动载滑动轴承气蚀损伤过程与气蚀磨损机制研究

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滑动轴承是一种十分重要和常用的机械部件,也是最为典型和重要的摩擦学元件之一。滑动轴承的表面气蚀磨损是一种常见的失效形式。针对某型柴油机轴承在服役过程中发生的气蚀磨损现象,本论文在轴瓦的气蚀磨损失效分析、动载滑动轴承的润滑计算、气蚀发生过程中气泡形成及溃灭过程的理论研究以及气蚀损伤破坏过程的数值分析等方面进行了研究。主要工作包括以下几个方面:第一,通过对失效轴瓦气蚀磨损的宏观特征分析和扫描电子显微镜(SEM)研究发现,气蚀失效的主要独特形貌是气蚀磨损表面粗糙,坑内及边缘均存在疲劳裂纹,且磨损坑表面存在类似蚯蚓洞的小而深的洞孔。 第二,推导了二维非牛顿性应力偶流体动态润滑轴承的变形Reynolds方程,并用数值计算的方法对比研究了不同动力参数和应力偶参数对动载滑动轴承润滑性能的影响。与牛顿流体相比,应力偶流体改善了轴承的润滑性能。 第三,针对某型柴油机轴承,分别采用牛顿流体和应力偶流体润滑时的工况,进行了油膜压力分布计算和轴心轨迹计算,分析可能生成气泡的区域,以确定可能发生气蚀损伤的部位。研究了气蚀发生过程中气泡产生及溃灭的过程,对气泡溃灭产生的微射流速度及其对轴瓦表面的冲击力大小进行了理论计算。气泡溃灭时微射流的速度和冲击力随着液体中最初气泡半径与最终气泡半径之比的增加而增加,还随着气泡溃灭时气泡外围液体压力的增加而增加。 第四,建立了轴承气蚀损伤的有限元模型,并利用该模型对气蚀损伤破坏过程进行了数值研究。首次基于损伤力学理论对气蚀发生过程中气泡溃灭产生的微射流对轴瓦表面材料的力学作用过程进行了数值分析,揭示了轴瓦材料的应变历史和损伤演变。 第五,对合金层为三层结构的轴承气蚀失效机理进行了探讨并阐明了疲劳裂纹的生长方式。研究表明,在冲击载荷作用下,表层及亚表层存在三种典型裂纹,即在轴瓦表面萌生,在摩擦层内部扩展到阻隔层转向的A型裂纹、沿相界生成的B型裂纹以及在第二相内部出现的C型裂纹。 第六,针对所观察到的气蚀磨损典型裂纹,以轴承的油膜压力分布计算和轴心轨迹计算为基础,结合材料的微观组织结构与气蚀损伤破坏过程的数值分析,对轴瓦气蚀损伤破坏过程给予了微观分析,探讨了轴瓦气蚀磨损机理,以寻求降低气蚀磨损的措施与对策。 本文通过采用了轴瓦气蚀磨损失效分析研究与轴承的润滑计算、气泡溃灭的微射流冲击力作用以及气蚀损伤破坏过程的数值分析等理论研究相结合的方法,首次综合上述诸方面深入系统地探讨了轴瓦气蚀磨损机理。尤其是在润滑计算中考虑了润滑油的非牛顿性,使分析结果更接近轴瓦的实际工况,并基于损伤力学理论对轴瓦表面合金层镀层(摩擦层)的损伤过程进行了数值分析,由此发展了一种分析轴瓦表面气蚀磨损的方法。
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