本文關鍵詞： 復合結構 UHMWPE 滑動摩擦面 接觸應力 粘彈性體 啟閉設備　出處：《華中科技大學》2015年博士論文　論文類型：學位論文

【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施、海洋工程裝備、起重設備以及國防工業(yè)中廣泛應用,但是傳統(tǒng)金屬材質低速重載滑動摩擦面很難有效解決冷膠合與點蝕等摩擦面破損的問題。裝備有復合結構高聚物軸瓦的球鉸在工程中證實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力分布情況的研究資料相對缺乏,對類似球鉸的設計方法也缺乏理論支撐。過大的接觸應力已經被證實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,但是受高聚物力學強度的限制,還沒有看到可用于重載傳動裝置的高聚物零部件的相關研究與案例。為此,本文對特殊球鉸UHMWPE滑動面的接觸應力分布及變化規(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理；提出適用于低速重載工況的復合結構高聚物傳動銷齒,對其承載能力與應力應變進行仿真研究,并以鄱陽湖樞紐閘門的啟閉設備為工程案例論證其應用前景,提出了多種大型閘門的啟閉設備設計方案。通過對復合結構UHMWPE軸瓦的結構、材料、尺寸等分析,對特殊球鉸的高聚物滑動摩擦面建模、仿真和應力分析,探明了該滑動摩擦面表面接觸應力的分布規(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力集中現象；復合結構高聚物軸瓦在較大載荷條件下將主要應力轉移到強度較高的碳纖維強化環(huán),避免了具有自潤滑特性的高聚物接觸面出現破損、擠出等失效損傷；證實了復合結構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材料粘彈性力學模型為基礎,根據包絡原理歸納了銷齒傳動機構的齒廓曲線方程算法,提出了新型鋼被襯復合結構高聚物傳動銷齒。對復合結構UHMWPE銷齒結構、尺寸進行分析比較,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。對其承載能力與應力應變進行仿真分析,發(fā)現其具有較低齒面接觸應力的根本原因是較大實際接觸面積避免了接觸應力集中現象,并與普通鋼制傳動銷齒在受載時的應力分布情況進行比較,證實這種特殊銷齒的表面接觸應力低于普通硬齒面銷齒,消除了應力集中點。提出了多種適用于鄱陽湖水利樞紐超大型閘門的啟閉設備設計方案。通過復合結構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。對該閘門啟閉設備的基座和支臂組件的結構強度進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.
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TV663;TH132

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