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关键词： 洛氏压头   金刚石特性   裂纹扩展   刻划   磨损  

摘要： 随着人类科技水平的日益提高,航天科技、生物工程和石油化学工艺等各领域逐渐壮大,使得对材料力学特性的需求更为严苛,其中硬度成为至关重要的指标之一。硬度测试是评价材料品质的关键指标之一,同时也是最迅速、经济和易行的测试方法。洛氏硬度计的寿命主要取决于金刚石洛氏压头的寿命,金刚石压头的损坏也标志着硬度计的失效。金刚石洛氏压头的品质取决于这个国家和地区的工业水平,国产压头磨损较快,使用寿命较短,这也直接造成了一定的经济损失。目前对金刚石洛氏压头使用寿命的研究鲜有报道,这无疑限制了洛氏压头在工程实际比如硬度检测等技术中的应用。探讨金刚石洛氏压头使用寿命具有重要意义,不但可以提升我国在金刚石洛氏压头制造技术层面的能力,还能对推进硬度检测技术的发展发挥积极作用。 首先,基于断裂力学和弹性力学基本理论,结合金刚石材料的各项参数,建立在金刚石表面和内部存在I型裂纹的情况下,金刚石发生动态断裂时的裂纹尖端动态应力强度因子,由此对金刚石表面和内部的动态裂纹扩展的难易程度进行判断分析。然后基于建立的裂纹动态应力强度因子模型,对金刚石洛氏压头动态裂纹扩展的难易程度进行分析和评价。 其次,使用ABAQUS软件对洛氏压头刻划YG8硬质合金材料进行仿真分析,模拟洛氏压头刻划YG8硬质合金材料的过程,综合分析。先模拟压头内部没有初始裂纹时的应力分布特征,详细分析施加载荷、裂纹大小对金刚石压头刻划过程中裂纹扩展的影响,分析裂纹扩展的趋势特点,并采用第二章的金刚石裂纹动态应力强度因子模型来计算裂纹扩展开始时刻的动态应力强度因子。 再次,用光学显微镜、扫描电子显微镜和白光干涉仪对三种不同材质的金刚石洛氏压头进行微观形貌和参数检测,获取其表面形貌、微观缺陷和基本参数。 最后,进行金刚石洛氏压头刻划寿命对比实验,选取三种不同材质的金刚石洛氏压头:国产黄色Ⅰb金刚石压头,国产黄色Ⅰb深加工金刚石压头、日本住友公司Ⅰb金刚石压头。在恒定载荷条件下,垂直刻划经过抛光的硬质合金YG8表面,直到压头损坏,检测压头损坏情况,分析划痕的形貌变化规律,计算刻划路程。对实验结果进行分析,比较不同材质的金刚石洛氏压头在相同外力作用下划痕长度、形貌,以及压头磨损程度之间的区别。探究不同材质的金刚石洛氏压头,在施加载荷相同的情况下,实际使用寿命出现较大差异的原因,并提出一定的改进措施。

关键词： 高速电主轴   电主轴回转精度控制   轴承   圆度误差   残余应力   磨损  

摘要： 数控机床作为工业母机,其加工能力直接决定了工业装备的性能。高性能电主轴和主轴轴承作为机床核心零部件,其性能好坏直接影响机床加工性能。在工程实践中发现,相较于国外高性能主轴轴承,国产主轴轴承主要存在动态回转精度差以及精度保持时间短等问题。高速电主轴在服役期间,其工况以及环境条件时刻在变化,因此主轴轴承运行状态也是复杂多变的。研究中,找到了影响主轴轴承回转精度的影响因素,并归结以下几点:轴承状态检测、结构热应变、负载变形、轴承沟道参数（圆度误差与谐波次数）、轴承预紧、轴承沟道应力场等。下面对每一点中的研究内容进行概述: （1）对电主轴零部件结构进行优化设计。首先对轴承结构进行了优化,在轴承内部嵌入传感器以实现轴承运转状态的动态监测,从而实现机床系统对电主轴运转状态的动态调整;其次,改进了电主轴散热系统,优化了轴承与电机的散热结构,实现了动态控温,使电主轴温度分布均匀;最后,改进了轴承座结构,通过液压系统控制轴承座轴向、周向、径向运动,实现电主轴动态回转精度的调整。 （2）对电主轴服役前,回转精度的影响机制研究。分析了主轴轴承沟道参数、轴承预紧对主轴回转精度的影响;建立了电主轴动力学仿真模型,并进行了动力学仿真分析,找到了轴承沟道参数对主轴受载端振动位移的影响规律;在此规律的基础上进行定量计算,实现在给定电主轴回转精度后,可以为其选取合适的圆度误差和谐波次数。同时,将轴承精度等级与沟道参数进行了匹配;最终通过控制主轴轴承沟道参数与预紧量来控制电主轴服役前的回转精度。 （3）对电主轴服役过程中,其回转精度的损失机制研究。主轴轴承服役期间,其沟道压缩残余应力σCRS会发生改变,这种改变会影响轴承沟道的耐磨性;而不均匀磨损会对轴承回转精度有较大影响;因此,以高速主轴轴承为研究对象,将轴承沟道表面初始压缩残余应力σInitial、轴承沟道法向接触应力σCS、负载运转过程中轴承沟道某一点受载次数N、摩擦系数μ、转速n等作为自变量,将沟道压缩残余应力σCRS作为因变量,输入仿真模型。将实验与有限元相结合,找到了不同变量对磨损深度的影响;实现了磨损深度与变量之间的匹配,进而实现了电主轴动态回转精度保持时间的控制。 （4）针对上述研究进行了实验验证。使用BVT-5轴承振动测试仪对主轴轴承进行振动测试,实验结果与仿真结果较为符合,验证了文中动力学模型的可靠性。其次,设计了轴承磨损实验台,对轴承进行磨损实验。使用X射线衍射仪测定了轴承沟道表面σCRS随循环次数N的变化规律,所测σCRS-N曲线与仿真结果相符合,保证了仿真结果的可靠性。在此基础上,测定了轴承沟道接触区的显微硬度值,所测硬度值与σCRS值成较好的线性关系,从而实现磨损量的计算。

关键词： 核废处理   回转煅烧炉   镍基合金   高温氧化磨损   滚动摩擦  

摘要： 在“双碳”目标的约束下,大力发展核能是我国实现能源结构转型的必然选择。核电站运行的同时会产生大量具有放射性的核废物,在地质处置前要对其进行固化处理。冷坩埚感应熔炉工艺是核废物玻璃固化的最新工艺,该工艺的回转煅烧炉系统可对高放废液进行转型,然而,高放废液在高温下对回转煅烧炉炉内刮板及结构材料具有极强的腐蚀性,且刮板和煅烧产物对炉体造成磨损,影响回转煅烧炉的使用寿命。镍基高温合金具有较高的耐高温氧化和耐磨损等性能,可作为回转煅烧炉的候选结构材料。因此,研究镍基高温合金在模拟回转煅烧炉环境下的氧化磨损问题具有重要的工程应用意义,有利于促进我国玻璃固化工艺的发展。本论文根据回转煅烧炉服役环境,设计了MDW-02GF高温摩擦磨损试验机,选用Inconel 625、Inconel 690和Hastelloy N合金作为研究对象,研究了三种合金在600和800℃模拟回转煅烧炉环境下的高温氧化磨损行为。采用失重法比较合金的耐高温磨损性能,利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射分析(XRD)、X射线光电子能谱分析(XPS)等分析测试手段研究氧化膜的物相组成,探索其高温氧化磨损机理。取得的研究成果如下:(1)三种合金经600℃和800℃高温氧化磨损后,Inconel 625合金质量损失最小,表现出优异的耐高温氧化磨损性能,而Hastelloy N合金质量损失最严重,其耐高温氧化性能最差。此外,随着温度的提高,Inconel 625合金的耐氧化磨损性能减弱,而Inconel 690和Hastelloy N合金的耐高温氧化磨损性能增强。(2)600℃时,Inconel 625合金滚动摩擦后生成了连续的氧化膜,使其表现出最优的耐高温氧化磨损性能。该氧化膜分为三层,最外层为疏松的Ni-Cr-O层,中间层为致密的Ni-Cr-O层,内层为连续致密的CrO氧化层。Inconel 690合金和Hastelloy N合金所形成的氧化膜极易脱落,在摩擦力的作用下将被去除,新暴露的合金表面不断重复被氧化、去除的过程,使得合金失重不断增加。(3)800℃时,Inconel 625合金氧化磨损后形成连续致密的CrO内层,提高了膜层与基体的结合力,氧化膜外层由Ni O相和Ni CrO相组成,可提高合金的耐氧化磨损性能。Inconel 690合金氧化膜外层为Ni O相和Ni CrO相,内层为CrO层,但氧化膜发生了脱落;此外,合金存在严重的内氧化行为,加重了合金的磨损。Hastelloy N合金氧化磨损后形成单一的Mo-O层,氧化膜疏松多孔且存在大量裂纹,容易发生剥落,暴露的新表面重复被氧化磨去的过程,使其耐高温氧化磨损性能最差。

关键词： 水润滑轴承   艉轴承   磨损   永磁体   磁力支承  

摘要： 艉轴承用于支承舰船艉轴,是推进轴系的重要一环,而水润滑艉轴承一般用作艉轴最后一档轴承,是最靠近螺旋桨(或推进器)的艉轴承。考虑到推进效率等因素,艉轴承常运行于低速工况下。在螺旋桨重力和艉轴承承载力的作用下,艉轴会产生的挠曲变形,其变形量(挠曲位移)造成的润滑间隙改变足以影响艉轴承的润滑性能。同时,水润滑艉轴承依靠粘度相对较低的水作为润滑介质,不利于动压润滑的形成。此外,常用较软材料作为艉轴承内衬材料,增强其密封性和对固体杂质颗粒的吸附能力,但运行时较软的轴承材料会产生较大的变形,从而改变艉轴承摩擦副之间容纳润滑水膜的配合间隙,影响润滑水膜的建立,水润滑艉轴承实际润滑状态恶劣,易磨损。 通过引入磁力支承的方式来改善水润滑艉轴承的润滑与磨损性能是一种有益尝试,同时,磁力支承、水膜支承与艉轴承润滑区域固体变形三者间存在耦合作用。因此,本文建立了考虑多因素耦合的磁-水复合艉轴承润滑与时变磨损特性分析仿真模型,并针对某型磁-水复合艉轴承展开分析,探究不同工况参数和半径间隙下磁-水耦合效应对润滑、磨损性能的改善程度。本文的主要研究内容如下: 考虑艉轴受载后的挠曲变形,轴承弹性变形和混合润滑的耦合作用,结合Archard磨损模型,建立常规支承形式的水润滑艉轴承润滑与时变磨损分析模型,验证了模型的正确性,分析了常规支承形式水润滑艉轴承的润滑与时变磨损特性,结果表明润滑特性与磨损特性受艉轴挠曲作用明显,近艉端的润滑状态较恶劣,且磨损进程先于近艏端。 分析磁-水复合艉轴承磁场静态特性,建立了其有限元模型,进行仿真计算,在此基础上,改变永磁体的材料属性和充磁方式,探究不同条件下磁场特性与磁支承特性的变化规律,获得仿真结果为考虑磁水耦合效应的弹性流体动压润滑模型做铺垫。结果表明,永磁体材料属性对磁支承性能的影响较充磁方式更弱,以Halbach阵列形式充磁能明显增大磁支承力。 建立考虑磁-水耦合支承效应的艉轴承润滑分析与时变磨损分析模型,针对某一特定工况,对比分析磁-水耦合支承对润滑与磨损性能的改善作用。针对不同轴承比压、艉轴转速和轴承半径间隙情况,对磁-水复合支承效应的有效应进行综合评估。结果表明,磁-水耦合支承能够改善较为恶劣工况下的润滑与磨损特性,使得艉轴承的运行状态更贴近于流体润滑。

关键词： 自润滑衬垫   织物衬垫   图像识别   有限元分析  

摘要： 织物衬垫自润滑关节轴承具有结构紧凑、承载能力强、性能稳定等优点,广泛应用于航空航天、机器人、车辆等装备领域。自润滑衬垫的摩擦磨损机理作为衬垫材料研发、服役性能评价的关键一直备受关注,是提高自润滑关节轴承产品质量的核心之一。使用光学放大镜拍摄整张衬垫图片,后对整张图片进行裁剪,获取单个纤维结磨损状态;使用多种图像识别方法,分别对整张图片与单结图片的树脂状态、表面亮度以及纤维纹理等特征进行分析,得到了相应的特征数据动态曲线,进而揭示了衬垫磨损的纤维变化规律,得出织物衬垫磨损过程中纤维束与粘结剂的变化情况。使用机器学习算法证明了识别特征与磨损深度之间存在相关性。并对纤维结的变化过程进行了记录。使用三维软件分别绘制了衬垫纤维的整张和只包含四根纤维的单胞三维结构,利用有限元分析软件对织物衬垫进行整体、单胞结构与力学建模,整体模型分析了织物衬垫中纤维束与粘结剂间的相互关系;单胞模型对纤维束细化,分别建立芳纶与PTFE纤维,确定了粘结后芳纶束与PTFE束的受载变形情况,以及不同磨损深度下两纤维束的相对含量的变化。利用扫描电镜等设备并结合以上结果,对自润滑衬垫的损伤行为进行了研究,分析了在不同磨损深度下摩擦界面的表面形貌,明确了自润滑衬垫在摩擦磨损过程中表面形貌的变化情况,其变化规律与图像识别和有限元分析结果相互印证,最终给出了自润滑织物衬垫的摩擦磨损形貌演化过程。

关键词： 间隙   约束   冲击振动   周期运动   分岔特性  

摘要： 机械系统由于设计、加工、安装中的需要,系统中必然存在间隙和约束。间隙和约束的存在使得系统成为了分段光滑系统。在激振力的作用下产生冲击振动,使得系统表现出丰富的动力学特性。其中非周期运动、大振幅运动、噪声、过度磨耗等现象的发生,会对整个机械系统的稳定运行产生重要影响。为了优化此类系统的动力学特性,这就需要从系统层面了解此类含间隙、约束的机械振动系统非线性动力学特性,对系统参数进行动态优化设计。为此,论文开展了以下研究:(1)分别建立了含刚性、弹性、非线性赫兹三种约束的含间隙两自由度受迫振动系统的力学模型。通过多目标、多参数协同仿真在(ω,δ)-双参数平面获得了含不同约束模型的周期运动的种类、存在区域、分岔特性、低频率域运动特性及基本周期运动转迁过程中存在的两类转迁区域。利用Lyapunov指数谱验证了仿真结果的可靠性。此外,在相同系统参数条件下,比较了不同约束下系统动力学特性的异同,发现其中高频率域周期运动的模式类型和分布区域大致相同,在低频率、小间隙参数条件下存在显著差异。刚性约束条件下,低频率、小间隙参数域存在基本周期运动群p/1,颤振运动p/1,以及粘滞运动p/1。弹性约束条件下,低频率、小间隙参数域无粘滞运动的存在区域,基本周期运动群p/1(p≥2)的带状域随着冲击次数p的增大显著收窄,混沌运动占据了较大区域,在极低频率域,主要为碰撞次数极高的基本周期运动(p ≥10)。非线性赫兹约束条件下,低频率、小间隙参数域基本周期运动群p/1(p≥2)的带状域的分布与弹性约束条件下类似,同时也不存在粘滞运动的存在域。在极小频率域范围基本周期运动1/1、2/1占据了较大区域,混沌运动区域相对减少。(2)针对塑性冲击这一特殊冲击模式,建立了双质块塑性成型机的动力学方程。运用多参数、多目标协同仿真研究了成型机发生塑性冲击的动力学特性,揭示了不同参数对系统运动特性的影响。研究结果表明:塑性冲击下未发生非完全和完全颤碰振动,仅出现粘滞和非粘滞类周期振动,该类运动在整个参数域毗邻分布。发现相邻非粘滞振动n-1-0和粘滞振动n-1-1可以相互转迁且可逆,由此相邻粘滞和非粘滞振动间不出现两类转迁域—迟滞域和舌形域,但是相邻非粘滞n-1-0运动与非粘滞(n+1)-1-0运动、粘滞n-1-1运动与粘滞(n+1)-1-1运动相互转迁具有不可逆性,在这两类不同的运动间形成了舌形域,域内存在亚谐周期振动。通过改变系统参数的大小研究其对系统动力学特性的影响,得出阻尼系数ζ和阻尼分布比μc对系统动力学特性的影响具有相似性,系统发生的周期运动类型和分岔形式基本保持不变,刚度分布比μk和质量分布比μm对系统运动特性影响显著,系统出现了非碰撞周期振动,激振力分布比f20严重影响了周期振动的分布区域,改变了单碰粘滞振动1-1-1的运行窗口。(3)在含间隙碰撞振子冲击动力学研究的基础上,研究了不平衡悬臂转子系统的动力学特性。基于系统参数,通过多参数、多目标协同仿真得到不平衡悬臂转子系统的一系列动态响应图,揭示了系统参数和转子系统动力学响应的关联关系,并通过最大冲击力矩和占空比分布图具体表征了系统发生冲击振动的激烈程度和持续占比。研究结果表明:重力系数G对悬臂转子系统的运动类型和分布区域产生了显著的影响,为减小系统冲击,延缓转子系统疲劳损伤,保证系统运动的平稳性,在悬臂转子设计中应选用较小的重力系数G<1,在此基础上进一步匹配合理的刚度系数K、偏心率ρ、阻尼系数ζ和极转动惯量Jp。刚度系数K、偏心率ρ、阻尼系数ζ和极转动惯量Jp主要对悬臂转子较高转速范围内的运动类型和分布区域产生影响,本转子模型在实际工程中应匹配较小的冲击刚度系数K<1,较小的偏心率ρ<0.4,较大的阻尼系数ζ>0.02和较小的极转动惯量Jp<0.1。

关键词： DLC薄膜   磁控溅射   CoCrFeNi合金   摩擦学性能   预测模型  

摘要： 类金刚石(Dimond-like carbon,DLC)薄膜是一种性能优异的固体自润滑材料,已经得到了学者们的大量研究与广泛应用,但是该薄膜由于存在残余应力大、膜基结合力小等缺陷,通常需要引入掺杂组元来对薄膜进行性能调控,以满足其在苛刻工况中的应用。高熵合金(High-entropy alloys,HEAs)具有高熵效应、迟滞扩散效应、晶格畸变效应及鸡尾酒效应,同时理化性能优异。将CoCrFeNi高熵合金作为掺杂组元改性DLC薄膜的研究还少有进行。因此本文制备了不同CoCrFeNi掺杂量的DLC薄膜,并对其力学性能和摩擦磨损规律进行分析。结果表明,随着掺杂组元含量的升高,薄膜的sp杂化碳原子数目不断升高。拉曼光谱中薄膜表面处I/I数值由1.27单调增至2.33;G峰位置由1540 cm单调上移至1558 cm。同时,薄膜的内应力由1.51 GPa单调下降至0.64 GPa,硬度、弹性模量等力学性能在CoCrFeNi靶电流在0.6 A之内时没有较大变化,但随着CoCrFeNi靶材电流超过0.6 A时,薄膜的各项力学性能因碳结构的破坏而下降。因此,适量的掺杂可以在保持DLC薄膜原有的机械性能的前提下降低薄膜内应力。对不同掺杂量的DLC薄膜进行摩擦试验,发现随着掺杂量的增加,薄膜的摩擦系数和磨损率呈现先下降后上升的趋势,其中CoCrFeNi靶电流为0.6 A的DLC薄膜表现出最好的摩擦学性能,这说明适量CoCrFeNi掺杂相的引入可以有效提升薄膜的减摩耐磨性能。在摩擦过程中,摩擦载荷的增加可以促进薄膜的石墨化现象,同时在摩擦界面处可以生成有利于摩擦的转移膜,转移膜的致密程度与DLC薄膜表面sp杂化键有序程度呈现正相关关系。选用摩擦性能最好的0.6 A掺杂靶电流的DLC薄膜进一步进行了大量摩擦试验,以函数拟合的方法成功建立起薄膜的磨痕深度、磨痕宽度、磨损量随磨损时间与磨擦载荷变化的预测模型,并验证了其准确性。

关键词： 公路养护   机械系统   模糊决策   效能分析  

摘要： 文章以国省道公路养护机械系统效能研究为基本背景，首先进行机械系统效能基本概念的介绍，提出相应模型，进而构建机械效能评价指标体系，探讨模糊决策分析法在机械系统效能评价中的应用策略，确定各项因素及其权重，并在此基础上结合实例展开分析，对所述的4台公路养护机械效能进行评价，由此加深对模糊决策分析法的认识，掌握此方法在公路养护机械系统效能研究中的应用策略，以供参考。

关键词： 压接型IGBT器件   数字孪生建模   老化失效模拟   在线状态评估  

摘要： 压接型绝缘栅双极型晶体管(Press Pack Insulated Gate Bipolar Transistor,PP-IGBT)具有低损耗、高功率密度、双面散热、短路失效等优势,在柔性直流输电中得到越来越多的应用,因此压接型IGBT的安全运行对保障柔性直流输电的可靠性至关重要。在长期运行中,微动磨损是压接型IGBT最主要的失效模式,然而压接型IGBT器件结构紧凑复杂,现有方法难以对压接型器件微动磨损老化状态进行准确评估,因此亟待展开对压接型IGBT的老化状态在线评估方法的研究。论文以压接型IGBT器件为对象,结合数字孪生技术,开展器件多物理场数字孪生体建模、微动磨损老化模拟、器件老化状态评估研究。论文的主要研究内容包括:(1)针对现有离线电热模型难以在线动态表征压接型IGBT器件内部温度分布的问题,提出压接型IGBT器件多物理场数字孪生体建模方法。首先,结合压接型IGBT特性,提出基于功率损耗的数字孪生体建模方法,基于奇异值分解法对压接型IGBT温度场分布进行数据压缩;其次,构建压接型IGBT多物理场数字孪生体,并进一步在数字孪生体与实际物理数据之间构建数字接口以实现虚实数据结合;最后,对比验证数字孪生体输出的温度分布与红外摄像仪输出的温度分布。(2)针对现有压接型IGBT器件微动磨损模拟方法难以同步反映现实器件老化模拟的问题,提出基于数字孪生的压接型IGBT器件在线微动磨损老化模拟方法。首先,分析微动磨损过程中压接型IGBT的接触热阻上升现象,提出基于数字孪生的压接型IGBT在线微动磨损老化建模方法;其次,开展压接型IGBT子模组微动磨损老化实验,基于神经网络模型,提出压接型IGBT子模组接触热阻的计算方法,构建考虑接触热阻变化的子模组数字孪生体模型;最后,构建多芯片压接型IGBT模组数字孪生体,通过实验验证了压接型IGBT微动磨损老化模拟方法的准确性。(3)针对现有方法难以对压接型IGBT器件微动磨损老化状态进行在线评估的问题,提出压接型IGBT器件微动磨损老化状态在线评估方法。首先,考虑各硬件设施的通信互联方式与不同软件组件的协同关系,构建压接型IGBT数字孪生状态评估交互系统;其次,基于响应面法构建压接型IGBT微动磨损老化状态评估模型;最后,对压接型IGBT在功率循环工况下的微动磨损老化状态进行在线评估。论文研究成果为大功率压接型IGBT器件数字孪生建模、老化模拟、状态评估提供技术手段,为数字孪生技术在电力电子器件领域的静态模拟至动态失效演化奠定研究基础,提供理论支撑。