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关键词： 冷凝器   胶球清洗系统   在线识别   磨损检测   图像处理  

摘要： 冷凝器是电力，石化等行业的换热设备。冷凝器长期运行时，会有杂质水垢堵塞冷凝管，这将降低冷却管的换热性能，影响整体设备的经济效益和安全运行。胶球清洗系统主要靠胶球摩擦冷凝管内壁，但会导致胶球磨损，清洗效率降低，需要人工定时更换胶球。本文提出了基于胶球清洗设备的自动化系统,设计了硬件部分和软件部分，能够实时监测清洗胶球，以便及时更换胶球，提高清洗效率。根据冷却水中胶球所处环境，本文结合硬件系统，研究了胶球图像的预处理方法，图像分割算法，以及磨损检测，建立了胶球图像在线识别与磨损检测系统，实现胶球的在线磨损检测。研究内容如下:　　第一部分，绪论主要陈述了本文课题研究背景，胶球清洗系统的重要性以及改进。其次介绍了研究的内容，目的和图像预处理与图像分割算法的相关工作。　　第二部分，清洗胶球在线识别与磨损检测系统构建。本文设计了系统整体流程，从硬件系统设计、软件算法设计两方面介绍各个模块。在系统硬件部分,本文设计了硬件图像采集系统，首先用CAD设计了胶球图像采集机械装置，并进行优化改进，接着搭建了由照明设备和线阵相机构建的采集系统，最后图像上传开发平台，实现数据实时采集。　　第三部分，图像预处理阶段。根据现场采集的图像分析，发现图像存在噪声，水雾，且有光照不均匀现象。针对噪声，本文设计了形态成分分析和双边滤波结合的去噪方法;针对水雾和光照不均，本文采用同态滤波和颜色恢复多尺度Retinex算法。　　第四部分，从传统图像分割与基于深度学习的图像分割两方面进行了胶球图像分割。本文首先利用了传统图像分割方法进行胶球分割，对分割结果进行分析对比，在胶球重叠或气泡干扰的情况下，均存在分割困难的问题;于是提出基于深度学习的分割方法，本文基于Yolact模型，引入注意力机制，构建了适用于本文的胶球分割深度学习模型。　　第五部分，清洗胶球在线识别与磨损检测实验与结果分析。根据胶球分割结果，来统计胶球数量。然后对每个分割后的胶球进行直径测量，在线统计不同批次直径分布情况，实时监控胶球磨损情况，给出胶球更换的合理时间。　　经过实验，本文设计的胶球在线识别与磨损检测系统能够实现在线胶球分割，检测胶球数量和胶球直径变化。系统数量检测精度达到96.5％,胶球在线分割并且直径检测精度达到78.11％,分割速度达到30.1fps。根据检测胶球数量,检验系统是否丢球漏球;检测胶球物理直径，确定胶球磨损程度，能够及时更换胶球。本文实现了胶球清洗系统的自动化，提高了清洗效率，降低人工成本。

关键词： 磨损类型   离散单元法   数值仿真   磨损预测   多目标优化  

摘要： TBM法是隧道建设施工时最常用的施工方法。滚刀作为刀盘硬岩掘进的主要破岩刀具,位于刀盘最前端,对岩体直接施加载荷作用,其破岩性能的好坏将直接影响到刀盘整体的破岩效率。全断面隧道掘进机在硬岩地层掘进时,容易导致滚刀刀圈的受力及变形增大、隧道开挖效率降低和滚刀使用寿命缩短等问题产生,因此需要考虑滚刀在硬岩地层掘进时的破岩过程、磨损寿命及滚刀整体结构形式对滚刀破岩性能的影响。论文主要内容及成果如下: 1.通过扁齿滚刀的结构特点,分析了扁齿滚刀的破岩过程、破岩受力及破岩轨迹等,利用扁齿滚刀的磨损数据,结合三种磨损类型分析并确定了塑性磨损、脆性磨损、疲劳磨损和粘着磨损所占扁齿滚刀总磨损量的比例,构建了扁齿滚刀每环磨损量计算模型。 2.通过离散单元法和析因-爬坡实验法建立了扁齿滚刀破岩仿真模型,研究扁齿滚刀在不同破岩参数下,滚刀的破岩力和破岩比能耗的变化规律,并联立有限元软件对不同贯入度下扁齿滚刀的整体及刀圈进行静力学仿真研究,分析工程中扁齿滚刀“脱齿”现象产生的原因。 3.根据广州某隧道工程实例,分析盘形滚刀和扁齿滚刀的主要磨损失效形式及失效机理;依据扁齿滚刀的磨损刃口形状,建立不同磨损程度下的扁齿滚刀破岩仿真模型,分析扁齿滚刀的破岩力与磨损程度的相互关系。采用EDEM-workbench联合仿真手段对滚刀刀圈接触岩石时的扁齿滚刀整体及刀圈进行静力学仿真研究。最后基于改进ACO-PSO-BP神经网络分别建立了盘形滚刀磨损预测模型和扁齿滚刀磨损预测模型,并与BP神经网络进行对比,验证改进ACO-PSO-BP神经网络滚刀磨损预测模型的准确度和拟合度。建立起的滚刀磨损预测模型,有益于确定开仓换刀时机与地点。 4.利用多级罚函数构建以扁齿滚刀破岩比能耗较好、破岩距离较长、每环磨损量较小及掘进速度较大的扁齿滚刀多目标优化模型,基于改进ACO算法和PSO算法对多目标优化模型进行整体优化,从而得出较好的破岩参数配置。然后结合工程实际,对滚刀的磨损失效类型进行统计,并提出相应的处理措施及建议。 研究内容及结果可为不同破岩参数下扁齿滚刀破岩力和破岩比能耗的影响规律分析,滚刀磨损预测方法以及扁齿滚刀的破岩参数选取及优化研究提供参考。

关键词： CFRP/TC4叠层结构制孔   钻头磨损   特征提取   深度学习   加工质量  

摘要： 碳纤维复合材料（CFRP）和TC4钛合金因各具有优良的物理力学性能,其叠层结构广泛应用于航天工业领域。由于CFRP和TC4都属于典型难切削材料,且具有不同的机械和热学特性,因而在制孔过程中,钻头磨损较快,从而影响加工质量和效率。为了保证加工质量、及时更换钻头,有必要对CFRP/TC4叠层结构制孔钻头失效评价标准以及钻头磨损状态的监测方法进行研究。因此,本文开展了CFRP/TC4叠层结构制孔钻头磨损试验,基于试验数据,针对CFRP/TC4叠层结构制孔钻头磨损特征、钻头磨损与加工质量的关系、轴向力与声发射信号特征、钻头磨损状态监测等内容进行了研究。主要的研究内容如下: （1）分析了CFRP/TC4叠层结构制孔钻头的磨损形貌、磨损量以及磨损机理;分别阐述了CFRP、TC4制孔缺陷形成机理;并探究了CFRP入口损伤、CFRP孔壁粗糙度、TC4出口毛刺高度以及TC4孔壁粗糙度与钻头磨损之间的关系;结合CFRP、TC4孔壁粗糙度以及钻头外缘转角处最大磨损量VB三者的变化规律,对钻头磨损进行了阶段划分和失效评价标准制定。 （2）分析了轴向力、声发射信号时域曲线特征,并探究了钻头磨损对它们的影响;采用首尾信号截断和小波阈值去噪等方法对原始轴向力、声发射信号进行了预处理;对预处理后的轴向力、声发射信号进行了时域、频域以及小波包特征提取;基于皮尔逊相关系数筛选出了与钻头磨损强相关的信号特征。 （3）阐述了卷积神经网络和长短时记忆神经网络的基本原理、结构构成和重要参数;对轴向力、声发射信号特征以及钻头磨损数据进行了标准量化处理;通过模型参数调优和训练测试,成功建立了CNN-LSTM钻头磨损状态监测模型,并将该模型与CNN、LSTM以及BP这三类钻头磨损状态监测模型的识别准确率进行了对比;引入了迁移学习方法的概念,并通过结合CNN-LSTM模型实现了不同工况下钻头磨损状态的监测。

关键词： 网式过滤器   CFD-DEM耦合   数值模拟   涡场   水力性能   磨损  

摘要： Y型网式过滤器常被作为现代微灌技术的末级过滤器,来有效地过滤和分离灌溉水中的悬浮物,这种过滤器具有出色的水力性能,可以有效延长它的使用寿命,从而保证微灌系统的高效可靠性。为了探究Y型网式过滤器在不同工况下的流场、涡特性及磨损情况,本文采用流体力学-离散元法耦合的方式,应用计算流体力学对网式过滤器的5种入口流速(0.5、0.75、1、1.25、1.5m/s)、5种过滤器的出口与筒体的夹角(35、40、45、50、55°)以及有无导流片对其进行数值模拟,分析不同入口流速及过滤器角度对过滤器的流场特征,以及不同入口流速、过滤器角度及有无导流片下的颗粒特性和磨损特性的影响和变化,并对数值模拟结果的可靠性进行试验验证,经研究发现:(1)分别通过清水物理试验和浑水物理试验对比过滤器在FLUENT软件的数值模拟测得过滤器在不同流量下的水头损失及滤网的磨损分布。通过拟合流量-压降公式,对比五组清水试验和数模的误差,分别为5.74%、14.81%、8.61%、9.47%、9.29%,多数误差在10%以内,满足预测要求,证明清水条件下数模的可靠性较高;对比二者浑水下的滤网磨损分布,其分布区域相似,证明了浑水条件下数值模拟的结果是可靠的。(2)当入口流速的增大时,其内部的涡量也随之增大,最大流速相比最小流速涡量增大了51.49%,但相对增加量逐渐减小,过滤器内部的涡量增加速度逐渐变缓;当过滤器角度的增大时,过滤器入口管道和过滤腔的涡量变化不明显,出口管道的涡量随之增大,强涡旋的面积逐渐扩大,小角度到最大角度的涡量增幅有10.64%。(3)过滤器内部正则化螺旋度两侧截面方向相反,随着入口流速的增大,过滤器的出入口管道和过滤腔内的螺旋度分布都没有变化;随着角度的增大,过滤器的入口管道和过滤腔内的螺旋度几乎没有变化,出口管道的大量同方向旋涡区域随过滤器角度的增大而逐渐趋向出口减小。(4)Q方法与λ2方法都能准确的捕捉网式过滤器中不同强度的涡核区域,捕捉的区域分布一致,Ω方法能同时表现出过滤器的强涡和弱涡,且和过滤器的流线图有相似性。(5)0.2mm粒径颗粒的平均颗粒停留时间是衡量滤网过滤性能的标准之一,导流片能有效提高过滤器的平均颗粒停留时间,随着入口流速的增大,颗粒的平均颗粒停留时间减小且趋于一个饱和值,随着过滤器角度的减小,颗粒的平均停留时间增大了25.90%。(6)在一定的工况下,导流片能降低过滤器54.01%的磨损量,当入口流速的增大时,过滤器整体磨损量急剧增大;当过滤器角度增大时,0～1.2s过滤器的磨损量不受影响,在1.2s时开始随过滤器角度的增大而增大。实际应用中,选择35°夹角过滤器在小于1m/s的低流速工作,其内流场更缓和,水力性能更好,也有利于降低滤网的磨损量,提高过滤器的使用寿命。

关键词： TA1钛合金   表面复合强化   WC增强颗粒   磨损机制   高温氧化  

摘要： TA1钛合金具有比强度高、耐疲劳、热膨胀系数低、生物相容性好等优良特征,但钛合金表面硬度低、耐磨性差,在高温下容易被氧化形成非保护性氧化膜,限制了其应用。针对TA1存在的问题,本文提出一种表面机械形变复合强化技术,利用行星式球磨机,在室温和N气氛下获得了与TA1基体结合良好的纳米结构复合梯度层,并对其摩擦学行为以及高温氧化动力学进行了研究。通过单因素试验,最终选定转速350 r/min、时间8 h为机械球磨工艺,采用WC单一增强介质以及Ni与WC两种粉末配比分别为1:1、2:1、3:1、4:1及5:1的五种混合型增强介质对TA1合金进行表面机械复合强化处理,对复合强化层的微观组织结构和机械性能进行表征。结果表明,WC单一增强介质处理后的合金表面形成了一层由WC相组成、厚度约为40μm的梯度强化层,其表面硬度可达1100HV,强化层的表面粗糙度有所提高。混合介质处理后,由于Ni作为粘结剂增强了WC与基体的结合,在TA1合金表面形成了一层由WC相以及部分NiTiN相组成的复相组织,厚度40-60μm,强化层具有平缓梯度结构且更为均匀,表面硬度与前者相当。对TA1合金及复合强化样的强化机制进行了研究。采用自制的往复式磨损实验机在5 N和10 N载荷下对机械复合强化前后的TA1合金摩擦磨损行为进行了研究。结果表明,两种增强介质下经过表面机械复合强化处理后的TA1合金耐磨性均得到明显的提高,5 N载荷下磨损量最优强化样较原样少3倍左右,10 N载荷下磨损量最优强化样较原样相比少6倍左右。在摩擦过程中存在较长的低摩擦系数阶段,减摩效果明显。TA1钛合金原样的磨损机理主要是磨粒磨损与粘着磨损,而复合强化样的磨损机理主要是磨粒磨损。两种增强介质下机械复合强化处理的TA1钛合金在750℃、800℃、850℃的氧化增重均明显低于TA1原样,通过动力学模型分析发现TA1钛合金的高温氧化过程主要受表面渗透和扩散过程混合控制,动力学曲线的拟合度较高。机械复合强化处理极大地提高了TA1合金的抗高温氧化性能。

关键词： 桨毂结合面   微动磨损   超声辅助铣削   表面完整性   微动磨损性能预测  

摘要： 桨毂结合面是海洋装备平台可调距螺旋桨(Controllable Pitch Propeller,CPP)产生推力和进行调距两大功能的一个关键部位。桨毂结合面在CPP定距时发生的微动磨损是影响CPP使用寿命,进而影响海洋装备平台服役性能的重要因素。面向海洋装备平台在服役过程中的高服役寿命需求,桨毂结合面耐磨性能亟需提升。本文围绕改善桨毂结合面耐微动磨损性能的问题,提出利用超声波振动辅助铣削技术(Ultrasonic Vibration-Assisted Milling,UVAM)对桨毂结合面进行表面强化,探索UVAM强化对桨毂结合面耐微动磨损性能的影响与磨损量预测问题。论文主要研究工作和成果如下: (1)揭示了UVAM强化对桨毂结合面微动磨损性能的影响机理,探明了UVAM强化通过改善表面完整性提升桨毂结合面微动磨损性能的作用机制。 通过对比UVAM强化与铣削工艺下桨毂结合面的微动磨损性能(摩擦特性和磨损性能),并基于微动图、耗散能理论分析了磨损接触区域宏微观形貌与摩擦化学行为,结果表明,UVAM强化相比铣削工艺铜合金磨损量至少降低18.3%并且铣削工艺下铜合金磨损失效形式还伴有少量的裂纹以及孔洞,且探明了UVAM强化下桨毂结合面优异的耐磨性能主要源于表面完整性(包括表面织构和表面层性质)的改善:UVAM强化制备出的表面织构在微动磨损过程中有利于存储润滑油、其空间结构易于捕捉磨粒并形成磨屑层、有利于形成流体动压润滑效应,改善润滑效果,提升磨损性能;UVAM强化降低了表面层的应力集中程度、制备残余压应力层均有利于抑制裂纹产生,提升材料表面层硬度有利于抑制材料变形,细化表层晶粒抑制了裂纹源扩展,进而提升桨毂结合面耐微动磨损性能。 (2)阐明了UVAM强化对桨毂结合面表面层微观组织的强化机制,进一步揭示了UVAM强化对桨毂结合面表面完整性的作用规律以及影响机理。 首先,基于理论分析以及定量计算,阐明了晶粒细化、位错强化以及沉淀强化是UVAM强化对桨毂结合面铜合金表面层微观组织的三种主要的强化机制,其中晶粒细化占主要地位,并且当塑性变形达到一定剧烈程度还存在孪晶强化,与位错存在交互作用。进一步基于多种理论模型与实验分析,表明UVAM强化使铜合金表面层发生严重的塑性变形,产生了纳米相、高密度位错以及纳米孪晶,抑制表面层裂纹以及变形的发生,细化了表层晶粒且提升了表层硬度;铣刀高频冲击铜合金表面,表面层材料屈服而芯部保持不变,制备了残余应力层;铣刀的瞬态高频冲击波可以部分填充或消除部分缺陷,使材料表面结构层致密化,且制备了鱼鳞状表面织构,降低了表面应力集中程度。 (3)提出了基于表面完整性参量的桨毂结合面微动磨损量预测方法,并建立了预测模型,实现了桨毂结合面微动磨损性能的预测。 以表面完整性参量为中间量,提出了基于表面完整性参量的桨毂结合面微动磨损量的预测流程;针对微动磨损预测问题数据样本小的特点,建立了面向磨损量预测的粒子群算法优化支持向量机模型;该模型利用UVAM参数预测表面完整性,进一步基于表面完整性对磨损量进行预测。实验验证表明,基于表面完整性参量的桨毂结合面微动磨损量预测方法和模型具有良好的预测精度。

关键词： U75V钢轨   热处理工艺   珠光体片层间距   磨损   滚动接触疲劳  

摘要： 目前我国铁路正向着“客运高速化、货运重载化”方向快速发展,行车速度、轴重和运输密度不断增加,钢轨伤损现象愈发严重,磨损和滚动接触疲劳是钢轨最主要的两种失效形式,两者之间存在相互竞争的耦合关系。铁路的发展进步推动了钢轨的高强化发展,目前铁路以珠光体型钢轨为主,在线热处理是钢轨高强化最有效最经济的生产工艺,即采用轧后加速冷却方式细化珠光体片层间距,提高钢轨力学性能。因此,开展钢轨在线热处理工艺研究和组织调控,实现磨损和滚动接触疲劳的耦合平衡发展,对提高钢轨使用性能和保障行车安全具有重要意义。本文系统开展了珠光体片层间距对钢轨磨损和滚动接触疲劳的影响规律研究,建立钢轨磨损和滚动接触疲劳的耦合模型,开发出钢轨珠光体片层间距和力学性能稳定控制的在线热处理工艺,实现了钢轨磨损和滚动接触疲劳的耦合平衡发展,主要研究工作和结论如下:(1)随着珠光体片层间距减小,钢轨试样磨损表面形貌由沟槽痕迹向着层片状起皮再向疲劳裂纹发展,试样磨损失重降低,表面塑性变形层深度变浅,塑性变形导致的加工硬化更加严重。钢轨试样的疲劳裂纹从表面塑性变形层萌生并沿着塑性变形线向材料内部扩展,随着珠光体片层间距减小,疲劳裂纹长度从21.3μm增加至60.2μm,裂纹与表面的夹角由10.6°增加至30.7°。通过建立U75V钢轨磨损和滚动接触疲劳耦合模型,得到了实现U75V钢轨磨损和接触疲劳耦合匹配的珠光体片层间距范围为165.0-180.0 nm。(2)开展了U75V钢轨连续冷却转变热模拟和高温共聚焦试验,热模拟试验在1.5-2.0℃/s冷速下得到的珠光体片层间距为166.4-183.6 nm,高温共聚焦试验在1.5-2.0℃/s冷速下得到的珠光体片层间距为168.8-179.0 nm。随着冷却速度增大,钢轨珠光体片层间距减小,结合钢轨磨损和滚动接触疲劳耦合匹配的珠光体片层间距范围,得到了U75V钢轨1.5-2.0℃/s的冷却速度控制范围。(3)确定了U75V钢轨采用喷风热处理工艺路线,设计开发了钢轨喷风热处理试验平台,确定了喷嘴布置形式,根据冷却速度控制范围,通过传热计算,得到了关键设计参数为喷嘴直径8 mm,喷嘴距表面距离48 mm,喷嘴纵向间距32mm,喷风压力5.4-8.1 k Pa,最终完成了试验平台的建设。(4)利用试验平台开展U75V钢轨热处理工艺试验,得到主要规律:随着开始冷却温度升高,轨头组织和性能稳定性保证能力增强;随着喷风压力增大,轨头力学性能增加,珠光体片层间距减小;随着喷风时间增加,轨头硬化层深度增加,横断面硬度梯度波动减小。喷风热处理过程中,轨头外层点冷却速度为2.19℃/s,内层点冷却速度为1.92℃/s。最终确定U75V钢轨的最优热处理工艺为:开始冷却温度850℃,喷风压力8 k Pa,喷风时间160 s。(5)工业化生产的U75V热处理钢轨的抗拉强度为1261.1 MPa,断后伸长率为12.7%,踏面硬度为370.2 HB,性能指标均满足我国铁路行业标准TB/T2344.1-2020的要求,轨头表面至10 mm深度的珠光体片层间距为165.4-170.6 nm,满足钢轨磨损和滚动接触疲劳耦合的珠光体片层间距控制范围。(6)选取典型铁路线路运行6个月后,开展磨损和滚动接触疲劳性能的综合评价,建立了钢轨磨损和滚动接触疲劳耦合程度的量化评价方法,本文工业化生产的U75V热处理钢轨磨损和滚动接触疲劳耦合量化评价指数为0.12,远低于常规工艺批量生产的U75V热轧钢轨和U75V热处理钢轨,充分验证了本文钢轨在实际线路中磨损和滚动接触疲劳能够实现有效耦合。

关键词： 激光表面改性   涂层   7075铝合金   止裂行为   耐磨性能  

摘要： 铝合金由于密度低、比强度高、导热系数高和成型性好等优点,被广泛应用于航空航天、汽车制造、船舶运输等工业制造领域,但由于铝合金表面较低的硬度、强度和耐磨性较差等因素限制了其应用范围。为提升铝合金表面硬度及耐磨性能,采取的高效且经济的做法是制备金属-陶瓷复合涂层,但高强度涂层和软质金属基体结合区常成为裂纹萌生高发区致使涂层开裂。针对该问题,本文设计了三种多步激光工艺(激光熔凝-熔覆两步激光、激光熔凝-熔覆三步激光、局部激光合金化后激光熔覆)在7075铝合金表面获得具有类“钉扎”结构的涂层,利用高能量密度激光制备具有一定间距的深熔单元,该深熔单元具有较高强度及硬度,使得深熔单元与基体呈现软硬相间的分布特征。该分布特征利用高塑性的软质铝合金基体缓释结合区应力,降低裂纹形核几率,与此同时利用深熔单元增强涂层与基体间的结合区强度,提高该区抑制裂纹扩展的能力,以此强化硬质涂层与软质基体间的结合。通过拉伸试验深入探究了类“钉扎”结构涂层的结合性能以及结合区抑制裂纹扩展机理;结合磨损实验进一步分析了类“钉扎”结构涂层在摩擦过程中的应力分布特征,阐明了类“钉扎”结构涂层的摩擦磨损机理。主要研究内容如下:(1)类“钉扎”结构涂层的强韧性和止裂机理研究。研究了CeO含量对类“钉扎”结构CeO-SiC-Ni60涂层强韧性的影响。结果表明:随着CeO的添加形成的涂层组织更为致密,稀土氧化物中的Ce元素会促进熔池间的流动性使其减少缺陷,减少组织偏析;且Ce使得晶粒细化,对涂层起到了细晶强化作用;SiC陶瓷颗粒的添加,相组成发生变化,形成硬质相,对涂层起到弥散强化及第二相强化,导致裂纹扩展过程中所消耗的能量增加,提高材料抵抗裂纹扩展的能力;另外,深熔单元受到高能量密度激光作用,晶粒得以细化,增多的晶界组织在裂纹高发的涂层与基体结合区起到了抑制裂纹扩展的作用。相比于熔凝深熔单元,Ni60合金化深熔单元通过减小涂层与基体间的热物性差异,降低了该区域裂纹敏感性,且在激光作用下Ni与Al会形成稳定的金属间化合物具有较高的硬度,提高了涂层与基体间的结合性,进一步提升涂层与基体的结合强度。(2)类“钉扎”结构涂层耐磨损性和磨损机理研究。通过改变深熔单元和涂层组织获得结合强度较高的CeO-SiC-Ni60高耐磨涂层。结果表明,通过激光熔凝-熔覆三步激光所制备的类“钉扎”结构涂层可进一步缓释结合区应力,随着SiC含量的增加其显微硬度及摩擦系数也随之发生变化,硬度呈现先增加后减小趋势,而摩擦系数表现为先降低后增加,在SiC含量为30%时硬度及耐磨性能最优。另外,通过局部合金化Ni60制备的类“钉扎”结构涂层组织发生细化,硬度较未处理试样明显提升,在不同的磨损阶段,耐磨性能均得到改善,延长了试样的使用寿命。

关键词： Zr-4合金   燃料包壳   冲击磨损   冲切磨损   磨损机理   失效行为  

摘要： 燃料包壳作为压水堆中阻止放射性产物向环境中释放的第一道、也是最重要的一道安全屏障。维持燃料包壳的完整性对核电的运营以及长远发展有着重大意义。支撑格架、金属碎屑对燃料包壳的冲击磨损行为,会破坏燃料包壳的表面完整性、降低疲劳强度、促进疲劳裂纹萌生。进而,造成燃料组件失效,导致核裂变产物泄露。本文针对Zr-4燃料包壳进行多因素的循环冲击试验,采集并分析循环冲击过程中的接触力、速度、能量耗散等瞬态响应数据,研究了燃料包壳的冲击磨损行为。并对不同试验参数下的磨损区域进行了磨损统计与微观分析,阐明了Zr-4燃料包壳的冲击磨损演变规律和劣化机理。得到了如下结论: (1)研究了不同冲击块材质、形状对Zr-4合金管的冲击磨损行为的影响。冲击块形状越尖锐,Zr-4合金管的磨损越严重。而不同冲击块材质,在循环冲击过程中会表现出不同的磨损机理。其中Zr-4材质的冲击块生成的磨屑不易氧化,对Zr-4合金管造成严重磨损,甚至产生失效行为。 (2)研究了冲击参数与Zr-4合金管的冲击磨损机理的演变规律。提升初始冲击速度虽然有助于产生具有减磨作用的磨屑堆积层,但也会促进疲劳裂纹的延伸和扩展,导致Zr-4合金管发生分层剥落。在法向力、切向力的双重作用下,冲击角度的倾斜会损耗更多的能量,并对Zr-4合金管造成更严重的损伤。 (3)通过复合Zr-4合金管的切向运动,研究了不同切向速度对Zr-4合金管的冲击磨损性能的影响规律。切向速度会促使管试样与冲击块间相对滑动,加速磨屑堆积层的局部破损与剥落,甚至出现横向裂纹进一步增大Zr-4合金管的磨损。