课程文献中心 更多>>

关键词： 离心式渣浆泵   固液两相流   计算流体力学   数字高程模型   U型串联弯管   磨损特性  

摘要： 深海资源的勘探采集使得离心式渣浆泵以及管路成为主要的固液两相流输送系统。由于输送介质中含有沙石、矿石等颗粒物，往往出现颗粒与管壁以及泵内过流部件之间相互摩擦撞击，从而导致其材料脱落、变薄磨穿、缩短预期使用寿命、影响运输的连续性甚至产生安全隐患。因此研究颗粒对于管壁以及渣浆泵内过流部件的磨损特性、预测磨损部位、磨损率具有重要的意义。本文基于C++语言建立固液两相流CFD-DEM（ComputationalFluidDynamics-DiscreteElementMethod）全耦合模型，并通过EDEM二次开发编入E/CRC磨损模型，展开U型串联弯管以及渣浆泵在不同几何参数、输送工况、颗粒物性参数下的磨损特性研究，揭示颗粒-壁面间磨损特性为提高管路以及渣浆泵叶轮抗磨性提供理论指导。研究内容以及结论如下：　　（1）基于C++语言建立全耦合CFD-DEM数值模型，采用更加适合固液两相流模拟的Loth升力并考虑颗粒所受的压力梯度力以及虚拟质量力，编入离散随机游走模型以考虑湍流脉动速度对颗粒运动的随机作用等。EDEM中通过二次开发编入E/CRC磨损模型，并参考相关文献中的实验验证CFD-DEM数值模型以及磨损模型的准确性。　　（2）建立U型串联弯管、100SHL4147型离心式渣浆泵以及非球形颗粒模型，确立串联弯管、渣浆泵数值模拟方案并对其进行内流分析。结果表明U型串联弯管内的两弯头区域流速分布不均。此外弯头一内的二次流会随着主流继续发展，进行固液两相流输送时会将部分颗粒从弯头内侧卷吸至外侧，增加了颗粒与弯头二之间的碰撞以及磨损。渣浆泵内颗粒的存在改变了流体的运动轨迹，对流体起到整流作用，消除了叶轮流道在清水工况下的部分涡，降低了流道内整体的湍动能。　　（3）研究U型串联弯管在不同几何参数、输送工况以及颗粒物性参数下对管壁磨损的影响。结果表明，间距的增加不会对弯头一的碰撞、磨损产生影响，但降低了弯头二的碰撞、磨损。此外，弯径比的增加有利于降低两弯头的磨损率，因此工程实践中适当增加弯头间距以及使用长径弯头有助于降低弯头磨损;随着颗粒流速，体积浓度的增大，促使颗粒间、颗粒壁面间频繁交互，加剧了两弯头的磨损。但磨损增长率随着体积浓度的增大而先增后减，且弯头二减幅更大，更早形成“护盾效应”;粒径越大，颗粒惯性力越大，越容易对弯头一造成严重磨损，但颗粒数的减少，减缓了磨损的增加。同时，1.5mm为弯头二临界粒径，低于此粒径，磨损率随粒径增加而增加，高于此粒径，磨损率随粒径增加而下降;非球形颗粒由于较长的相邻冲击点距离以及较好的随流性，更容易受到弯头处二次流影响，降低了对外壁面的碰撞频率。但较小的接触面积，增大了外壁面磨损。　　（4）研究100SHL4147型离心式渣浆泵在不同输送工况、颗粒物性参数下对泵内过流部件磨损的影响，揭示颗粒-壁面间磨损特性。结果表明，各模拟工况下，颗粒更容易对叶片压力侧造成磨损。主要的磨损区域有：叶片前缘至压力面的1/3、部分工况下的叶片压力面的1/3至2/3、前盖板和后盖板与叶片压力面交界处、蜗壳壁面中段至后盖板侧区域以及隔舌处。其中，由于大量颗粒的碰撞使得叶片前缘所受磨损最大。流量以及体积浓度的增大，增大了各过流部件的磨损;蜗壳以及叶片的碰撞、磨损增长率与体积浓度呈非线性关系，随浓度的增加而先增后减，且蜗壳先于叶轮出现降幅，表明蜗壳处的“护盾效应”先于叶片处形成;小粒径颗粒由于较好的随流性，越容易贴压力面运动，压力面1/3至2/3区域磨损出现小幅度次高峰。此处0.4mm并非临界粒径;非球形颗粒由于较好的随流性以及较多的尖锐棱角，使其更加贴合叶片压力面流动，且对所有过流部件造成的碰撞以及磨损均高于球形。此外，并非球形度越低的颗粒对于壁面造成的磨损越大。　　（5）通过更改叶片设计参数，研究过流部件的磨损特性，为提高叶轮抗磨性提供理论指导。结果表明，增大包角使得叶片对于流体的约束力增强，改善流道内的漩涡以及脱流，且碰撞频率、角度以及速度的减小有助于减小叶轮以及蜗壳整体的磨损率，但其长度以及弯曲程度的增大降低了叶片出口处颗粒速度，削弱泵的输送能力;叶片前缘沿后盖板朝着叶轮进口方向延伸有助于提升泵输送能力，前盖板磨损降低，后盖板以及蜗壳整体磨损随之增大。此外，进口处聚团现象的减少以及碰撞角度的减小，叶轮前缘至压力面1/3区域碰撞频率、磨损率下降，但会导致压力面1/3至尾缘区域碰撞频率以及磨损率的增大。然而略微延伸，该区域增幅小于降幅，叶片压力面总体磨损降低，过度延伸该区域增幅大于降幅，叶片压力面总体磨损增加。

关键词： 随机共振   信噪比   时延反馈   轴承故障诊断   自适应粒子群算法  

摘要： 随机共振是由噪声、弱周期信号和非线性环境相互作用引起的现象.它不仅改变了噪声有害这一刻板印象,还取得了一系列基于随机共振原理的应用成果.随机共振就是由噪声诱导的弱信号放大产生的,它将部分噪声能量转化为信号能量,达到增强系统输出响应的目的,从而提高了信噪比.通过随机共振处理,微弱信号的幅值、能量等被提高,故障检测的准确性也得到增强.并且随机共振方法不需要进行滤除噪声的操作,有用信号也不会被削弱,具有很高的理论和实际研究价值.本文研究了非线性系统的随机共振现象,并将其用于轴承故障诊断中,对系统的诊断性能进行了评估.主要研究内容如下:1.描述了高斯色噪声激励下的非对称双稳系统,计算出平均首次通过时间和信噪比的表达式,从而分析了各个参数,如噪声强度,非对称系数,信号的幅值和频率等分别对信噪比的影响,以及非对称双稳系统的两个不同方向上的平均首次通过时间与各参数之间关系,对信噪比参数运用自适应粒子群算法进行了优化,运用仿真信号进行模拟分析.2.为了解决传统随机共振的输出性能较低的问题,提出一种欠阻尼分段时延反馈系统(UPTFSR),讨论该系统在轴承故障诊断方面的可行性.在欠阻尼系统方法的基础上构造一个可以独立调整陡度的分段势函数,以此改变双稳态势阱的形状,并引入时延反馈,从而在反馈过程中利用历史信息来增强信号的周期性.通过选择合适的参数,使得噪声,信号与电位达到最优匹配效果,获得更清晰的输出波形以及更高的信噪比.通过仿真和实验,证实了该策略的可靠性.3.为提高信号检测能力,进一步讨论了在多时延反馈以及三稳态条件下模型带来的影响.首先介绍了一种改进的三稳模型和多时延结构,推导了等效势函数和信噪比的表达式.其次,研究了各个参数对系统性能的影响,并对参数进行了优化,使系统性能达到最优水平.在仿真和实验中,与包络分析方法和经典随机共振方法相比,所研究的方法获得了更高的信噪比和更清晰的输出波形.结果表明,该方法在提取轴承故障特征方面具有一定的优势.

关键词： H13模具钢   表面强化处理   耐磨性能   高温摩擦磨损   磨损机理  

摘要： 热锻模具是现代制造业生产中的一种重要加工工具,在航空航天、汽车、机械等行业均有重要的地位。热锻模具在高温高载荷的条件下工作,期间持续受到急冷急热、加载卸载和摩擦等因素的作用,使模具发生高温磨损失效,造成生产中断及产品质量低下等问题。在热锻过程中,模具的失效形式往往从表面开始,目前主要通过机械表面处理、渗氮、渗碳、PVD、CVD等手段来强化模具表面,其中机械表面处理中的喷砂和抛丸具有加工成本低、处理周期短以及能使模具表面得到强化的优点,受到热锻行业的广泛关注。本文以热锻模最常用的H13钢为研究对象,通过抛丸机和喷砂机分别对H13钢表面进行机械处理并喷涂石墨润滑剂,采用洛氏硬度测量仪和三维共聚焦表面轮廓仪,研究抛丸和喷砂处理对H13钢的表面硬度和粗糙度的影响;采用X射线残余应力分析仪,研究抛丸和喷砂处理H13钢试样表面残余应力场的分布规律;通过高温摩擦磨损试验机对未处理、抛丸处理和喷砂处理的H13钢进行高温磨损实验,研究420℃、520℃和620℃三个温度下H13钢的高温摩擦系数、磨损体积和磨损率的变化规律;通过三维共聚焦表面轮廓仪表征H13钢的磨痕三维形貌;采用SEM、EDS微观分析方法,研究不同温度下未处理、抛丸处理和喷砂处理H13钢的磨损行为和磨痕截面氧化物层的变化规律。本文得到的研究结果和结论如下:(1)研究抛丸处理和喷砂处理对H13钢表面硬度和粗糙度的影响。未处理的H13钢平均表面硬度最低,为HRC 46.2,抛丸处理的H13钢平均表面硬度最高,为HRC 48.2,喷砂处理的H13钢平均表面硬度为HRC 47.1。未处理表面粗糙度为0.920μm,喷砂处理的表面粗糙度为4.096μm。抛丸处理的表面粗糙度为2.950μm。抛丸和喷砂处理的H13钢表面粗糙度Sa和硬度均比未处理高。(2)研究抛丸和喷砂处理对H13钢试样残余压应力的影响。在X方向上,抛丸处理的H13钢残余压应力峰值为713.2 MPa,对应的层深为20μm,喷砂处理的H13钢残余压应力峰值为792.5 MPa,对应的层深为40μm;在Y方向上,抛丸处理的H13钢残余压应力峰值为737.6 MPa,对应的层深为20μm,喷砂处理的H13钢残余压应力峰值为779.5 MPa,对应的层深为40μm。喷砂处理使得表面产生了明显的塑性变形,变形层深度比抛丸处理要深。(3)研究抛丸处理和喷砂处理对H13钢高温下磨损率和摩擦系数的影响。抛丸处理的H13钢磨损率随着温度升高呈逐渐增大趋势。不同表面处理H13钢的平均摩擦系数均增大,抛丸处理和喷砂处理的H13钢摩擦系数在0.3～0.4,未处理表面的摩擦系数在0.25～0.35。(4)研究抛丸处理和喷砂处理对H13钢试样在高温下磨损体积和磨痕深度的影响。随着温度升高,H13钢的磨损体积逐渐增加,最大磨痕深度也随之增加,导致耐磨性能变差。与未处理和抛丸处理相比,喷砂处理的H13钢在420℃～620℃范围内耐磨性能较好。(5)不同表面处理的H13钢在不同温度下磨损机制不同,在420℃下未.处理和抛丸处理的.H13钢的磨损机制为.磨粒磨损和氧化磨损,喷砂处理的表面磨损机制为粘着磨损。在520℃和620℃下三种表面的H13钢磨损机制均为氧化轻微磨损。

关键词： 石墨烯   复合材料   摩擦磨损   铣削仿真   单颗粒切削模拟  

摘要： 石墨烯具有高强度、高弹性模量,同时还是导电、导热性能最好的材料之一,作为增强相对金属基复合材料性能的提升起到显著效果。将石墨烯与铝硅粉末结合,并少量添加Cu、Mg等元素,制备得到石墨烯质量分数0%～0.7%的四组石墨烯/Al-18Si-3Cu-0.5Mg复合材料。通过XRD衍射仪观察发现,石墨烯/Al-18Si-3Cu-0.5Mg复合材料微观组织由铝基体、硬质硅颗粒及金属间化合物MgSi、AlCu组成;金相显微镜显示,四组复合材料中硬质硅颗粒的尺寸在3～10um左右,石墨烯含量为0.5%的复合材料硅颗粒轮廓尺寸最小。对石墨烯/Al-18Si-3Cu-0.5Mg复合材料力学和物理性能进行测试。布氏硬度测量结果显示,石墨烯含量在0%～0.7%的复合材料硬度值由76.5HBW提高到86.14HBW;强度实验结果显示,复合材料的屈服强度和抗拉强度分别由132.77MPa、157.77MPa提高至177.77MPa、252.83MPa;热导率实验结果表明,石墨烯含量为0.5%的复合材料导热性能最优,达到219.44 W/m·K。对石墨烯/Al-18Si-3Cu-0.5Mg复合材料摩擦性能进行测试。摩擦实验结果显示,随着石墨烯含量的增加,复合材料最大摩擦系数由0.992下降至0.365;计算复合材料摩擦实验前后质量发现,复合材料磨损量随石墨烯含量的增加从0.0287g下降至0.0141g;观察摩擦表面磨痕形貌,石墨烯含量为0%的复合材料磨损机理以粘着磨损为主磨粒磨损次之;石墨烯含量为0.5%的复合材料磨痕形貌较规则,划痕笔直且深度较浅,以轻微的磨粒磨损为主粘着磨损次之。复合材料摩擦性能的提升源于石墨烯对基体强度的提高和对硅颗粒尺寸的细化。对石墨烯/Al-18Si-3Cu-0.5Mg复合材料进行切削有限元仿真,建立刀具工件三维模型,对切削层等效简化,选用Johnson-Cook材料本构模型和Ductile Damage切屑分离准则,分析石墨烯含量对切削力的影响。实验结果显示,在相同参数下,实验和仿真切削力曲线变化趋势总体相似;随着石墨烯含量的增加,切削力从167.66N降低至135.45N;当进给量和切削深度增大时,切削力分别由157.03N、135.45N增加至290.1N、472.2N;而随着主轴转速的提高,石墨烯含量为0.5%的复合材料切削力从940N降低至178N。石墨烯的添加细化了复合材料中的晶粒和组织,增强了铝基体界面结合力,改善了复合材料的切削性能。对石墨烯/Al-18Si-3Cu-0.5Mg复合材料进行单颗粒模型切削仿真。结果显示,复合材料产生的切屑主要分为Al基体单独成屑和Al基体与Si颗粒混合成屑两种,当石墨烯含量为0.5%时,易出现基体与Si颗粒混合成屑;Si颗粒的去除方式主要包括Si颗粒在刀具作用下产生断裂和整体随基体脱落两种类型,不含石墨烯的复合材料易发生Si颗粒随基体脱落的情况。

关键词： 氮微合金化   超高锰钢   时效处理   第二相   磨损性能  

摘要： 高锰钢在高应力状态下表现出优异的耐磨性,因此被广泛用作矿山破碎机衬板。然而,在低应力工况下却无法充分发挥加工硬化能力,且初始硬度较低、屈服强度不高,容易导致材料提前发生磨损失效。本文以Fe-0.089N-0.92C-18.6Mn高锰钢为研究对象,对其进行固溶处理1100℃/1h和四个不同时间的时效处理400℃/24h-60h-84h-96h。通过金相（OM）、扫描电镜（SEM）、电子探针（EPMA）、透射电镜（TEM）、布氏硬度、超显微动态硬度、拉伸和冲击韧性测试等表征手段研究了时效时间对氮微合金化高锰钢中Ti、V、Nb碳氮化物第二相析出及力学性能的影响。通过摩擦磨损和冲击磨粒磨损实验,探究不同时效时间高锰钢的耐磨性及其磨损机制,主要研究内容及结果如下:（1）通过SEM、EPMA、TEM的分析结果,发现高锰钢中的微米级析出相主要是复合析出的（Ti,Nb,V）(C,N),纳米级析出相主要是（Nb,V）(C,N)。随着时效时间的增加,纳米级析出相的析出数量和体积分数都逐渐增大,时效96h后析出相发生粗化聚集现象,400℃时效84h后高锰钢基体中亚微米级和纳米级析出相的数量和分布更好。（2）在400℃时效过程中,不同时效时间处理后高锰钢的晶粒平均尺寸均保持在240μm左右。微米级和纳米级析出相的平均尺寸随着时效时间的延长发生了一定的增加,AT24、AT60、AT84、AT96钢微米级析出物的平均尺寸依次为2.87μm、3.35μm、4.19μm、4.49μm,纳米级析出物的平均尺寸依次为77.92 nm、83.20 nm、94.06 nm、99.37 nm。（3）高锰钢的硬度、强度和冲击韧性随时效时间的增加呈现先增大后减小的趋势,在400℃时效84h后达到最佳力学性能,其屈服强度为472 MPa,抗拉强度为820 MPa,布氏硬度为258 HBW,冲击韧性为92 J/cm2,这主要是由于大量（Nb,V）(C,N)粒子沉淀析出,为AT84钢提供了更大的沉淀强化增量。（4）不同时效时间的高锰钢摩擦系数呈现先减小后增大的趋势,AT84钢的摩擦系数最小,磨损表面破坏最轻,耐磨性最佳,随着氮微合金化高锰钢基体中纳米级第二相颗粒（Nb,V）(C,N)数量和尺寸的变化,高锰钢的磨损机制主要由剥落磨损逐渐转变为磨粒磨损。在低（1J）冲击载荷下,试样的磨损表面以犁沟、微切削为主还伴随有塑性变形和凿削坑,磨损机制主要为犁削磨损。当冲击载荷增大之后,高锰钢的表层硬度和加工硬化层深度随之增加,磨损机制主要为微切削磨损。在高（5J）冲击载荷下,钢的表层迅速产生硬而厚的加工硬化层,磨粒难以大范围挤入磨损表面进行犁削,磨损机制主要以塑变疲劳磨损为主,犁削磨损为辅。（5）高锰钢的耐磨性主要与材料的强度、硬度、冲击韧性以及加工硬化能力有关。AT84高锰钢具有更好的析出行为,沉淀强化效应最大,基体中弥散分布的细小第二相颗粒阻碍了位错运动,提高了高锰钢的加工硬化能力,使其在中低冲击载荷下表现出良好的耐磨性。在高冲击载荷下,不同时效时间处理的高锰钢均获得足够的形变驱动力,加工硬化程度达到最大,此时高锰钢的耐磨性主要与其加工硬化效应有关。

关键词： 块式制动器   制动力矩   磨损   失效阈值   Gamma过程  

摘要： 块式制动器是保障乘客电梯安全运行的关键设备,在长期的工作使用中,块式制动器的制动性能会逐渐退化,形成安全隐患,严重时会引起伤亡事故。有必要开展故障预测、剩余寿命评估的研究。为了预防电梯事故,更好地保障电梯乘客生命安全,本文以DZD1-500型块式制动器为研究对象,分析制动力矩性能退化的影响因素,开展块式制动器剩余寿命预测研究。论文的主要研究工作如下:首先,根据块式制动器的结构和工作原理,利用故障树方法分析块式制动器的故障模式,建立块式制动器不同故障模式与性能指标的关联,确认制动力矩为块式制动器的最主要性能指标。分析了制动力矩的形成机制,指出制动力矩不足的主要原因是制动压力的退化,而制动压力退化的原因是闸瓦磨损和制动弹簧刚度系数减小。其次,根据弹簧应力松弛规律推导出弹簧刚度系数退化规律,根据闸瓦摩擦面表面形貌分析得出闸瓦的主要磨损机理为磨粒磨损。考虑到长期工作过程中闸瓦磨损量和制动压力的互相影响,将弹簧刚度系数退化规律与Archard磨损模型相结合,初步分析了闸瓦整体磨损规律。然后,设计试验采集闸瓦磨损和制动弹簧刚度系数退化量数据。对退化量数据进行分布检验,论证了使用Gamma过程描述闸瓦磨损和制动弹簧刚度系数退化过程的合理性。设计制动力矩台架试验,采用等效试验的方法,用改变制动弹簧自由行程的方式改变制动压力,得到不同制动压力对应制动力矩数据。拟合制动力矩和制动压力之间的关系,得到描述制动力矩和制动压力关系的模型。最后,根据某型号电梯参数和相关国家标准计算制动力矩的失效阈值。根据块式制动器的工作原理和制动力矩与制动压力的关系,建立由两个Gamma过程组成的制动力矩复合退化模型。利用构造中间变量的方式,将复合退化模型转化为关于闸瓦磨损量的变失效阈值退化模型,并推导出可靠度计算方法。采用极大似然估计法计算模型相关参数,计算得到了可靠度,开展了块式制动器寿命的预测。

关键词： 医用钛合金   磨损腐蚀   钝化膜   元素溶出  

摘要： 由于钛具有较强的氧亲和力,能够自发地形成致密的钝化膜,因此钛合金具有优异的耐腐蚀性能,常被用作生物医用植入物材料。在服役过程中,磨损腐蚀是其最常见的失效形式之一。并且,体液环境中较低的溶解氧浓度会影响其钝化膜的再生过程,从而影响到钛合金的磨损腐蚀性能以及金属元素的释放浓度。本文采用两种钛合金来进行研究,分别为Ti-6Al-4V及Ti-13Nb-13Zr合金。其中,Ti-6Al-4V是目前应用最为广泛的医用钛合金植入物材料,但是其中的Al、V元素对人体具有一定危害;而Ti-13Nb-13Zr作为第三代医用钛合金,其中的Nb和Zr均对人体无害,也被认为是最有希望替代Ti-6Al-4V的合金。由于目前在低溶氧条件下钛合金钝化膜性质尚不明确。因此,通过控制盐酸溶液中的溶解氧浓度,对不同溶氧条件下钛合金的磨损腐蚀性能以及再生钝化膜的结构展开了研究。主要研究内容及发现如下:(1)采用电化学方法、激光共聚焦、扫描电子显微镜(SEM)、电感耦合等离子体发射光谱分析(ICP-OES)等方法,对不同溶氧条件下钛合金磨损腐蚀性能以及元素溶解量进行分析和监测。研究发现,低溶氧条件下的Ti-6Al-4V合金的原生钝化膜保护性能降低。此外,低溶氧条件下的Al、V溶解量急剧提升。并且在磨损停止后,Al、V仍然大量溶出。(2)由于Ti-6Al-4V在低溶氧条件下再生钝化膜的保护性能不佳,因此采用电子探针显微分析(EPMA)、X射线光电子能谱(XPS)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)等方法研究了再生钝化膜的结构与性能。研究发现,机械磨损使得样品内部产生大量位错,这为金属元素溶出以及外部氧原子向内扩散提供了快速通道,从而导致了内部金属元素溶解以及样品曝氧后内氧化的发生。此外,通过第一性原理计算得到Al、V的加权空位形成能远小于Ti。(3)采用同样的方法对Ti-13Nb-13Zr在不同溶氧条件下的磨损腐蚀性能以及元素溶解量进行分析。研究发现,Ti-13Nb-13Zr合金的耐腐蚀性能在不同溶氧条件下的表现较为优异。但是其耐磨性较差。此外,在磨损腐蚀过程中,合金元素的溶解量较小,并且其再生钝化膜依然具有良好的保护性能。

关键词： 电动变载荷加载系统   加载压力   分数阶PID   粒子群优化   迭代学习控制   分数阶迭代学习控制  

摘要： 摩擦磨损现象普遍存在,随着航空航天、工业生产制造等各大行业不断需求摩擦性能更高的材料,摩擦磨损试验机作为在给定条件下探究材料的强度、弹性等多种摩擦性能指标的有力工具而得到广泛应用。本文以电动变载荷摩擦磨损试验机为研究对象,探究变载荷加载条件下的材料摩擦性能,并针对电动变载荷加载系统的强耦合、非线性化以及多余力干扰等问题,为使其拥有较好的控制效果和动态性能,应用三种控制算法对加载系统进行跟踪控制的仿真与实验研究,具体研究内容如下:首先,给出了电动变载荷摩擦磨损试验机的机械结构及控制系统的软硬件组成,推导出加载过程中摩擦力与摩擦系数的获取公式,针对加载系统工作原理,建立了相应的数学模型。其次,将分数阶PID控制器应用于加载系统中,该控制器较常规PID控制增加了两个参数,其控制范围更广。对控制系统进行了稳定性分析和分数阶算子的近似化处理,用改进惯性权重ω的粒子群优化算法通过迭代寻优的方法获得最佳的控制器参数。然后经过仿真与实验验证了分数阶PID控制器的有效性。然后,考虑到电动变载荷加载系统具有重复运动的性质且存在非线性化、数学模型不精确等因素,设计了迭代学习控制器。其利用系统上一次的控制经验和偏差信息计算自身下一次的控制输入,给出了迭代学习的约束条件和控制流程并对其进行了收敛性分析,通过与PID控制算法的仿真与实验结果对比,验证了迭代学习控制在降低跟踪误差、提高系统跟踪精度方面的优势。最后,为进一步探究电动变载荷加载系统的控制效果,提高控制器的控制性能,考虑到分数阶微积分和迭代学习控制各自不同的优点,设计了一种分数阶迭代学习控制器,并进行了收敛性分析。用改进惯性权重ω的粒子群优化算法对控制器控制参数进行整定,采用不同加载波形进行仿真与实验验证,结果表明控制器具有抗干扰能力强、跟踪误差更小等优点。

关键词： 灯泡贯流式水轮机   两相流   磨损   数值计算  

摘要： 我国具有丰富的水能资源,水电建设在国民经济和社会可持续发展中发挥着举足轻重的作用,灯泡贯流式水轮机是开发低水头水能资源常用设备。水轮机实际运行环境为江河流域内部含有泥沙等固体颗粒,不可避免的会对水轮机内流状态造成影响,对各过流部件造成磨损,进而对机组的安全稳定运行和效率产生影响。研究灯泡贯流式机组内流状态和磨损规律,对提高其性能和确保机组安全、稳定运行起着重要作用。本文研究的主要内容和结论如下:(1)对不同导叶开度的贯流式水轮机进行清水工况下全流道数值计算,计算结果为后续两相流工况对比分析提供基础,并且引入熵产概念对水轮机过流部件能量损失进行分析。(2)基于Particle非均匀相模型,对不同固相直径、浓度、导叶开度下水轮机固液两相流工况进行计算。结果表明,固相高浓度区集中在转轮域和尾水管进口处,且随着固相直径和浓度的增加而增加。随着固相直径和浓度的增加,导叶域表面压力、固相速度、固相浓度分布均增加,导叶背面更易发生磨损。在转轮域,固相高浓度区分布在叶片正面轮毂处和进水边,叶片背面整体固相浓度分布较高,且表面固相速度,浓度分布与固相直径和入口浓度呈正相关。在同一固相物性参数下,叶片工作面固相浓度分布与导叶开度呈正相关,叶片背面固相浓度与导叶开度呈负相关,叶片表面固相速度与导叶开度呈正相关,机组效率和出力均随着固相直径和浓度的增加而减小。(3)固相的加入改变和破坏了转轮进口和尾水管进口处压力脉动在时域上的周期性,使压力脉动在时域上的波动变大。当固相浓度增大时,主频所对应的转轮进口与尾水管进口处的压力脉动幅值随之增大,尾水管中间截面主频所对应的压力脉动幅值逐渐减小。随着固相直径的增加在转轮进口和尾水管进口处主频所对应的压力脉动幅值逐渐增大。(4)采用欧拉—拉格朗日法和Finne磨损模型对水轮机过流部件磨损特性进行分析。结果表明,水轮机各过流部件中磨损程度由大到小分别为叶片、转轮室、导叶、尾水管。固相直径与转轮室、叶片、导叶的磨损面积和最大磨损率呈正相关,和尾水管呈负相关。固相浓度与转轮室、叶片、导叶、尾水管的磨损面积和最大磨损率呈正相关。导叶开度与导叶、转轮室、磨损面积及最大磨损率呈负相关,与尾水管呈负相关,叶片最大磨损率在小开度工况下最大,随着导叶开度的增加最大磨损率先减小后增加。