【摘要】：隨著科學技術的快速發(fā)展,特別是特殊工況下工作的特殊機械結構,一些在低溫、高低速等極苛刻工況條件下工作的軸承如風力發(fā)電機組,其油脂潤滑有時會失效,只能依靠軸承中自潤滑材料提供的轉(zhuǎn)移膜為軸承正常工作提供潤滑。目前我國正加快研制的自主設計的大風力發(fā)電機組等高、尖、精技術發(fā)展都對長壽命、高穩(wěn)定性自潤滑復合材料提出迫切的要求。因此,開發(fā)和研制新型的符合特殊工況的自潤滑材料并研究其復合材料自潤滑摩擦磨損機理對解決適應低溫條件下軸承的延壽及提高可靠性問題具有極其重要的價值和意義。本文分析了在常溫和低溫兩種條件下軸承自潤滑復合材料的主要摩擦磨損機理,為進一步設計和研究自潤滑復合材料提供依據(jù)。研究了超高分子量聚乙烯(UHMWPE)基自潤滑復合材料填料配比、成型工藝、壓制條件和燒結溫度等,達到高效制備復合材料的目的。在常溫環(huán)境下,考察了增強填料和潤滑填料等填料含量對復合材料摩擦磨損性能、力學性能、熱性能的影響。在-60℃環(huán)境下,測試UHMWPE+CF+POB+Cu復合材料摩擦磨損性能,研究復合材料磨損表面和對摩面表面,并探究其摩擦機理。常溫環(huán)境下,研究UHMWPE基體添加增強相碳纖維(CF)摩擦磨損性能,碳纖維增強UHMWPE復合材料摩擦因數(shù)的變化范圍在0.12~0.30之間變化,同時磨損率也較高,優(yōu)選出碳纖維增強UHMWPE復合材料摩擦磨損性能最優(yōu)值,最優(yōu)配比為UHMWPE+15%CF復合材料;當聚苯酯(POB)填料添加到UHMWPE+15%CF復合材料中時,磨損率進一步減少,在UHMWPE+15%CF+15%POB復合材料中添加納米銅(Cu)顆粒磨損率最小,得到最低磨損率復合材料是UHMWPE+15%CF+15%POB+12%Cu復合材料,其復合材料磨損率大概為純UHMWPE的1/16。同時考察了UHMWPE+15%CF+15%POB添加石墨時復合材料的摩擦磨損性能,雖然將摩擦因數(shù)降低了,但是磨損率有所增加。在力學性能方面,POB、石墨和納米Cu顆粒均降低了復合材料的沖擊性能;在熱性能方面研究,添加納米Cu顆粒和石墨復合材料熱焓值有提升,促進結晶度的提升。在導熱率方面,添加納米Cu顆粒和石墨可明顯改善其復合材料導熱性能。同時,本文測試了在常溫環(huán)境下不同載荷和轉(zhuǎn)速對復合材料的影響,研究結果表明,其中轉(zhuǎn)速對復合材料磨損率的影響大于壓力對復合材料磨損率的影響;復合材料的摩擦因數(shù)隨載荷的增加而減少,復合材料的摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速的增加而增加。研制了低溫摩擦磨損試驗機,測試了5種UHMWPE復合材料在-60℃低溫環(huán)境下的摩擦性能。在-60℃環(huán)境中,隨納米Cu顆粒含量提高,纖維增強超高分子量聚乙烯復合材料與對摩面瞬態(tài)摩擦因數(shù)也越穩(wěn)定。低溫環(huán)境下復合材料磨損率低于常溫下復合材料磨損率;在低溫環(huán)境中,隨納米Cu顆粒含量提高,復合材料磨損率越低,其主要磨損機理為疲勞磨損;在-60℃低溫環(huán)境下,對比了在不同載荷和不同轉(zhuǎn)速時,UHMWPE+CF+POB+12%Cu復合材料的磨損率。研究表明,載荷從100N增長到300N,超高分子量聚乙烯復合材料的摩擦因數(shù)隨載荷的增加而減小,復合材料的磨損率隨載荷的增加而增加;隨著轉(zhuǎn)速從100r/min增加到300r/min其摩擦因數(shù)有上升趨勢,UHMWPE+CF+POB+12%Cu復合材料的磨損率和磨損量隨轉(zhuǎn)速的增加先減小后增加;在-60℃低溫環(huán)境下,轉(zhuǎn)速相對于載荷對磨損率的影響也是最大的。利用仿真模擬對普通自潤滑軸承和仿生自潤滑軸承在相同載荷情況下軸承的承載能力進行對比與計算。在靜態(tài)載荷作用下,仿生自潤滑軸承von-mises最大應力值小于普通自潤滑軸承,仿生孔槽排布方式和孔槽孔徑均影響自潤滑軸承承載能力;在動態(tài)載荷作用下,仿生自潤滑軸承von-mises最大應力值最小,承壓狀態(tài)最優(yōu),因而具有較優(yōu)的承載能力。最終確定了有著良好受力狀態(tài)的鑲嵌槽為仿生結構模型為最終軸承結構。通過校核,其仿生自潤滑軸承最優(yōu)排布為30°排列外接圓為10mm的仿生六邊形為鑲嵌槽。
【圖文】：

1.1 選題背景及意義在中國北方，，寒冷的冬日，由于環(huán)境溫度較低，在低溫環(huán)境下，風力發(fā)電機組中工作的發(fā)電機軸承，如圖1.1所示，其工作狀態(tài)下工作負荷較大且轉(zhuǎn)速較高，并且軸承直接工作在低溫環(huán)境下，常規(guī)的油、脂潤滑無法滿足對軸承的潤滑要求。由于工作條件十分惡劣，同時風力發(fā)電機系統(tǒng)要求軸承工作性能穩(wěn)定和工作可靠，因此只能依靠固體潤滑材料進行潤滑。通常固體潤滑材料是以粉末、薄膜或整體材料的形式組成。在航空航天、現(xiàn)代軍工高科技機械等應用領域中，其使用環(huán)境與要求的特殊，特別是在復雜的環(huán)境、低溫、超低溫、強輻射、高速高負載或低速高負載等特殊工況下對復合材料的摩擦磨損有著極高要求。固體潤滑材料在性能上可以突破傳統(tǒng)材料的使用極限，為特殊工況下工作的摩擦磨損材料的穩(wěn)定性和可靠性奠定堅實的基礎。圖 1.1 風力發(fā)電機組軸承部分Figure 1.1 Bearing parts of wind generating set陶瓷軸承在我國研究已經(jīng)發(fā)展較為快速，自 1997 年開始對某重大型號軸承延長使用壽命和提高其可靠性進行攻關

圖 1.2 混合式的陶瓷軸承Figure 1.2 Hybrid ceramic bearing究表明，在自潤滑軸承中要求高精度、長使用壽命、高可靠性情況的摩擦性能是保證要求的關鍵，自潤滑軸承如圖 1.3 所示。目前國纖維等增強聚四氟乙烯(PTFE)自潤滑復合材料[2-4]，玻璃纖維等由磨損而裸露，進而纖維劃傷摩擦副表面形成的 PTFE 轉(zhuǎn)移膜，導致失去應有的潤滑效果，使?jié)L動體和滾道之間出現(xiàn)直接接觸，加劇滾損，同時因為直接接觸，導致滾動體和滾道瞬間過熱而燒傷軸承，軸承失效形式如圖 1.4 所示,其中 1.4(b)為發(fā)電機軸承內(nèi)圈存在研制一種新型自潤滑復合材料來解決低溫、超低溫、重載等工況下高可靠性問題，已經(jīng)成為當今材料科學和摩擦學等領域的前沿課
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TB33;TH133.3

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