《高端关节轴承衬垫材料性能测试平台及评估技术》

该项目属材料表面与界面和机械设计交叉领域的材料摩擦学方向。高端关节轴承是航空、航天、高铁、风电等行业中高端装备的“芯片”部件之一,其材料、设计与制造技术一直是国外对中国进行技术垄断与封锁的核心机密,因此对高端关节轴承进行自主研发是中国的必然选择。而其中建立具有自主知识产权的衬垫材料评估体系与开发相应的评估手段是高端关节轴承关键部件衬垫研发的核心。为此,该项目以实现高端关节轴承的自主研发为导向,以突破国外关节轴承衬垫材料技术封锁为目标,以形成衬垫材料评估技术与装备的完整评估体系为重点,在国家自然科学基金、国防科工局军品配套项目等支持下,创造性地应用材料摩擦热特性的基础研究成果,构建了高端关节轴承衬垫材料服役性能的科学评估体系,研发了满足国家重大工程需求的评估检测装备,主要技术发明内容包括:

(1)发明了基于热流连续、温度场检测与分析的摩擦热致材料弱化解析方法。首次采用基于温度场实测与计算逼近的摩擦表面温度获取方法,阐明了热致材料弱化,及其对摩擦学性能的影响机制,揭示了摩擦学性能与材料相变、熔化、氧化等的关联关系,建立了服役条件通过影响摩擦热,进而影响材料组织状态,最终影响摩擦学特性的作用路径与反馈模型,从理论上破解了衬垫材料摩擦学性能和可靠性评估难题。

(2)发明了基于动载加载的衬垫材料摩擦学性能评估技术。首次提出应用动载、变速区间的平均摩擦系数、平均磨损率评估衬垫材料的摩擦学特征,应用摩擦系数、磨损率的稳定性参数评估衬垫材料对服役条件的适应性,应用材料表面动态摩擦系数、动态温度的波动性评估衬垫材料的性能一致性和制备工艺可靠性,建立了完整的衬垫材料性能评估体系,填补了中国衬垫材料评价规范的缺失,并成功应用该体系完成了国产航空、风电等领域关节轴承的研制与生产性能评价任务。

(3)创造性地设计研发了国内首台高端关节轴承衬垫材料性能检测平台。突破了衬垫材料检测条件与关节轴承主要服役条件的一致性瓶颈,实现了衬垫材料摩擦、磨损、温度等性能参量的动态实时检测,填补了国内衬垫材料评价装备的空白。批量生产的具有完全知识产权的评估检测装备基本覆盖了中国关节轴承研发与生产的主要单位,并形成了衬垫材料摩擦学性能评估网络体系。

项目获得国家发明专利15件,形成了从评估技术到评估方法的核心专利体系;出版专著2部,其中《材料的干摩擦学》是国内外唯一的关于材料干摩擦学方面的专著,被他引254次;发表论文97篇,其中SCI论文29篇,EI论文36篇,SCI/EI论文共他引609次,SCI他引253次;相关成果获得2019年河南省教育厅科技成果奖一等奖。项目成果已应用于衬垫材料性能评估设备及航空、风电等行业用关节轴承的生产,近3年新增销售额10.67亿元,新增利税2.76亿元;同时还为中国科学院兰州化学物理研究所、西安交通大学等多个科研院校进行类衬垫材料摩擦磨损性能测试提供服务,支持了多个国家重大工程项目的顺利完成。项目成果作为关节轴承设计与研发的关键技术,有望为更多国家重大工程领域高端装备的研发提供技术支持。

成果说明

项目形成了从评估技术到评估方法的核心专利体系。项目技术成果面向航天、航空、高铁、风电等领域,服务于高端关节轴承的研制、生产、性能测试与评估等技术需求,先后在福建龙溪轴承(集团)股份有限公司、中机试验装备股份有限公司、中国航空综合技术研究所、中国科学院兰州化学物理研究所、郑州机械研究所有限公司、航天精工股份有限公司、武汉材料保护研究所有限公司等13家企业、高校和科研院所中推广应用,并产生了显著的经济效益和社会效益。主要应用情况如下表:

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