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关键词： 空间滚动轴承   二硫化钼   分子动力学模拟   摩擦磨损   失效机理研究  

摘要： 空间滚动轴承作为航天器的关键零部件之一,当轴承的运转出现问题就会影响航天器在任务执行过程中的稳定性、可靠性和安全性,严重时会危害到航天人员的生命安全。因此,空间滚动轴承的失效机理研究对提高空间滚动轴承运行寿命、延长航天器在轨服役时间、以及提升航天器稳定性具有重要意义。由于太空环境和航天器自身条件限制,空间滚动轴承通常使用二硫化钼进行固体润滑。空间状态下二硫化钼薄膜在润滑过程中要同时受到:高真空、超低温、辐射和宇宙尘埃等多种恶劣因素的共同作用,导致空间状态下轴承内部二硫化钼薄膜的磨损演变规律不明确,摩擦润滑机理尚未得到充分研究。故本文提出采用分子动力学模拟方法,从原子尺度入手构建二硫化钼薄膜纳米摩擦分子动力学模型,探究空间状态下二硫化钼薄膜摩擦磨损特性;通过对空间状态下二硫化钼薄膜的摩擦进行分子动力学模拟,揭示二硫化钼薄膜磨损状态与载荷、摩擦速度、温度间的关系;通过对特殊任务中二硫化钼薄膜所处的特殊工况进行分子动力学模拟,探究空间状态下二硫化钼薄膜往复运动中薄膜的磨损演变过程和润滑特性变化;通过对长期运行中,异物入侵干扰二硫化钼薄膜润滑的场景进行分子动力学模拟,探究空间状态下二硫化钼薄膜的三体接触摩擦磨损机理。以上针对空间滚动轴承二硫化钼薄膜摩擦磨损机理分析的分子动力学研究工作为二硫化钼薄膜的润滑提供了原子尺度上的理解,对探究空间滚动轴承润滑失效机理提供了一定的理论依据。本文主要研究内容如下:(1)从原子尺度分析二硫化钼的晶格结构特点与润滑原理,构建了二硫化钼薄膜纳米摩擦的分子动力学模型;提出以REBO势函数描述二硫化钼内部原子间的相互作用,以MEA势函数描述铁镍铬合金内部原子间作用关系,通过Lennard-Jones势函数描述不同材料原子间作用关系的混合势函数方案;确定了分子动力学模拟过程中势函数、系综和边界条件等参量。研究结果表明,该模型可以有效还原二硫化钼的物理特性并用于摩擦研究。(2)针对空间状态下二硫化钼薄膜摩擦磨损机理不明确的问题,开展了二硫化钼薄膜摩擦的分子动力学模拟,探究了载荷、摩擦速度和交变温度三个因素对二硫化钼薄膜摩擦磨损特性的影响。模拟结果表明,在空间状态下摩擦的载荷与速度是导致二硫化钼薄膜磨损的主要原因,二硫化钼对交变温度有着较好适应能力。(3)针对空间往复作业状态下二硫化钼薄膜摩擦磨损特性变化不清晰的问题,开展了二硫化钼薄膜往复摩擦的分子动力学模拟,探究了多次往复摩擦过程中载荷与温度对二硫化钼薄膜的磨损演变以及摩擦特性的影响。模拟结果表明,单层与多层二硫化钼的薄膜损伤载荷阈值不同。(4)针对异物入侵状态下二硫化钼薄膜摩擦磨损机理不明确的问题,开展了空间状态下二硫化钼薄膜的三体接触摩擦分子动力学模拟,探究了载荷、磨料旋转速度和基底表面结构对三体接触条件下二硫化钼薄膜摩擦磨损机理的影响。模拟结果表明自旋运动下的磨料对二硫化钼薄膜造成的磨损程度更低,自旋可以有效削弱磨料在薄膜上的切向力积累。

关键词： 碳纤维织造   复合材料   碳纤维预制体   导向阵列   纤维磨损  

摘要： 热防护系统和热防护材料是制约空天飞行器最终服役能力的关键技术之一,为提升其力学性能,迫切需要开展复合材料预制体三维织造耦合机理及纤维束磨损研究,为高性能复合材料预制体一体化成形提供理论支撑。本文主要研究内容如下:1.提出了一种分析织造针和导向阵列耦合作用的方法,基于Hamilton原理、假设模态法建立了织造针和导向阵列的动力学模型,采用Runge-Kutta法求解了导向阵列作用下的织造针针端振动响应,分析了织造针的运行速度、织造针结构参数对织造针针端振动响应及平衡位置的影响规律,得到在织造时织造针速度应控制在25 mm/s以内的结论。2.提出了一种分析导向阵列通道变化的方法,考虑导向棒的初始变形,研究了织造针、导向阵列、碳纤维层数之间的相互耦合关系,建立了多因素作用下导向棒变形的数学模型,进而揭示了进针通道变化的规律,确定了最优进针区间,较好的克服了织造针在贯穿导向阵列时易错行、易碰撞的问题。3.研究了预制体成形过程中碳纤维的摩擦磨损,根据成形工艺研制了试验装置,采用工业CCD在线拍摄、ImageJ软件图像处理、万能试验机力学测试、扫描电子显微镜观测的方法,结合理论分析了织造针几何尺寸及织造参数对碳纤维摩擦磨损的影响并进行了主次分析,从纤维张力优化、织造针结构优化、工艺改进三方面提出了降低碳纤维磨损的方法,织造针结构经过优化后,碳纤维的剩余断裂强力提高23.92%。4.考虑预制体边界,建立了导向棒间距、压实参数对纤维体积分数影响的数学模型,明晰了织造参数对纤维体积分数的影响规律,并给出了导向棒和织造针的筛选规则,结合张力优化控制制定了三维预制体织造方案,利用有限元分析进行了结构优化,开发了低摩擦磨损碳纤维复合材料预制体柔性导向三维织造试验台,实现了碳纤维预制体的精密织造。5.采用低摩擦磨损复合材料预制体柔性导向三维织造试验台织造了碳纤维磨损程度不同的预制体,并制备了C/C复合材料样品,通过微观结构观察、表观密度测试的方法分析了碳纤维损伤对复合材料样品孔隙分布的影响,利用万能试验机对样品进行压缩和三点弯曲试验,研究了不同磨损程度样品的力学性能变化规律,结合SEM图分析了样品的破坏机理。

关键词： 文件系统   持久化内存   磨损均衡   内存管理   多粒度分配  

摘要： 持久化内存文件系统利用持久化内存(Persistent Memory,简称PM)特性,通过优化文件数据组织和数据一致性机制等,极大地提升了系统性能。然而,现有持久化内存文件系统通常忽略了持久化内存写耐受度低等问题。不合理的空间管理策略极易将持久化内存磨损穿,严重威胁数据的可靠性。同时,现有考虑写磨损的空间管理技术仍然存在磨损均衡精度低和实现磨损均衡开销大等问题。因此,本文开展磨损感知的持久化内存文件系统空间管理优化研究,提出一种磨损均衡感知的伙伴式内存分配器(Wear-Leveling-Aware Buddy-Like Allocator,简称WBAlloc),以提高磨损均衡精度和系统性能。WBAlloc主要包含多级分配机制(Multi-Level Allocation Mechanism,简称MLAM)和磨损感知的回收机制(Wear-Aware Reclamation Mechanism,简称WARM)两个关键技术。MLAM采用基于粒度范围分组的多级链表管理持久化内存空闲空间以避免空闲块插入时的冗余分裂,并基于链表可用性位图加速定位可用链表,以及采用基于链表磨损均值的自适应插入机制,以较低开销使链表中的空闲块按磨损度相对有序。WARM构建回收链表来管理释放的空闲块,并基于块内部页磨损差异保障空闲块内部磨损均衡,以及采用空闲块定位器加速块回收与合并过程。当MLAM空闲块较少时,WARM将磨损小的空闲块迁移到MLAM。最后,本文通过修改典型持久化内存文件系统NOVA的内核源码实现了WBAlloc的原型系统,并将其集成到Linux内核中。与NOVA、DWARM和WMAlloc(目前最优秀的两种持久化内存文件系统磨损感知分配器)相比,实验结果表明,WBAlloc将系统平均性能分别提升了26.23%、80.46%和15.61%,将持久化内存平均寿命分别提升了338.88%、159.28%和29.45%。

关键词： SiC   切削力建模   有限元仿真   工具磨损   旋转超声加工  

摘要： SiC工程陶瓷具有高硬度、高脆性、高弹性模量、高抗压强度以及低抗拉强度等特性,广泛应用于航空航天、集成电路和装甲防护等领域。由于其高硬脆特性,机械加工过程中刀具磨损严重,容易出现裂纹、崩豁等缺陷,加工质量难以保证。鉴于此,采用新型薄壁金刚石套料钻以及旋转超声辅助加工技术,对其进行孔加工试验及机理研究。主要研究内容如下:(1)分析SiC工程陶瓷的旋转超声加工运动学特性,结合其压痕断裂力学试验,建立对于该工艺的切削力预测模型,并利用旋转超声辅助加工技术以及新型薄壁金刚石套料钻对工件进行孔加工试验研究。通过对试验中孔加工过程中钻削切削力与所建切削力的数学模型相对比,进而验证所建立的切削力数学模型平均误差率为13.4%。(2)基于JH-2本构模型,对SiC工程陶瓷的旋转超声套料钻孔加工进行三维有限元仿真,分析不同工艺参数对仿真结果的影响规律。结合旋转超声试验研究的数据得出结论:三维有限元仿真所得的切削力模型与试验误差在20%以内,整体契合度较高。(3)描述了新型薄壁金刚石套料钻的制备,分析了影响工具磨损的因素和工具磨损的机理,详细说明了工具磨损的形态以及出现各个形态的原因;对工具磨损量进行试验研究得到:工具磨损量随着主轴转速以及进给速度的增加而增大,整体上,当加入超声后,刀具的磨损比也随之减少,平均磨损比减少21.3%。(4)研究常规与超声加工条件下孔壁微观相貌的差异;分析试验参数对陶瓷进出口形貌的影响,研究各个工艺参数对出口崩豁和孔内壁粗糙度的影响以及规律。试验结果表示:超声辅助加工降低了崩边和孔壁粗糙度情况,平均分别降低了7.6%和24.1%。通过上述研究,厘清了SiC工程陶瓷旋转超声辅助加工的材料去除机理以及运动学特性,建立了新型薄壁金刚石套料钻旋转超声孔加工切削力的模型,并对工艺过程进行有限元仿真,揭示了不同加工参数对工具磨损以及表面质量的影响规律,为SiC工程陶瓷的高质高效孔加工提供参考。

关键词： 多孔陶瓷微珠   层状壁   致密化   磨损   ZIF-8   吸附  

摘要： 多孔陶瓷微珠具有热稳定性好,易再生等优点,可作为流化床用的催化剂载体,具有广阔的工业应用前景。足够的机械强度是发挥多孔陶瓷载体优势的前提。对于冷冻成型获得的多孔陶瓷,只有通过烧结过程中的层状孔壁的致密化,才能获得具有足够机械强度的多孔陶瓷。本文以多孔氧化铝(AlO)陶瓷微珠为研究对象,研究了烧结过程中层状孔壁致密化行为和磨损性能。在此基础上,通过原位溶液生长法在多孔AlO微珠上负载ZIF-8,制备了ZIF-8@多孔AlO微珠复合材料,分析其形貌和生长机制,并研究其吸附性能。首先,采用滴液法和冷冻铸造法相结合的工艺制备了具有小尺度层状孔结构的多孔AlO微珠,研究了多孔微珠层状孔壁的致密化行为。结果表明,随着烧结温度的升高,AlO晶粒长大的同时,孔壁内的孔隙收缩,层状孔壁逐步致密,进而导致整个多孔微珠的气孔率减小。由于孔壁的厚度接近于单个颗粒,因此层状孔壁可以看作为二维结构。与相同烧结工艺制备的三维结构氧化铝块体相比,二维结构的孔壁内的平均晶粒尺寸较小,这主要是由于二维孔壁中晶粒的邻域数较少,晶界接触面积小,晶粒难以长大。同时,对不同烧结温度下制备的多孔AlO微珠进行了磨损性能测试,结果表明,多孔AlO微珠的磨损率随着烧结温度的升高而降低。烧结温度升高,颗粒间颈缩面积增加,可减小微珠内的层状孔壁的气孔率,这有助于提高多孔AlO微珠的机械强度,在剪切力的作用下,裂纹难以沿晶界运行,形成沿晶界,穿过多个晶界的混合断裂模式,进而提高多孔AlO微珠的耐磨性。最后,以多孔AlO微珠为载体,多巴胺为表面修饰剂,通过原位溶液生长法制备ZIF-8@AlO复合微珠。研究发现,ZIF-8可在多孔AlO层状孔壁表面异质形核生长,随着循环次数增加,负载量增加的同时ZIF-8的晶粒尺寸也在增大。当循环次数为8次时,微珠表面的孔壁基本被ZIF-8晶粒完全包覆,负载量达到7.49%,晶粒尺寸约为800 nm。通过甲基橙染料溶液的吸附研究表明,ZIF-8@AlO复合微珠对甲基橙溶液的最大平衡吸附量为6.9 mg/g,符合准二级动力学模型,吸附速率受吸附溶液中的分子浓度和吸附位点的影响,吸附等温线符合Langmuir模型。

关键词： 浮动球阀   冲蚀磨损   数值模拟   玻璃纤维增强塑料   密封性能  

摘要： 玻璃纤维增强塑料具备强度高、密度小、耐酸碱腐蚀等优点，其制作的球阀已逐步取代金属球阀应用在氯碱化工管道中。本文基于玻璃纤维增强塑料和球阀发展背景，以玻璃纤维增强塑料制作的DN50浮动球阀为研究对象，推导了浮动球阀密封比压理论公式，建立了球阀与阀座静力学接触模型，分析了球阀密封性能的影响因素;基于流体力学控制方程和冲蚀模型，运用Fluent对球阀内部流场进行了数值模拟，分析了球阀内部流场运动规律，同时分析了球阀在不同相对开度(Cv)、不同直径颗粒条件下壁面冲蚀速率的变化规律和影响因素，结果表明：　　玻璃纤维增强塑料制作的浮动球阀最高工作压力不应超过3MPa，在常压环境下，需施加550N以上的旋塞预紧力才能保证球阀正常密封;增大密封面摩擦因数可提高密封面密封性能，当密封面摩擦因数达到0.2时，密封面上最低密封比压最接近临界密封比压，材料利用率最高;随密封面宽度增加，最大密封比压呈先减小后增大的趋势，综合考虑球阀的使用寿命和材料利用率，该阀座的最佳密封面宽度为8.65mm;密封面宽度对玻璃纤维增强塑料浮动球阀密封性能影响最大，其次为旋塞预紧力，密封件摩擦因数。　　在阀球部分开启(Cv=20~80)时，球阀内部流场存在着循环流，循环流会对流体造成一定的能量损失，流体速度的增大和阀球开度的减小都会增大流体的能量损失;球阀冲蚀面积随入口速度的增大而减小，而壁面冲蚀速率则相反，随着粒子直径的不断增大，壁面冲蚀速率先减小后增大;球阀开度的变化影响了流道结构、流体速度，从而对不同直径颗粒的运动轨迹产生影响。当颗粒直径较小时(d＜425μm)，减小阀门开度能降低壁面冲蚀率，当颗粒直径较大时(d＞600μm)，增大阀门开度能够降低壁面冲蚀率。

关键词： WC/Fe基复合材料   三维结构预制体   构建-消散   摩擦磨损   三体磨料磨损  

摘要： 随着现代工业的发展,世界各国对可以在复杂工况环境下良好工作的机械零件的需求量每年都在增加。尤其在矿山、电力、建材等领域使用的破磨装备,其严酷苛刻的服役环境对材料耐磨件的性能提出了更高的要求。而传统的金属材料因为组织与性能的单一性,已经难以满足一些复杂严苛的特殊工况,随着技术的不断发展,一种由陶瓷颗粒与金属基体组成的WC/Fe基复合材料越来越受到研究者的关注,这种陶瓷金属基复合材料可大幅度提高金属基体的耐磨性,陶瓷金属复合材料也因此成为耐磨材料的研究热点。与传统整层复合的铁基复合材料相比,具有三维预制体空间构型的复合材料能更好的综合陶瓷颗粒、复合区和基材区各自的优点,通过三维结构预制体的“构建-消散”设计,从而改善金属液的浸渗能力,调控复合材料中的元素分布与组织形态,解决液态金属浸渗法制备陶瓷颗粒Fe基表层复合材料复合层薄、易剥落和磨损过程不稳定等问题。本文采用3D打印和砂型铸造工艺,通过3D打印构建具有不同三维结构参数的预制体,制备了WC颗粒增强高铬铸铁基（HCCI）复合材料。三维结构预制体发生溃散,与金属液发生冶金反应生成WC复合层,通过设置三维预制体的结构参数,研究结构参数对三维预制体消散能力的影响以及复合材料微观组织和性能的影响。利用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、能谱（EDS）、X射线衍射（XRD）和电子背散射衍射（EBSD）等分析手段研究了WC/Fe基复合材料微观组织,通过全自动显微硬度仪和磨损试验机测试了不同预制体结构参数对复合材料的硬度和磨损性能的影响。实验结果表明:1、在不同预制体结构参数下,随着金属液浸渗,三维预制体结构发生扩散,WC颗粒与高铬铸铁发生溶解扩散反应形成钨合金化复合层,且随着壁厚增加,预制体消散能力呈先增加后减小的趋势;随着预制体形状改变,预制体消散能力逐步增强。复合材料的微观组织主要是WC复合区域、金属基体和局部未完全溶解的WC增强颗粒。WC复合反应层主要由W、Fe、Cr元素组成,基体区域主要由Cr、Fe、W元素组成。WC复合层为网状形貌的Fe6W6C碳化物,金属基体由M7C3型碳化物组成。预制体三维结构的变化不会影响复合材料物相的种类。2、预制体形状为正方形,预制体壁厚从2.5mm增至10mm时,基体硬度变化不大,复合层硬度呈先增大后降低趋势,WC颗粒硬度逐步增大。复合材料的稳定摩擦系数和三体磨料磨损失重量都呈先降低后增高的趋势,表明材料耐磨性先增高又降低。当摩擦系数达到稳定状态时,预制体壁厚为7.5mm时摩擦系数最小为0.54,三体磨料磨损平均磨损失重量最小为0.2328g,耐磨性为4.2960,比2.5mm提高了21.9%。预制体壁厚为7.5mm时,基体与WC增强颗粒之间冶金结合良好,预制体消散形成的钨合金化复合层占比最高,复合材料的硬度与耐磨性最佳。3、预制体壁厚为7.5mm,预制体孔径壁厚比为1,预制体形状参数为三角形、四边形和六边形时,随着预制体形状改变,基体硬度逐渐增加,复合层硬度呈先增大后降低趋势,WC颗粒的硬度均约为2200 HV左右。在预制体形状为六边形时,基体硬度最高为921.7 HV,复合层硬度为1450.4 HV,复合层硬度最高的是四边形,硬度达到了1618.6 HV。复合材料的稳定摩擦系数和三体磨料磨损失重量都呈逐渐降低的趋势,表明材料耐磨性逐渐增高。当摩擦系数达到稳定状态时,六边形预制体的稳定摩擦系数最小为0.51,三体磨料磨损平均磨损失重最小为0.2108g,耐磨性为4.7438,比三角形提高了11.8%,说明其耐磨性最好。

关键词： 铣削加工   刀具磨损监测   非负约束自编码器   灰狼算法   支持向量机   长期循环卷积网络  

摘要： 刀具磨损会引起表面质量退化、尺寸精度差、加工效率低等一系列问题。在难加工材料的铣削加工中，明显的力热耦合效应很容易导致刀具快速磨损，严重影响工件表面质量和加工效率。刀具磨损监测（ToolWearMonitoring,TWM）是满足自动化加工高精度和高生产率要求的必要手段。然而，由于加工过程的高度复杂性，准确识别难加工材料铣削过程中的刀具磨损程度仍具有挑战性。为此，本文针对难加工材料的铣削加工，对刀具磨损监测进行了深入研究。主要包括以下几方面的内容：　　首先，本文概述了目前国内外关于TWM领域的研究现状，并以信号处理方法、特征提取方法和磨损监测方法为切入点展开分析，指出了目前存在的瓶颈问题，为后续的研究工作提供了参考和理论支撑。　　其次，针对高维数据的非线性动态特性，提出了基于非负约束自编码器（NonnegativityConstrainedAutoencoder，NCAE）的特征降维方法。该方法首先利用时域分析、频域分析和小波包分析从多感官信号中提取了刀具磨损多尺度特征，建立了多域特征候选集。随后针对这些特征中存在噪音和冗余信息，引入NCAE对初始特征进行深度融合，最终获得低维度、高相关性的敏感特征，为后续预测模型的搭建提供了可靠数据。　　再次，为了实现可靠的刀具磨损状态识别，提出了一种能够自适应优化支持向量机（SupportVectorMachine，SVM）惩罚因子c和核参数g的改进灰狼优化（ImprovedGreyWolfOptimizer，IGWO）算法，建立了用于刀具磨损状态识别的IGWO-SVM模型。IGWO优化算法通过非线性降低收敛系数和调整位置权值，缓解了优化过程中的过拟合和局部停滞问题，有助于提高刀具磨损状态预测模型的预测性能。通过基准数据集和铣削实验数据分析，证明了该方法在刀具磨损分类精度、时间复杂度和泛化能力方面的优势。　　最后，为了提高刀具磨损量预测的准确性，建立了基于长期循环神经网络（Long-termRecurrentConvolutionalNetwork,LRCN）的磨损量预测模型。并以最小化全局均方根误差为目标，利用贝叶斯算法（BayesianOptimization，BO）对LRCN网络的学习率，隐藏层节点和正则化系数进行超参优选。基准数据集和铣削监测实验数据分析结果表明，相对其他典型算法，该方法的性能最优，在刀具磨损量预测中有良好表现。

关键词： 导轴承   双向流固耦合   磨损   动网格   动特性  

摘要： 水润滑弹性金属塑料导轴承(简称导轴承)在淮安四站大型水泵运行过程中起到非常重要的作用,其作用是可以保持轴系运行的稳定性。然而聚四氟乙烯轴衬硬度和弹性模量较低,且导轴承采用河水直接润滑,河水中泥沙含量较多,从而导致导轴承容易发生磨损和变形,从而使微米级润滑膜厚度发生变化,对导轴承的润滑性能有较大影响。此外,导轴承的刚度和阻尼对大型水泵运行性能有着重要影响,刚度和阻尼不足时,容易增大导轴承在工作运行过程中的振动和噪声,削弱了导轴承对外界干扰的抵抗能力,从而会导致导轴承发生故障,严重时会导致水泵无法工作运行。因此,对淮安四站大型水泵导轴承进行流固耦合特性和动特性深入研究是非常必要的。论文主要研究内容如下:(1)结构参数对导轴承流固耦合特性的影响。基于ASNYS Workbench软件中Fluent流体模块、Transient Structural固体模块和System Coupling耦合模块对导轴承进行流固耦合特性研究,分析不同偏位角、半径间隙、沟槽宽度、沟槽深度和沟槽数量对导轴承流固耦合特性的影响,包括润滑膜压力、轴衬变形、轴衬等效应力、承载能力、摩擦力和摩擦系数。结果表明:在相同半径间隙和偏心率条件下,偏位角对导轴承流固耦合特性的影响非常小;在相同最小膜厚条件下,随着半径间隙的增大,润滑膜压力周向梯度在增大,轴衬最大变形量在增大,轴衬最大等效应力先增大后减小,承载能力和摩擦力增大,摩擦系数减小;在相同偏心率条件下,随着沟槽宽度、沟槽深度和沟槽数量的增大,润滑膜压力周向梯度减小,轴衬最大变形量减小,轴衬等效应力变化规律不一致,承载能力和摩擦力减小,摩擦系数增大。(2)均匀磨损和局部磨损对导轴承流固耦合特性的影响。分别研究均匀磨损和局部磨损对导轴承流固耦合特性的影响。结果表明:在均匀磨损状态下,随着最大磨损量的增大,润滑膜整体的压力周向梯度随之骤降,高变形区面积减小,等效应力分布变得不均匀和集中,承载能力减小,摩擦力减小,摩擦系数增大;在局部磨损状态下,局部磨损若是发生在最小间隙处,将无法形成动压润滑膜,变形分布不再规则,最大变形量集中在局部磨损的凹陷处。局部磨损发生在中间间隙和最大间隙时,对动压润滑效应影响相对较小。需要注意的是,局部磨损的存在,会使其所在轴瓦表面出的等效应力骤降,轴瓦附近沟槽处的等效应力急剧增加,还会使承载能力和摩擦力增大,摩擦系数减小。其中当局部磨损在最小间隙时,承载能力和摩擦力最大,摩擦系数最小。(3)不同工况对导轴承动特性的影响。基于Fluent动网格技术,编写UDF定义导轴承轴心运动轨迹,对导轴承进行动特性研究,分析不同偏心率、半径间隙、扰动幅值和扰动频率对导轴承动特性系数的影响,包括刚度系数和阻尼系数。结果表明:随着偏心率的增大,直接刚度系数KXX和交叉刚度系数KXY绝对值减小,直接刚度系数KYY绝对值、交叉刚度系数KYX、直接阻尼系数CXX、直接阻尼系数CYY和交叉阻尼系数CYX增大;随着半径间隙的增大,直接刚度系数KXX绝对值和交叉刚度系数KXY绝对值先减小后增大,直接刚度系数KYY绝对值增大,交叉刚度系数KYX、直接阻尼系数CXX、直接阻尼系数CYY和两个交叉阻尼系数CXY和CYX减小;当扰动幅值不大于0.009时,随着扰动幅值的增大,刚度系数和阻尼系数几乎不变;随着扰动频率的增大,刚度系数几乎没有改变,直接阻尼系数CXX绝对值和CYY绝对值减小,交叉阻尼系数CXY增大,交叉阻尼系数CYX减小。

关键词： TC4合金   微弧氧化   激光强化   接触体系   磨损机理  

摘要： 钛合金具有比强度高、密度小、良好金属特性等突出的综合力学性能,广泛应用在航空发动机涡轮叶片、医疗器械和人体植入关节以及汽轮机叶片等关键零部件的制造。钛材作为摩擦副材料时,较差的摩擦学特性易导致磨损,引起固体颗粒物污染腐蚀、疲劳等问题。钛合金不易克服黏着效应,容易与配对的摩擦副“粘焊”,耐磨性能成为使用钛合金制造结构部件的关键考虑因素。本文研究对象选择被誉为“战略金属”的TC4钛合金,为了克服TC4合金表面较差的耐磨特性,采用微弧氧化工艺对TC4合金表面强化形成硬质陶瓷薄膜(MAO-TC4合金)和激光冲击强化工艺对TC4合金进行表层组织强化形成纳米晶层(LSP-TC4合金),研究常温环境中不同法向载荷和不同摩擦体系(TC4合金球、GCr15钢球以及Si3N4陶瓷球)中表面强化TC4合金的摩擦磨损性能和强化层失效分析。主要研究成果如下:1、TC4合金与强化TC4合金表面在不同摩擦体系中的摩擦系数曲线可分为上升、下降和波动三个阶段,摩擦系数随着法向载荷的增加而增加,摩擦系数曲线的波动程度随着法向载荷和对偶球硬度的增加逐步加剧,“锯齿”状的波动状态被破环。与TC4相比,微弧氧化和激光冲击强化TC4合金表面摩擦系数较小。2、TC4合金和LSP-TC4合金与三种对摩副的摩擦磨损过程中,强化过程不影响金属本身的成分,两种目标研究金属与三种对偶球配对的摩擦副的摩擦磨损体积随着法向载荷和对偶球硬度的增加而增加,接触区域的氧化程度随着对偶球硬度的增加逐步加剧,TC4合金球形成磨损体积最小,Si3N4陶瓷球的磨损体积最大,GCr15钢球的磨损体积介于两者之间。MAO-TC4合金与三种对偶球的摩擦磨损过程中,陶瓷薄膜能有效防止金属氧化,与TC4合金球形成磨损体积最小,GCr15钢球的磨损体积最大,Si3N4陶瓷球的磨损体积介于两者之间。3、TC4合金、MAO-TC4合金和LSP-TC4合金在不同摩擦体系中的摩擦耗散能随着法向载荷和硬度的增加呈现上升的趋势,磨损体积和摩擦耗散能呈正相关趋势,摩擦磨损过程中摩擦耗散能通过摩擦热、氧化和塑性变形来释放,形成不同的摩擦磨损形貌和磨损机制;从能量耗散和转变来揭示摩擦磨损进程的规律。4、任何一种摩擦副的摩擦磨损过程中,TC4合金球配对时磨损机理为黏着磨损、磨粒磨损,其中随着载荷的增加,黏着磨损逐渐加剧、磨粒磨损逐渐减缓。GCr15钢球配对的摩擦副磨损机理为黏着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损,随着载荷的增加,黏着磨损逐渐减缓、磨粒磨损逐渐加剧。Si3N4陶瓷球配对的摩擦副的磨损机理为磨粒磨损和氧化磨损,磨粒磨损分布在接触边缘,接触中心存在轻微的氧化磨损和疲劳磨损。5、TC4合金和两种强化TC4合金与三种接触体的摩擦划痕形貌中,与TC4合金球摩擦时,微平面/平面的接触状态使磨屑颗粒在划痕两端堆积严重,“垫高”接触区域,压头处于“爬坡”的运动状态,磨屑堆积导致划痕两端塑性应变能积聚严重,磨损轮廓为“V”形轮廓。与GCr15钢球和Si3N4陶瓷球摩擦时,硬度较大的上接触体在滑移过程中压头前端形成位错墙,压头后端有黏着断裂形成剥落坑,使划痕深度出现周期性的波动,轮廓呈“U”形。6、金属摩擦过程中受到微犁耕和微切削两种变形机制的交互作用,任意一种配对的摩擦副上下试样的划痕宽度和划痕长度随着载荷的变化呈线性变化的趋势,TC4合金摩擦划痕的切削与塑性比fcp=0.9～1之间,微切削机制最严重,导致划痕长度和宽度最大,形成的划痕硬度较小;LSP-TC4合金和MAO-TC4合金形成划痕的切削与塑性比fcp分布fcp=0.8两侧,微切削机制轻微,微犁耕机制严重,划痕长度和宽度最小,划痕硬度较大。