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关键词： 橡胶履带   砂石环境   摩擦磨损   有限元仿真  

摘要： 强化农业科技和装备支撑是我国十四五规划的战略导向。橡胶履带是农业装备的重要组成部分,其工作环境复杂,容易出现磨损破坏现象,进而影响农业装备的服役周期。工作环境中砂石是橡胶履带的摩擦磨损重要影响因素。本文对砂石环境下橡胶材料的摩擦磨损进行了试验研究,获得不同工况参数(载荷和温度)及砂石形状尺寸对橡胶材料摩擦磨损的影响规律,建立了橡胶履带-砂石-金属摩擦副仿真研究方法,获得了宏-微观尺度下橡胶履带-砂石-金属接触模型的摩擦行为,揭示了砂石环境下橡胶材料以及橡胶履带的摩擦磨损机理,为高耐磨橡胶履带的开发提供理论依据。 首先,基于现有往复摩擦综合试验平台,建立了砂石模拟环境下橡胶材料摩擦试验方法,分析了砂石环境下橡胶材料的摩擦特性。基于该试验平台开展了砂石环境下橡胶材料的摩擦试验,考虑了载荷、速度、砂石尺寸和湿滑的影响,总结了这些因素对橡胶材料摩擦行为的影响规律,为后续的橡胶材料磨损机理研究奠定了基础。 其次,开展了不同磨耗试验研究,揭示了橡胶履带材料的磨损机理。采取了DIN磨耗试验,研究分析了静止砂石的磨损;采取了阿克隆磨耗试验,研究分析了在一定倾角下,不同温度时橡胶轮和滚动砂轮间的磨损;再通过橡胶轮-砂石-金属摩擦副的磨损试验,揭示不同砂石环境下橡胶的磨损机理。 最后,建立了砂石条件下多尺度橡胶履带接触仿真模型,揭示了接触压力规律。对橡胶材料进行了拉伸和压缩力学性能试验,建立了橡胶材料的本构模型。基于此,建立了砂石与橡胶接触的二维等效仿真模型,更好地解释了橡胶材料的摩擦行为,揭示了砂石作用下的磨损机理。进一步研究了橡胶履带磨损失效的规律,结合履带接触的宏观模型仿真,探索了不同位置处接触压力和Mises应力的变化规律,为高性能橡胶履带的制备提供理论支撑。

关键词： 石墨密封   浸渍磷酸锌石墨   锑/磷酸锌共浸渍石墨   高温   高速   磨损   润滑   氧化  

摘要： 作为典型的动密封技术,石墨密封副包括石墨密封环和与之相对转动的对偶金属环,并利用石墨优良的减摩性能来实现封严,主要应用在航空发动机主轴、齿轮箱和附件中的油密封装置上。随着航空发动机向高温、高速方向发展,急需能够服役在更加苛刻环境下的石墨密封副,因此,开展新型石墨在相应恶劣工况条件下的摩擦学行为研究具有重要的应用价值。本文以浸渍磷酸锌石墨(ZPIG)和锑/磷酸锌共浸渍石墨(AZPIG)为研究对象,以用来浸渍ZPIG的基体石墨(ZMG)和用来浸渍AZPIG的基体石墨(AZMG)为参比对象,选用镍基高温合金GH4169为对摩副材料;通过高温销盘试验,考察了四种石墨在20℃-500℃下的摩擦磨损性能,重点关注摩擦和氧化的相互作用对润滑和磨损的影响机制。通过高速环块试验,考察了载荷和速度(50N-100 N、10 m/s-40 m/s)对石墨摩擦磨损性能的影响,揭示了石墨摩擦表面结构演变与摩擦系数和磨损深度的关系。采用扫描电子显微镜、能谱仪、超景深三维显微系统、白光干涉仪、拉曼光谱仪和X射线光电子能谱仪对石墨和对摩副的磨损量、摩擦表面形貌、成分组成以及石墨摩擦表面和石墨摩擦转移膜的结构演变进行表征分析。获得的主要结论如下:(1)在干摩擦条件下,随着温度的升高,密封副的摩擦系数存在降低的趋势,而石墨的磨损量存在增加的趋势,高温下石墨的氧化极大促进磨损,其损伤机制是以犁沟为主的磨粒磨损。(2)磷酸锌作为浸渍剂在高温下(400℃-500℃)与石墨反应生成C-O-P惰性位点,阻止氧气沿石墨摩擦表面孔隙向内部侵入,抑制石墨由于氧化导致的力学性能严重衰减,提高了石墨的高温耐磨性。同时,磷酸锌进一步保证了石墨表面的完整性,使体积大、形状不规则的金属氧化物磨屑难以嵌入石墨表面,减轻摩擦过程中的三体磨粒磨损,减小对摩副4169合金的损伤,有利于延长石墨密封副寿命。(3)锑作为浸渍剂在石墨内形成金属骨架,较好的支撑作用增强了石墨的力学性能,并提高了石墨的致密度,使得共浸渍石墨表面磨屑颗粒更细小,对对摩副4169合金损伤更小。在高温下部分锑被氧化为具有润滑作用的SbO,促使共浸渍石墨在高温下保持极低摩擦系数(0.05),提高了石墨的高温润滑性。(4)磷酸锌和锑作为浸渍剂在保持石墨摩擦表面和摩擦转移膜规整程度方面都起到促进作用,使得两种浸渍石墨的不同温度下摩擦系数过程曲线比较平稳,同时,在100℃-500℃之间的摩擦系数稳定性较高。(5)高速油润滑条件下,随着速度和载荷的增加,密封副的摩擦系数有降低的趋势,石墨的磨损量有增加的趋势,其损伤机制为磨粒磨损,表现为犁沟并伴随者剥落坑。密封副的摩擦系数和摩擦界面油膜状态密切相关,ZPIG孔隙较大,随速度增加,油膜厚度增加,摩擦系数减小;AZPIG孔隙小,随速度增加,油膜厚度减小,摩擦系数增加。

关键词： 刀具磨损   实时在线测量   深度学习神经网络模型   切削力的仿真  

摘要： 针对机床在批量生产同一个零件,刀具在工作状态下的实时监测问题,提出了一种基于主轴功率信号和机床加工参数的刀具磨损状态监测方法。在数控机床加工的过程中,铣刀难免会出现磨损断裂的情况,其严重影响零件的加工质量以及生产成本,因此对铣刀状态的实时监测对于生产加工而言,具有重要意义。 本文主要研究基于加工状态的刀具磨损断裂情况的监测,主要内容有: (1)根据主轴功率在刀具发生磨损和破损时不同的变化方式,分别建立不同的决策机制。当刀具发生磨损时,主轴功率会随着刀具后刀面的磨损而增加,主轴功率同时还受加工参数的影响,可以以此来建立模型,通过主轴功率来将刀具的磨损反映出来;当刀具发生破损时,功率会发生突变,即使功率平稳后依然与正常加工的主轴功率有较大的区别,根据这一特点,使用窗口法来判断刀具是否发生破损。 (2)针对模型的训练需要使用大量数据的特点,分别从理论和实验角度出发论证了使用仿真技术扩充数据集的可能性。首先,从理论角度出发,根据主轴功率与切削力之间的关系,以及刀具的磨损量和对应的切削力的关系,可以综合仿真中的加工参数、切削速度、刀具磨损量和切削力来建立数据集;然后通过对实验的过程及结果分析,对比在同一加工参数下仿真得到的切削力与实验中采集到的切削力,可以发现当刀具磨损相同时,两组刀具的切削力较为接近,以此可以证明使用仿真技术来建立数据集的可能性。 (3)模型的训练与使用。首先收集仿真和实验中的数据并建立数据集,然后使用深度学习的多元线性模型,拟合出加工参数、刀具磨损量与主轴功率之间的神经网络模型。实验的数据表明,该方法拟合出的模型有较高的准确率。在实际使用中,通过设置刀具的磨损量,得出主轴功率在不同磨损情况下的阈值,然后通过判断主轴功率与阈值的关系,来实现监测刀具的磨损量的目的。与传统的停机测量方法相比,这种方法具有较高的实用性。 (4)规划设计了刀具磨损断裂监测系统的总体结构,自主开发了基于加工状态的刀具磨损断裂监测系统,并在实验工况下验证了该系统的实用性与准确性。

关键词： 聚氨酯   二体磨粒磨损   机械性能   有限元模拟  

摘要： 聚氨酯材料具有优异的机械性能、化学稳定性和可加工性,产品形式多样,被广泛应用于航空航天、汽车船舶、建筑家居、运动装备等领域。在实际使用中,聚氨酯材料面临着严峻复杂的工况条件,其中的二体磨粒磨损问题严重限制其性能发挥和使用寿命,对相关设备和产品的可靠性、安全性造成不利影响。然而,目前对聚氨酯材料磨粒磨损机理的研究相对不足,导致高效耐磨聚氨酯材料的开发缺乏有效的理论指导。 本论文根据聚氨酯磨粒磨损的常见工况条件,从接触载荷、磨粒尺寸、滑动速度三方面着手对聚氨酯材料的磨粒磨损行为开展了系统性的研究。采用宏观的盘-销磨损实验、微观的单磨粒划痕实验以及有限元建模等分析手段,探究了聚氨酯的磨粒磨损机理,以期构建耐磨性能与机械性能之间的关系,为提高材料的耐磨性能、延长使用寿命提供理论指导。主要工作内容如下: (1)制备了三种不同硬段含量的聚氨酯样品,系统地研究了不同接触载荷条件下聚氨酯的耐磨粒磨损性能与机械性能之间的关系。研究结果表明,三种样品的耐磨性能顺序随着接触载荷的增加而发生变化。在低接触载荷条件下,聚氨酯样品的耐磨性能随着硬段含量的增加而降低。这是因为较高的弹性模量导致聚氨酯与砂纸磨粒之间接触面积减小,进而增加了应力集中,降低了材料的耐磨性能。然而,在高接触载荷条件下,样品的耐磨性能随着硬段含量的增加而增加。这归因于较高的拉伸强度能够使材料更好地抵抗接触应力,进而提高材料耐磨性能。随着接触载荷的增加,弹性模量和拉伸强度对耐磨性能的影响所占的权重不同,它们是一对相互竞争的影响因素。在低接触载荷条件下,弹性模量通过影响应力集中主导材料耐磨性能;随着接触载荷增加到一定值,应力集中的差异减小,材料的拉伸强度成为决定耐磨粒磨损性能的关键因素。 (2)研究了磨粒尺寸对三种聚氨酯样品磨粒磨损行为的影响。结果表明,随着磨粒尺寸的增加,所有聚氨酯样品的磨损体积均增加,但不同样品的增加速率存在差异。当磨粒尺寸为35μm时,聚氨酯的体积损失随着弹性模量的增加而增加。然而,当磨粒尺寸增加到200 μm时,聚氨酯的体积损失却与弹性模量呈负相关。通过多微凸体接触统计模型,计算了聚氨酯样品与砂纸磨粒之间的真实接触面积和接触应力。结果表明,随着磨粒尺寸和聚氨酯弹性模量的增加,真实接触面积减少、接触应力增大。通过有限元模拟揭示了不同接触应力下弹性模量对材料耐磨性能具有双重影响:在低接触应力条件下,耐磨性能与模量呈现负相关。随着弹性模量的增加,材料与磨粒的接触应力增加,导致耐磨性能下降。然而,当接触应力足够大时,样品的磨损程度受到接触面积的限制,高弹性模量所导致的真实接触面积减小反而提高了材料的耐磨性能。在这一部分工作中,我们进一步揭示了弹性模量影响聚氨酯耐磨粒磨损性能的机理。 (3)通过单颗粒划痕实验探究了滑动速度对聚氨酯磨粒磨损特性的影响。结果表明,滑动速度会影响聚氨酯材料的粘弹行为,进而影响耐磨性能和粘-滑运动。随着滑动速度的减小,聚氨酯试样在磨损过程中的力学松弛增加,导致动态拉伸强度降低,因此材料的耐磨性能降低。在磨损过程中材料会发生撕裂,撕裂裂纹的扩展导致了滑动系统的粘-滑运动,进而形成周期性的摩擦振动和磨损形貌。此外,通过有限元模拟分析了聚氨酯弹性模量对粘-滑运动的影响。结果表明,随着弹性模量的增加,材料磨损的位置从划痕尖端后侧转移到尖端前侧。在尖端前侧形成的磨屑会随机地附着在尖端表面,抑制材料磨损,进而消除了粘-滑运动。 (4)通过有限元模拟研究了材料机械参数和摩擦因数对耐磨粒磨损性能的影响。结果表明,在恒定划痕深度条件下,增加材料的弹性模量和接触面的摩擦因数会导致更大的永久划痕深度,降低材料的耐磨性能。在恒定接触载荷条件下,弹性模量和摩擦因数对耐磨性能的影响与接触载荷的大小有关。在较低的接触载荷下,永久划痕深度随着弹性模量和摩擦因数的增加而增加;在较高的载荷下,永久划痕深度随着弹性模量和摩擦因数的增加而减小。此外,增加屈服强度是提高材料耐磨性能的重要途径。无论加载方式如何,永久划痕深度总是随着屈服强度的增加而降低。该研究为根据工况条件改善聚氨酯的耐磨粒磨损性能提供了理论指导。

关键词： CoCrMo合金   切向微动磨损   超声表面滚压处理   固溶处理   磨损机理  

摘要： 随着人口老龄化程度的不断加剧,对人体植入器件的需求量增加,同时对其全寿命周期的服役可靠性提出了更为严苛的要求。然而,目前常用的植入人工关节均以摩擦副的形式在体内长期服役运行,交变载荷、复杂工况作用下配副界面产生的微动磨损导致植入材料磨耗并使人体关节功能缺失。微动磨损已成为影响人体植入件可靠服役的共性关键问题之一。 本文针对骨科医学广泛使用的典型植入材料CoCrMo合金的微动损伤防护问题,分别开展了超声表面滚压和固溶热处理两种强化处理,探究了不同工艺参数下强化处理试样的微观结构及性能,通过切向微动磨损试验揭示了不同强化处理对CoCrMo合金微动磨损行为及损伤机理的影响,并优选耐磨性较优的两种强化处理工艺参数。在此基础上,为进一步验证强化处理CoCrMo合金在人体内实际服役工况下的微动磨损性能,分别在生理盐水和胎牛血清两种溶液中开展典型参数下的微动磨损试验,对比分析了不同润滑介质和强化工艺对微动磨损性能的影响。本文主要结论如下: (1)通过超声滚压强化处理和固溶强化处理的CoCrMO合金试样表面显微硬度分别提升了24.2%和22.3%,并分别引入了约180Mpa和125Mpa的残余压应力。对于微观组织,超声滚压强化处理后促进了晶粒细化,固溶强化处理使得晶粒内形成了“板状”断裂相。 (2)对于CoCrMo合金基材,设定一定的法向载荷,随着位移幅值的增大,微动运行区域从部分滑移区经由混合区向着滑移区转变,摩擦系数也随着位移幅值的增加而增大。当设定一定的位移幅值,随着法向载荷的增大却与之相反。磨损体积都呈现先上升后下降的趋势。磨损机制在部分滑移区为粘着磨损和轻微的氧化磨损,在混合区呈现疲劳磨损和氧化磨损,在滑移区为磨粒磨损、疲劳磨损和氧化磨损。 (3)超声滚压强化处理试样在其他加工参数不变的条件下,随着静压力的增大,磨损程度先降低后增加的趋势。当静压力600N处理试样耐磨性能最好。固溶强化处理试样在其他加工参数不变的条件下,摩擦系数、磨损量等都随着固溶温度的升高呈现先下降后上升的趋势。当固溶温度900℃处理试样耐磨性能最好。优选处理后的CoCrMo合金,超声滚压处理试样和固溶处理试样稳定阶段耗散能分别较基材降低7.1%和8.3%。超声滚压处理试样和固溶处理试样在较大位移幅值参数下较基材的磨损率降低了23.2%和37.9%。在干态下,经过固溶强化后的CoCrMo合金的减磨效果优于超声滚压强化处理后的CoCrMo合金。 (4)在模拟实际服役工况下,由于溶液介质的参与作用下,使得材料运行区域向着滑移区转变。优选处理后的CoCrMo合金,超声滚压强化试样磨损体积较基材降低60～80%,固溶强化处理试样磨损体积较基材降低50%,即在目前选定的加工参数下,模拟实际服役工况,超声滚压强化处理试样耐磨性能更优异。 (5)在相同的试验周期内,基材磨损速率更快导致未形成剥落层材料就被去除,但由于强化处理后的CoCrMo合金表面硬度较基材更大,而且还存在一定的残余压应力,抑制平行接触表面微裂纹的贯通而导致的材料剥落,所以强化后的CoCrMo合金材料去除速率更慢,呈现为局部材料去除的材料损伤形式。通过两种强化处理均能提高CoCrMo合金的在服役过程中的抗微动磨损性能,其最佳强化工艺参数有待进一步优化和验证。

关键词： 轮胎磨损   起落次数   故障预测   支持向量机  

摘要： 本文首先对轮胎磨损进行研究,采集不同起落次数下轮胎磨损量数据。采取基于支持向量机的预测方法,在MATLAB中建立了轮胎磨损预测模型,通过建立的模型对采集的轮胎磨损量数据进行预测分析,将预测数据与采集的数据进行对比,计算出预测的误差。而后通过建立的模型预测了不同胎压下轮胎磨损量,讨论了不同胎压下飞机可使用的起落次数。结果表明:基于支持向量机的预测方法很好地反映了不同起落次数下飞机轮胎磨损量,为飞机轮胎磨损提供了预测方法,为飞机轮胎监控提供了良好的参考价值,为飞机维护提供了重要的理论支持。

关键词： 不确定系统   时滞系统   机械系统   Delta算子   非脆弱H_∞控制  

摘要： 网络控制系统是控制系统、计算机技术和通信网络相互融合、相互渗透的产物,在控制研究领域内引起了相当广泛的关注。研究发现导致系统的稳定性能下降的主要因素,就是广泛存在于实际工程控制系统中的时滞以及不确定性。对于控制器中常见的脆弱性问题,通常运用非脆弱控制方法使得闭环系统稳定并能够满足给定的性能指标。本文针对系统存在时滞以及不确定性的情况,研究了闭环离散时滞系统的非脆弱H∞控制问题。具体内容如下:（1）针对柔性机械时滞系统,设计状态观测器,并进行了非脆弱H∞控制器设计。首先,对柔性机械系统进行建模,并考虑在传输过程中时滞对系统的影响,构造出一类新型的带有输出时滞的状态观测器,进而设计非脆弱H∞控制器。其次,通过构造Lyapunov函数,得到满足稳定条件的参数矩阵,并借助MATLAB软件求解线性矩阵不等式,得到关于非脆弱控制器和新型观测器的增益矩阵,从而达到满足系统稳定运行的条件。最后,通过数值仿真验证了非脆弱状态反馈控制器的有效性,能够满足柔性机械时滞系统控制性能的要求。（2）针对存在时滞以及不确定性的机械手系统,基于状态观测器完成非脆弱H∞控制器的设计。首先,将机械手系统模型转换成数学模型,并且完成状态空间矩阵离散化。其次,构造Lyapunov稳定性函数,并结合线性矩阵不等式方法,得到非脆弱H∞控制器存在的充分条件。再通过求解线性矩阵不等式得到所设计控制器和观测器的增益参数表达式,从而确保闭环系统能够稳定运行。最后利用MATLAB仿真数值算例,验证了非脆弱H∞控制器对于机械手系统的有效性和优越性。（3）针对带有传感器故障和执行器故障的Delta算子时滞系统,进行鲁棒可靠D-镇定非脆弱控制器的设计。首先,根据Delta算子定义,对时滞系统进行线性变换,从而验证Delta算子时滞系统满足可靠D-稳定的充分条件,由此,设计鲁棒非脆弱可靠D-镇定状态反馈控制器,在满足Delta算子范数有界参数不确定性和存在故障的情况下,使闭环时滞系统稳定运行。最后,通过MATLAB软件进行数值仿真,验证了非脆弱可靠D-镇定的有效性和优越性。

关键词： 聚酰亚胺   摩擦磨损   复合材料   溶胶凝胶法  

摘要： 交通运输工具和其他机械制动传动系统的平稳运行依赖具有优异综合性能的摩擦材料。随着摩擦材料的不断发展,人们对摩擦材料的热稳定性、可靠性、耐久性、环境友好性提出了更高的要求。聚酰亚胺是一种分子结构中含有酰亚胺环的高性能聚合物,是一种具有高强高模、低密度、抗冲击、耐腐蚀、自润滑与耐高低温等优良性能的高分子材料,在电子电器、航空航天、分离膜、阻燃织物、摩擦材料等众多领域有所应用。纤维经过原纤化工艺得到的含有丰富絮状微纤结构的产品称为浆粕。浆粕有表面积大,与基体结合时的附着点较多等优点。将其引入摩擦材料中以期获得摩擦磨损性能优良的复合材料。首先本文研究了聚酰亚胺含量与形貌对复合材料摩擦磨损性能的影响。研究发现聚酰亚胺的加入整体上有助于降低摩擦系数、摩擦力波动系数和比磨损率。质量分数相同的情况下,浆粕状聚酰亚胺增强复合材料的摩擦系数比粉末状聚酰亚胺增强复合材料更小。当浆粕含量为60%时复合材料摩擦系数达最小值0.247,与酚醛树脂相比下降了59.5%。当聚酰亚胺质量为10%时,材料的摩擦力波动系数和比磨损率分别为0.051和8.76× 10-6mm3/N·m,与酚醛树脂相比下降了 85.8%和63.5%。当质量分数大于10%时由于酚醛树脂难以完全粘结聚酰亚胺浆粕,聚酰亚胺浆粕容易被被剥离和拉拔,导致摩擦力波动系数和比磨损率上升但仍比酚醛树脂小。与浆粕状聚酰亚胺类似,粉末状聚酰亚胺含量过高时也会带来摩擦力波动系数和比磨损率的上升。然后本文研究了测试条件对聚酰亚胺浆粕增强复合材料的摩擦磨损性能影响。随着载荷的增大,聚酰亚胺浆粕增强复合材料的摩擦系数呈下降趋势.随着转速的增大,材料的摩擦系数会减小,浆粕含量大于20%的复合材料因高速摩擦时接触面积的增大与摩擦膜消耗速度加快导致摩擦系数增大。随着温度的升高,复合材料的摩擦系数先略微升高后迅速下降。最后本文通过溶胶-凝胶法在聚酰亚胺浆粕表面生成了纳米SiO2,并用改性后聚酰亚胺浆粕制备复合材料。改性后复合材料的摩擦系数和摩擦系数的波动性与为改性复合材料相比有所提升,分别升高了 18.5%和5.4%,同时,复合材料的比磨损率大幅降低了46.6%。随着载荷和转速的增大,复合材料的摩擦系数减小,摩擦力波动系数和磨损率增大。随着温度的升高,复合材料的摩擦系数和磨损率先增大后减小。