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

发布时间：2020-03-09 02:33

【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和压力分布曲线,并没有系统分析带有导水沟槽的水润滑轴承沿纵向、周向的整个间隙内,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。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH133.3

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