滚动轴承引导面织构成型工艺及润滑特性研究

发布时间：2020-06-02 06:20

【摘要】：随着我国航空航天技术的迅速发展,轴承作为航空航天装备中的关键基础零部件,已成为制约机械系统性能提升、寿命增长和可靠性提高的关键因素。航空航天轴承因其高速、重载、高温、低温、振动等恶劣服役工况导致润滑状态日趋严峻,其保持架因润滑失效导致的异常磨损是当前高速轴承失效的主要故障形式之一。基于表面织构可有效改善摩擦磨损特性,为此本文针对滚动轴承保持架与套圈之间的引导面磨损问题,开展了轴承引导面摩擦配副材料表面织构制备工艺及其摩擦学性能研究,进而探讨了引导面织构化滚动轴承润滑性能实验研究,为恶劣润滑工况条件服役滚动轴承提供额外润滑,使其避免出现突发性或灾难性瞬时失效,为苛刻工况滚动轴承润滑设计提供思路。为了研究轴承钢材料表面激光织构化成型工艺,基于激光加工温度场分析理论模型,开展了9Cr18表面激光织构化过程的COMSOL Multiphysics模拟仿真,研究材料表面微织构的尺寸参数、形貌及性能受到激光加工工艺参数的影响规律;进行了9Cr18表面织构化成型工艺实验研究,得到了表面织构与加工工艺参数之间的影响关系,从理论和实验两个方面探索了轴承钢材料表面激光织构化成型工艺,制备了具有不同特征尺寸的9Cr18织构化试样,为摩擦磨损试验和滚动轴承润滑性能试验提供了基础。为了研究织构对材料表面摩擦磨损性能的影响,开展某型号航天轴承拟动力学性能分析,得到服役工况条件下滚动轴承引导面摩擦副工作特性,为表面织构摩擦磨损实验提供了模拟工况输入边界。进而对织构化表面的流体动压润滑特性进行了模拟仿真,研究织构特征参数和润滑油膜厚度对流体动压压力分布状态的影响规律,并利用冲击滑动试验机研究了织构化表面的摩擦磨损特性。分析了不同冲击力、冲击频率、速度和润滑条件下表面织构对摩擦力矩的影响规律,综合理论分析和实验结果发现表面织构能够有效降低摩擦力矩,为引导面表面织构改善磨损性能提供支持。为了探究引导面织构化对滚动轴承润滑特性的影响,制备了内圆面激光织构化轴承外圈,设计并搭建了滚动轴承摩擦力矩测试平台,完成了引导面激光织构化滚动轴承的摩擦力矩性能实验。实验结果发现,轴承转速高于900r/min,表面织构能够有效降低摩擦力矩,最大幅值可达70%,说明乏油润滑条件下表面织构能够建立有效润滑。由此可见,激光织构化引导面能够改善滚动轴承润滑特性,为航空航天滚动轴承结构设计和润滑优化提供指导,进而为滚动轴承寿命增长、可靠性提升和性能提高提供了理论基础。
【图文】：

重点工程,代表性

为苛刻工况滚动轴承润滑设计提供思路。1.2 研究目的和意义随着我国航空航天技术的快速发展，运动零部件服役环境和性能指标日益苛刻，摩擦学问题也成为制约机械系统性能提升的关键因素。轴承作为典型运动零部件，是现代工业系统中的关键基础件，其摩擦学性能直接关系到系统精度、服役寿命和可靠性。在航空工业领域中，航空轴承作为航空发动机最为核心的零部件之一，目前已成为限制我国现役和预研航空发动机中的有效载荷、最高速度、工作寿命和可靠性等极限工作性能的主要因素，见图 1-1 a)。轴承是材料、制造、检测、试验、应用等现代技术的高度集成体，在航天工业领域中，运载火箭、高速导弹、空间站和卫星等都对轴承提供越来越高的性能指标，如重载火箭氢涡轮泵用轴承dn 值已达 300 万(图 1-1 b))，卫星姿态控制用动量轮轴承工作寿命达 15 年(图 1-1c))，这都对现有轴承结构及摩擦学设计提出挑战。由此可见，摩擦学设计及其润滑性能优化已成为航空航天领域轴承的共性技术难题，是提升轴承极限性能的关键性因素。

形貌,配副,滚动轴承,保持架

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文轴承结构通常由内外套圈、滚动体和保持架四部分组成(图 1-2 a))，滚动轴承内部存在滚动体与内外套圈、滚动体与保持架、保持架与套圈三种摩擦状态各不相同的摩擦副，即滚动体与内外套圈之间为具有滚动/滑动摩擦状态(图 1-2b))，滚动体与保持架之间为滑动/冲击摩擦状态(图 1-2c))，保持架与套圈之间为冲击/滑动摩擦状态(图 1-2 d))。目前滚动体与内外套圈之间的疲劳失效不再是航空航天轴承的主要失效形式，而保持架与引导套圈之间的故障失效已成为常见失效形式，如保持架断裂(图 1-3(a))，保持架引导面严重磨损(图 1-3(b))等，，这些失效会导致轴承早期性能异常。因此滚动轴承引导套圈与保持架之间的润滑失效已成为当前航空航天轴承面临的科学技术难题，迫切需要开展针对性的润滑设计和性能提升。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V261

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