论文部分内容阅读
油封作为铁道车辆轴箱最重要的组成部分之一,对车辆运行部的可靠性、使用寿命和维修成本有着不可忽略的影响。为满足铁道车辆高温、高速、重载及在苛刻环境中使用的要求,针对目前高速列车轴箱橡胶油封使用中出现的摩擦阻力过大,耐磨性差导致不能承受高温或低温工况等问题,本文选择聚四氟乙烯（PTFE）油封代替传统的橡胶骨架油封,采用ABAQUS/Standard对聚四氟乙烯油封性能参数和接触问题进行有限元仿真。结合聚四氟乙烯的密封机理,以密封系数作为目标函数,唇口动压回油槽的结构作为参数,设置相应的边界条件通过Matlab进行优化设计。制备了聚四氟乙烯改性材料,对聚四氟乙烯及其改性材料进行了摩擦学和力学性能研究。为提高聚四氟乙烯油封件的耐磨性,在密封唇口设计了耐磨涂层,制备了聚酰亚胺基耐磨涂层并对其性能进行了研究。研究得到了如下结果:（1）使用ABAQUS有限元分析软件建立了PTFE油封结构的非线性有限元模型,分析不同结构参数的油封与轴过盈配合时的接触压应力和应变分布情况。研究发现,油封的唇厚、接触宽度对密封唇接触应力的分布有一定的影响。接触宽度越宽,应力越分散,过盈量越大接触应力越大,而且集中分布在出口接触区域。分别取过盈量为0.5mm,1mm,和1.5mm对唇口应力进行研究发现,随着过盈量的增加,最大应力增大的幅度增加。根据聚四氟乙烯油封的密封机理,建立了带PTFE油封动压回油槽的相对宽度、相对深度和螺旋角与密封系数的函数关系,采用Matlab进行优化设计,研究发现PTFE油封螺旋回油槽结构参数是影响密封性能的关键。随着相对宽度、相对深度和螺旋角增大,密封系数达到最大值,之后开始呈下降趋势,而且当三者同时增大时,密封系数达到最大值的速率更快。这说明密封有效性与螺旋回油槽的结构有密切的关系。（2）制备了PTFE复合材料,对改性后PTFE的摩擦磨损、拉伸和压缩性能进行了研究。研究发现,通过填料改性的PTFE有更低摩擦系数和磨损率。与纯PTFE相比改性后的PTFE拉伸强度下降,压缩强度、弹性模量和压缩模量上升。这说明通过改性处理在一定程度上能提高PTFE的耐磨性与力学强度。因此,PTFE不论是直接作为油封材料还是密封件的减磨涂层都可以保证密封的有效性和密封件的工作寿命。（3）聚酰亚胺具有低摩擦磨损、耐化学药品、耐高温和优异的力学性能而被广泛使用。采用空气喷涂方式向密封唇接触区域喷涂聚酰亚胺复合材料的耐磨涂层,以增加唇口处的耐磨性。使用氧化石墨烯和氧化铁复合填料对聚酰亚胺进行改性处理,研究发现改性后的聚酰亚胺具有很低的磨损率和良好的摩擦学行为。其中最低磨损率仅为9.67×10-7mm3/N.m,而纯聚四氟乙烯的磨损率为3.42×10-3mm3/N.m,改性后聚酰亚胺表现出非常优异的抗磨性能。因此,选择将聚酰亚胺复合材料作为PTFE油封唇口处的耐磨涂层,可以为密封唇接触区域合理处理改善摩擦性能和力学强度提供新思路,对铁道车辆轴箱油封的维修提供参考价值。