本文關(guān)鍵詞： 復(fù)合結(jié)構(gòu) UHMWPE 滑動摩擦面 接觸應(yīng)力 粘彈性體 啟閉設(shè)備　出處：《華中科技大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：惡劣潤滑環(huán)境下工作的重載球鉸與銷齒傳動部件在水利設(shè)施、海洋工程裝備、起重設(shè)備以及國防工業(yè)中廣泛應(yīng)用,但是傳統(tǒng)金屬材質(zhì)低速重載滑動摩擦面很難有效解決冷膠合與點(diǎn)蝕等摩擦面破損的問題。裝備有復(fù)合結(jié)構(gòu)高聚物軸瓦的球鉸在工程中證實(shí)其滑動摩擦面具有優(yōu)異的抗磨損性能,但是對滑動面磨損有顯著影響的接觸面應(yīng)力分布情況的研究資料相對缺乏,對類似球鉸的設(shè)計方法也缺乏理論支撐。過大的接觸應(yīng)力已經(jīng)被證實(shí)是造成重載齒輪齒面磨損的一個重要因素,高分子塑料齒輪具有優(yōu)秀的抗磨損能力,但是受高聚物力學(xué)強(qiáng)度的限制,還沒有看到可用于重載傳動裝置的高聚物零部件的相關(guān)研究與案例。為此,本文對特殊球鉸UHMWPE滑動面的接觸應(yīng)力分布及變化規(guī)律展開理論研究和仿真分析,以探求其具有優(yōu)秀抗摩擦磨損特性的機(jī)理；提出適用于低速重載工況的復(fù)合結(jié)構(gòu)高聚物傳動銷齒,對其承載能力與應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行仿真研究,并以鄱陽湖樞紐閘門的啟閉設(shè)備為工程案例論證其應(yīng)用前景,提出了多種大型閘門的啟閉設(shè)備設(shè)計方案。通過對復(fù)合結(jié)構(gòu)UHMWPE軸瓦的結(jié)構(gòu)、材料、尺寸等分析,對特殊球鉸的高聚物滑動摩擦面建模、仿真和應(yīng)力分析,探明了該滑動摩擦面表面接觸應(yīng)力的分布規(guī)律；揭示其與普通球鉸滑動摩擦面相比具有明顯較低表面接觸應(yīng)力的根本原因是粘彈性UHMWPE材料在受載后迅速發(fā)生明顯的彈性變形從而形成廣泛的接觸面,將應(yīng)力相對均勻的分散到摩擦面從而顯著消除了滑動摩擦面的應(yīng)力集中現(xiàn)象；復(fù)合結(jié)構(gòu)高聚物軸瓦在較大載荷條件下將主要應(yīng)力轉(zhuǎn)移到強(qiáng)度較高的碳纖維強(qiáng)化環(huán),避免了具有自潤滑特性的高聚物接觸面出現(xiàn)破損、擠出等失效損傷；證實(shí)了復(fù)合結(jié)構(gòu)高聚物用于改善惡劣潤滑條件的重載滑動面摩擦特性的可行性。以UHMWPE材料粘彈性力學(xué)模型為基礎(chǔ),根據(jù)包絡(luò)原理歸納了銷齒傳動機(jī)構(gòu)的齒廓曲線方程算法,提出了新型鋼被襯復(fù)合結(jié)構(gòu)高聚物傳動銷齒。對復(fù)合結(jié)構(gòu)UHMWPE銷齒結(jié)構(gòu)、尺寸進(jìn)行分析比較,探尋具備較大承載能力和優(yōu)異抗磨損性能的新型重載傳動銷齒。對其承載能力與應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行仿真分析,發(fā)現(xiàn)其具有較低齒面接觸應(yīng)力的根本原因是較大實(shí)際接觸面積避免了接觸應(yīng)力集中現(xiàn)象,并與普通鋼制傳動銷齒在受載時的應(yīng)力分布情況進(jìn)行比較,證實(shí)這種特殊銷齒的表面接觸應(yīng)力低于普通硬齒面銷齒,消除了應(yīng)力集中點(diǎn)。提出了多種適用于鄱陽湖水利樞紐超大型閘門的啟閉設(shè)備設(shè)計方案。通過復(fù)合結(jié)構(gòu)高聚物特殊銷齒傳動方案與普通齒輪類傳動方案的對比研究,論證了該特殊銷齒用于重載齒輪傳動設(shè)備的可行性,為重型裝備的大型傳動系統(tǒng)小型化做出貢獻(xiàn)。對該閘門啟閉設(shè)備的基座和支臂組件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了有限元仿真分析。
[Abstract]:The heavy-duty ball hinges and pin-tooth drive parts working under harsh lubricating conditions are widely used in water conservancy facilities, marine engineering equipment, lifting equipment and national defense industry. However, it is very difficult for traditional metal materials to solve the problem of friction surface breakage such as cold bonding and pitting. The ball hinge with composite polymer bearing is proved to be excellent in engineering. Wear resistance. However, the stress distribution of contact surface which has significant influence on sliding surface wear is relatively lacking. Too much contact stress has been proved to be an important factor to cause tooth surface wear of heavy-duty gears. Polymer plastic gears have excellent wear resistance. However, limited by the mechanical strength of polymers, there is no case study and case study of polymer components that can be used in heavy-duty transmission. In this paper, the contact stress distribution and variation law of special ball hinge UHMWPE sliding surface are studied and simulated in order to find out the mechanism of excellent friction and wear resistance. This paper puts forward the composite structure polymer drive pin teeth suitable for low speed and heavy load condition, and simulates its bearing capacity and stress and strain, and takes the opening and closing equipment of the gate of Poyang Lake Hub as an engineering case to demonstrate its application prospect. Through the analysis of the structure, material and size of the UHMWPE bearing of the composite structure, the model of the special spherical hinge polymer sliding friction surface is established. The distribution of contact stress on the surface of the sliding friction surface is proved by simulation and stress analysis. It is revealed that the main reason for the obvious lower surface contact stress is the obvious elastic deformation of the viscoelastic UHMWPE material after loading, which leads to the formation of a wide range of contact surfaces. The stress concentration on the sliding friction surface is eliminated by dispersing the stress evenly to the friction surface. The polymer bearing of composite structure transfers the main stress to the high strength carbon fiber strengthened ring under the condition of large load, which avoids the failure damage of polymer contact surface with self-lubricating property and extrusion etc. The feasibility of the composite polymer used to improve the frictional properties of the heavy load sliding surface in poor lubrication conditions was confirmed. The viscoelastic mechanical model of the UHMWPE material was used as the basis. According to the enveloping principle, the algorithm of tooth profile curve equation of pin tooth drive mechanism is summarized, and a new profile steel lined composite structure high polymer drive pin tooth is put forward. The structure and size of composite structure UHMWPE pin tooth are analyzed and compared. To explore a new type of heavy-duty drive pin teeth with large bearing capacity and excellent wear resistance. The load bearing capacity and stress strain are simulated and analyzed. It is found that the main reason for the lower contact stress is that the larger actual contact area avoids the phenomenon of contact stress concentration, and the stress distribution of the common steel drive pin teeth under load is compared with that of the common steel drive pin teeth. It is proved that the surface contact stress of this special pin tooth is lower than that of common hard surface pin tooth. The stress concentration point is eliminated, and a variety of design schemes of the opening and closing equipment suitable for the super large gate of Poyang Lake Water Conservancy Project are put forward. The comparison between the special pin-tooth drive scheme of polymer with the composite structure and the common gear transmission scheme is made. Research. The feasibility of the special pin tooth used in heavy duty gear transmission equipment is demonstrated. This paper makes a contribution to the miniaturization of the large-scale transmission system of heavy equipment. The structural strength of the base and arm assemblies of the gate opening and closing equipment is simulated by finite element method.
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TV663;TH132

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 施雯,董漢山;Improvement in the Tribological Properties of UHMWPE Sliding against Ti6Al4V by Surface Modification[J];Journal of Shanghai University;2005年02期

2 ;Comparison of Biotribology of Swine Compact Bone Against UHMWPE[J];Journal of China University of Mining & Technology;2007年01期

3 袁輝,劉廷華;UHMWPE復(fù)合板材擠出口模設(shè)計[J];模具工業(yè);2004年05期

4 尹璞;溫建萍;甄明暉;;UHMWPE基復(fù)合材料在干摩擦和油田污水條件下的摩擦磨損性能[J];潤滑與密封;2008年05期

5 ;Study on Biotribological Behavior of the Combined Joint of CoCrMo and UHMWPE/BHA Composite in a Hip Joint Simulator[J];Journal of Bionic Engineering;2009年04期

6 胡偉煒;趙文杰;曹慧軍;曾志翔;張昕;烏學(xué)東;;多巴胺改性UHMWPE粉末對環(huán)氧涂層韌性及摩擦性能的影響[J];摩擦學(xué)學(xué)報;2012年05期

7 WU Li;GAO XinLei;GAO WanZhen;;Investigation on tribological behaviors of the modified UHMWPE with different structures of Schiff base copper complexes[J];Science China(Technological Sciences);2013年12期

8 王昌祥,鄭昌瓊,周馨,尹光福,鄧杰,孟永鋼,溫詩鑄;UHMWPE-SiC生物摩擦學(xué)的特性及機(jī)理[J];無機(jī)材料學(xué)報;1998年06期

9 龔國芳,王新,曲敬信,漆宗能;兩種UHMWPE/Kaolin復(fù)合材料在干摩擦條件下的滑動摩擦磨損性能研究[J];摩擦學(xué)學(xué)報;2000年05期

10 龔國芳,楊華勇,傅新,漆宗能;UHMWPE/Kaolin復(fù)合材料的物性研究——機(jī)械性能、耐磨性及其相關(guān)關(guān)系[J];浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版);2003年03期

相關(guān)會議論文 前10條

1 董麗杰;陳濤;熊傳溪;;填料填充UHMWPE的耐熱降磨研究[A];2005年全國高分子學(xué)術(shù)論文報告會論文摘要集[C];2005年

2 王磊;閔明華;石建高;劉永利;陳曉蕾;樂國義;龔劍彬;;UHMWPE纖維研發(fā)與生產(chǎn)現(xiàn)狀[A];中國海洋學(xué)會2013年學(xué)術(shù)年會第14分會場海洋裝備與海洋開發(fā)保障技術(shù)發(fā)展研討會論文集[C];2013年

3 Yang Wang;Ning-Ning Wu;Yu-Qin Mou;Liang Chen;Zhong-Liang Deng;;Inhibitory effects of recombinant IL-4 and recombinant IL-13 on UHMWPE-induced bone destruction in the murine air pouch model[A];中華醫(yī)學(xué)會第五次中青年骨質(zhì)疏松和骨礦鹽疾病學(xué)術(shù)會議論文集[C];2013年

4 趙忠華;吳冬莉;薛平;何亞東;;UHMWPE微孔隔板結(jié)構(gòu)的測試與分形模型研究[A];2002年中國工程塑料加工應(yīng)用技術(shù)研討會論文集[C];2002年

5 劉秧生;高萬振;;UHMWPE材料制備技術(shù)及其摩擦學(xué)應(yīng)用[A];第二屆全國工業(yè)摩擦學(xué)大會暨第七屆全國青年摩擦學(xué)學(xué)術(shù)會議會議論文集[C];2004年

6 沈艷秋;張德坤;王慶良;;UHMWPE/BHA復(fù)合材料的生物摩擦性能研究[A];2006全國摩擦學(xué)學(xué)術(shù)會議論文集（一）[C];2006年

7 ;Study on Resin Matrix in UHMWPE Fibers Protective Composites[A];2007年全國高分子學(xué)術(shù)論文報告會論文摘要集（下冊）[C];2007年

8 姚仲梁;陳勇;李猛;姚嗣佳;嚴(yán)為群;王德禧;;分子量250萬以上UHMWPE管材、板材的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)[A];2008雙（多）金屬復(fù)合管/板材生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用學(xué)術(shù)研討會文集[C];2008年

9 陳霧;金永亮;段海濤;顧卡麗;;UHMWPE溫度-時間效應(yīng)的分子動力學(xué)模擬[A];第十一屆全國摩擦學(xué)大會論文集[C];2013年

10 于俊榮;胡祖明;劉兆峰;;UHMWPE/納米SiO_2溶液的制備[A];2004年全國高分子材料科學(xué)與工程研討會論文集[C];2004年

相關(guān)重要報紙文章 前8條

1 陶炎;我掌握UHMWPE干法成套技術(shù)[N];中國化工報;2013年

2 記者 仇國賢 通訊員 黃安平;5000噸UHMWPE工藝包通過評審[N];中國化工報;2014年

3 主持人 梁楓;自主創(chuàng)新迫使洋貨降價[N];中國紡織報;2011年

4 王永軍;超高分子量聚乙烯開發(fā)成功[N];中國石化報;2012年

5 畢家立;超高分子量聚乙烯加工改性熱點(diǎn)[N];中國化工報;2003年

6 ;超高分子量聚乙烯管材生產(chǎn)技術(shù)及裝備[N];中國化工報;2003年

7 劉云;華錦超高分子量聚乙烯纖維項(xiàng)目市場前景巨大[N];盤錦日報;2008年

8 王永軍;第三代高性能纖維樹脂趕超國外[N];中國化工報;2012年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 熊磊;納米填充與輻照交聯(lián)UHMWPE的力學(xué)及摩擦學(xué)性能研究[D];南京理工大學(xué);2011年

2 張海琛;基于拉伸流變的UHMWPE熔融擠出過程及其結(jié)構(gòu)與性能研究[D];華南理工大學(xué);2016年

3 王洪龍;超高分子量聚乙烯輻射效應(yīng)與改性研究[D];中國科學(xué)院研究生院(上海應(yīng)用物理研究所);2017年

4 高乾宏;超高分子量聚乙烯纖維及織物的輻射接枝改性與功能化研究[D];中國科學(xué)院研究生院(上海應(yīng)用物理研究所);2016年

5 彭旭;大型閘門部件的復(fù)合UHMWPE滑動面研究及應(yīng)用[D];華中科技大學(xué);2015年

6 龔國芳;UHMWPE/Kaolin復(fù)合材料的摩擦磨損特性和機(jī)理研究[D];中國礦業(yè)大學(xué)（北京）;2005年

7 秦襄培;基于數(shù)字化技術(shù)的UHMWPE材料摩擦學(xué)特性研究[D];機(jī)械科學(xué)研究總院;2006年

8 時曉梅;UHMWPE/HA梯度復(fù)合髖臼材料的制備及性能研究[D];大連理工大學(xué);2013年

9 劉功德;超高分子量聚乙烯的加工與高性能化研究[D];四川大學(xué);2003年

10 倪自豐;超高分子量聚乙烯的抗氧化處理及其生物摩擦學(xué)行為研究[D];中國礦業(yè)大學(xué);2009年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 張迪;超高分子量聚乙烯（UHMWPE）復(fù)合材料的成分組織與性能研究[D];長春理工大學(xué);2010年

2 陳濤;UHMWPE耐熱降磨改性研究[D];武漢理工大學(xué);2005年

3 明艷;UHMWPE/PP的共混改性研究[D];華北工學(xué)院;2003年

4 侯文潭;UHMWPE塑燒板基板成型過程的數(shù)值模擬及其制備工藝研究[D];中南大學(xué);2012年

5 劉陽;臨床相關(guān)的微米級載阿侖膦酸鈉超高分子量聚乙烯磨屑的研究[D];西南交通大學(xué);2015年

6 劉紅利;高強(qiáng)多孔UHMWPE纖維成型工藝與結(jié)構(gòu)性能研究[D];鄭州大學(xué);2015年

7 顧靜;UHMWPE纖維性能及其應(yīng)用研究[D];蘇州大學(xué);2015年

8 韋越;隔離結(jié)構(gòu)CB/PP/UHMWPE復(fù)合材料的電性能及外場響應(yīng)性能研究[D];鄭州大學(xué);2015年

9 顧雋;UHMWPE纖維樹脂復(fù)合材料的研究[D];上海交通大學(xué);2011年

10 張高峰;人工膝關(guān)節(jié)材料界面間的生物摩擦學(xué)研究[D];中國礦業(yè)大學(xué);2015年

，

本文編號：1464482