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关键词： 半开叶轮离心泵   固液两相流   磨损   泄漏涡   颗粒Stokes数   振动  

摘要： 半开式叶轮离心泵在输运固液两相介质时颗粒运移和泄漏涡发展之间存在紧密交互作用,加剧了泵内磨损行为复杂多变性,导致过流部件磨损破坏严重以及泵的性能降低。因此本文结合双向耦合欧拉-拉格朗日方法和颗粒磨损Finnie模型,对不同颗粒相参数下半开式叶轮离心泵固液两相流场进行求解,分析了颗粒粒径、颗粒体积浓度、颗粒Stokes数对泄漏涡结构特征、颗粒运移轨迹、磨损特性、压力脉动特性和振动的影响,揭示了颗粒-泄漏涡运移与离心泵流动特性和过流部件表面磨损规律的关联机制。主要研究内容和结论如下: 离心泵在输送固液两相介质时,少量颗粒抑制近壁面湍流,相比清水工况泵的扬程和效率最大增加9.15%,并且颗粒的撞击导致叶片载荷增大;随着颗粒粒径和颗粒体积浓度增大,颗粒的运移增加了大量能耗,泵的扬程和效率逐渐降低。泄漏涡、颗粒对叶片的冲击区域与高熵产区吻合;不同粒径的颗粒运移主导叶片表面不同区域的局部高熵产;而颗粒体积浓度增大则导致叶片表面熵产率呈现较强的波动,Cv增至7%时,泵的熵产损失增大12.3%。 利用Omega涡识别准则捕捉泄漏涡结构并结合输运方程分析涡的运移过程。小粒径、大体积浓度工况下泵内的不稳定流态加剧,原因在于进入叶顶间隙的颗粒数较多,对泄漏涡结构的频繁冲击导致涡团的破碎、脱落、融合。泄漏涡在流道内分别向叶轮出口和后盖板进行径向和轴向的拉伸及扩散。泄漏涡的发展和颗粒的运移导致叶轮的压力脉动频谱显示丰富的特征频率,较小颗粒粒径和较大颗粒体积浓度工况下颗粒对涡流的扰乱产生更多与主频幅值接近的低频脉动;大粒径颗粒在撞击过流表而时会激发更大幅值的压力脉动。 对颗粒在泵内运动轨迹进行追踪并引入可以表征颗粒跟随流体运动的能力的颗粒Stokes数分析磨损规律。随着颗粒粒径和颗粒体积浓度增大,叶轮过流部件的平均磨损率均增大。叶轮后盖板磨损严重区域分布在靠近叶片压力面侧和叶轮进口处;叶片的磨损区域主要集中在叶片前缘、压力面进水边和吸力面出水边。小粒径颗粒在泄漏涡的驱动下更易与叶片吸力面碰撞,大粒径颗粒向压力面运动趋势更强,导致叶片压力面磨损加剧。颗粒Stokes数较小时,颗粒跟随流体运动的能力更强,在叶轮内的分布更加分散,且在泄漏涡区颗粒有旋转、相互缠绕等复杂多变的运动轨迹;随着Stokes数增大,颗粒重力及惯性力在颗粒运动中起主导作用,颗粒主要堆积在颗粒后盖板及叶片压力面侧,各过流部件的磨损率增大。 基于全流场数值计算对泵进行流固耦合求解,研究流体激振力和振动特性间的关联。随着颗粒粒径和颗粒体积浓度增大,叶轮轴向力脉动主频幅值及中、高频区的脉动幅值均增加,波动增强;叶轮径向力矢量的偏移幅度增大、偏转增多。颗粒-涡运移及其对叶轮过流表面的撞击导致叶轮的振动位移和等效应力增大。叶轮转子前六阶振型主要为轴向摆动、两侧摆动和扭转振动;各阶振型的最大变形均发生在叶轮出口。

关键词： 矫直辊   磨损研究   使用寿命   有限元分析  

摘要： 辊式矫直机矫直过程中,矫直辊在矫直板材上一直是一项重要部件,其与被矫金属钢板直接接触,导致钢板发生塑性变形。在承受较高载荷的条件下,由于本身材质以及钢板材质的影响,矫直辊在矫直过程中非常容易出现磨损、剥落、断裂等现象造成矫直辊失效。这种失效形式不仅会对被矫板材产品质量造成重大影响,还会对矫直辊使用寿命造成严重削弱,因此在研究矫直辊磨损问题对于防止板材质量出现问题,以及降低矫直辊损耗提高生产效率具有重大意义。 本文从矫直辊磨损机理角度出发对矫直辊在工作过程中的应力状态进行分析,利用Miner线性累积损伤准则推导出矫直辊使用寿命计算的理论公式。以十一辊矫直机为基础建立有限元仿真模型模拟实际矫直过程,通过对模拟后的矫直辊表面应力状态进行分析得出模拟状态下矫直辊使用寿命与矫直辊理论公式计算出的使用寿命误差在15%左右。通过摩擦磨损实验验证在载荷不变的情况下随着矫直时间的增加,磨痕深度的变化分析出实验产生磨痕时间与理论公式计算时间误差为8%。通过模拟、实验共同验证得出矫直辊理论推导公式的合理性。根据理论公式的各个参数分析出影响矫直辊使用寿命的影响因素。在不同状况下矫直过程模拟得到矫直辊使用寿命与矫直件屈服极限以及矫直速度成反比,并且在支承辊排列角度为时矫直辊使用寿命最长。 以辊式矫直机工作辊磨损原因为基础,以矫直辊表面应力场分布为依据,通过Miner磨损准则得出矫直辊使用寿命计算方法,并通过模拟、实验分析验证使用寿命公式的正确性,最后依据该公式对矫直设备影响因素进行分析从而提高矫直辊使用寿命。

关键词： 电接触   微动磨损   接触电阻   铜基电接触材料   电镀  

摘要： 紫铜因其具有良好的导电性能，常用于高低压开关触头。在实际工况下，由于电触头会受到外部振动，其接触表面会发生磨损，从而使电接触性能下降。选用Ag-Ni和Ni两种电接触材料在紫铜表面进行电镀处理，并在电接触微动磨损试验机上进行不同载荷下的电接触微动磨损试验，分析两种镀层材料的接触电阻和摩擦因数变化曲线。结果表明：随着载荷的增加，不同镀层材料的摩擦因数随之降低；当载荷一定时，电镀Ag-Ni试样的平均摩擦因数比无镀层和电镀Ni试样更低；不同镀层材料的接触电阻随着载荷的增加而降低，在4 000次循环后，与无镀层和电镀Ni试样相比，电镀Ag-Ni试样具有最低的平均接触电阻，表明电镀Ag-Ni在一定程度上改善了紫铜的导电性能；由于电镀Ni试样表面更高的硬度从而表现出更优异的耐磨性，与无镀层和电镀Ag-Ni试样相比，具有最低的磨损体积。磨损机制分析表明，在微动运行过程中，氧化磨屑的生成与排除会导致接触电阻变化波动剧烈，且接触电阻与磨痕表面氧化物面积占比呈正相关；两种镀层材料的磨损机制以黏着磨损为主。

关键词： ZCuAl9Fe4Ni4Mn2   超声强化研磨加工   表面强化   耐腐蚀磨损性能  

摘要： 镍铝青铜ZCuAl9Fe4Ni4Mn2因其良好的机械性能与耐腐蚀性能,在船舶制造中,特别是在船舶螺旋桨的生产上,得到了广泛的应用。船舶螺旋桨的制造多依赖铸造工艺,而镍铝青铜的显微组织复杂,铸造加工容易导致铸件的组织不均匀从而造成材料表面性能下降,在海洋环境中工作时易遭到化学腐蚀和物理磨损等多重威胁。因此,如何增强铸态镍铝青铜的表面性能,已成为当前船舶装备研究领域的重点课题。超声强化研磨加工（USGP）技术作为一种新型表面加工技术,能有效细化金属表层晶粒,从而提升材料耐磨、耐腐蚀等性能。为提高ZCuAl9Fe4Ni4Mn2在复杂海洋环境下的服役寿命,本文开展了“基于超声强化研磨的ZCuAl9Fe4Ni4Mn2耐腐蚀磨损性能研究”课题研究,对促进该技术在船舶装备领域的应用与发展具有重要的意义。本文研究分析了不同加工参数下超声强化研磨加工对ZCuAl9Fe4Ni4Mn2试样表面形貌、表层组织、显微硬度及摩擦磨损、电化学、腐蚀磨损性能的影响,主要研究结果如下: （1）系统地研究了超声强化研磨加工对试样表面完整性的影响。对不同加工参数（加工时间、氧化锆珠粒径）下试样的表面形貌、晶粒组织等变化情况进行分析与观察,探讨了超声强化研磨加工对试样表面粗糙度、晶粒尺寸、位错密度及显微硬度等变化的影响规律。结果表明,经加工试样表面形貌获得了大量随机分布的微凹坑形貌,表层晶粒组织发生显著的细化,位错密度与显微硬度较未加工试样明显提高。 （2）研究了超声强化研磨加工对试样表面耐磨性能的影响。对不同加工参数下试样的平均摩擦系数、磨损量、磨痕形貌以及磨损机理等变化情况进行了分析与探讨。结果表明,超声强化研磨加工提升了试样表面耐磨性能,经加工试样平均摩擦系数与磨损量均下降。其中,经1.5mm氧化锆珠加工10min试样表现出最佳的耐磨性能,其平均摩擦系数与磨损率分别为0.215和3.9×10-5g/m,较未加工试样分别降低了44.6%、15.9%。 （3）研究了超声强化研磨加工对试样耐腐蚀性能的影响。根据动电位极化曲线、电化学阻抗谱等测试结果,分析得到了不同加工参数对试样表面电化学腐蚀性能的影响规律。经超声强化研磨加工试样较未加工试样,自腐蚀电流密度均有所减小,电化学阻抗均有所增大。其中经1.5mm氧化锆珠加工10min试样较未加工试样自腐蚀电流密度下降了9.854μA·cm-2,电子转移阻抗和物质扩散阻抗分别增大了4736.5Ω·cm2、5840.4Ω·cm2。 （4）研究了超声强化研磨加工对试样耐腐蚀磨损性能的影响。通过腐蚀磨损试验,得到了不同加工参数下试样的平均摩擦系数与腐蚀磨损率,分析了试样腐蚀磨损磨痕形貌与腐蚀磨损机理等变化。结果表明,在腐蚀环境下经超声强化研磨加工试样较未加工试样平均摩擦系数与腐蚀磨损率均有显著降低,且磨损率下降幅度远高于干摩擦环境。其中,经1.5mm氧化锆珠加工10min试样表现出最佳的耐腐蚀磨损性能,较未加工试样摩擦系数降低了0.132,腐蚀磨损率降低了45.9%。

关键词： 轻质高锰钢   析出强化   力学计算   磨损形貌   强化机制  

摘要： 随着工业生产的不断进步,全球正面临着降低能源使用和减少环境污染排放的重要任务。磨损是导致工业设备故障的常见原因,其在设备的维护和生产过程中不仅会降低生产效率,还会因消耗大量能源造成巨大的经济损失。在此背景下,提升材料的耐磨性能具有重大意义,且由于轻量化领域的高速发展,使得许多工业生产过程中对具有优异机械性能的先进轻质钢的需求日益增加。因此,在当前的轻钢结构研究中,重视轻质钢的耐磨性能变得尤为重要。 本文以Fe-28Mn-7.7Al-1C轻质高锰钢为实验钢,通过不同的热处理工艺调控析出相的尺寸及分布,从而实现纳米级κ-碳化物的析出强化,达到提高实验钢耐磨性能的目的。此外,通过一系列测试手段分析了不同热处理工艺下实验钢的组织性能变化规律,研究了κ-碳化物对材料加工硬化的作用原理,并以耐磨性能较为优异的ZGMn13Mo耐磨钢作为对比材料,对实验钢的耐磨性能进行研究,明确了实验钢的磨损形式与强化机理,为轻量化高锰耐磨钢的应用提供了理论依据,获得的主要结论如下: （1）通过阿基米德原理,计算出实验钢的实际密度约为7.07g/cm3,较纯铁的密度下降了约10.5%,具有显著的减重效果。基于Olson-Cohen热动力学模型研究了层错能的计算程序,计算出实验钢的层错能数值为115m J/m2,高层错能表明其加工硬化机制主要为位错滑移。并利用JMat Pro软件计算了实验钢的平衡相图,从而预测实验钢的组织演变规律,明确了不同热处理温度的相组成与析出特征。 （2）探索出实验钢的最佳热处理工艺:在1000℃固溶处理1h后,再经550℃时效2h。在该工艺下实验钢的显微组织由奥氏体和析出相组成,且析出相的大小、数量、状态达到最好,实验钢展现出最优的综合力学性能。此时,实验钢的抗拉强度为767MPa,屈服强度为535MPa,冲击韧性为113J/cm2,硬度为232HV,断后伸长率为40%,相较于未进行热处理的铸件,其力学性能得到了明显提升,且与固溶处理相比屈服强度提高了33%,硬度提高了13%。 （3）550℃时效态实验钢的冲击韧性断口形貌主要由大面积韧窝区组成,断裂形式为韧性断裂。此外,550℃时效态实验钢的基体有大量纳米级κ-碳化物析出,并均匀分布在晶界内,κ-碳化物不仅可以通过析出机制来强化实验钢的组织性能,而且还能够通过阻碍位错的运动来提高位错滑移所需的驱动力。可以发现在奥氏体基体中的析出相除了白色颗粒状κ-碳化物外,还观察到少量的形貌表现为尖角状的析出物Ti C,对实验钢起到了一定的析出强化作用。 （4）550℃时效态实验钢的亚表面硬化层深度远远大于ZGMn13Mo耐磨钢的硬化层深度,这说明实验钢的变形程度更大,加工硬化能力更强,因此其耐磨性能更加优异,尤其是在0.5J冲击载荷下,其耐磨性较ZGMn13Mo耐磨钢提高了33%。另外,实验钢的表面磨损形貌主要以犁沟与剥落坑为主,其磨损侧面存在呈一定角度弯曲的的滑移线,且冲击力越大,滑移线就越密集,大量高密度的滑移线缠结成团,形成扭折带。扭折带在基体上起到了不断细化晶粒的作用,所以实验钢的强化机制主要为细晶强化,而扭折带的产生与κ-碳化物密切相关,其在晶体中的分布可以对位错运动产生阻碍作用。

摘要： 随着盾构机被越来越多地应用于交通运输业，盾构机刀具磨损检测技术也取得了较大发展。本文以盾构机刀具磨损检测技术的专利申请情况为入口，从多个维度对专利信息进行分析和挖掘，并梳理了技术分支和发展路径，分析了该领域重要专利，为盾构机刀具磨损检测的研究者提供有益借鉴与参考，并对我国盾构机产业相关创新主体的专利申请和布局提出了建议。盾构机刀具磨损检测技术概述随着社会经济的发展，公路、铁路、地下隧道等交通运输业得到了迅猛的发展，盾构机被广泛地应用在隧道等各种地下工程中。

关键词： 高速钢   热处理   磨粒磨损   粗糙度  

摘要： 采用MLD10磨粒磨损试验机和VL2000DX-SVF17SP型激光共聚焦显微镜研究了热处理工艺对W3Mo4Cr5V6钢经磨粒磨损后性能及粗糙度的影响。对比分析了不同热处理工艺条件下W3Mo4Cr5V6钢的磨损质量损失率、表面磨损形貌及粗糙度变化情况。结果表明，经不同热处理后W3Mo4Cr5V6钢的耐磨性较铸态有明显提高，相同试验条件下磨损质量损失量较铸态减少17～24.9 mg, 1100℃×1 h淬火+550℃×2 h回火试样的磨损质量损失较少且硬度均匀性较好，耐磨性优异。随着磨损时间的增加，不同试样表面粗糙度均逐渐减小，其中1100℃×1 h淬火+550℃×2 h回火试样从Ra=9.30μm减小到Ra=7.60μm,且不同视场间粗糙度数值较稳定。试样在磨损过程中的质量损失主要是由磨料犁削、脆性断裂、疲劳脱落所引起。