关键词:
滚动轴承
表面织构
摩擦磨损
滚动接触
疲劳可靠性
摘要:
滚动轴承是工业领域应用广泛的机械基础零部件,其力学性能、摩擦磨损性能和接触疲劳性能与设备的整体性能、可靠性及服役寿命息息相关。极高或极低的转速、极重或极轻的载荷和过大的转速波动都会对滚动轴承的润滑特性产生极大的影响。某些设备特殊工况(譬如发动机的冷启动过程、战斗机的剧烈机动过程或极端恶劣环境)下的润滑不足和润滑油供给延迟也会使得滚动轴承的“滚动体-保持架-轴圈”系统因摩擦而急剧升温,轴承的磨损加剧,极易导致轴承磨损失效,降低轴承的寿命和可靠性。因此,为延长机械装备的使用寿命和可靠性,其核心是如何改善滚动轴承的润滑性能,揭示润滑、摩擦与磨损之间的相互关系。受自然界生物功能表面宏观-介观-微观结构的启发,以织构和非光滑表面为代表的表面改性方法为上述问题提供了新的思路和方法。相关研究发现:通过在摩擦副接触面制备具有特定几何形状与分布的微单元(如凹坑、微槽、网格或叶脉等),可以改善部分载荷工况条件下接触面的润滑状况,提高接触面的摩擦磨损性能和承载能力,提高摩擦副的使用寿命和可靠性。基于上述研究背景,考虑到织构和非光滑表面在滚动轴承领域研究的不足,本论文围绕表面织构滚动轴承开展了以下研究:(1)建立了激光表面织构过程的理论模型,并分析了其机理。研究了激光束性能、激光与材料相互作用及机理,建立了含有连续方程、动量守恒方程和能量守恒方程的数学模型。当高功率激光聚焦在固体表面时,少数入射光在原子层内被吸收,同时表面温度瞬时快速升高,存在金属熔融、材料汽化及等离子体产生等过程。激光作用材料过程的热传导简化为第二类边界条件恒定热流的非稳态热传导过程,基于傅里叶定律推导了恒温边界条件热传导和恒定热流边界条件热传导方程,并以GCr15钢为例计算得到了热传导温度分布规律,为后续激光表面织构滚动轴承摩擦磨损性能及滚动接触疲劳的研究奠定理论和方法基础。(2)建立了基于经典弹性流体动力润滑与激光表面织构集成的油膜压力和油膜厚度分析模型。基于Hertz线接触理论,推导了圆锥滚子轴承运动学关系、滚子离心力和陀螺力矩,计算了圆锥滚子轴承中产生的线接触弹性趋近量;提出了一种凹坑织构润滑模型与经典弹流润滑模型集成分析的方法,计算了实际接触表面的压力分布和油膜承载力;在考虑表面织构圆锥滚子轴承乏油润滑和全油润滑条件的基础上,分析了表面织构、体积流量、载荷及转速等多种参数影响下,表面织构圆锥滚子轴承接触区域油膜压力和油膜厚度变化规律。(3)进行了表面织构滚动轴承乏油润滑和全油润滑条件下的摩擦磨损试验。设计并加工了圆锥滚子轴承外圈和推力圆柱滚子轴承轴圈专用的激光表面织构夹具,利用光纤激光打标机在圆锥滚子轴承外圈和推力圆柱滚子轴承轴圈滚道制备了不同尺寸的凹坑织构。在乏油润滑和全油润滑条件下,采用万能摩擦磨损试验机进行了表面织构滚动轴承的摩擦磨损试验。最后,借助非接触式三维表面形貌仪、扫描电镜和电子分析天平对试验后的外圈和轴圈表面进行了表征,分析了激光表面织构对滚动轴承摩擦磨损性能的影响及相关机理。(4)针对表面凹坑织构滚动轴承摩擦诱发振动噪声特性,摩擦磨损试验同时进行了振动加速度和噪声测试。选取激光表面织构圆锥滚子轴承和推力圆柱滚子轴承作为试验对象,采用万能摩擦磨损试验机在乏油润滑和全油润滑条件下摩擦磨损试验时,使用三向振动加速度传感器和噪声传感器分别采集了振动和噪声数据。基于采集到的数据,结合信号时频域、功率谱分析、小波谱自相关等理论,研究了表面凹坑织构对滚动轴承接触面摩擦诱发振动噪声行为的影响,并对表面凹坑织构直接调控界面摩擦诱发振动噪声的作用机理进行了讨论和分析。(5)以表面应力分布计算次表面应力分布方法为基础,结合载荷和次表面应力建立了圆锥滚子轴承疲劳寿命模型。研究了可靠性及可靠性灵敏度分析理论,采用拉丁超立方抽样方法和BP神经网络技术,以滚动轴承接触疲劳失效为可靠性判据,利用Edgeworth级数、四阶矩技术及修正的可靠性灵敏度计算方法,得到滚动轴承失效时可靠度及可靠度对基本随机变量均值和方差的灵敏度。