水潤(rùn)滑橡膠合金軸承的磨損機(jī)理及坡縷石改進(jìn)其摩擦性能的研究.pdf

1、水潤(rùn)滑軸承具有環(huán)保、低成本、減振抑噪、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景非常廣泛。
　　水潤(rùn)滑軸承的摩擦性能取決于橡膠軸瓦的水潤(rùn)滑狀態(tài)、硬度、動(dòng)態(tài)粘彈性、表面形貌與結(jié)構(gòu)等因素。改變工況或潤(rùn)滑狀態(tài)，促進(jìn)潤(rùn)滑水膜充分形成，有利于降低軸承的濕摩擦系數(shù)。
　　因?yàn)樗钠瘔毫Φ?，?rùn)滑水容易產(chǎn)生氣蝕，實(shí)際工況中，潤(rùn)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(shí)沖擊軸承，產(chǎn)生振動(dòng)。這就要求軸承既有

2、優(yōu)異的濕滑性能，又具備良好的耐磨抗蝕能力。正常運(yùn)行工況下，軸承同時(shí)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(duì)較低的水膜壓力），也會(huì)產(chǎn)生明顯彈性變形，改變潤(rùn)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(rùn)滑機(jī)理更復(fù)雜。因此，研究水潤(rùn)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(duì)潤(rùn)滑特性的影響。
　　大多數(shù)現(xiàn)有的數(shù)值求解計(jì)算，只得出潤(rùn)滑水膜厚度

3、統(tǒng)分析帶有導(dǎo)水溝槽的水潤(rùn)滑軸承沿縱向、周向和壓力分布曲線，并沒(méi)有系的整個(gè)間隙內(nèi)，隨著開(kāi)槽形狀、偏心率、間隙不同，流體速度場(chǎng)及壓力場(chǎng)的變化，也沒(méi)有研究流體動(dòng)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(méi)有計(jì)入空化效應(yīng)，軸承湍流潤(rùn)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(rùn)滑，軸承湍流狀態(tài)動(dòng)壓潤(rùn)滑的流場(chǎng)特性，仿真分析軸承清水潤(rùn)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)

4、力。結(jié)合水潤(rùn)滑軸承摩擦磨損臺(tái)架試驗(yàn)，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(jiǎn)便有效的方法，通過(guò)改進(jìn)橡膠軸瓦復(fù)合材料的工藝性能，提高水潤(rùn)滑軸承的工作性能。
　　論文主要的研究?jī)?nèi)容如下：
　　1.實(shí)際工況中，潤(rùn)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(chǎng)表述為氣-液兩相流流場(chǎng)，將含砂水流場(chǎng)描述為氣-液-固三相流流場(chǎng)。根據(jù)多相流沖蝕

5、磨損的理論，對(duì)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(rùn)滑水膜。因?yàn)榱鲌?chǎng)壓力作用下橡膠軸瓦會(huì)變形，導(dǎo)致流體分布改變，促進(jìn)流體動(dòng)壓潤(rùn)滑水膜形成，又使流場(chǎng)壓力變動(dòng)。所以，在軸承清水潤(rùn)滑流場(chǎng)的計(jì)算模型中，計(jì)入（流場(chǎng)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(shí)水潤(rùn)滑軸承的彈流動(dòng)壓潤(rùn)滑理論。
　　2.建立水潤(rùn)滑軸承考慮空化影響、湍流狀態(tài)潤(rùn)

6、滑的求解模型，對(duì)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(rùn)滑水膜承載力與摩擦系數(shù)的計(jì)算表達(dá)式。用計(jì)算流體力學(xué)CFD方法和ANSYS MFX多場(chǎng)求解器，求出潤(rùn)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(yàn)，通過(guò)電鏡觀察分析磨損表面的微觀形貌；從理論、試驗(yàn)兩方面證實(shí)軸承（滑動(dòng)接觸）疲勞磨損的可能性與存在性。找出其重要

7、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(píng)判依據(jù)。
　　3.水潤(rùn)滑軸承的摩擦性能取決于橡膠軸瓦的潤(rùn)滑狀態(tài)、硬度、動(dòng)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(rùn)滑軸承試件。檢測(cè)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(bǔ)強(qiáng)效果增加。用動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀DMA測(cè)得，AT/NB

8、R橡膠軸瓦硫化膠的初始儲(chǔ)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(cè)得，NBR、AT/NBR橡膠軸瓦硫化膠試件在0℃時(shí)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(guò)軸承摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，測(cè)出AT/NBR軸承試件的水潤(rùn)滑摩擦噪聲、摩擦系數(shù)與磨損量降低。以上試驗(yàn)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-