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关键词： 齿轮传动   耦合故障   刚度模型   动力学模型   动态响应  

摘要： 平行轴直齿轮传动由于其结构简单、传动效率高、适应性强等优点广泛应用于各行各业中。齿轮作为旋转机械的基础零件,其状态直接决定着设备能否安全可靠地运转。随着制造业水平的迅速提升,机械设备向着精密化、复杂化方向发展,这势必对齿轮服役过程中的状态监测与演化预测要求越来越高,故对齿轮的故障演化进行预测分析,明确其故障机理与故障特征响应是相当必要的。疲劳裂纹与磨损是极为常见两种故障,且磨损通常是无法避免的,贯穿齿轮系统整个生命周期,故裂纹往往是伴随着磨损出现的,且二者的存在会导致齿轮副啮合刚度降低,针对上述问题,建立齿根裂纹与齿面磨损耦合故障预测模型,并在此基础上提出了耦合故障下的时变啮合刚度计算模型,将故障激励通过刚度引入多自由度动力学模型中,构建齿轮传动系统故障动力学模型,然后通过实验对所提出的故障预测模型与故障动力学模型进行验证。主要研究内容如下:(1)为了揭示磨损机理,建立了混合润滑模式下的齿面接触疲劳磨损预测模型,并引入润滑油膜刚度,建立新的混合润滑模式下的时变啮合刚度计算模型。然后在此基础上,构建疲劳裂纹与磨损耦合故障的演化模型与时变啮合刚度计算模型,将参数带入,求得耦合故障下的剩余使用寿命以及不同故障程度的刚度,获得耦合故障对时变啮合刚度的影响规律。(2)考虑了齿轮副间的时变摩擦力、传递误差、轴和轴承的刚度、阻尼等因素,建立更为全面的多自由度齿轮系统动力学模型,获取耦合故障扩展寿命阶段的加速度仿真信号。(3)搭建试验台,对所提出的故障演化模型和动力学模型进行验证。结果表明,仿真与实验获得的剩余使用寿命时长相近,且仿真振动信号与实测振动信号在时域与频域上的特征均对应,证明所提出模型的有效性。综上所述,建立了更接近实际情况的故障演化模型与故障动力学模型,获得故障扩展阶段的仿真数据,为平行轴直齿轮传动系统的故障监测与故障诊断提供大量的数据支撑,更为有效地实现齿轮智能维护。

关键词： 高速列车   轮轨激励   制动盘   闸片   温度场   磨损  

摘要： 列车运营速度不断提高的同时,对列车的制动技术及其安全性能也提出了更高的要求。制动盘是列车制动系统的重要组成零部件之一。在紧急制动过程中,钢轨波磨引发的轮轨激励可能会诱导制动盘疲劳损伤的加剧,直接影响列车制动系统的制动性能。因此,本文以某型高速列车制动装置为研究对象,利用有限元仿真软件,研究了实际服役工况下,轮轨激励对高速列车制动盘温度场分布及闸片接触表面磨损的影响,主要研究内容如下:首先,利用动力学仿真软件建立了高速列车动力学模型。在钢轨波磨作用下,对制动盘紧急制动过程进行模拟仿真。分析了不同制动工况下制动盘的垂向与横向振动幅值,并将振动幅值作为边界条件,用于后续研究轮轨激励对制动盘温度分布及闸片表面磨损的影响。其次,根据制动盘实际尺寸,建立了制动盘三维模型。为提高有限元仿真分析效率、节省仿真时长,将模型结构进行简化并导入有限元仿真软件。对模型进行网格划分、设置仿真分析的相关参数、确定载荷及对应的边界条件,建立了制动盘有限元仿真模型。在此基础上,考虑了钢轨波磨引发的轮轨激励,利用ABAQUS有限元软件对制动盘热-机耦合过程进行了模拟,分析了紧急制动过程中轮轨激励对制动盘温度分布的影响。选取制动盘不同方向上的不同节点,对比分析有、无轮轨激励作用下,节点的温度变化曲线。采用控制变量法对不同制动工况下的制动盘进行模拟仿真,分析了轮轨激励对制动盘温度场分布的影响。最后,在热-机耦合有限元模型的基础上,根据Archard线性磨损理论,结合ALE网格自适应技术,对模型进行二次开发。考虑了钢轨波磨引发的轮轨激励,对闸片磨损过程进行模拟仿真,分析了轮轨激励对闸片接触表面磨损分布的影响。选取闸片接触表面径向和周向上的不同节点,对比分析有、无轮轨激励下节点的磨损变化曲线。采用控制变量法对不同制动工况下的闸片进行磨损仿真,分析轮轨激励对闸片接触表面磨损分布的影响。

关键词： 轮胎磨损检测   线结构光   环境光干扰   图像处理   神经网络  

摘要： 基于线结构光的轮胎花纹磨损检测方式能够实时性、自动化检测,具有测量精确、效率高等优势,成为目前研究和发展的趋势。但结构光易受环境光线干扰,使得现有的轮胎磨损检测仪只能在室内或光线较暗环境下工作,其发展和推广受到很大限制。本文在现有的检测基础上,研发了图像式轮胎磨损检测仪,从硬件和算法两个方向入手,对系统的抗干扰性进行研究,使检测不受环境的限制,实现在复杂背景和强光等干扰下的精确测量。内容主要如下:(1)设计图像式轮胎磨损检测仪的测量模型,从硬件结构和光路设计上弱化背景环境光等干扰。包括各部件位置和角度的布置、盖板窗口大小的调整,保证正常测量的同时减少环境光的干扰;部件选型时,选用室内外皆可使用的高亮度红色线激光,并在相机上安装与激光光谱一致的滤光片,仅允许与激光相同波长的光线射入,过滤了其他波段的光线大大减少了环境光的干扰。根据设计的测量模型完成图像式轮胎磨损检测仪硬件系统的搭建,实现结构光图像的采集。(2)分析传统图像处理算法,经实验对比得出结构光图像的最优算法。针对在强光干扰下传统算法无法去除高亮度背景噪声的问题,提出了基于顶帽运算与连通性分析的环境光干扰抑制算法,经实验验证此算法能够有效抑制背景干扰,解决了光照对结构光图像的影响。图像处理完毕后,使用灰度重心法提取结构光条纹中心线,并完成条纹中心像素坐标到世界坐标的转换。(3)针对轮胎花纹沟槽识别困难、识别率低、传统识别算法存在数据特征提取困难、运算复杂等问题,研究了BP神经网络和卷积神经网络算法,实现轮胎沟槽的智能识别。训练神经网络模型的数据在实际胎冠线的基础上考虑了磨损的各种极端情况,进而提高神经网络模型的识别率。(4)建立图像式轮胎磨损检测仪函数库及程序,与硬件平台共同完成轮胎沟槽深度的测量。在不同环境光线下对多个轮胎进行测量实验,实验结果表明在强光干扰下图像式轮胎磨损检测仪能够实现轮胎沟槽自动识别和测量。验证了本文抗干扰研究的有效性和可行性,解决了现有的轮胎磨损检测装置在强光干扰下无法正常工作的问题。

关键词： 双金属复合管   CO2腐蚀   冲蚀预测   凹坑缺陷   总冲蚀-腐蚀速率  

摘要： 双金属复合管用于输送含CO腐蚀介质的天然气,由于小粒径颗粒物受流体的牵引作用,管道会受到一定程度的冲蚀磨损破坏,当内衬管受冲蚀发生刺漏破坏时,基管暴露在腐蚀介质中,发生更严重的冲蚀破坏,加速管道失效,继而发生泄漏事故。因此,对双金属复合管在CO腐蚀环境下的冲蚀磨损特性展开研究具有重要意义。本文基于双金属复合管的实际工况,考虑最佳冲蚀预测模型、最大冲蚀位置及内衬管破损等影响因素,开展双金属复合管冲蚀磨损特性研究。本文主要研究内容如下:（1）通过三种判定方法选出最佳多相流模型-DPM模型,根据工况适用性、冲击角函数、网格无关性及最佳出入口直管段长度等条件因素,结合试验数据的对比分析,选出最佳冲蚀预测模型,即Oka模型。（2）通过Oka模型对颗粒展开参数化分析,得出双金属复合管冲蚀速率参数敏感因子,并拟合双金属复合管最大冲蚀速率关于颗粒参数的关系。（3）对不同参数下双金属复合管在7个圆心角截面上的速度分布进行分析,揭示了双金属复合管在不同参数下管内流场速度分布与冲蚀分布之间的关系。（4）在（3）的基础上,对比分析了颗粒参数与结构参数对双金属复合管最大冲蚀位置的影响,并提出了双金属复合管最大冲蚀角度关于管道弯径比的预测公式。（5）基于最大冲蚀位置的仿真结果,建立了含凹坑缺陷双金属复合管的有限元模型,并以大涝坝DLK3单井集输管道腐蚀环境为背景,利用高CO环境下双金属复合管总冲蚀-腐蚀速率计算方法探究了凹坑缺陷深度对双金属复合管的冲蚀磨损规律。

关键词： 镁合金   腐蚀/磨损   微结构   预变形   激光表面重熔   时效处理  

摘要： 镁合金具有质量轻、比强度高及阻尼减震性良好等优点,在电子消费、航空航天和新能源汽车等领域具有广阔的应用前景。然而,镁合金的化学活性高和绝对强度较低,导致其耐腐蚀与耐磨能力较差,从而增加了镁合金在服役过程中的失效风险,极大地限制了其在工业生产中的应用。因此,通过合理的整体/表面加工技术,探究镁合金微观组织演变对表面性能的影响规律,对设计和开发新一代高强韧、高耐蚀/耐磨镁合金具有重要的理论和现实意义。本文以商用AZ31镁合金和AZ80镁合金为研究对象,分析了镁合金在经整体/表面加工处理后的微观结构演变特点及耐蚀/耐磨性能变化规律,阐明了 AZ31和AZ80镁合金微结构与其腐蚀/磨损性能的关联机理。主要研究结果如下: (1)随着变形量的增加,AZ31镁合金中{1012}变形孪晶的体积分数逐渐增加。晶粒尺寸随着预变形量的增加呈先减小后增加的趋势,同时,随着{1012}孪晶的引入,AZ31镁合金的织构逐渐转变为{1010}和{1120}棱柱面。预变形样品的耐蚀性随着变形量增加呈不断下降的趋势,相较于晶粒尺寸,晶体取向对AZ31镁合金腐蚀性能影响占主导地位。 (2)经激光表面重熔处理后的AZ31镁合金表面组织发生显著变化:(ⅰ)表面晶粒细化且无明显第二相析出;(ⅱ)织构发生明显弱化,由原始材料的强基面织构变为取向随机分布,表面Al元素含量升高。相较于原始材料,激光重熔样品表面能形成稳定且致密的保护膜,从而有效减缓腐蚀介质的侵蚀作用,提高耐蚀性。此外,激光重熔样品具有更高的硬度与耐磨性,其磨损率相比于原始材料降低了约9.1%,重熔前后材料的磨损机制主要为磨粒磨损,但原始材料存在着严重的氧化和剥层现象。 (3)随着时效时间的延长,时效样品的平均晶粒度几乎无变化,但β-Mg17Al12相尺寸、形貌及分布存在差异。相较于第二相的腐蚀屏障作用,第二相的电偶腐蚀效应对AZ80镁合金腐蚀性能占主导地位。同时,较低的电偶腐蚀阴阳极面积比和连续致密的第二相,在一定程度上能弥补第二相诱发电偶效应。 (4)AZ80镁合金经激光表面重熔处理后,其表面组织发生了明显变化:(ⅰ)表面晶粒显著细化,其平均晶粒尺寸仅约2.8μm;(ⅱ)第二相有规律地沿晶界呈网状分布,体积分数更高;(ⅲ)织构发生明显弱化,由原始材料典型的挤压织构变为取向随机分布。激光重熔改变了析出相形貌分布,不仅显著降低了β-Mg17Al12与α-Mg之间的微电偶倾向,而且更为重要的是沿晶界连续分布的β-Mg17Al12相起着腐蚀屏障的作用,有效抑制腐蚀介质的进一步侵蚀。此外,激光重熔样品的耐磨性明显提高,其磨损率相较于原始材料降低了约31%。这可能是由源自于晶粒细化和沉淀强化共同导致的AZ80镁合金表面高硬度状态所致。

关键词： 水下结构   钛合金销轴   滑动磨损   极限承载力  

摘要： 在船舶与海洋工程装备中，机械连接件的磨损性能好坏直接影响装备整体的可靠性与安全性。钛合金销轴由于具有低密度、高的比强度和好的耐蚀性等众多优点而被广泛应用于海洋设备、水下机器人、石油化工等领域。然而，由于钛合金材料本身具有较差的耐磨性，其销轴与异种金属间发生滑动磨损造成水下悬挂链安全轴断裂或海上平台连接器失效的情况时有发生。　　目前，大多数有关磨损的研究主要是通过销-盘和球-盘试验探究不同因素与改变材料微观结构对磨损性能的影响，或是利用数值模拟的方法对销盘和球盘进行接触特性分析，缺乏对销轴滑动磨损的试验与仿真结合分析研究。因此，本文以海洋工程中水下结构异种金属磨损后的极限性能问题为研究背景，基于磨损损伤理论及试验分析，通过TC4合金与CM690高强度钢柱-瓦滑动磨损试验，得到了两种金属在四种不同环境下的表面磨损形貌与相对磨损深度以及在四种变工况下摩擦系数的变化趋势，并为后续磨损仿真分析提供了输入条件;通过非线性柱-瓦磨损仿真分析，确定了在不同磨损条件下的磨损损伤;并据此研究了两种不同载荷形式下销轴的极限承载力演变规律，为水下磨损结构的安全评估提供了理论依据。研究内容如下：　　（1）磨损试验与仿真研究现状和磨损相关理论梳理。对摩擦磨损的销-盘和球-盘试验和滑动磨损仿真研究现状进行总结，并对有关磨损阶段划分和目前磨损分类机理以及磨损损伤理论模型等相关理论进行整理，为后续工作开展提供一定理论基础。　　（2）TC4合金与CM690高强度钢柱-瓦滑动磨损试验研究。针对工程中销轴与配合孔之间的轴向滑动的特点，本文选用柱-瓦摩擦副作为试验对象，滑动形式更加符合实际，试件更易加工;通过MDW-02高速往复式摩擦磨损试验机，得到两种金属在低温、蒸馏水、人工海水、干摩擦四种环境下的表面磨损形貌与相对磨损深度以及在变载荷、变温度、变频率、变介质工况下摩擦系数的变化趋势，并对造成结果的原因进行分析，为后续磨损仿真分析提供了部分输入参数。　　（3）验证接触状态，建立柱-瓦滑动磨损模型并进行仿真分析。针对试验中的摩擦副形式，本文在验证二者接触形式符合赫兹接触理论的基础上，结合Archard磨损模型和试验数据，对仿真软件中磨损模块参数进行了详细设置，建立了柱-瓦的1:1三维滑动磨损仿真模型，获取上试件柱的磨损体积，计算出对应工况的磨损量，将滑动磨损试验结果与磨损数值仿真进行对比，验证了磨损有限元方法的正确性。　　（4）磨损基础上，两种不同载荷形式下的销轴极限承载力计算。针对工程中由于磨损造成销轴失效的问题，本文参照两种不同的实际销轴载荷形式，建立了对应的局部接触有限元模型，以材料屈服强度作为销轴极限强度计算的失效准则，并划分四级磨损量进行销轴极限承载力的计算，得出了其许用极限承载力和累计使用时间随磨损量的变化关系，可为后续销轴的在线寿命评估应用提供一定的理论依据。

关键词： 钛合金   激光微织构   摩擦磨损   干摩擦  

摘要： 钛合金因为密度小、耐蚀性好、无磁性、比强度高、良好生物相容性等优点,被广泛应用于船舶与海洋工程、石油化工、航空航天,生物医疗领域。但是钛合金硬度低,耐磨性差,导致摩擦损耗大。为了改善钛合金的摩擦学性能,采用MOPA脉冲光纤激光器在TC4钛合金表面制备微织构,以GCr15钢球与Si3N4陶瓷球为对磨副,研究了干摩擦条件下TC4钛合金摩擦磨损性能,探索激光微织构在不同工况下对钛合金摩擦学性能的改善机制,为钛合金进一步工业应用提供实验基础。具体研究内容如下: （1）采用激光打标机在TC4钛合金表面制备微织构,研究了激光参数对钛合金表面微坑几何形貌的影响,获得了激光参数对微坑直径和深度的作用规律。在扫描间距为1-16μm时,随着扫描间距的增加,微坑直径变化不大,微坑深度呈现先增加后减小最后趋于平缓的趋势。当扫描间距为2μm时,微坑深度达到最大146μm;光斑直径为2-10mm时,随着光斑直径的增加,微坑直径呈先减小后增加最后稳定不变的变化趋势,当光斑直径为4 mm时,微坑直径最小;微坑深度呈下降趋势,光斑直径为2 mm时,微坑深度最深。扫描次数1-5次时,随着扫描次数的增加,微坑直径增加;微坑深度呈先增加后减小趋势。扫描速度为100-500 mm/s范围,随着激光扫描速度的增加,微坑的直径和深度均在减小。离焦量-0.5-0.5 mm时,随着离焦量的增加,微坑直径和深度均逐渐减小;激光加工会对钛合金表面力学性能产生影响,微坑周围硬度明显高于无织构钛合金表面。 （2）采用GCr15钢球和Si3N4陶瓷球分别与TC4钛合金配对,研究在干摩擦条件下TC4钛合金的摩擦磨损性能。在载荷为3-9 N时,无论与GCr15钢球还是Si3N4陶瓷球配对,载荷会改变钛合金磨损形式,载荷越大黏着磨损越严重;在旋转直径为6-20 mm时,随着旋转直径增加,摩擦系数和磨损量均增加。在转速为100-300 r/min时,转速对两种摩擦副摩擦学性能影响有所不同,与GCr15钢球配对时,随着转速增加,摩擦系数和磨损量也逐渐增加,而与Si3N4陶瓷球配对时,随着转速的增加,摩擦系数和磨损量均呈先增加后减少的趋势,在转速为200 r/min时,摩擦系数和磨损量取得最大值; （3）研究了微坑直径、深度、面积占有率等激光微织构参数在干摩擦条件下对TC4钛合金摩擦磨损性能的影响。实验发现,微坑直径为100μm、微坑深度为80μm、面积占有率为25%时,织构化钛合金的摩擦磨损性能最好。与无织构的钛合金相比,摩擦系数降低了25%,磨损量下降了17%。随后研究了该参数织构化钛合金在不同接触条件下的干摩擦性能。实验发现,在载荷为3-9 N时,随着载荷增加,织构化钛合金的摩擦系数和磨损量均在逐渐增加;旋转直径为6-20 mm时,随着旋转直径增加,织构化钛合金的摩擦系数呈先增大后减小趋势,而磨损量则呈一直增加趋势,黏着磨损所占比例也逐渐增大;转速为100-300 r/min时,随着转速增加,织构化钛合金的摩擦系数呈先减小后增加趋势,磨损量则逐渐减小;微织构在干摩擦条件下主要通过收集磨屑,改变接触面积,增加表面氧含量,提高表面硬度改善钛合金的摩擦学性能,同时激光加工产生的熔渣也有一定的减摩作用。

关键词： 高速滚动轴承   振动特性   波纹度激励   动力学模型  

摘要： 滚动轴承是现代机械设备中的关键零部件，其质量和性能可以决定整个机械设备的工作精度和使用寿命。轴承振动是反映轴承质量和性能的重要指标之一。有研究表明，波纹度是影响轴承振动的重要因素之一，它会改变轴承在运转时滚动体与内外圈滚道间的接触载荷发生变化从而影响轴承振动。目前，大部分轴承制造商将波纹度视为控制轴承振动性能的关键指标，但是对于高速滚动轴承在波纹度激励下所对应的振动特性关系并不明确。本文对高速滚动轴承在波纹度激振下的振动特性进行研究，对提高轴承加工质量与指导轴承故障诊断具有重要意义。　　本文从理论分析和仿真计算两个方面入手对高速滚动轴承在波纹度激励下的振动特性进行研究。在理论分析方面，对轴承动力学模型和波纹度模型的基础理论进行了分析说明，同时介绍了轴承动力学模型的建立流程。在仿真方面，建立了考虑润滑因素的二自由度动力学模型和以多正弦函数叠加形式表示的波纹度模型，利用仿真模型分析了波纹度的波数、幅值等参数对高速滚动轴承振动特性的影响。论文主要的内容如下：　　（1）基于赫兹接触理论、弹流润滑理论，分析了弹流润滑条件下的滚动体与滚道接触副的接触特性，建立滚动体与滚道间的弹簧阻尼模型。在此基础之上利用牛顿力学第二定律建立了考虑润滑因素的二自由度动力学模型。为分析波纹度因素对轴承振动的影响，本文建立了以正弦函数叠加形式表示的轴承内圈、外圈以及滚动体表面的波纹度模型，并将波纹度引起的形变量引入到轴承动力学模型当中。为研究波纹度对轴承振动特性的影响提供了理论模型基础。　　（2）依据所建立的轴承动力学模型，开展了轴承运行时的工况参数对滚动轴承的振动特性影响研究，具体研究了主轴转速、径向载荷、以及润滑条件对轴承振动特性影响关系，为轴承实际运转时的工况参数设置提供了理论依据。　　（3）依据所建立的波纹度模型和轴承动力学模型，开展了波纹度因素对滚动轴承振动影响的研究。研究了轴承内圈、外圈以及钢球在波纹度激励下的振动规律。　　本文通过理论分析与仿真计算相结合的方式研究了高速滚动轴承在波纹度激振下的振动特性，所得的研究结果对高速滚动轴承在减振降噪、生产加工以及故障诊断等方面提供一定的理论指导作用。

关键词： xNiAl/Fe-25Mn-9Al-8Cr-1C-yMo   显微组织   力学性能   氧化性能   磨损性能  

摘要： 在传统的机械制动传动系统如齿轮、滑动轴承和柴油机用钢活塞等的运行过程中,燃烧后会生成硫的氧化物,与水结合为硫酸蒸气从而产生含硫腐蚀气氛,且局部服役温度高达600℃,此时材料在高温、含硫苛刻工况下的耐磨性成为影响其使用的关键因素。本文选用铁基合金(Fe-25Mn-9Al-8Cr-1C)为研究对象,分别研究了 NiAl含量和Mo含量对其显微组织、力学性能、氧化性能和不同工况(干摩擦、含硫边界润滑、油润滑)下的摩擦磨损性能的影响,得出综合性能较为优异的复合材料,探索增强相和环境温度(室温、350℃、600℃)对其高温摩擦磨损性能的影响规律。主要研究结论如下:通过机械合金化结合真空热压烧结制备的铁基复合材料主要由奥氏体相、Cr7C3相、α-Al2O3相、NiAl相和Fe2MoC相组成。其抗拉强度和断裂应变均随NiAl含量及Mo元素增加呈现出先增后减的趋势,断裂类型为脆性断裂,断裂方式为解理断裂。当Mo元素含量为0.3wt.%时,合金的抗拉强度达到最大值约826MPa,较基体提高了约54.1%,归因于Mo元素的固溶强化作用显著。氧化性能研究表明:材料的单位面积氧化增重及平均氧化层厚度均随NiAl含量和Mo含量增加不断减小,抗氧化性能得到提升,尤其当Mo含量为0.4wt.%时,单位面积氧化增重达到最小值0.743mg/cm2,平均氧化层厚度达到最小值0.432μm,分别较基体合金降低了65.5%和94.1%,归因于Mo元素细化晶粒使得晶界增加,可以快速地形成更为连续和致密的Al2O3氧化膜,提高了材料的抗氧化性能。室温干摩擦、油润滑、含硫边界润滑三种工况下的摩擦磨损性能研究表明:该系列材料的摩擦系数和体积磨损率均呈现出:干摩擦>油润滑>含硫边界润滑的规律。NiAl和Mo的加入可以提高材料的摩擦磨损性能,且协同增强的复合材料在三种工况下表现出更为优异的磨损性能,尤其是含硫边界润滑工况下的平均摩擦系数低至0.039,体积磨损率低至0.201×10-4·mm3·N-1·m-1,分别较基体降低了 54.6%和51.4%,归因于弥散分布的NiAl起到了增强基体的作用和生成的二维层状结构MoO3在磨损过程中所起到的润滑作用,该系列材料干摩擦和含硫边界润滑工况的磨损机理为磨粒磨损与氧化磨损协同作用。高温摩擦磨损性能研究表明:四种材料的摩擦系数随着环境温度升高变化甚微,但体积磨损率则呈下降趋势,材料的高温抗磨性能较为优异。尤其是NiAl和Mo的协同增强使其高温磨损性能改善显著,600℃体积磨损率仅为0.224×10-4·mm3·N-1·m-1,较基体降低了 44.7%,归因于磨损表面生成了一层起润滑作用的致密氧化膜。

关键词： Cu-6Ni-6Sn合金   高温摩擦磨损   磨损机制   响应曲面  

摘要： 铜镍锡合金因其优异性能常被用作滑动轴承,但其工作环境极其恶劣,长期磨损会造成零件失效,因此对其摩擦磨损性能研究成为了如今探索要点。本文通过理论研究与试验分析相结合,分别对Cu-6Ni-6Sn合金材料从组织成分及表面摩擦磨损,深入研究不同工况下对表面磨损程度的影响规律以及磨损机理转变过程展开分析,并通过响应曲面法对Cu-6Ni-6Sn合金材料摩擦磨损不同工况因素的影响显著性,为进一步研究Cu-6Ni-6Sn合金材料摩擦磨损性能提供了理论指导。主要研究内容如下:基于高温摩擦学理论,研究了铜锡合金自润滑的耐磨损性能和接触应力与摩擦学的原理,根据不同载荷和温度参数设定试验,探究摩擦磨损性能。本研究使用销-盘式高温高载荷磨损试验机对Cu-6Ni-6Sn合金材料进行边界润滑滑动摩擦磨损试验,分析温度、载荷两个工况因素对Cu-6Ni-6Sn合金材料摩擦磨损特性的影响,并对其研究磨面磨损机理。基于响应曲面法,建立温度、载荷分别与摩擦系数、磨损量的二次回归方程,并对其进行ANOVA方差分析与三维响应曲面模型,分析贫油状态下温度与载荷对轴承材料Cu-6Ni-6Sn合金材料摩擦系数与磨损量的影响顺序。研究结果表明:在低载荷时,摩擦系数随着温度的增长呈现不同阶段增长趋势;中、高载荷时摩擦系数随着温度增长呈现先减小后增大趋势。温度为50℃、100℃时,摩擦系数随着载荷增大而减小;温度为150℃时,摩擦系数随着载荷增大而增大;温度为200℃时,摩擦系数随着载荷的增大先增大后减小。磨损量随着载荷增大而呈现上升趋势;磨损量随着温度升高而呈现先减小后上升趋势。随着温度的升高,磨损机制由轻微磨损向严重磨损转变。Cu-6Ni-6Sn合金材料摩擦系数与磨损量受温度的影响要较大于受载荷的影响。采用Design-Expert 12.0软件对试验参数进行优化,得到温度84℃、载荷70N为最优试验参数。利用回归方程对摩擦系数和磨损量进行了预测和验证。