乏油条件仿生耦合齿轮材料的摩擦磨损行为

发布时间：2017-11-02 17:17

  本文关键词：乏油条件仿生耦合齿轮材料的摩擦磨损行为

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【摘要】：齿轮作为传动系统的关键零部件之一，广泛应用于机械装备、航空航天等工程领域。改善其润滑与磨损性能将有利于提高齿轮的传动性能、降低磨损功耗及减小机械的维护成本。特别在乏油润滑条件下，供油不足使得油膜厚度减小，系统温度场平衡遭到破坏，齿面温度迅速升高，极易导致齿轮短期内失效，威胁整个所在机械系统的运行安全，造成难以估量的损失。因此，开展乏油条件下齿轮齿面的摩擦磨损行为研究具有较大的理论意义和实际价值。 生活在土壤或砂石中的生物经亿万年的演化，具有极强的减摩耐磨能力，这些生物耐磨损的关键部位不仅分布有特殊的几何非光滑形态，还具有特殊的组织结构和材料成份，从而形成了“刚柔相济”的耦合系统。模拟生物的形态、结构二元耦合特性并应用于传动齿轮，为改善齿轮的摩擦磨损性能，提高其传动效率，延长其使用寿命提供了新途径。 本文以耦合仿生学理论为依据，利用激光技术在传动齿轮材料表面制备形态、结构二元耦合仿生单元。比较了耦元特征（形态、结构）、工况条件（载荷、转速）等对仿生传动齿轮材料在乏油润滑条件下摩擦磨损性能的影响；揭示了二元耦合仿生表面的功能机制。主要创新点如下： 1）利用激光技术,制备了具有形态、结构二元耦合特征，并呈不同尺度、分布的仿生表面，仿生耦合体内部缺陷满足实际需要，形成弥散强化、固溶强化，显微硬度高达786HV；2）研究发现，在本文研究范围内具有弧形槽试样的摩擦系数较低，在乏油润滑条件下该系数可稳定在0.041左右，而其耐磨性较普通试样高40%；随着耦合体密度的增加，仿生试样的磨损量逐渐减小，但增加至一定数值磨损量开始上升，说明存在一个适合的仿生耦合体密度范围使得齿轮材料表面的摩擦磨损性能最优；3）随摩擦载荷从50N增加到300N，仿生试样的摩擦系数先减小后增加，，磨损量则逐渐增加；而转速的增加导致摩擦系数降低，磨损量逐渐减小；4）有限元模拟表明，仿生耦合表面的减摩耐磨性来源于表面接触状态的改善，表面形态和分布间距对于界面应力和温度的分布状态显著影响；5）乏油润滑条件下仿生耦合表面的减摩耐磨机理主要表现为改善润滑条件、减轻磨粒磨损、阻断磨痕扩展、分散应力集中、耗散表面温度等。
【关键词】：传动齿轮 激光 耦合仿生 乏油润滑 摩擦磨损
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH132.41;TH117.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 目录8-10
• 第1章 绪论10-22
• 1.1 研究的背景及意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-16
• 1.2.1 乏油润滑的研究现状11-12
• 1.2.2 传动齿轮的磨损研究12-13
• 1.2.3 传动齿轮的减摩耐磨技术13-16
• 1.3 仿生摩擦学的发展16-20
• 1.3.1 生物耦合理论17-18
• 1.3.2 仿生摩擦学的研究进展18-20
• 1.4 研究的目标及内容20-22
• 第2章 仿生耦合齿轮材料表面的设计、制备及性能测试22-34
• 2.1 仿生耦合耐磨表面生物原型的选择22-23
• 2.2 试验材料23-24
• 2.3 试验设计24-29
• 2.3.1 仿生耦合耐磨表面的设计24-27
• 2.3.2 仿生耦合耐磨表面的制备27-29
• 2.4 微观形貌及组织结构观察29-30
• 2.5 显微硬度测试30-31
• 2.6 摩擦磨损性能测试31-32
• 2.6.1 摩擦磨损性能31
• 2.6.2 乏油条件的实现31-32
• 2.7 本章小结32-34
• 第3章 乏油条件仿生耦合齿轮表面摩擦磨损行为34-52
• 3.1 耦合因素对仿生耦合齿轮表面耐磨性能的影响34-45
• 3.1.1 结构耦元的影响34-39
• 3.1.2 形态耦元的影响39-45
• 3.2 试验条件对摩擦磨损行为的影响45-51
• 3.2.1 载荷对摩擦磨损行为的影响45-48
• 3.2.2 转动速度对摩擦磨损行为的影响48-51
• 3.4 本章小结51-52
• 第4章 仿生耦合耐磨齿轮接触表面有限元模拟52-70
• 4.1 模拟分析方法52-57
• 4.1.1 软件选择及处理方法52-53
• 4.1.2 摩擦热源模型53-54
• 4.1.3 有限元分析的前处理54-57
• 4.2 仿生耦合体试样在滑动摩擦下的二维有限元模拟57-63
• 4.2.1 不同结构耦元的影响57-60
• 4.2.2 不同形态耦元的影响60-63
• 4.3 仿生耦合齿轮表面等效应力的三维有限元模拟63-67
• 4.3.1 有限元模型的建立63-64
• 4.3.2 边界条件的加载64-65
• 4.3.3 不同耦合体结构对齿轮表面等效应力分布的影响65-66
• 4.3.4 不同耦合体密度对齿轮表面等效应力的影响66-67
• 4.4 本章小结67-70
• 第5章 仿生耦合齿轮材料表面减摩耐磨机理70-80
• 5.1 耦合体减摩耐磨微观机理70-72
• 5.2 仿生耦合表面减摩耐磨形成机理72-78
• 5.2.1 改善润滑条件73-74
• 5.2.2 贮存磨屑，减轻磨损74
• 5.2.3 改变磨粒运动状态，降低磨粒犁削破坏74-75
• 5.2.4 裂纹的阻断与削弱效果75-76
• 5.2.5 分散应力，强化承载效果76-77
• 5.2.6 温度耗散效果77
• 5.2.7 转动速度对摩擦磨损行为的影响77-78
• 5.3 本章小结78-80
• 第6章 结论与展望80-82
• 6.1 结论80-81
• 6.2 展望81-82
• 参考文献82-90
• 导师及作者简介90-92
• 致谢92

【参考文献】

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