1引言

4.2 MoS2薄膜机械物理性能

4.3 MoS2薄膜润滑能力测试

4.4 MoS2薄膜失效的界面力学分析

4.5本章小结

第5章 硬脆DLC薄膜重载失效测试与界面应力分析

5.1引言

5.2 DLC薄膜制备及机械物理性能

5.3 DLC薄膜承载能力测试

5.4 DLC薄膜失效的界面力学分析

5.5本章小结

第6章 重载密珠轴系固体润滑力学分析与性能试验

6.1引言

6.2密珠轴系力载分析建模

6.3工况条件对密珠轴系力载特性影响分析

6.4密珠轴系固体薄膜润滑的膜-基界面应力分析

6.5密珠轴系固体薄膜润滑试验

6.6本章小结

结论

取得的创新性成果：

展望与设想：

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢

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