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关键词： 缸套   摩擦磨损   滑油稀释   加速退化试验   寿命预测  

摘要： 近年来,随着柴油机逐渐向高强化、高功率密度方向发展,作为柴油机关键零部件的活塞环-缸套工作环境愈加苛刻;与此同时,随着各种先进燃油喷射技术不断深化,以及喷射压力的提高、喷油正时提前、延后等燃油喷射策略的运用,滑油稀释现象逐渐引发关注。滑油稀释是指部分未参与燃烧的燃油及不完全燃烧产生的废气沿缸壁混入油底壳,从而导致润滑油被稀释的现象,这一现象会恶化缸套润滑环境,进而影响其摩擦学性能。因此,有必要对不同因素条件影响下的活塞环-气缸套摩擦学性能进行研究,并基于滑油稀释现象进行缸套可靠性分析及磨损寿命预测。本文采用磨损形式-条件一致模拟试验方法,以往复摩擦磨损试验机为平台,以柴油机活塞环-缸套截取件为样件,提取摩擦系数、磨损量、磨损表面形貌作为表征参数,探究不同转速和负载下,以及润滑油中混入不同比例的燃油对活塞环-缸套摩擦学性能的影响。试验结果表明:润滑油中混入少量燃油会降低滑油的减摩抗磨性能,且混入燃油越多,这种不利影响越显著,且缸套的摩擦系数与磨损量均随工作载荷的增大而增大,随转速的增大而减小。因此发动机在低载高速及低滑油稀释率的条件下,有利于降低活塞环-缸套间的摩擦磨损。为避免传统寿命试验耗时长、工作量大、成本高的问题,本文采用加速退化试验进行缸套可靠性评估及磨损寿命预测。加速退化试验的核心是建立合理准确的加速退化模型,本文基于缸套失效形式及磨损机理建立了基于Gamma随机过程和多项式加速方程的缸套加速退化模型,并结合磨损量退化数据和缸套失效阈值得到不同滑油稀释率下缸套磨损寿命特征量及可靠性指标。结果表明高稀释率水平下缸套发生失效的过程更迅速,磨损寿命越小,以6%滑油稀释率环境下工作的某型号中速机缸套为例,其平均寿命约为32700小时,90%可靠度寿命约为32400小时,75%可靠度寿命约为32600小时。针对该型号中速机,建议当缸套使用达到32600小时时,重点监测其工作状态,避免发生过度磨损,以确保发动机正常运转。最后,本文使用AD检验和t-test法进行参数正态分布的拟合优度检验和参数一致性检验,验证缸套加速退化模型的合理性;使用面积比法验证加速应力外推得到的寿命预测值与试验标准值的一致性,从而验证基于加速退化试验的缸套寿命预测结果的有效性。

摘要： 2022年11月10日，欧盟委员会公布了“欧洲第七阶段排放标准（欧7）”的提案，根据提案内容，欧7排放标准最早将于2025年开始对部分车型实施。新提案进一步加强了对非尾气颗粒物排放的管控，首次加入了轮胎磨损测试规程及限值要求，这一举措有利于进一步改善空气质量，同时也对轮胎厂商提出了更高的要求。

关键词： 吉牛水电站   冲击式水轮机   沙水流动   泥沙磨损   数值模拟   现场测试  

摘要： 水电作为可再生能源的重要组成部分承担着重任。水电站水轮机在含沙河流上运行时,泥沙磨损问题十分严重。泥沙磨损常导致水轮机尤其是高水头冲击式水轮机效率下降,过流部件损坏,检修维护频繁,造成巨大的经济损失。吉牛水电站所处的革什扎河汛期泥石流频发,上游来水富含高硬度泥沙颗粒,五百多米水头高速射流对电站冲击式水轮机冲磨蚀较为严重。本文主要对吉牛水电站冲击式水轮机内部沙水流动进行了数值模拟,并预估和现场测试了关键过流部件泥沙磨损情况,预估结果与实测结果较一致。主要研究成果如下:1.对吉牛电站冲击式水轮机全流域模型进行了气液两相流数值模拟,分析了各时刻射流状态以及射流机构和水斗的压力、速度、水相分布。研究发现,导流板尾部及喷针尖端附近均出现了“速度亏损”现象,沿着流动方向速度亏损逐渐减弱;位于射流域的喷针表面压力具有先下降后上升的特征。2.在气液两相流动的基础上引入泥沙颗粒相,进行了吉牛电站冲击式水轮机三相流非定常计算,分析了关键过流部件内部沙水流动特性和局部泥沙分布。研究发现:泥沙颗粒较为集中地分布于喷针中部和导流板,喷针过渡段有部分泥沙聚集,但喷针尾部泥沙颗粒较为分散,射流域中部分被卷吸的泥沙颗粒分散在射流水柱周围;在扭矩上升及高扭矩阶段,泥沙颗粒趋向于水斗根部运动,随着颗粒撞击水斗产生能量损失,沿撞击位置到出水边出现了明显的速度梯度;泥沙颗粒在导流板尾部区域发生了分离,且观察到明显的“速度亏损”现象,随着流动发展其速度亏损有所减弱。3.采用Generic磨损模型预测了水轮机关键过流部件泥沙磨损,并在现场实测水轮机转轮的泥沙磨损。结果表明:喷针尾部由于泥沙颗粒随水流的离心运动对壁面造成了较为严重的磨损,磨损形态呈“点状”及“片状”;导流板头部及喷针过渡段由于泥沙颗粒的碰撞冲击作用引起了明显的泥沙磨损;喷嘴口环磨损严重,磨损形态呈“片状”,且磨损沿周向分布较均匀;泥沙颗粒更容易对水斗工作面靠近水斗根部尤其是根部出水边造成磨损,分水刃及切口处的磨损大于水斗工作面的磨损。基于吉牛水电站多年水文泥沙资料以及运行情况,预估水轮机运行七年后关键过流部件的最大泥沙磨损量与现场实测较吻合。

关键词： 颗粒碰撞   干燥壁面   带液膜壁面   磨损行为  

摘要： 在现代流化工业中，存在着许多流体携带固体物质的情况，例如通过管道、搅拌罐、流化床系统、离心分离器、泵等液压和气动装置输送固体颗粒。在传输这些固体物质的过程中，存在着大量颗粒与壁面相互碰撞的现象，这种碰撞会导致壁面产生严重磨损，从而影响系统的使用寿命。此外，在这些复杂工况的颗粒碰撞壁面磨损中，往往存在着液体附着于管道壁面上，这些液体会对碰撞磨损造成不同程度的影响，因而探究液膜对碰撞磨损的影响有着重大意义。本文通过对颗粒碰撞干燥壁面(干碰撞)和带液膜壁面(湿碰撞)的磨损行为进行实验研究，研究内容和结论如下:　　(1)设计并搭建了颗粒碰撞壁面磨损实验台，使用高速相机拍摄磨损过程，通过Matlab自编程软件处理图片，获得碰撞速度、角度等参数，超景深显微镜拍摄磨损凹坑并合成三维形貌图，以获取磨损凹坑的具体参数。并对实验进行了验证,五次碰撞中颗粒运动轨迹重合，且磨损凹坑的相关参数在误差范围内，则证明实验准确。　　(2)干碰撞磨损研究中，主要分为垂直碰撞和倾斜碰撞，改变颗粒粒径和壁面硬度来观察二者变化对磨损的影响，而测量的磨损参数则是磨损深度、磨损体积和划痕长度，这些参数是判断磨损量的重要指标。研究证明，碰撞速度和碰撞角度对磨损的影响很大，速度越大，磨损量越大;而磨损体积的最大值出现在碰撞角为80°左右。此外，通过实验结果与理论值对比，验证了基于Hertzian接触理论的磨损模型在大颗粒低速碰撞磨损工况中的准确性。　　(3)湿碰撞磨损在干碰撞磨损的基础上，在铝板上增加一层厚度、黏度不一液膜进行实验，经过与干碰撞磨损结果的比照，来探究液膜对碰撞磨损的影响。研究表明，液膜厚度和黏度的增大均会不同程度地减小磨损量，在磨损参数的变化过程中，存在一个转折区，该区域内磨损参数的变化速率发生突变。此外，还得出液膜影响系数的变化规律，总结出了一种湿碰撞磨损模型。

关键词： 叶片   砂带磨削   堆积磨料砂带   磨损识别   形貌参数  

摘要： 砂带磨削因其冷态柔性的特点而广泛用于弱刚性叶片等高性能复杂曲面零件的精密加工,但其磨损作为贯穿整个加工过程并本质影响加工性能与质量的变量,又面临着无法进行砂带修整且缺乏有效工程化监测技术的困境,导致其成为了限制砂带磨削技术水平提升的瓶颈问题。其中磨损监测的振动、声音、力等间接测量信号在不同磨削工艺参数下波动剧烈、波形复杂、变化无规律且噪声干扰大,且后续信号处理方法大多基于深度学习分类模型将磨损状态划分为少数几个阶段,导致这类间接监测方法工艺参数依耐性强、泛化性能差以及连续磨损区分能力弱;此外,间接信号反映的是砂带整体磨损变化,无法定位到磨粒磨损识别,而单颗磨粒的磨损程度和磨损形式直接决定了砂带材料去除能力和工件表面加工一致性。目前以图像和点云信号为代表的直接监测方法提取的广义特征缺乏磨损形貌表征的可解释性;而面向砂带图像磨粒分割的传统阈值分割方法对磨粒边界识别精度低,分割自适应性弱;此外,由于磨料实际尺寸很小导致形貌测量信号严重受限于设备的测量精度。因此,本文以适用于航发叶片型面和边缘磨削的典型多层结构堆积磨料砂带为对象,研究面向砂带服役寿命且无工艺参数依赖性的砂带磨损状态识别与量化表征问题,实现随机差异化和多形式砂带磨损识别及其在典型工况下磨削性能的定量评价,为后续砂带磨损实时在线监测与砂带自动更换技术的研发奠定方法基础。主要内容如下:(1)建立砂带磨削系统橡胶轮接触变形区域非线性力学状态方程以及基于几何形状的单颗磨粒材料去除模型;开展四种类型砂带全寿命周期磨损实验,分析服役期内磨粒磨耗、脱落、断裂、拔起及黏附等多形式磨损及其形成机理;探究不同类型砂带材料去除和加工质量的变化规律,基于磨粒参数包括磨粒材质、结构以及粒度对比不同类型砂带之间加工性能差异;选取适用于保证叶片型面加工表面一致性和边缘加工廓形精度的砂带并为其磨损状态识别提供磨损机理研究基础。(2)揭示全寿命周期空心球多层堆积结构磨料砂带磨损空间结构特点、形貌演变规律及磨削性能优势;采用结构光立体视觉测量平台扫描重构砂带表面三维形貌,针对空心球磨粒形态及其分布差异化且整体磨损形貌演变过程复杂的问题,提取具有磨损周期历程单调性和磨削加工性能关联性的三维形貌特征参数,精准量化磨粒随机差异化砂带的连续磨损;建立砂带形貌参数与磨削性能参数空间复合数值映射关系,采用形貌参数综合量化评价砂带磨削性能。(3)采集变工艺参数下金字塔砂带全生命周期磨损形貌图像并标注磨粒磨损区域和底部区域制作数据集;建立基于U-Net网络多尺度图像特征融合和磨粒磨损边界精细恢复的胞体实例分割自适应模型;提取有效磨粒尺寸、形状和像素等二维形貌特征参数自适应精准表征和量化磨粒连续、非均、脱落和粘附等多形式磨损;根据砂带磨损形貌参数和磨削性能参数变化规律建立面向变工艺参数工况的高鲁棒性砂带绝对服役寿命准则。

关键词： TC4钛合金   搅拌摩擦焊   涂层   搅拌头磨损   磨损机理  

摘要： 钛合金因其优异的性能成为高端领域结构件首选材料,为实现复杂结构件间的连接,搅拌摩擦焊(FSW)被认为是最佳的焊接方式之一。由于钛合金高强度、高熔点等特性,搅拌头在焊接过程中磨损严重,搅拌头材料需具备足够的强度和耐磨性,而在搅拌头上沉积耐磨涂层可有效提高其表面性能,因此,了解搅拌头的磨损机理和选择合适的耐磨涂层对减少搅拌头的磨损至关重要。基于此,本文以DZ22搅拌头为研究对象,研究了工艺参数、焊接长度、涂层类型对接头成形和力学性能的影响规律。通过Abaqus软件模拟不同转速、搅拌针直径、搅拌针长度下温度场变化,为研究搅拌头磨损机理提供温度数据。通过分析不同转速、焊接长度、涂层类型下搅拌头的磨损规律,揭示了搅拌头的磨损机理。主要结论如下:热输入是影响焊缝质量的主要原因。当焊接参数为200/rpm、90mm/min时,使用无涂层搅拌头焊接时接头质量优异、抗拉强度达到母材的96.84%,当焊接600mm后由于搅拌头磨损,焊缝内部出现隧道型缺陷,抗拉强度为母材的87.60%;使用Al Cr N基涂层搅拌头焊接800mm后,仍可保证接头的焊接质量且抗拉强度达到母材的95.32%。搅拌头表面沉积涂层可提高焊接长度、减少焊缝污染。在相同焊接参数下,随着焊接长度增加搅拌头表面状态发生变化,致使搅拌头磨损率增加,在焊接600mm后,搅拌针长度和轴肩深度分别缩短:0.3mm、0.41mm,磨损率分别为:1.21%、1.74%,搅拌头磨损严重已无法使用。在相同的焊接参数下,随着转速增加热输入增大致使磨损率随之增大。相较于无涂层搅拌头,在增加200mm焊接长度后,Al Cr N基涂层搅拌头的搅拌针和轴肩磨损率分别减少:50.41%、22.41%。轴肩的磨损率高于搅拌针。在一定范围内,当搅拌针直径减少后,焊缝中的峰值温度将增大;当搅拌针长度缩短后,焊缝中的峰值温度将减小。无涂层搅拌头的磨损机理是硬质颗粒的磨粒磨损,钛合金“粘结-剥落-撕裂”的粘结磨损,同时伴随机械磨损、扩散磨损、氧化磨损的交互作用。当热输入量不足时,以磨粒磨损为主,粘结磨损为辅;当热输入量足够时,以粘结磨损为主,磨粒磨损为辅。涂层搅拌头的磨损机理主要分为“打断-撕裂”两个阶段,硬质颗粒将连续涂层打断为断续状,在打断处发生粘结磨损,随后表面粘结又将涂层撕裂剥落。

关键词： 刀具磨损监测模型   多核相关向量机   多核高斯过程回归   铣削多目标监测模型   多核高斯过程自回归  

摘要： 随着智能制造技术的不断发展,机器学习技术在推动工业领域智能化和高效化方面发挥着越来越重要的作用。在机器学习技术中,数据的特征表示和模型的选择至关重要,尤其是在切削加工质量监测领域,其数据特征呈现出高度复杂的非线性结构,导致传统的线性分类器和回归模型面临着严峻挑战,难以满足处理这类复杂问题的需求。核函数主要用于解决非线性数据的高维映射,从而实现复杂非线性问题的线性可分,在解决高维特征空间运算复杂非线性运算方面起到了重要的作用,为监测切削加工质量提供了研究方向和应用方法。本文针对切削加工过程中的切削质量监测问题,提出了一系列高度准确的监测模型和优化方法。探讨了多核函数构造的基础理论,包括核函数定义、高维映射原理、Mercer理论、常用核函数类型以及Gram矩阵等关键因素;基于对多核函数构造关键因素的分析,提出了两种多核函数的构造方法,分别为加权多核函数算法和统一加权多核函数算法,并对其进行了优化和对比分析;开展了车、铣削加工实验及数据采集工作,开发了一系列具有较高准确性和稳定性的刀具磨损监测系统,主要研究成果如下:(1)构建了加权多核函数算法,建立了一种结合积分径向基函数的概率核主成分分析方法和加权多核相关向量机的车刀磨损监测模型。利用麻雀搜索算法优化核权重及超参数,建立基于相关向量机的车刀磨损监测模型,车削实验结果表明,相比标准单核(如高斯核、多项式核、二次核、指数核和拉普拉斯核),基于加权多核函数建立的车刀磨损监测模型具有更高的收敛精度及预测精度。建立了基于积分径向基核函数的概率核主成分分析方法,丰富了切削信号特征的噪声信息,提高了加权多核相关向量机预测结果95%置信区间有效性,增强了车刀磨损监测模型对噪声信息模拟的可靠性。(2)提出统一加权多核函数算法,构建了一种结合多层堆叠去噪自动编码器和统一加权多核高斯过程回归的车刀磨损监测模型,同时引入自适应矩估计算法优化统一加权多核函数的多核超参数,分析了去噪自动编码器激活函数和层数对车刀磨损监测模型性能的影响。车削实验结果表明,相比标准单核(如高斯核、Matern52核、周期核和幂指数核),统一加权多核高斯过程回归模型的车刀磨损预测结果在四种评价指标下均表现出显著优势,具有最小均方根误差、平均绝对误差、均方误差及最大皮尔逊相关系数,其值分别为9.8629×10-3、7.5217×10-3、9.7300×10-5及0.9960。且经多层堆叠去噪自动编码器优化后的统一加权多核高斯过程回归模型,其车刀磨损预测值的平均绝对误差、均方根误差、均方误差及皮尔逊相关系数值最高分别提高28.31%、25.75%,44.90%及0.180%。(3)根据两种多核函数构建的刀具磨损监测模型,构建了基于统一加权多核高斯过程自回归的铣削多目标监测模型,用于实时监测铣刀磨损和加工表面粗糙度。铣削实验结果表明,相比传统多目标预测模型(如随机森林、梯度提升、支持向量回归和K最近邻算法),提出的铣削多目标监测模型预测结果更准确,其综合均方误差、平均绝对误差、均方根误差、皮尔逊相关系数和斯皮尔曼相关系数分别为1.5840×10-4、0.8767×10-2、1.2442×10-2、0.9883及0.9818。针对铣削多目标监测模型预测结果置信区间一致性较差的问题,提出一种两阶段特征融合技术(主成分分析+局部领域保持投影)融合铣削信号特征,有效地改善了预测结果精度及其置信区间的一致性。在雅可比矩阵融合特征下,预测结果的综合均方误差、均方根误差、平均绝对误差、皮尔逊相关系数和斯皮尔曼相关系数分别提高15.75%、8.21%、4.82%、0.07%及0.24%,其置信区间的CI＿width＿D和CI＿var＿D降幅则分别为34.00%和41.75%。