基于微造型和涂层的采棉机摘锭—套筒性能改性研究

发布时间：2020-07-05 19:58

【摘要】：摘锭是采棉机的核心工作部件，直接参与采棉的主要工作，其表面性能的好坏直接影响到采棉机的采摘成本和工作效率。摘锭与套筒形成磨损副，实际工作时又直接与棉花接触，在工作过程中经常出现疲劳、磨损和断裂等失效现象，而目前国内采棉机的使用的摘锭主要依赖从美国进口，价格较贵，为了节省成本，迫切需要实现摘锭的国产化，因此有必要对摘锭与套筒表面的摩擦学性能进行改性研究。本文立足于重庆大学机械传动国家重点实验室自主课题“采棉机水平摘锭摩擦学改性研究”(项目编号0301002109174)，针对我国采棉机的发展现状，本文分别从表面织构和涂层材料两方面着手，对摘锭和套筒的摩擦学性能进行了研究。主要内容如下：首先，本文考虑将目前摩擦学研究的一个热点，即微造型技术，应用到摘锭上，为了将问题简化，研究平板上微造型对摩擦学性能的影响。主要研究了考虑气穴模型与不考虑气穴模型下单个微造型对平板摩擦学性能的差异，并分析了微造型几何尺寸和布置方式对平板表面承载力、摩擦力和摩擦系数及平板表面应力等摩擦学性能的影响。计算结果表明：考虑气穴模型后，负的油膜压力峰和由之造成的平板表面应力峰消失，正的油膜压力峰值和平板表面应力峰增大。微造型几何尺寸变化会造成平板摩擦学性能的改变。通过微造型之间的协同效应，合理的微造型布置个数、角度和距离可以更好地改进摩擦学性能。接着，从表面材料性质方面，建立了具有涂层的套筒和润滑油膜有限元模型，并对其进行了流固耦合分析，研究了涂层弹性模量、泊松比和厚度对套筒摩擦学性能的影响。结果表明：涂层弹性模量、泊松比和厚度对套筒摩擦学性能有显著影响，并发现在一定条件下，存在最优的涂层弹性模量和泊松比。最后，通过球-盘摩擦的试验方法，分别在干摩擦和油润滑条件下对两种渴望用于摘锭与套筒的涂层材料(硬铬和化学镍)的摩擦学性能进行了研究，并与基体材料进行了对比。分析了试验时间、载荷和速度对涂层表面摩擦系数和表面形貌的影响，用程序验证了载荷和频率对摩擦系数的影响。结果表明：试验载荷和速度对摩擦系数影响较大；硬铬涂层与化学镍涂层相比耐磨性更好。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：S225.911
【图文】：

耦合模型,造型,造型尺寸,润滑油作用

微造型形状选用球冠状，微造型处于平板正中心位置，且微造型尺寸变化时平板的尺寸保持不变，几何模型如图2.1 所示，微造型几何尺寸如图 2.2 所示。由于本章将重点研究平板上的应力受润滑油作用后的变化，为使平板上表面产生足够大的弹性变形，在选择平板厚度时不宜过大，取为 10 mm。在平板上布置微造型后，润滑油流过平板微造型区域时的动压效应使得压力出现波动，由于润滑油入口和出口处压力均为 0 Pa，为避免润滑油入口和出口处由于边界效应对压力产生影响，计算时平板面积不宜过小，经计算，平板长和宽均为 60 μm 时润滑油最大压力基本不受平板尺寸的变化而变化，故选择平板长和宽为 60 μm。进行流固耦合计算的其他参数如表 2.1 所示。

压力曲线,内部流场,造型,压力曲线

会出现一个临界值。这与目前研究的结论一致[53]。另外，考虑气穴和不考虑气穴作用下，压力曲线在微造型宽度变化的区域也均与深度有关，当深度为 1 μm 和 μm 时，压力从最小值到最大值变化过程比较平滑，深度为 4 μm 和 5 μm 时，压力曲线从最小值到最大值的变化过程中出现波动，这与微造型内部的流体的速度场有关。

摩擦系数,摩擦力,造型

(a) 无气穴(a) Without cavitation图 2.13 摩擦力随微造Fig.2.13 Variations of friction图 2.13 (a)和图 2.13 (b)分别表示无气摩擦力的影响。微造型深度不变时，摩擦力减小的幅度更大，有气穴时摩擦力的变化规出现反常。图 2.14 (a)和图 2.14 (b)分别表示无气摩擦系数的影响。可以看出，微造型深度不小，有气穴时摩擦系数要比有气穴时小，这大，而摩擦力减小，且有气穴时的变化更加2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.534.534.634.7riFciotnWidth ( m)depth=2 mdepth=4 mdepth=5 m

【参考文献】