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原文传递销轴表面织构激光工艺参数影响及减摩耐磨特性研究

论文题名：	销轴表面织构激光工艺参数影响及减摩耐磨特性研究
关键词：	船舶发动机;链条磨损;表面织构;激光加工;工艺参数;耐磨特性
摘要：	由于海洋环境复杂，船舶发动机长期处在高湿度、高盐度的恶劣工况下，这严重加剧了发动机链条的摩擦磨损，缩短其使用寿命，进而影响发动机的工作稳定性。而大多数的工程案例中，发动机链条的摩擦磨损主要发生在销轴和套筒的接触表　　面。目前针对链条及销轴磨损问题的解决策略主要还是从材料、结构、耐磨涂层和特殊热、冷处理工艺出发，但这些技术时效较短且在一定程度上增加了链条生产成本。已有研究表明表面织构技术对摩擦副表面能起到优异的减摩耐磨效果。受此启发，本论文首次将表面织构技术应用到船舶发动机链条销轴磨损问题上，通过大量实验研究和数值模拟分析，对发动机链条销轴表面织构的制造工艺及产生的减摩耐磨特性进行系统研究，以期能为领域长期面对的发动机链条磨损问题提供新的解决思路和理论依据。　　首先，进行激光工艺参数对表面织构加工温度场的影响研究。采用仿真软件COMSOLMultiphysics研究表面织构激光加工机理，对两种典型表面织构（凹坑和沟槽）纳秒激光加工过程中的温度场进行数值模拟，探究激光工艺参数对表面织构加工温度场的影响规律。研究结果表明：激光对材料的加工是一个高度非线性的非稳态传热过程，材料在高能量密度的激光束作用下熔融、蒸发或升华，从而实现去除。在激光加工过程中，沿着光斑直径和材料厚度方向，温度逐渐降低，且在光斑直径方向上产生的热影响区较小，在材料厚度方向上产生的热影响区较大。　　其次，进行了船舶发动机链条销轴表面织构激光加工工艺探究实验，进一步研究表面织构的激光加工机理。基于单因素理论，探究激光工艺参数对表面织构形貌的影响规律。研究结果表明，最优的凹坑织构激光工艺参数为：脉冲个数5000个、重复频率2000kHz；最优的沟槽织构激光工艺参数为：激光功率50W、扫描速度150mm/s、扫描次数150次、重复频率2000kHz。　　然后，对船舶发动机链条销轴表面织构的减摩耐磨特性及机理进行了研究。基于表面织构的激光工艺参数优化，利用纳秒激光加工出方形、正弦和圆形三种形状的表面织构，在此基础上进行大量摩擦磨损实验，探究织构形状对表面摩擦学性能的影响，研究结果表明正弦织构表现出了最优的减摩耐磨性能。进一步系统性地研究了正弦织构面积占有率、宽度、深度、倾斜角对表面摩擦学性能的影响规律，结合对表面摩擦系数和磨损形貌的分析，确定减摩耐磨性能最优的织构参数为：面积占有率30%、宽度400μm、深度15μm、倾斜角90°。证实了表面织构的减摩耐磨机理主要包括“二次润滑”效应、“局部流体动压润滑”效应和“储存池”效应。　　最后，研究了织构表面局部流体动压润滑效应及减摩耐磨机理，基于ANSYSFluent流体仿真技术，模拟织构表面在产生局部流体动压润滑时的油膜压力分布。在此基础上基于单因素理论，探究表面织构参数的变化对油膜压力的影响规律，分析表面织构的减摩耐磨机理。研究结果表明：当织构形状为正弦织构、面积占有率为15%、宽度为400μm、深度为15μm、倾斜角为30°时，织构表面产生的局部流体动压润滑效果最强，油膜承载能力最大。　　通过本文研究，证实了表面织构的减摩耐磨特性是多因素协同作用的结果，本文研究结果为利用表面织构技术解决发动机链条磨损问题提供了理论依据。
作者：	熊李
专业：	机械工程
导师：	杨勇;刘毅
授予学位：	硕士
授予学位单位：	青岛理工大学
学位年度：	2022