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关键词： 膨胀烘干机   断裂   磨损   泄漏   运行周期  

摘要： 根据统计，2016—2021年膨胀烘干机在5年内停机检修达43次，严重影响装置的正常生产，其中螺杆断裂、螺套及衬套磨损、剪切螺钉外泄3种故障占到75%。分析这3种故障产生的原因，并对设备进行改造应用，以解决生产瓶颈问题，保证设备安全、稳定运行。

关键词： 滑动轴承   BP神经网络   遗传算法   麻雀搜索算法   磨损预测  

摘要： 轴瓦是柴油机中重要的滑动轴承,随着内燃机向高爆压、高功率密度的方向发展,轴瓦的工作条件更加恶劣,更易出现磨损问题,进而影响柴油机的可靠性。对轴瓦的磨损行为进行研究,探索其磨损机理和规律,可有效加快柴油机滑动轴承的研发进程。对滑动轴承的磨损情况进行预测可以节约成本、提高试验效率,但是由于滑动轴承的磨损体现出较强的非线性,预测较为困难,而目前报道的预测模型大多数依靠经验公式,与实际试验数据的关联度较低。因此本文对滑动轴承的磨损行为进行研究,探索不同工况条件下的磨损规律,分析磨损机理,进而提出改进的BP神经网络预测模型,对不同工况下滑动轴承的磨损情况进行预测。主要内容及结论如下:试验方面,基于研制的零部件级滑动轴承摩擦磨损试验机进行试验,研究沟槽轴瓦在不同试验载荷、转速、油温和磨损时长下的磨损规律,并对滑动轴承磨损微观表面进行观察分析,揭示其磨损机理。预测方面,将42组不同工况的磨损数据代入BP神经网络进行学习训练,去预测18组不同工况下滑动轴承的磨损量。传统BP神经网络的预测精度较低,需要进行优化。根据经验公式选择出最优的BP神经网络隐含层神经元个数,再用遗传算法(GA)、麻雀搜索算法(SSA)对神经网络的初始权值、阈值等进行优化,并利用优化后的模型预测不同工况下滑动轴承的磨损情况。研究结果表明:滑动轴承的磨损量随着载荷、油温、磨损时长的增加而增大,随着转速的升高而减小,但是变化的幅度不规律,呈现非线性特点。磨损后,轴瓦表面凹槽结构仍然存在,铅基镀层呈现变薄的趋势,镀层结构变得不规则,且分布不均匀,轴瓦表面凹槽和凸台的高度减小,并且横截面积变大。在轴和滑动轴承的旋转剪切作用下,铅基镀层随着轴的旋转从凹槽中出来,其边缘会发生塑性流动并粘附在铝基体表面。对BP神经网络隐含层的神经元个数进行优化,对比发现,在神经元个数为五个时,BP神经网络的预测结果较准确,拟合优度较高,但是误差仍然较大。因此,在确立隐含层神经元个数为五个后,分别选取遗传算法、麻雀搜索算法优化BP神经网络,基于优化后的GA-BP神经网络和SSA-BP神经网络对滑动轴承磨损质量进行预测。结果表明SSABP神经网络的预测结果的误差指标的数值极小,决定系数接近于1,拟合优度极高,可对滑动轴承的磨损情况进行准确预测,为滑动轴承的研发测试提供指导。

关键词： 轴向柱塞泵/马达   滑靴副   Archard磨损模型   摩擦磨损试验   磨损仿真  

摘要： 科技日报将“高压轴向柱塞泵”列为我国亟待攻克的35项卡脖子技术之一,发展高压轴向柱塞泵的重要性不言而喻。高功率密度轴向柱塞泵/马达以其体积更小,重量更轻的优势,成为了飞机火箭、海洋工程、特种车辆、工程机械等领域高端装备的核心元件。发展轴向柱塞泵/马达均以高速化高压化作为目标,国际上实现了以35MPa的超高压工况为主流,并向着更高的56MPa工况发展,而我国仍处于21MPa、28MPa的高压工况阶段。提高轴向柱塞泵/马达压力工况的关键是提高泵/马达关键摩擦副在高压下的抗磨损性能。为此本文展开了以下研究。 分析计算轴向柱塞泵/马达三大摩擦副在两种不同工况下的工况参数。首先对轴向柱塞泵/马达三大摩擦副进行运动学分析和受力分析,推导三大摩擦副的运动表达式,列出三大摩擦副的力平衡方程。其次结合科学计算软件Mathematica编写程序计算三大摩擦副在不同工况下(1、普通工况:20MPa、1200rpm;2、高功率密度工况:60MPa、3600rpm)的相对运动速度和载荷。 设计标准磨损测试试验。以滑靴副为主要研究对象,进行销-盘配副磨损试验。按照真实摩擦副和试验试件的摩擦副材质(包括材料、加工工艺及表面质量等)、相对运动速度及载荷相互等效的原则设计销-盘配副磨损试验,结合滑靴副的工况参数预设试验工况。 对试验结果进行分析,探究常规泵/马达材料在高压工况下的磨损规律,对比评价高承载条件下泵/马达设计材料的抗磨性能。分析铝青铜1～7小时磨损试验结果,得到了铝青铜销试件磨损量随时间的演化规律;分析铝青铜销试件磨损率随速度载荷变化的演化规律,总结得到了速度载荷磨损图谱;对比铝青铜与锰黄铜及其他另外6种不同的双金属销材料,共8种材料的耐磨性能,得到了以铝青铜为基准的耐磨性排序结果。在试验结果分析过程中,修正了 Archard磨损模型的速度、载荷指数项,并在Origin平台上采用基于Levenberg-Marquardt优化算法的最小二乘法进行数据拟合帮助分析。 基于Archard磨损模型,结合修正后的速度、载荷指数项,建立了可用于磨损预测及耐磨性对比的磨损仿真模型。在ANSYS Workbench仿真平台上,使用命令调用Archard磨损模型,建立了在125N、300rpm试验工况下的铝青铜(QAl9-4)销与渗碳钢(20CrMnTi,碳氮共渗)盘配副的摩擦磨损仿真模型。仿真结果相对试验结果(平均体积磨损率)的误差仅为3.95%,相对于速度载荷磨损图谱拟合结果误差仅为1.63%。该仿真模型得到的磨损云图所表现出来的磨损演化规律,与实际磨损照片所表现的规律是相似的。因此参考该摩擦磨损仿真模型得到的磨损云图,可以对判断磨损的发展演变提供参考。并且该磨损仿真模型还可以向预设工况以外进行预测仿真,或对比其他配副材料的耐磨性能。

关键词： 聚四氟乙烯   磨损   摩擦化学   填料   摩擦副  

摘要： 聚四氟乙烯（PTFE）作为常见的固体自润滑材料,具有优异的润滑性能和化学稳定性,却展现出较差的耐磨性。传统微米级填料的增强作用只能有限的提高其耐磨性,而纳米填料引起的超低磨损界面的形成可以使PTFE润滑材料的耐磨性提高3到4个数量级,极大的推动了其在工程上的应用。随着对PTFE超低磨损界面的不断理解,发现界面间机械与摩擦化学两种减磨机制相互耦合,共同发挥作用,且存在一种微妙的竞争关系。由于文献中缺乏对于摩擦界面间磨损与摩擦化学之间的竞争作用机制的研究,本文通过改变摩擦副的接触和运动形式,测试不同种类Al2O3/PTFE复合材料的摩擦磨损性能,并利用形貌表征、傅里叶红外光谱、扫描电子显微镜以及X射线电子能谱等方法建立填料、磨损和摩擦化学之间的联系,然后进一步完善耐磨界面机械与摩擦化学竞争作用机制。 实验结果发现在相同的滑动距离下,端面和往复实验中α-Al2O3/PTFE复合材料的磨损率几乎没有变化,但是γ-Al2O3/PTFE复合材料在端面实验中磨损率降低了50倍。伴随着磨损率的巨大差异,磨损界面转移膜形态与摩擦化学信号也呈现较大区别,端面实验中生成了高质量转移膜且有较强的羧酸官能团信号,而往复实验中转移膜表面存在较大尺寸磨屑,摩擦化学信号也较弱。 通过实验分离出接触形式和填料对γ-Al2O3/PTFE复合材料磨损率的影响,发现在端面实验中密闭的几何接触增加了磨屑的滞留时长,促使磨屑尺寸细小化,有利于粘附和转移膜的生成,该过程大大缩短了聚合物的磨合阶段,使滑动界面上出现了磨损和摩擦化学竞争的转折点,即摩擦化学生产速率大于材料磨损速率,该情形下摩擦化学产物持续累积,不断地稳定界面摩擦膜,阻止亚表面裂纹的产生,以致材料可以快速到达稳态超低磨损,低磨损反过来促进摩擦化学产物积累,界面形成稳定的良性循环。 本研究通过机械与摩擦化学竞争的视角更深入地研究超低磨损界面的形成,对理解机械与摩擦化学减磨耦合机制以及聚合物超低磨损体系有帮助,且文中磨损和摩擦化学之间错综复杂的相互作用关系可能对许多摩擦学界面研究具有参考价值。

关键词： 层流等离子体束   单点织构功能表面   U75V钢轨钢   在线预测模型   磨损行为   损伤机理  

摘要： 工业领域中,铁路轮轨等关键零部件在服役过程中承载着复杂交变载荷,其金属接触表面易出现各类磨损或疲劳失效问题。随着高能束的发展,织构化热处理技术通过在金属接触表面上构建离散硬质织构点,形成织构功能表面,提升工件的耐磨性而不明显降低其疲劳性能,这为综合金属接触表面磨损性能与疲劳性能提供了新的研究方向。然而,目前依旧存在以下问题抑制着该技术的发展及应用:一是织构功能表面制备参数难以选取,需要依靠预实验摸索,费时费力,无法满足不同工况下可控制备织构功能表面的需求;二是在典型滚滑接触工况下,基于层流等离子体束构建的织构功能表面的磨损行为未知,且织构点服役后往往在单侧产生裂纹,而其损伤机理未被清晰揭示。针对以上问题,本文以单点织构功能表面为例,首先构建了基于层流等离子体束的织构化热处理系统;随后针对单点织构功能表面可控制备方法开展了研究,构建了硬化区尺寸在线预测模型;最后研究了单点织构功能表面在滚滑接触工况下的磨损行为及损伤机理。本文主要研究内容及结论如下:(1)搭建包含层流等离子体射流在线监测系统及热处理控制系统的织构化热处理系统。该系统能够实现的功能包括:(1)能够通过本文所提的射流稳定性判据(电压均值波动小于±0.5 V,方差小于0.2;电流方差小于5;且射流无绿光)判断射流状态。(2)能够通过Lab VIEW上位机对射流图像和电信号进行实时监控及数据保存。(3)能够通过PLC控制伺服电机及电磁阀,实现织构化热处理流程。凭借以上三者,该系统能够在工件表面制备出硬化点大小一致、间隔均匀的单点织构功能表面。(2)研究单点织构化热处理后硬化区尺寸在线预测方法。通过开展不同参数下的织构化热处理实验及温度场仿真分析了处理参数对热流密度及热处理结果的影响。研究发现:(1)随着电弧电流和阳极喷嘴高度的增大,热量总效率系数将不断减小,而有效热源半径基本不随电弧电流、阳极喷嘴高度而变化,可认为是一定值(本文为5.865 mm);(2)随着热流密度峰值和加热时间的不断增大,热处理的最大温度和硬化区尺寸将不断增大,但实际的热处理最大温度需控制在奥氏体化温度与材料熔化温度之间。(3)结合实验与仿真结果,构建了硬化区尺寸在线预测模型,能够在线计算热流密度峰值、最大温度、硬化区尺寸。不同热处理参数下的验证实验表明,预测模型能够较准确地预测织构化热处理效果,且预测尺寸与实验尺寸基本一致,误差在20%以内。(3)研究单点织构功能表面的滚滑接触磨损行为与损伤机理。在U75V钢轨试样表面构建了多种单点织构功能表面,并模拟重载铁路工况开展了滚滑接触磨损试验,对单点织构功能表面的磨损行为进行了分析,通过建立接触仿真模型计算了磨损过程织构表面的应力应变分布情况,揭示了织构点的损伤机理。研究发现:(1)所构建单点织构功能表面的耐磨性相较于未处理表面提升了1.26-1.75倍,且表面损伤减轻。其原因包含两方面:Ⅰ.织构点硬度为800 HV,相较于基材提升了2.4倍;Ⅱ.织构点间基材的塑性变形会被织构点所抑制,导致分层磨损被抑制。(2)仿真结果表明织构点在服役过程中承受的应力大于基材,而基材在服役过程中承受的应变大于织构点;进入侧的剪应力方向背离织构点,而背离侧的剪应力朝向织构点。(3)织构点在磨损后出现较特殊的损伤形式:在进入侧,织构点出现严重裂纹和碎裂现象,而在背离侧,织构点基本无损伤。该特殊损伤形式与是否织构点和基材交界处存在应变差密切相关。

关键词： 单髁置换术   软骨磨损   全层软骨磨损   部分软骨磨损   临床疗效  

摘要： 目的:对于终末期的膝关节骨性关节炎(KOA),像服用止疼药物、冰敷、关节镜等治疗通常效果欠佳。单髁置换术(UKA)是一种治疗KOA的成熟的手术方式,具有缩短手术时间、减少住院时间、创伤小、降低手术出血量、加快术后康复、减少围手术期疼痛,保留交叉韧带以及本体运动感觉等优势。目前普遍认为UKA更适用于有膝关节全层软骨磨损的患者,然而少部分患者膝关节软骨呈部分磨损状态,有明显临床症状且符合UKA的其他指征,经保守治疗或其他非保膝治疗手段无效,这部分患者是否适合UKA?本研究拟对在我院已经使用UKA治疗的膝关节软骨部分和全层磨损患者进行回顾性对比分析,为具有临床症状且经保守治疗无效的膝关节软骨部分磨损患者是否可行UKA提供一定参考。方法:回顾性收集2018年1月--2021年6月在我院行UKA治疗的所有患者的数据,术前需有本院患侧膝关节MRI以及术后至少1年的随访结果。根据术前的MRI资料,采用软骨损伤ICRS分级分成两组:(1)膝关节软骨部分磨损组(PTCL),即膝关节股骨侧和胫骨侧ICRS分级均达到III级,或者一侧III级另一侧达到IV级(2)膝关节软骨全层磨损组(FTCL),即膝关节股骨侧和胫骨侧ICRS分级均达到IV级。评估方法:(1)通过测量膝关节活动度(Range of Movement,ROM)来分析膝关节屈曲、伸直问题。通过美国膝关节协会评分(Knee Society Score,KSS)以及美国纽约特种外科医院评分(Hospital for Special Surgery,HSS)评估患者膝关节功能。(2)采用视觉模拟量表(Visual Analogue Scale,VAS)评估患者膝关节疼痛情况。(3)收集术后并发症,有无假体脱位、切口感染、假体周围感染、假体松动、切口延迟愈合以及下肢静脉血栓等情况。采用SPSS系统对数据资料进行统计分析,独立t检验进行组间比较,计量资料用(χ±s)表示,计数资料用卡方检验比较,显著性水平指定为0.05,p<0.05即表示存在显著性差异。结果:2018年1月至2021年6月,我院共有194名患者接受了UKA治疗,其中有80例因没有术前MRI影像结果或者没有随访结果而排除在外。最后,膝关节软骨部分磨损组(PTCL)共有24名患者,膝关节软骨全层磨损组(FTCL)90名患者。FTCL组与PTCL组在年龄、身高、体重、BMI、平均随访时间等方面无明显差异。术前资料方面,两组术前膝关节活动度、HSS评分、KSS临床评分、KSS功能评分以及VAS评分未见明显差异,P>0.05。对于术后资料,FTCL组的平均膝关节活动度132.06±8.34°(范围115-145°),平均KSS临床评分99.27±2.60分(范围90-100分),平均KSS功能评分99.63±2.36分(范围80-100分),平均HSS评分99.38±2.20分(范围81-100分),平均VAS评分1.43±1.15分(范围0-5分);PTCL组中的平均膝关节活动度129.58±8.59°(范围110-130°),平均KSS临床评分88.67±6.63分(范围73-97分),平均KSS功能评分85.42±10.52分(范围65-100分),平均HSS评分91.71±4.66分(范围81-98分),平均VAS评分2.71±1.52分(范围1-6分)。由此可见,FTCL组术后的平均HSS评分、平均KSS临床评分、平均KSS功能评分以及平均VAS评分均优于PTCL组,有统计学意义,P<0.05,而膝关节活动度方面则无明显统计学差异,P>0.05。结论:对于膝关节软骨部分磨损组(PTCL)的患者,虽然有一部分在短期随访内获得较好的临床效果,但我们认为和膝关节软骨全层磨损的患者相比,并不建议使用UKA治疗。

关键词： 弓丝托槽   人工唾液   咖啡   单宁酸   摩擦系数  

摘要： 市面上常见的口腔正畸矫治器主要由弓丝和托槽组成,其作用是利用矫治力使得牙齿移动,从而达到排齐牙齿的目的。在正畸矫治的过程中,弓丝托槽相互滑动产生摩擦力。口腔环境复杂多变,不同环境对弓丝托槽的摩擦性能造成影响,但目前口腔环境中食物和饮料对弓丝托槽摩擦磨损行为的影响研究较少。咖啡作为世界上最受欢迎的饮料之一,患者在正畸治疗过程中也经常接触到。因此本文主要研究咖啡环境下弓丝托槽摩擦磨损行为的变化规律,为日常饮食对正畸器具的影响提供实验基础和参考。 为了研究咖啡中固体不溶物对弓丝托槽摩擦磨损行为的影响,采用市售咖啡产品和人工唾液模拟口腔中的咖啡环境,利用自行搭建的弓丝托槽往复运动摩擦磨损测试装置进行摩擦磨损实验。通过对咖啡中固体物进行粒径分析,发现固体物粒径的变化对弓丝托槽摩擦系数的影响较小。随着咖啡黏度的增加,弓丝托槽之间的摩擦系数略微变大;在黏度为6.00 c St的咖啡中,摩擦系数为0.27。随着咖啡浓度的增加,弓丝托槽的摩擦系数降低;在浓度1.8 g/100 g咖啡中,最低摩擦系数达0.20。实验结果表明,咖啡中的固体不溶物进入弓丝托槽摩擦界面,并附着在弓丝托槽表面。一方面,咖啡黏度的增加使附着在弓丝托槽表面的不溶性固体物黏着力增大,导致摩擦系数上升。另一方面,咖啡浓度的增加使附着在弓丝托槽表面的不溶性固体物增多,弓丝和托槽表面的微凸体接触减少,两者之间的真实接触面积变小,摩擦系数降低。 为了研究咖啡中化学成分对弓丝托槽摩擦磨损行为的影响,首先探索了咖啡中的水、糖和单宁酸等成分作用下弓丝托槽摩擦行为的变化规律,发现只有单宁酸溶液中摩擦系数出现明显下降,其平均摩擦系数为0.33。其次,通过在柠檬酸、乳酸和单宁酸等有机酸溶液中进行弓丝托槽摩擦实验,仍然只有单宁酸溶液中摩擦系数出现明显下降。进一步,探讨了不同浓度单宁酸溶液中弓丝托槽摩擦磨损行为的变化规律,当单宁酸浓度小于1 g/L时,单宁酸的浓度越大,弓丝托槽的摩擦系数越低;当单宁酸浓度为1 g/L时,弓丝托槽的平均摩擦系数为0.29;继续增大单宁酸浓度,弓丝托槽平均摩擦系数稳定在0.29左右,且弓丝表面为轻微磨损。最后,通过表征分析探讨了单宁酸成分作用下弓丝托槽的减摩机理,结果表明,单宁酸分子与弓丝托槽中的铁离子发生化学反应生成络合膜,并附着在弓丝托槽表面。单宁酸中富含的羟基在接触界面形成氢键网络结构并将水分子固定在接触区形成水滑移层,减小滑动过程中的剪切阻力,从而降低摩擦系数。随着单宁酸浓度的增大,界面化学反应产生的络合膜增加,在浓度为1 g/L时达到饱和状态,此时对应的弓丝托槽摩擦系数也降低到最小值。

关键词： Cf-Al2O3/Cu复合材料   电弧侵蚀   载流摩擦学性能   服役参数  

摘要： 载流摩擦副广泛应用于高压电器、电阻焊电极和武器装备等领域,其服役特点是在相对运动的同时完成电能的传递,需要载流摩擦副材料具备良好的导电、力学、抗电蚀和耐摩擦性能。AlO/Cu复合材料中弥散分布的AlO颗粒具有良好的强化效果,使得复合材料在保持铜基体优异导电性能的同时力学性能大幅提升,是常用的载流摩擦副材料之一。随着载流摩擦服役高速化、重载化的趋势,载流摩擦副材料的服役性能需求越来越高,AlO/Cu复合材料的载流摩擦学性能亟待进一步提升。碳纤维（Cf）具有强度高、物理化学性质稳定、良好的自润滑性等优点,将其引入到AlO/Cu复合材料中,有望在保持复合材料良好传导和力学性能的基础上,进一步提升其载流摩擦学性能,以满足载流摩擦领域日益苛刻的服役性能需求。 本文通过粉末冶金加内氧化的方法制备了Cf-AlO/Cu复合材料,研究了Cf和AlO颗粒对Cf-AlO/Cu复合材料微观组织和力学性能的影响,探讨了复合材料的强化机制。在此基础上,研究了不同碳纤维含量下Cf-AlO/Cu复合材料的抗电弧侵蚀性能和载流摩擦磨损性能,探明了Cf和AlO颗粒协同作用对复合材料抗电弧侵蚀性能和载流摩擦磨损性能提升的作用机制,研究了Cf-AlO/Cu复合材料在不同服役参数下的载流摩擦磨损行为。研究结果表明: ***-AlO/Cu复合材料组织致密均匀,Cf未发生团聚现象,材料中没有明显的孔洞、裂纹等缺陷出现。5（vol%）Cf-AlO/Cu复合材料的综合性能较佳,其硬度和导电率分别为160 HBW和75%IACS。理论分析计算表明,复合材料中主要存在Orowan强化、载荷传递强化、细晶强化和协同强化四种强化机制,其中Orowan强化占主导地位。 ***的引入能够提升Cf-AlO/Cu复合材料的抗电弧侵蚀性能,5Cf-AlO/Cu复合材料具有较佳的抗电弧侵蚀性能。在电弧侵蚀过程中,AlO颗粒起到了增加熔池粘度的作用;Cf起到了稳定电弧、增加熔池粘度和减小材料质量损失的作用,从而提高复合材料的抗电弧侵蚀性能。但Cf存在一个较佳的添加含量,当Cf的添加量超过5vol%时,复合材料的导电和导热性能较差,电阻热的增加以及热传导效率的下降,加剧了电弧侵蚀过程中的熔融喷溅现象,导致其抗电弧侵蚀性能降低。 3.随着Cf含量的增加,复合材料的摩擦系数和磨损率呈现先上升后下降的趋势,其中5Cf-AlO/Cu复合材料具有较佳的载流摩擦学性能。在载流摩擦过程中,Cf会在磨损表面形成碳润滑层从而起到润滑减摩的作用,润滑效果的提升提高了摩擦系统的稳定性,降低了材料受到的电损伤程度;电烧蚀现象的减弱降低了材料受到的机械损伤程度,两者互相耦合,提高了复合材料的载流摩擦学性能。 4.不同的服役条件对5Cf-AlO/Cu复合材料的载流摩擦磨损性能有显著的影响。随着载荷的增加,复合材料的磨损机制由磨粒磨损转变为剥层磨损;随着电流的增加,复合材料的氧化磨损和电弧侵蚀程度逐渐加重。在实验条件下,随着载荷和电流的增加,复合材料的摩擦系数和磨损率逐渐增加。在0-25 A,30-40 N的服役参数区间内,复合材料具有较为稳定的载流摩擦学性能,其摩擦系数和磨损率分别低于0.21和6.5×10 mg/m。

关键词： 无保持架球轴承   滚道磨损   离散元法   颗粒集合单元   粘结键断裂  

摘要： 无保持架球轴承因滚动体的个数增加具有更高的刚度,作为备用轴承用于支撑磁浮轴承失效时下落的转子,避免转子和定子接触。已有学者在无保持架球轴承外滚道设计减碰槽可以实现滚动体互不接触,而减碰槽一旦磨损会导致滚动体发生碰撞。为此,本文对带减碰槽无保持架球轴承外滚道磨损的离散元法表征进行研究,建立无保持架球轴承的离散元磨损模型,并通过理论分析、仿真分析以及试验验证进行研究。首先,对无保持架球轴承外滚道的磨损原理进行分析,以此为依据确定离散元法粘结键断裂作为轴承外滚道磨损的表征方式,并将轴承外滚道离散成由粘接键连接的颗粒体系,分别建立滚动体与常规外滚道和减碰槽处颗粒体系接触的集合单元,为后续颗粒体系接触力方程建立提供基础模型;分析外滚道颗粒间接触形式,建立外滚道颗粒间的接触模型,结合颗粒体系的排列方式建立能量守恒方程,确定颗粒间接触的法向和切向弹性系数与阻尼系数;最后根据离散元粘结键理论,建立外滚道颗粒间的粘结模型,确定外滚道颗粒间粘结键断裂条件,完成轴承外滚道磨损的粘结键断裂表征。其次,针对表征外滚道磨损的粘结键断裂进行研究,根据前述所提出的外滚道颗粒体系的集合单元,建立滚动体与外滚道颗粒体系集合单元的接触模型,在此基础上分别建立滚动体与常规外滚道及减碰槽处集合单元的接触力方程,确定滚动体与不同位置集合单元所受外力变化规律;根据颗粒体系的排列方式分析不同层数不同位置颗粒内力变化规律,建立外滚道颗粒体系内力传递方程,将滚动体与集合单元接触面所受外力作为颗粒体系内力初值代入传递方程,并结合MATLAB编程对内力传递方程进行求解;将所求内力与粘结键断裂条件进行对比,分析外滚道颗粒间粘结键断裂情况,建立因粘结键断裂导致颗粒脱落数量与脱落层数的拟合方程,用以预测外滚道的磨损量及磨损深度。最后,为验证轴承外滚道离散元粘结键断裂表征磨损的正确性,本文以带减碰槽无保持架球轴承为仿真和试验对象,运用仿真软件EDEM对轴承磨损进行仿真研究,获取滚动体与外滚道接触力变化规律以及轴承外滚道磨损量;对带减碰槽无保持架球轴承进行变转速变载荷的12组磨损试验,结合天平及超景深对外滚道的磨损量与减碰槽的磨损深度进行测量,对比理论研究、仿真分析及试验结果,验证了无保持架球轴承外滚道离散元磨损表征的正确性。本文通过对带减碰槽无保持架球轴承外滚道磨损的研究,提出利用离散元法中粘结键断裂来表征外滚道的磨损,确定了外滚道与减碰槽的磨损程度,该研究为无保持架球轴承的设计提供了理论指导。

关键词： Ti-6Al-4V   TiAlN涂层刀具   刀具磨损   扩散磨损   分子动力学  

摘要： 钛合金具有相对密度小、耐热性好、结构强度高等特点,被广泛应用于航空航天、船舶制造业、汽车制造业等高端领域。在航空航天领域的发动机零部件制造中,钛合金材料占比达20%以上,并且呈现日益增加的趋势。但是,导热系数小、弹性模量低、化学活泼性高等特点使得钛合金在加工过程中极易造成刀具快速磨损,导致刀具寿命短暂。刀具合理的选用有利于减缓Ti-6Al-4V加工时刀具磨损现象,提高加工精度,降低生产成本。TiAlN涂层刀具凭借良好的耐高温性能以及低摩擦系数常被用于钛合金、镍基高温合金等难加工材料的切削加工中。加工过程中,刀具磨损会造成切削力增大、切削温度的增加、机床振动加剧以及已加工表面质量的恶化等,从而导致加工零部件使用寿命的降低。因此,研究刀具磨损具有极其重要现实意义,可以为切削参数优化、刀具选择等提供理论依据,进而提高刀具寿命,零件加工精度以及表面完整性。本文以TiAlN涂层刀具为研究对象,通过试验与模拟相结合的方式,对铣削钛合金过程中的刀具磨损问题进行研究。基于有限元仿真软件搭建钛合金二维铣削模型,研究最大正应力、膜-基界面温度及应力对TiAlN涂层刀具磨损的影响规律,发现涂层剥落率先在刀尖区域开始,即从最大正应力、膜-基界面温度及应力数值的最大处开始,而后逐渐蔓延至前刀面并造成大面积涂层剥落。分析Al含量、刀具基体、涂层厚度对于刀具磨损的影响,低表面粗糙度、低热导率、低弹性模量以及3μm厚度的TiAlN涂层,高热导率及低弹性模量的刀具基体有利于减缓刀具磨损。通过铣削试验,研究不同Al含量的TiAlN涂层刀具磨损演变过程及磨损机理,发现前刀面的磨损形式由初始的粘附、微崩刃转变为涂层剥落、崩刃;后刀面的磨损形式由初始的粘附、划痕转变为边界磨损、堆积层及烧蚀。良好的膜基结合力(Lc2)、涂层硬度、H/E及H/E*使得TiAlN涂层的耐磨性增强、剥落现象减弱,进而对刀具起到更好的保护作用。粘结磨损、扩散磨损及氧化磨损为TiAlN涂层刀具铣削加工时主要磨损机理。通过刀具磨损区域的EDS分析,发现前刀面在切削刃(近刀尖处)附近区域的扩散磨损及氧化磨损较重。后刀面在切削刃(近刀尖处)附近区域扩散磨损较为严重,在切削刃(近刀尖处)附近区域及堆积层处的氧化磨损较为严重。研究刀具磨损对于已加工表面影响。发现已加工表面粗糙度伴随着刀具磨损加重而增加。沟槽、凹坑、表面撕裂以及粘附为已加工表面的主要缺陷。其中,沟槽是影响已加工表面质量的主要因素。分析刀具磨损对于切屑形貌的影响。发现伴随着刀具磨损增加,切屑由锥形螺旋切屑转变为弧形切屑,切屑的毛边由锯齿形逐渐变的不规则化,切屑自由表面的褶皱间距离增加,切屑锯齿化程度加重。通过分析不同磨损程度下的刀具横截面,发现扩散磨损同粘结磨损之间为协同作用,即元素扩散的增强使得刀具与粘附材料之间结合强度增加,粘附的增强又促进了元素扩散的发生。刀具强度在扩散磨损与氧化磨损共同作用下被削弱。基于分子动力学建立了扩散磨损与热-力耦合场间的映射关系,得到扩散磨损随温度、压力增加而加重,刀具元素的向外扩散是造成刀具扩散磨损的主要原因。本研究明确了TiAlN涂层刀具铣削钛合金时磨损演变过程和磨损形式,表达了刀具磨损的完整过程,为TiAlN涂层刀具设计、优化以及优选提供理论依据。