端面扭动摩擦副的磨损疲劳耦合效应研究

端面扭动摩擦是指在一定载荷下接触副接触界面发生往复旋转的相对运动，它广泛发生于生产和生活的实际工况中。从常用的球阀到人体中的髋关节、膝关节和脊柱关节等置换关节，以及交通载运工具中大量存在的往复旋转件如工程机械中的聚合物平面滑动回转支承、汽车挂车的转向回转盘和火车转向架的心盘等。高速铁路货车转向架聚合物心盘磨耗盘的扭动磨损严重制约货车运行的可靠性。本项目将以尼龙和超高分子量聚乙烯材料为研究对象，系统研究端面扭动摩擦副的磨损疲劳机理和耦合效应，研制扭动摩擦磨损实验装置，研究接触条件、润滑条件和扭转参数对聚合物扭动摩擦磨损行为影响，高温、低温、潮湿等环境变化对聚合物扭动摩擦磨损行为影响；研究聚合物扭动磨损疲劳机理，建立聚合物扭动磨损疲劳模型。这些研究将为扭动摩擦副摩擦材料设计和选择提供供重要的实验基础，也将为聚合物端面扭动摩擦学行为研究提供可借鉴的理论。

本项目以铁路货车转向架心盘为工程背景，建立了心盘扭动运动参数计算模型，获得了心盘扭动运动参数，进而研制了温湿度可控的端面扭动摩擦磨损试验装置模拟心盘扭动运动。利用端面扭动试验装置系统研究了玻璃纤维增强MC尼龙复合材料与HBN填充PTFE复合材料的端面扭动摩擦学行为。通过对MC尼龙复合材料的端面扭动摩擦学研究发现扭动接触区分为中心粘着区、中部混合滑移区、外部滑动区三个区域，不同区域内MC尼龙复合材料的磨损机理不同，中部混合滑移区的磨损最为严重。MC尼龙复合材料端面扭动机制受材料摩擦系数的影响，摩擦系数由小变大时，端面扭动机制的变化过程为完全滑移、部分滑移和完全粘着。随着温度的升高，MC尼龙复合材料的摩擦扭矩逐渐减小，而磨损体积则不断升高，磨损机理由疲劳磨损变为严重的粘着磨损和塑性变形。湿度的升高则会降低材料的摩擦扭矩和磨损体积。利用HBN、POB填充改性PTFE，获得了与纯PTFE摩擦系数相当的耐磨PTFE复合材料的改性方法，端面扭动摩擦条件下，PTFE复合材料的摩擦扭矩均低于纯PTFE，耐磨性均优于纯PTFE。在动态载荷下，摩擦扭矩和磨损量随着振幅的增大而增大，接触应力由接触中心沿半径方向环形对称分布，接触中心到接触边缘应力先增大后减小。基于刚柔接触建立了端面扭动摩擦模型，获得了端面扭动过程中扭动角度、摩擦扭矩、滑移半径之间关系，理论模型与MC尼龙复合材料、PTFE复合材料的端面扭动试验结果具有较好的一致性。