【摘 要】
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现代高端制造业的发展对滚动轴承的承载能力、可靠性、轻量化和长寿命提出了愈来愈高的要求。磨损是滚动轴承最终失效的主要表现形式,如何在复杂、恶劣、严酷的工作环境下保障滚动轴承的可靠性和服务寿命,是表面与可靠性工程领域面临的瓶颈问题。基于表面织构有改善摩擦学性能的特性,本文以滚动轴承的“滚道-滚动体-润滑”系统为研究对象,以植物叶脉为原型来探索叶脉图案所具有的摩擦学性能(减摩和抗磨),为滚动轴承的“滚道
【基金项目】
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《大形重载滚动轴承的可靠性和寿命预测的理论与方法研究》(编号 U1708254); 《基于仿生网脉结构的滚动轴承磨损失效与耐磨强化研究》(编号2019-MS-258); 《滚动轴承“滚道—滚动体”系统织构化与可靠性研究》(编号LJ2019003);
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现代高端制造业的发展对滚动轴承的承载能力、可靠性、轻量化和长寿命提出了愈来愈高的要求。磨损是滚动轴承最终失效的主要表现形式,如何在复杂、恶劣、严酷的工作环境下保障滚动轴承的可靠性和服务寿命,是表面与可靠性工程领域面临的瓶颈问题。基于表面织构有改善摩擦学性能的特性,本文以滚动轴承的“滚道-滚动体-润滑”系统为研究对象,以植物叶脉为原型来探索叶脉图案所具有的摩擦学性能(减摩和抗磨),为滚动轴承的“滚道-滚动体-润滑”系统设计提供了参考,为进一步提升国产滚动轴承的关键可靠性技术和服务寿命奠定了基础。为了探索植物叶脉对滚动接触摩擦副表面摩擦磨损性能的影响,对六种植物叶片进行处理并得到其叶脉的点云图和数字化图像,基于APDL参数化设计语言,以叶脉为研究对象,对ANSYS软件进行了二次开发,实现了叶脉的有限元参数化建模。同时,利用ANSYS/LS-DYNA求解器、LS-PREPOST后处理器对“滚子-叶脉”系统进行了显式动力学分析。结果表明:应用APDL编程和ANSYS的二次开发,可以实现叶脉有限元参数化建模和动力学分析的全过程。这为进一步研究叶脉对滚动接触摩擦副的影响机理提供了思路,也为叶脉拓扑结构的优化奠定了基础。为了研究叶脉形仿生表面织构对推力圆柱滚子轴承摩擦磨损性能的影响,利用ANSYS Workbench建立推力圆柱滚子轴承的有限元模型,对试验工况下未织构化和织构化推力圆柱滚子轴承的真实物理状态进行了瞬态动力学分析,并试验验证。为了研究叶脉形仿生表面织构对贫油润滑条件下推力圆柱滚子轴承摩擦学性能的影响,选择了6种叶片(连翘、黄皮、白蜡树、紫叶李、菩提树和杏树)为目标对象,利用激光表面织构化技术在推力圆柱滚子轴承的轴圈上制备了它们的简化图案,利用立式万能磨损试验机进行了摩擦磨损试验,通过摩擦系数、磨损量和磨损表面形貌对摩擦性能进行了表征,为滚动轴承的滚道设计和可靠性优化提供了参考。为了研究叶脉的结构特征(主脉、一级脉和二级脉)对贫油润滑下推力圆柱滚子轴承摩擦学行为的影响,选择上述筛选得到的五种叶脉仿生织构图案用作源图案,将其主脉去除作为第2类型,将其主脉去除并替换为凹坑作为第3类型。通过激光表面织构化成型工艺制备织构化轴承,并进行摩擦磨损试验。结果表明:叶脉的结构对织构化轴承的摩擦学性能具有显著影响,主脉沟槽有助于叶脉形仿生织构的减摩,能够发挥凹坑无法代替的作用。这为仿生表面织构和轴承滚道的设计提供了参考,为滚动轴承的可靠性、寿命和性能的提高奠定了基础。
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