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关键词： 空气湿度   浸金属碳滑板   载流摩擦   电接触特性   磨损特性  

摘要： 受电弓滑板作为列车供电系统的关键集电元件,其良好的服役性能是保障列车安全稳定运行的根本。在城市轨道交通中,列车常采用受电弓与刚性接触网系统供电。现场运行情况表明,冬季天气干燥时期,地铁中浸金属碳滑板磨耗量激增,导致滑板更换频繁,问题突出。目前,尚无针对空气湿度对浸金属碳滑板摩擦磨损性能的影响研究。因此,本文针对空气湿度对浸金属碳滑板磨耗的影响机理及规律开展研究,研究结果对于改进弓网摩擦学性能、促进可持续性发展并提高经济效益具有十分重要的意义。 首先考虑包括润滑层、滑板温升、接触电阻、铜的氧化等多维因素,分析了空气湿度对浸金属碳滑板摩擦磨损性能的影响机理。根据试验研究需求,搭建了摩擦磨损等效试验装置,采用除湿机来控制实验室空气湿度,并安装对应的温度、电压电流等数据采集设备。根据相关标准并结合地铁实际运行情况,制定了试验方案。 基于摩擦磨损等效试验装置,开展了不同空气湿度下浸金属碳滑板/铜合金接触线接触副的纯机械摩擦磨损试验。以浸金属碳滑板温升、粗糙度、磨损量、磨损形貌等为研究对象,研究了不同空气湿度下浸金属碳滑板纯机械摩擦磨损特性。通过对比分析试验数据并分析规律,发现:纯机械摩擦时浸金属碳滑板摩擦磨损较为轻微,空气湿度的增加可以减少浸金属碳滑板的磨损,略微抑制滑板温升,且可以明显减轻滑板表面的划痕等不平整形态。 对于浸金属碳滑板而言,载流摩擦时空气湿度的变化会影响其机械电气耦合作用,故本文从电接触特性和机械摩擦磨损特性两个方面对不同空气湿度下浸金属碳滑板的载流摩擦磨损性能开展了试验研究,得到了浸金属碳滑板温升、接触电阻、燃弧次数、粗糙度、磨损量、磨损形貌等参数的变化规律,解析了不同空气湿度下数据变化的原因,并结合纯机械摩擦磨损结果进行了综合分析。研究发现:随着空气湿度的增加,接触电阻呈现出先减小后增大的U型变化趋势,放电情况则逐渐得到增强;载流摩擦时滑板磨损量远大于纯机械摩擦磨损量,空气湿度2g/m3时差距最大,达到了1.34g;空气湿度的增加仍可以有效地抑制浸金属碳滑板的磨损,且在空气湿度较低时表现更为明显,空气湿度6g/m3时的磨损量比空气湿度2g/m3时减小了74.5%,变化了1.08g;空气湿度较低时滑板表面润滑膜层难以形成,空气湿度的增加有利于改善石墨的润滑性能,但同时促进了铜的氧化剥落,载流摩擦时还会恶化电弧烧蚀。

关键词： 主轴承   油膜压力   油膜厚度   磨损量   缩比试验  

摘要： 盾构机主驱动轴承作为盾构机三大核心部件之一,驱动着刀盘旋转,承受着巨大的轴向及径向载荷。目前,受国内设计制造技术水平的制约,主驱动轴承主要依赖于进口。为实现主驱动轴承国产化,保证其在复杂工况下的正常运行,对其承载能力、可靠性有了更加严苛的要求。摩擦发热会导致主轴承回转面胶合,降低主轴承传动效率,缩短使用寿命,对主轴承进行合理的润滑设计,可以有效降低摩擦、减少磨损,避免施工过程中主轴承早期磨损失效产生的经济损失。因此,对盾构机主驱动轴承摩擦磨损影响因素进行分析,可以为主驱动轴承的设计、制造及使用提供理论参考,助力盾构机主驱动轴承国产化研制。为此,本文进行了如下研究: (1)建立了盾构机主驱动轴承的静力学模型,通过分析某4.8 m级盾构机主驱动轴承滚子负载及运动参数,得到了主推滚子-滚道副的滚子负载分布规律,为主轴承润滑特性分析和磨损寿命计算提供了理论参考。 (2)基于多重网格(MG)法,结合主轴承静力学模型得到的运动参数及受力参数,建立了盾构机主轴承弹流润滑计算模型。分析可知,随着受力的增大及主推滚子长度、直径的减小,盾构机主驱动轴承主推滚子-滚道副间油膜压力增大,膜厚减小;随着转速的提高,油膜压力二次峰值变大,膜厚增大;使用高动力粘度的润滑介质,可以有效提高盾构机主驱动轴承油膜厚度;适当的增大接触表面粗糙度幅值和波长,选取合适的粗糙度纹理角可以有效提高盾构机主驱动轴承润滑性能。 (3)基于Archard磨损模型,结合主轴承弹流润滑模型得到的接触面油膜压力分布情况,建立了盾构机主轴承磨损寿命计算模型。分析可知,盾构机主驱动轴承主推滚子磨损量沿圆周分布规律与轴承受力、转速、润滑介质、结构尺寸及接触表面粗糙度波长、纹理角无关,但受滚子-滚道间接触表面粗糙度幅值的影响;随着主驱动轴承受力、转速、润滑油动力粘度及接触表面粗糙度波长的增大及主推滚子长度、直径及接触表面粗糙度幅值的减小,主推滚子磨损量增大,磨损寿命减小;主推滚子磨损量随接触表面粗糙度纹理角的增大而先减小后增大,磨损寿命受其影响较小。 (4)搭建了盾构机主驱动轴承摩擦磨损试验台,通过基于等应力原则设计制造的缩比轴承,进行了盾构机主驱动轴承缩比试验,分析了试验结果与理论计算结果,验证了盾构机主轴承磨损寿命计算模型的准确性。 本文研究结果可以为盾构机主驱动轴承设计、制造提供润滑参数选取,提高主驱动轴承的可靠性和使用寿命,为盾构机主驱动轴承运行状态监测提供理论参考,对盾构机主驱动轴承国产化研究具有重要意义。

关键词： 非晶合金   纳米多层膜   力学行为   摩擦磨损   腐蚀性能  

摘要： 非晶合金薄膜由于硬度高、热塑性成形能力好及表面粗糙度低等优势,在微机电器件、植入式医疗、便携式电子设备等领域展现出巨大的应用潜力。非晶纳米多层膜由非晶合金与其他材料在二维方向上交替叠加而成,具有数量可控的异质界面,可在纳米尺度上实现各层成分和厚度的精细调控,对设计和优化非晶合金薄膜性能十分有利。本文通过磁控溅射技术制备了一系列Mg Cu Y/Co Fe Ta B非晶/非晶多层膜和Mg Cu Y/Cu非晶/晶体多层膜,其中Mg Cu Y层厚固定(～4 nm),Co Fe Ta B层和Cu层厚度在纳米尺度变化,系统研究其力学、摩擦磨损及腐蚀行为,并探讨相关作用机制。主要结论如下:Mg Cu Y非晶基纳米多层膜的硬度具有层厚依赖性。对于Mg Cu Y/Co Fe Ta B多层膜,随Co Fe Ta B层厚的减小(80 nm至4 nm),较软相Mg Cu Y体积分数的增大(4.67%-50%),多层膜的硬度不断升高,其中层厚为4 nm时硬度最高,比Co Fe Ta B薄膜高19%,该现象可归因于高密度层间界面对剪切带的阻碍作用。对于Mg Cu Y/Cu多层膜,随Cu层厚的减小(40 nm至4 nm),Mg Cu Y相体积分数的增大(9.1%-50%),多层膜的硬度呈先升高后降低的趋势,其中层厚为16 nm时硬度最高,比Cu薄膜高68%,实验结果表明这与Cu层晶粒尺寸减小导致的主控塑性变形机制转变密切相关。Mg Cu Y非晶基纳米多层膜的摩擦学性能不仅与硬度直接相关,还受到薄膜韧塑性的影响。对于Mg Cu Y/Co Fe Ta B多层膜,最高硬度(Co Fe Ta B层厚为4 nm)时磨损率仅为Mg Cu Y薄膜的1/40,摩擦系数比Mg Cu Y薄膜降低约10%。但对于Mg Cu Y/Cu多层膜,最高硬度(Cu层厚为16 nm)时摩擦系数和磨损率反而较高,其中磨损率比较软多层膜(Cu层厚为4 nm)高42%。研究表明,磨粒磨损是Mg基非晶纳米多层膜的主要磨损机制,随Co Fe Ta B或Cu层厚的减小,异质界面数量急剧增大,多层膜的塑性变形能力提高,摩擦引起的开裂得到有效抑制。Mg Cu Y非晶基纳米多层结构能显著提升对应金属薄膜的耐腐蚀性能,且具有层厚依赖性。Co Fe Ta B(80 nm)或Cu(40 nm)层厚较大时,多层膜的层间异质界面能有效阻碍腐蚀介质渗入和腐蚀裂纹扩展,同时相邻阳极层(Mg Cu Y)与阴极层(Co Fe Ta B或Cu)之间较强的电偶相互作用,促使腐蚀路径不断由纵向偏转为横向,从而有效延缓腐蚀进程。

关键词： 点胶机器人撞针   冲击微动磨损模型   磨损机理   不确定性传播   表面改性  

摘要： 组装与封装技术是制约包括芯片等器件在内微机电系统发展最关键的因素之一,其效率和可靠性直接影响产品的性能和产业化进程。点胶机器人是微机电系统封装关键高端装备,囿于核心零部件撞针磨损畸变导致使役精度降低是其最主要的故障模式之一,致其难以满足点胶过程中高速、高加速度运动、短行程运动与精密定位频繁转换的苛刻要求。本文旨在研究撞针冲击微动磨损机理,进行多源不确定性条件下撞针磨损建模和分析,并提出有效的耐磨性提升方法。 首先,本文综合考虑材料微观结构差异性和使役条件不确定性,构建多因素耦合磨损模型,阐明高频微幅冲击模式下撞针磨损行为动态演化机理。通过微结构表征分析发现撞针在服役阶段表现出不同的磨损特征。对磨损模型进行敏感性分析,结果表明,冲击速度和硬质合金撞针材料晶粒度对磨损影响显著。 然后,基于λ-PDF法的不确定性参数度量方法,对撞针磨损参数进行了不确定性建模;使用降维积分不确定性传播分析方法,实现点胶机器人撞针磨损参数的不确定性传播分析,该模型能够有效地预测撞针的磨损情况。 基于上述撞针冲击微动磨损机理和参数不确定性分析,提出了一种基于强流脉冲电子束（HCPEB）表面改性的撞针耐磨性提升方法。通过微结构表征分析,研究了撞针表面处理前后的表面形貌、相结构和元素分布,并分析了脉冲辐照参数对表面改性效果的影响。结果表明,HCPEB表面处理促使WC相向WC1-X相的转变,增加材料显微硬度并显著细化晶粒,从而提高点胶机器人撞针耐磨性和服役寿命。 最后,将磨损模型、不确定性分析方法和耐磨性优化方法进行集成并进行点胶实验验证。实验结果表明,撞针磨损量降低了约50%,同时疲劳分层磨损和轻微磨损现象得到明显控制。本文实现了兼顾材料微观结构差异性与微动冲击特性的撞针使役精度优化,为国产长寿命、高精度、高可靠性点胶机器人的保质设计提供理论依据和方法支撑。

关键词： 齿轮传动系统   磨损状态   油液参数   信息融合  

摘要： 齿轮传动系统作为机械设备使用最广泛的部件之一，其运行状态直接影响设备生产效率，决定企业生产安全与经济效益。实时、准确地对齿轮传动系统进行状态识别能保证设备的高效可靠运行，避免设备运行过程中非必要的人为干预，提高设备自动化、智能化水平。目前，在齿轮传动系统磨损状态识别方面，存在准确率低、模型训练与识别时间耗时长等问题，针对于此本文采用理论分析、模型构建以及实验研究相结合的方式，开展了基于油液多参数信息的齿轮传动系统磨损状态识别方法研究，具体内容如下:　　(1)分析齿轮传动系统磨损过程、磨损类型及原理，基于粘着理论、疲劳理论以及能量损耗理论构建齿轮磨损计算模型，研究齿轮磨损对油液各参数的影响，通过实验研究的方式分析磨合、正常磨损、严重磨损以及失效四种不同状态齿轮传动系统润滑油各参数的变化趋势，对磨损状态和油液参数进行关联性研究，研究结果表明油液磨粒颗粒数、粘度、密度、温度等参数的变化能够直接反映齿轮传动系统的磨损状态，结合不同类型传感设备的监测原理，确定了针对以上四种油液参数的监测方法。　　(2)结合对不同时期、不同状态油液中磨损颗粒的数量、油液的密度、粘度和温度等参数进行采集分析，确定了润滑油特征参数的数据采集方案，并开发了油液在线监测软件,实现了油液的实时定量取样、多参数实时采集分析和数据交互等功能。根据齿轮传动系统实际工况，采用相似性原理完成了磨损跑合实验系统的搭建和油液参数采集的性能测试,得各监测参数相对标准偏差均小于1.5％,系统运行可靠。　　(3)分别对磨合期、正常磨损期、严重磨损期和失效四种不同状态下的齿轮进行加载跑合和油液特征参数采集实验，结合Grubbs理论对原始数据进行去噪处理，形成油液特征参数数据集;采用长短期记忆网络(LongShort-TermMemory，LSTM)方法构建磨损状态识别模型，针对小于100微米铁磁磨粒数、大于100微米铁磁磨粒数、粘度、密度、温度以及非铁磁磨粒数单一参数以及油液多参数信息数据进行模型训练测试，通过对识别模型进行测试可得不同输入参数的模型准确率分别为75.188％、76.182％、74.362％、70.142％、67.218％、64.006％、87.63％。　　(4)采用卷积神经网络(ConvolutionalNeuralNetworks,CNN)方法构建多信息融合模型，将融合模型引入长短期记忆网络状态识别模型，形成CNN-LSTM的耦合模型。针对模型训练和评估效率低、准确性差等问题，采用早停法(EarlyStopping,ES)、自适应矩估计(AdaptiveMomentEstimation,Adam)方法，对CNN-LSTM的耦合模型进行优化，并使用不同数据集对优化后的CNN-LSTM模型进行测试,磨损状态识别准确率提高至98.996％、效率提高了75.85％。对工业现场不同磨损状态油液进行采集分析，以现场油液数据进行状态识别方法验证，通过测试结果得模型的平均识别准确率为98.79％。

关键词： CuxO/TiO2膜层   植入材料   等离子体   电解氧化   腐蚀磨损   抗菌性能  

摘要： 随着人口老龄化的加剧和医疗资源的短缺，市场对医用植入材料存在大量需求。然而，传统医用钛合金由于生物惰性和耐磨性差等缺陷，容易导致植入失败。生物惰性无法抑制细菌在植入材料表面的粘附和生物膜的形成，耐磨性差会导致植入材料在体液环境的长期使用过程中降解或损坏。因此，开发具有抗菌和耐腐蚀磨损性能的新型医用钛合金植入材料，成为材料学、医学和生物学等交叉领域的重要课题。　　本文以医用Ti-6Al-4V合金为研究对象，采用等离子体电解氧化（PEO）工艺在不同浓度的Na2Cu-EDTA电解液中原位合成CuxO/TiO2膜层，分析Na2Cu-EDTA浓度对膜层形貌、成分和结构的影响，评估CuxO/TiO2膜层的生物表现和耐腐蚀磨损性能。此外，还进一步探索了腐蚀磨损与抗菌性之间的联系。　　研究结果表明，CuxO/TiO2膜层主要由锐钛矿相、金红石相和无定形SiO2组成，Cu元素主要以Cu2O的形式存在于膜层中。随着Na2Cu-EDTA浓度的增加，CuxO/TiO2膜层中的Cu含量和显微硬度增加，膜层由灰白色逐渐变为深棕色。同时，膜层表面CuxO的增加使得TiO2和SiO2相对表面积的减少，从而降低了膜层的亲水性。此外，Na2Cu-EDTA浓度的增加导致了膜层生长过程中的等离子体放电密度的降低，使得CuxO/TiO2膜层的孔隙率和粗糙度减小。然而当Na2Cu-EDTA浓度增加至10g/L时，等离子体出现局部持续放电现象，导致膜层孔隙率和粗糙度最终分别升高至9.2%和1.369μm。　　CuxO/TiO2膜层对成骨样细胞没有细胞毒性，且随着Na2Cu-EDTA浓度和培养时间的增加，CuxO/TiO2膜层对金黄色葡萄球菌的抗菌率达到99.99%。CuxO/TiO2膜层通过接触抗菌和Cu2+离子释放共同作用抑制了细菌在膜层上的粘附和生物膜的形成，其中接触抗菌是主要抗菌机制。与未添加Na2Cu-EDTA的膜层相比，Na2Cu-EDTA浓度为7g/L时制备的膜层在模拟体液（SBF）中的质量损失和体积损失分别降低了53.5%和46.3%。腐蚀磨损促进了磨痕处磷灰石的沉积以及Cu2O向CuO的转化，这层摩擦层阻止了CuxO/TiO2膜层与对磨材料的直接接触，改善了膜层表面的磨损条件。　　值得注意的是，由于腐蚀磨损使得更多的Cu元素暴露在膜层表面，因此腐蚀磨损过程促进了CuxO/TiO2膜层的长期抗菌效果。本文通过原位制备抗菌膜层在解决医用植入材料初期的细菌生物膜的形成和长期的腐蚀磨损问题提供了新思路，并为医用植入材料长期抗菌策略提供了重要参考价值。

关键词： 双相铜银合金   非互溶合金   动态塑性变形   表面机械碾压处理   梯度纳米层片结构   摩擦学行为   磨痕亚表层结构  

摘要： 降低金属材料间摩擦磨损,可以延长金属机械部件寿命,显著降低能源消耗。近年来,研究者通过塑性变形技术成功地在多种金属材料中构筑梯度纳米结构表层。得益于其优异的应变协调能力,与粗晶(CG)及均质纳米晶金属材料相比,梯度纳米结构金属材料摩擦系数显著降低,耐磨性大幅提高。但是,目前利用梯度纳米结构提高材料摩擦磨损性能的研究集中于单相金属材料,而双相梯度纳米结构金属材料在塑性变形中两相结构演化及相互作用,对其摩擦学行为的影响仍值得深入研究。双相Cu-Ag合金具有良好的强度-电导率匹配以及极佳的可成形性,在电子工业及电力输运等诸多领域得到广泛应用。材料在服役过程中表面往往会发生摩擦磨损,双相Cu-Ag合金摩擦磨损行为将直接决定其服役寿命,因此,研究双相纳米结构金属摩擦磨损机制具有很高的应用价值。鉴于此,本工作利用动态塑性变形(DPD)技术及表面机械碾压处理(SMGT)两种加工方法,制备出两种双相纳米结构Cu-10Ag合金,并对其纳米结构形成机制,摩擦磨损行为及磨痕亚表层结构演化进行系统研究,深入研究双相纳米结构Cu-10Ag合金在摩擦过程中两相结构演化对其摩擦学行为的影响,理解相关摩擦磨损机制。主要结果如下:1.通过DPD技术,制备出一种双相纳米层片结构(DNL)Cu-10Ag合金,富Cu、富Ag层片平均厚度分别为～55nm和～39 nm,少量富Ag层片厚度为数百纳米。在干摩擦条件下,相比于CG样品,DNL样品摩擦系数显著降低,耐磨性明显提高。在载荷为50 N,滑动1.8×104周次过程中,DNL样品摩擦系数为～0.32,远低于CG样品(～0.59),磨损体积比CG样品降低一个数量级。2.在摩擦过程中,DNL样品表层微观结构进一步细化,并伴随富Ag相与富Cu基体的混合,在摩擦表面形成具有较高机械稳定性的Cu-Ag过饱和固溶体纳米晶层,有效抑制了易剥落纳米结构混合层的形成。同时,由于DNL样品中富Ag层片有效协调表面及近表层在摩擦过程中塑性变形,抑制表面大面积剥落,摩擦系数及磨损率显著降低。3.利用液氮温度下SMGT,在双相Cu-10Ag合金表面制备出梯度纳米结构表层,其厚度约为500 μm。其中,最表层～50 μm区域为单相纳米层片(NL)结构,平均层片厚度为～30 nm;70-210 μm区域为双相梯度纳米层片(DGNL)结构,两相层片厚度均随深度增加而逐渐增大。SMGT样品表面NL结构层硬度为～3.5 GPa,DGNL结构层硬度随深度变化呈现梯度分布,由基体硬度～1.1 GPa逐渐增加至距表面深度80 μm处～2.8 GPa。4.在SMGT变形过程中,双相Cu-10Ag合金微观结构的梯度变化伴随着Cu与Ag的化学混合。通过原子尺度透射电镜表征,发现富Ag相中Cu原子在位错核心附近区域富集,提出一种位错协调的溶质原子输运机制,即溶质原子可能与跨相滑移的位错相互作用,导致其被位错“携带”并进入溶剂相内部,形成过饱和固溶体。5.通过除去SMGT样品表面单相NL结构层,在Cu-10Ag合金中获得了DGNL结构表层。与CG及NL样品相比,DGNL样品干摩擦系数显著降低,耐磨性大幅提高。在载荷为30-90 N范围内,DGNL样品干摩擦系数为～0.27,约为CG样品44%和NL样品48%;磨损率为～3.11×10-7 mm3·N-1·m-1,约为CG样品5%和NL样品13%。与目前文献报道的纳米结构金属耐磨性相对CG样品提高幅度对比,发现DGNL Cu-10Ag合金与CG样品相比,耐磨性提高幅度最大(～20倍)。6.分析表明,DGNL样品优异的摩擦磨损性能与其在摩擦过程中独特的变形机制相关。DGNL样品中梯度结构可抑制摩擦过程中应变局域化的发生,从而有效抑制摩擦过程中表面粗糙化与脆性摩擦层的形成。双相纳米层片结构中半共格界面低剪切强度和高抵抗法向载荷强度,可降低摩擦系数,抑制表面涡流状变形结构的形成,提高表层结构稳定性。此外,DGNL样品表层富Cu和富Ag纳米层片在摩擦过程中逐渐转变为单相Cu-Ag过饱和固溶体纳米晶,可抑制表层剪切不稳定性以及表面脆性摩擦层的形成,有利于进一步提高DGNL Cu-10Ag合金摩擦磨损性能。

关键词： 人工关节   滑动磨损   多视图特征   动态识别   磨屑分布特性  

摘要： 人工关节置换术是治疗骨关节疾病的重要手段,也是深入推进智慧医疗、健康中国建设的重要保障。随着我国老龄化程度的加深以及疾病年轻化趋势的加剧,骨关节疾病的患病率呈现出增长态势,进而导致人工关节置换手术的需求量急剧增加。据不完全统计,2021年全国关节置换手术约10万例,并且每年以约15%的速度递增,这对人工关节的可靠性和稳定性提出了更高的要求。其中,人工关节的制备材料对其性能有着至关重要的影响。金属、高分子和聚合物是常用的人工关节材料,而金属由于其良好的力学性能和易加工等优点,已经被广泛应用于人工关节置换中。然而,金属配副界面的滑动磨损是导致金属假体发生无菌性松动和翻修的重要因素,不同工况下所造成磨损的严重程度也不相同。因此,研究人工关节的磨损性能对增强其耐磨性、减轻磨损程度具有重要意义。为此,本文开展人工关节磨屑特征动态识别和分布特性的研究,通过动态磨屑识别算法获取磨屑的多视图图像、形态和粒径等信息,并结合摩擦系数和磨损形貌特征,分析不同磨损工况下的磨屑特征分布规律,为人工关节摩擦磨损性能的提升提供了重要依据,对延长人工关节的服役寿命、保障患者生命健康具有重要意义。主要研究内容包括: (1)设计运动磨屑视频采集系统,获取磨屑的多视图图像,解决单一静态图像中磨屑识别错误问题。通过微量泵驱动磨屑在微流道中以恒定的速度滚动,利用光学显微镜放大磨屑图像,最后通过CMOS传感器采集磨屑的运动视频,为提取磨屑的多视图图像特征序列奠定基础。 (2)研究基于运动目标跟踪的磨屑多视图图像序列提取方法。首先,利用高斯混合模型为视频建立背景模型,以检测视频中运动的磨屑;然后,通过Kalman滤波估计目标磨屑的运动状态,利用卷积神经网络提取磨屑的外观特征,融合运动距离和外观信息进行级联匹配,实现运动磨屑的准确跟踪;最后,基于最大类间方差法寻找最优分割阈值,提取磨屑的多视图图像序列。 (3)研究基于多视图特征序列的运动磨屑识别方法。为了融合磨屑多视图的特征信息,提升不规则磨屑的识别准确率,研究基于多视图特征序列的动态磨屑识别方法。首先提取多视图图像的面积、长宽比和圆度特征,建立特征变化曲线;然后,利用自相关函数方法提取特征曲线的单个周期,并为曲线建立特征向量;最后,研究基于SVM概率加权集成的运动磨屑识别方法,融合面积、长宽比和圆度三个特征识别磨屑形态,提升了磨屑识别的精度和速度,为人工关节磨屑的在线状态监测奠定了基础。 (4)人工关节摩擦磨损实验设计和磨屑分布特性研究。实验选取Co Cr Mo、Ti、Ni Ti、TC4、TC4-5Cu五种人工关节金属材料,分别以空气、去离子水和PBS溶液作为润滑介质,利用动态磨屑识别算法获取磨屑的多视图图像特征、形态和粒径等信息,结合摩擦系数、磨损形貌的分析不同磨损工况下的磨屑分布特性,为人工关节磨损性能的提升提供了数据支撑。同时,摩擦系数和磨损形貌的分析,也验证了本文提出磨屑分析方法的有效性,为磨屑分析提供了新的思路。

关键词： 高频脉冲   铸造铝合金   凝固组织调控   摩擦磨损  

摘要： 铸造铝合金中α-Al以及共晶Si的形貌和尺寸对其微观组织及其性能极为重要。电脉冲处理做为一种改善金属凝固组织的新技术,可以通过调控合金的微观组织从而提高相关性能。本文采用脉冲电流输出设备,针对Al-9Si二元合金施加不同高频脉冲电流参数,研究高频电脉冲对亚共晶Al-Si合金微观组织的影响规律和调控机制,揭示电脉冲对Al-9Si二元合金微观组织细化及形貌优化机制;研究电脉冲参数对Al-9Si二元合金的摩擦磨损性能的影响,揭示电脉冲调控Al-9Si二元合金性能的强化机制。论文主要结论如下:(1)通过改变高频电脉冲参数,这样能够达到对亚共晶Al-9Si合金微观组织的调节。增大电脉冲的脉冲电压及脉冲频率可以使得α-Al相大多变成圆球状,也有不少等轴晶产生,平均尺寸由38μm转变为15.2μm左右;共晶组织呈均匀弥散分布,细化效果显著且分布更均匀。而随着脉宽的减小,微观组织得到细化。(2)脉冲电压为150 V,脉冲频率为1000 Hz,脉宽为5 ms时,合金凝固组织的细化效果最佳,α-Al由枝晶变成球状,边角的钝化作用明显,排列变得很规整有序;α-Al中Si的固溶度达到了最高2.05%;共晶Si在α-Al之间的分布更加分散均匀,晶粒呈细长针状且具有方向性。(3)结果表明,凝固过程中施加高频电脉冲,会在金属熔体内不同位置产生不同的收缩力,这就使得熔体中的不同部位的流动能力也不同,流动能力的差异又会引起梯度生成,内部的剪应力自然而然的出现,会把完整的树枝状晶体冲垮打碎,重新游离到合金熔体中,成为新的晶核,这样就能细化晶粒的效果。(4)摩擦磨损试验中,合金的平均摩擦系数随着电脉冲的脉冲电压和脉冲频率的增大而显著减小;随着脉宽的增大而显著增大。在未变质合金的平均摩擦系数为0.485,当脉冲电压为150 V时达到最小值0.281,平均摩擦系数减小了42.1%;当脉冲频率为1 000Hz时达到最小值0.302,平均摩擦系数减小了37.7%;当脉宽为5 ms时同样达到最小值0.213,平均摩擦系数减小了56.1%。(5)合金显微维氏硬度随着电脉冲的脉冲电压和脉冲频率的增大而显著提升;随着脉宽的增大而显著减小。在未变质合金的显微维氏硬度为49.94 HV,当脉冲电压为210 V时达到最大值53.8 HV;当脉冲频率为1000 Hz时达到最大值54.13 HV;当脉宽为5 ms时同样达到最大值57.48 HV。综上所述,当脉冲电压为150V,脉冲频率为1000 Hz,脉宽为5 ms时,亚共晶铝硅合金的综合力学性能达到最佳。