【摘要】：隨著我國航空航天技術的迅速發(fā)展,軸承作為航空航天裝備中的關鍵基礎零部件,已成為制約機械系統(tǒng)性能提升、壽命增長和可靠性提高的關鍵因素。航空航天軸承因其高速、重載、高溫、低溫、振動等惡劣服役工況導致潤滑狀態(tài)日趨嚴峻,其保持架因潤滑失效導致的異常磨損是當前高速軸承失效的主要故障形式之一。基于表面織構可有效改善摩擦磨損特性,為此本文針對滾動軸承保持架與套圈之間的引導面磨損問題,開展了軸承引導面摩擦配副材料表面織構制備工藝及其摩擦學性能研究,進而探討了引導面織構化滾動軸承潤滑性能實驗研究,為惡劣潤滑工況條件服役滾動軸承提供額外潤滑,使其避免出現(xiàn)突發(fā)性或災難性瞬時失效,為苛刻工況滾動軸承潤滑設計提供思路。為了研究軸承鋼材料表面激光織構化成型工藝,基于激光加工溫度場分析理論模型,開展了9Cr18表面激光織構化過程的COMSOL Multiphysics模擬仿真,研究材料表面微織構的尺寸參數(shù)、形貌及性能受到激光加工工藝參數(shù)的影響規(guī)律;進行了9Cr18表面織構化成型工藝實驗研究,得到了表面織構與加工工藝參數(shù)之間的影響關系,從理論和實驗兩個方面探索了軸承鋼材料表面激光織構化成型工藝,制備了具有不同特征尺寸的9Cr18織構化試樣,為摩擦磨損試驗和滾動軸承潤滑性能試驗提供了基礎。為了研究織構對材料表面摩擦磨損性能的影響,開展某型號航天軸承擬動力學性能分析,得到服役工況條件下滾動軸承引導面摩擦副工作特性,為表面織構摩擦磨損實驗提供了模擬工況輸入邊界。進而對織構化表面的流體動壓潤滑特性進行了模擬仿真,研究織構特征參數(shù)和潤滑油膜厚度對流體動壓壓力分布狀態(tài)的影響規(guī)律,并利用沖擊滑動試驗機研究了織構化表面的摩擦磨損特性。分析了不同沖擊力、沖擊頻率、速度和潤滑條件下表面織構對摩擦力矩的影響規(guī)律,綜合理論分析和實驗結果發(fā)現(xiàn)表面織構能夠有效降低摩擦力矩,為引導面表面織構改善磨損性能提供支持。為了探究引導面織構化對滾動軸承潤滑特性的影響,制備了內圓面激光織構化軸承外圈,設計并搭建了滾動軸承摩擦力矩測試平臺,完成了引導面激光織構化滾動軸承的摩擦力矩性能實驗。實驗結果發(fā)現(xiàn),軸承轉速高于900r/min,表面織構能夠有效降低摩擦力矩,最大幅值可達70%,說明乏油潤滑條件下表面織構能夠建立有效潤滑。由此可見,激光織構化引導面能夠改善滾動軸承潤滑特性,為航空航天滾動軸承結構設計和潤滑優(yōu)化提供指導,進而為滾動軸承壽命增長、可靠性提升和性能提高提供了理論基礎。
【圖文】：

為苛刻工況滾動軸承潤滑設計提供思路。1.2 研究目的和意義隨著我國航空航天技術的快速發(fā)展，運動零部件服役環(huán)境和性能指標日益苛刻，摩擦學問題也成為制約機械系統(tǒng)性能提升的關鍵因素。軸承作為典型運動零部件，是現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)中的關鍵基礎件，其摩擦學性能直接關系到系統(tǒng)精度、服役壽命和可靠性。在航空工業(yè)領域中，航空軸承作為航空發(fā)動機最為核心的零部件之一，目前已成為限制我國現(xiàn)役和預研航空發(fā)動機中的有效載荷、最高速度、工作壽命和可靠性等極限工作性能的主要因素，見圖 1-1 a)。軸承是材料、制造、檢測、試驗、應用等現(xiàn)代技術的高度集成體，在航天工業(yè)領域中，運載火箭、高速導彈、空間站和衛(wèi)星等都對軸承提供越來越高的性能指標，如重載火箭氫渦輪泵用軸承dn 值已達 300 萬(圖 1-1 b))，衛(wèi)星姿態(tài)控制用動量輪軸承工作壽命達 15 年(圖 1-1c))，這都對現(xiàn)有軸承結構及摩擦學設計提出挑戰(zhàn)。由此可見，摩擦學設計及其潤滑性能優(yōu)化已成為航空航天領域軸承的共性技術難題，是提升軸承極限性能的關鍵性因素。

哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文軸承結構通常由內外套圈、滾動體和保持架四部分組成(圖 1-2 a))，滾動軸承內部存在滾動體與內外套圈、滾動體與保持架、保持架與套圈三種摩擦狀態(tài)各不相同的摩擦副，即滾動體與內外套圈之間為具有滾動/滑動摩擦狀態(tài)(圖 1-2b))，滾動體與保持架之間為滑動/沖擊摩擦狀態(tài)(圖 1-2c))，保持架與套圈之間為沖擊/滑動摩擦狀態(tài)(圖 1-2 d))。目前滾動體與內外套圈之間的疲勞失效不再是航空航天軸承的主要失效形式，而保持架與引導套圈之間的故障失效已成為常見失效形式，如保持架斷裂(圖 1-3(a))，保持架引導面嚴重磨損(圖 1-3(b))等，，這些失效會導致軸承早期性能異常。因此滾動軸承引導套圈與保持架之間的潤滑失效已成為當前航空航天軸承面臨的科學技術難題，迫切需要開展針對性的潤滑設計和性能提升。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：V261

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本文編號：2692739