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关键词： 动涡旋盘   端面摩擦副   动力学   磨损机理   复合涂层  

摘要： 无油涡旋压缩机作为新一代制冷压缩机具有产品结构简单稳定、振动小、噪音低、节能环保等优势,在制冷行业中被广泛使用,但独特的结构设计,也导致其内部存在较多的摩擦副,其中动静涡旋盘涡旋齿端面的摩擦磨损对涡旋压缩机的机械效率和运行稳定性有着重要影响。针对涡旋压缩机工作过程中动涡旋盘涡旋齿端面在常见工况下因表面磨损过大导致气体泄漏问题,以某型号涡旋压缩机动涡旋盘涡旋齿端面与静涡旋盘底盘端面组成的摩擦副为研究对象。通过对动涡旋盘涡旋齿端面在不同转速下磨损变化规律及磨损机理进行研究,并根据干摩擦条件下,改变摩擦副间隙处的润滑介质,优化端面摩擦副摩擦学性能。主要研究内容如下:首先建立动涡旋盘力学模型,分析动涡旋盘工作过程中涡旋齿端面受载荷变化情况。通过有限元分析得到动涡旋盘在不同转速下涡旋齿端面动态接触应力变化云图,对传统Archard磨损模型进行修正,并结合有限元磨损仿真计算出在不同转速下的磨损深度值,总结磨损深度值与磨损次数的关系。其次通过搭建涡旋压缩机实验台架,进行不同转速下动涡旋盘端面磨损实验。对动涡旋盘端面磨损量进行测量。将实验结果与仿真结果对比分析,验证整体思路的正确性。对实验结束后动涡旋盘磨损区域切块,通过扫描电镜观察磨损形貌,分析总结动涡旋盘端面在不同转速下磨损机理。最后针对动涡旋盘端面磨损机理分析,提出改变端面摩擦副润滑介质的优化方案。制备一种石墨、聚四氟乙烯(PTFE)以及Mo S(二硫化钼)填充聚醚醚酮(PEEK)的自润滑复合材料,采用热喷涂工艺在4032铝合金基体表面制备C-Mo S-PTFE-PEEK涂层。通过摩擦磨损实验、硬度测试、涂层附着力划痕测试、X射线衍射分析、X射线光电子能谱仪分析、分析形貌特征及元素分布等测试实验,研究C-Mo S-PTFE-PEEK涂层在干摩擦条件下的摩擦学性能,并与4032铝合金阳极氧化膜、4032铝合金镀Ni涂层的摩擦学性能进行比较。实验结果表明C-Mo S-PTFE-PEEK涂层减摩耐磨性能优于传统表面改性方式,为改进提高涡旋盘端面磨损性能及工作效率提供理论参考。图[45]表[5]参[65]

关键词： 海底钻机   试验台   机械系统   液压系统   Abaqus  

摘要： 海洋作为地球上最广袤的资源宝库,不仅蕴藏着丰富的煤、石油、天然气等化石能源,还富含多金属硫化物、富钴铁锰结壳、多金属结核等矿产资源。在陆地资源日渐消耗但经济社会发展对资源需求进一步扩大的背景下,世界各国都加大了对深海资源的勘探力度。深海海底钻机作为一种勘探装备,在开展海洋地质研究、资源和地质勘探中发挥着越来越重要的作用。为了能够更好的探究海底钻机在高压环境下的钻进过程,论文开展了高压环境下海底钻机钻进试验台研究与设计,并运用Abaqus进行了孕镶金刚石钻头钻进中硬岩层有限元仿真与实验探讨。具体研究内容如下: 首先,介绍了论文的研究背景、研究现状、主要研究内容和相关研究路线。论文对研究背景及意义进行了阐述,并概述了深海海底钻机和钻机试验台的研究现状;针对目前深海海底钻机发展迅速而海底钻机试验台缺少的现状,提出研制高压环境下海底钻机钻进试验台,明确了论文研究内容,制定了相关研究路线。 其次,完成了试验台整体方案设计、机械系统设计以及液压系统设计。在总结国内外深海海底钻机相关技术参数的基础上,完成了试验台技术要求和设计参数的设定,制定了试验台工作原理和设计方案;根据设计方案完成了对试验台机械系统和液压系统设计:机械系统设计包括试验台台架和钻机设计;液压系统的设计包括推进油缸计算设计、液压马达和液压泵计算选型、液压阀选型、阀块设计、油箱设计以及整个试验台液压泵站设计等,并对液压系统进行了升温校核,验证液压系统能够满足试验台设计要求。 之后,运用Abaqus仿真软件进行了孕镶金刚石钻头钻进中硬岩层的有限元仿真分析。选用孕镶金刚石钻头和中硬岩层,建立其简单几何模型,并对模型进行材料属性赋予,网格划分,分析步、接触、载荷和边界条件设定,建立了钻头钻进中硬岩层的有限元模型;在模型基础上,开展了钻进过程的有限元仿真分析,得到了钻进中硬岩层的等效应力云图;通过设定不同的钻压和钻头转速,得到了不同钻进参数对钻速、钻进位移的影响。 最后,完成了海底钻机钻进试验台的搭建、性能实验以及钻进实验。进行了海底钻机钻进试验台的加工、制造、组装,并对组装完成的液压系统进行水下实验,验证油箱密封性能和系统散热性能良好;之后进行了海底钻机钻进试验台的钻进实验。

关键词： 重载钢轨   珠光体相变   疲劳寿命   滚动磨损   滑动磨损  

摘要： 随着经济的发展,我国对提高重载铁路运输效率及降低运营经济成本的需求不断提高,使得列车轴重不断增加,对钢轨的疲劳寿命及磨损性能提出了新的挑战。为提高重载珠光体钢轨的疲劳及磨损性能,本文在某轨梁厂生产的BG400钢轨钢基础上进行成分设计并制备出实验钢。首先对添加稀土及微合金元素的实验钢进行珠光体相变动力学与热力学分析以优化热处理工艺。然后,探究合金元素及热处理对珠光体钢轨疲劳寿命及滚动磨损行为的影响。最后,选取性能较好的热处理BG400与热处理实验钢分析不同条件下滑动磨损性能与组织变化规律。主要结果如下: 通过稀土及微合金元素的加入,扩大了珠光体相变的温度范围,使CCT曲线向右下方移动。计算得出BG400珠光体相变激活能为218.85k J/mol;实验钢为292.74k J/mol,合金元素的添加提高了珠光体的相变激活能,增加实验钢的淬透性。 采用疲劳试验机对两种实验钢的轧态与热处理态进行疲劳寿命测试,发现轧态与热处理态实验钢的疲劳性能分别优于轧态与热处理态BG400,使S-N曲线整体向右移动。在相同应力水平下,疲劳辉纹间距随疲劳寿命的增加而降低;在同种实验钢中,疲劳辉纹间距随应力水平的增加而增加。添加合金元素与优化的热处理工艺能够细化晶粒、减小片层间距以及促进二次裂纹发生减缓疲劳裂纹扩展速率。 使用滚动接触疲劳试验机对两种实验钢的轧态与热处理态进行滚动磨损测试,结果显示:相同条件下,磨损量变化与试样硬度呈负相关。两种轧态实验钢磨损失效以磨粒磨损和粘着磨损为主;两种热处理实验钢由粘着磨损转为疲劳磨损。添加合金元素及热处理使得热处理实验钢产生了固溶强化、细晶强化并减小珠光体片层间距,令其次表层产生更严重的加工硬化,阻止疲劳裂纹继续向内扩展。因此,热处理实验钢比热处理BG400具有更加优秀的抗滚动接触疲劳能力。 利用磨损试验机对两种热处理实验钢进行滑动磨损测试,发现热处理实验钢比热处理BG400拥有更佳的抗滑动磨损性能。热处理BG400的试验力不同,其主要磨损形貌不同,但剖面塑性变形层均有白层组织出现,同时热处理BG400塑性变形层随磨损次数的增加而变厚。与热处理BG400相比,热处理实验钢珠光体片层细化与基体硬度的提高减缓了塑性变形速度。

关键词： 复合材料   聚四氟乙烯   碳纤维   摩擦学性能   微观结构   分子动力学  

摘要： 高分子复合材料在复杂的摩擦工况下服役时，通常会受到拉伸、压缩和剪切的综合作用，导致材料内部发生损伤，从而影响其使用寿命。因此，研究复合材料在摩擦过程中的损伤机理至关重要。本文采用分子动力学和第一性原理计算复合材料本构模型所需的力学参数。基于有限元方法，在考虑基体相、增强相、界面相损伤和失效单元删除的前提下，以聚四氟乙烯（PTFE）/碳纤维（CF）复合材料为例，从细观角度研究了PTFE、CF以及PTFE-CF界面在摩擦过程中的结构变化及其对复合材料摩擦学性能的影响。　　为构建含有基体相、增强相、界面相的PTFE/CF复合材料有限元摩擦模型，本文首先建立了PTFE、三种CF微观结构以及界面的分子模型，采用分子动力学和第一性原理对上述分子模型进行了拉伸和剪切模拟，得到了其弹性模量和剪切模量等力学参数。结果可知， PTFE的弹性模量为935.5MPa ，界面的最大拉伸应力为717.295MPa。然后基于分子模拟所得参数建立了CF有限元模型，并结合分子动力学和有限元方法验证了含有三种微观结构CF模型的正确性。最后利用有限元方法计算了CF各结构的拉压和剪切强度。　　基于有限元方法构建GCr15-PTFE/CF复合材料摩擦模型，将分子模拟和有限元所得力学和损伤参数，代入复合材料摩擦模型中，分析了摩擦过程中各组分损伤情况及其对复合材料摩擦性能的影响。研究发现，复合材料各组分的损伤情况是摩擦系数变化的主要因素，PTFE失效发生在GCr15上试件周围。CF损伤与自身强度和在PTFE中的分布位置有关，即强度越低、距离GCr15上试件越近损伤越严重。界面对摩擦系数的影响较小。基于试验方法，验证了PTFE/CF复合材料有限元摩擦结果的正确性。此外，研究了不同速度、载荷以及CF含量对PTFE/CF复合材料摩擦的影响，最终找到各因素下PTFE/CF复合材料摩擦磨损的最优性能。

关键词： 高速列车   滚动轴承   信息融合   故障诊断   机器学习   深度学习  

摘要： 近年来,我国铁路事业实现了跨越式发展,业内对于高速列车的运营和安全保障方面也提出了更高的要求。滚动轴承是高速列车走行部传动系统中的关键旋转部件,其状态正常与否显著影响到列车运行的安全性和可靠性。 随着工业4.0引领的新一代工业革命的进行,飞速发展的智能制造技术正在重塑传统制造业的面貌,利用相关先进技术实现对高速列车滚动轴承等关键部件的智能监测和健康管理亟待实现。而综合利用多种智能监测技术和多源信息,能够全面把握滚动轴承的状态信息,进一步提升诊断能力,这正是信息融合的核心思想。根据处理层次的不同,可将信息融合分为数据级融合、特征级融合和决策级融合。本文主要基于特征级融合和决策级融合这两种层次,展开高速列车滚动轴承故障诊断方法研究,主要研究内容总结如下: (1)不同的机器学习算法具有不同的特点和适用范围,基于单一算法的模型难以应对各种复杂实际场景,容易导致误诊。针对该问题,提出一种基于决策级信息融合的滚动轴承故障诊断模型。该模型首先提取对轴承故障敏感的时域和频域统计指标;然后将特征集分别输入MLP神经网络、多分类SVM和RF这三种智能分类器进行训练,并输出初级决策结果;最后利用D–S证据理论对初级决策结果进行融合,以综合多种机器学习算法的优势和适应性,并实现对轴承单故障和复合故障状态的有效区分。 (2)针对常见统计指标鲁棒性和刻画故障信息能力不足的问题,在上述模型的基础上,引入基于FIR带通滤波器组的多尺度频带划分方法来构造多尺度特征集,并用其替代原模型中的时、频域特征集,提出了一种基于多尺度特征和决策级信息融合的滚动轴承故障诊断模型。该模型构造的特征集包括谱峭度、谱L2/L1范数和谱Gini系数,在提取特征时直接定位到故障信息最丰富的共振频带,因此更具针对性,而且在刻画故障信息时更为稳定、有效;之后利用特征集构造出三个子模型:MLP神经网络子模型、多分类SVM子模型和RF子模型,并完成初级决策;然后利用D–S证据理论融合三个子模型的结果。总的来说,该模型是上述融合模型的改进模型,改进之处在于特征集的构造方法。试验结果表明,该模型能够实现对轴承单故障和复合故障的有效诊断,诊断准确率较原融合模型更高。 (3)针对浅层机器学习模型特征提取和模型构建过程孤立进行、自学习能力相对较弱等不足,提出了一种基于卷积神经网络和特征级信息融合的滚动轴承故障诊断模型。方法首先利用CMQGWT和Fast-SC这两类时频域分析方法生成滚动轴承振动信号的时频分析图;接着构建具有双输入通道的CNN模型来自动化提取这两类时频图的深度特征,并在融合层中将两类特征融合为一个新的深度时频特征,并输出分类结果;最后将模型应用于高速列车滚动轴承故障诊断问题中。结果证明,该模型能够充分发挥深度学习算法自动化提取深度特征的能力,具有优越的时频特征信息挖掘性能,能够以“端到端”的方式实现对轴承单故障和复合故障的有效区分,可为高速列车滚动轴承的故障诊断提供思路。

关键词： 多相流   多层套筒调节阀   降压流动特性   空化效应   磨损规律  

摘要： 多层套筒调节阀作为核电与煤化工中高参数特种调节阀的典型代表,其应用工况多变、结构复杂。高温、高压、高流速、含固体颗粒等严苛工况对调节阀的性能提出了新的要求,严重影响了设备的使用寿命,对安全生产提出了重大挑战。明确空化效应下多层套筒调节阀内的降压流动特性与磨损规律,在一定程度上可以缓解上述问题,有助于完善严苛工况特种阀门的设计理论体系。本文针对核电主给水和煤直接液化系统中新型高压差多层套筒调节阀为研究对象,开展空化效应下调节阀降压流动特性与磨损规律研究:分析了工况与结构参数对核电主给水调节阀降压流动特性与空化效应的影响;明确了工况和颗粒属性与煤液化液控调节阀降压流动特性、磨损规律和空化效应之间的关系;根据数值模拟结果提出了预防空化和磨损的建议,主要研究内容及结论包括五个方面:(1)针对两种典型应用情景下多层套筒调节阀的使用工艺,构建了空化效应下调节阀降压流动特性及磨损规律的综合数学模型,预测了两种工况下调节阀的失效机理。自主搭建了一套多层套筒调节阀降压流动特性实验装置并开展了相应实验,不同实验工况下测量的结果与数值模拟的调节阀内流体的降压规律吻合。(2)分析了不同开度和进出口压差对核电主给水调节阀内降压流动特性和空化的影响。当调节阀保持全开状态时,各级套筒内流体速度保持在约82 m/s且每层套筒提供2-3.5 MPa的压降,具有最理想的降压效果。调节阀内存在三处空化位置:第四层节流孔流道的第三级套筒内壁面处、阀座节流孔流道处和调节阀出口流道的拐角处。(3)探究了核电主给水调节阀的多层套筒结构参数和外部压力特征对多层套筒调节阀内空化的影响。采用套筒直径逐级递增方法、适当减少第三层套筒厚度、适当减小阀座流道小孔孔径和提升调节阀出口压力至0.7 MPa及以上均可在一定程度上抑制空化效应,从而预防空化失效。(4)开展了空化效应下煤液化液控调节阀内降压流动特性与磨损规律的数值模拟研究。磨损严重的位置主要出现在靠近套筒小孔流道的四周,调节阀大开度运行下,各级套筒内流体压力、速度和湍动能变化均匀。调节阀最大磨损率随颗粒直径的增加出现先增大后减小趋势,颗粒质量流量的增加会导致阀内最大磨损率先增大后减小,开度的变化导致阀内最大磨损率交替出现在不同内壁面。(5)颗粒质量流量的增大与开度减小会导致阀内蒸汽相体积的减少,阀座处减小幅度超过20%,第三级套筒内壁面蒸汽相减小幅度超过6%,颗粒大小变化对阀内空化几乎没有影响。为了有效防止阀门的空化和磨损失效,建议阀门减少小开度运行的时间,尽量维持大开度运行。本文的创新工作在于:分析了套筒流道直径、套筒厚度和阀座处小孔流道直径对核电主给水调节阀内空化效应的影响机制,奠定了调节阀结构设计优化的理论基础;明确了阀内颗粒固有属性和调节阀开度对阀内空化效应与磨损规律的影响情况,提出了基于预防空化效应的调节阀的使用建议。

关键词： 移动靶标机器人   平稳性分析   正交试验   灰色关联度   PLC控制系统  

摘要： 近年来,我国城市化发展迅速,发生暴力犯罪的场合绝大部分是封闭空间,以此为背景,封闭空间的反暴力犯罪训练也变成了每个部队训练的核心内容。本文针对在封闭室内反恐射击用的靶标进行改革,将靶标设计成能够大致模拟出人物行为动作的同时,对人物的行动轨迹也能够做出相应的模拟。针对要求,对移动靶标机器人的整体结构进行设计,以此为基础,对机器人的各部分进行设计。结合工作要求,确定将移动靶标机器人分为靶身旋转系统、靶身升降系统、靶车车身三部分进行设计。其中,将靶车车身的驱动系统分为行走系统和驱动系统两部分进行设计。根据设计出的结构,对移动靶车车体进行结构设计以及材料选型。根据设计方案与结构参数,对移动靶车机器人进行三维建模。选用92式手枪、95式自动步枪射击子弹时产生的力为外力,对移动靶标做抗倾覆性能力分析,分析结果均小于国标要求,确定移动靶标具有较强的抗倾覆性能力。将模型导入ADMAS中,进行相关设置,选用运行轨迹、运行速度为主要变量,模拟四种不同的工况,在不同工况下测量X、Y、Z三个方向上的加速度震动变化,通过MATLAB进行计算,得出相关平稳性指数均处于0-2.5,及证明移动靶车在运行时具有较强的稳定性。通过运动仿真得出关键受力部件的最大受力值,并基于ANSYS进行有限元分析,分析结果表明关键受力部件尺寸不佳。因此,采用四因素三水平的正交试验进行优化,再通过灰色关联度获取最优尺寸,优化结果表明,不仅满足相关规范,并且在原有基础上将车体质量减少了12.91%,提高了性价比。在确定移动靶标机器人机械结构后,对移动靶标控制部分进行设计。首先确定了整体的控制以PLC为主体的整体控制,并确定了传感器、电机、触摸屏以及其它硬件系统的设计方案,后续进行了具体选型。对PLC进行编程,保证程序能够做到储存路线、控制驱动、数据监测等功能。后续完成移动靶标机器人控制系统人机界面的设计,增加人机交互的便捷性,实现在触摸屏上对每个部件的控制。

关键词： 强化研磨   GCr15钢球   高温   耐磨性能  

摘要： 轴承是高端装备的基础零部件,更被称为“装备芯片”,而钢球则是轴承最关键零部件之一。国内现有技术无法使高端装备轴承达到“高精保、高效率、高寿命、高强度、高可靠性”等性能要求,是公认的“卡脖子”技术,而80%的轴承失效都源于钢球失效,因此探究轴承钢球表面性能极为重要。本文基于强化研磨加工技术提出了一种新型钢球强化加工方法——钢球强化研磨加工技术。通过理论分析、有限元模拟及试验验证,研究钢球强化研磨的强化机制,探究经钢球强化研磨加工后GCr15钢球在高温环境下耐磨性能的影响规律,进而探索最佳工艺参数,具体研究成果如下:(1)基于强化研磨加工技术,结合赫兹碰撞理论,构建了钢球强化研磨碰撞-应力理论模型。(2)通过ABAQUS有限元数值模拟,建立钢球强化研磨加工模型,探索不同研磨罐内壁结构及不同转速对研磨罐内GCr15钢球表面应力分布的影响,并分析GCr15钢球的运动规律,其中6号仿真组的最大残余压应力值为612.8MPa。(3)采用钢球强化研磨设备对GCr15钢球进行试验,并对各试样的表面形貌、晶粒尺寸、残余应力、显微硬度等性能指标进行测量及分析。结果表明:经钢球强化研磨后试样表面出现大量随机微凹坑和挤出脊,表层组织的晶粒尺寸有不同程度的细化,位错密度增大,表层的残余应力值也有明显提高,其中7号试样表层残余应力值最大,为-612.2MPa,且距表层20μm处的显微硬度值也最大,为916.7HV。(4)在全部加工试样中选两组强化效果最佳及未加工试验组,采用多功能立式摩擦磨损试验机对其进行25°C、200°C、400°C、600°C等温度下的摩擦磨损试验,通过分析其平均摩擦系数、磨痕形貌、磨损量等,探索钢球强化研磨加工对GCr15钢球耐磨性能的影响规律。结果表明:7号试验组在不同温度下的平均摩擦系数分别为0.46、0.53、0.41、0.38,磨痕宽度分别为754.13μm、767.52μm、658.35μm、640.83μm,磨损量分别为1.77mg、2.16mg、1.27mg、1.01mg,均为最小;且随温度的升高,呈先小幅度增大再减小变化趋势,表现出的耐磨性能最佳,并研究了高温摩擦磨损的作用机理。