箔片轴承固体润滑用类金刚石薄膜的设计、制备和性能研究

发布时间：2020-03-29 22:44

【摘要】： 箔片轴承是一种自作用柔性表面动压气体轴承,靠流体动力润滑机理工作。然而,箔片轴承在起停过程中转速较低时,转轴与箔片内表面间无法形成有效的动压润滑气膜而处于接触摩擦状态。因此,箔片轴承使用中需要一种固体润滑镀层来降低接触摩擦,从而降低工件磨损和摩擦力。但国内对于箔片轴承表面镀层的研究一直相对滞后,已成为制约我国箔片轴承技术发展与应用的主要障碍之一。本文研究工作正是针对这一需求展开。本文研究中尝试以一种新型固体润滑镀层——类金刚石薄膜(Diamond-like carbonfilm,简称DLC薄膜)作为箔片轴承的固体润滑镀层。主要研究工作和结果如下： 1)针对DLC薄膜普遍存在的与金属基底结合强度较差和内应力高的问题,对DLC薄膜进行了材料设计。在材料设计中借鉴过渡层技术与掺杂技术,设计了具有梯度结构的复合DLC薄膜。 2)提出一种基于牛顿法的拉曼光谱高斯拟合算法。该方法实现了DLC薄膜拉曼光谱的计算机自动拟合,拟合结果准确性更高、重复性更好,为研究DLC薄膜的拉曼光谱特性提供一种方便可靠的工具。 3)采用中频磁控溅射技术对设计的具有梯度结构的复合DLC薄膜进行实现。制备了三种DLC薄膜,分别为掺钛类金刚石(Ti-DLC)薄膜、掺铬类金刚石(Cr-DLC)薄膜、以及无掺杂类金刚石(C-DLC)薄膜,并采用多种仪器与方法对制备的DLC薄膜进行了分析比较。结果表明,过渡层与金属掺杂均有助于DLC薄膜内应力的降低和结合强度的提高。三种DLC薄膜中综合性能最优的Ti-DLC薄膜具有高达29N左右的结合强度,其厚度超过1.5μm,薄膜内应力低于1.0GPa,并且具有优异的摩擦磨损性能(摩擦系数最低达到0.03,摩擦率低至10-7mm3／Nm量级)。 4)为讨论箔片轴承摩擦副表面镀膜的方案,进行了DLC薄膜摩擦副配对实验研究。实验在球-盘式往复摩擦磨损实验机上进行,以镀膜或未镀膜的小尺寸铍青铜箔片与钢球(镀膜钢／未镀膜铍青铜、未镀膜钢／镀膜铍青铜、镀膜钢／镀膜铍青铜)组成摩擦副系统。结果表明,当箔片与钢球表面均镀覆DLC薄膜时,系统摩擦系数最低(-0.1),摩擦副的两对偶面磨损最小,并由此确定了在箔片与转轴表面均镀覆DLC薄膜的方案。 5)以镀覆DLC薄膜的转轴与镀覆DLC薄膜的箔片组成摩擦副,在箔片轴承台架实验平台上进行了台架实验。台架实验研究结果与摩擦磨损实验机实验结果差异较大,分析认为这与DLC薄膜热稳定性有关,并通过补充的DLC薄膜高温摩擦磨损实验以印证以上分析。
【图文】：

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箔片气体轴承(简称箔片轴承)的雏形于1953年由Blok与vanRussom首次提出[9]，至今已经历了半个多世纪的发展。该轴承是一种弹性表面自作用动压气体轴承，通常是由几层金属箔片以不同的形式或形态组合而成，箔片轴承便由此得名I’01。以图1.1中的箔片轴承为例，从图中可以看出它由两层箔片组成，上层为顶层箔片，由一整张平箔片卷曲而成，故常简称为“平箔”，位于下面的是支撑拱箔起弹性支撑作用，由于其具有波浪状结构常简称为“波箔”。通常将采用波箔作为弹性支撑结构的箔片轴承称为波箔型箔片轴承【川，又称为Hydresll型箔片轴承。另外，还有其他形式的箔片轴承，如悬臂型(CantileVerT即e)、张紧型等[’“，”]。aa呻入产R幽r盛如J乌In卜黔.，义二二尹、一附、n幼m刁哪Ina侧臼川刃!翻r时图LZ张紧型箱片轴承与悬臂型箱片轴承

承载系数,片轴,轴承,箔片轴承

轴承固体润滑用类金刚石薄膜的设计、制备和性能研究的发展经历了3代[7，9】，“第I代”:轴承的弹性支向、周向与径向)上的结构一致，，所以其结构最I代箔片轴承。“第n代”:轴承的弹性支撑结构。而“第m代”:轴承的弹性支撑结构在轴向和，波箔型箔片轴承在承载能力上获得了很大的提、0.7、1.0左右l7]。
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TH117.2;TB43

【引证文献】