高温环境用外球面双列滚子轴承的研制与性能试验

作     者：金圣展 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：古乐

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 082501[工学-飞行器设计] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：固体润滑 承载能力 膜基系统 性能试验 

摘      要：随我国航空工业、空间飞行技术的迅速发展,人们对各类空间飞行器的性能要求随之提高,而轴承作为飞行器中重要的机械零部件,人们愈加重视如何提高其使役性能的科学研究。空间飞行器中的轴承常处于高温、重载等恶劣工况条件,同时轴承的运转状态也将直接影响到飞行器的整体性能,所以高服役性能、高可靠性轴承的研制就显得尤为重要。我国航空轴承技术起步较晚,与轴承强国差距明显,因此建立并完善高性能航空轴承的研制体系可大大推进我国航空航天事业的发展。本论文围绕高温环境用双列滚子轴承研制任务,开展了轴承的基本设计、理论分析、实物制造与试验测试等系统性工作。首先,根据任务需求确定轴承的结构设计、材料选择与润滑设计方案。然后对轴承的承载能力进行分析,分析轴承的结构参数与固体薄膜参数对承载能力的影响,确定轴承的结构改进与薄膜选用方案。之后,使用有限元软件对轴承整体、单个滚子与滚道间以及滚子与带涂层滚道间的接触状态进行分析,得到轴承接触应力水平,并将仿真结果与赫兹计算结果作对比分析。建立双列滚子轴承摩擦力矩计算模型,分析径向载荷、径向游隙以及接触副摩擦系数对轴承摩擦力矩的影响。设计加工出批量化滚子表面镀膜工装,分析镀膜工艺并确定镀膜方案,利用多弧离子镀技术完成轴承工作表面改性涂层的制备工作。之后使用显微镜、扫描电镜、压痕仪等设备对薄膜表面形貌、厚度、硬度、弹性模量等机械性能进行测试与分析。建立划痕实验二维有限元模型,分析计算出Cr N-M50膜基系统的划痕临界载荷。建立球盘摩擦三维有限元模型,分析摩擦系数、弹性模量以及膜厚对膜基系统应力分布的影响,从而验证前文润滑设计的合理性。开展高温轴承在各类自然环境与力学环境下的性能试验考核,通过试验后轴承的检测工作,验证其能够在各类环境试验中保持结构的稳定性;利用高温试验台,设计试验工装、制定试验方案,对固体润滑轴承在高温、重载工况下的服役性能进行测试,得到被试轴承实际摩擦力矩大小,验证其可满足极限承载与使用寿命要求,同时也证明固体润滑方案的有效性。