【摘要】：水潤滑軸承具有環(huán)保、低成本、減振抑噪、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、維修方便等優(yōu)點,應(yīng)用前景非常廣泛。水潤滑軸承的摩擦性能取決于橡膠軸瓦的水潤滑狀態(tài)、硬度、動態(tài)粘彈性、表面形貌與結(jié)構(gòu)等因素。改變工況或潤滑狀態(tài),促進(jìn)潤滑水膜充分形成,有利于降低軸承的濕摩擦系數(shù)。因為水的汽化壓力低,潤滑水容易產(chǎn)生氣蝕,實際工況中,潤滑水還可能混入泥砂等固體顆粒。而且由于自身和外界復(fù)雜的作用力,可能引起集中載荷瞬時沖擊軸承,產(chǎn)生振動。這就要求軸承既有優(yōu)異的濕滑性能,又具備良好的耐磨抗蝕能力。正常運行工況下,軸承同時具有低摩擦系數(shù)和高承載性能的要求,很難兩全。另外,橡膠軸瓦較低的彈性模量,即使施加輕載(相對較低的水膜壓力),也會產(chǎn)生明顯彈性變形,改變潤滑水膜的厚度與形狀,進(jìn)而影響水膜壓力的分布,使軸承的潤滑機(jī)理更復(fù)雜。因此,研究水潤滑軸承,既要考慮溝槽、曲面的幾何形狀結(jié)構(gòu),也要考慮橡膠軸瓦的材料性能對潤滑特性的影響。大多數(shù)現(xiàn)有的數(shù)值求解計算,只得出潤滑水膜厚度和壓力分布曲線,并沒有系統(tǒng)分析帶有導(dǎo)水溝槽的水潤滑軸承沿縱向、周向的整個間隙內(nèi),隨著開槽形狀、偏心率、間隙不同,流體速度場及壓力場的變化,也沒有研究流體動壓與橡膠軸瓦變形之間的雙向流固耦合相互作用。而且都沒有計入空化效應(yīng),軸承湍流潤滑的數(shù)值模擬也很少。因此,論文考慮空化效應(yīng),數(shù)值求解由不同水介質(zhì)(清水、含砂水)潤滑,軸承湍流狀態(tài)動壓潤滑的流場特性,仿真分析軸承清水潤滑雙向流固耦合作用下,橡膠軸瓦表面的變形及其法向、切向接觸應(yīng)力。結(jié)合水潤滑軸承摩擦磨損臺架試驗,用SEM觀察并分析磨損軸承表面的微觀形貌,探討軸承磨損的成因、機(jī)制與主要影響因素,力圖揭示軸承不同工況的磨損機(jī)理。進(jìn)而提出一種簡便有效的方法,通過改進(jìn)橡膠軸瓦復(fù)合材料的工藝性能,提高水潤滑軸承的工作性能。論文主要的研究內(nèi)容如下:1.實際工況中,潤滑水可能產(chǎn)生空化現(xiàn)象,并含有固體泥砂顆粒。論文將清水流場表述為氣-液兩相流流場,將含砂水流場描述為氣-液-固三相流流場。根據(jù)多相流沖蝕磨損的理論,對比分析橡膠軸瓦的空蝕、沖蝕、空蝕-沖蝕交互磨損。壓力使工作面凹陷,這利于形成流體潤滑水膜。因為流場壓力作用下橡膠軸瓦會變形,導(dǎo)致流體分布改變,促進(jìn)流體動壓潤滑水膜形成,又使流場壓力變動。所以,在軸承清水潤滑流場的計算模型中,計入(流場壓力變化與軸瓦彈性變形)雙向流固耦合的影響,數(shù)值模擬且定性分析雙向流固耦合作用下橡膠軸瓦的彈性變形,豐富充實水潤滑軸承的彈流動壓潤滑理論。2.建立水潤滑軸承考慮空化影響、湍流狀態(tài)潤滑的求解模型,對不同偏心率的軸承進(jìn)行數(shù)值模擬,得到不同工況下的水膜壓力分布、橡膠軸瓦變形分布規(guī)律,并且推導(dǎo)出相應(yīng)的潤滑水膜承載力與摩擦系數(shù)的計算表達(dá)式。用計算流體力學(xué)CFD方法和ANSYS MFX多場求解器,求出潤滑水膜變化與橡膠軸瓦彈性變形雙向流固耦合下,橡膠軸瓦表面切向應(yīng)力、法向應(yīng)力、變形的數(shù)值與分布;結(jié)合軸承摩擦磨損試驗,通過電鏡觀察分析磨損表面的微觀形貌;從理論、試驗兩方面證實軸承(滑動接觸)疲勞磨損的可能性與存在性。找出其重要的影響因素,探討軸承疲勞磨損的成因與機(jī)制,并為軸承性能改進(jìn)提供確切的評判依據(jù)。3.水潤滑軸承的摩擦性能取決于橡膠軸瓦的潤滑狀態(tài)、硬度、動態(tài)粘彈性等。選取坡縷石(AT)納米粉體,經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑KH-550表面改性處理后,加入NBR混煉、模壓硫化成型,制成AT/NBR橡膠軸瓦硫化膠試件與AT/NBR水潤滑軸承試件。檢測表明,AT/NBR橡膠軸瓦硫化膠試件的綜合力學(xué)性能、硬度提高,補強(qiáng)效果增加。用動態(tài)力學(xué)分析儀DMA測得,AT/NBR橡膠軸瓦硫化膠的初始儲能模量較NBR橡膠軸瓦硫化膠更大,在橡膠基體中的分散更均勻精細(xì)、相容性更好,工藝性能改善。DMA還測得,NBR、AT/NBR橡膠軸瓦硫化膠試件在0℃時1Hz下的損耗因子大約相等,表明兩者的濕滑能力基本不變。通過軸承摩擦磨損試驗機(jī),測出AT/NBR軸承試件的水潤滑摩擦噪聲、摩擦系數(shù)與磨損量降低。以上試驗結(jié)果表明,AT/NBR軸承試件比NBR軸承試件的摩擦磨損等性能指標(biāo)有所提高,并達(dá)到了美軍標(biāo)(船舶)MIL-DTL-17901C(SH)的規(guī)定。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TH133.3

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