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Xiangzhen雪、王三民杰Yu Liyun秦, ”穿的材料样品和方法预测磨损的特点在航空发动机浮动花键联轴器”,国际航空航天工程杂志》上, 卷。2017年, 文章的ID1859167, 11 页面, 2017年。 https://doi.org/10.1155/2017/1859167
穿的材料样品和方法预测磨损的特点在航空发动机浮动花键联轴器
文摘
为了减少磨损和设计高性能的花键联轴器、摩擦系数、磨损系数,和14组材料的磨损深度标本使用多功能摩擦磨损试验机进行了测试。的影响材料、载荷、转速、摩擦系数和表面处理,磨损系数,磨损深度调查。方法使用一个Archard方程基于有限元方法计算14组材料的磨损深度提出了标本,结果是与实验结果一致。然后,穿一个浮动的渐开线花键联轴器的航空发动机预测使用这种方法。它可以得出结论,渗碳和镀银可以降低摩擦系数。渗碳后的磨损和磨损系数降低。因此,有必要带18 crni4a渗碳与氮化和32 cr3mova花键联轴器的材料在航空发动机磨损降到最低。此外,谓词的方法穿花键联轴器的工作提供了一个好的基础花键联轴器的疲劳预测方法。
1。介绍
两种渐开线花键广泛应用于aero-mechanical传输系统包括aero-reducer和航空航天发动机涡轮泵(1- - - - - -4),他们是固定的花键和浮动花键。第一个,内花键和外部花键是相对静态的。的失败主要是由于特殊的微动磨损造成的负载转矩形式的变量,弯矩、轴向力在除去,飞机的巡航和着陆过程(5- - - - - -7]。所以,这些天,有很多的关系研究。马奇的contact-evolution等人研究了花键联轴器和分析微动疲劳(微动磨损的作用8,9]。丁等人提出了一种有限元方法预测花键联轴器(微动磨损10]。霍顿等人提出了一个实验性的方法来模拟多轴花键齿之间的接触条件,基于一个简化的概念代表测试(11]。Ratsimba等人研究了摩擦磨损性能的花键联轴器使用cylinder-on-flat担忧测试(12]。此外,麦科尔等人也建立了一个有限元模型基于修改Archard方程模拟磨损和担忧变量的演化与磨损的循环次数cylinder-on-flat担忧配置(13]。Cuffaro等人研究了花键联轴器的行为在现实工作条件和接触磨损现象特别是使用小说花键耦合试验装置。同时,鲁伊斯的估计参数获得了(14,15]。
第二个,机械沿轴向方向滑动生成之间的内部和外部的样条函数。因此,失败引起的机械(磨料)磨损严重。但它可以得到几乎没有文献对航空发动机的磨损预测浮动花键联轴器从上面的文献。
根据最新的统计数据,在直升机传动系统的失败,失败造成的这些花键联轴器约占10% ~ 20%,和磨损造成的故障占90%以上。它会影响航空发动机传动系统的稳定性和安全性。因此,它有一个伟大的工程背景调查的需求穿浮动花键联轴器。郭等人研究了齿轮联轴器接触和加载考虑偏差的影响下,扭矩和摩擦16]。同样,利恩等人研究了摩擦接触的花键联轴器(17,18),调查了轴向廓形对摩擦系数的影响考虑扭矩和轴向联合载荷作用下的耦合(19]。胡等人分析了接触长度的影响,摩擦系数,样条在接触应力、壁厚和滑移分布航空渐开线花键联轴器使用有限元法(20.]。尽管这些研究提供了一些有效的措施来减少磨损损伤通过改善负荷和结构几何图形,穿的失败主要是由于许多因素:加载条件下,材料,热处理,润滑情况下,几何参数和表面温度。所以,执行了大量的努力,减少磨损破坏的渐开线花键联轴器通过控制其他因素。
为了提高耐磨性和花键连接的可靠性,表面处理的影响,负载,和旋转的摩擦磨损性能花键耦合实验研究中使用的材料在这个工作。提出了一种方法来预测准确的穿浮动花键联轴器Archard方程和有限元法的基础上。
2。摩擦实验
2.1。实验标本
过去,大量的渗碳钢通常被用来制造航空部件,如12 crni3a 14 crmnsini2moa 18 cr2ni4wa, 20 crni3a。后来,越来越多的材料介绍;例如,16 cr3niwmovnbe渗碳钢,16 crni4moa, 18 crni4a。氮化钢30 cr3moa, 32 cr3mova, 38 crmoala,等等。合金钢18 crni4a和32 cr3mova被选为研究材料,因为他们被广泛用于生产样条耦合。这两个材料的化学成分和机械性能都列在表中1和2,分别。18 crni4a是一种镍铬合金结构钢具有良好的综合性能。合金钢32 cr3mova硬度高,综合性能好,热稳定性。
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这些材料的摩擦磨损性能进行了测试在一个普遍的摩擦试验机pin-on-flat配置如图1。销试样的材料是18 crni4a合金钢。销试样的大头是夹摩擦试验机,其直径5毫米。另一端的直径3毫米是用来磨板试样。这两个部分是10毫米的长度。板的尺寸样品Φ30毫米×5毫米,这是由合金钢18 crni4a或32 cr3mova。
(一)
(b)
此外,销和板标本治疗通过渗碳或渗氮过程调查表面处理对摩擦磨损性能的影响。渗碳和渗氮层的厚度是-0.6 0.5 -0.7毫米和0.4毫米,分别。此外,一些标本在渗碳或渗氮层镀银。
2.2。实验的程序
摩擦测试之前,标本被超声波清洗机清洗。标本的质量是由微量天平测量精度为0.1毫克。测试期间,三个相同针被安排在一个板块形成摩擦夫妇然后沉浸到润滑油来模拟花键联轴器的工作环境。这些摩擦夫妇固定摩擦磨损试验机,杠杆被夷为平地,负载应用。测试时间是120分钟,摩擦力是由应变计测量。房间的温度和相对湿度20°C和50 RH,分别。表3展品的实验材料和测试条件。
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| 注意:上标”“表示,在渗碳或渗氮层材料是镀银。 |
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每20分钟后,测试被中断测量质量损失的微量天平清洁标本和的长度D和d由微米精度为0.01毫米。然后,计算出的材料的摩擦系数。耐磨性被磨损系数(k)作为7]。磨损深度(h)根据计算板的标本。整个测试之前和之后,板的磨损表面由光学显微镜观察标本。 在哪里Ff和FN最大摩擦力和应用正常负载(N),米w是样品的质量损失(g),ρ材料的密度(克/厘米吗3),δ滑动距离(毫米),nn是针的旋转速度(r / min),t测试时间(120分钟),lz穿板上形成痕迹的周长是标本(毫米)D和d表示外部和内部直径磨损痕迹,如图1 (b)(毫米)年代w磨损的痕迹的表面面积(毫米吗2)。
2.3。结果与讨论
2.3.1。摩擦系数
表4,5,6显示实验的结果,和图2(一个)显示了结果的不同对材料摩擦系数。从表可以看出3、材料的第二组和5组不同,第三组和第六组和材料是不同的。图2(一个)显示板由18 crni4a(数字1和2夫妻)有较大的波动范围比32 cr3mova(数字3和4的夫妇)。2号的摩擦系数降低随着时间不断增加,一个更高的平均值为0.149。测试几个数字4和稳定的摩擦系数较低,平均摩擦系数约为0.115(图2(一个))。它总是可以看到一些数字3和4的摩擦系数随时间增大而增大,而几个数字1和2的摩擦系数降低。这是归因于不同硬度的18 crni4a和32 cr3mova。
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(一)
(b)
(c)
(d)
图2 (b)显示了摩擦系数对不同表面处理的结果。从表可以看出3表面处理的5组和7组不同,和表面处理的6组和8组是不同的。从图2 (b),而参与的情况下(图2(一个)),平均摩擦系数增加了板试样的渗碳或渗氮处理。例如,平均摩擦系数从0.107增加到0.121,从0.120到0.127的板由18 crni4a渗碳和氮化32 cr3mova,分别。这些结果表明,参与材料的摩擦系数大于的渗碳。当渗碳或渗氮层是镀银,平均摩擦系数呈现下降而增强的摩擦系数随时间的变化。测试几个6号有一个相对较低的摩擦系数为0.066。这意味着镀银在渗碳或渗氮层可以进一步降低摩擦系数。
此外,应用负载和转速对摩擦系数有重要影响(数据2 (c)和2 (d))。摩擦系数随负荷增加从50到150 N。这是因为金属材料的摩擦特性相关的变形和交互摩擦表面。降低正常负载下50 N,摩擦表面上的界面剪切应力不足以变形微观高峰和磨屑。摩擦过程是由不均匀的摩擦表面的相互作用,导致较高的摩擦系数。随着正常负载的增加,微高峰和压实的变形磨损产物的增加会强化界面剪应力,这有利于形成光滑的表面从而降低摩擦系数。它展示一个增加的趋势随着转速的增加,从150年到260 r / min,而它减少随着旋转速度的增加360 r / min。这是因为有边界摩擦和流体摩擦速度是缓慢的。随着速度的增加,形成动压油膜,摩擦系数降低。
2.3.2。磨损系数和深度
图3描述了磨损与摩擦系数的变化在不同条件下的时间。从数据3(一个)- - - - - -3 (d),可以得出结论,摩擦磨损系数增加而增加。销的材料标本18 crni4a渗碳,和参与的片32 cr3mova(数量3两)具有更高的磨损系数约为7.62×10−7kPa−1120分钟后测试。板由参与18 crni4a(1两)相对较低的磨损系数约1.66×10−8kPa−1(图3(一个))。它与材料的硬度。
(一)
(b)
(c)
(d)
从图3 (b)板被渗碳或渗氮有较低的磨损系数相比,参与用例图所示3(一个)。镀银层形成后渗碳或渗氮层的磨损系数增加(6号和8夫妇)。这对夫妇的渗碳18 crni4a(5号夫妇)具有低磨损系数8.84×10−9KPa−1120分钟后测试。这些表明,别针和板是由相同的材料18 crni4a捏造渗碳层和镀银。
同时,磨损系数随荷载增大而增大,展品越来越倾向之后,随着旋转速度的增加(减少数据3 (c)和3 (d))。
为了进一步了解穿财产,板试样的磨损深度跟踪测量。图4显示了不同的磨损深度。可以看出,摩擦磨损深度增加而增加。从图4(一),当针是由18 crni4a渗碳,制成的板试样的磨损深度参与32 cr3mova高于18 crni4a参与。在参与的情况下针,板的磨损深度与前者相反。在这些夫妇,夫妇3号板的高磨损深度,及其最大值为10.2μ后120分钟测试。这一现象的原因是,针的硬度的渗碳18 crni4a高于其他人。盘几1号具有相对较低的磨损深度。这些表明合金钢18 crni4a具有更好的耐磨性比32 cr3mova下:状态。
(一)
(b)
(c)
(d)
从图4 (b),板的磨损深度却降低了通过渗碳或渗氮处理下针由18 crni4a渗碳。然而,磨损深度增加镀银层形成后渗碳或渗氮层。治疗板具有较高的耐磨性比参与。在这些摩擦夫妇,夫妇5号的渗碳18 crni4a相对较低的磨损深度约为0.09μ后120分钟测试。另外,图4 (c)表明,磨损深度随负荷增大而增大。随着旋转速度的增加,磨损深度展览一个下降的趋势增加如图紧随其后4 (d)。120分钟后测试,磨损深度达到最低约为0.09μ在200 r / min,最高约为2.66μ在150 r / min。
一般来说,从数字2- - - - - -4,它可以得到的结果之间有一些矛盾的摩擦系数和磨损深度的结果。它是由不同的别针与金属板的力学性能和硬度。与此同时,针有较高的耐磨性比盘子,因为不同的几何。因此,从上面可以计算接触应力和滑动距离参数。
3所示。预测试样的磨损
磨损的预测是非常重要的设计和高性能航空发动机花键联轴器。为了预测磨损花键联轴器准确地说,一个好的方法是必要的。这里提出了一种方法来预测材料的磨损标本Archard的方程以及有限元方法。在此基础上,流动花键联轴器磨损预测。
在使用PRO / E建立的实体模型导入ANSYS,全球坐标系统转换成列坐标系统。物理和机械性能用于建立有限元模型见表7的有限元模型,然后pin-on-plate摩擦夫妇建立了如图5。这个时候,每个节点的节点坐标系统也应该转化为柱坐标系。目标和接触表面与内部和外部的样条函数。选中的接触刚度因子FKN 1.0 [21),建立了接触对。根据移动规则pin-on-plate摩擦测试,板表面是完全约束,三针也是完全约束的自由除了自由程度的圆周旋转度。接下来,加载应用根据表中列出的实验条件3。
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板的磨损深度标本预计使用Archard方程(7)[22]。根据这个方程,一个小的磨损深度循环可以表达的(8)。 在哪里h (x)是一个周期的磨损深度x;k是穿获得摩擦系数测试;s (x)滑动的距离吗x;p (x)的接触应力是吗x;j( )是负载周期的数量;s (x) = l×z。
模型根据Δpin-on-plate摩擦夫妇被修改hj(x)在PRO / E。因此,有限元模型和接触一些可以恢复。再次计算接触应力和滑动距离,以及一个小的磨损深度循环修改模型。周期后Nt−1迭代,磨损深度可以表达的
事实上,一个小的磨损深度循环可以以来被忽视的值太小,修改模型。有必要选择ΔN随着增量的磨损周期(18]。因此,一个穿的穿深循环如下:
从(10),总摩擦磨损深度可以描述使用 在哪里我是穿周期增加的数量, ,ΔN以下是4000Nt= 24000,磨损系数k获得的平均价值在图吗2。
图6描述了磨损深度计算和测试。可以看出,磨损深度计算通过有限元模型几乎是相同的测试值。从图6的摩擦、磨损深度几个数字1和5小于夫妇2号和7号。前两对夫妇的磨损深度近似为零当磨损周期小于6000的数量。随着磨损周期数量的增加,磨损深度提供了一个增加的趋势。当磨损周期的数量增加到24000,前两对夫妇的磨损深度(数字1和5)小于0.19μm。尤其是对5号,磨损深度达到最低约为0.09μm。它也可以从图6的结果,计算值与测试值的结果相一致。这表明计算穿这里提出的方法是可行的,可以提供一个准确的依据浮动花键联轴器的预测磨损。
(一)
(b)
(c)
(d)
4所示。浮动渐开线花键磨损预测
4.1。预测的接触应力
表8显示了几何参数的一个浮动的渐开线花键的穿。这个浮动花键联轴器的轴向滑动的距离是2毫米。穿花键齿的表面形态是由一个工业显微镜观察分析磨损形式。牙齿磨损形态的花键来衡量工业显微镜(图7),许多犁沟磨损表面和磨屑可以发现由于长期往复滑动(> 100μ米)。这是一个代表磨料磨损的特征(机械磨损),这意味着浮动花键联轴器的损坏主要是由于磨损引起的。节2标本做机械的滑动,其机制是机械磨损和类似于浮动花键联轴器因为他们都遭受长期的往复滑动(> 100μ米)。此外,该方法提出了部分3计算穿断面标本与测试结果一致2。因此,这种方法可以用来预测浮动渐开线花键的磨损深度。
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建立有限元模型的过程(图8)和接触对浮动渐开线花键联轴器pin-on-plate摩擦夫妇是相似的。差异是约束和加载的方法。
根据样条的移动模式耦合,内花键的外圆表面是完全约束。外花键联轴器的自由度约束除了Y方向。与此同时,扭矩表示如下: 在哪里T米平均转矩;εT转矩波动系数,εT= 0.1;ωT是系统的角速度;n是系统的旋转速度。一个小周期的扭矩(0 - 2π)分为5个步骤T我(我= 1、2、3、4和5)。根据方程 一个小周期 。负载应用到模型计算使用(7)。 在哪里D节圆直径的外花键,r外花键孔半径( ),N节点数量在洞外花键。
力计算使用(7)是应用于内部圆柱外表面沿样条耦合y方向,取代的年代(由设计师)x应用方向。因为距离年代引起的轴向浮动花键联轴器的运动比距离更大的担忧造成的运动,而运动引起的距离是被忽视的。然后,模型是解决和接触应力。
4.2。浮动花键联轴器的穿
简化花键联轴器的穿,漂浮的距离设置为2毫米。弹性变形和磨损造成的损害都忽视了。浮动花键联轴器的穿一个小周期定义如下(10]:
在这里,年代= 2毫米。当负载循环的数量Nt穿的浮动花键联轴器的定义如下:
然后,在一个穿周期增量(ΔN)[17),穿浮动花键联轴器如下(10]:
浮动的总磨损深度花键联轴器如下:
在模型中,Nt和ΔN分别是120000和60000。磨损系数k节是每组测试的平均值2。2。花键联轴器的磨损的计算几何参数如表所示3,材料和热处理节中列出2。1。当输入功率P是1015千瓦,旋转速度n是5915 rpm。当浮动的轴向距离是2.0毫米,2.5毫米,3.0毫米,磨损计算结果如图所示9。
5。结论
这项工作调查材料的影响,负载,旋转速度、摩擦系数和表面处理,穿系数,和磨损深度,穿预测提出了浮动花键联轴器。的工作,可以得到试样的摩擦系数可以降低渗碳和镀银。材料几影响摩擦过程。负载增加时的摩擦系数降低,而它增加旋转时增加。渗碳或渗氮可以减少磨损系数,而镀银在渗碳或渗氮层可以增加磨损系数。渗碳或渗氮治疗可以减少磨损深度,而镀银在渗碳或渗氮层可以增加磨损深度。也可以得到的结果之间有一些矛盾摩擦系数和磨损深度的结果。主要由不同的别针与金属板的力学性能和硬度。与此同时,针有较高的耐磨性比盘子,因为不同的几何。换句话说,18 32 cr3mova crni4a渗碳和氮化的材料应在航空发动机花键联轴器。
与此同时,这里的方法来计算浮动渐开线花键的磨损是可行的。从结果,可以得出结论,磨损深度随轴向浮动距离增加。因此,轴向浮动的距离必须设计尽可能小。它提供了一个依据预测疲劳寿命的花键耦合。它也给一个准确的值基于花键联轴器的设计。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
作者欣然承认金融支持中国国家自然科学基金(批准号51175422)。
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