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滑动摩擦副被广泛应用于各类机械设备,其中,以应用最为广泛的滑动轴承为例,主要有三种润滑方式:基于油润滑、脂润滑、固体润滑等。但是,在低速、重载、高温,润滑油膜无法形成或极端恶劣的环境下,滑动轴承常采用固体润滑方式。针对大型机械设备,固体自润滑滑动轴承已在工程机械、航空航天装备、轨道交通等领域得到了广泛应用。为此,本文将激光表面微织构技术与固体润滑相结合,针对轴承钢(GCr15)材料,使用ABAQUS有限元法,分析摩擦副织构表面接触区域应力及分布规律,对微织构表面固体润滑性能开展系统试验研究。
首先,利用ABAQUS有限元模拟软件对轴承钢(GCr15)材料表面微凹坑织构接触区域进行力学性能分析,揭示了微凹坑的直径、深度对接触应力大小的影响规律。研究结果表明,在微凹坑应力接触的敏感区域,直径和深度的变化对集中典型应力大小有直接影响,指出了当深度为18μm、直径为80μm-100μm时,凹坑边缘的应力值较小。
其次,本文对激光微织构工艺进行了研究。揭示了泵浦电流、脉冲累积次数、激光头到工件表面垂直距离以及表面涂层等工艺参数对微凹坑形貌的几何参数与加工质量的影响规律,通过WYKO—NT1100型表面三维形貌仪测量了微织构的几何形貌。结果表明,微凹坑的直径和深度均随着泵浦电流的增大而增大;随脉冲累积次数增加,微凹坑的直径几乎保持不变,深度呈增大趋势;当激光头到工件表面垂直距离为1mm、涂层为黑漆与水玻璃按照质量比50%混合时,试样表面可加工出较好的微凹坑几何形貌。
再次,本文对轴承钢(GCr15)微织构表面进行了五种填充工艺试验研究。采用WYKO—NT1100型表面三维形貌测量仪分别对填充后的形貌进行了观测分析,最后通过MMW—1A型万能摩擦磨损试验机研究了不同工况复合固体润滑剂配方的比例。结果表明,通过比较单个微凹坑的填充率和织构面微凹坑数的填充率,针对单一固体润滑剂,采用“滚压法”的填充效果较好;针对复合润滑剂,以“热压成型法”和“冷压粘结法”的填充效果较佳,当PI所占质量分数为20%时,可取得较好的减摩效果。
最后,采用球—盘旋转式摩擦副,在UMT—2型摩擦磨损试验机上进行了表面微织构固体润滑摩擦磨损试验,研究了微凹坑面积占有率、载荷和转速等对摩擦系数、润滑性能的影响规律,分析了织构化表面固体润滑的减摩机理。结果表明,针对二硫化钼单一固体润滑剂,微凹坑面积占有率为30%左右时,润滑性能较好;对于复合润滑剂,40%的面积占有率表现出了较好的摩擦磨损性能。