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关键词： 重载柱塞泵   摩擦磨损   容积效率   性能退化  

摘要： 柱塞泵广泛应用于航空航天、工程机械、军工等领域,随着使用需求提升,对其使用压力有更高的要求。柱塞随着工作压力增高,倾覆力矩增大,会加剧柱塞副的磨损,进而降低柱塞泵容积效率,影响柱塞泵使用的可靠性。柱塞副由于磨损导致的性能退化是评价泵使用情况的指标之一。因此,有必要研究柱塞泵重载工况下柱塞副的磨损变化情况,为评价泵重载下可靠性提供理论依据。本文以重载斜盘柱塞泵为研究对象,主要研究内容如下:首先,开展柱塞运动学分析,以运动学分析为基础建立柱塞力平衡方程,分析重载工况下柱塞受力情况。研究重载力作用下柱塞副间隙变化,推导柱塞泵柱塞副及其它摩擦副泄漏量计算公式,得到重载工况柱塞泵泄漏性能。其次,根据柱塞泵受力分析结果以及动力学分析得到的柱塞副接触力结果,结合柱塞泵工作转速,确定柱塞副配对材料摩擦磨损实验工况。加工不同柱塞副配对材料,研究不同转速、压力工况下柱塞副配对材料的摩擦磨损特性,为通过实验数据推导实际柱塞副磨损奠定基础。再次,结合摩擦磨损实验结果和实际柱塞副工作几何及受力的对应关系,利用摩擦副磨损模型分析得到柱塞副泄漏量随累计磨损时间的变化规律,研究柱塞泵容积效率在不同压力及缸体转速工况下随时间的变化规律。提出柱塞泵寿命预测方法,为柱塞泵寿命的预测提供参考。最后,完成整泵容积效率测试,测定柱塞泵空载排量,测试柱塞泵在不同工作压力及缸体转速下的泄漏量及容积效率,验证理论研究的可靠性。

关键词： 海底钻机   试验台   机械系统   液压系统   Abaqus  

摘要： 海洋作为地球上最广袤的资源宝库,不仅蕴藏着丰富的煤、石油、天然气等化石能源,还富含多金属硫化物、富钴铁锰结壳、多金属结核等矿产资源。在陆地资源日渐消耗但经济社会发展对资源需求进一步扩大的背景下,世界各国都加大了对深海资源的勘探力度。深海海底钻机作为一种勘探装备,在开展海洋地质研究、资源和地质勘探中发挥着越来越重要的作用。为了能够更好的探究海底钻机在高压环境下的钻进过程,论文开展了高压环境下海底钻机钻进试验台研究与设计,并运用Abaqus进行了孕镶金刚石钻头钻进中硬岩层有限元仿真与实验探讨。具体研究内容如下: 首先,介绍了论文的研究背景、研究现状、主要研究内容和相关研究路线。论文对研究背景及意义进行了阐述,并概述了深海海底钻机和钻机试验台的研究现状;针对目前深海海底钻机发展迅速而海底钻机试验台缺少的现状,提出研制高压环境下海底钻机钻进试验台,明确了论文研究内容,制定了相关研究路线。 其次,完成了试验台整体方案设计、机械系统设计以及液压系统设计。在总结国内外深海海底钻机相关技术参数的基础上,完成了试验台技术要求和设计参数的设定,制定了试验台工作原理和设计方案;根据设计方案完成了对试验台机械系统和液压系统设计:机械系统设计包括试验台台架和钻机设计;液压系统的设计包括推进油缸计算设计、液压马达和液压泵计算选型、液压阀选型、阀块设计、油箱设计以及整个试验台液压泵站设计等,并对液压系统进行了升温校核,验证液压系统能够满足试验台设计要求。 之后,运用Abaqus仿真软件进行了孕镶金刚石钻头钻进中硬岩层的有限元仿真分析。选用孕镶金刚石钻头和中硬岩层,建立其简单几何模型,并对模型进行材料属性赋予,网格划分,分析步、接触、载荷和边界条件设定,建立了钻头钻进中硬岩层的有限元模型;在模型基础上,开展了钻进过程的有限元仿真分析,得到了钻进中硬岩层的等效应力云图;通过设定不同的钻压和钻头转速,得到了不同钻进参数对钻速、钻进位移的影响。 最后,完成了海底钻机钻进试验台的搭建、性能实验以及钻进实验。进行了海底钻机钻进试验台的加工、制造、组装,并对组装完成的液压系统进行水下实验,验证油箱密封性能和系统散热性能良好;之后进行了海底钻机钻进试验台的钻进实验。

关键词： 列车制动系统   刹车片   Cu基摩擦材料   摩擦学性能  

摘要： 随着我国列车速度的不断提高，列车的安全性受到了社会的广泛关注;而刹车片作为列车制动系统不可或缺的一部分，它的性能直接影响了整个系统的制动效果。Cu基粉末冶金摩擦材料作为列车制动的刹车片包含了多种材料，通过改变各个组元的含量和种类来获得不同性能的摩擦材料。但国内生产制造出的刹车片并不能满足列车高速运行时的要求，因此众多国内的学者对提升列车刹车片性能的研究从未停止。　　本课题主要通过对Cu基粉末冶金摩擦材料的机械性能、微观组织和摩擦磨损性能的分析来研究镍（Ni）含量、Ni目数、成型压力、烧结加压、烧结温度对Cu基粉末冶金摩擦材料性能的影响规律。研究结果表明：　　（1）在摩擦材料中添加适量的Ni可以使材料的硬度得到提升，在添加的Ni含量为2%时，可以提高材料的摩擦因数，降低磨损量;随着Ni含量的增加，硬度的提升效果变的明显。当继续添加Ni时，材料的摩擦因数和磨损量都会减少。　　（2）不同的Ni目数对材料的强化效果不一样，在Ni目数为200目时，材料的综合性能表现最佳。继续增加Ni目数，材料的硬度增大，摩擦过程中摩擦因数反而下降。　　（3）成型压力在600MPa时，压制效果最好。随着成型压力的增大，材料的密度和硬度会得到不同程度的提升，但过大的压力会破坏粉末颗粒，材料出现加工硬化现象，摩擦因数降低，磨损量加大。　　（4）试样在烧结时加压可以提高材料的密度、硬度，降低孔隙率，并使摩擦因数稳定，降低磨损量。因为烧结时加压可以加快原子的扩散速度，使试样发生塑性形变，让烧结更加充分，提高抗磨损能力。　　（5）不同的烧结温度下制备出的试样性能大大不同，烧结温度为950℃下制备出的材料具有最佳的摩擦磨损性能。850℃时原子扩散缓慢，导致试样烧结不充分，孔隙率较高，摩擦因数和磨损量较高;1000℃时过快的扩散速度使得材料中的晶粒生长过大，并且过高的温度使得材料中的Sn过烧，严重影响了材料的摩擦磨损性能。　　本文将Ni粉含量（200目）2%的Cu基粉末冶金摩擦材料采用600MPa的成型压力、950℃的烧结温度、烧结压力0.5MPa制备出的试样，表现出最佳的摩擦磨损性能。

关键词： 铁基材料   润滑分子   摩擦膜   摩擦化学反应   分子动力学模拟  

摘要： 钢表面润滑分子的摩擦化学反应对摩擦系统的摩擦磨损起着重要的作用,然而,由于接触区域反应的复杂性,实验仪器难以揭示这些反应的精确步骤,从而在实验观察和机理见解之间产生了不可避免的差距。本文应用Reax FF反应力场分子动力学的模拟方法,使用摩擦学理论研究了氧化铁或铁表面三种润滑分子(辛烯、石墨烯和含硫润滑分子)的摩擦过程,研究了界面摩擦化学反应的具体步骤和影响因素,揭示了摩擦化学反应对系统摩擦磨损行为的影响机制。主要研究内容如下:(1)模拟了限制在非晶态氧化铁表面之间的辛烯分子的摩擦过程,研究了界面辛烯分子数量和温度对摩擦行为的影响。研究发现高温促进了界面之间辛烯分子和氧化铁基底的化学反应,导致了较多的水和醇类氧化物等反应产物的生成,并促进了表面碳基摩擦膜的形成。通过分析界面原子分布行为,发现界面之间辛烯分子数量较少时,生成的水分子位于表面碳基摩擦膜之间,这显著地抑制了固态碳基摩擦膜之间的直接接触,从而降低摩擦力。(2)模拟了限制在非晶态氧化铁表面之间的单层氧化石墨烯或石墨烯(GO/Gr)片层的摩擦磨损过程。研究发现,在较低的载荷下(<4 GPa),上下基底之间的滑动剪切是通过GO/Gr片层的折叠和展开行为完成的。在这种情况下,石墨烯的层间剪切提供了较小的摩擦力。而在较高的载荷下(≥4 GPa),密集形成的界面C-Fe键促进了GO/Gr片层的破坏和分解,也促进了氧化铁表面的逐渐磨损,从而导致了上下表面之间的部分直接接触,因此产生了较高的摩擦力。(3)模拟了限制在铁表面之间的含硫润滑分子的摩擦过程,研究了润滑分子的吸附行为以及载荷和润滑分子硫含量对摩擦磨损行为的影响。研究发现,吸附在铁表面的含硫分子产生了分解,形成了表面硫膜和碳氢基团。表面硫含量较高时,界面之间通过牺牲少量表面铁原子形成了含硫膜-流动铁-含硫膜的层状剪切结构,从而导致摩擦磨损在各种测试载荷下都保持较低的水平。而表面硫含量较少时,界面在高载荷下(≥3 GPa)产生了严重的磨损,导致了较厚的非晶态剪切流动带的形成。在这种情况下,分布在剪切流动带内的硫原子可以形成强度较低的S-Fe键从而降低剪切阻力。

关键词： 微织构   润滑油劣化   摩擦磨损   高温氧化   柴油稀释  

摘要： 目前,船舶柴油机的强化指标不断提高,缸套-活塞环摩擦副面临着更多的减摩耐磨需求。在缸套表面上制备微织构形貌是一种有潜力的摩擦控制方法,已经得到了越来越多的关注。这种微织构形貌能够有效储存磨粒来减少表面磨粒磨损,微坑中储存的润滑油能够增加润滑油膜厚度来提供流体动压润滑效果,同时具有减少摩擦副的直接接触面积等特点。当微织构表面润滑油出现高温氧化、柴油稀释等劣化问题时,就需要考虑劣化润滑油对微织构表面摩擦磨损行为的影响,以支撑微织构表面形貌设计。本文通过制备高温氧化和柴油稀释等劣化润滑油油样,以无织构铸铁缸套和喷钼活塞环为对比参照,研究不同试验温度下劣化润滑油对微织构缸套摩擦磨损性能的影响,获得了润滑油劣化参数对微织构缸套和配对活塞环摩擦系数、磨损量、抗拉缸时间的影响规律,分析了微织构缸套磨损表面微观形貌特征、微区元素分布以及摩擦化学反应产物,探讨了润滑油劣化对微织构表面的影响机制,为微织构缸套在高强化柴油机上的应用提供技术支撑。主要结论如下:(1)在高温氧化润滑油的摩擦磨损试验中,相比于无织构气缸套,微织构缸套的摩擦系数和缸套磨损量减小,配对喷钼活塞环的磨损量增大,抗拉缸时间增加。随着润滑油高温氧化程度加剧,微织构缸套的摩擦系数和磨损量逐渐增大,抗拉缸时间逐渐缩短;无织构缸套磨损表面珩磨纹逐渐消失,沿着滑动方向的磨痕逐渐加重,而微织构缸套磨损表面的磨痕被微坑阻断,但微坑边缘损伤较多,部分磨粒储存到了微坑中。缸套磨损表面都存在ZDDP摩擦化学反应产物对应的S、P、Zn等元素。(2)在柴油稀释润滑油的摩擦磨损试验中,相比于无织构气缸套,微织构缸套的摩擦系数减小,微织构缸套及其配对活塞环磨损量增大;微织构缸套在180℃试验工况下抗拉缸时间延长,而在240℃工况下没有明显延长抗拉缸时间。随着柴油稀释润滑油的程度增大,微织构缸套的摩擦系数呈现先减少后增加,磨损量逐渐增加,抗拉缸时间先增加后逐渐缩短;磨损表面划痕明显增多,微坑仍然起到磨痕阻断作用,缸套磨损表面除了S、P、Zn等元素,还检测到来自柴油的Ti、Cu等元素。(3)高温氧化+柴油稀释润滑油的摩擦磨损试验表明,微织构气缸套和无织构气缸套表面都有大量沿滑动方向的划痕,微织构缸套表面微坑阻断了磨痕,并且摩擦化学反应产物形成的大量白亮斑点聚集在微坑内部。劣化润滑油中柴油成分对于缸套表面摩擦化学反应产物Zn S生成量减少有较大的影响,出现了较多的短链磷酸盐。

关键词： 唇形油封   密封性能   磨损计算   轴表面织构   磨损寿命  

摘要： 旋转轴唇形密封件(简称油封)具有跟踪补偿好、摩擦阻力小、制造成本低等优点,是各种旋转机械设备最常用的密封装置。油封是利用唇口和旋转轴间形成的润滑油膜实现密封和降低唇口的磨损,油封的磨损失效不仅造成经济损失和环境污染,甚至会危及生命安全。因此,对于油封的磨损及其密封性能的研究具有重要的理论和应用意义。 论文以某减速器中的双唇型旋转轴骨架油封为研究对象,通过有限元软件建立模型,仿真分析了不同的结构和工况参数对其密封性和耐磨性的影响,为选取和设计综合性能较为合理的油封提供参考。 将全局网络重构的有限元磨损仿真方法与油封的密封性能数值计算模型相结合,分析了油封在润滑条件下的磨损及其对密封性能的影响,分析了不同磨损时间的唇口轮廓、接触压力、最大接触压力及其对泵吸率和摩擦扭矩变化的影响曲线,结果表明:油封磨损可分为初期磨损和稳定磨损两个阶段,前一阶段唇口的磨损速率较大,最大接触压力也呈现较大的下降趋势;后一阶段磨损速率和磨损量都较小,最大接触压力趋于平缓。唇口轮廓与接触压力变化趋势一致,并逐渐趋于平缓,且空气侧的磨损程度比油侧更严重,泵吸率在磨损初期先下降随后上升,这是由于磨损导致了唇尖材料的损失,引起油封密封性能的不稳定;摩擦扭矩由于受磨损导致的径向力和润滑油剪切作用相互变化的叠加影响,呈现上升的趋势。 研究和分析了不同轴表面织构形状(正三角形、正方形、圆形)的油封,在不同磨损时刻的泵吸率和摩擦扭矩,结果表明:正方形织构和正三角形织构对油封的磨损程度比圆形的高;正方形和正三角形织构相比于圆形织构能提升油封的泵吸率增加其密封性能,但同时会使摩擦扭矩增加,加剧油封的磨损,因此需要综合考虑设计轴的表面织构形状。 基于Archard磨损模型,应用磨损仿真得到的最大磨损深度,建立了油封磨损的寿命模型预测其磨损寿命,分析了不同工况和结构参数对油封磨损寿命的影响,结果表明:随摩擦系数和轴的转速增大,磨损寿命都会缩短;随着过盈量的增大,寿命也会缩短。

关键词： 谐波减速器   柔性轴承   接触分析   磨损   装配偏差   疲劳寿命  

摘要： 随着智能制造深入应用和工业4.0的逐步发展,工业机器人正在大量应用在汽车、航空、医疗、军事等领域。目前国内工业机器人发展较为迅速,对高性能谐波减速器的需求也随之增加,但国产谐波减速器存在传动精度低、寿命短等问题,难以满足市场要求。其中柔性轴承在工作时不仅要承受柔轮啮合的反作用力,还需要承受椭圆凸轮的周期性交变挤压。相对于普通的支撑轴承,其套圈厚度更薄、柔度更小,因此柔性轴承更容易出现疲劳失效。柔性轴承零部件在制造和装配过程中由于精度和误差的存在,将会使柔性轴承的载荷分布不均,从而加剧柔性轴承的摩擦磨损导致谐波减速器提前失效。通过对柔性轴承的内部载荷分布、摩擦磨损和装配偏差进行研究,旨在预测不同负载和装配误差下柔性轴承的工作寿命,并为柔性轴承设计提供理论参考。这对于促进谐波减速器国产化的发展,以及提高谐波减速器的产品质量具有重要意义。首先建立了柔性轴承内部载荷的分布模型,并提出柔性轴承负载工况下的受力简化方法,针对某型号的柔性轴承分析了不同负载下滚道表面应力分布和套圈变形的规律;对柔性轴承内部的运动和外圈的磨损机理进行分析,分别建立摩擦副之间的磨损模型;其次通过矩阵变换的方法建立了凸轮偏心、偏斜的装配误差模型,分析了凸轮装配偏差对柔性轴承内载荷和疲劳寿命的关系;最后采用ABAQUS对谐波减速器进行不同负载工况下的有限元仿真分析,通过对仿真结果数据的提取并与理论计算进行对比分析。研究结果表明,柔性轴承内部载荷最大的位置在椭圆长轴,外圈的接触应力大于内圈,随负载的增加应力分布发生偏转,这是由于柔性轴承外圈受到柔轮周向摩擦力作用的结果;柔性轴承与柔轮内壁接触区域随角度变化而不同,且外圈的磨损比滚道的磨损更为剧烈;当凸轮的偏心距增大时,柔性轴承载荷成倍增加,偏心误差相比偏斜误差对载荷的影响更加明显;通过与有限元模型的对比表明理论模型具有较高的可靠性。

关键词： 液压软管   振动特性   复合强度   力学性能   失效预测   模态分析  

摘要： 航空液压管路系统作为飞机系统中至关重要的组成部分,在航空运营中,由于可能出现各种差错或质量缺陷等问题,会导致飞机液压系统故障,并且未得到充分的重视,因此,研究并规范管路设计、制造、安装、使用及维护对工程实际具有极其重要的现实意义。由于液压软管的实际使用场合以及长时间处于振动环境中,且管路内壁会受到油液及杂质等冲刷或管路扭转弯折等原因,使本身不耐磨的聚四氟乙烯内壁受到磨损,又因为外胶层受使用环境影响而致使其容易受到腐蚀,因此有必要对于损伤管路的振动特性进行探究。采用基于流固耦合的有限元建模方法,对损伤液压软管的振动特性进行研究。损伤模型包括内壁磨损与外壁腐蚀,控制三个参数的改变,分别为缺陷轴向长度、缺陷深度与流体压力。首先,对液压软管进行有限元建模,并通过实验验证建模方法的正确性。其次,确定损伤工况,并对损伤软管进行力学性能分析。结果表明,管路内壁含磨损缺陷时,管路力学性能在缺陷深度与壁厚比达到0.4时发生突变,并结合所建立的复合强度模型可得,当缺陷轴向长度为30mm和50mm时,临界损伤深度与壁厚比分别为0.8和0.75。当管路外壁含与内壁缺陷大小相同的腐蚀缺陷时,此时微小的损伤程度对管路性能影响很小。在静力学研究之后,对管路进行模态分析,研究发现当管路含损伤缺陷时,管路的固有频率随着损伤扩展而增大,随流体压力增大而减小。最后,对损伤管路进行振动响应分析,通过振动响应分析可知,振动响应值随流体压力增大而减小,当内壁含磨损缺陷时,振动响应值随着内壁磨损缺陷的扩展而增大,当外壁含腐蚀缺陷时,不同轴向长度的腐蚀缺陷对管路响应值的影响不同,且当管路内壁与外壁在相同位置含相同大小的损伤缺陷时,内壁在更小的能量和冲击力下,产生了更大的形变和受压,因此内壁损伤时管路状态更危险。

关键词： 翼型   气固两相流   流动控制   气动性能   磨损  

摘要： 我国风电可分为陆上风电和海上风电,海上风电作为近些年来科研前线的主要着力点,国内装机占比逐年升高。但目前陆上风力机仍然是我国发展的主流,其市场份额不容小觑,陆上风力机的分布以西北、华北地区为主,而西北地区是沙尘暴的主要侵害的区域,因此在该地区的风力机将会长时间遭受风沙的侵袭,会造成风力机的磨损侵蚀现象并导致气动性能的降低。流动控制方法可以有效提高翼型的气动性能,同时还可以影响沙粒的流动轨迹,减小翼型的磨损。因此将流动控制方法和气固两相流结合起来研究是很有必要的。本文以NACA 0012翼型为研究对象,研究了流动控制方法在风沙环境下对翼型的气动性能与冲蚀磨损的影响。本文的主要研究内容如下:(1)对风沙环境下的NACA 0012翼型进行数值模拟,发现:翼型的磨损区域主要集中在翼型前缘以及压力面的部分;随后研究不同控制体放置在翼型前缘时对翼型的影响,发现:控制体的尾流可以对翼型周围的边界层以及粒子产生影响,提高翼型的气动性能并且减小翼型的磨损。通过分析颗粒浓度图与涡量图,可以发现以圆柱体作为控制体时,其产生的低颗粒浓度区域包裹住了翼型的磨损区域,可以有效的降低翼型的磨损,而涡量图中圆柱体降低了翼型吸力面和压力面的涡量梯度,提高了翼型的升阻比。对于不同直径的圆柱体,圆柱体会产生一个正涡量区,形成涡量梯度差,对粒子的颗粒轨迹产生影响,使之呈现喇叭状外扩流动,减少粒子撞击在翼型上的数量,从而减小翼型的磨损。随着圆柱体直径的增大,微小圆柱的控制能力不断增强,但在直径达到2cm后控制能力逐渐保持稳定。(2)研究了不同来流工况下微小圆柱对翼型的影响,研究发现:在不同来流风速时,控制翼型的升阻比在风速为10m/s～80m/s时大于原翼型,在风速小于80m/s时,控制翼型的磨损量小于原翼型,并且随着风速的增大,控制翼型磨损量的减小量(控制翼型与原翼型磨损量的差值)却不断减小,控制翼型的磨损量逐渐接近于原翼型;在不同颗粒粒径时,控制翼型的升阻比优于原翼型,磨损量小于原翼型,气动方面受到颗粒粒径变化的影响较小,但控制翼型磨损量的减小量却随着粒径的增大而减小,在粒径为10μm～20μm时控制翼型磨损量的减小量最大,粒径在100μm之后控制翼型磨损量的减小量逐渐减小,控制翼型的磨损量接近于原翼型;在不同颗粒浓度时,控制翼型的升阻比高于原翼型,磨损量却小于原翼型,控制翼型会随着颗粒浓度的变化产生近乎等比例的变量,颗粒浓度对于微小圆柱的控制能力影响较低。在研究控制翼型的气动性能时发现:虽然控制翼型的升阻力系数都大于原翼型,但微小圆柱对翼型阻力系数的影响远大于升力系数,最终导致其升阻比大于原翼型。(3)研究了不同相对厚度(最大相对厚度为12%、15%和18%)的三种翼型和不同相对弯度(最大相对弯度为1%、3%和5%)的三种翼型下微小圆柱对于翼型的影响,研究发现:随着相对厚度的增大,利用微小圆柱减小磨损的最优区域越大,微小圆柱的控制范围越大,但攻角的适用范围却随之减小,在8°攻角时控制翼型的磨损量最大,而气动临界突变攻角(定义为控制翼型的升阻比由高于原翼型转变为低于原翼型的临界攻角值)则会随之增大,并且在小攻角时微小圆柱的控制能力更好,在8°攻角时升阻比最大;随着相对弯度的增大,利用微小圆柱减小磨损的最优区域越小,微小圆柱的控制范围也越小,相应攻角的适用范围也随之减小,但磨损量的攻角峰值却在不断增大,而气动临界突变攻角却会随着相对弯度的增大而增大。