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为啥氮化硅/钢轴承高速运行比低速寿命更长?违反常识的深层研究成果发布
2020年02月25日 发布 分类:技术前沿 点击量:218
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最近,美陆军作战能力发展研究实验室的研究人员开发了一种新方法,用于分析钢和氮化硅之间的摩擦反应机理,主要研究机械结构动态下而非静止时接触部位发生的瞬时化学反应。用研究人员的话来说,部分结论也是违反直觉的,如氮化硅/钢轴承以更高而不是更低的速度运行,其实际使用寿命反而更长。

该研究最初在去年11月公布,并于2月15日发表在科学期刊“磨损”( Wear)上,DOI:10.1016/j.wear.2019.203111

陆军研究人员正在研究氮化硅在干滑动机械接触过程中对钢的反应,以更好地了解设备故障

当机械零件长时间相互滑动时,持续的磨削可能会磨损金属表面,直到零件不再工作。研究两个或多个表面在相对运动中相互作用时的摩擦、磨损和润滑被称为摩擦学,其在材料科学和工程中的重要性使研究人员找到了检测干机械接触的新方法。

“机械系统在运行过程中的动态变化很剧烈,如果在操作过程中没有捕捉到,而是在低速移动时进行测量,则不会捕捉到瞬态化学反应和物理变化,因为系统可能在摩擦加热冷却后发生变化。陆军研究物理学家Stephen Berkebile博士说。在与德克萨斯大学合作的项目中,研究小组主要研究钢和氮化硅之间的摩擦作用机理。

研究人员认为,钢和氮化硅之间的相互作用通常发生在刀具加工以及在高速轴承失去润滑源的紧急情况下,如喷气发动机涡轮中的轴承。了解这两种材料之间高速滑动接触背后的动力学,对于为士兵开发更好、更安全的车辆和设备至关重要。

Berkebile博士举例,“钢/氮化硅接触的混合轴承越来越多地应用于直升机推进系统中的涡轮机械中,在驱动系统失去润滑油后,军用直升机必须运行30分钟。”据研究人员称,这项试验是首次在高速滑动试验中分析钢和氮化硅的摩擦学响应。“通过结合两种光学方法和实时摩擦数据,我们可以了解磨损机理中的化学转变,当化学反应发生时,我们能够在实验的主动操作过程中关联机械接触的摩擦、温度和化学状态。”

氮化硅球以(a)1.5 m/s和(b)15 m/s的速度对高速旋转钢盘产生明显不同的磨损轨迹。

他们发现在大约4.5米/秒的临界滑动速度下产生的摩擦加热导致化学反应,在高负荷接触区留下一层润滑薄膜。这种光滑的薄膜使得钢和氮化硅之间的机械相互作用随着滑动速度的增加而表现出较低的摩擦和磨损。使用这种新方法,研究小组从实验过程中对磨损痕迹颜色变化的观察中,确定了化学反应发生的准确时间。此外,研究人员还确定,在齿轮和轴承类条件下,当滑动速度超过9m/s时,这种现象是完全活跃的。

该项研究将有可能提升陆军开发承受高温、高负荷和高速机械的能力!

编译 YUXI


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