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关键词： 立轴冲击式破碎机   CFD-DEM   冲击能量耗散   磨损   转子结构  

摘要： 立轴冲击式破碎机是人造砂生产中不可缺少的重要设备,其具有结构简单、重量轻、破碎效率高、产品颗粒形状优越等特点。但是在实际的生产过程中,立轴冲击式破碎机普遍存在着破碎生产能耗较高和转子主要易磨损件磨损严重等问题,这提高了人工砂生产企业的生产成本,不符合节能减排的社会经济发展需求,严重影响了破碎机的生产效率和使用寿命。虽然国内外学者对立轴冲击式破碎机的破碎机理进行了大量的研究,但是对破碎腔内能量的转移机制和在破碎过程中冲击能量耗散的研究涉及较少,破碎机转子结构参数和工作条件对能量耗散的影响规律还不清楚。因此,本文采用计算流体力学与离散元法(CFD-DEM)耦合仿真分析的方法,在物料颗粒运动特性分析的基础上,研究冲击能量的转移机制和累积冲击能量下转子易磨损件的磨损,并在此基础上优化转子结构参数,为研发高效节能的立轴冲击式破碎机和改善破碎机易损件的磨损提供了一定的理论参考。首先,以贵州某企业生产的PL8500立轴冲击式破碎机转子为参考,结合转子的工作原理,在对物料颗粒在破碎腔内的运动过程进行深入的运动学分析的基础上,对转子进行重新设计,初步确定转子的主要结构参数。按照重新设计的转子结构参数建立立轴冲击式破碎机的CFD-DEM耦合仿真模型,通过实验测定物料的恢复系数、滚动摩擦系数和静摩擦系数,深入分析物料在破碎腔内的运动过程,揭示了破碎机工作参数和转子结构参数对物料运动特性的影响规律。在破碎腔内物料颗粒运动特性分析的基础上,基于破碎腔的CFD-DEM耦合仿真,计算分析了物料碰撞中的冲击能量耗散,深入研究了不同工作参数下破碎机的功率消耗、冲击能量分布规律、冲击能量耗散率、碰撞频率、不同碰撞类型的碰撞能谱,揭示了工作参数对破碎腔内能量转移过程的影响。基于物料冲击能量耗散分析,建立转子易损件——导料板的Archard磨损模型,分析了累积冲击能量下导料板的磨损分布,提出采用正交实验、多元回归分析和遗传算法相结合的多目标优化方法,对影响导料板磨损的转子结构参数进行优化,保证了破碎机破碎性能并降低了导料板的磨损。

关键词： 柴油机   摩擦磨损   零部件级模拟试验   活塞裙   固体润滑涂层  

摘要： 活塞裙作为活塞的重要组成部分,承担着导向、传递热量以及承受侧推力的作用,随着柴油机强化程度的不断提高,活塞裙-气缸套面临摩擦功耗大、磨损加剧、拉缸倾向严重等摩擦学问题。因此,研究活塞裙-气缸套摩擦磨损规律,探索提高活塞裙-气缸套摩擦磨损性能的方法,对柴油机节能降耗和可靠性提升具有重要意义。但现有的试验装置及方法模拟性不足,不能真实反应活塞运行时的实际工况,制约了活塞裙-气缸套摩擦磨损性能的研究。 本研究针对活塞裙-气缸套摩擦副,研制了一台模拟发动机实际工作条件的零部件级摩擦磨损试验机,并建立了用于评价活塞裙-气缸套摩擦磨损性能的试验方法。利用该试验机开展了镜面氮化气缸套与石墨、二硫化钼、二硫化钨涂层活塞的匹配性试验,研究不同载荷、不同涂层对摩擦系数和磨损量的影响规律,探索了固体润滑涂层与润滑油ZDDP添加剂对摩擦磨损性能的影响。现得到主要成果及结论如下: (1)研制的零部件级活塞裙-气缸套摩擦磨损试验机可模拟活塞裙-气缸套典型工作环境,往复运动行程96 mm,转速在0～800 r/min无级可调,温度在室温～300℃可控,微量供油准确可调,载荷最高可施加至100 k N。 (2)结合柴油机实际工况和摸索试验,确定了评价活塞裙-气缸套摩擦磨损性能的试验参数范围:载荷为8～15 k N,温度为100～180℃,转速为100～300 r/min,供油量在1.5～3 m L/min。在载荷10 k N,温度120℃,转速200 r/min,供油量2.5 m L/min的典型工况下开展了活塞裙-气缸套摩擦磨损重复性试验,获得的摩擦力变化曲线在多次重复试验中一致性高,活塞裙不同位置处磨损量平均偏差均小于10%,建立的摩擦磨损试验机及试验方法具有较好的稳定性。 (3)石墨、二硫化钼、二硫化钨三种不同涂层活塞与镜面氮化气缸套匹配时,二硫化钨涂层在不同载荷条件下均表现出最优的摩擦磨损性能。此外,在与二硫化钨涂层活塞配对的气缸套表面未观察到ZDDP摩擦反应膜,考虑二硫化钨的减摩作用使得摩擦界面未达到ZDDP摩擦反应的临界温度和机械应力条件,ZDDP摩擦化学反应程度较低或者未发生摩擦化学反应。 (4)二硫化钼涂层活塞比石墨涂层活塞表现出更好的耐磨性能。与石墨、二硫化钼涂层活塞配对的气缸套磨损表面均形成了以硫化物、磷酸盐以及金属氧化物为主的摩擦反应膜,且与二硫化钼涂层活塞配对的气缸套表面形成了正磷酸盐。

关键词： U型管   内外流   流固耦合   振动碰撞   振动磨损  

摘要： 汽水分离再热器是核电站二回路中的关键设备,其中的U型换热管作为冷、热两侧流体的分隔屏障及换热通道,在内、外流体的共同作用下会与支撑结构发生接触进而导致磨损,直接威胁设备的安全和稳定运行。本文在已有研究基础之上,以汽水分离再热器为背景,研究了有界空间内单根U型管在内外流共同作用下的流致振动及其振动磨损问题,以期为相关工程应用提供借鉴。主要工作内容与结论如下: (1)在文献调研与算例验算的基础上,确定本文采用单向流固耦合方法分析U型管流致振动问题,采用非线性间隙弹簧等效格栅式支撑结构的方式,考虑支撑结构对管道的影响。 (2)汽水分离再热器中U型管为对称分布,不同位置流场特性类似,均为管内为轴向流、管外受面内气流冲刷,抽取其中一根建立了有界空间内U型管内、外流场模型,对不同内、外流速下的U型管流场进行了分析。结果表明,在计算流速下,外流流体力为典型的涡脱激振力,U型管所受稳态升、阻力的大小及频率均随外流流速的增大而增大,充分发展后的内流对管道的作用相当于施加在管道内壁面的“静载荷”,无明显脉动现象。 (3)引入非线性间隙弹簧单元,建立了U型管非线性振动计算模型。讨论了内流流速、支撑刚度、支撑间隙对U型管流致振动与振动磨损的影响。结果表明,低流速的内流会抑制管道振动及磨损,内流流速过高时,则会导致振幅反方向增大,又加剧了管道磨损。相较于x方向(外流阻力方向),内流对U型管y方向(外流升力方向)的振动及磨损影响较小;整体来看,最大振幅及磨损速率都随支撑刚度的增大而减小;在不同支撑间隙下,U型管振动及磨损规律较为复杂,随着支撑间隙增大,最大振幅增大,y方向位移响应出现了复杂的频率响应。但当U型管不再与支撑结构发生碰撞后,直管段尾部两处y方向最大振幅有所降低。由于磨损速率与接触力与滑动距离的乘积相关,直管段尾部两处x、y方向磨损速率随支撑间隙增大都呈现先增大后减小再增大的规律。

关键词： 大功率盘式制动器   制动界面   分形理论   摩擦磨损   离散元仿真  

摘要： 大功率盘式制动器的制动盘表面是由无数个不规则微凸体构成的粗糙表面,在高速重载的制动工况下微凸体对制动闸片表面进行划擦造成磨粒磨损,制动盘表面与闸片接触的微凸体受到很大载荷从而产生磨损,影响制动效能。因此,研究制动界面摩擦接触的微观过程,对减小制动界面的磨损量以及改善制动摩擦副的工作性能具有重要意义。本文针对大功率盘式制动器制动界面的摩擦磨损为研究对象,对制动界面的微观摩擦过程和磨损规律进行研究,主要研究内容如下:(1)基于离散元理论和颗粒基本接触模型建立制动闸片颗粒接触模型,确定了制动闸片的磨损破坏准则。通过单轴压缩试验得到闸片材料的应力-应变曲线,使用颗粒快速填充的方法建立单轴压缩仿真模型,根据压缩试验的结果对颗粒粘结参数进行标定,获得制动闸片颗粒微观粘结模型参数。(2)基于分形理论生成制动盘三维粗糙表面轮廓的微观模型,研究了分形维数对粗糙表面形貌的影响。以最小二乘中线为基准线表征表面粗糙度,通过三维建模软件建立三维粗糙表面的实体模型。基于Hertz弹性接触理论和Archard磨损经验公式表征制动盘的微观磨损。结合离散元和有限元建立盘式制动界面微观仿真模型,通过盘式制动器摩擦磨损试验验证仿真模型的可行性。(3)基于制动界面微观仿真模型,分析了制动闸片和制动盘的微观接触形式和受力状态。基于EDEM-Workbench联合仿真分析制动盘表面应力应变分布状态,研究了制动参数对制动闸片和制动盘摩擦特性的影响。结果表明:当制动压力和滑动速度越大时,闸片颗粒和制动盘受力越大,制动盘最大应力应变越大。(4)基于制动界面微观仿真模型,分析了制动闸片的微观磨损形式和演变过程,以及制动盘磨损率的变化规律。分析了磨屑的产生过程和分布规律,研究了制动参数对制动摩擦副的磨损影响。结果表明:随着制动压力和滑动速度的增加,制动闸片磨损颗粒数和粘结键断裂数增多,制动盘磨损率增大,制动界面磨损更严重。本文研究了大功率盘式制动器制动闸片和制动盘的微观接触摩擦过程,分析了制动界面的磨损规律,探究了制动参数对制动界面摩擦磨损的影响,为制动界面的摩擦磨损性能提升提供了理论依据。

关键词： 表面改性   离子渗氮   钛合金   腐蚀磨损   TEM  

摘要： 钛和钛合金具有较高的比强度、韧性、耐腐蚀性、耐高温性能和良好的生物相容性,是航空航天制造、生物医学植入物、海洋工程装备和汽车产品的基本材料。为了满足钛合金的使用场景,钛合金工件将向大型化、整体化、微型化、复杂化方向发展,因此应用于医疗卫生、航天航空、海洋工程等行业的3D打印钛合金越来越受到关注。然而其较差的摩擦学性能往往限制了钛和钛合金。为了改善钛和钛合金的缺陷,人们尝试使用一些表面强化技术,以提高钛合金的综合性能。渗氮是指在含氮元素的渗氮介质中,在一定的温度条件下,使氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺。空心阴极离子源是一种基于等离子体的阴极气体放电离子源。本文使用空心阴极离子源渗氮（HCPSN）技术对铸造TC4和EBMTC4样品进行表面改性。使用XRD、XPS、TEM、HRTEM、纳米硬度、UMT-5摩擦磨损试验、三位白光形貌干涉、电化学工作站等分析表征手段讨论了改性层的微观结构与耐腐蚀性之间的关系,研究了不同温度渗氮后TC4钛合金的摩擦行为,探究其摩擦机理,并研究渗氮后EBMTC4的腐蚀磨损性能,探究磨损机理。研究结果表明:（1）渗氮后样品表面由Ti N、Ti2N和α-Ti（N）相混合组成。化合物层从样品表面至芯部基体由纳米晶Ti N表面顶层、晶体Ti N次表面层、Ti2N夹层和间隙固溶体α-Ti（N）底层组成。（2）渗氮后样品表面硬度提高了2～5倍,表面粗糙度有所增加,有效渗层厚度达50～110μm。（3）与未经处理的TC4合金相比,基于Ti N的氮化层显示出明显的钝化区,腐蚀速率明显降低,抗点蚀能力明显提高。表面有Ti2N相的氮化层的耐腐蚀性能相对恶化。Ti N氮化层表面的钝化膜具有较高的三层电阻和较低的阻抗电容,可以有效地阻碍活性离子的渗透和迁移,从而使抗腐蚀能力得到明显的提高。（4）TC4钛合金基体的平均摩擦系数为0.41,可以认为TC4基体的磨损机制是塑性变形和严重的粘着磨损。渗氮后样品具有较高的抗塑性变形能力,摩擦学性能提高,磨损机制为轻微的粘着磨损和磨粒磨损,摩擦系数和磨痕深度均有所降低。（5）渗氮后的EBM样品开路电位更稳定,EBM530样品的腐蚀电流密度相比于EBMTC4基体降低了10倍。（6）EBMTC4基体在腐蚀摩擦的过程中,磨损机理为腐蚀磨损和粘着磨损,并伴随轻微的磨粒磨损。EBM510样品具有最好的减摩耐磨性能,磨损机理为轻微的磨粒磨损和腐蚀磨损。渗氮后的EBM样品耐腐蚀磨损能力大幅上升。

关键词： 滚动轴承   静电监测   有限元仿真   阵列式传感器   实验平台  

摘要： 滚动轴承作为汽车中传递动力的关键零件其工作状况的好坏将直接影响到整个汽车工作系统,在长期处于高转速及重负荷的使用工况下很容易出现性能退化甚至失效的现象这将会产生严重的后果。目前针对滚动轴承状态监测的常用方法有振动监测、声发射监测、温度监测和油液分析等4种。这些常规方法都需轴承故障发生到一定程度时才能被有效监测,也就意味着从监测到故障开始至失效时间很短,对维修人员来说维修起来存在难度。本文针对上述问题基于静电感应原理研究一种新型磨损区域静电传感器对轴承在高速旋转和摩擦过程中所产生的磨损带电颗粒进行监测以此来实现对滚动轴承的早期故障监测。通过建立单个磨损区域静电传感器和阵列式静电感应模型进行传感器性能特性仿真分析探究各自的监测特点,最后通过搭建滚动轴承静电监测实验平台对理论部分研究进行验证。主要研究内容如下: (1)首先对目前常规的轴承故障在线监测技术进行了简介与特点分析,针对它们所存在的一些弊端引入一种新型静电监测技术并从该技术的国内外相关研究现状及特点优势方面对其进行了叙述。其次对静电的产生机理进行介绍,基于此机理研究了一种新型磨损区域静电传感器,并从安装位置、结构特征及具体零部件与功能等方面对其做出了详细说明。 (2)基于有限元理论技术和磨损区域静电传感器的结构特点,建立单个和阵列式磨损区域静电传感器的有限元模型,以单个带电颗粒作为研究对象对两种不同形式下的静电传感器空间灵敏度特性仿真计算分析。接着分别以滚动轴承的不同故障作为原型建立传感器静电感应数学模型通过仿真分析得出不同轴承故障下的传感器的空间灵敏度特性。通过从以传感器自身和不同故障下的滚动轴承为研究对象建立的静电感应模型仿真得到的单个及多个传感器空间灵敏度特性进行对比验证传感器空间灵敏度特性的规律分布。 (3)通过搭建一种滚动轴承监测实验平台来进行实验验证分析,制作4个大小规格相同的传感器将其装备到实验平台上对不同故障的滚动轴承进行静电监测,验证了磨损区域静电传感器监测系统用于滚动轴承故障监测的可行性及使用多传感器进行静电监测效果的突出性。

关键词： 转向器油封   PTFE改性   机械性能   泵吸率   有限元仿真  

摘要： 随着科技的发展,诸多高端技术的运用使得汽车最大行驶速度越来越大,轴转速越来越快,同时也对密封的可靠性提出了新的要求。转向器油封是汽车转向装置的关键的零部件之一,主要作用是防止转向器内润滑油向外泄漏,防止外部的灰尘、泥沙、粉末等杂质污染物进入机体。它可以保护轴承、齿轮等零部件的正常工作,其质量优劣不仅影响汽车转向系密封性能和使用寿命,更重要的是影响汽车行驶的安全性。所以油封材料本身的性能以及油封结构参数对密封性能起到至关重要的作用。本文通过对比传统油封材料,选取PTFE为基体,并选取石墨（Gr）、玻璃纤维（GF）、碳酸钙（Ca CO3）、纳米金刚石（Nano-Diamond）四种材料作为填充物对其进行改性,研究其材料机械性能以及油封结构参数对密封性能的影响。本文主要研究以下几个方面:（1）本文通过填充不同含量四种材料对纯PTFE进行改性,在低载荷和低填充含量的情况下对其摩擦系数、磨损量、拉伸强度、拉伸模量、压缩强度、压缩模量进行测量分析。干摩擦试验下,石墨在200N和300N载荷下表现出较好的性能,摩擦系数最低分别为0.17和0.16,比纯PTFE降低了11%和18%,磨损量也大程度降低了77%和83%。复合材料在拉伸性能和压缩性能方面也有很大的提升。在玻璃纤维含量为2wt%时就表现出了很好的拉伸性能,含量增加到8wt%时,拉伸强度达到30.2MPa,而纯PTFE却只有24MPa,增大了24%。石墨在压缩模量和压缩强度比其它几种材料表现要好,压缩强度最大为58MPa,模量也达到了1.1GPa,远超纯PTFE材料。不同含量的填充物改性的PTFE复合材会有更好的摩擦性能、力学性能。（2）通过有限元仿真软件ABAQUS对油封三维模型进行仿真分析,研究不同油封结构参数对密封性能的影响。同时通过正交试验的方法,采用三水平四因素的正交表,得到三个不同因素影响下的应力和唇口变形量,确定了较多组合中最优的参数组合,并结合有限元仿真分析得到最大唇口接触应力为1.063MPa,取得所有组合中的最小值。一方面能够保证油封的静态密封性能,另一方面也不会由于应力分散不均和过大导致唇口磨损严重,从而很大程度上保证油封工作的正常运行。（3）通过泵吸效应的原理以及泵吸率计算公式和控制变量的方法,在保证其它参数不变的条件下,改变一个参数研究其对泵吸率的影响。泵吸率随着接触宽度b的增大而减小,当接触宽度b过大时,泵吸率趋向于0。在保证泵吸效应的前提下,泵吸率随着油侧唇角α的增大而增大,随着空气侧唇角β增大而增减小。油膜厚度h和接触载荷F的增大也很大程度上增大了泵吸率。（4）密封系数K是衡量油封密封性能的重要指标。相对槽宽K1、相对槽深K2和螺旋角α与密封能力有着很重要的关系,可以通过优化这三个参数来使得密封能力最优化。使用Matlab软件以及通过控制变量的方法研究相对槽宽K1、相对槽深K2、螺旋角α和密封系数K关系曲线,分析回油槽参数对密封系数的影响曲线,得到不同回油结构参数对密封系数K的影响。通过分析可以得到当相对槽宽K1为0.6,且螺旋角α为0.35,相对槽深K2为3.4时,密封系数K取得最大值为0.5589。

关键词： 微耕机   犁刀   磨损分析   有限元仿真  

摘要： 我国总耕地中丘陵和山区占据了很大部分,这些地区农业经营规模以家庭为主,需要小型机具,这决定了微耕机成为我国农业机械化的重要组成部分。犁刀是微耕机的主要工作部件,犁刀刃部由于高速旋耕诱发的磨损,会严重影响犁刀的使用寿命和微耕机的工作效率,因此,研究微耕机犁刀的磨损问题是农业机械化发展之路上十分实用的课题。本研究在对微耕机犁刀工作过程与磨损形式分析的基础上,使用有限元法对微耕机犁刀切削土壤的工作过程进行动力学仿真,推导出适用于犁刀切削土壤磨损的Archard磨损公式,编写UMESHMOTION子程序对微耕机犁刀磨损形态进行数值分析。主要研究内容和结论如下:(1)结合微耕机田间耕作试验,对微耕机3个大弯刀2个小弯刀的组合式犁刀进行运动和受力分析,犁刀的运动是直线运动和旋转运动的矢量合成,其刀尖的运动轨迹是一条摆线。犁刀耕作时主要受到刀面切土阻力、刀刃上的法向和切向阻力以及刀面切削土壤产生的摩擦力,造成了刀具的磨损,通过金相显微观察犁刀磨损表面微观形貌,确定犁刀的磨损失效是在磨粒磨损、腐蚀磨损和疲劳磨损共同作用下的复合磨损类型。(2)基于微耕机犁刀的运动特点和Druker-Prager土壤本构模型,利用有限元分析软件ABAQUS对微耕机犁刀耕作过程进行显示动力学仿真,分析犁刀切削土壤过程中的土壤的变形情况、犁刀耕作阻力和接触应力变化规律。仿真结果显示犁刀切削土壤受力具有周期性,犁刀在前进速度1km/h、转速425r/min和耕深10cm的耕作条件下犁尖与土壤一次接触时间为0.022s,与土壤接触过程中的平均接触应力为2.522Mpa。(3)对比磨损研究常用的磨损计算公式,选择Archard磨损公式作为犁刀磨损数学模型构建的基础,利用试验数据和仿真数据反推确定磨损率数学模型中的常数K=1.75×10,建立适用于犁刀切削土壤磨损的数学模型。编写仿真软件ABAQUS的数据提取脚本和子程序,对犁刀刀尖进行摩擦磨损数值分析。进行2小时、3.5小时、5小时、6小时磨损数值分析,结果表明最大磨损区域集中在后刀面和犁刀刀尖的交界地带,最大磨损量分别为1.887mm、2.750mm、3.766mm和4.359mm,犁尖磨损量分别为1.061mm、1.857mm、2.653mm、3.184mm。对比微耕机耕作磨损情况,表明在犁刀的同一个磨损阶段内,本研究提出的磨损数值分析方法对犁刀切土的磨损量具有良好的预测效果。

关键词： 射流元件   冲蚀磨损   高能液动潜孔锤   PDC   动态网格   CFD-DPM  

摘要： 高能射流式液动潜孔锤因其钻进效率高、钻进成本低和介质适应性强等优点,在硬岩钻进中有着很好的应用前景。由于只有冲锤一个运动部件,高能射流式液动潜孔锤有着更少的摩擦磨损和更好的结构稳定性。但射流元件内部流速高,在含有固相颗粒的钻井液中冲蚀磨损严重。射流元件是射流式液动潜孔锤的核心部件,控制着冲锤的往复运动。射流元件的冲蚀会导致高能液动潜孔锤的工作性能逐渐下降直至停止工作。因此需要对射流元件的冲蚀进行深入系统研究,在此基础上深入研究抗冲蚀强化措施,以提高其使用寿命和保证潜孔锤在井下长时间高效工作。具体研究内容和研究结论概述如下:(1)基于计算流体动力学(CFD)中的离散相模型(DPM)和动态网格法,建立了高能液动潜孔锤射流元件的冲蚀预测模型。全面考虑了射流元件冲蚀和冲锤运动的耦合作用,分析了潜孔锤工作过程中射流元件的冲蚀特性,并进行了实验验证。通过分析射流元件流场和颗粒运动状态,揭示了射流元件的冲蚀机理。然后,研究了不同工况条件对射流元件冲蚀的影响规律。结果表明:数值模拟与实验结果吻合良好;射流元件中的主要冲蚀区域是劈尖、侧壁、信号道和盖板,且存在冲蚀不对称现象;工作流量、颗粒浓度、颗粒直径和钻井液流变特性对射流元件的周期冲蚀量、冲蚀不对称度和冲蚀速率都有着不同程度的影响。(2)研究了射流元件冲蚀对高能液动潜孔锤工作性能的影响规律,分析了射流元件内速度场以及压力场的变化规律,揭示了各冲蚀位置结构变化对潜孔锤工作性能的影响机理。结果表明:劈尖的冲蚀对潜孔锤工作性能影响最大,随着劈尖冲蚀深度从0增加到0.8 mm,潜孔锤冲击末速度和冲击频率分别下降了11.1%和23.6%;冲蚀深度增加到1 mm,潜孔锤停止工作;劈尖冲蚀不对称性会降低冲击末速度,但对冲击频率影响不大;劈尖的冲蚀不利于驻涡的发展,降低了射流元件的压力恢复和流量恢复。随着侧壁冲蚀深度从0增加到1mm,冲击末速度下降3.7%;冲击频率先增加后下降,并在0.4 mm达到最大值;侧壁冲蚀不对称性会降低冲击频率,但对冲击末速度影响不明显;侧壁的冲蚀增加了主射流的附壁稳定性,导致回程压力恢复上升,但冲程流量恢复下降。信号道的冲蚀对冲击末速度和冲击频率的影响较小,但是会增加射流的切换灵敏性。盖板的冲蚀会持续降低潜孔锤的工作性能,随着盖板的冲蚀深度从0增加到1mm,冲击末速度和冲击频率分别下降了1.8%和4.1%;盖板的冲蚀为主射流向非附壁侧的流动提供了一个额外通道,降低了进入附壁侧输出道的流量。(3)设计了淹没式磨料水射流冲蚀实验装置,研究了四种金刚石粒径分别为2～3、5、10和25μm的聚晶金刚石复合片(PDC)的冲蚀特性,分析了不同冲蚀条件下PDC的冲蚀机理。PDC的冲蚀过程可分为除钴阶段和稳态冲蚀阶段。除钴阶段PDC的质量损失主要是钴的去除导致的;而在稳态冲蚀阶段,PDC的质量损失主要是金刚石颗粒的局部破碎或者整体脱落导致的。PDC的抗冲蚀能力优于硬质合金,当射流速度为100 m/s时,PDC的冲蚀率仅为YG8的1/192～1/43。PDC的冲蚀率随射流速度、冲击角度、冲蚀颗粒尺寸及冲蚀颗粒硬度增加而增加。PDC的抗冲蚀能力与金刚石的粒度有关,在四种晶粒尺寸的PDC中,PDC2～3的抗冲蚀性能最差,其他粒径PDC的抗冲蚀性能随着金刚石晶粒尺寸的增加而降低。大冲击角下PDC的冲蚀机理主要是金刚石颗粒的局部破碎和整体脱落;小冲击角下的冲蚀机理除金刚石的破碎和脱落外,还有冲蚀颗粒的犁耕作用。(4)使用PDC对射流元件进行了抗冲蚀强化,并进行了快速冲蚀实验。结果表明,PDC强化劈尖的冲蚀速率为0.15 mm/h,硬质合金劈尖的冲蚀速率为0.76 mm/h。据此估计,抗冲蚀强化后射流元件的使用寿命可提高5倍以上。使用抗冲蚀射流元件的潜孔锤在2 h快速冲蚀实验后还能正常工作,而使用全硬质合金射流元件的潜孔锤在快速冲蚀1.6 h后便停止了工作。

关键词： PCrNi3MoV钢及其镀层   组织性能   烧蚀磨损性能   使用寿命评估   摩擦磨损机理  

摘要： PCrNi3MoV钢是一种中碳低合金调质钢,主要用于制造要求高强度和韧性的重型零件,该材料经常受热因素、化学因素、机械因素的影响,其结构、形状与尺寸会发生变化,最终引起失效。PCrNi3MoV钢表面经常被镀上一层耐磨耐烧蚀的镀层,以提高他的使用寿命。针对PCrNi3MoV钢及带有镀层的PCrNi3MoV钢的烧蚀磨损试验及性能评估,可以为材料及其镀层的寿命预测提供理论依据,为进一步提高材料及其镀层的使用寿命做铺垫。 本文以无镀层的PCrNi3MoV钢及表面带有单层镀铬、双层镀铬、纳米涂覆镀层的PCrNi3MoV钢为研究对象,采用烧蚀磨损试验与表面表征相结合的方法,对四种试样的烧蚀、磨损及其耦合性能进行研究,主要研究内容包括以下几个方面: （1）用洛氏硬度计对无镀层的PCrNi3MoV钢及表面带有单层镀铬、双层镀铬、纳米涂覆镀层的PCrNi3MoV钢的洛氏硬度进行测量,得到试验材料的洛氏硬度。用场发射扫描电子显微镜对四种试样进行能谱分析,对材料的组织微观形貌进行观察,得到材料的元素种类、含量和材料的组织形貌,为材料的烧蚀磨损性能评估提供依据。 （2）通过摩擦磨损试验对未烧蚀PCrNi3MoV钢及镀层的摩擦磨损性能进行研究。包括摩擦系数、磨痕深度、磨痕宽度、磨损量（磨损体积）、磨损率进行分析研究。通过电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS）对未烧蚀试样的磨痕微观形貌和磨损机理进行分析。 （3）通过烧蚀试验和摩擦磨损试验对烧蚀后PCrNi3MoV钢及镀层的摩擦磨损性能进行研究。包括摩擦系数、磨痕深度、磨痕宽度、磨损量（磨损体积）、磨损率进行分析研究。提出一种基于试验室条件下的使用寿命评估方法,并基于该方法对试样的使用寿命及烧蚀磨损耦合性能进行分析。通过电子显微镜和能谱分析（EDS）对烧蚀后试样的磨痕微观形貌和磨损机理进行分析。