MoS2基复合薄膜润滑球轴承在真空环境下的摩擦性能研究

分析了MoS2基复合薄膜润滑球轴承的润滑机制,研究了MoS2基复合薄膜润滑深沟球轴承在不同真空度下的摩擦力矩,在真空度4×10^-4Pa条件下,对空间光学调制器支撑轴承进行1 a的工程试验,并采用扫描电子显微镜和能量色散谱仪分析轴承表面及工作区的形貌及其成分.结果表明：在4×10^-4Pa下,轴承的摩擦力矩随转速增加而趋于稳定;空间光学调制器中MoS2基复合薄膜润滑球轴承在工作区内生成了转移膜,使得轴承的摩擦力矩变小,并实现了108量级的转动圈数.由此证明MoS2基复合薄膜润滑球轴承适用于真空环境中.     

大型球轴承摩擦力矩试验台的研制及其实用性能的试验研究

为了研究大型轴承的摩擦性能，研制了一种可以测量外径２００～１５００ｍｍ球轴承的启动力矩、运转平均力矩、最大力矩和力矩变化幅值的大型轴承摩擦力矩试验台．这种试验台可以模拟轴承的启动角加速度、转动速度、预负荷和轴向工作负荷等．在此试验台上，对大型角接触球轴承成对预紧时的摩擦力矩与预紧量之间的关系进行了试验研究，并且根据试验结果，提出了一种适用于轴承外径２００～５００ｍｍ，转动速度低于３０ｒ／ｍｉｎ时计算摩擦力矩的经验公式．     

姿控飞轮用陶瓷球轴承失效特性分析

通过氮化硅陶瓷球混合轴承和钢球轴承在干摩擦条件下的高速(5000r/min)运转试验,对比分析了电机驱动电流的变化特性和轴承运行噪声等指标,利用立体显微镜、扫描电子显微镜和X射线光电子能谱仪等分析混合陶瓷球轴承摩擦副的表面形貌,分析陶瓷球轴承的失效特征及其在无润滑条件下的长时间稳定运行机制.结果表明:陶瓷球轴承在临界失效阶段的电机驱动电流波动比普通钢制轴承小,在进入严重失效前可持续运行5h,比普通钢制轴承的运行时间长得多;陶瓷球以表面裂纹和表层剥离为主要破坏机制,滚道破坏机制主要表现为疲劳裂纹、点蚀及犁痕等多种形式;在运转过程中,陶瓷球轴承脱落的片状磨屑因脆性易形成微球体而被排出摩擦工作区,延迟了出现轴承运行卡死等现象.由于氮化硅陶瓷球混合轴承摩擦副的不同材质特性和损伤方式,使得其临界失效性能优于普通钢制轴承.     

陀螺电机用H型动压气体轴承启动摩擦特性分析

为减小陀螺电机用H型动压气体轴承启动过程中的摩擦与磨损,建立了考虑表面粗糙接触与润滑的H型动压气体轴承模型,对其启动摩擦特性进行研究。首先,通过求解轴粗糙表面在转子重力作用下的弹性变形,确定启动前转子启动位置和启动力矩。然后,对表面粗糙接触与润滑方程、转子五自由度运动方程进行联立求解,得到启动过程中轴承承载力、运动轨迹、接触面积等特性,并通过接触面积减为0来判断转子的浮起时间和浮起转速。最后,研究轴承表面粗糙度和腔型结构等参数对轴承启动摩擦特性的影响。分析结果表明:减小粗糙表面峰顶标准差可降低浮起转速、减小磨损范围;随着腔宽比的增大,浮起转速增大、磨损范围减小;而随着腔深的增大,浮起转速和磨损范围均先减小后增大,腔深为1.0μm和2.0μm时浮起转速和磨损范围分别最小。     

球轴承启停过程的瞬态热混合润滑分析

建立了角接触球轴承的几何和数学模型,通过求解考虑了热效应和时变效应的Reynolds方程,对启动和制动过程中的球轴承瞬态热混合润滑问题进行了分析,考虑了不同加速度启动工况下的瞬态热混合润滑情况.结果表明:启动过程中,随转动速度的增大,最小膜厚增大,轴承逐渐由边界润滑进入弹流润滑状态;不同滑滚比下进入弹流润滑状态的时间有所不同,随着滑滚比的增大,进入弹流润滑的时刻有所推迟,轴承处于同一转速条件下的油膜厚度变小;随着转速的增大,油膜温度升高,最高油膜温度增长幅度减小;加速度的增大使边界润滑消失的时间提前,随着转速的增加,油膜温度增大,且在同一时刻加速度越大油膜温度越高;油膜减小过程中的挤压膜作用导致轴承制动过程中的油膜厚度大于启动过程中的油膜厚度;由于在相同转速下轴承在启动时处于边界润滑状态,而在制动时处于弹流润滑状态,润滑状态的不同导致制动过程中的最高油膜温度较启动过程较小.     

固体-油脂复合润滑I：二硫化钼膜在干摩擦及空间用油脂润滑下的摩擦学性能

本文采用溅射技术制备了MoS2薄膜,用UMT-2MT摩擦试验机考察了MoS2膜/钢球摩擦副分别在干摩擦、氟丙基氯苯基硅油（115#油）和KK-5脂（由115#润滑油经聚四氟乙烯粉稠化制成）润滑条件下的摩擦学性能,并分析了其润滑和失效机制。结果表明：脂润滑状态下,MoS2+ KK-5复合膜处于不连续的边界润滑,其摩擦学性能得到改善但不明显;115#油润滑条件下,由于连续、有效的边界润滑,使得MoS2+115#固体-油复合体系的摩擦系数低而平稳,其耐磨损寿命与单独MoS2薄膜相比提高了至少8倍;相对于上述2种情况,干摩擦条件下的MoS2膜磨损明显。     

羟基硅酸镁复合粉体润滑油添加剂对钢-钢摩擦副的抗磨自修复机理

以羟基硅酸镁复合矿物粉体作为润滑油添加剂,采用MM-200型环-块摩擦磨损试验机研究了45^#钢摩擦副的减摩抗磨性能;采用扫描电子显微镜观察了钢环磨损表面和润滑油所含添加剂颗粒的形貌,采用能谱仪分析了钢环磨损表面成份,采用表面形貌仪测定了钢环磨损表面粗糙度,进而探讨了复合矿物粉体添加剂的抗磨自修复机理.结果表明:羟基硅酸镁复合矿物粉体添加剂对钢-钢摩擦副具有良好的减摩抗磨作用.在基础油(46^#机油)润滑条件下,随着载荷的增加,磨损机制由轻微擦伤转变为严重擦伤和黏着磨损.在含添加剂的油润滑条件下,较低载荷下钢环磨损表面发生轻微擦伤,且擦伤程度比基础油润滑下的更轻;而在较高载荷条件下钢环磨损表面非常光滑,呈现轻微的黏着磨损迹象.其原因在于在较低载荷条件下,添加剂在摩擦过程中可发生团聚形成大小不一的球状团聚体,球状团聚体可起到微球轴承的作用,使钢-钢摩擦副由滑动接触状态转变为滚动接触状态,从而显著降低摩擦系数,提高抗磨性能.而在较高载荷下,羟基硅酸镁复合矿物粉体添加剂易在钢-钢摩擦副磨损表面形成自修复抗磨层,从而隔离金属表面的直接接触,起到良好的减摩抗磨作用.     

固体-油脂复合润滑Ⅰ:二硫化钼膜在干摩擦及空间用油脂润滑下的摩擦学性能

本文采用射频溅射技术制备了MoS2薄膜,用UMT-2MT摩擦试验机考察了MoS2膜/钢球摩擦副分别在干摩擦、氟丙基氯苯基硅油(115#油)和KK-5脂(由115#润滑油经聚四氟乙烯粉稠化制成)润滑条件下的摩擦学性能,并分析了其润滑和失效机制.结果表明:脂润滑状态下,MoS2+KK-5复合膜处于不连续的边界润滑,其摩擦学性能得到改善但不明显;115#油润滑条件下,由于连续、有效的边界润滑,使得MoS2+115#固体-油复合体系的摩擦系数低而平稳,其耐磨损寿命与单独MoS2薄膜相比提高了至少8倍;相对于上述2种情况,干摩擦条件下的MoS2膜磨损明显.     

混合式陶瓷轴承的研制及其台架试验研究Ⅱ．滚珠轴承的运行和润滑试验

混合式陶瓷轴承的性能优异，是一种应用前景十分广阔的新型高速轴承。但是，目前对其研究还不够充分，特别在这种轴承的润滑试验研究方面几乎还是个空白，因此，对混合式陶瓷轴承进行了运行和润滑试验，并且利用扫描电子显微镜对试验后的陶瓷球表面进行了观察。在同种润滑剂润滑下的温升对比试验表明，陶瓷球轴承的温升比钢球轴承的低，可见前者的高速运行性能比后者的好；在其它试验条件相同的情况下，利用２０＃机械油和含３％（ｗｔ）超细石墨金刚石粉的２０＃机械油等６种润滑剂分别进行的润滑试验表明，润滑剂的粘度越大，陶瓷球轴承的温升越高；纯水对陶瓷球轴承的润滑性能良好，利用其润滑时的轴承温升很低。这种结果除与水的粘度非常低有关以外，还同Ｓｉ３Ｎ４陶瓷与水发生的摩擦化学反应有关。扫描电子显微镜观察发现，在含３％（ｗｔ）超细石墨金刚石粉的２０＃机械油润滑下，试验后的个别陶瓷球表面有相当深的麻坑出现，这是陶瓷球毛坯内部气孔等缺陷经过金刚石微粉“抛光”作用而显露出来的结果。     

微乳化生物质燃油的往复运动摩擦学特性研究

采用发动机活塞环-缸套摩擦磨损试验台,研究了微乳化生物质燃油在活塞环-缸套摩擦副往复运动过程中的摩擦磨损特性.借助扫描电子显微镜及附带的能谱、X射线光电子能谱仪等分析测试手段考察了磨痕表面形貌及元素组成与含量、主要元素化学状态,探讨了摩擦磨损机理.结果表明,在微乳化生物质燃油润滑条件下,活塞环-缸套之间的摩擦系数和它们的磨损量均随着往复运动频率增加而增大,微乳化生物质燃油减摩性较0^#柴油好,耐磨性比0^#柴油差;摩擦磨损的机理归于微乳化生物质燃油中的极性基团如羧基（—COOH）易于吸附在摩擦副表面起到边界润滑作用,而乳化燃油中酸性物质在摩擦过程中加大了对摩擦表面的腐蚀,同时摩擦表面形成的Fe₂O₃氧化膜在摩擦力作用下脱落并充当磨粒,从而使磨损加剧.     

氮化钛硬质薄膜在不同种类润滑油下的摩擦学性能研究

采用球-盘摩擦试验机分别考察了氮化钛硬质薄膜与轴承钢和氮化硅陶瓷组成的摩擦副在不同种类润滑油条件下的摩擦学性能,并表征了其磨痕表面形貌与元素成份.结果显示:与Ti N硬质薄膜干摩擦性能相比,润滑油可显著降低摩擦系数,延长磨损寿命,且具有较长烷基碳链的润滑油性能较优;当上试球材料不同时,其油润滑条件下的性能亦不同.相同润滑油条件下,氮化硅球作为摩擦副时,其润滑性能优于轴承钢球.磨痕表面形貌及能谱分析结果表明:具有较长烷基碳链的润滑油在摩擦副研磨滑动过程中起到油性剂的作用,而短碳链硅油分子结构中含有氯元素,虽通过摩擦化学反应生成边界润滑膜,但不完整致密,以致短时间内润滑失效.     

凹凸棒石黏土润滑油添加剂对钢/钢摩擦副摩擦学性能的影响

采用天然凹凸棒石黏土作为润滑油添加剂加入150SN润滑油中,在Optimal SRV-IV摩擦磨损试验机上研究了添加剂含量对钢/钢摩擦副摩擦学性能的影响,借助SEM及EDS分析了摩擦副的表面形貌及表面元素组成.结果表明:凹凸棒石黏土的浓度为0.6%可使平均摩擦系数较基础油润滑条件下降低42.32%;凹凸棒石黏土的浓度为0.4%可使磨损体积降低85.48%;凹凸棒石黏土的加入使得磨损表面更加光滑平整,同时磨损表面氧元素含量升高.分析认为凹凸棒石黏土层链状的晶体结构和摩擦过程中复杂的理化过程是实现减磨抗磨的原因.     

考虑转速影响的滚珠丝杠副摩擦系数计算与试验研究

针对目前滚珠丝杠副摩擦系数选取多以轴承经验值为依据的现状,基于滚珠丝杠副的结构特点建立滚珠与滚道的运动学及动力学模型,得到滚珠丝杠副摩擦系数与预紧力及摩擦力矩之间的关系,并推导出滚珠丝杠副摩擦系数计算公式.通过新型设计的预紧力可调机构可实现对双螺母滚珠丝杠副预紧力的任意加载与实时监测.利用该机构,结合摩擦力矩测量系统便可实现对滚珠丝杠副摩擦力矩和预紧力的直接测量,从而计算不同预紧力和转速下的实际摩擦系数.由于测量系统转速限制,试验在转速400 r/min以下的低速条件进行,最终得到摩擦系数随转速与预紧力的变化规律,并给出了滚珠丝杠副低速下摩擦系数的选用范围.通过试验得到合理的滚珠丝杠副摩擦系数取值对今后研究其摩擦特性有着重要的意义.     

十二烷氧基硼酸锌的合成及其抗磨减摩性能研究

合成了含硼及锌的油溶性化合物十二烷氧基硼酸锌,将其用作润滑油抗磨减摩添加剂,并用四球及环－块摩擦磨损试验机评价了其摩擦学性能。结果表明：十二烷氧基硼酸锌添加剂使５００ＳＮ基础油的抗磨性能得到明显改善,其承载能力明显提高,摩擦系数明显降低,扫描电子显微镜观察证实磨斑表面有含硼沉积物,结合ＸＰＳ分析可以推断添加剂在摩擦过程中发生了摩擦化学反应,并在摩擦副表面形成了抗磨减摩膜,从而改善摩擦磨损性能。     

新型牙齿正畸丝材料在唾液中的往复滑动摩擦磨损特性研究

采用小振幅往复滑动摩擦磨损试验机评价了新型牙齿正畸丝材料13Cr24Mn0.44N不锈钢在水和唾液中的摩擦磨损行为,并探讨其磨损机理.结果表明:在唾液中活性成分的作用下,试样表面生成了软质易剪切的表面膜,使得摩擦系数降低,同时部分残留于磨痕中的磨屑在水或唾液介质润滑下承担了类似滚动轴承中"滚珠"的角色,进一步降低了摩擦系数;在2种介质中磨痕深度均随载荷增大而增加,但在唾液中的磨痕深度均小于在水中的磨痕深度,磨损和腐蚀之间呈现"负交互"作用;不锈钢在水中的磨痕呈现微切削和犁沟机制,在唾液中小载荷下的磨痕与水中相似,磨痕呈现微切削和犁沟机制,但在较大载荷时的磨损机制为疲劳脱层并伴有显微切削.     

硅碳氢润滑油的空间长寿命润滑性能分析

为分析硅碳氢润滑油(SiCH)在真空边界润滑工况下的润滑特性,采用真空螺旋轨道摩擦试验机(SOT)测试了在1.5、1.75和2 GPa三种接触应力下润滑油的名义润滑寿命,利用真空往复摩擦试验机(SRV)测试了润滑油的往复滑动摩擦系数. 利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)及X射线光电子能谱仪(XPS)对磨斑表面进行显微形貌、元素组成及化学状态进行分析. 结果表明:硅碳氢润滑油的真空名义润滑寿命较高,达到1 936 r/μg(转/微克),其往复滑动摩擦系数和磨斑直径较815Z全氟聚醚润滑油均较小,耐磨寿命较长,具有良好的真空边界润滑性能. 真空四球试验前后润滑油的红外透过率分析结果表明,润滑油在红外地球敏感器工作的14~16.25 μm波段透过率无明显变化. 在电机真空寿命验证试验中,采用硅碳氢润滑油润滑的扫描电机旋转次数最高已达6.04×108次. 润滑油的摩擦性能测试和电机寿命验证试验结果为处于边界润滑工况下的空间运动机构润滑失效提供了定量的判据,也为其他类似工况下的运动机构长寿命润滑设计提供试验依据.      

溅射二硫化钼膜在不同润滑条件下的摩擦学性能分析

通过MoS2膜/钢、钢/钢摩擦副分别在干摩擦、油和脂润滑条件下的球-盘式摩擦学试验,对比分析了润滑条件、载荷、滑动速度对MoS2膜摩擦系数的影响.利用原子力显微镜(AFM)对膜层磨损形貌进行表征,研究润滑条件对膜层磨损寿命的影响.结果表明:在4122仪表油和FAG脂润滑下,MoS2膜在零速启动、中低速情况下的动、静摩擦系数均比MoS2干膜和钢/钢摩擦副的要低;固-液复合润滑时的MoS2膜的耐磨性均比干膜摩擦时有所降低,MoS2干膜的磨损率约为8.1×10-7mm3/(N.m),在油和脂润滑时其磨损率分别约为2.4×10-5mm3/(N.m)和5.5×10-6mm3/(N.m).     

圆柱形表面微坑阵列对点接触润滑摩擦性能的影响

采用激光工艺加工圆柱形表面微孔阵列,并采用三维表面形貌仪表征形状特征和形貌,在摩擦磨损试验机(UMT-Ⅲ)上进行球盘点接触摩擦学试验,研究微坑阵列对点接触润滑摩擦性能的影响.采用Stribeck曲线表征润滑状态的转变,并辅以接触电阻定性表征摩擦副所处的润滑状态.结果表明:微坑深度对点接触润滑摩擦性能有显著影响,随微坑深度从30μm减至0,摩擦系数呈先降低后升高的变化趋势,在本文试验条件下微坑深度为10μm左右时,摩擦系数较光滑表面低,并达到最小.同时,微坑的大小和面积比对摩擦系数也有明显的影响,并同样呈现先减小后增大的趋势.因而存在优化的微坑以达到减小摩擦改进润滑的目的.     

外加电场对边界润滑条件下钢—钢摩擦副摩擦磨损性能的影响

利用球－盘式摩擦磨损试验机,考察了钢－钢（ＳＵＪ２／Ｓ４５Ｃ）摩擦副在不同润滑剂润滑下的摩擦磨损性能及外加电场对摩擦磨损性能的影响。结果表明：施加电压,特别是改变电压极性可使摩擦副的摩擦磨损性能发生很大变化,而电场及其极性对摩擦磨损性能的影响效果取决于润滑剂及边界润滑膜的性质。     

润滑条件下激光加工纹理的摩擦磨损

采用YAG纳秒激光器在45#钢平板试样表面制备纹理,考察了不同润滑状态下表面纹理对摩擦学性能的影响.45#钢表面纹理采用了不同间距的点、槽和网格形貌,并在UMT-Ⅱ试验机上与SiC钢球配副,分别在石蜡和机油润滑条件下进行往复摩擦试验,得出了试验条件下的Stribeck曲线.结果表明,在Hersey数较小时,纹理的引入不利于材料摩擦系数的降低,Hersey数的增加有助于摩擦学性能的提高.网格状纹理间距越小摩擦系数越大.网格状形貌试样相对于点和凹槽形貌试样,表现出更好的摩擦学性能.