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关键词： 电火花沉积   立体结构自润滑涂层   Workbench   摩擦磨损  

摘要： 为了提高45钢表面的润滑性与耐磨性,本文采用HB09-K3型电火花堆焊修复机,以石墨、硬质合金为电极材料,在45钢上电火花沉积硬质合金-石墨立体结构自润滑涂层。首先对制备参数、沉积时间进行选择,对涂层结构进行设计,最后使用扫描电子显微镜对立体结构涂层表面、截面微观形貌进行观察,并对涂层表面、截面进行EDS分析。利用Workbench对涂层的摩擦过程进行仿真模拟,分析摩擦过程中涂层应力、应变及温度的变化规律。使用往复摩擦磨损试验机对涂层进行摩擦磨损试验,对涂层的摩擦磨损性能进行研究。采用单因素实验对制备参数进行选择,发现脉冲电压50V,放电频率40Hz,脉冲宽度40μs,电极转速250r/min,硬质合金的沉积质量好;脉冲电压60V,放电频率60Hz,脉冲宽度50μs,电极转速250r/min,石墨的沉积质量好。底层硬质合金沉积时间4min,中间层硬质合金、石墨的沉积时间/面积比为分别为2min/cm、6min/cm,顶层石墨的沉积时间6min时,制备的涂层厚度最厚,表面粗糙度最小。使用SEM和Image J对涂层的表面形貌进行观察,发现最佳参数下制备的涂层表面平整,存在少量气孔和裂纹,对截面进行EDS分析,发现涂层与涂层、涂层与基体之间存在元素扩散现象。使用Workbench对涂层的摩擦过程进行仿真模拟,分析接触区域应力、应变及温度的变化规律,结果发现:随着载荷、频率的增加,接触区域的应力、应变、温度会增加,在相同条件下,立体结构涂层摩擦过程中受到的应力、应变、温度相较于45钢、硬质合金-石墨涂层有所下降。本文研究了立体结构自润滑涂层在销-盘、球-盘条件下的摩擦学性能。结果发现:在相同条件下,立体结构涂层的摩擦系数、磨损量相较于45钢、硬质合金-石墨涂层有所下降。随着载荷、频率的增加,立体结构涂层的摩擦系数逐渐下降,而磨损量逐渐上升。通过对磨损形貌进行分析,发现销-盘条件下摩擦表面更加平整,摩擦系数和磨损量更小。

关键词： 碳纤维束   织造工艺   交变张力作用   摩擦学行为  

摘要： 本课题围绕碳纤维束在三维织造开口运动中的摩擦磨损性能进行研究，建立了碳纤维束与综眼间摩擦磨损实验模拟方法，探讨交变张力作用下碳纤维束与综眼间的接触、摩擦和磨损行为，揭示碳纤维束在开口运动中的摩擦磨损机制，实现机织前对不同工艺参数下纤维损伤的预判，为织造过程工艺参数优化提供理论依据。　　使用自主设计的摩擦实验夹具，借助摩擦磨损试验机研究了预加张力、初始法向载荷、摩擦频率和往复距离对碳纤维束与综眼间摩擦行为的影响机制。结果表明：法向载荷和摩擦力均随纱线张力的周期性变化而出现周期性波动。随着预加张力的增加，实际接触面积减小导致碳纤维束的摩擦力和摩擦系数减小。通过观察接触表面的三维形貌，发现在较高的纱线张力下，纤维束接触部分主要集中在中心区域。碳纤维束弯折深度随初始法向载荷的增加而增大，导致碳纤维束的摩擦力和摩擦系数显著增加。摩擦频率的增加导致摩擦力和摩擦系数的增加。由于纤维束粘附作用，在摩擦频率较低时存在明显的粘跳现象，摩擦力和摩擦系数会在一定范围内产生波动。往复距离的增加导致纤维束摩擦力和摩擦系数的增大，往复距离较大时摩擦力和摩擦系数出现逐渐相近的趋势。　　通过纤维束表面形貌和剩余拉伸断裂强力表征评估了预加张力、初始法向载荷、摩擦频率、往复距离和循环周期数对碳纤维束摩擦损伤的影响机制。结果表明：碳纤维束的损伤程度随预加张力的减小以及初始法向载荷和往复距离的增大而增加，其中初始法向载荷和往复距离对碳纤维束损伤程度的影响最显著，摩擦频率对碳纤维束损伤无明显影响，在此实验条件下，摩擦系数与损伤程度不直接相关。另外随着循环周期数的增加，束内单丝逐渐伸直平行，纤维摩擦区域两侧断面逐渐整齐，剩余拉伸断裂强力逐渐减小。碳纤维受到的复杂应力作用导致纤维断面出现多种损伤断裂模式。

关键词： 电液伺服阀   Fluent   冲蚀磨损   预测模型   冲蚀磨损实验  

摘要： 伺服控制系统是当今世界传动控制系统中的一个重要组成部分,电液伺服阀作为该控制系统中的关键元器件,其可靠性与稳定性对整个伺服控制系统有着极大的影响。而工程实践表明,油液污染引起的冲蚀磨损是影响电液伺服阀性能退化的主要因素之一。本文以某一型号的电液伺服阀滑阀为研究对象,采用仿真与实验相结合的研究方法对其阀腔内部流场的流体流动特性、固体颗粒运动特性以及阀芯阀套的冲蚀磨损进行研究。得出了阀芯阀套的壁面冲蚀磨损预测模型,建立了相应的加速实验方案,并完成了阀芯阀套的冲蚀磨损实验,主要内容如下:介绍了冲蚀磨损理论、冲蚀磨损影响因素以及部分冲蚀磨损数学模型研究现状,并介绍了液压阀冲蚀磨损的相关研究现状,提出了研究内容与技术路线。之后简单介绍了电液伺服阀的工作原理,并针对阀腔内部固液两相流及冲蚀磨损问题,建立了连续相控制方程与离散相控制方程以及冲蚀磨损模型。对阀芯阀套进行适当的简化建模,同时提出部分假设以适应仿真需求,利用CFD(Computational Fluid Dynamics)仿真软件Fluent对模型的准确性进行了验证。之后,探究了阀口开度、压差、油液温度对阀腔内部流场分布与油液流速的影响,以及固体颗粒运动特性。随后,针对阀芯阀套的冲蚀磨损研究,利用Fluent探究了在混合固体颗粒条件下阀口开度、压差、油液温度以及油液污染度对阀芯阀套壁面冲蚀磨损的分布情况以及最大冲蚀率和平均冲蚀率的变化规律。并根据仿真结果,以阀口开度、压差以及油液污染度作为三个自变量,阀芯阀套壁面平均冲蚀率为因变量,对单一自变量进行了数据拟合,最后利用Matlab进行了非线性多项式数据拟合得出了阀芯阀套壁面平均冲蚀率的预测模型。根据对阀芯阀套的冲蚀磨损研究,建立了冲蚀磨损实验原理以及正交加速实验方案并对研究对象进行了一系列实验。最后分析了冲蚀磨损对电液伺服阀零位泄漏量的影响,并将实验前后阀芯阀套的质量损失量与仿真计算值进行了对比验证。本文提出的阀芯阀套冲蚀磨损率预测方法与实验方案对电液伺服阀的结构优化、故障诊断以及寿命预测提供了理论依据,具有一定的指导意义。

关键词： 水下机器人   结构设计   吸附结构   流体仿真   动力学仿真  

摘要： 随着水利行业的迅速发展,各项水利设施的常规巡检变得尤为重要,复杂水环境下的水工建筑物结构检测对水下大坡度爬行机器人有着迫切需求。针对当前水下机器人面对大坡度水工建筑面存在吸附力不足,运动不稳定的问题,研发一款适用于水下大坡度爬行的机器人样机,实现机器人在水下大坡度斜面上稳定爬行运动。本文的主要工作如下:1.机器人机械系统的总体设计。对机器人在水下大坡度斜面上的稳定吸附状态建立了静力学模型,分析了机器人稳定吸附时所需要的吸附力与坡面倾斜角、摩擦系数之间的关系。基于以上力学分析,对水下大坡度爬行机器人各个模块进行了选型与设计。首先选型确定了机器人的爬行结构与吸附结构这两个关键模块。其次,对机器人的机体框架、密封舱体进行了结构设计;并利用ANSYS软件分别对框架与密封舱强度仿真验证,验证了结构的可靠性。最后根据机器人浮力与重力的调节,对浮力块进行了选型与设计。2.吸附结构的设计与分析。提出了水下机器人吸附结构模型,分析了吸附结构的吸附原理与影响吸附力大小的主要参数。并使用Fluent对吸附结构进行了流体力学仿真,分析吸附结构在推进器的不同转速下,吸附结构距离吸附面间隙、吸附结构外形尺寸对吸附力的影响趋势。进一步通过实物实验的方式,验证了吸附结构的合理性。3.水下机器人运动稳定性分析。对机器人在斜面上爬行运动建立了动力学模型,分析机器人发生不同运动失效时的受力情况。由于水下机器人在运动过程中水阻力的影响不可忽视,通过Ansys对机器人运动过程中受到的水阻力进行了分析计算,并根据力学分析计算了机器人不同运动失效下的临界吸附力大小。进一步利用Recur Dny多体动力学仿真软件,对机器人在大坡度斜面上的直线爬行运动与原地旋转运动进行了仿真,研究机器人在不同倾斜角的斜面以及垂直立面的运动性能。4.实物样机搭建与实验测试。首先对机器人各个关键零部件进行了性能测试实验,保证机器人水下实验的安全性。然后在实验水池中进行一系列的机器人水下运动实验,实验表明机器人可以在水下大坡度斜面、立面稳定运动。最后在河堤坝面进行了机器人样机的运动测试,实验结果表面机器人达到了预期的性能,能够满足水下大坡度水工建筑物斜面的稳定爬行运动。随着越来越多的水利工程设施的投入运行,对于库坝的安全巡检与维修作业需求日益增加。因此,课题的研究可以提高水下机器人的适应能力和工程应用能力,推动水下机器人技术的发展具有重要意义。

关键词： 浮式风机动态缆   铠装层   磨损   疲劳寿命  

摘要： 随着全球对新能源需求日益旺盛,相应的新能源技术如海上风资源的开发和利用技术亟待提高。其中,浮式风机动态缆在风浪流等循环载荷作用影响下,铠装层钢丝间发生磨损现象将影响风机动态缆的运行寿命。鉴于此,本文通过建立Orca Flex浮式风机整体响应模型得到动态缆张力,建立ABAQUS动态缆局部模型得到钢丝间压力及滑移距离,建立简化钢丝磨损模型,基于ABAQUS有限元软件二次开发得到磨损深度,研究动态缆铠装层钢丝在海洋环境下的摩擦磨损对动态缆拉伸刚度引起的变化,从而分析磨损导致的拉伸刚度变化对疲劳寿命产生的影响。论文进行的主要工作有: 首先,分析铠装层钢丝在海洋环境条件作用下的摩擦磨损机理,基于微动磨损机理分析,确定了Archard磨损理论模型作为本文预测磨损理论模型,并选择UMESHMOTION+ALE技术为本文摩擦磨损模型数值实现方式。 其次,建立了ABAQUS动态缆局部分析模型,得到钢丝间接触压力及滑移量。采用FORTRAN语言,结合Archard磨损定律编制用于计算三维接触面磨损深度的UMESHMOTION子程序,模拟了动态缆同层间铠装层钢丝的磨损,通过自适应网格技术进行网格更新,实现了Archard磨损模型的有限元模拟,得到了铠装层钢丝的磨损量。 最后,分析了在位时组合工况下动态缆的疲劳特性,对考虑铠装层钢丝磨损后的刚度进行修正,评估了浮式风机考虑磨损与未考虑磨损的不同刚度的动态缆疲劳寿命。 本文的研究成果能够有效评估循环载荷作用对动态缆铠装层钢丝间磨损的影响,可以对浮式风机在实际工程中的安全应用提供技术借鉴。

关键词： 高熵合金化层   激光熔覆   磨损   腐蚀   空蚀  

摘要： 304不锈钢由于其优异的性能被广泛应用,为提高其耐腐蚀空蚀性能,采用激光熔覆技术在304不锈钢表面制备高熵合金涂层。高熵合金由于其良好的耐磨性、耐高温性、优异的低温延展性、高强高硬、良好的耐腐蚀性和优异的抗空蚀性能等优势受到了广泛关注。其中CoCrFeNi系高熵合金化层一直是研究的热点问题。Mo和Ti不仅可以对涂层起到强化作用,还可以进一步改善涂层的耐蚀性和空蚀抗性性。为了提高304不锈钢的综合性能,本文通过激光熔覆技术在304不锈钢表面制备了CoCrFeNiMnTi(x:摩尔比,x=0.5、1.0、1.5、2.0,记作Ti05、Ti10、Ti15、Ti20)和CoCrFeNiMnMo(x:摩尔比,x=0.1、0.5、0.8、1.0,记作Mo01、Mo05、Mo08、Mo10)两个体系的激光高熵合金化层。使用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、电子背散射衍射仪、显微硬度计、摩擦磨损试验机、电化学工作站、超声气蚀试验机以及分析天平等设备对所制备的激光高熵合金化层进行了相结构分析及演变、显微组织形貌、显微硬度、干滑动摩擦磨损性能、耐电化学腐蚀以及耐空蚀性能的表征。CoCrFeNiMnTi(x:摩尔比,x=0.5、1.0、1.5、2.0)高熵合金涂层的相结构由单一的FCC相演变为FCC+BCC+NiTi金属间化合物+Laves相。CoCrFeNiMnTi高熵合金涂层的显微硬度从412HV提升到574HV。与高熵合金化层的显微硬度相比,耐磨性与涂层的硬度符合Archard关系,呈正比关系。随着Ti元素的加入,CoCrFeNiMnTi高熵合金涂层的耐蚀性呈现先升高后降低的趋势,x=1.0的高熵合金涂层具有最好的耐蚀性,表现为较低的腐蚀电流密度、较高的电荷转移电阻和较高的点蚀电位。CoCrFeNiMnTi高熵合金化层的抗空蚀性能随着Ti的加入呈现先增加后降低的现象,如质量损失和受损表面形貌所示。此外,在空蚀和静止条件下,开路电位法测定的腐蚀空蚀协同作用表面,钝化膜的保护能力也随着Ti含量的增加呈现先增加后降低的趋势。根据空蚀和静止条件下的OCP行为,Ti10的样品显示出良好的钝化膜再钝化能力。CoCrFeNiMnMo(x:摩尔比,x=0.1、0.5、0.8、1.0)高熵合金涂层的相结构主要由单一的FCC相组成,伴随着少量的金属间化合物。显微硬度从391HV提升到529HV。耐磨性同样与显微硬度成正比。CoCrFeNiMnMo高熵合金化层的耐腐蚀性能和抗空蚀性能均呈现先增高后降低的现象,Mo05表现出最好的耐蚀性能和抗空蚀性能。由开路电位法测定,Mo05的钝化膜再钝化能力更强。

关键词： 螺杆转子铣削   盘铣刀磨损   粗糙度预测   智能算法  

摘要： 螺杆钻具广泛应用于石油开采等领域中,而螺杆转子作为钻具设备中的核心部件,对设备的整机运行起到至关重要的作用。在加工过程中,刀具的磨损状态直接关系到工件表面粗糙度值是否能够达到合格使用的标准,故对刀具磨损量监测是必要的。本文将对铣削螺杆转子时刀具磨损及转子表面粗糙度进行研究,探究工艺参数与刀具磨损量和表面粗糙度值之间的关系,并分析刀具磨损机理。将表面粗糙度和材料去除率作为优化对象,为有效提高加工质量和切削效率提供理论指导。主要研究内容如下:(1)分析盘铣刀铣削转子的加工过程,利用线性回归方法建立盘铣刀磨损率预测模型,从而实现预测刀具的正常使用时间,为及时更换刀具提供理论参考。针对盘铣刀磨损机理进行分析,利用极差分析法得到工艺参数对刀具磨损率的影响规律。(2)根据盘铣刀铣削螺杆转子的加工特点,建立引入磨损系数的铣削转子简化表面粗糙度模型,并对模型进行验证。进一步通过转子铣削试验,利用相关性分析法分析盘铣刀磨损对表面粗糙度的影响。(3)提出一种改进北方苍鹰搜索算法优化BP神经网络的预测方法(INGO-BP),预测采用无瞬心包络方法加工的转子表面粗糙度。将改进北方苍鹰搜索算法优化BP神经网络分别与未改进北方苍鹰搜索算法优化BP神经网络和人工神经网络(ANN)算法进行比较,验证所提出改进算法的优越性。利用测试样本验证所提出预测方法的准确性,并采用该方法分析不同工艺参数对转子表面粗糙度的影响规律。(4)为进一步优化加工质量并提高加工效率,以表面粗糙度和材料去除率为目标建立优化模型,提出改进多目标非洲秃鹫算法(MOEAVOA)对优化模型进行求解,得到Pareto前沿最优解集,从而得到表面粗糙度值与材料去除率双目标约束情况下螺杆转子铣削加工的最优工艺参数。针对盘铣刀磨损率预测能够为实际加工中及时更换刀具提供理论参考,对螺杆转子表面粗糙度预测能够解决螺旋曲面表面粗糙度预测难的问题,并有助于分析出工艺参数对螺杆转子表面粗糙度的影响规律。将表面粗糙度和材料去除率作为优化目标,通过智能优化算法确定最优参数对螺杆转子高效高精度加工具有重要意义。

关键词： 磨损机制   数学模型   表面剥层   体相断裂  

摘要： 流化床系统通过将颗粒悬浮于流体介质中从而改变颗粒之间的接触形式,具有传热性能优异、气固混合均匀、接触面积大、节能高效等优点,已被广泛应用于燃烧、干燥、催化、气化、和光催化氧化等工业过程。然而,颗粒的流化磨损现象非常常见,目前对于颗粒流化磨损的研究认识仍不足,相关机理研究还很薄弱,大多数实验研究对于表面剥层和体相断裂机制没有加以区别。本研究基于对表面剥层和体相断裂两种机制的认识,开展冷态和热态石英砂颗粒流化磨损实验并基于实验数据建立流化磨损数学模型。 开展了石英砂颗粒冷态流化磨损实验。首先对石英砂颗粒代表性过程和特性进行分析,并将细粉累积质量分数与流化时间进行Gwyn方程拟合,通过方程参数对颗粒流化磨损机制进一步分析。探究操作参数和颗粒性质等因素对颗粒流化磨损的影响规律。结果表明:在快速磨损阶段,体相断裂和表面剥层均对石英砂颗粒磨损有明显影响,粒度变化速率大且产生大量细粉,体相断裂产生颗粒的质量分数明显小于表面剥层产生细粉的质量分数,因而表面剥层在快速磨损阶段是主导机制;粒度变化速率随表观气速增加而增大,与初始粒径的关系不存在单一趋势。进入稳态磨损阶段后,石英砂磨损的主导机制仍为表面剥层,体相断裂机制对颗粒流化磨损几乎没有贡献,粒度变化速率不再随表观气速和初始粒径发生变化。 基于石英砂颗粒冷态流化磨损实验数据结果提出了适用于预测石英砂颗粒流化磨损数学模型。本文得到的关于流化时间、表观气速、初始粒径等参数与流化磨损产生细粉累积质量分数的关联式,具有较好的预测效果,可用于描述和预测颗粒的流态化磨损状态。此外,利用非稳态磨损阶段和稳态磨损阶段的实验数据,得到用于表征细粉累积质量分数变化速率r的预测关联式,可以较好地预测非稳态磨损阶段的磨损速率。 开展了石英砂颗粒热态流化磨损实验。相比于冷态流化磨损实验,增加了床体加热和空气预热过程,着重探究床温和初始粒径对颗粒流化磨损的影响。研究表明:在热态流化磨损初期,热应力加剧了颗粒裂纹的产生和延展,颗粒产生大量子颗粒,体相断裂机制占主导。进入稳态磨损阶段后,表面剥层机制占主导。在非稳态磨损阶段,流化温度在200℃～400℃时,随着流化温度升高,热应力增强,表面剥层作用增强,体相断裂现象加剧。在流化温度为25℃～200℃范围内,温度对颗粒磨损的影响可以忽略。流化温度为400℃时,粒径对颗粒流化磨损的影响不明显。在稳态磨损阶段,随着流化温度的升高,颗粒磨损逐渐由体相断裂机制占主导过渡到表面剥层机制占主导。

关键词： 仿生   布利冈   触土部件   磨料磨损   土壤黏附  

摘要： 本论文针对农业机械触土部件作业过程中广泛存在的磨料磨损及土壤黏附问题,选取布利冈型结构作为研究对象,依据工程仿生的核心思想,通过学习布利冈型结构的表面非光滑形态及内部螺旋层叠结构特点,对其几何结构参数进行优化设计。进一步开展黏附和磨料磨损试验,并结合仿真分析方法对试验结果进行探讨,以评估布利冈型结构在降低土壤黏附和减少磨损方面的有效性。主要内容与结论如下:(1)以克氏原螯虾(Procambarus clarkii)等动物外骨骼中广泛存在的布利冈型结构为仿生原型,根据工程仿生趋同进化思想,提取共性特征,使用三维建模软件完成宏观尺度的布利冈型结构模型试样的创建,以将布利冈型结构应用于农业机械触土部件的结构设计。(2)对仿生布利冈型试样的黏附特性进行了测试和分析。基于万能拉伸试验机搭建了黏附力测试平台,结合中心组合试验法,得到了最优几何结构参数组合。发现当结构单元直径为3.5 mm、层间螺旋角度为33°、层间重叠间距为0.06 mm时,仿生布利冈型结构黏附力达到最小值。计算机仿真分析结果表明,传统光滑型试样的最大粘附力为12.61 N,棱纹型试样的最大粘附力为8.76 N,布利冈型试样的黏附力为7.36 N。通过黏附力测试平台的实测试验证实,上述3类样件的黏附力分别为13.23 N、9.56 N和8.63 N。仿真与实测的误差在4.69%～14.72%之间,在合理的误差范围内,证实了布利冈型结构在降低土壤黏附方面的优越性能。(3)对仿生布利冈型结构试样的磨料磨损性能进行了评价。设计并制备了布利冈型结构试样,通过采用磨料磨损试验台和中心组合试验方法,获得了磨损量最小的最优几何结构参数组合,发现结构单元直径为1.03 mm、层间螺旋角度为16.48°、层间重叠间距为0.13 mm时,磨损量最小。磨料磨损试验结束后,通过扫描电镜观察试样表面磨损形貌,结果显示布利冈型结构表面呈鱼鳞状,伴有少量白色磨粒,磨痕较浅。计算机模拟仿真得出,光滑型试样磨损量为2.73×10 g、棱纹型试样磨损量为2.26×10 g、布利冈型试样磨损量仅为2.13×10 g。对3种试样的表面累计接触能和表面累计接触力进行对比,发现布利冈型结构表面能量显著降低,有助于减小磨损量。采用DEM-FEM耦合仿真方法对3种试样内部应力应变进行分析,布利冈型结构试样的变形量较大。这表明布利冈型结构具有双重优势:一方面,表面的棱纹结构能够减少颗粒流对其的撞击数量;另一方面,内部的螺旋结构可以有效地吸收来自于磨料颗粒的冲击力。这两种结构共同作用,降低了试样的磨损量,提高了其耐磨性能。(4)田间试验结果证实,在速度为3 km/h、4 km/h和5 km/h的作业条件下,与传统型滚动触土部件相比,棱纹型滚动触土部件的牵引阻力减小了8.66%～10.27%,黏附量减小了17.69%～20.17%;仿生布利冈型滚动触土部件的牵引阻力减小了12.82%～13.23%,黏附量减小了26.56%～27.88%。在土壤含水率为20%、30%和40%的条件下,与传统滚动触土部件相比,棱纹型滚动触土部件的牵引阻力减小了8.53%～10.27%,黏附量减小了16.54%～20.28%;仿生布利冈型滚动触土部件的牵引阻力减小了12.79%～13.53%,黏附量减小了23.00%～29.30%。以上研究为农业机械触土部件的磨料磨损和土壤黏附问题提供新的仿生方法,为提高农业机械触土工作部件的使用寿命、作业效率和质量提供了理论依据和技术基础。