水润滑橡胶合金轴承的磨损机理及坡缕石改进其摩擦性能的研究

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1、水润滑橡胶合金轴承的磨损机理及坡缕石改进其摩擦性能的研究重庆大学博士学位论文学生姓名：潘阳指导教师：王家序教授专业：机械设计及理论学科门类：工学重庆大学机械工程学院二O一五年九月StudyonWearMechanismandPalygorskiteImprovinguponFrictionPerformanceofWaterLubricatedRubber-AlloyBearingsAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequiremen

2、tfortheDoctor’sDegreeofEngineeringByPanYangSupervisedbyProf.WangJiaxiuSpecialty:MechanicalDesignandTheoryCollegeofMechanicalEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaSeptember,2015中文摘要摘要水润滑轴承具有环保、低成本、减振抑噪、结构简单紧凑、维修方便等优点，应用前景非常广泛。水润滑轴承的摩擦性能取决于橡胶轴瓦的水润滑状态、硬度、动态粘

3、弹性、表面形貌与结构等因素。改变工况或润滑状态，促进润滑水膜充分形成，有利于降低轴承的湿摩擦系数。因为水的汽化压力低，润滑水容易产生气蚀，实际工况中，润滑水还可能混入泥砂等固体颗粒。而且由于自身和外界复杂的作用力，可能引起集中载荷瞬时冲击轴承，产生振动。这就要求轴承既有优异的湿滑性能，又具备良好的耐磨抗蚀能力。正常运行工况下，轴承同时具有低摩擦系数和高承载性能的要求，很难两全。另外，橡胶轴瓦较低的弹性模量，即使施加轻载（相对较低的水膜压力），也会产生明显弹性变形，改变润滑水膜的厚度与形状，进而影响水膜压力的分布，使轴承的润滑

4、机理更复杂。因此，研究水润滑轴承，既要考虑沟槽、曲面的几何形状结构，也要考虑橡胶轴瓦的材料性能对润滑特性的影响。大多数现有的数值求解计算，只得出润滑水膜厚度和压力分布曲线，并没有系统分析带有导水沟槽的水润滑轴承沿纵向、周向的整个间隙内，随着开槽形状、偏心率、间隙不同，流体速度场及压力场的变化，也没有研究流体动压与橡胶轴瓦变形之间的双向流固耦合相互作用。而且都没有计入空化效应，轴承湍流润滑的数值模拟也很少。因此，论文考虑空化效应，数值求解由不同水介质（清水、含砂水）润滑，轴承湍流状态动压润滑的流场特性，仿真分析轴承清水润滑双向

5、流固耦合作用下，橡胶轴瓦表面的变形及其法向、切向接触应力。结合水润滑轴承摩擦磨损台架试验，用SEM观察并分析磨损轴承表面的微观形貌，探讨轴承磨损的成因、机制与主要影响因素，力图揭示轴承不同工况的磨损机理。进而提出一种简便有效的方法，通过改进橡胶轴瓦复合材料的工艺性能，提高水润滑轴承的工作性能。论文主要的研究内容如下：1.实际工况中，润滑水可能产生空化现象，并含有固体泥砂颗粒。论文将清水流场表述为气-液两相流流场，将含砂水流场描述为气-液-固三相流流场。根据多相流冲蚀磨损的理论，对比分析橡胶轴瓦的空蚀、冲蚀、空蚀-冲蚀交互磨损

6、。压力使工作面凹陷，这利于形成流体润滑水膜。因为流场压力作用下橡胶轴瓦会变形，导致流体分布改变，促进流体动压润滑水膜形成，又使流场压力变动。所I重庆大学博士学位论文以，在轴承清水润滑流场的计算模型中，计入（流场压力变化与轴瓦弹性变形）双向流固耦合的影响，数值模拟且定性分析双向流固耦合作用下橡胶轴瓦的弹性变形，丰富充实水润滑轴承的弹流动压润滑理论。2.建立水润滑轴承考虑空化影响、湍流状态润滑的求解模型，对不同偏心率的轴承进行数值模拟，得到不同工况下的水膜压力分布、橡胶轴瓦变形分布规律，并且推导出相应的润滑水膜承载力与摩擦系数的

7、计算表达式。用计算流体力学CFD方法和ANSYSMFX多场求解器，求出润滑水膜变化与橡胶轴瓦弹性变形双向流固耦合下，橡胶轴瓦表面切向应力、法向应力、变形的数值与分布；结合轴承摩擦磨损试验，通过电镜观察分析磨损表面的微观形貌；从理论、试验两方面证实轴承（滑动接触）疲劳磨损的可能性与存在性。找出其重要的影响因素，探讨轴承疲劳磨损的成因与机制，并为轴承性能改进提供确切的评判依据。3.水润滑轴承的摩擦性能取决于橡胶轴瓦的润滑状态、硬度、动态粘弹性等。选取坡缕石(AT)纳米粉体，经硅烷偶联剂KH-550表面改性处理后，加入NBR混炼、

8、模压硫化成型，制成AT/NBR橡胶轴瓦硫化胶试件与AT/NBR水润滑轴承试件。检测表明，AT/NBR橡胶轴瓦硫化胶试件的综合力学性能、硬度提高，补强效果增加。用动态力学分析仪DMA测得，AT/NBR橡胶轴瓦硫化胶的初始储能模量较NBR橡胶轴瓦硫化胶更大，在橡胶基体中的分散更均匀精细、相容性