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关键词： 疏浚   低合金马氏体钢   碳含量   耐磨蚀性能   磨损-腐蚀耦合作用  

摘要： 随着国家海洋战略的不断推进,大规模吹填造陆和航道疏浚工程的陆续开展,疏浚行业得到前所未有的发展。疏浚用挖掘和过流部件,如刀齿、管线和泥泵等,面临着严重的砂石磨损和海水腐蚀,且磨损和腐蚀相互促进,进一步加速了材料损失。提升材料抗磨蚀性能,延长装备使用寿命,对于提高疏浚效率和经济效益意义重大。尽管低合金钢已大量应用于海洋疏浚装备刀齿和管线的制造,但对其在海洋疏浚环境下的磨蚀行为和失效机理研究不足,这不利于合理选材和新材料的开发。 基于以上背景,本文制备了不同碳含量的低合金钢(碳含量范围:0.1～0.6%),通过淬火+低温回火工艺获得马氏体组织,并与Q355钢进行了对比研究。首先研究了试验钢在不同模拟工况条件下的磨蚀损伤演变过程,然后研究了硬度对试验钢总磨蚀速率和磨蚀各分量(纯磨损、纯腐蚀和交互作用)的影响规律和微观机理,最后探讨了疏浚耐磨蚀钢性能提升的思路和方向。主要研究结果如下: (1)试验钢的总磨蚀速率随着时间延长先快后慢然后在约3.8 h后趋于稳态,这与表面形变硬化层的演变密切相关。随着时间延长,形变硬化层逐渐加深并趋向于稳定。低硬度钢塑性变形严重导致阳极点形成后无法保留,最终呈现塑性变形疲劳为主的损伤形貌,伴随有犁沟损伤;高硬度钢塑性变形降低导致阳极点能持续发展导致形成磨蚀坑,最终呈现塑性变形疲劳和磨蚀坑的损伤形貌,同样伴随有犁沟损伤。通过改变外部因素而增加机械磨损也会使得阳极点难以发展,从而增加钢表面的塑性变形损伤。 (2)随着硬度的增加,试验钢总磨蚀速率和纯磨损速率均表现出先快后慢再快的下降趋势;在中等硬度范围内(460～600 HV),增加钢的硬度对耐磨蚀性的提升作用较小。研究发现,中等硬度钢在颗粒反复冲击变形作用下,在亚表层诱发横向微裂纹,微裂纹扩展连接后导致片层剥落现象,从而加剧了磨损损伤;而高硬度钢(～710HV)表面变形轻微,难以诱发微裂纹和片层剥落,从而导致其磨蚀速率明显降低。 (3)机械磨损是造成总损伤的首要因素,占比达到47.4～62.7%,硬度越高,机械磨损占比就越小;磨损-腐蚀交互作用是造成总损伤的第二位因素,占比为28.4～38.4%,随着硬度增加交互作用先减少后增加。这是由于低硬度时交互作用由磨损主导,而高硬度时交互作用由腐蚀主导。磨蚀坑的形成是磨损促进腐蚀的主要体现。纯腐蚀占比约2.8～14.2%,碳含量越高,纯腐蚀占比就越大。试验钢静态腐蚀和流动腐蚀速率均随碳含量增加而增大,这是由于碳含量增加后加速了阴极反应,提高了微区的电偶腐蚀速率从而加速了腐蚀;而流动腐蚀速率显著高于静态腐蚀速率,前者约为后者的24.0～42.1倍。 (4)提出了疏浚用低合金钢今后的研究方向:(a)提高马氏体钢的韧塑性以减轻片层剥落导致的材料损失;(b)提高钢的耐蚀性,从而降低磨损与腐蚀的交互作用;(c)鉴于珠光体/铁素体组织在同硬度下表现出良好的抗磨蚀性且其易于加工成型,有必要探索中高碳珠光体/铁素体钢的抗磨蚀性能。

关键词： 齿面磨损   动态载荷   齿面误差   接触应力   腹板式齿轮  

摘要： 齿轮因其传动精确、效率高和结构紧凑等特点被广泛应用于机械工程的各个领域。在其运行过程中,齿面磨损在不断累积,进而造成传动精度降低、传动误差增加、噪声和振动加剧、齿面动载荷增加等影响,因此研究复杂齿轮表面的磨损过程就显得尤为关键。本文建立了考虑齿面误差的齿轮齿面准静态和动态磨损预测模型,并根据此模型研究了齿轮几何与工作参数、不同修形方式和不同误差对齿面磨损的影响,以及分析了磨损前后齿轮啮合刚度、动态传递误差和动态接触应力的变化。 (1)利用齿面承载接触分析模型和齿轮啮合理论对接触应力、滑动距离和磨损系数进行了计算,基于Archard磨损模型建立了齿轮副齿面准静态磨损预测模型。通过和以往齿面磨损模型进行对比验证,确定了建立模型的准确性。并根据齿轮副齿面准静态磨损预测模型计算、分析了不同参数对齿面磨损的影响。 (2)建立齿轮系统动力学模型,将动力学模型与齿面承载接触分析模型相结合,计算出齿面动载荷、动态接触应力,将其代入到齿轮副齿面准静态磨损预测模型中,形成齿轮副齿面动态磨损预测模型。将模型计算结果与以往试验结果进行对比,验证了齿面动态磨损预测模型的准确性。随后根据此模型对比分析了齿轮齿面动态磨损和准静态磨损的区别,计算、研究了不同转速对齿面动态磨损的影响。 (3)在齿轮副齿面动态磨损预测模型中代入修形和误差,计算不同修形情况下的齿面动态磨损,并分析了磨损前后啮合刚度、动态传递误差和动态接触应力的变化。又研究了含误差齿轮在不同输入扭矩下齿面磨损差异以及相同输入扭矩不同误差幅值齿轮的齿面磨损差异。 (4)将有限元法融入模型,使模型能够计算腹板式齿轮齿面磨损,并利用该模型讨论了不同的腹板偏置、腹板厚度和轮缘厚度对动态接触应力和齿面磨损的影响。计算了腹板式修形齿轮的齿面磨损,模拟出了腹板式修形齿轮齿面动态磨损过程中动态接触应力的变化。 综上所述,本文建立了考虑齿面误差的齿轮副齿面准静态和动态磨损预测模型,对不同参数齿轮磨损深度进行了计算,分析了磨损前后齿轮啮合刚度、动态传递误差和动态接触应力的变化,对提高齿轮传动精度、减振降噪和延长寿命等具有重要现实意义。

关键词： 压缩机   浮环密封   磨损   解决措施  

摘要： 针对丙烯制冷压缩机浮环密封磨损，从浮环密封安装间隙校核，机组密封装配质量，密封油抗氧化性检测，密封油高位油罐清洁情况及油气压差等方面进行分析，查找原因，并针对浮环密封磨损原因提出解决措施。

关键词： 关节间隙   涂层   接触碰撞   动力学   磨损  

摘要： 随着科学技术的不断发展和制造业水平的不断提高,航空航天工程、人工智能、智慧农机等诸多领域对机构系统在高精度、高效率、高可靠性以及长寿命方面提出了更高要求,而机构系统中的关节间隙以及由间隙引起的关节磨损问题仍然是目前影响机构系统工作效率的两个主要因素。关节间隙是由机械系统各零部件前期的加工精度和装配要求而产生,并经过长时间工作后会逐渐增加的一种客观存在,关节间隙的不断增加会影响机构相邻构件的受力特性,加剧关节磨损,使机构系统在运动过程中的振动、噪音和发热等负面效应愈加明显,原稳定机构系统随间隙的不断增大,逐渐变成非线性的多自由度系统,机构系统的非线性会严重影响执行构件的运动精度和系统稳定性,并最终降低机器的生产效率,为此本文引入涂层作为关节减振和减磨的主要策略,针对关节间隙和涂层共同作用下的机构系统动力学及磨损展开系统研究,主要研究工作如下: 1、为了研究关节间隙对机构系统动力学的影响,利用拉格朗日增广法对拉格朗日方程中关节约束反力与拉格朗日乘子的关系进行研究,结果表明关节间隙为理想值时乘子项是广义位形空间中的广义约束力,其实质是广义约束力中各个约束所占的权重。通过计算包含理想间隙关节的机构关节反力,详细说明每个关节对应关节反力的计算方法和筛选步骤。机构系统关节反力计算方法的梳理,为后续考虑机构系统非理想关节间隙的动力学计算奠定了理论基础。 2、针对包含转动副间隙的机构系统动力学问题,提出了一种同时考虑接触类型、运动副和涂层材料属性的转动副接触力模型。基于Winkler弹性基础模型和Hertz椭圆形压力分布假设,将双弹性层等效弹性模量引入接触力模型,详细分析了所提接触力模型相较现常用共形接触力模型的优点。举例分析不同关节间隙值、驱动转速以及涂层材料与厚度对执行构件的动力学影响,将部分结果与现有文献中的实验结果进行对比,验证所提接触力模型的正确性。 3、考虑包含球副间隙机构动力学建模中接触力模型选择的局限性,为满足机械整备对高精度、长寿命机构系统的特殊要求,提出一种形式更加简单且考虑涂层材料的变刚度系数计算方法和一种修正的粘滞阻尼系数表达式,并最终得到一种考虑涂层且间隙取值范围和适用范围更加广泛的共形接触力模型,建立了同时考虑球副间隙和涂层的间隙动力学模型。对比不同间隙、涂层材料及涂层厚度对机构系统不同驱动速度下的动力学响应,为后续多间隙机构系统的动力学研究与磨损预测提供理论依据。 4、为了研究多球副间隙对机构系统动力学性能的影响,验证涂层对降低由多关节间隙引起机构系统振动的有效性,在前文针对单个球副存在间隙情况下的机构动力学研究基础上,利用改进的接触力模型分别研究有、无涂层和不同间隙数量对包含多个球副间隙机构系统动力学的影响,对不同工况下的关节反力和接触碰撞力进行计算。同时,为了降低考虑接触碰撞后非线性系统关节磨损量的计算难度,提出了一种接触面积的近似计算方法,利用改进的Archard磨损模型计算并分析了球副间隙和涂层共同影响下机构系统关节间隙处的磨损量变化。 5、为了验证关节间隙对机构系统动力学的影响以及涂层对包含关节间隙机构系统减振、减磨效应的可行性,以智慧农机团队设计研发的大豆采摘分选一体机为载体,考虑将大豆捡拾机构中的驱动构件替换为空间连杆机构,通过自主设计并搭建空间四杆机构RSSP实验平台,分别测量相同驱动速度下球副小间隙无涂层、大间隙无涂层和大间隙有涂层三种工况中执行构件的加速度幅值与球壳内表面的磨损深度,验证了涂层对减缓间隙机构振动进而延长机构系统工作寿命的有效性,为机构系统利用涂层减弱由间隙引起的系统振动、减缓关节磨损提供可靠的实验依据。