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关键词： 抛丸器   前曲叶片   EDEM仿真   动力学建模   磨损系数  

摘要： 抛丸技术包括抛丸强化和抛丸清理，是一种广泛应用于金属材料表面处理的方法，能够提高工件表面的疲劳强度和抗腐蚀性能。抛丸器叶片的主要作用是加速弹丸并将其抛向工件。根据抛丸器叶片结构，叶片可分为前曲叶片、直线叶片和后曲叶片。在相同的叶片外径和转速条件下，前曲叶片抛射的弹丸速度最大，但叶片磨损也最为严重。EDEM软件将离散元法和经典的Archard磨损模型相结合，为分析叶片磨损提供了新的思路。磨损系数K是Archard磨损模型中的一个关键参数，磨损量与磨损系数、正压力、滑动距离成正比，可以采用销-盘磨损试验求得该系数。　　本文的主要研究工作及取得的成果包括：　　（1）介绍了抛丸器的工作原理和基本结构，建立了弹丸在前曲叶片上的运动模型，得到了抛丸器前曲叶片抛射弹丸的理论速度计算公式。论文引入了基于离散单元法的仿真软件EDEM，并使用建模软件SolidWorks得到抛丸器的简化模型，利用EDEM仿真模拟得到不同叶片曲率半径、叶片转速、弹丸半径下的弹丸运动状态，仿真结果表明弹丸速度随叶片转速、弹丸半径的增加而增加，随叶片曲率半径的增加而减少，符合理论分析结果。将弹丸仿真速度与理论计算速度的具体数值相对比，对比曲线拟合性良好，校验了模型的正确性。　　（2）介绍了四种磨损类型以及Archard磨损模型。本文根据Archard磨损模型的磨损量计算公式，建立了弹丸与抛丸器前曲叶片的Archard磨损计算模型。通过搭建摩擦磨损试验机，本文完成了以304不锈钢和经过热处理后的高铬铸铁为摩擦副的磨损系数测定实验，求出抛丸器前曲叶片的磨损系数K为3.13×10-5，为抛丸器前曲叶片磨损仿真提供了数据支持。　　（3）介绍了EDEM内置磨损模型，对抛丸器模型进行了网格划分。本文仿真模拟得出不同叶片曲率半径、叶片转速、弹丸半径下抛丸器前曲叶片的磨损情况，仿真结果表明相同叶片曲率半径下，叶片磨损随叶片转速、弹丸半径的增加而增加。相同叶片转速和弹丸半径下，叶片磨损随叶片曲率半径的增加而增加。110mm曲率半径叶片磨损最小且分布均匀，没有出现明显的磨损集中区域。120~150mm曲率半径叶片前后端面均出现明显的磨损集中区域。仿真还发现不同参数下的抛丸器叶片根部均出现了磨损集中区域。　　本论文的研究成果为抛丸器前曲叶片磨损分析提供了理论支持，有助于减少实际生产中抛丸器前曲叶片的磨损，提高叶片寿命，增加经济效益。

关键词： 引线键合   接触界面   黏滞-微滑移   轮廓高度   磨损系数  

摘要： 引线键合作为初级芯片互连技术之一,具有工艺实现简单、成本低、可靠性较高等优势,在微电子封装行业得到广泛应用。引线键合界面的切向力学接触行为是决定键合质量的重要因素之一,探究其机理和特性是保证电子器件正常稳定运行的必要手段。现有的引线键合界面力学接触特性相关研究,主要采用实验和仿真模拟两种方式定性分析键合界面的黏滞-微滑移区域变化规律,缺乏对黏滞-微滑移临界转换机制的阐述,另一方面,由于键合引线尺寸为微米级,表面形貌对键合界面力学接触特性的影响不可忽略,且界面磨损会引起表面形貌的变化,二者的演化机制有待进一步完善。因此,研究键合界面从宏观静止、微观滑移到宏观滑动,再到磨损的完整切向接触力学行为过程,分析键合工艺参数对接触力学特性的影响以及界面轮廓高度演化机制,对于保障和提高微电子器件工作期间稳定性和可靠性有着十分重要的作用。具体研究内容如下:（1）建立了键合界面的黏滞-微滑移切向接触力学模型,并分析了法向键合力和超声切向力对界面黏滞-微滑移临界转换位置、切向接触变形量以及能量耗散特性的影响。研究表明:键合界面黏滞区长度与超声切向力、界面单位刚度负相关,与法向键合力、中心位置刚度正相关;界面切向接触变形量与键合工艺参数比值成正比,且微滑区受影响显著;界面单位刚度与能量耗散间函数关系受界面中心位置刚度影响。（2）考虑实际接触界面的形貌并非光滑平整,提出了界面磨损过程中轮廓高度和磨损系数理论计算方法,并研究了法向载荷与表面初始距离等界面接触参量的关系,研究表明:接触界面初始摩擦系数、磨损系数与法向载荷成斜率递减的负相关,摩擦系数先急剧后平稳减小,数值从2向0.8靠拢,磨损系数先由3×10-3快速下降到0.25×10-3,然后趋于平稳,初始表面粗糙度先缓慢后快速下降;在界面动态磨损过程中,表面粗糙度逐渐减小,摩擦系数和磨损系数越来越大。（3）开展了球-盘干摩擦接触实验,对粗糙界面动态磨损特性作进一步的分析,定性验证了论文摩擦系数和磨损系数理论计算结果的正确性。实验结果表明:摩擦系数随界面相对滑动时间始终呈先上升后平稳的趋势,初始滑动阶段摩擦系数与界面表面粗糙度成反比;界面初始磨损系数与法向载荷呈反比,在界面持续相对运动的过程中,磨损系数波动上升,表面粗糙度非线性减小;这些规律可以定性验证接触界面轮廓高度和磨损系数预测模型的准确性。

关键词： 车辆工程   机车齿轮   内外激励   齿面磨损   齿轮振动  

摘要： 机车传动齿轮是机车运行的关键零部件,常处于高速重载的运行条件下,因此对齿轮的服役性能提出了更高的要求。齿面磨损作为齿轮的常见故障之一,会降低传动系统的效率和精度,甚至影响到机车的安全行驶。因此,有必要对机车齿轮齿面磨损特性开展研究。由于机车运行条件的特殊性,存在内部和外部因素对机车齿轮传动系统产生影响,所以需分析内、外部激励对机车齿轮齿面磨损的影响。最后,为保障齿轮传动系统的稳定性和可靠性,有必要分析含齿面磨损故障的机车齿轮振动响应和模态。基于此,本文以机车传动齿轮作为研究对象,通过数值法和有限元法进行研究,论文的主要研究工作如下:(1)通过Archard磨损公式和Hertz接触理论,建立了考虑动态磨损系数的机车齿轮齿面磨损数值仿真模型,并对其进行仿真计算,计算表明,主、从动齿轮靠近齿根处磨损深度最大,在节线处磨损深度为0mm,节线两侧单、双齿交替区域磨损深度出现突变。随后分析齿轮参数对齿面磨损的影响,结果表明,增大模数、压力角、齿宽和传动比或减小负载转矩可减缓齿面磨损。(2)为进一步探究内外激励对机车齿轮齿面磨损的影响,利用有限元软件ABAQUS进行二次开发UMESHMOTION子程序,并结合ALE自适应网格,建立了机车齿轮齿面磨损有限元仿真模型,在仿真后通过MATLAB提取齿面磨损信息,并将结果与数值仿真结果对比,发现两者都在齿根处磨损深度最大,节线处几乎不发生磨损。随后,通过改变模型参数以研究摩擦系数和中心距误差对齿面磨损的影响。研究发现,随着摩擦系数的增大,磨损深度总量不断增大,在节线处磨损深度不变,以节线为界靠近齿根处磨损深度增加,齿顶处相反,其增加量大于减少量,磨损深度的增加量主要集中在齿根处。当中心距误差为负时,随着中心距的减少,磨损深度总量越大,而当中心距误差为正时,随着中心距的增大,磨损深度总量几乎不发生变化。最后,基于多体动力学软件建立了机车动力学模型,分别仿真得到钢轨波磨激励和车轮多边形激励下从动齿轮垂向振动位移,加载到有限元模型中进行磨损仿真计算,发现激励的存在会加深齿根处磨损,且激励产生的垂向振动位移越大,对齿面磨损的影响越大。(3)基于能量法推导出含齿面磨损的齿轮啮合刚度计算公式,进而研究不同程度齿面磨损对齿轮时变啮合刚度的影响,研究发现,齿面磨损会降低齿轮啮合刚度,随着磨损程度的加剧,刚度减少量越大,对齿顶刚度的影响大于齿根位置。在此基础上建立了六自由度齿轮动力学模型,将齿轮时变啮合刚度代入到动力学方程中进行求解,以研究含齿面磨损故障的齿轮振动响应,发现磨损故障对齿轮振动响应和传动误差影响较小,仅在幅值上发生变化。因此通过统计指标去评估不同程度磨损对信号的影响,发现在频域中偏度和均方根值对磨损故障有比较强的敏感性。(4)在ABAQUS软件中建立了含不同程度齿面磨损的机车齿轮有限元模型,并对其进行模态分析。结果表明,齿面磨损导致齿轮固有频带变宽,在设计和使用中应注意避开这一频带,避免发生共振。但齿面磨损对振型影响较小,齿顶变形量大于齿轮其他部位,因此在齿轮加工时需要注意加强齿顶的强度。

关键词： 钢轨波磨   视觉检测   摩擦自激振动   神经网络   三维重构  

摘要： 为推进交通强国建设,我国的城市轨道交通有了飞速发展,但由于城市轨道交通地势多变、线路复杂,常导致其轮轨关系劣化,继而引发严重的钢轨损伤。作为典型的钢轨损伤问题,钢轨波磨不但降低了乘客舒适性,严重时还会危及行车安全,然而在城市轨道交通的运营维护中,针对钢轨波磨的防治手段主要为人工巡检和定期打磨。该防治手段十分依赖于巡线人员经验,使得在针对钢轨波磨的定期治理中常出现漏打磨、过度打磨等问题,致使钢轨服役时间缩短,产生大量的经济损失,所以开展钢轨波磨的三维重构与磨损预测研究极具必要性。本文主要开展了如下四个方面的研究工作:(1)通过YOLO神经网络框架,搭建并训练了针对钢轨波磨的图像识别模型,实现了图像中钢轨波磨的存在性识别,并对识别结果可靠程度按照置信度进行划分。通过钢轨波磨图像验证分析,该钢轨波磨快速识别方法的均值平均精度为0.986,对钢轨波磨具有良好的识别效果。此外,当检测结果的置信度为0.6-0.9时,能准确识别到钢轨波磨。(2)通过Canny边缘检测算法与霍夫变换算法等多种图像处理方法设计了图像预处理方法,提取了钢轨波磨图像。随后使用非线性拟合方法,探究了预处理后钢轨波磨图像中灰度与磨损深度的内在关联,进而实现钢轨波磨的三维重构。通过现场验证,钢轨波磨深度-灰度拟合方程的RMSE为0.02,对钢轨波磨检测深度识别的平均偏差最小可达2%。(3)根据钢轨波磨的三维重构方法,构建了含钢轨波磨的轮轨系统有限元模型并对其分别进行了瞬时动态分析与磨损计算分析,以实现钢轨波磨的磨损预测。结果表明轮轨间的饱和蠕滑力诱导了频率为250 Hz的摩擦自激振动,从而导致该处钢轨波磨产生与发展。此外,磨损分布预测情况与真实情况大致相同,且其磨损深度误差约为5.3%。(4)以梯形轨道支撑的小半径曲线为例,构建了转向架-轮对-轨道系统有限元模型,通过复特征值分析法与最小二乘法,设计了影响钢轨波磨产生的轨道结构多参数拟合方程,最后采用遗传算法,确定了控制钢轨波磨的轨道结构优化方案。结果表明,当梯形轨道中扣件垂向刚度、扣件水平刚度、扣件垂向阻尼、减振垫垂向刚度分别为36 MN/m、1.68 MN/m、2.9 k Ns/m、5.57 MN/m时,可有效控制该处钢轨波磨的形成。

关键词： 道岔心轨   激光熔覆   工艺参数   微观组织   硬度   磨损  

摘要： 心轨是道岔区的薄弱部件,受道岔结构不平顺等因素影响,心轨损伤十分严重。激光熔覆技术为道岔心轨的强化与修复提供了新的途径。Fe基合金与心轨材料特性相近且成本较低,WC颗粒硬度大、熔点高、与Fe基合金涂层润湿性能良好,可作为增强相提升涂层的耐磨性能。因此开展道岔心轨激光熔覆WC/Fe复合涂层工艺优化与磨损性能研究对提高心轨服役性能与寿命具有重要的理论意义与工程价值。 本文利用MMRO-2光纤激光器在高锰钢心轨材料表面进行了激光熔覆Fe基合金涂层的工艺参数优化试验,阐明了工艺参数对涂层成型参数与微观组织的影响规律,通过极差分析法确定了最佳的工艺参数;研究了最佳工艺参数下WC含量对WC/Fe复合涂层宏观形貌与微观组织的影响,分析了WC颗粒的溶解行为并揭示了高WC含量复合涂层的开裂机制;针对40wt%WC/Fe复合涂层出现裂纹的问题,研究了调节激光能量密度、激光重熔和超声振动辅助三种裂纹抑制方法对复合涂层开裂行为与微观组织的影响。最后利用滑动和冲击磨损试验研究了心轨表面WC/Fe复合涂层的磨损行为,提出了心轨表面激光熔覆WC/Fe复合涂层的应用建议。 论文的主要结论如下: (1)随着激光功率、扫描速度增大以及送粉速率降低,Fe基合金涂层稀释率增大,微观组织致密程度升高,显微硬度增加;三种工艺参数中扫描速度对涂层稀释率和润湿角的影响最显著,激光功率对涂层显微硬度的影响最显著;最佳工艺参数是激光功率为1100 W、扫描速度为14 mm/s、送粉速率为14 g/min的组合。 (2)WC含量从0 wt%增加到40 wt%时,WC/Fe复合涂层中WC颗粒分布更均匀,微观组织尺寸更小,等轴树枝晶的占比增大,显微硬度提升;WC颗粒的溶解程度与其Fe基合金中的大小呈反比;高WC含量WC/Fe复合涂层出现裂纹。 (3)激光能量密度、激光重熔功率、超声振动振幅增大能够减少40wt%WC/Fe复合涂层的裂纹数量;激光能量密度的增大以及1200 W以上的激光重熔功率会使复合涂层晶粒度增大,显微硬度降低;在0～25μm范围内,随着超声振动振幅增大,复合涂层晶粒细化,显微硬度增大;三种方法的优选参数分别是激光能量密度为22 J/mm、激光重熔功率为1600 W、超声振动振幅为25μm。 (4)随着WC含量的增多,WC/Fe复合涂层的耐冲击/滑动磨损性能增强,冲击磨损损伤形式由材料剥落和疲劳裂纹共存转变为轻微材料剥落,滑动损伤形式由犁沟和材料剥落转变为犁沟;三种裂纹抑制方法优选参数下40wt%WC/Fe复合涂层损伤均比较轻微,冲击磨损损伤形式为轻微材料剥落,滑动磨损损伤形式为细小均匀的犁沟。

关键词： 机械系统  

ISBN: (纸本)9787551734561

摘要： 本书论述了基于贝叶斯网络的复杂机械系统可靠性建模的基本思想和方法, 并给出了相应的实例。全书共分9章: 第1-2章介绍了贝叶斯网络可靠性建模的研究现状和基本理论 ; 第3章介绍了机械系统可靠性评估的贝叶斯网络模型 ; 第4章介绍了多状态系统的贝叶斯网络模型 ; 第5章介绍了相关失效系统的贝叶斯网络模型 ; 第6章介绍了动态贝叶斯网络 ; 第7章介绍了航空发动机系统可靠性评估 ; 第8章介绍了航空发动机系统可靠性软件设计及开发 ; 第9章介绍了汽车发动机系统可靠性评估。

关键词： 静电监测   齿轮磨损   多尺度卷积神经网络   状态识别  

摘要： 齿轮是机械传动设备中关键的零部件之一,被广泛用于汽车、航空、电力设备等多个领域,其稳定运行决定了整个机械传动设备的正常运转。然而,齿轮磨损是齿传动系统运行过程中的固有现象,齿轮传动系统常因齿轮磨损发生故障而造成经济损失。但是,通过传感技术监测并识别齿轮的磨损状态,可为齿轮传动系统的运行维护提供决策支持,同时能避免机械设备因齿轮磨损发生事故或过早维修造成的资源浪费。因此,齿轮磨损状态的准确监测和识别对机械传动设备的健康管理具有重要意义。针对传统的齿轮故障监测方法难以监测到早期齿轮磨损故障的问题,结合静电监测技术拥有能直接监测机械设备磨损的特点,本文设计了齿轮磨损静电传感器,开发了一套齿轮磨损监测系统,并基于MSCNN网络模型实现了齿轮磨损状态的高准确率识别。本文主要研究内容如下:(1)详细介绍了齿轮运行过程中的电荷产生机理,包括摩擦荷电、表面荷电、摩擦发射和磨粒荷电等四种荷电机制;随后基于静电感应介绍了静电传感器的感应原理,并确定了探极表面感应电荷量的影响因素;最后介绍了静电传感器的种类,并基于静电感应原理设计了感知齿轮静电水平的齿轮磨损静电传感器。(2)针对数学和实验方法难以分析传感器空间灵敏度影响因素的问题,本文在COMSOL Multiphysics有限元仿真软件中建立了静电传感器的有限元仿真模型,并结合第二章中静电传感器探极感应电荷量的影响因素,分析了探极位置与探极面积对静电传感器空间灵敏度的影响,同时通过齿面磨损带电区域模拟实验验证了有限元仿真结果的准确性。(3)设计了齿轮磨损监测系统。针对静电传感器输出电容随传输线缆变化以及输出信号微弱的特点,设计了齿轮磨损静电传感器调理电路,分析了调理电路的传递函数,结合需求对各元器件进行了选型,并在电路仿真软件中对设计的电路进行了验证。基于Lab VIEW开发了齿轮磨损监测系统的上位机软件,详细介绍了监测界面以及部分关键模块的设计。(4)介绍了本文设计的多尺度卷积神经网络模型的结构和主要参数,基于搭建的齿轮实验台设计了齿轮磨损加速实验,利用齿轮磨损监测系统监测齿轮的磨损过程,通过对齿轮齿形轮廓的分析表明磨损齿面的齿厚减小了104.8um,通过对比探极1和探极2感应出的静电脉冲信号排除噪声脉冲的干扰,利用两探极脉冲信号间的滞后时间计算得到了齿轮箱输入轴的瞬时转速信息,依据齿轮磨损开箱检查结果和静电监测结果划分了齿轮磨损阶段,对各磨损阶段的信号分析表明静电信号相比振动信号能更早监测到齿轮磨损,通过设计的MSCNN网络模型的齿轮磨损状态识别结果表明基于静电信号的齿轮磨损状态识别更具有优越性。

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。