轴承衬套材料摩擦学性能研究及预测

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航空发动机是飞行器的“心脏”,长期工作于高温、高压、高速的极端恶劣的环境下,对飞行器的性能具有极其重要的影响,关系到飞行器的安全性和可靠性。附件传动系统是航空发动机的一种齿轮传动装置,完成动力从发动机主轴传输到驱动部件的功能,为附件装置提供动力。某航空发动机附件传动系统轴承衬套材料主要采用铝材料和钢材料,两种材料在实际的样机使用中内表面出现了不同程度的磨损和擦伤问题,导致了航空发动机系统乃至整个发动机的研制失败,且失效率很高。本文从摩擦学的角度出发,探究两种材料的磨损机理,通过摩擦学设计对磨损失效规律进行预测,为轴承衬套的设计提供理论基础和指导。本文主要针对航空发动机附件传动系统中轴承衬套实际所使用的两种轴承衬套材料2A12铝合金和16Cr3NiWMoVNbE钢材料与GCr15轴承钢配副进行属性测试。包括硬度测试、粗糙度测试、拉伸性能测试和冲击韧性测试。本文对不同配副在属性影响因素和确定的工况条件下,利用HRS-2M往复摩擦磨损试验机,以GCr15钢销为滑动件,2A12铝合金和16Cr3NiWMoVNbE钢材料为对磨件进行摩擦磨损试验研究。利用摩擦磨损试验机采集摩擦因数随时间变化的数据,使用L-200型光电分析天平测量2A12铝合金和16Cr3NiWMoVNbE钢材料的磨损量。试验主要考虑载荷、频率和介质环境三个影响因素。首先,分别考虑载荷、频率和介质环境单因素的变化进行耐磨性试验研究。得出载荷、频率、介质的变化对材料的耐磨性影响都较大。其次,采用均匀设计运用拟水平法设计三因素试验方案,研究三因素耦合作用下两种轴承衬套材料的摩擦学性能。得出三因素不同的组合作用对两种材料的减摩性和耐磨性影响较大。本文利用SSX-550型扫描电子显微镜和能谱分析对两种轴承衬套材料磨损后的表面进行表面形貌和化学元素分析,探究其磨损机理。结果表明:干摩擦下,频率一定,载荷不同,2A12铝合金材料的磨损机理主要表现为粘着磨损和磨粒磨损,同时伴随着氧化磨损。16Cr3NiWMoVNbE钢材料的磨损机理主要表现为磨粒磨损和粘着磨损,同时伴随着疲劳磨损;载荷一定,频率不同,2A12铝合金材料的磨损机理主要表现为磨粒磨损和疲劳磨损同时伴随着氧化磨损。16Cr3NiWMoVNbE钢材料的磨损机理主要表现为磨粒磨损和粘着磨损,同时伴随着疲劳磨损。在不同的介质条件下,与干摩擦条件下相比,两种材料在4050航空油和MoS2粉末环境下均表现良好的耐磨性能。本文还采用灰色理论建立GM(1,1)模型对试验数据进行单因素模拟和预测,建立了2A12铝合金和16Cr3NiWMoVNbE钢材料的摩擦磨损数据库,为航空发动机附件传动系统的设计提供了试验基础数据,通过优化选择,提高附件传动系统的可靠性和使用寿命。
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