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关键词： 弓网关系   受电弓优化   异常磨损机理   动力学仿真   磨耗预测  

摘要： 随着近几年城市轨道交通的爆发式发展以及地下隧道空间的局限性,架空柔性接触网以及第三轨供电方式逐渐被取代,架空刚性接触网越来越多的在城市轨道交通隧道内应用,弓网间的异常磨耗问题也逐步凸显,在弓网异常磨耗期间碳滑板、接触线磨耗率急剧上升,造成了碳滑板、接触线以及人力维护成本的大量浪费。异常磨耗期间通常还会伴随碳滑板缺块、受电弓裂纹等现象,严重威胁城市轨道交通运营安全。因此弓网异常磨耗问题无论是从运营安全方面还是运营成本方面都给各地铁运营公司带来了极大的考验,而对城市轨道交通弓网异常磨耗问题的研究无论是从成本节约角度还是从运营安全角度考虑都是十分必要的。本文一方面从弓网结构接触响应方面优化受电弓结构,另一方面从弓网摩擦磨损机理出发建立弓网摩擦磨损预测模型并提出管控措施,达到优化并解决现场检修维护问题的目的,为此论文完成如下具体研究工作: (1)研究了弓网结构及接触碰撞的力学建模方法,分析了受电弓的各阶模态频率与模态振型,同时采用ADMAS软件,建立了弓网耦合关系,完成了弓网动态接触力仿真分析。 (2)采用近似熵、Empirical Mode Decomposition与Hilbert–Huang Transform的信号处理方法,分析仿真信号及其实测数据的弓网结构时域和频域特性,可完成弓网结构参数分析及耦合性能定量评估。通过调整列车运行条件和受电弓参数,受电弓碳滑板的磨损率可以降低25%以上。 (3)以天津地铁6号线的刚性受电弓-接触网系统为研究对象,结合电子显微镜设备及加装信号传感响应,分析了弓网异常磨耗产生的机理。结合在摩擦磨损机理中的分析结论,指导使用机器学习中的回归模型建立了弓网异常磨耗速率的预测模型,准确率达到90%以上。同时有针对性地提出弓网异常磨耗管控措施,有效的缓解了天津地铁6号线冬季弓网异常磨耗问题,降低了冬季弓网异常磨耗期间的维修成本。 图66幅,表13个,参考文献60篇。

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： 生物Mg-Zn-Ca合金   力学性能   体外降解行为   微区电化学测试   摩擦磨损  

摘要： 由于镁合金具备可降解性、恰当的力学性能和良好的生物相容性,其被作为生物可降解植入材料,并且得到了广泛的研究。但是镁合金在生理条件下的过快的腐蚀速率和较差的耐磨性仍是制约其生物医用的难题。因此,通过合适的手段来提升镁合金的耐蚀性和耐磨性具有重要意义。 本研究面向生物医用镁合金,用Zn、Ca元素微合金化+大挤压比变形工艺制备了Mg-Zn-Ca三元合金,通过拉伸测试和硬度测试对挤压态ZX0501镁合金材料的力学性能进行分析。其次,为进一步增强其医用性,对挤压态ZX0501镁合金进行了微弧氧化处理,对照材料选用挤压态ZK60生物镁合金等,采用微区电化学等新颖技术与传统电化学测试方法和浸泡实验相结合的手段全面综合评价该材料的在生理环境下的腐蚀行为。除此之外,由于镁合金植入材料在应用时会发生摩擦磨损现象,因此在后续的测试中考察了该材料在空气中和在模拟体液下的摩擦磨损性能及摩擦磨损机理差异。主要研究结果如下: 新型生物医用ZX0501镁合金由α-Mg组成,无其他相生成,为单相固溶体。在腐蚀过程中不会产生微电偶腐蚀效应。挤压板材不同部位处晶粒尺寸相差不大,合金中动态再结晶较为全面,等轴状的晶粒均匀分布在组织中。板材不同位置处强度均满足植入材料需求,且与人骨强度接近。 该合金材料的平均腐蚀速率为1.57 mm/y,经表面处理后,其平均腐蚀速率降低至1.19 mm/y。材料腐蚀机理均表现为全面腐蚀,具有较强的抗局部点蚀能力。 在干摩擦情况下,挤压态ZX0501合金和ZX0501(MAO)材料磨损机制以磨粒磨损和氧化磨损为主。经微弧氧化处理后,涂层可以有效减弱对磨钢硬质点犁削作用,从而改善磨粒磨损现象;在SBF溶液下,两种材料的磨损率对于滑动速度变化敏感度较低,磨损机制主要为腐蚀磨损,同时伴有轻微的磨粒磨损。通过微弧氧化处理在ZX0501合金表面制备涂层,可以有效抑制材料在SBF溶液中磨损开裂现象。

关键词： 矿用浮选机   叶轮磨损   轴系振动   流体脉动激励力   振动响应  

摘要： 浮选机作为矿山及冶炼行业主要装备，其发展趋于大型化、集群化、智能化，对其可靠性提出了更高的要求。浮选机浮选过程中叶轮磨损是其主要失效形式之一，但限于其在矿浆中运行，工作环境恶劣，针对叶轮磨损的监测技术研究进展缓慢，严重制约其可靠性的提升，因此，亟需开展叶轮磨损表征机理的研究。本文针对叶轮磨损与浮选机动力学响应映射关系，综合利用计算流体力学方法（CFD）和基于有限元的声固耦合动力学建模方法，分析了叶轮磨损对叶轮旋转诱导流体脉动激励力频率特性和结构振动的固有特性、传递特性的影响，并综合两者变化规律，揭示了基于轴系振动信号的浮选机叶轮磨损表征机理。　　首先，考虑诱导叶轮振动的流体脉动激励力特性的影响，采用CFD方法构建浮选机叶轮在流体中旋转的流固耦合动力学模型，开展不同叶轮转速工况的非定场流体动力学计算，得到了叶轮转速、叶轮叶片数与流体脉动激励力频谱特性的对应关系，并发现随着转速的增大，叶频幅值也不断增大;针对叶轮磨损诱发流体脉动激励力变化问题，分别构建轻度、中度、重度叶轮磨损状态下浮选机非定常流体动力学计算模型，获得不同磨损状态下对应的流体脉动激励力的频域特性，对比分析叶轮磨损程度对叶轮旋转诱导流体脉动激励力的影响规律，发现轻度磨损与健康状态相比，不同叶频对应幅值既有增大也有减少，随着磨损程度增加，稍边脱涡减少，叶频对应的幅值不断减小。　　其次，考虑叶轮磨损对叶轮-轴系结构振动的固有特性和传递特性影响，提出了基于有限元的浮选机-矿浆声固耦合动力学建模方法，构建了浮选机-矿浆流固耦合系统弹性振动力学模型，分析了叶轮不同磨损程度下叶轮-轴系系统固有频率的变化规律，研究了叶轮单位脉动激励力下叶轮磨损对叶轮-轴系系统振动传递特性的影响，发现矿浆中叶轮叶片的固有频率随着磨损程度的增大而减小，从轻度到重度磨损相应固有频率，相比与健康状态分别下降了8％、15.6％、17.8％,轴系-叶轮耦合模态中轴系弯曲为主的模态固有频率随着磨损程度的增大而增大，从轻度到重度磨损相应固有频率，相比于健康状态分别上升了1％、2.6％、4.8％。　　最后，综合考虑叶轮磨损对流体脉动激励力和结构固有特性的影响，构建了流体脉动激励力下叶轮轴系系统动力学响应计算模型，分析了叶轮磨损对流体脉动激励力下叶轮轴系系统振动特性的影响规律，发现不同磨损程度叶轮轴系对应的频率表征不同，并在流体脉动激励力频率和结构固有频率重合处，频率幅值增大，同时在70-95Hz频率段，随着磨损程度的加剧，叶轮叶子固有频率减少，与流体激励力频率重合共振又偏离，使得振动响应的幅值随着磨损程度加剧而呈现先增大后减少的趋势。通过长期监测70-95Hz频率段叶轮叶子固有频率和振动响应幅值的变化，实现浮选机叶轮不同磨损程度的表征。

关键词： 轴承副   腐蚀磨损   试验机   热镀锌   沉没辊  

摘要： 钢表面镀锌是工程中最有效的防腐技术,特别是在汽车板材领域,各大钢厂如宝山钢铁股份有限公司等都有大量的热镀锌汽车钢板生产线。在热镀锌生产线上,钢卷通过锌锅内的熔融锌液后在表面形成防腐镀锌层。然而锌锅内各部件均处于极其严苛的工作环境中,其中沉没辊轴承副更是遭受锌液腐蚀和轴承接触副相对运动的磨损及锌渣的交互作用,接触副处的轴套极易磨损导致轴承副间隙过大而失效。轴套的频繁失效及更换降低了企业生产效率,同时目前使用的沉没辊陶瓷轴瓦及高温钴镁合金轴套基本依赖进口,价格昂贵,增加了企业生产成本。因此,针对高温锌锅内沉没辊轴承副使用寿命短的工程问题,本文搭建及改进了可模拟熔融锌液工况的高温滑动轴承试验机,并采用激光熔覆技术在轴套表面涂覆不同的耐蚀抗磨材料以期替代原先昂贵的高温钴镁合金轴套。应用试验机开展了多种材料在锌液腐蚀磨损复合工况下的试验,对比分析了不同材料的腐蚀磨损机理。此外,还从结构角度探究了开槽轴瓦设计对沉没辊轴承副在熔融锌液工况下摩擦磨损性能的影响。论文主要开展了如下工作:(1)完成锌液滑动轴承计算程序的编写。通过对流体动压润滑理论的分析和计算,使用Fortran语言结合有限差分法开发了锌液滑动轴承计算程序,并与已有文献结果进行对比,验证了程序的有效性。(2)重新设计并搭建了可模拟熔融锌液中沉没辊轴承副实际工况的高温滑动轴承试验机。结合热镀锌沉没辊轴承副实际工况和试验需求对试验机进行总体结构设计,再分别对其驱动系统、加载系统等分系统进行设计。同时添加了测试信号采集系统,实现了试验过程中摩擦力矩等相关数据的实时采集和保存。最后通过ANSYS有限元仿真分析完成了对所搭建试验机的强度可靠性验证。(3)研究了多种材料在锌液中的腐蚀磨损机理。利用所搭建的高温滑动轴承试验机对所制备的材料配副进行熔融锌液环境下的腐蚀磨损综合试验,结合各轴套材料在锌液环境下的腐蚀行为和高温干摩擦环境下的磨损行为,对腐蚀磨损机理进行了分析。试验研究发现,轴套材料的失效是腐蚀与磨损的交互作用形成的,这种交互作用比单方面的腐蚀和磨损作用对轴套材料的破坏更为严重。(4)探究了开槽轴瓦对轴承副摩擦磨损性能的影响。利用所编写的计算程序分析了不同沟槽参数对轴承性能的影响,完成了轴瓦结构的设计改进。通过对比试验发现,轴瓦所开沟槽具有汇集磨粒和浮渣颗粒的作用,从而减少了磨粒在接触表面上的堆积,改善了轴承副的摩擦磨损性能。

关键词： 形状记忆合金   激光熔覆   超疏水涂层   飞秒激光   耐腐蚀性  

摘要： 超快速熔化和凝固过程产生的较大温度梯度导致激光熔覆涂层内部存在极大的残余应力,进而限制了该技术的大规模应用。Fe Mn Si Cr Ni形状记忆合金（SMA）涂层因其特有的应力自适应特性,可通过应力诱发γ-奥氏体→ε-马氏体相变来释放激光熔覆过程产生的残余应力。但其较低的硬度(～240 HV0.2)和较差的耐腐蚀性却不能满足实际应用。为了改善SMA涂层的硬度和耐腐蚀性能,本文的主要研究内容如下:（1）采用激光熔覆技术在304不锈钢表面制备掺杂不同Nb含量的SMA涂层,使用维氏硬度计、电化学工作站等设备探索Nb元素对形状记忆合金涂层硬度、耐磨损性能、形状回复率和耐腐蚀性能的影响。结果表明SMA/Nb复合涂层的硬度明显增大,当掺杂5 wt.%Nb时得到最大硬度420 HV0.2。此外,由于复合涂层中生成的Nb C相也使得形状回复率显著提高。使用TEM发现复合涂层中生成了大量的Nb3Si相,它们通过阻碍位错运动,极大地改善了复合涂层硬度。随着Nb含量的增加,复合涂层的自腐蚀电流密度逐渐降低,而Cr元素含量同步提升,使得钝化膜稳定性显著增强。XPS测试结果表明SMA涂层和SMA/Nb复合涂层钝化膜成分一致,当掺杂5 wt.%Nb时,钝化膜中Crox3+含量达到最大,而且O2-/OH-比值也达到最大,表明此时钝化膜最稳定,复合涂层耐腐蚀性最强。（2）在（1）的基础上,以1H,1H,2H,2H-全氟癸基三甲氧基硅烷作为低表面能材料,疏水型纳米Si O2构造粗糙度,无水乙醇作为溶剂,采用浸泡工艺在掺杂5 wt.%Nb的复合涂层表面制备有机/无机杂化超疏水涂层,进一步提高复合涂层耐腐蚀性能。使用FT-IR和SEM对超疏水机理进行研究,并采用电化学工作站探究超疏水涂层对耐腐蚀性能的影响。结果表明超疏水涂层的接触角达到了151±0.5°,滚动角只有1.9±0.2°,表现出良好的超疏水性能。但是由于有机/无机杂化超疏水涂层强度低,与复合涂层结合力较弱,显示出较差的机械稳定性。相比于复合涂层,超疏水涂层的自腐蚀电位提升了0.11 V,自腐蚀电流密度降低了2.91μA cm-2,保护率达到了65%,说明超疏水涂层的耐腐蚀性显著提高。同时超疏水涂层呈现出良好的热和化学稳定性。（3）在（1）和（2）的基础上利用飞秒激光技术和喷涂法在掺杂5 wt.%Nb的复合涂层表面制备耐磨损-腐蚀的铠甲式超疏水涂层。首先,利用飞秒激光在复合涂层表面制备两种不同的铠甲式微纳结构:方块式和三角式,再喷涂疏水型纳米Si O2改性。使用SEM、表面轮廓仪对两种铠甲式微纳结构进行表征,并利用水流冲刷实验、胶带黏附实验和摩擦磨损实验测试其机械稳定性,然后使用电化学工作站探究铠甲式超疏水涂层对耐腐蚀性的影响。相比于有机/无机杂化超疏水涂层,铠甲式超疏水涂层的机械稳定性明显提高,并且由于三角形式微纳结构排列更紧密且更深,表现出比方块式结构更优异的机械稳定性。同时,两种铠甲式超疏水涂层自腐蚀电位显著提高,自腐蚀电流密度也降低了3/4和1/2,表现出良好的耐腐蚀性能。

关键词： 边缘AI   刀具磨损状态监测   工件表面纹理   ShuffleNet V2   分形维数  

摘要： 数控机床在切削加工过程中,如果刀具磨损达到一定程度而不及时更换,将导致加工质量的下降,降低生产效率,增加生产成本甚至引发安全事故。因此刀具磨损状态监测是制造业数控加工中的研究热点之一。然而目前的刀具磨损状态监测存在监测准确率不高、实时性不强、难以实际落地等问题。因此,研发出一套可靠且低成本的刀具磨损状态监测系统具有很高的现实应用意义。 本文针对数控机床的铣刀在切削过程产生的磨损问题,使用边缘计算与深度学习相结合而形成的边缘AI的方法,对工件表面纹理图像进行研究,并通过设计和实验开发了一套刀具磨损状态监测系统。论文的主要研究内容如下: 1.分析刀具的磨损机理,明确了刀具磨损状态和工件表面纹理的关系。通过实际的铣刀加工实验进一步地验证了以工件表面纹理图像作为研究对象来反映刀具磨损状态是可行的,为整个系统的设计提供了基础。 2.针对摄像头采集和传输图像存在的问题,进行裁剪、灰度化、去噪等图像处理。通过对比和分析,通过分形维数特征指标的变化趋势反映刀具的磨损状况,并据此提出分界点划分法以解决后续的卷积神经网络图像数据集的三分类划分依据问题。使用旋转法进行数据集扩充,并通过分界点划分法制备数据集。验证了工件表面纹理图像的分形维数具有旋转不变性,也证明了图像去噪的必要性。 3.研究ShuffleNet轻量级图像分类算法,通过卷积裁剪对ShuffleNet V2模型进行更轻量化的改进,从而得到了ShuffleNet V2-1刀具磨损状态分类算法模型。实验得出该网络的训练精度达到96.3%,测试精度达到95.8%,在轻量化指标上比改进前的网络具有更好的表现。通过与其他分类网络的对比,得出ShuffleNet V2-1网络兼具较高的分类精度和更轻量的体积,更适合在边缘AI嵌入式设备上的应用。 4.通过相关实验,设计和搭建起一套刀具磨损状态监测系统。对设备端和边缘端进行硬件设计和选型。通过铣削加工实验并使用STM32F429搭配摄像头采集工件表面纹理图像,从而获得数据集;实现了ShuffleNet V2-1刀具磨损状态分类算法模型部署至Jetson Nano边缘AI嵌入式设备中;通过TCP协议实现了设备端与边缘端进行图像和信号的无线传输;设计云服务端可视化实时监控界面。 本系统使用边缘AI方法对刀具磨损状态进行监测,具有可靠性强、实时性高、适用性广、抗干扰性强、成本低等优点,能够有效地监测刀具磨损状态,降低生产成本,提高生产效率,具有很高的实际应用价值,也为智能制造的数据监测的研究提供了新方法和新思路。

关键词： 刀具磨损状态   磨损机理   铣刀磨损预测   两阶段特征融合  

摘要： 在金属切削过程中,由于工件、切屑和刀具之间的摩擦和挤压,刀具磨损是不可避免的。刀具作为切削加工领域的执行末端,是提高生产效率和保证加工质量的重要部件,刀具磨损状态是影响机械加工系统可靠性和稳定性的关键因素之一。在加工过程中,刀具的过度磨损会导致切削力、振动甚至系统噪音的急剧增加,零件的表面粗糙度随之增大,最终影响加工精度和使用寿命。过早换刀不能完全发挥刀具的使用寿命,增大生产成本;过迟换刀则不利于保证加工质量和生产效率,甚至造成损失。据此,建立高效的刀具磨损状态监测系统,实时准确地监测加工过程中的刀具磨损状态至关重要。车削是最典型的切削加工方法,研究车削难加工材料过程中的切削力变化规律和刀具磨损机理,可以为搭建切削刀具磨损状态监测系统奠定基础。采用涂层硬质合金刀具切削加工高强度正火钢,研究结果表明,三向分力最易受切削深度ap的影响,其中切深抗力Fy与主切削力Fz被影响程度较显著。刀具常见磨损形态为硬质点、粘结磨损,刀具的每个磨损阶段均存在硬质点磨损;在不同阶段,刀具发生不同程度的氧化和扩散磨损;刀具破损时机床有明显振动,刀具出现崩刃、涂层剥落、裂纹破损和积屑瘤等现象。为了实现对铣削过程中刀具磨损状态的实时准确监测,本文选用切削力和振动加速度作为监测信号,提出了一种基于最小二乘支持向量机(least squares support vector machine,LSSVM)的铣刀磨损预测模型。研究涉及到的寻优目标与复杂的多极值问题相关,常见寻优算法易陷入局部最优而难以找到全局最优解,本文选用具有自适应学习策略的 PSO-ALS(particle swarm optimization with adaptive learning strategy)算法寻找最优的LSSVM核心参数,简化寻优问题并强化群体多样性与全局搜索能力。在常见信号处理方式的基础上,本文提出了一种独特的信号特征提取和融合方法:多域特征提取、基于主成分分析(principal component analysis,PCA)的特征降维和基于堆叠多层去噪自动编码器(stackedmultilayerdenoisingautoencoders,SMDAE)的特征升维。为了尽可能削弱原始信号特征中冗余信息的影响,保证模型预测精度,提出了新的PCA+SMDAE两阶段特征融合方法。本文进行了 12组铣削试验,同时利用PSO-ALS LSSVM等五种模型实现铣刀磨损预测,通过对比不同模型在未知样本上的预测性能,证明了 PSO-ALS算法的优越性。研究结果表明,在原始信号特征存在较多噪声时,提出的PSO-ALS LSSVM模型仍具有最优预测性能,两阶段特征融合方法能有效提高模型的预测精度。本文的研究成果为实际生产监测刀具磨损提供了理论指导。

关键词： 工程机械   变速器   密封环   磨损  

摘要： 某款推土机推土试验40 h后，出现1挡状态下，发动机由高怠速降至低怠速过程中，系统压力下降至额定值以下，存在变速器离合器压力安全系数不足的问题。通过理论分析及试验验证，推土机用动力换挡变速器1挡旋转密封环存在异常磨损，同时总结类似问题的临时解决方案及最终解决办法。