常温和低温自润滑轴承复合材料性能研究与仿生轴承设计研究

发布时间：2020-05-13 06:28

【摘要】：随着科学技术的快速发展,特别是特殊工况下工作的特殊机械结构,一些在低温、高低速等极苛刻工况条件下工作的轴承如风力发电机组,其油脂润滑有时会失效,只能依靠轴承中自润滑材料提供的转移膜为轴承正常工作提供润滑。目前我国正加快研制的自主设计的大风力发电机组等高、尖、精技术发展都对长寿命、高稳定性自润滑复合材料提出迫切的要求。因此,开发和研制新型的符合特殊工况的自润滑材料并研究其复合材料自润滑摩擦磨损机理对解决适应低温条件下轴承的延寿及提高可靠性问题具有极其重要的价值和意义。本文分析了在常温和低温两种条件下轴承自润滑复合材料的主要摩擦磨损机理,为进一步设计和研究自润滑复合材料提供依据。研究了超高分子量聚乙烯(UHMWPE)基自润滑复合材料填料配比、成型工艺、压制条件和烧结温度等,达到高效制备复合材料的目的。在常温环境下,考察了增强填料和润滑填料等填料含量对复合材料摩擦磨损性能、力学性能、热性能的影响。在-60℃环境下,测试UHMWPE+CF+POB+Cu复合材料摩擦磨损性能,研究复合材料磨损表面和对摩面表面,并探究其摩擦机理。常温环境下,研究UHMWPE基体添加增强相碳纤维(CF)摩擦磨损性能,碳纤维增强UHMWPE复合材料摩擦因数的变化范围在0.12~0.30之间变化,同时磨损率也较高,优选出碳纤维增强UHMWPE复合材料摩擦磨损性能最优值,最优配比为UHMWPE+15%CF复合材料;当聚苯酯(POB)填料添加到UHMWPE+15%CF复合材料中时,磨损率进一步减少,在UHMWPE+15%CF+15%POB复合材料中添加纳米铜(Cu)颗粒磨损率最小,得到最低磨损率复合材料是UHMWPE+15%CF+15%POB+12%Cu复合材料,其复合材料磨损率大概为纯UHMWPE的1/16。同时考察了UHMWPE+15%CF+15%POB添加石墨时复合材料的摩擦磨损性能,虽然将摩擦因数降低了,但是磨损率有所增加。在力学性能方面,POB、石墨和纳米Cu颗粒均降低了复合材料的冲击性能;在热性能方面研究,添加纳米Cu颗粒和石墨复合材料热焓值有提升,促进结晶度的提升。在导热率方面,添加纳米Cu颗粒和石墨可明显改善其复合材料导热性能。同时,本文测试了在常温环境下不同载荷和转速对复合材料的影响,研究结果表明,其中转速对复合材料磨损率的影响大于压力对复合材料磨损率的影响;复合材料的摩擦因数随载荷的增加而减少,复合材料的摩擦因数随转速的增加而增加。研制了低温摩擦磨损试验机,测试了5种UHMWPE复合材料在-60℃低温环境下的摩擦性能。在-60℃环境中,随纳米Cu颗粒含量提高,纤维增强超高分子量聚乙烯复合材料与对摩面瞬态摩擦因数也越稳定。低温环境下复合材料磨损率低于常温下复合材料磨损率;在低温环境中,随纳米Cu颗粒含量提高,复合材料磨损率越低,其主要磨损机理为疲劳磨损;在-60℃低温环境下,对比了在不同载荷和不同转速时,UHMWPE+CF+POB+12%Cu复合材料的磨损率。研究表明,载荷从100N增长到300N,超高分子量聚乙烯复合材料的摩擦因数随载荷的增加而减小,复合材料的磨损率随载荷的增加而增加;随着转速从100r/min增加到300r/min其摩擦因数有上升趋势,UHMWPE+CF+POB+12%Cu复合材料的磨损率和磨损量随转速的增加先减小后增加;在-60℃低温环境下,转速相对于载荷对磨损率的影响也是最大的。利用仿真模拟对普通自润滑轴承和仿生自润滑轴承在相同载荷情况下轴承的承载能力进行对比与计算。在静态载荷作用下,仿生自润滑轴承von-mises最大应力值小于普通自润滑轴承,仿生孔槽排布方式和孔槽孔径均影响自润滑轴承承载能力;在动态载荷作用下,仿生自润滑轴承von-mises最大应力值最小,承压状态最优,因而具有较优的承载能力。最终确定了有着良好受力状态的镶嵌槽为仿生结构模型为最终轴承结构。通过校核,其仿生自润滑轴承最优排布为30°排列外接圆为10mm的仿生六边形为镶嵌槽。
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风力发电机组,固体润滑材料

1.1 选题背景及意义在中国北方，，寒冷的冬日，由于环境温度较低，在低温环境下，风力发电机组中工作的发电机轴承，如图1.1所示，其工作状态下工作负荷较大且转速较高，并且轴承直接工作在低温环境下，常规的油、脂润滑无法满足对轴承的润滑要求。由于工作条件十分恶劣，同时风力发电机系统要求轴承工作性能稳定和工作可靠，因此只能依靠固体润滑材料进行润滑。通常固体润滑材料是以粉末、薄膜或整体材料的形式组成。在航空航天、现代军工高科技机械等应用领域中，其使用环境与要求的特殊，特别是在复杂的环境、低温、超低温、强辐射、高速高负载或低速高负载等特殊工况下对复合材料的摩擦磨损有着极高要求。固体润滑材料在性能上可以突破传统材料的使用极限，为特殊工况下工作的摩擦磨损材料的稳定性和可靠性奠定坚实的基础。图 1.1 风力发电机组轴承部分Figure 1.1 Bearing parts of wind generating set陶瓷轴承在我国研究已经发展较为快速，自 1997 年开始对某重大型号轴承延长使用寿命和提高其可靠性进行攻关

自润滑轴承,陶瓷轴承,高可靠性,高精度

图 1.2 混合式的陶瓷轴承Figure 1.2 Hybrid ceramic bearing究表明，在自润滑轴承中要求高精度、长使用寿命、高可靠性情况的摩擦性能是保证要求的关键，自润滑轴承如图 1.3 所示。目前国纤维等增强聚四氟乙烯(PTFE)自润滑复合材料[2-4]，玻璃纤维等由磨损而裸露，进而纤维划伤摩擦副表面形成的 PTFE 转移膜，导致失去应有的润滑效果，使滚动体和滚道之间出现直接接触，加剧滚损，同时因为直接接触，导致滚动体和滚道瞬间过热而烧伤轴承，轴承失效形式如图 1.4 所示,其中 1.4(b)为发电机轴承内圈存在研制一种新型自润滑复合材料来解决低温、超低温、重载等工况下高可靠性问题，已经成为当今材料科学和摩擦学等领域的前沿课
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB33;TH133.3

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