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关键词： ZTA(ZrO2增韧Al2O3)   高锰钢   复合材料   冲击磨料磨损   加工硬化  

摘要： 冲击磨料磨损在挖掘、采矿及加工等领域是一种非常常见的磨损失效形式。高锰钢是一类广泛使用在冲磨料磨损领域的耐磨材料,但是,工程实践效果发现传统高锰钢由于其在使用初期或者低冲击能量条件下,产生的加工硬化作用较低而导致耐磨性能仍有不足。目前,高硬度、高模量的陶瓷/钢铁基耐磨复合材料已经在采矿和加工等领域进行了广泛的使用,并取得了不错的经济效益。其中,由于ZTA（Zr O增韧AlO）陶瓷颗粒具有高硬度、相变增韧和耐高温等各项优异的综合性能而被大量研究和使用。本研究通过重力无压铸渗法制备了工艺简单、性能稳定的大尺寸ZTA陶瓷颗粒增强高锰钢基耐磨复合材料,克服了一直以来毫米级ZTA陶瓷颗粒和高锰钢之间铸渗困难、铸造缺陷多和制备成本高等难题。利用SEM、XRD、纳米压痕、EPMA、EBSD等多种微观表征技术,对复合材料的微观组织及力学性能进行了研究。同时,研究了复合材料在不同冲击功下的冲击磨损性能和高应变速率动态压缩下的力学行为。总之,本研究是依据复合材料在实际生产需求下进行的,对研发和使用新型陶瓷/钢铁基耐磨复合材料具有重要的实际意义。本文得到了如下主要结果:（1）通过铸渗法成功制备了大尺寸ZTAp/高锰钢复合材料,解决了长期以来毫米级ZTAp和高锰钢基体之间铸渗困难、铸造缺陷多等难题。此外,还证明了制备出的复合材料结构完整、无颗粒脱落和未复合等铸造缺陷产生,ZTA颗粒在基体中分布均匀,其体积分数为55.3%。（2）ZTAp/高锰钢复合材料在凝固过程中界面层形成了非晶相（64）。同时,复合材料的微观力学性能表现出:界面层纳米硬度为6 GPa,其稍高于基体,远低于ZTA颗粒,杨氏模量为200 GPa,其明显低于基体和ZTA,界面层可以缓解ZTA颗粒和基体之间产生的不均匀塑性变形。（3）在相同的冲击功下,复合材料和高锰钢基体的体积磨损损失量均随时间的延长而增加。对于不同的冲击功,复合材料的体积磨损损失量随冲击功增大而增加,而基体的体积损失量变化则不明显。当冲击功在2～5 J范围内时,复合材料的相对耐磨性逐渐降低,分别是基体的2.17～0.59倍。此外,复合材料的加工硬化能力均低于基体,同时硬化层的深度随着冲击功的增大而增加。（4）在低冲击功下,复合材料的磨损机制主要以ZTA颗粒内部产生轻微裂纹、基体切削、楔形形成和疲劳剥落为主。在高冲击功时,其磨损机制主要以ZTA颗粒的脱落和基体的犁削为主。（5）在不同应变速率下,随着应变速率的增加,复合材料的屈服强度和压缩强度均随之增加。同时,随着应变速率的不断增大,复合材料的加工硬化现象越明显,应变速率从975s增加到3139s时,其加工硬化率增加了2.7倍以上。此外,复合材料的绝热温升温度随应变速率的增大而逐渐增大,当应变速率从975s升高到3193 s时,温度从322K升高到600K。

关键词： 点云配准   对应点对优化   复杂机械零件   三维非接触精密测量  

摘要： 随着科学技术的不断发展,齿轮、叶片等形状十分复杂的机械零件的应用越来越广泛,这类机械零件的制造工艺十分复杂、成形精度难以控制,其制造精度直接影响了相关机械产品的质量。为了保障机械产品质量,需要对这些复杂机械零件进行高精度多参数的三维测量。相比于传统测量方法,基于机器视觉的三维非接触测量技术具有无损伤、高效率和高精度等优点,已在工业制造质量检测领域广泛应用。其中,点云配准是基于机器视觉进行复杂机械零件三维非接触精密测量的关键环节,其精度和效率直接决定了三维非接触精密测量的精度和效率。为此,本文对点云配准方法进行了研究和改进,主要研究内容如下: 首先机械零件存在结构对称性和局部相似性,导致机械零件点云表面存在较多特征相似的点,在配准过程中会产生较多错误对应点对,使点云配准的精度较低,为了提高点云配准精度,在粗配准阶段,利用曲率特征和FPFH(Fast Point Feature Histogram)特征确定初始对应点集,然后采用RANSAC(Random Sampling Consistency)算法剔除错误对应点对,优化对应关系,提高粗配准精度。在精配准阶段,利用点到平面ICP(Iterative Closest Point)方法增强对错误对应点对的抵抗性,同时添加法向量夹角约束,剔除错误对应点对,提高精配准精度。 其次为了提高机械零件测量中的点云配准效率,在粗配准阶段,首先利用基于重心邻近点的体素滤波器进行下采样预处理并提取ISS(Intrinsic Shape Signatur)关键点以减少点云配准数量,其次在确定对应点对时,首先利用最小曲率差值法获得候选对应点集,然后再计算候选对应点集的FPFH特征,减少FPFH特征的计算时间,提高粗配准效率。在精配准阶段,点到平面ICP点云配准方法可以加快迭代收敛速度,减少配准时间,提高精配准效率。 最后通过实验与对比分析验证了本文提出配准方法的合理性和优越性。以常见机械零件叶片、车门把手、汽车前围板和安全锤以及利用Intel Real Sense D435i深度相机采集的航空发动机涡轮叶片为实验对象,将本文提出的配准方法与其他3种配准方法进行实验验证与对比分析,结果表明,本文提出的方法具有更高的配准效率和配准精度。

关键词： 铅铋离心泵   水力损失   压力脉动   旋涡特性   磨损  

摘要： 铅铋离心泵为次临界反应堆中唯一的能动设备,对整个次临界反应堆系统的安全运行尤为重要。次临界反应堆冷却剂以液态铅铋合金（LBE）介质为主,但由于当前基于液态LBE介质下的泵类机械设计理论的缺乏,导致铅铋离心泵在设计中仍以常温清水介质设计理论为主,这必然与在应用介质为液态LBE介质时存在一些差异。同时,由于液态LBE介质高密度的特性,铅铋离心泵在输送液态LBE介质时必然会受到较为严重的磨损,不仅会影响到铅铋离心泵的水力性能,严重时还会危害到整个次临界系统的安全运行。因此,为了帮助形成液态LBE介质下的铅铋离心泵设计理论,助力我国核电事业的高速发展,本文针对常温清水介质和液态LBE介质下的铅铋离心泵内部流动特性进行了对比分析,并且对液态LBE介质下的铅铋离心泵的磨损特性进行了研究,具体工作和研究结论如下:（1）考虑到液态LBE介质密度和粘性较大的特殊性以及铅铋离心泵运行的安全性,将铅铋离心泵设计为导叶式离心泵。然后对铅铋离心泵进行数值模拟的前处理操作,主要包括计算域三维建模、网格划分、边界条件设置、湍流模型的选取等。在此基础上,对两种介质下铅铋离心泵的数值计算结果进行对比分析。（2）对常温清水介质和液态LBE介质下铅铋离心泵的内流特性进行对比分析。结果表明:液态LBE介质下铅铋离心泵的扬程和效率均高于常温清水介质,在设计流量工况（1.0Qd）下,两者扬程相差0.32m,效率相差2.09%。此外,相较于液态LBE介质,常温清水介质下的铅铋离心泵内的总体水力损失和湍动能较高,叶片压力载荷较小,流场结构略差,这是常温清水介质下铅铋离心泵水力性能较差的原因。从熵产角度来看,两种介质对应的高熵产率集中位置基本一致,说明两种介质的差异不会改变铅铋离心泵能量损失发生的位置。三种流量工况中,两种介质下的流场结构均在小流量工况下最为混乱,水力损失和熵产耗散最大,叶片压力载荷最小,设计流量工况和大流量工况下较好。（3）对常温清水介质和液态LBE介质下的铅铋离心泵内部压力脉动及旋涡特性进行对比分析。结果表明:叶轮内,相较于常温清水介质,液态LBE介质下的压力脉动幅度和主频振幅更小,而导叶内两种介质下的压力脉动幅度和主频振幅基本一致。随着流量的增加,压力脉动幅度和主频振幅均逐渐减小,两种介质间的压力脉动时域特性差别也更小。此外,液态LBE介质下的轴向力和径向力远大于常温清水介质,其中液态LBE介质下的轴向力约为常温清水介质下的4-4.5倍、径向力约为10倍。铅铋离心泵的轴向力和径向力均在小流量工况下脉动幅度最大,大流量工况下最小。从两种介质下的涡结构和演变过程来看,常温清水介质和液态LBE介质下的涡结构和演变过程基本相同。小流量工况下的涡结构数量最多,设计流量工况和大流量工况下的涡结构较为相似,并且数量较少。对于叶轮内的涡结构而言,演变过程基本都是涡结构的数量由少变多再减少再增多、尺度由大变小再变大再变小、旋转效应由弱变强再变弱再变强的重复过程,并且相隔1/2旋转周期的涡结构具有相似性,而导叶内的涡结构在一个旋转周期内基本一致。（4）对液态LBE介质下的铅铋离心泵磨损特性进行研究。结果表明:小流量工况下的壁面切应力最大,设计流量和大流量工况下较小。三种流量工况下,叶轮前后盖板的壁面切应力最大,其次是叶轮叶片和导叶片,压出室壁面切应力远小于其他过流部件。对于叶轮而言,叶片进出口位置以及前后盖板靠近出口位置容易发生磨损,并且小流量工况下叶片工作面磨损程度比叶片背面严重,而设计流量和大流量工况下正好相反。对于导叶而言,导叶片工作面是磨损破坏发生的主要部位,特别是导叶片工作面进口到出口的前半段,导叶片背面整体上的磨损面积较小,主要集中在导叶片背面进口附近。同时发现,铅铋离心泵内旋涡强度大的位置处的壁面切应力更大,这会造成较为严重的磨损,因此在铅铋离心泵减磨设计中需要考虑这一点。

关键词： CuMg0.4合金   微动磨损   腐蚀浓度   电流强度  

摘要： 微动磨损现象广泛存在于工程应用中相互接触的机械部件之处,造成机械部件的磨损失效。在高速铁路日常运行过程中,接触网吊弦作为牵引电流载体的同时承载着多方位的振动载荷,且由于露天环境下复杂的服役环境,大气腐蚀会导致吊弦表面腐蚀氧化,微动磨损及表面的腐蚀氧化会造成吊弦失效断裂,极大地影响行车安全。因此,探究接触网吊弦材料CuMg0.4合金在不同腐蚀、载流工况下的微动磨损行为,对接触网吊弦在复杂工况下的抗磨损设计有着十分重要的数据支撑和理论指导。 本文以不同浓度（NH4）2SO4溶液均匀腐蚀全浸试验之后的CuMg0.4合金为研究对象,采用圆柱/圆柱线接触方式,在接触角α=30°条件下,开展不同工况下的切向微动磨损试验。结合扫描电子显微镜（SEM）、电子能谱仪（EDS）、电子探针显微分析仪（EPMA）以及白光干涉仪（WLI）的表征结果,探究了不同腐蚀浓度和不同电流强度下CuMg0.4合金的微动磨损机理。获得的主要结论如下: （1）CuMg0.4合金经过0.10 mol/L（NH4）2SO4溶液均匀腐蚀全浸试验后,在不同法向载荷和不同位移幅值条件下,切向微动随着法向载荷的降低或位移幅值的增加依次运行于部分滑移区、混合区和滑移区。部分滑移区磨损机制主要为粘着磨损、氧化磨损,混合区和滑移区磨损机制主要为磨粒磨损、疲劳磨损和氧化磨损,腐蚀产物磨屑在磨损过程中充分起到第三体减磨作用,有效延缓裂纹的萌生和扩展,减轻微动损伤。 （2）随着微动磨损的进行,腐蚀后CuMg0.4合金的接触表面损伤演变整体经历了二体作用阶段、三体接触阶段、磨屑演化阶段和稳定阶段四个阶段,摩擦系数随着循环次数的增加逐渐上升、下降、再次缓慢上升直至趋于稳定阶段。 （3）当其他参数保持不变时,随着腐蚀浓度的增加,CuMg0.4合金表面腐蚀产物增多,腐蚀产物理化性能有别于金属基体,更容易磨损。接触状态有从粘着向微滑转变的趋势,运行工况逐渐从部分滑移区向混合区、滑移区转变。但由于腐蚀产物磨屑充分起到了第三体减磨作用,在一定范围内,表面损伤程度随着腐蚀浓度的增加逐渐减轻。 （4）当其他参数保持不变时,随着电流强度的增加,接触表面容易发生电弧烧蚀,加速磨屑疏松脱落,接触面摩擦力增大,接触面相对运动有从微滑向粘着转变的趋势,运行工况逐渐从滑移区向混合区、部分滑移区转变,在大的位移幅值条件下,电流强度对表面微动损伤的作用减弱。

关键词： 参数拟合   盘式制动器   磨损   监测   疲劳  

摘要： 常规的制动器疲劳磨损监测方法多数采用卡尔曼算法定位其疲劳磨损目标位置，定位精度较低，无法为监测工作提供有力的数据支持，严重影响了疲劳磨损深度监测结果的精度，监测结果与实际测定结果偏差较大。本文针对这一问题，引入参数拟合算法，以盘式制动器为例，提出了一种全新的疲劳磨损监测方法。首先，基于连续小波变换方法原理，对盘式制动器运行状态信号进行预处理。其次，引入参数拟合算法，将其与一维定位算法融合，定位制动器疲劳磨损目标位置。在此基础上，在制动器相关联位置上，布设测温点与温度传感器，根据摩擦界面处温度变化，反映制动器疲劳磨损状况的动态变化，实现疲劳磨损监测目标。实验结果分析可知，新的方法应用后，疲劳磨损监测结果与实际测定结果更加接近，拟合度更高，监测结果误差较小。将本文设计方法应用于工业生产中，能促进工业安全生产和汽车行业领域的可持续发展。

关键词： 风力机   数值模拟   冲蚀模型   聚氨酯涂层  

摘要： 随着风电的迅速发展,在风力机的运行过程中,由于风沙环境等自然因素的影响,风力机叶片表面的涂层会受风沙冲蚀,从而导致涂层剥落、基材暴露,降低风力机运行效率,甚至导致停机。目前关于风力机叶片涂层的冲蚀预测模型的研究较少,暂无准确的预测模型,故本文基于风沙风洞中真实风力机叶片平板试样的冲蚀磨损实验数据,结合Fluent中的通用冲蚀模型形式进行最小二乘法拟合,得到改进的冲蚀模型,进行平板试样的数值模拟对比验证,并将该模型应用于S809翼型和NREL Phase VI两叶片风力机,探究改进冲蚀模型下的冲蚀特性,主要研究工作如下所示:首先为了验证改进冲蚀模型的可靠性,对试验平板进行冲蚀计算,得到如下结论:在不同冲蚀条件的工况对比下,不同冲击速度、不同颗粒直径和不同冲击角度下的最大冲蚀率偏差都小于20%,说明了改进冲蚀模型的可靠性。并且对于改进的冲蚀模型,随着冲击速度的增大,无论单颗粒还是多颗粒的冲蚀率呈指数(n=1.765)形式增大;随着冲击角度的增大,单颗粒冲蚀率在15～20°时达到最大,而多颗粒冲蚀率在30°左右达到最大;随着颗粒直径的增大,单颗粒冲蚀率呈指数型逐渐增大,而多颗粒冲蚀率在颗粒直径增大200μm范围后缓慢增长。其次将改进冲蚀模型应用于S809翼型进行冲蚀计算和分析,得到如下结论:S809翼型为非对称翼型,总冲蚀率在大攻角情况下,正攻角冲蚀率大于负攻角;在小攻角情况下,正攻角冲蚀率小于负攻角,但小于0°攻角。在正负攻角下也出现了不同冲蚀特性,在15°攻角下,冲蚀率最小值出现在前缘附近,而在-15°攻角下,冲蚀率最小值出现在尾缘附近;在20°攻角下,冲蚀率最大值出现在压力面的尾缘附近,而在-20°攻角下,冲蚀率最大值出现在吸力面中间部分。随着颗粒直径的增大,在颗粒直径小于200μm时,由于流体对颗粒的携带作用增强,颗粒直径的增大导致冲蚀率迅速增大,在颗粒直径增大到200μm附近,颗粒碰撞到翼型表面的位置基本不变,导致冲蚀率缓慢增长,且颗粒直径的变化并不会引起翼型表面最大最小冲蚀位置发生较大的变化。最后将改进冲蚀模型应用于NREL Phase VI两叶片风力机,并结合S809翼型的冲蚀结果进行冲蚀计算和分析,得到如下结论:叶片冲蚀范围主要集中于叶片压力面和前缘,同时吸力面靠近前缘和尾缘点附近存在小范围的冲蚀,且越靠近叶尖的翼型截面的冲蚀程度越大,在r/R=0.5时,冲蚀最为严重;随着叶尖速比的增大,整个压力面的受冲蚀区域减少,而吸力面靠近前缘处冲蚀范围增大。随着颗粒直径的增大,叶片表面冲蚀程度增大,尤其集中在叶片前缘部位;沿叶片轴向方向,从叶根到叶尖,冲蚀率逐渐增大。