【摘要】：隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,特別是特殊工況下工作的特殊機(jī)械結(jié)構(gòu),一些在低溫、高低速等極苛刻工況條件下工作的軸承如風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,其油脂潤(rùn)滑有時(shí)會(huì)失效,只能依靠軸承中自潤(rùn)滑材料提供的轉(zhuǎn)移膜為軸承正常工作提供潤(rùn)滑。目前我國(guó)正加快研制的自主設(shè)計(jì)的大風(fēng)力發(fā)電機(jī)組等高、尖、精技術(shù)發(fā)展都對(duì)長(zhǎng)壽命、高穩(wěn)定性自潤(rùn)滑復(fù)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(rùn)滑材料并研究其復(fù)合材料自潤(rùn)滑摩擦磨損機(jī)理對(duì)解決適應(yīng)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(jià)值和意義。本文分析了在常溫和低溫兩種條件下軸承自潤(rùn)滑復(fù)合材料的主要摩擦磨損機(jī)理,為進(jìn)一步設(shè)計(jì)和研究自潤(rùn)滑復(fù)合材料提供依據(jù)。研究了超高分子量聚乙烯(UHMWPE)基自潤(rùn)滑復(fù)合材料填料配比、成型工藝、壓制條件和燒結(jié)溫度等,達(dá)到高效制備復(fù)合材料的目的。在常溫環(huán)境下,考察了增強(qiáng)填料和潤(rùn)滑填料等填料含量對(duì)復(fù)合材料摩擦磨損性能、力學(xué)性能、熱性能的影響。在-60℃環(huán)境下,測(cè)試UHMWPE+CF+POB+Cu復(fù)合材料摩擦磨損性能,研究復(fù)合材料磨損表面和對(duì)摩面表面,并探究其摩擦機(jī)理。常溫環(huán)境下,研究UHMWPE基體添加增強(qiáng)相碳纖維(CF)摩擦磨損性能,碳纖維增強(qiáng)UHMWPE復(fù)合材料摩擦因數(shù)的變化范圍在0.12~0.30之間變化,同時(shí)磨損率也較高,優(yōu)選出碳纖維增強(qiáng)UHMWPE復(fù)合材料摩擦磨損性能最優(yōu)值,最優(yōu)配比為UHMWPE+15%CF復(fù)合材料;當(dāng)聚苯酯(POB)填料添加到UHMWPE+15%CF復(fù)合材料中時(shí),磨損率進(jìn)一步減少,在UHMWPE+15%CF+15%POB復(fù)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(fù)合材料是UHMWPE+15%CF+15%POB+12%Cu復(fù)合材料,其復(fù)合材料磨損率大概為純UHMWPE的1/16。同時(shí)考察了UHMWPE+15%CF+15%POB添加石墨時(shí)復(fù)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(xué)性能方面,POB、石墨和納米Cu顆粒均降低了復(fù)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(fù)合材料熱焓值有提升,促進(jìn)結(jié)晶度的提升。在導(dǎo)熱率方面,添加納米Cu顆粒和石墨可明顯改善其復(fù)合材料導(dǎo)熱性能。同時(shí),本文測(cè)試了在常溫環(huán)境下不同載荷和轉(zhuǎn)速對(duì)復(fù)合材料的影響,研究結(jié)果表明,其中轉(zhuǎn)速對(duì)復(fù)合材料磨損率的影響大于壓力對(duì)復(fù)合材料磨損率的影響;復(fù)合材料的摩擦因數(shù)隨載荷的增加而減少,復(fù)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(yàn)機(jī),測(cè)試了5種UHMWPE復(fù)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(qiáng)超高分子量聚乙烯復(fù)合材料與對(duì)摩面瞬態(tài)摩擦因數(shù)也越穩(wěn)定。低溫環(huán)境下復(fù)合材料磨損率低于常溫下復(fù)合材料磨損率;在低溫環(huán)境中,隨納米Cu顆粒含量提高,復(fù)合材料磨損率越低,其主要磨損機(jī)理為疲勞磨損;在-60℃低溫環(huán)境下,對(duì)比了在不同載荷和不同轉(zhuǎn)速時(shí),UHMWPE+CF+POB+12%Cu復(fù)合材料的磨損率。研究表明,載荷從100N增長(zhǎng)到300N,超高分子量聚乙烯復(fù)合材料的摩擦因數(shù)隨載荷的增加而減小,復(fù)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(shì),UHMWPE+CF+POB+12%Cu復(fù)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(duì)于載荷對(duì)磨損率的影響也是最大的。利用仿真模擬對(duì)普通自潤(rùn)滑軸承和仿生自潤(rùn)滑軸承在相同載荷情況下軸承的承載能力進(jìn)行對(duì)比與計(jì)算。在靜態(tài)載荷作用下,仿生自潤(rùn)滑軸承von-mises最大應(yīng)力值小于普通自潤(rùn)滑軸承,仿生孔槽排布方式和孔槽孔徑均影響自潤(rùn)滑軸承承載能力;在動(dòng)態(tài)載荷作用下,仿生自潤(rùn)滑軸承von-mises最大應(yīng)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(jié)構(gòu)模型為最終軸承結(jié)構(gòu)。通過校核,其仿生自潤(rùn)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(guó)北方，，寒冷的冬日，由于環(huán)境溫度較低，在低溫環(huán)境下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中工作的發(fā)電機(jī)軸承，如圖1.1所示，其工作狀態(tài)下工作負(fù)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(rùn)滑無法滿足對(duì)軸承的潤(rùn)滑要求。由于工作條件十分惡劣，同時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(rùn)滑材料進(jìn)行潤(rùn)滑。通常固體潤(rùn)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(jī)械等應(yīng)用領(lǐng)域中，其使用環(huán)境與要求的特殊，特別是在復(fù)雜的環(huán)境、低溫、超低溫、強(qiáng)輻射、高速高負(fù)載或低速高負(fù)載等特殊工況下對(duì)復(fù)合材料的摩擦磨損有著極高要求。固體潤(rùn)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。圖 1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸承部分Figure 1.1 Bearing parts of wind generating set陶瓷軸承在我國(guó)研究已經(jīng)發(fā)展較為快速，自 1997 年開始對(duì)某重大型號(hào)軸承延長(zhǎng)使用壽命和提高其可靠性進(jìn)行攻關(guān)

圖 1.2 混合式的陶瓷軸承Figure 1.2 Hybrid ceramic bearing究表明，在自潤(rùn)滑軸承中要求高精度、長(zhǎng)使用壽命、高可靠性情況的摩擦性能是保證要求的關(guān)鍵，自潤(rùn)滑軸承如圖 1.3 所示。目前國(guó)纖維等增強(qiáng)聚四氟乙烯(PTFE)自潤(rùn)滑復(fù)合材料[2-4]，玻璃纖維等由磨損而裸露，進(jìn)而纖維劃傷摩擦副表面形成的 PTFE 轉(zhuǎn)移膜，導(dǎo)致失去應(yīng)有的潤(rùn)滑效果，使?jié)L動(dòng)體和滾道之間出現(xiàn)直接接觸，加劇滾損，同時(shí)因?yàn)橹苯咏佑|，導(dǎo)致滾動(dòng)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(jī)軸承內(nèi)圈存在研制一種新型自潤(rùn)滑復(fù)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(dāng)今材料科學(xué)和摩擦學(xué)等領(lǐng)域的前沿課
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TB33;TH133.3

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本文編號(hào)：2661549