斯特林制冷机是满足红外探测和卫星遥感降温需求的关键设备,活塞-气缸副作为其核心运动部件,其耐磨性直接影响制冷机的工作寿命和可靠性。传统在活塞表面喷涂涂层存在结合强度低、线膨胀系数大、开裂和喷涂质量不稳定等问题,并且磨屑以粉末形式自行脱落污染工质和阻塞回热通道,降低制冷效率。国外提出以硬度高、耐磨性好的M42高速钢作为摩擦副材料,淬火后珩磨、抛光处理,可有效延长服役时间,降低生产成本。为了提高活塞-气缸副的耐磨性和使用寿命,本文以M42高速钢为研究对象,以用于斯特林制冷机工况为工程背景,围绕M42高速钢的干摩擦磨损性能进行了深入研究。本文完成的主要研究工作及成果如下:(1)针对活塞-气缸副在工作过程中存在振动、冲击与磨损的现象,对使用工况进行了研究。结合机械振动理论建立了活塞振动系统的非线性动力学模型,计算出在预设参数下的作用力,借助ADAMS软件仿真得到活塞位移、速度和加速度曲线。详细分析了影响密封间隙的四个关键因素:装配误差、加工精度、热变形和侧向力,其中推导了活塞两类位置偏心的计算公式,探讨了活塞-气缸副的工艺参数控制,并对热变形与侧向力造成的间隙变化进行了研究。(2)针对M42高速钢材料性能研究不系统和不充分的问题,对M42高速钢材料性能进行了研究,进一步丰富了M42高速钢的材料数据库。通过单向拉伸试验和洛氏硬度计,获得了M42高速钢常温力学性能参数;借助JMat Pro软件计算并分析了M42高速钢的平衡相图、等温转变曲线、高温强度和热物性参数。(3)为研究M42高速钢用于摩擦副材料的可行性,开展了模拟实际工况的高频往复干摩擦试验,设计了圆柱-半凹圆柱面接触副试件及其夹具,以法向载荷、工作温度和往复频率为试验变量,利用正交试验法分别对M42高速钢基体及渗氮层进行试验,以摩擦系数、磨损量、表面粗糙度和圆柱度为表征参数,利用极差分析法分别确定了各试验变量影响的主次作用及变化趋势,通过观察微观形貌推断出磨损机制。结果表明:M42高速钢基体的磨损机制是粘着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损,渗氮处理能提高表面硬度和降低粘着效应,渗氮层磨损机制以疲劳磨损为主,粘着磨损和磨粒磨损不明显,表现出较好的耐磨性,可用于强化斯特林制冷机活塞表面。(4)针对磨损过程动态观测与计算困难的问题,对活塞-气缸副的磨损过程进行了模拟仿真,利用ANSYS模拟出不同法向载荷和位移幅值下的接触应力分布情况,结合Archard修正磨损计算模型推导出活塞-气缸副节点的磨损深度计算公式,计算出磨损区域中心节点在不同时刻的磨损深度,通过MATLAB拟合出中心节点磨损深度随时间的变化曲线,实现了对磨损过程的描述,并分别绘制出活塞与气缸磨损区域中心轮廓曲线,预测出磨损形态。