重载高效钢背/复合材料衬层传动螺旋副基础理论研究

提出一种新型重载高效滑动传动螺旋副及制备技术：螺母为钢背-衬层结构，衬层为碳纤织物增强聚合物自润滑复合材料，采用净形成形并形成润滑油道，兼有高承载能力和优良的减摩耐磨性能。研究金属-聚合物衬层复合材料复杂曲面摩擦副制备的基础科学问题，包括：界面结合机理、界面活化处理、织物编织工艺、填充物、制备工艺等对衬层性能的影响，固化过程应力状态与控制，衬层摩擦磨损机理，建立机械-摩擦学综合性能良好的衬层结构螺旋副材料制备的理论基础；研究重载螺旋副润滑机理，建立螺旋面油道优化理论；研究具有不同属性的分层材料结构螺母受力变形，探讨螺牙载荷均化途径；研究复合材料动、静摩擦特性，建立螺旋传动负摩擦死区特性控制的理论和方法。研究成果将为研制新型重载高效传动螺旋副奠定基础。传动螺旋副是机械装备最重要的基础部件之一，本研究既有助于解决目前交流伺服驱动成形装备发展中的一个关键技术问题，又对所有机械装备均有重要意义。

螺旋副是机械传动基础部件。滑动螺旋结构简单、承载力大，是重载领域最普遍的选择。为克服传统滑动螺旋副摩擦系数大、效率低的缺点，提出钢背/自润滑复合材料衬层螺母的创新方案：螺母以钢为基体，衬层为碳纤维织物增强自润滑复合材料，兼有高的承载能力和低的摩擦系数。.设计了一种新型复合材料的结构：以碳纤维织物为主要增强体起力学支撑作用并使衬层成为一个整体，避免局部开裂或脱落。纤维方向与摩擦面平行，具有最好的减摩耐磨效果；低黏度环氧树脂为基体，既有高的粘结性能，又对织物有较好的渗透能力；基体中添加短切碳纤维作为二次增强物，进一步提高衬层抗压强度；加入二硫化钼、石墨等作为固体润滑剂，改善摩擦学性能。.揭示了碳纤维织物增强复合材料在重载油摩擦时的减摩机理：碳纤维对法向载荷起主要支撑作用，表面织构形成大量微润滑池，池内固-液润滑剂协同作用，大大改善了润滑。磨损初期，固体润滑剂起主要作用，在偶件表面形成转移膜减少了摩擦；后期，液体润滑剂起主要作用，润滑池边缘油楔在界面形成了局部油膜。CF/PTFE混编织物可大大减少摩擦。衬层表面制备润滑油道可进一步改善润滑，通过模拟分析，确定了油道的优化结构。.研究了复合材料界面的机械结合和化学键结合机理，确立了以偶联剂处理为核心的界面强化方法。通过实验确定了复合材料的优化配方，保证良好的综合机械和摩擦学性能。经测试，新材料性能全面超过了青铜，摩擦系数降低50%左右。.数值模拟和实验相结合，研究了实现螺牙载荷均匀化的途径。提出了螺牙载荷测量的两种新方法：应变位移法和压感纸法。.开发了三种新型螺母制作工艺，实现多种创新，解决了螺旋面衬层成型的难题：采用三D打印制作带油道图案的石蜡工艺丝杆；用单层粗束编织物取代多层平纹布铺敷，克服层间剥离问题；三D编织碳纤维螺旋面衬层增强体；用注射成型制作短切纤维增强衬层螺母；开发专用模具，进行注射和补胶等。.研制了两种新型梯形试验螺母： 32mm小型螺母和110mm压力机工作螺母。开发了630KN伺服螺旋精压机并提出了螺旋效率测试的“电流—压力”测试法，进行了两种螺母的对比实验，与青铜螺母相比，两种螺母的传动效率分别提高了48.7%和10.6%；摩擦系数降低了53.5%和21.2%。.研究成果丰富了复合材料摩擦学的理论，既为开发新型重载滑动螺旋副奠定了理论和技术基础，也对其它高效摩擦副的开发具有借鉴和指导作用。