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关键词： 挖掘机   铲斗关节   摩擦副   表面微织构   磨损机理  

摘要： 近年来,中国制造业蓬勃发展,工程机械行业也逐渐成为中国制造业的重要组成部分。挖掘机是工程机械中最具代表性的一种,它在社会生产和生活中发挥着举足轻重的作用。在这样的大环境下,提升挖掘机产品品质,打造中国挖掘机产品的企业的竞争能力就显得尤其重要。因工作条件苛刻,铲斗关节摩擦副因表面材料脱落而导致关节间隙逐渐增大,套筒与耳板之间出现不规则的接触和撞击等原因,导致摩擦副的磨损加剧。1Cr13不锈钢因其耐磨性而被广泛应用于挖掘机工作装置的铲斗关节,作为耐磨垫片使用。针对这一问题,本文采用点阵结构的表面微结构加工方法对铲斗关节摩擦副端面磨损特性进行研究,主要研究工作如下: 首先,建立挖掘机工作装置模型,利用拉格朗日动力学模型建立了铲斗关节端面摩擦副间隙处动态载荷变化关系,并借助虚拟样机技术进行了模拟仿真,并进行了动态受力实验验证。 其次,利用ANSYS仿真软件研究该动态载荷下不同形状微织构表面应力场的影响,得到磨损量曲线,通过修正Archard模型计算出磨损深度值,根据仿真得到磨损后的深度值来确定最优的微织构形状。模拟结果显示,圆形微织构的最大压力值为41.375MPa;正方形微织构的最大压力值为77.06MPa;三角形微织构的最大压力值达到82.849MPa。综上所述,圆形微织构在提高动态载荷分布均匀性方面效果最佳,正方形次之,而三角形微织构效果最差。 最后,在1Cr13材料表面进行激光加工出圆形、正方形、三角形三种不同形状的微织构,在不同形状微织构不同间距、深度和相同试验条件下,对关节摩擦副的摩擦磨损过程进行试验研究,借助端面磨损试验机进行磨损试验验证,在同样的转速、载荷和润滑剂下,得到间隙处耐磨垫片磨损表面摩擦系数和表面形貌,经过表面微织构处理的试样具有最好的耐磨效果。特别地,在微织构间距为300μm,深度为40μm的圆形微织构下,其表面的摩擦系数值最小,摩擦磨损效果最好。分析表面微织构对铲斗关节摩擦副的减摩作用规律,在扫描电镜下观察表面磨损变化特点,最终验证了仿真结果的正确性。 本文以挖掘机铲斗关节摩擦副为例,运用激光微织构加工方法研究其减摩特性,该加工方式可以提高铲斗关节摩擦副的表面抗磨损能力,能有效地改善摩擦时的润滑状况,并明显地改善了关节摩擦副的耐磨度。 图[48]表[14]参[74]

关键词： 冲击式水轮机   喷射机构   磨损特性   优化设计   数据挖掘  

摘要： 水电作为我国“双碳”战略背景下推进能源结构转型的主力军,未来水电开发重点集中在川、滇、藏等西南高水头地区,冲击式水轮机因具有应用水头高、高效率工况区宽等优点成为开发高水头资源的首选机型。然而西南地区河流在汛期含沙量较大,造成冲击式水轮机的过流部件受到不同程度的磨损,进而导致喷射机构变形、射流质量下降、机组功率下降、维护成本增加等问题。因此,本文针对冲击式水轮机喷射机构磨损特性进行研究,并进行喷射机构抗磨损优化设计,耦合数据挖掘技术探析设计变量对喷射机构磨损特性影响机制。主要内容和结论如下: (1)基于冲击式水轮机给水机构水-气两相数值计算和喷射机构水-气-沙三相数值计算,阐明了给水机构内部流动特性、喷射机构磨损特性和泥沙颗粒的轨迹特征。结果表明,配水环管形成的涡会继续在喷嘴中发展,并在喷嘴中先形成上下对称的碎小漩涡,接着在导流板处发展为两对完整旋涡,最终在喷嘴喉部完成旋涡合并;泥沙浓度由0.5%增加至2%时,喷针过渡段磨损显著加剧,其平均磨损率增加75.2%,最大磨损率增加71.4%;泥沙粒径由0.02mm增加至0.1mm时,喷嘴喉部的磨损恶化但喷针的磨损有所减轻,喷针高磨损区逐渐向喷针尾部转移;当泥沙粒径继续增加,喷嘴喉部磨损上下对称特征逐渐消失;不同粒径泥沙在喷针尾部、喷嘴内侧壁面、导流板末端和喷嘴喉部的运动有明显差异,粒径越大差异越明显。 (2)基于改进的Kriging代理模型构建了冲击式水轮机喷射机构抗磨损优化设计框架。首先,对喷射机构的关键参数对不同区域磨损特性的影响开展了研究,以喷针角度、喷嘴角度、喷针直径和喷针过渡直径为设计变量,进行了喷射机构抗磨损性能优化设计,兼顾考虑喷射机构平均磨损率和高磨损区;最优设计喷针角度和喷嘴角度分别较原始模型增加13.26%和14%,喷针直径和喷针过渡直径分别较原始模型下降20%和25%;最优设计抗磨损特性显著提升,平均磨损率和最大磨损率在喷嘴喉部较原始模型降低93.89%和96.18%,在喷针过渡区域分别降低93.66%和84.89%;喷针尖部平均磨损率有所增加,但最大磨损率显著下降,下降了 59.35%。 (3)耦合数据挖掘技术开展喷射机构优化设计空间信息探索,基于平行坐标可视化分析和总变差分析方法探究设计变量变化对喷射机构磨损特性的影响规律和影响机制。结果表明,设计变量x2(喷嘴角度)和x4(喷针过渡直径)对目标函数的影响显著高于其他变量,喷嘴角度方差占比高达40.1%,喷针过渡直径方差占比22.6%;喷嘴角度增大而喷针过渡直径减小时,样本的抗磨损性能好。当喷嘴角度为设计空间内最优时,样本抗磨损性能较原始模型增加54.78%;同时,喷嘴角度的增大抑制了涡在喷射机构内的发展,减弱了射流分叉现象,但喷针内侧出现局部高磨损区。喷针过渡直径的增大会减弱导流板末端的涡强度,使泥沙颗粒贴着喷针壁面流动造成严重的滑擦和点状磨损。

关键词： 微弧氧化   TiO2   BN   复合硬度   摩擦磨损  

摘要： 钛合金硬度低、热导率小,其表面硬度及膜基结合是限制钛合金表面摩擦学改性的主要因素。微弧氧化技术可以在钛合金表面原位生成TiO2陶瓷层，有效改善了钛合金摩擦学性能.但TiO2本身硬度不足且微弧氧化陶瓷层空隙不可避免，因此此微弧氧化TiO2陶瓷层耐磨减摩性能有限。添加固体颗粒是可以提高陶瓷层减摩耐磨性能,但添加颗粒存在易团聚、添加数量有限、在陶瓷层中连续性差的问题。从而限制了陶瓷层摩檫学性能。基于此，本文选择合适的电解液组成，在等离子体放电过程中同步生成了BN并参与陶瓷层形成，同时优化电参数改善了陶瓷层致密性，从物相和结构两个方面提高了钛合金微弧氧化陶瓷层的摩擦学性能。 研究结果表明: 硼砂和中酰胺分别提供B和N元素，通过形成新物相组成改善TiO2陶瓷层复合硬度，但硼砂和甲酰胺浓度对复合硬度的影响规律不同。硼砂浓度增加，陶瓷层中BN含量增加，但电导率升高导致等离子体放电剧烈、陶瓷层致密性下降，因此陶瓷层硬度先升后降;甲酰胺浓度增加，N原子含量快速增加，但电解液电导率下降，抑制微弧氧化陶瓷层的形成，此时BN的生成量取决于B原子含量,因此陶瓷层复合硬度表现为先升后持平电参数通过调控陶瓷层致致密性影响其复合硬度，通过优化正向脉冲电压、负向脉冲电压及正向脉冲关断时向提高了陶瓷层硬度，当硼砂浓度为60g/L、甲酰胶浓度为110mL/L、六偏磷酸钠为138g/L时，匹配的正向脉冲电压为495V、负向脉冲电压为60V、正向脉冲关断时间为95μs时,20μm(B,N)共添加陶瓷层复合硬度达到1218.7HV0.05，比未添加的陶瓷层提高了39.6%。 (B.N)共添加陶究层厚度为20um时,陶瓷层B、N元素含量分别为4.9lat%、1.43at.%。主要物相组成为非晶TiO2及少量锐钛矿相TiO2、金红石相TiO2、BN和TiBaN24O2等，试样的热导率为6.363W·m-1·K-1,比未添加的提高15%。经2h退火处理，(B、N)共添加后的陶瓷层在700℃表面完整、复合硬度几乎不变，比未添加提高100℃。在600℃热震过程中，未添加和(B.N)共添加陶瓷展寿命分别为50和72次，热震寿命提高了43%，表现出良好的膜基结合热稳定性。 添加相提高了钛合金微弧氧化试样的硬度及镀层的热导率,从而改善了(B,N)共添加试样的摩擦磨损性能。与未添加钛合金微弧氧化试样相比,在25℃、经400℃和600℃退火处理后,试样摩擦系数振幅和摩擦系数平均值更小,抗粘着磨损性能明显更好,表现出良好的减摩性能。其次,(B,N)共添加试样比磨损率降低,抗磨损性能提高,BN相降低了温度对试样膜基结合的热影响,提高了钛合金微弧氧化试样的热磨损性能;经过600℃退火处理后,未添加试样在摩擦磨损1400s时,陶瓷层从钛合金表面崩裂,(B,N)共添加陶瓷层整个过程中摩擦磨损平稳,摩擦系数为0.2890,磨损率降为1.36×10-3mm3/(N.m)。

关键词： 7075铝合金   多向锻造   时效   力学性能   摩擦磨损  

摘要： Al-Zn-Mg-Cu合金的耐磨性能较差，限制了其在多领域的应用，而现有加工工艺难以使Al-Zn-Mg-Cu合金在获得高强度、良好塑性的同时保持较好的耐磨性能。以7075铝合金为研究对象，通过多向锻造及时效处理，制备出强塑性匹配优异的Al-Zn-Mg-Cu合金，并对其微观组织进行表征，对其力学性能和摩擦磨损性能进行测试。试验结果表明：经过多向锻造处理后试样的强度、硬度上升，但是塑性损失严重，再经时效后合金的塑性得到一定程度的改善。多向锻造后试样呈准解理断裂，再进行时效处理后韧窝数量有所增加，解理平台变少。经多向锻造及时效处理后试样的耐磨性提高了47.4%,其磨损机制主要为磨粒磨损，粘着磨损占比减少。