基于资源节约与环境友好的高性能水润滑轴承关键技术研究

论文摘要

由于水润滑轴承利用自然水替代矿物油作为机械传动系统的润滑介质,使轴承结构简单,能有效地降低或减少机械传动系统中不可避免的摩擦、磨损、振动、冲击、噪声、无功能耗、可靠性差和寿命较短等问题,特别是避免了因密封泄漏而污染江河湖海水环境的状况,因而得到广泛应用。由于国外在这方面的研究较为保密,而我国在这方面的研究起步较晚,因而国内对水润滑轴承的润滑机理的研究还不完善。基于资源节约与环境友好的高性能水润滑轴承关键技术,涉及机械设计、摩擦学、表面工程、材料学、润滑力学等多学科交叉综合研究内容。制造高速、重载、减振、降噪、高可靠、长寿命和大尺寸的高性能水润滑轴承技术,是国内外迄今为止尚未攻克的难题。因此,从水润滑轴承润滑机理、材料等方面着手研究,对于解决上述问题及推广水润滑轴承的应用,具有重要的理论与工程实用价值。本文研究来源于自然科学基金项目“高速重载与极端环境下非金属摩擦副的承载与润滑机理”。论文对水润滑塑料合金轴承的弹流润滑进行了数值计算,并结合实验揭示其润滑机理,对水润滑塑料合金轴承材料进行了改性研究,对水润滑轴承的应用进行了研究。研究的主要工作如下:论文在建立了水润滑塑料合金轴承弹流润滑模型的基础上,详细论述了多重网格算法在其计算过程中的具体应用方法,并编制了程序,对水润滑塑料合金轴承的弹流润滑从一维和二维问题着手进行了数值分析计算,绘出无量纲压力曲线和无量纲膜厚曲线,从理论上揭示了水润滑塑料合金轴承的弹流润滑机理,通过理论计算划分出其在工作范围内混合摩擦区域、部分弹流润滑区域和弹流润滑区域,并结合实验分析摩擦因数在不同载荷、不同转速下的变化规律,对其润滑机理进行了深入研究。应用具体计算算例分析了粘压关系对计算结果的影响,轴承间隙对性能的影响;研究了弹性模量对水润滑塑料合金轴承的性能影响,为制造高比压、大尺寸水润滑轴承的材料选择和材料改性研究提供理论指导。从材料研究的角度出发,对材料进行了改性研究,在水润滑塑料合金材料中加入纳米氧化锌晶须,通过实验综合比较了加入纳米氧化锌晶须后材料的硫化性能、撕裂强度、扯断强度、扯断伸长率、阿克隆磨耗量、热空气加速老化性能,并通过比较用新材料制成的轴承与原轴承在不同载荷、不同转速下的摩擦因数变化规律,对比分析了纳米氧化锌晶须对材料和轴承摩擦磨损性能的影响。通过实验研究了水润滑塑料合金轴承的摩擦因数在低速下的变化规律,从而揭示其低速下的润滑机理;通过实验研究其摩擦因数在不同周向安装位置的变化

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题的背景及实用意义
• 1.2 国内外研究现状综述
• 1.2.1 水润滑轴承润滑机理研究现状及弹流润滑数值计算算法
• 1.2.2 水润滑轴承材料的应用与研究现状
• 1.2.3 水润滑轴承材料的磨损机理研究现状
• 1.3 本课题的主要研究内容
• 1.4 小结
• 2 水润滑塑料合金轴承的润滑机理研究
• 2.1 Reynolds 方程的建立
• 2.1.1 水润滑轴承雷诺方程建立的假设条件
• 2.1.2 方程推导的具体过程
• 2.1.3 全雷诺方程
• 2.1.4 全雷诺方程的简化
• 2.2 一维问题研究
• 2.2.1 膜厚方程和弹性变形方程的建立
• 2.2.2 弹性流体动力润滑模型基本方程的建立及其离散
• 2.2.3 多重网格算法简介及其原理
• 2.2.4 算法的具体实现
• 2.2.5 计算结果及分析
• 2.3 一维弹流润滑理论的应用讨论
• 2.3.1 粘压关系对计算结果的影响
• 2.3.2 运用线接触理论分析轴承间隙对轴承最小膜厚的影响
• 2.3.3 运用线接触理论研究弹性模量对轴承性能的影响
• 2.4 二维问题研究
• 2.4.1 基本方程组
• 2.4.2 基本方程组的无量纲化
• 2.4.3 无量纲化基本方程组的离散
• 2.4.4 算法的具体实现
• 2.4.5 计算结果及分析结论
• 2.5 小结
• 3 水润滑轴承用塑料合金的制备成型和材料改性
• 3.1 橡胶的成分设计
• 3.1.1 成分设计
• 3.1.2 水润滑轴承用塑料合金材料的基本成分
• 3.2 橡胶的硫化
• 3.2.1 橡胶硫化的反应过程
• 3.2.2 硫化历程图
• 3.2.3 理想的橡胶硫化曲线
• 3.3 水润滑轴承用塑料合金的硫化工艺
• 3.3.1 硫化温度和硫化时间
• 3.3.2 硫化压力
• 3.4 加入纳米氧化锌晶须后对水润滑塑料合金性能的影响
• 3.4.1 硫化性能对比实验
• 3.4.2 阿克隆磨耗量对比
• 3.4.3 热空气加速老化对硬度影响对比
• 3.4.4 扯断强度、撕裂强度对比实验
• 3.5 小结
• 4 水润滑塑料合金轴承的摩擦性能实验研究
• 4.1 实验方法
• 4.1.1 实验装置
• 4.1.2 实验轴承结构
• 4.1.3 实验方案
• 4.2 实验结果
• 4.3 实验结果分析
• 4.3.1 载荷对摩擦因数的影响
• 4.3.2 转速对摩擦因数的影响
• 4.3.3 低速下的摩擦因数变化规律及其摩擦原理
• 4.3.4 周向安装位置对摩擦因数的影响
• 4.4 小结
• 5 结论和展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录