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1、南京航空航天大学硕士学位论文 I 摘 要 本研究开发出两种 PTFE 基金属自润滑轴承，第一种为 GCr15- PTFE镶嵌型角接触轴承，以实现在低速重载条件下低摩擦和长寿命的目标，第二种为高强度铝合金- P T F E轴承， 以满足航空工业对材料高比强度的要求。 首先利用 ANSYS 有限元法对轴承基体进行结构设计。然后用酚醛树脂粉末与环氧树脂粘接 GCr15 与 PTFE 复合材料，选择粘接强度高的胶黏剂。最后，选用摩擦学性能优良的 PTFE 复合材料、优化的轴承基体结构以及粘接强度高的胶黏剂，制备出 GCr15- PTFE 轴承，选择兰州物理化学研究所提供的 GCr15- MoS2轴承作
2、对比试验。摩擦磨损实验在摆动实验机上完成，试验条件：载荷为 8- 18KN，摆动频率 8 次/分钟，摆角为30，室温，相对湿度（705）% ，研究其摩擦磨损性能。结果表明 GCr15- PTFE轴承在重载条件下摩擦性能好，磨损寿命长。 将 PTFE 纺织复合材料粘结到高强铝合金背衬上，制备成铝合金PTFE 轴承，选择航空工业常用的轴承（DU）作对比实验。摩擦磨损实验在摆动实验机上完成，实验条件：正压强为 10- 80 MPa，摆动频率 8 次/分钟，摆角为30 ，室温，相对湿度( 705) % ， 研究其摩擦磨损性能。结果证实铝合金PTFE 轴承的摩擦系数大约 0.055，摆动磨损寿命大约 2
3、.5万次， 均优于 DU 轴承，可见这种高比强的新型轴承适用于航空航天工业。 关键词：聚四氟乙烯，ANSYS，自润滑轴承，摩擦，磨损 GCr15/Al 合金- PTFE 自润滑轴承制备及摩擦磨损性能 II ABSTRACT Two novel metal- PTFE self- lubricating bearings such as GCr15- PTFE composite bearing and Al alloy- PTFE fabric bearing were developed. GCr15- PTFE bearing was expected to be effectively
4、strengthened leading to long service life. Al alloy- PTFE bearing was expected to be high specific strength composite. First, the structures of GCr15- PTFE bearing were designed using the ANSYS finite element method. Second, The adhesive strength tests were conducted by GB7124- 1986 to select the op
5、timal bond. Third, the optimal PTFE composite was selected, according to the ANSYS finite element design and adhesive strength experiment, and GCr15- PTFE bearing was prepared. Finally, another GCr15- MoS2 bearing was selected as a comparative investigation. The tribological tests were performed in
6、an oscillating tribo- tester. Experimental conditions were normal pressure from 8 to18KN, an oscillating frequentcy of 8 times perminute, oscillating angles of 30 and relative humidity of (705)%. It is confirmed that GCr15- PTFE bearing exhibited better wear resistance and the longer wear life. An A
7、l alloy- PTFE bearing composed of PTFE babric as the matrix, and adhesive resin as the binder, cohered onto a high strength Al alloy support. Another bearing(DU) was selected as a comparative investigation. Friction and wear tests were carried out in an oscillating tribo- tester. Experimental condit
8、ions were normal pressure from 10 to 80 MPa, an oscillating frequentcy of 8 times perminute, oscillating angles of 30 and relative humidity of (70 5)%. Results show that the Al alloy- PTFE bearing exhibited a lower coefficient of friction and longer wear life of 25,000 times than DU. Key word: PTFE,
9、 ANSYS, Self- lubricating bearing, friction, wear GCr15/Al 合金- PTFE 自润滑轴承制备及摩擦磨损性能 VI 图表清单 图清单 图 1.1 金属基镶嵌型自润滑轴承 .4 图 2.1 镶嵌型自润滑轴承 .1 1 图 2.2 自润滑轴承材料的有限元模型 .1 1 图 2.3 实体模型网格划分 .1 2 图 2.4 网格划分模型后建立形成的接触对 .1 2 图 2.5 加载后的有限元模型 .1 3 图 2.6 镶嵌自润滑轴承材料应力与镶嵌槽直径的关系 .1 5 图 2.7 镶嵌型自润滑轴承的应力等值线图 .1 7 图 3.1 浸润平衡微观
10、示意图 .2 1 图 3.2 粘接强度试验试件示意图 .2 4 图 3.3 不同粘接剂拉伸剪切强度对比柱状图 .2 6 图 3.4 还氧树脂粘接剂断裂面扫描照片 .2 7 图 3.5 酚醛树脂粘接剂试件断裂面数码照片 .2 8 图 4.1 P T F E 分子结构示意 .3 3 图 4.2 P T F E 复合材料试件 .3 6 图 4.3 轴承基体外形 .3 6 图 4.4 角接触轴承试件照片 .3 7 图 5.1 摆动摩擦磨损实验机示意图 .4 2 图 5.2 G C r 1 5 - P T F E 轴承摩擦系数随静承载时间变化曲线 .4 4 图 5.3 G C r 1 5 - P T F E 镶嵌型轴承摩擦系数随载荷变化曲线 .4 5 图 5.4 两种轴承温度随摆动时间变化曲线 .4 6 图 5.5 两种自润滑轴承摩擦系数随试验时间变化曲线 .4 7 图 5.6 轴承 G C r 1 5表面的磨损扫描照片 .4 9 图 5.7 轴承 P T F E复合材料的磨损表面扫描照片 .5 0 图 5.8 轴承 G C r 1 5基体与 P T F E复合材料界面扫描照片 .5 1 图 5.9 MoS2表面溅射轴承磨损数码照片.5 1 南京航空航天大学硕士学位论文 VI图 6.1 铝合金- P T F E纺织复合材料轴承.5 5 图 6.2 摩擦系数随承载压强的变化曲线 .5
