沖擊滑動(dòng)耦合作用下高速軸承與密封材料磨損行為的研究.pdf

1、高速、高溫、低溫、重載、高頻振動(dòng)環(huán)境和工況條件在航空、航天、國(guó)防領(lǐng)域及民品高端產(chǎn)品領(lǐng)域越來(lái)越頻繁，在這種條件下，密封、軸承、齒輪和泵、閥中的磨損問(wèn)題日益突出，嚴(yán)重制約著復(fù)雜裝備的壽命、可靠性、極限性能及其穩(wěn)定性。其中，有一類由于沖擊滑動(dòng)耦合作用產(chǎn)生的磨損，往往直接導(dǎo)致高速軸承及密封的快速、異常失效，最終導(dǎo)致型號(hào)等高速?gòu)?fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的止轉(zhuǎn)性失效。本文建立了沖擊滑動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)及沖擊滑動(dòng)耦合作用下摩擦副的熱-機(jī)耦合分析模型，通過(guò)模擬分析及試驗(yàn)研

2、究，對(duì)該類磨損的機(jī)理進(jìn)行了探索。
　　首先基于密封和軸承中典型沖擊滑動(dòng)耦合作用的摩擦副實(shí)際工況，研制了沖擊滑動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)。實(shí)現(xiàn)了所有物理參量的自動(dòng)顯示、存儲(chǔ)和監(jiān)控，主要技術(shù)參數(shù)調(diào)節(jié)靈活，沖擊工作載荷穩(wěn)定，持久工作能力強(qiáng)。模擬試驗(yàn)的有效性和重現(xiàn)性結(jié)果表明：在相同條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較好的重現(xiàn)性，能夠用于材料在沖擊滑動(dòng)耦合作用下的磨損機(jī)理研究。
　　為了研究沖擊滑動(dòng)作用下由于熱-機(jī)耦合效應(yīng)產(chǎn)生的微區(qū)特性變化，本文建立了沖擊滑動(dòng)耦

3、合作用下的接觸模型，利用虛擬接觸載荷法離散載荷，簡(jiǎn)化了有限元模型中的接觸搜索算法，提高了計(jì)算效率。結(jié)果表明：沖擊滑動(dòng)接觸主要表現(xiàn)為反復(fù)的熱沖擊和剪切表面化，并伴隨沖擊和滑動(dòng)加劇，材料的表面及亞表層存在溫度梯度分布和剪切表面化加劇。熱-機(jī)耦合作用下，熱影響區(qū)很薄，僅存在于0.3mm以內(nèi)的亞表層。熱效應(yīng)增加了沿深度方向分布的等效應(yīng)力梯度，且最大等效應(yīng)力更接近接觸表層。
　　設(shè)計(jì)了L16(45)四水平正交試驗(yàn)，研究了5種典型摩擦配副材料

4、在沖擊滑動(dòng)耦合作用下的磨損特性及行為。通過(guò)因素對(duì)磨損影響的極差分析和多元線性回歸分析得到：沖擊滑動(dòng)耦合作用下，沖擊力及沖擊頻率對(duì)沖擊試件的磨損體積影響最大。較硬的鈦合金TC4和較軟的鋁青銅QA10-4-4配副時(shí)會(huì)出現(xiàn)異常磨損行為，即“軟磨硬”現(xiàn)象。在20CrNiMo鋼及硬鋁與GCr15鋼配副時(shí)，沖擊試件的平均磨損量與沖擊頻率、沖擊力幅值及滑動(dòng)速度之間存在十分顯著的三元線性回歸關(guān)系，為建立配副定量設(shè)計(jì)準(zhǔn)則提供了依據(jù)。
　　為研究材料

5、在沖擊滑動(dòng)耦合作用下的磨損機(jī)制，本文利用二維、三維輪廓測(cè)試、X射線衍射、EDS能譜分析及電子掃描顯微鏡對(duì)磨痕進(jìn)行分析。結(jié)果表明，金屬?zèng)_擊試件在磨損后，磨痕表面分布著大量剝落坑，表明剝落是金屬?zèng)_擊試件磨損的主要原因，磨損機(jī)制適用剝層理論。其中當(dāng)沖擊試件屈服極限高時(shí)，在沖擊滑動(dòng)耦合作用下材料主要發(fā)生疲勞剝落，且沖擊頻率增加剝落趨向嚴(yán)重，隨著摩擦系數(shù)增大，導(dǎo)致剝落的裂紋趨向表面化。當(dāng)沖擊試件屈服極限較低時(shí)，材料主要發(fā)生顯微切削、磨粒磨損及粘著

6、剝落，工況參數(shù)增加，磨損機(jī)制發(fā)生由顯微切削、磨粒磨損向粘著剝落的轉(zhuǎn)變過(guò)程。浸漬銻合金石墨在沖擊滑動(dòng)耦合作用下，接觸區(qū)內(nèi)材料顆粒不斷剝落，在對(duì)偶件的推碾作用下部份被擠入沖擊試件的空隙中，在一定程度上減少了接觸區(qū)內(nèi)材料的氣孔及微裂紋等缺陷，提高了材料的耐磨性。
　　在五組配副試驗(yàn)中，鈦合金回轉(zhuǎn)試件發(fā)生了嚴(yán)重的磨損。鈦合金產(chǎn)生“軟磨硬”的機(jī)制為，鈦合金與銅等低熔點(diǎn)金屬接觸時(shí)，其斷裂強(qiáng)度與塑性指標(biāo)顯著降低，會(huì)發(fā)生銅脆現(xiàn)象，導(dǎo)致鈦合金發(fā)生剝