关节轴承自润滑涂层设计与服役性能研究

发布时间：2020-08-22 05:19

【摘要】：机械系统中存在大量影响机构运动精度、可靠性的运动副。一般情况下,运动副采用以润滑油脂进行润滑的滚动/滑动轴承。但对于一些特殊的运行情况,如:运动空间受限、无法使用润滑油脂以及重载、低速、往复运动下难以形成油膜的场合,由于结构、工作状态、运行参数、运行环境等因素的制约,无法使用常规滚动/滑动轴承。在这些特殊的场合,通常使用自润滑运动副这种结构形式,自润滑关节轴承作为其中的典型代表,用量大范围广,是实现传动的重要零部件。我国对自润滑关节轴承的研究起步较晚,自主研发的自润滑关节轴承服役寿命不足世界先进水平的一半,重要武器装备和航天航空中使用的自润滑关节轴承大多依赖进口,目前已受到进口限制,为了避免未来出现“卡脖子”的局面,开展关节轴承自润滑涂层设计与服役性能研究。(1)利用非平衡磁控溅射在06Cr19Ni10不锈钢基体和单晶硅片(111)上制备过渡层、纯DLC、Cr-DLC、Cu-DLC、Cr/Cu-DLC薄膜,并对薄膜结构、力学性能、摩擦磨损性能、结合力、协同变形能力进行表征和测试。结果表明:Cr元素对碳基薄膜结构和成分的影响较大,铜元素次之,主要影响sp~2和sp~3杂化键的比例以及异质相的弥散。适量的Cr和Cu掺杂可有效提升DLC薄膜的力学性能,显著降低内应力,但过量的掺杂反而会破坏非晶碳基质的完整性和连通性,且Cr和Cu作为强塑性金属,导致力学性能大幅度下降。(2)对摩擦磨损的测试中表明:适量的双组元(Cr/Cu)掺杂薄膜的自润滑性能要优于单一金属掺杂的薄膜,相比纯的DLC薄膜略微升高,且耐磨性均优于其他薄膜,但过量掺杂导致薄膜摩擦学性能严重下降。(3)由于自润滑关节轴承特殊的结构和装配工艺,薄膜的协同变形能力是确保薄膜能否应用于工程的首要条件,使用自主设计的试样弯曲装置对薄膜进行测试。结果表明:纯DLC、Cr-DLC、Cu-DLC在弯曲时,基体、过渡层和薄膜之间均出现不同程度的剥离和断裂,Cr/Cu-DLC薄膜结合良好,未出现剥离和断裂。本研究初步实现了关节轴承自润滑涂层的设计与服役性能研究,为后续研究提供理论指导。
【学位授予单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TG174.4;TH133.3
【图文】：

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类金刚石薄膜。节轴承轴承作为一种特殊的滑动轴承，因无需添加润滑油作载荷大、耐高温耐腐蚀、摩擦系数低、污染小、噪空航天、载重机械、武器装备、水利设施等领域的等装置中（Zhou J，2003），近些年受到国内外学者节轴承的应用轴承在航空航天领域应用尤其广泛，具体结构如图中间的衬垫材料组成。美国波音公司制造的波音 73国国营宇航工业公司生产的海豚、超黄峰直升机的起位的传动和操作系统中，自润滑关节轴承的使用013）。

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图 1-2 自润滑关节轴承的运动方式（Lu J J，2015）Fig. 1-2 Mode of operation of Self-lubricating joint bearing（Lu J J，20表 1-1 自润滑关节轴承的分类（Zhang X，2013）e 1-1 The classification of Self-lubricating spherical plain bearings（Zhangation of Self-lubricating plain bearingsNominal contact angle Carrying methodcontact centripetal Self-g joint bearing0° Radial load, A(small)contact centripetal Self-g joint bearing0-45° Combined loadcontact thrust Self-g spherical plain bearings45-90° Axial load, Com(<0.5 times the Antact thrust Self-lubricatingring90° Axial load

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轴承运行过程中虽然整体没有到达材料热分解的温度闪温会造成材料分解，长此以往，积少成多，固体润滑材料发生大而造成轴承的失效。）衬垫结合强度的问题轴承中不使用衬垫进行润滑，因此不会出现该问题，在自润滑关结合强度是影响轴承运行精度和服役寿命中最为关键的因素。其检3 所示，但对于重载和高速自润滑关节轴承来说，衬垫在较大载荷式下，衬垫因复杂的运动模式而发生脱粘，在强烈挤压和高速旋会被迅速拽出，造成关节轴承卡死失效，如图 1-4 所示。对于航空种高成本，且不易停靠和维护的装备造成巨大的财产损失，甚至是此，为使该类关节轴承向更多领域推广，对衬垫质量提出了更高的润滑方式取而代之。

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