李明磊[1]2004年在《超硬涂层材料滚动接触疲劳试验装置研制与试验》文中提出对超硬涂层材料进行滚动接触疲劳试验,对其摩擦学性能进行评估,对于表面工程新技术的开发、应用和发展具有十分重要的作用。因此,研制超硬涂层材料滚动接触疲劳试验装置,具有十分重要的意义。本文应用现代机械系统的设计方法和设计理念,研制了超硬涂层材料滚动接触疲劳试验装置。应用机械系统设计的基本原理,本文将试验装置分成传动、润滑及冷却、监测叁个子系统进行设计。在传动系统的设计中,分别进行了驱动电机的选择、带传动设计、传动轴系设计、加载装置及机架的设计。在润滑及冷却系统的设计中,则先后对润滑和冷却两套系统分别进行了设计。在监测系统的设计中,着重解决了作高速滚动接触运动的试件的温度测量问题;同时,对能够捕捉初始疲劳状态的急停机构进行了结构设计。 本文借助大型有限元软件 ANSYS 为分析工具,在试验装置的系统设计完成后,对试验装置的机架进行了动力学模态分析,确定了试验装置的振动特性,分析了振动对机架的影响,为试验装置的进一步改进设计打下了基础。 最后,本文通过对设计研制的试验装置进行的超硬涂层材料滚动接触疲劳试验,对试验装置各系统的性能进行了评价,对试验装置设计的合理性进行了试验验证。
张春波[2]2009年在《超硬涂层零件滚动接触疲劳失效分析与试验研究》文中指出随着材料科学和现代涂层技术的发展,超硬涂层技术已成为改善零部件表面的机械性能和摩擦学性能的有效途径之一。但是目前对于超硬涂层零件滚动接触疲劳(RCF)失效机理的研究还处于探索之中。因此研究超硬涂层零件RCF失效的影响因素以及评估方法不仅具有现实意义,还可以为超硬材料涂层技术的开发和应用提供科学的参考依据。本文分析总结了影响超硬涂层零件RCF寿命的各种因素,并应用大型有限元软件ANSYS作为分析工具,以球—面接触为模型,借助数值模拟技术,针对典型的涂层材料,分析了涂层特性(弹性模量、涂层厚度)及载荷变化对滚动接触应力场的影响。分析表明:最大剪应力是导致超硬涂层零件RCF失效的根本原因,涂层的制备工艺及性能参数是超硬涂层零件RCF失效的重要影响因素;随着涂层材料弹性模量和涂层厚度的增加,接触面下方的最大等效应力和最大剪应力均不断增大,但增长情况存在较大的差异;另外,由数值模拟结果可知:外载荷变化对最大剪应力和最大等效应力的影响呈现出明显的规律性,这为超硬涂层零件弹塑性应力场计算公式的确立提供了有益的参考。此外,本文借助于新型超硬涂层材料RCF试验机,以超硬涂层推力轴承作试样,做了大量的RCF寿命试验,并应用光学显微镜和扫描电子显微镜对超硬涂层零件的RCF行为进行了研究。实验分析了涂层厚度、硬度分别对超硬涂层零件RCF寿命的影响。另外,本文还通过在润滑油中添加硬质颗粒的方法,对试样进行了加速疲劳试验,并对其疲劳行为和加速机理做了初步分析。本文的工作对于进一步深入研究超硬涂层零件RCF机理及其评定技术具有很大的指导意义。
许金沙[3]2014年在《外载作用下激光熔覆WC/Ni复合涂层的疲劳断裂行为研究》文中认为激光熔覆颗粒增强复合涂层具有金属材料的高韧性和陶瓷材料的高硬度、耐磨损、抗氧化等特性,广泛用于航空、军事、石油、化工、医疗器械等领域。本文制备了激光熔覆碳化钨(WC)颗粒增强镍(Ni)基复合涂层,研制开发了一套能实现自动监测和模拟多种工况的滚动接触疲劳试验系统,从理论分析、实验研究和数值模拟叁个层面,系统研究了其在滑动摩擦、单轴拉伸、循环滚动接触叁种工况下的失效行为。主要研究工作和结论如下：进行了不同WC含量的WC/Ni复合涂层摩擦磨损实验,建立了WC体积分数、涂层微观组织和抗滑动摩擦性能叁者之间的对应关系。研究发现,涂层的耐磨性随WC含量的增加先增后减,在WC体积含量为6.91%时表现出最佳的抗滑动摩擦性能。WC颗粒含量决定了涂层的磨损机制,低WC含量涂层的失效主要为两体磨料磨损导致,高WC含量涂层失效表现为疲劳磨损与叁体磨料磨损机制。开展了扫描电镜下WC-Ni涂层/45钢基体的原位拉伸实验研究。基于拉伸过程中涂层表面裂纹演化过程的原位观察,探讨了WC颗粒对涂层拉伸断裂行为的影响及涂层断裂失效机理。结果表明：WC颗粒导致WC/Ni涂层的脆性增加,表现为低拉伸应变下的脆性失效。微裂纹多萌生于WC增强颗粒,随载荷增加而长大,相互连接形成横贯裂纹,导致涂层失效。系统研究了滚动接触循环载荷下涂层的疲劳行为。采用间断试验,研究了涂层表面损伤及裂纹的萌生与扩展规律。研究发现：接触载荷下涂层主要表现为次表面裂纹引发的局部剥落失效,剥落坑深度与WC颗粒相关。次表面裂纹源于WC颗粒相关的剪应力,扩展路径表现为较大的随机性。这一物理过程表现为：高剪切应力诱发次表面裂纹萌生,次表面主裂纹扩展同时伴生枝状二次裂纹、表面裂纹向涂层内部扩展,与次表面二次裂纹相互连接,形成剥落失效。有限元分析了接触载荷下涂层表面、中心轴线以及涂层/基体界面等关键部位的力学响应,定量建立了涂层厚度、弹性模量等参数与应力分布的映射关系,提出了以应力强度为目标的涂层参数优化：对于陶瓷涂层等脆性材料,容易因为接触边缘较大的径向拉应力产生表面裂纹,tc/a0应控制在0.5-3范围；对于韧性金属涂层,tc/a0值应小于0.2以防止剪应力诱发的次表面裂纹。
刘洪喜[4]2007年在《离子注入与沉积的GCr15轴承钢滚动接触疲劳强化机理研究》文中研究说明延长轴承疲劳寿命,尤其是滚动轴承的接触疲劳寿命一直是轴承工作者十分重视的研究课题。近几十年来,尽管钢材冶金质量、结构设计、加工制造、润滑技术等得到了较大改进,但轴承在实际工况下的疲劳寿命仍难以大幅度提高。本文从材料表面改性的角度出发,在总结热处理、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、离子注入等传统处理工艺的基础上,提出采用等离子体浸没离子注入与沉积(PIII&D)新技术,在GCr15轴承钢基体表面合成了TiN及其系列复合薄膜。测试结果显示,合成薄膜后轴承试样的滚动接触疲劳寿命得到了很大改善;不同参数下的Weibull分布曲线表明,处理后试样的疲劳寿命分散性明显减少。在分析合成薄膜后轴承钢试样疲劳寿命得以提高的因素中,阐明了试样表面结构、残余应力、薄膜类型、基体表面粗糙度、合成薄膜厚度等参数的影响。全面叙述了未经表面强化处理轴承滚动接触疲劳破坏的Lundberg.G和Palmgren.A最大动态剪切应力理论(L-P理论)及Weibull分布理论。指出了它们在分析PIII&D合成薄膜后轴承试样滚动接触疲劳破坏机理方面的局限和存在的不足。同时,以L-P理论和Weibull分布理论为基础,结合ANSYS有限元软件对接触循环应力应变场的模拟分析结果、Weibull分布曲线和薄膜试样疲劳破坏的扫描电镜原始形貌照片,提出了接触循环载荷作用下PIII&D合成TiN薄膜后轴承试样疲劳破坏的五阶段模型,分析得出其疲劳失效机理可能是膜层内部存在微观缺陷而产生细小裂纹,在循环载荷作用下裂纹不断扩展,同时受到剪切应力和润滑油中污染颗粒共同作用的结果。运用X光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)和原子力显微镜(AFM)分析了处理后试样表面的结构组成及表面状态。XRD图谱证实了薄膜中存在TiN相,并在(200)晶面表现出择优取向。距表面不同深度处Ti2p和N1s的XPS能谱泰勒分峰结果表明,表面膜层中主要存在钛的氮化物、氧化物和氮氧化合物,具体表现形式为TiN、TiO2、TiNxOy叁种,同时也存在少许过量的单质氮。AFM表面二维、叁维形貌及粗糙度曲线显示出表面薄膜结晶完整,结构致密,颗粒清晰可见。处理后轴承试样的纳米硬度和弹性模量较基体均有所增加,但不同工艺条件下增加的程度不同。其中最大纳米硬度和弹性模量较基体分别提高了127.3%和59.1%。纳米划痕曲线揭示出薄膜试样在整个划擦过程中先后经历了弹性变形、弹塑性变形、加载开裂和卸载剥离叁个阶段,表明TiN薄膜具有较好的弹性恢复能力和与基体之间较强的结合力。采用掠入射X射线(GIXA)单峰法测试了不同膜厚下轴承钢试样表面的残余应力。结果表明,所有合成TiN薄膜的试样表面均存在较大残余压应力,且随着薄膜厚度的增加,膜层表面残余压应力值下降。摩擦系数曲线显示出合成薄膜后试样的摩擦磨损性能均优于基体材料,最低摩擦系数低于0.2。另外,处理前试样表面粗糙度愈低,合成薄膜后试样的机械性能相对愈好。ANSYS模拟分析结果显示:对于未经强化处理的滚动接触,一定轴向力作用下的最大Von mises应力出现在滚珠和轴承套环相接触的区域,并靠近边缘下方的拐角处,最大剪切应力发生在距离接触表面一定深度的地方。这种情形与L-P的最大动态剪切应力理论基本一致。对于合成TiN薄膜后的轴承,同样轴向力作用下的最大等效应力出现在膜基结合处。最大剪切应力出现在膜基界面,并位于薄膜内部。一定弹性模量下,最大等效应力和最大剪切应力均随着膜厚增加而逐渐变小。凭借自行研制的球棒疲劳磨损试验机测试了不同PIII&D工艺下轴承试样的滚动接触疲劳寿命。结合Weibull分布理论,运用C语言计算了薄膜试样的疲劳寿命特征参数,并绘制了相应的Weibull曲线。与基体相比,不同粗糙度和处理时间下,处理后轴承试样的滚动接触疲劳寿命明显延长。其中,TiN单层膜的最大L10提高了约9.2倍;L50提高了约4.2倍;La和平均寿命均分别提高了约3.5倍。疲劳寿命得以改善的原因与PIII&D合成薄膜后轴承试样表面粗糙度和摩擦系数的减小,表面组织和成份的优化及表面存在的压应力状态等有着密切关系。另外,复合薄膜的不同特征寿命均高于单层薄膜试样。处理后轴承试样疲劳破坏的光学显微及扫描电镜(SEM)原始形貌观察结果和疲劳破坏的五阶段模型揭示出PIII&D合成TiN薄膜后,轴承的疲劳失效机理是膜层内部存在微观缺陷而产生细小裂纹,在循环载荷作用下裂纹不断扩展,同时受到剪切应力和润滑油中污染颗粒共同作用的结果。
王军威, 李国禄, 王海斗, 徐滨士[5]2011年在《滚动接触疲劳试验机的研究现状》文中指出滚动接触疲劳试验机主要用于研究材料在模拟工况条件下的接触疲劳性能。本文就国内外已经实际应用的滚动接触疲劳试验机的现状及接触疲劳试验基本工作原理加以介绍,并就滚动接触疲劳试验机的发展方向作了探讨。
张辉[6]2004年在《超硬涂层零件接触疲劳试验装置在线监测与控制系统研究》文中指出超硬材料涂层零件接触疲劳的在线监测与控制是纳米结构超硬材料涂层零件接触疲劳强度及表面摩擦学性能评估方法及评估理论研究的重要的一部分。本文基于计算机辅助测试技术为手段的在线监测与控制理论,以超硬材料涂层推力球轴承为试验对象,率先设计并实现了超硬材料涂层零件接触疲劳试验装置在线监测与控制系统。本文首先对超硬材料涂层零件接触疲劳试验装置进行了结构、原理等分析,并结合其试验对象(涂层推力球轴承)之间的主要受力及其疲劳破坏特点等特性,确定了主要监测参数(温度、摩擦扭矩、振动和转速);基于前人的相关研究成果及作者的探索,设计了在线监测与控制系统方案,建立了在线监测与控制系统;开发了信号放大、A/D 转换和数据传送的硬件模块,大大提高了监测系统的实时性;设计了计算机处理平台在 Windows98环境下,以 Picoscope 软件为开发工具,实现检测系统多通道数据采集、数据实时处理和分析的计算机控制软件,提供了友好的可视化人机界面;并通过 Picoscope 数据转换模块,实现了测量信号之间的数据交换。最后,介绍了在线检测系统的辅助性工作,完成了传感器的安装工作,然后以超硬材料涂层推力球轴承为试验对象,对整个在线监测与控制系统进行了试验调试,检验了系统运行的正确性和稳定性。本系统开发和研制的成功,为纳米结构超硬材料涂层滚动接触疲劳失效机理及纳米结构超硬材料涂层摩擦学性能评估理论的研究提供了有效的试验技术和方法,对于纳米材料科学和纳米结构超硬材料涂层技术的开发、应用将产生重要的影响,具有重要的实际意义。
姚宁[7]2012年在《滚动接触疲劳试验机静压轴承静态及主轴热态特性分析》文中提出滚动接触疲劳试验是评价轴承材料性能的重要方法，试验机性能的好坏直接影响试验结果的准确性。针对现有试验机设计中存在的问题，提出了一种新的试验机设计方法，将液体静压技术应用到试验机的传动和加载系统中，本文主要进行了以下工作：首先，对试验机的功能进行了分析，将整个系统分解为传动、加载、润滑和监测四个子系统。在传动系统的设计中，选择了驱动电机的型号，设计了带传动以及轴系结构。在加载系统设计中，使用了液压支撑台结构。在监测系统设计中主要说明了传感器的类型和安装位置。其次，对静压主轴的具体结构进行了设计，确定了静压轴承的节流方式、结构形式及具体的结构参数。借助流体分析软件FLUENT分析了不同参数下，轴承油腔压力的变化情况并对节流孔直径、偏移率、半径间隙和供油压力等影响轴承静态性能的参数进行了研究。最后，分析了静压主轴的热源、散热方式及温升对主轴的影响，对温度这个影响主轴性能的因素进行了研究，计算了轴承的摩擦功率以及主轴各部位的换热系数，利用有限元软件ANSYS对静压主轴的温度场进行模拟，得到主轴系统的最高温度以及由温度引起的热变形量。
任卫涛[8]2009年在《纳米金刚石涂层的接触疲劳性能研究》文中认为NCD膜(nano-crystalline diamond film)具备金刚石膜高硬度、低摩擦系数、高韧性等优越性能,将NCD膜用作Si3N4陶瓷表面的减摩耐磨涂层,可降低摩擦系数,增加Si3N4陶瓷表面硬度和耐磨性,提高Si3N4陶瓷零件的使用性能。在接触应力作用下造成的接触疲劳失效是脆硬材料失效的主要形式之一,本文开展Si3N4陶瓷表面NCD涂层的滚动接触疲劳性能研究,为高疲劳性能的NCD膜制备及NCD膜的应用提供依据。本文的主要工作和取得的成果如下:(1)应用有限元软件对NCD膜滚动接触问题进行了分析研究,研究了外加载荷及NCD膜材料特性(NCD膜弹性模量、NCD膜厚度)对应力场分布的影响,获得了NCD/Si3N4接触正应力场及剪切应力场分布。分析结果表明NCD膜弹性模量和厚度对NCD膜内应力场分布影响显着;载荷与应力值成线性关系,对应力场分布无明显影响。对NCD/Si3N4而言,最大剪切应力均发生在NCD膜与Si3N4基体的结合界面。(2)开展了Si3N4基体上NCD涂层的制备试验研究,通过优化工艺参数,采用HFCVD法在H2-CH4-Ar的体系下成功地在Si3N4基体上沉积出高质量的NCD膜。利用Raman光谱、SEM、AFM、纳米压痕仪等现代理化分析手段对制备的NCD膜进行了分析测试。(3)展开了Si3N4基体上NCD涂层的接触疲劳性能试验研究。结果表明涂层的疲劳破坏形式有界面脱粘、涂层剥落及涂层内部脱落叁种。疲劳裂纹起源于与滚动方向垂直且表面存在宏观微粒或基体内部的夹杂、气孔等微观缺陷处,随着循环次数不断增加,裂纹开始向平行和垂直于滚动方向的四周扩展,导致涂层出现各种不同的疲劳破坏。
温银堂[9]2006年在《滚动轴承疲劳试验机测试系统和数据处理方法的研究》文中研究指明接触疲劳是导致滚动轴承失效的主要因素之一,滚动轴承疲劳寿命试验是综合评定轴承质量的重要手段。本文首先介绍了滚动轴承接触疲劳的理论基础,对导致滚动轴承接触疲劳的各个因素及失效形式作了简要叙述。然后研制了滚动轴承接触疲劳试验机测试系统,应用现代测试手段和计算机信号处理技术,在线监测、记录试件的温升、振动、速度及摩擦扭矩,通过计算机智能数据处理系统对实验进行在线反馈调控,获得不同工况条件下的试验数据,并采用多种分析方法,主要是采用数字滤波和小波分析方法对试验数据进行处理,同时,对能捕捉初始疲劳状态的急停机构进行了结构设计。最后,进行了疲劳试验,并加以仿真验证及评价。该测试系统显着特点有:该系统能够实现对加载状况、试件转速、润滑条件等真实工况的模拟,从而使得试验结果更加准确、真实、可靠;该系统除了应用加速度传感器检测试件振动幅度大小的方法以外,还应用了对试件疲劳微裂纹的检测更加灵敏的摩擦扭矩传感器检测试件摩擦扭矩的方法,使得试验装置对试件疲劳微裂纹的发现和诊断更加及时、准确和快速;采用小波分析方法对试验数据进行处理,为能够及时准确地捕捉轴承初始疲劳状态以及进行加速疲劳试验提供了新的途径。通过试验验证,此试验平台的开发对在工业应用中检测滚动轴承的疲劳寿命有重要意义。
王军威, 李国禄, 王海斗, 徐滨士[10]2011年在《滚动接触疲劳试验机的研究现状》文中认为滚动接触疲劳试验机主要是用于研究材料在模拟工况条件下的接触疲劳性能。本文就国内外已见实际应用的滚动接触疲劳试验机的现状及接触疲劳试验基本工作原理的加以介绍。并就滚动接触疲劳试验机的发展方向作了简要探讨。
参考文献：
[1]. 超硬涂层材料滚动接触疲劳试验装置研制与试验[D]. 李明磊. 燕山大学. 2004
[2]. 超硬涂层零件滚动接触疲劳失效分析与试验研究[D]. 张春波. 燕山大学. 2009
[3]. 外载作用下激光熔覆WC/Ni复合涂层的疲劳断裂行为研究[D]. 许金沙. 华东理工大学. 2014
[4]. 离子注入与沉积的GCr15轴承钢滚动接触疲劳强化机理研究[D]. 刘洪喜. 哈尔滨工业大学. 2007
[5]. 滚动接触疲劳试验机的研究现状[J]. 王军威, 李国禄, 王海斗, 徐滨士. 工程与试验. 2011
[6]. 超硬涂层零件接触疲劳试验装置在线监测与控制系统研究[D]. 张辉. 燕山大学. 2004
[7]. 滚动接触疲劳试验机静压轴承静态及主轴热态特性分析[D]. 姚宁. 燕山大学. 2012
[8]. 纳米金刚石涂层的接触疲劳性能研究[D]. 任卫涛. 南京航空航天大学. 2009
[9]. 滚动轴承疲劳试验机测试系统和数据处理方法的研究[D]. 温银堂. 燕山大学. 2006
[10]. 滚动接触疲劳试验机的研究现状[C]. 王军威, 李国禄, 王海斗, 徐滨士. 2011年全国青年摩擦学与表面工程学术会议论文集. 2011
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