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油膜轴承巴氏合金与钢体的结合强度理论与试验研究

王尧  
【摘要】:油膜轴承是装在轧钢机械装备支承辊或工作辊上的油膜轴承组件,以其大型重载的特点广泛应用于钢铁、矿山、冶金、电力、航空航天等系统的高、精、尖关键设备上。由于承受重载和较大的冲击载荷,油膜轴承中最薄弱的零件是衬套巴氏合金。巴氏合金与钢套之间的良好结合是轴承衬套得以发挥其作用的基本条件,如果两者之间的界面结合性能不好,则在不同工况的应用环境下很容易脱落,导致油膜轴承的失效损坏,直接关系到油膜轴承最终的使用性能。同时,随着表面工程技术和纳米技术的发展,油膜轴承巴氏合金与钢体界面结合强度理论模型的研究对评价巴氏合金层浇铸/喷涂质量、优化制备工艺和发展新结合与复合技术具有重要的理论意义和现实意义。 本文基于发明专利“轧机油膜轴承综合试验台”中油膜轴承机械系统使用工况以及发明专利“一种综合油膜轴承试验装置”中油膜轴承机械系统结构组成,在静载结合强度试验测试基础上,得到了不同挂金表面接触面类型下界面结合强度研究的模型评价对照表,便于企业根据油膜轴承各系列产品的实际要求,选择不同的生产工艺,节约成本的同时达到性能最优化。本文的主要内容和创新点如下: 首先,通过对巴氏合金与钢套界面结合处受力情况分析,依据厚壁圆筒理论,对衬套“过渡区”应力合进行了理论推导,得到了其函数解析式,并根据许用结合强度[],求出了油膜轴承实际承载的临界最大值Pm ax;针对圆弧结合面,基于Hertz接触理论对界面结合处的应力峰值进行了推导,得出了峰解析式,并利用Comsol Multiphysics多物理耦合软件,对界面应力模型进行了仿真分析与对比。 其次,提出了巴氏合金影响因子的计算公式,通过对不同巴氏合金比重下复合材料的弹性模量试验测试,利用数据拟合逼近的思想,得到了复合材料弹性模量、巴氏合金影响因子关于巴氏合金比重的数学表达式,对比分析得出的结论,可为油膜轴承巴氏合金层最佳厚度的确定提供了科学依据。 再次,通过多因素水平的正交试验,建立了多元线性回归模型,得到了镀锡层厚度关于影响因素的函数关系式,并运用分子动力学模拟软件Materials Studio对界面结构体系能量组成进行模拟分析,得到了界面结合能关于锡层比例的拟合曲线方程,并根据实际轴瓦尺寸及锡层厚度关系式确定镀锡层最佳厚度值,此外,还进行了试验验证。 最后,考虑钢套不同的挂金接触面型式,对三种不同的挂金表面受力情况、合金内应力以及挂金表面金相组织变化进行了定性分析,建立了不同的钢套挂金表面接触面型式下的界面结合强度理论计算模型,构建模型微小单元,利用Comsol Multiphysics对其结合界面进行有限元应力场仿真模拟,分析不同生产工艺条件下界面应力分布情况。之后,通过试验测试采集数据进行了对比分析,并对所构建的模型进行了分析和评价。


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