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关键词： 金属玻璃   原子级平整   摩擦磨损   硬度   加工硬化  

摘要： 与氧化玻璃类似,过冷液态的金属玻璃具有一定的粘性流动性,因此利用好金属玻璃的热塑性,在工业生产中可以通过热塑成型将金属玻璃加工成各种复杂形状或具有小几何形状的机械零部件。有研究表明材料硬度越高其耐磨性越好,根据Archard定律,Pt-BMG的硬度接近Pt(111)的6倍,预期具有更高的耐磨性,但Pt(111)实际上表现更好,而由于金属玻璃与单晶两种材料具有不同的原子结构特征,因此这被认为是两种材料具有不同的变形机制导致的结果。晶体结构内部具有可移动的结构缺陷——位错,会导致在摩擦磨损行为过程中存在“加工硬化”的机制。因此在这种高硬度和加工硬化同时起作用的磨损条件下,哪一种机制占据主要作用是迫切所需要研究的对象,为此有必要对原子级平整的金属玻璃和单晶展开纳米尺度下的AFM划痕研究。采用原子力显微镜纳米划痕技术,基于原子级平整的Pt基金属玻璃和单晶Pt,研究了不同湿度环境下硬度和加工硬化对材料表面耐磨性的贡献。本文的主要结论有:(1)与Pt(111)相比,Pt基金属玻璃硬度较高,但耐磨性较低,这是由于Pt(111)在磨损过程中存在加工硬化效应。Pt(111)的划伤区域摩擦力显著减小,而Pt基金属玻璃的划伤区域摩擦力无明显变化,进一步证实了硬化效应;(2)在高真空条件下,Pt基金属玻璃和Pt(111)在磨损状态下有着十分接近的耐磨性。结合Pt(111)表面比Pt基金属玻璃柔软很多的事实,可以由此认为加工硬化效应也参与了Pt(111)表面与针尖之间的磨损。因此可以将金属表面的磨损性能看作是加工硬化、直接氧化和硬度/强度机制的竞争作用,其主导机制取决于特定的磨损条件;(3)随着循环次数的增加,Pt(111)划痕区域的摩擦力仍存在下降的趋势;而金属玻璃在单次和低循环次数磨损条件下时其划痕区域与未划痕区域并不存在差异,但随着循环次数不断增加到十次时,其划痕区域的摩擦力也出现了明显的下降趋势,这是由于随着循环次数的增加,划痕区域的内净自由体积不断下降,最终导致加工硬化参与金属玻璃的磨损过程。

关键词： 刀具磨损预测   多工况   卷积神经网络   双向长短期记忆网络   注意力机制  

摘要： 在切削过程中由于刀具与工件、切屑间相互作用产生的切削力和摩擦热造成刀具磨损,对零件的表面质量和尺寸精度具有决定性影响。磨损状态若不能准确掌握就无法合理调整相应工艺流程,特别是过度磨损的刀具不及时更换会导致零件报废和非计划停机。目前,刀具的更换仍主要根据操作者经验或设定的使用时间,容易造成不必要的刀具浪费和加工质量的下降。加工过程中利用反映切削状态的物理信号实时辨识刀具磨损状态可以及时修磨刀具保证加工质量或避免断刃事件发生。现阶段的刀具磨损状态监测技术多适用于单一工况,但对于适应用户多样化需求的多品种小批量生产模式下的刀具状况监测鲜有研究。本文以铣削刀具磨损为研究对象,结合多传感器融合技术建立基于深度学习的刀具磨损预测模型,以期实现对多工况下刀具磨损的准确预测。本文的主要研究内容如下:(1)选取功率和振动传感器采集刀具磨损正交实验切削信号。通过计算微元切削刃处的刀具旋转和进给引起的瞬时微分切削功率,建立了切削功率与切削参数映射模型。对采集到的信号进行初步预处理,利用切比雪夫Ⅱ型高通滤波器对振动信号中的低频干扰信号进行数字滤波,基于小波阈值降噪法对滤波后信号进行启发式阈值的两层小波分解,剔除信号中的高频噪声分量,去除了大量与刀具磨损无关的噪声信息。(2)从信号时域频域中通过计算统计特征和自相关特征等提取时域频域特征值。采用小波包变换将信号分解为多个频段从而更好地捕捉信号的多尺度能量时频特征;通过自适应噪声完备集合经验模态分解规避端点效应和模态混叠,将信号从时频域分解为本证模态函数,提取能量熵与样本熵特征值。将以上特征值与功率平均值通过基于互相关法与皮尔逊相关系数法的两种特征评估方法对特征值进行联合评价,最终筛选出与刀具磨损最为相关的特征值。利用平移和添加高斯白噪声的方式对原始数据进行数据增强,构建了刀具磨损多域特征联合矩阵。(3)采用卷积神经网络、长短期记忆网络和注意力机制对多工况刀具磨损预测进行研究,设计了基于1 DCNN-BiLSTM-Attention的多工况刀具磨损预测模型。通过对模型超参数及神经网络层数的调优,在避免过拟合的基础上提高模型的学习效率、表达能力、拟合能力以及预测性能。通过九组工况数据多域特征联合矩阵构成训练集与测试集对模型的多工况刀具磨损预测能力进行验证,实现对刀具磨损的精准预测。通过对比三种传统机器学习算法及四种深度学习模型,本文模型在多工况刀具磨损预测上具有最优准确性和鲁棒性。

关键词： 发光材料   (Ca,Sr)AlSiN3:Eu2+   复合材料   磨损监测   涂层  

摘要： 磨损失效是引发装备损伤和机械故障的主要原因,通过各种监测技术对装备运行过程中的核心零部件进行实时或定期的监测,掌握机械零部件的磨损状态,是保证设备安全可靠运行,合理规划维修时间,降低经济损失风险的有效措施。将光致发光材料引入单层或多层涂层体系,通过磨损过程中监测涂层的可见荧光信号或特征发射光谱变化,可以精确判断涂层的损伤情况,为装备磨损状态监测提供了新的手段,相关研究受到了国内外的广泛关注。本文针对磨损监测涂层技术开展了基于稀土发光材料的磨损响应功能涂层制备及性能研究,主要内容如下: （1）以（Ca,Sr）Al Si N3:Eu2+荧光粉和铜粉为原料,利用放电等离子烧结（SPS）工艺制备了铜基稀土发光复合材料。采用扫描电镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、荧光显微镜、显微硬度计、纳米压痕仪、磨损试验机等研究了（Ca,Sr）Al Si N3:Eu2+含量对铜基复合材料微观组织、物相结构、发光性能、微纳力学性能及摩擦学行为的影响。结果表明,适量（Ca,Sr）Al Si N3:Eu2+的掺入能够细化铜基基质相晶粒,从而提高复合材料硬度与耐磨性。当荧光粉掺入量为5 wt.%时,复合材料拥有较高的硬度和最佳的耐磨性;过量的荧光粉会降低材料致密度和组织均匀性,从而导致复合材料硬度和耐磨性下降。 （2）通过机械球磨制备了喷涂所用的球形团聚粉末,采用冷喷涂在紫铜基体上制备了Cu/5 wt.%Ti C单层涂层和Cu/5 wt.%Ti C/10 wt.%（Ca,Sr）Al Si N3:Eu2+双层涂层,使用扫描电镜、显微硬度计、摩擦磨损试验机、荧光显微镜等研究了涂层截面微观形貌、力学性能、摩擦学性能以及涂层的磨损指示功能。结果表明,相较于单层涂层,双层涂层与基体结合更好,涂层致密度高,硬度更高,涂层耐磨性较好。此外,经磨损试验2 h后,双层涂层的表层被完全磨损,磨痕表面暴露的发光层在紫外光激发下发出明显的红色荧光,表明该双层涂层具有良好的磨损指示功能,具有用于涂层磨损监测领域的潜力。

关键词： 盾构刀具   磨损   预测模型   状态识别   掘进参数  

摘要： 刀具是盾构机掘进破岩的核心部件,刀具重度磨损会严重影响盾构掘进效率,而盾构机开挖过程中刀具的动态磨损情况难以检测,导致无法在合适的时机更换刀具。针对上述问题,本文综合采用理论推导、数值模拟、信号处理等方法,对盾构刀具的磨损机理、预测和磨损状态识别进行研究。主要研究成果如下:(1)基于HJC本构模型模拟了滚刀破岩的动态过程,证明了滚刀作用下岩石阶跃性破碎的特性,并通过模拟在不同磨损量和贯入度条件下,滚刀切削力的大小和波动情况,研究了磨损量和贯入度对滚刀切削力的影响。(2)结合摩擦学、接触力学、CSM模型等理论,基于单一均质地层中滚刀破岩消耗的摩擦能与磨损量之间的转化关系,建立了滚刀磨损量预测模型,并给出减少刀具磨损的贯入度设置和刀具布置建议。(3)针对盾构切削桩基钢筋混凝土的特殊工况,根据刀盘与桩基相对位置的不同,推导了不同安装半径的刀具切削不同桩基的轨迹长度公式,并建立了以切桩轨迹长度来预测贝壳刀磨损量的模型。(4)构建了刀具整体磨损状态的评价指标,分析了盾构机的3种掘进参数(扭矩、推力和掘进速度)与单把滚刀切削力的理论关系,结合切削力与磨损之间的联系,揭示了掘进参数与滚刀磨损间的关联。在此基础上引入数字信号处理手段,提出了一种对掘进参数信号进行小波包分解以识别刀具整体磨损状态的方法。(5)依托两个实际工程案例,应用上述磨损预测模型和识别方法对不同类型刀具的磨损情况进行判断,并通过分析现场实测磨损值、磨损状态与预测值的对比结果,验证了预测模型和识别方法的可靠性。图71幅,表32个,参考文献112篇

关键词： 微动磨损   扣件弹条   高速铁路   微动特征量   力学特性  

摘要： 在列车振动荷载的长期反复作用下,高速铁路扣件弹条将不可避免地与其他接触部件发生微动磨损。微动磨损会改变弹条的表面质量和接触状态,降低弹条力学性能,甚至造成弹条失效,但当前对弹条的微动磨损问题关注较少。因此,本文以高速铁路WJ-7型扣件为对象,建立扣件多尺度有限元计算模型,分析弹条微动磨损实验关键参数取值,开展弹条微动磨损实验探究弹条微动磨损行为,并建立弹条磨损状态下的扣件有限元计算模型,研究摩擦系数与磨损量两个关键微动磨损特征量对弹条力学特性的影响,旨在为高速铁路扣件弹条维护提供理论基础。本文主要研究工作如下: 1.归纳总结微动理论及发展进程,并深入探究弹条微动磨损的重要理论与磨损机理,对比分析不同微动磨损模型特点,建立弹条微动磨损分析方法,为弹条微动磨损行为及相关分析奠定理论基础。 2.建立扣件多尺度有限元计算模型,分析列车荷载作用下扣件弹条与铁垫板间的接触应力与接触位移范围,进而确定法向荷载与位移幅值两个关键微动磨损实验参数取值,为弹条微动磨损实验提供实验参数条件。 3.基于分析得到的微动磨损实验参数,针对弹条材料开展微动磨损实验,从微动运行状态与摩擦系数曲线方面分析弹条微动运行特征,并利用多种分析方法和表征手段对弹条材料表面磨痕SEM形貌、三维形貌与二维轮廓、磨痕截断面、表面元素含量、磨损量等损伤特征进行分析,进而揭示弹条微动磨损机理,为后续微动磨损对弹条力学特性的影响研究提供理论基础。 4.结合实验得到的摩擦系数与磨损量两个关键微动磨损特征量,提出弹条与铁垫板磨损模拟方法,建立弹条磨损状态下的扣件有限元计算模型,探究摩擦系数与磨损量对弹条应力分布、弹条应力大小、弹条变形以及扣压力的影响规律,并基于分析结果提出高速铁路扣件维护建议。

关键词： 水泵水轮机   数值模拟计算   Fluent-DEDM耦合   固液两相流   泥沙磨损  

摘要： 水力发电中,水泵水轮机良好的运行工况是保证电网运行稳定性和提高发电机组效率的前提,许多河流流域中泥沙颗粒含量较高,在水电站运行过程中泥沙会与过流部件产生碰撞造成磨损破坏,影响设备正常运行,因此研究水泵水轮机内部流动特性与固液两相流动对机组高效稳定运行至关重要。本文针对水泵水轮机泵工况进行内部流动特性研究,并采用Fluent-EDEM耦合方法进行固液两相流数值计算,分析不同物性条件下泵内颗粒的流场分布情况与速度变化规律;采用Relative wear模型来预测磨损发生的位置,对主要过流部件受到的法向累积力和切向累积力进行分析,得到泵工况下容易产生磨损且磨损较为严重的位置。主要的研究结果如下:（1）对水泵水轮机泵工况进行数值模拟计算,探究0.8Qdes、1.0Qdes、1.2Qdes三种不同流量工况内部流动特性,发现随流量增大压力分布整体减小,速度和湍动能分布整体增大;引入熵产理论对转轮、蜗壳、活动导叶和固定导叶的能量损失分布进行分析,发现流量增大时壁面区域的能量耗散一直呈增大趋势,主流区域的能量耗散先减小后增大,且壁面区域能量耗散一直大于主流区域;大流量工况下,机组运行时的水力损失主要受蜗壳影响。流量增大时主要过流部件的涡强度增大,熵产率增高;设置监测点对流道内的压力波动情况进行分析,得出流量是影响转轮流道压力波动的重要因素之一,流量与转轮压力呈正相关;流量越大则压力波动程度越剧烈。（2）采用Fluent-DEDM耦合计算方法对水泵水轮机泵工况进行固液两相流的模拟计算,主要针对泥沙颗粒不同浓度、不同流量工况和不同粒径这三种物性条件,结果表明:随着泥沙颗粒浓度增大,泥沙颗粒沉降速度减小,颗粒平均速度增大,但不同浓度的泥沙颗粒平均速度随时间变化规律基本一致。流量增大时颗粒从水流获得的动能增大,颗粒跟随性增强,活动导叶进口区域的低速颗粒显著减少,蜗壳内颗粒堆积现象减弱。流量增大时泥沙颗粒平均速度增大,泥沙颗粒的速度分布逐渐分散。随泥沙颗粒粒径增大,颗粒在流道的整体运行速度降低,易于在蜗壳内聚集;当颗粒粒径较小时,水流对泥沙颗粒冲击速度较大,颗粒平均速度存在较大波动,在颗粒流动稳定之后,颗粒平均速度与粒径大小成反比;当颗粒粒径逐渐增大,得到的高速度颗粒数目越多且颗粒速度分布更集中。关于压力脉动,颗粒浓度的增加能减小转轮流道内的压力波动情况,蜗壳内的压力波动随浓度增大变得剧烈;不同流量工况下,泥沙颗粒减弱了流量因素对压力脉动的影响,转轮叶片尾缘是压力波动较大的位置;颗粒粒径增大时压力波动程度减小。（3）采用Relative wear模型预测磨损发生的位置,对主要过流部件受到的法向累积力和切向累积力进行分析,得到泵工况下容易产生磨损且磨损较为严重的位置。不同颗粒浓度下,磨损最先发生在靠近转轮流道出口的叶片尾缘,随着浓度的增大磨损位置沿着叶片尾缘向叶片压力面前缘扩张;同一颗粒浓度下过流部件的法向累积接触能量大于切向累积接触能量,说明颗粒对各过流部件的切向磨损大于法向磨损。不同流量工况下,转轮叶片的尾缘和叶片压力面靠近前盖板处一直是容易磨损的位置,流量增大时泥沙颗粒所获得的动能也增大,转轮叶片压力面靠近后盖板的位置成为磨损严重部位,且逐渐沿转轮叶片压力面尾缘向叶片前缘扩张;大流量工况下蜗壳壁面和导叶叶片磨损程度更严重,且各部件的法向与切向累积接触能量都有所增大,但在不同流量工况有着相同的变化规律。随颗粒粒径增大,累积切向力与累积法向力作用面积逐渐减小,受力更加集中,相应地磨损面积变小;水流赋予颗粒的动量减少,导致颗粒在蜗壳内形成堆积,降低蜗壳流道过流能力,且颗粒间的碰撞机会增大,蜗壳壁面受磨损程度减弱,磨损面积减小;颗粒粒径增大时各部件的法向与切向累积接触能量随时间稳定增长,变化规律趋于一致。

关键词： 柔性环   滚动载流摩擦   材料损伤机制   预紧力   磨损  

摘要： 导电旋转关节是实现两个相对旋转运动部件间传输功率和信号的输电装置,属于电传输装置的关键核心部件,广泛应用于航天、航空及新能源等领域,其失效将会导致整机装备功率下降甚至功能丧失。滚动导电旋转关节是不同于常规滑动导电旋转关节的新型结构,其电接触部位为滚动运动形式,由内、外滚道和柔性环构成。柔性环依靠自身弹性预紧力装卡在内、外滚道中,由内滚道带动公转、自转并完成内外滚道间的电传输,形成滚动载流摩擦副。滚动电接触技术由美国发明,但相关产品、技术对中国严密封锁。随着整机装备功率、寿命的大幅提升,现有滑动载流摩擦副饱受磨损严重、摩擦力矩高、载流效率低、易产生电弧等问题的困扰。滚动载流摩擦副因磨损低、摩擦力矩低等优势成为未来旋转部件之间大功率、长寿命电传输的择优选项。目前,我国滚动载流摩擦研究仍处于原理探索、样件试制、结构仿真等探索阶段。因此,探索柔性环滚动载流摩擦学性能基本规律,揭示滚动载流摩擦损伤机制,对高端装备用滚动导电旋转关节的设计和安全运行具有重要的理论价值。本文采用滚动载流摩擦试验机,在不同预紧力、转速和电流工况下开展铍青铜环的滚动载流摩擦性能研究,基于接触区域微观结构分析、表面形貌和成分分析等手段揭示滚动载流摩擦损伤机制,主要结果有: 1.铍青铜柔性环的滚动载流摩擦性能:开展不同转速、不同预紧力和不同电流条件下的滚动载流摩擦学试验,研究各因素变量对柔性环摩擦副载流摩擦磨损性能的影响。根据试验结果,总结各因素下的摩擦力与接触电阻及其波动性变化规律。随着转速从240 r/min升高至600 r/min,摩擦副的摩擦力逐渐增加,接触电阻逐渐降低,转速升高提升了摩擦力与接触电阻的稳定性。随着柔性环预紧力从10.2 N增加至20.4 N,摩擦副的摩擦力与接触电阻均逐渐降低,预紧力的增加提升了接触电阻的稳定性却造成摩擦力稳定性降低。随着载流回路中的电流从0 A升高至20 A,摩擦副的摩擦力逐渐升高,接触电阻逐渐降低。同时,电流的增加导致摩擦力稳定性下降。无电流条件下的摩擦力小于载流摩擦条件下的摩擦力,电流的引入促进了摩擦力的提高。 2.滚动载流摩擦损伤机制:通过对柔性环磨损表面微观表征分析,研究不同测试条件下柔性环滚动摩擦副载流摩擦磨损机制,揭示了不同测试条件下柔性环载流摩擦接触表面磨损演变规律,并进一步阐明了铍青铜材料在测试条件下的损伤机制。随着转速的升高,柔性环接触表面损伤严重,载流摩擦磨损机制从前期的氧化磨损与部分黏着磨损转变为黏着磨损与疲劳磨损。转速升高导致接触表面下方材料组织明显变形。同时,转速升高带来的柔性环与内滚道之间较大的速度差,导致柔性环在高转速下围绕公转中心的有效转动减少,产生运动滞后,较大的速度差恶化了接触区域的摩擦,加剧了接触区域材料的损伤。另外,转速升高带来的较为频繁的周期性应力,使的柔性环内部出现疲劳裂纹,加重了柔性环的磨损。随着柔性环预紧力的增加,载流摩擦磨损机制从前期的氧化磨损与部分黏着磨损转变为黏着磨损与疲劳磨损。小预紧力下接触表面较高的滑滚比是导致接触表面损伤加重的主要原因。随着预紧力的增加,柔性环弯曲应力增大,与滚道之间的接触应力升高,铍青铜材料在转动过程中承受大幅度的周期性应力,材料逐渐屈服、疲劳并最终脱落。次表层裂纹的影响加重了材料去除,提高了磨损量。随着载流回路中电流的增加,载流摩擦磨损机制从前期的氧化磨损与部分黏着磨损转变为黏着磨损与疲劳磨损。接触表面下方材料组织变形明显,当电流超过10 A后,较高的电流密度导致铍青铜材料力学性能下降,材料塑性提升,材料组织破损严重,磨损量增加。柔性环载流摩擦体现了复合因素影响下的混合的摩擦磨损演变规律以及接触失效机制。表面损伤与磨损量的不一致验证了磨损演变和失效机制为多因素复合影响的共同结果。 3.基于接触面宽度的载流摩擦性能调控:通过对柔性环接触表面磨损演变规律的归纳和整理,统计了摩擦副载流摩擦性能与摩擦过程中接触面宽度变化的对应关系。同时,基于接触面宽度的变化,对接触面电流密度进行了估算,接触面宽度越宽,接触面积越大,电流密度越低。随着接触面宽度的增加,摩擦力逐渐增大,接触电阻逐渐降低,接触面积的增加促进了铍青铜材料之间的黏着,增大了摩擦力,有利于降低接触电阻,提高导电性。初步探索表明,多柔性环摩擦副设计方案可以起到增加接触面,提高导电性能的作用。

关键词： 超低温技术   铝/铜摩擦副   固体润滑   摩擦磨损特性  

摘要： 随着空间、超导等技术的发展,其中的很多摩擦部件在超低温环境下工作。超低温服役工况极度恶劣而使得零部件的使用寿命大为减少,在各服役工况下零部件之间的摩擦磨损是不可避免的,这也是造成零部件使用寿命减少的主要原因。目前有关超低温环境下的摩擦磨损研究较少,难以满足当前超低温摩擦学技术的发展需求。本文以某铜合金、6061铝合金为研究对象,研究了铝/铜摩擦副在超低温工况干摩擦条件和各种润滑条件下的摩擦磨损特性,并与常温工况进行了对比分析。研制出了适用于超低温工况的复合润滑剂,对超低温技术的研究具有重要的实际应用价值。本文的主要研究成果如下:1)研究了超低温环境干摩擦条件下铝/铜摩擦副的摩擦磨损特性,并与常温工况进行了对比。结果表明:在干摩擦条件下,常温和超低温环境下铜试样表面都能形成铝转移膜。超低温环境下铝/铜摩擦副的平均摩擦系数随着载荷的增加呈现下降趋势,但摩擦副的平均摩擦系数与磨损量大于常温环境;通过分析转移膜形貌发现,铝/铜摩擦副在常温环境下摩擦磨损以磨粒磨损和粘着磨损为主,在实验高载荷、高转速时主要发生粘着磨损甚至出现烧结现象,而在超低温条件下摩擦磨损以磨粒磨损为主,在实验高载荷、高转速时摩擦面间主要发生挤压剥落现象。2)研究了超低温环境下固体润滑剂PTFE、MoS和BN对铝/铜摩擦副摩擦磨损特性的影响规律。结果表明:分别使用三种固体润滑剂润滑时,常温条件下,铝/铜摩擦副的磨损形式主要为磨粒磨损和黏着磨损,而超低温条件下磨损形式主要为磨粒磨损和疲劳磨损;3)超低温环境下,相较于干摩擦,PTFE润滑时在5000N载荷平均摩擦系数减少了34.6%,在其他载荷平均摩擦系数减少了69.3%以上;在中、低载荷下磨损量减少了93.4%以上,4000N载荷时磨损量减少了16.3%,在所有转速下PTFE润滑时平均摩擦系数减少了74.6%以上,磨损量减少了16.3%以上,在100RPM转速时磨损量减少了86.6%。MoS润滑时在低载荷下平均摩擦系数减少了33.5%以上,磨损量减少了37.9%以上。BN润滑时1000N载荷时平均摩擦系数减少了26.7%,2000N载荷时磨损量减少了21.2%。超低温环境下,在各转速下MoS和BN润滑时平均摩擦系数和磨损量均大于干摩擦条件。4)设计并开展了复合润滑剂配比实验,获得了复合润滑剂中MoS、PTFE、BN的质量比例为2:3:2。在超低温环境下,相比于干摩擦,复合润滑剂润滑时,4000N和5000N载荷下的平均摩擦系数分别减少4.3%、15.5%;相比于一元固体润滑剂润滑,5000N载荷下的平均摩擦系数比MoS和BN润滑分别低23.9%和37%;在5000N载荷下使用复合润滑剂润滑时的磨损量要比干摩擦条件的磨损量低45.4%,比PTFE润滑时的磨损量低77.5%,比MoS润滑时的磨损量低86.1%,比BN润滑时的磨损量低77.4%。图82幅,表7个,参考文献78篇

关键词： 排气阀   TMC   疲劳寿命   磨损寿命   结构优化  

摘要： 气阀-气阀座是柴油机配气机构的重要摩擦副之一,气阀的疲劳和磨损问题是影响柴油机经济性、动力性和可靠性的重要因素之一。近些年来,随着船舶柴油机性能和功率的不断提升,船用排气阀的工作环境也变得更加恶劣,这导致排气阀的疲劳与磨损问题日益严峻。因此,为揭示某船用柴油机排气阀的失效机理,并有效提高其可靠性,本文基于某船用柴油机排气阀的热机耦合(TMC)模型,开展了排气阀的疲劳及磨损寿命预测的工作;同时,基于响应面法与NSGA2优化算法,对排气阀的结构进行优化,实现了排气阀疲劳及磨损寿命的提升。主要研究内容如下:(1)将排气阀分为7个区域,基于AVL-Boost构建的柴油机仿真平台、流动特征方程、等效热阻法计算了排气阀的热载荷;依据多质量模型理论,使用配气机构的动力学模型计算了排气阀的机械载荷。(2)基于排气阀的载荷状态,利用Ansys Workbench搭建了排气阀的TMC模型,计算了排气阀的温度场、应力场以及接触压力结果。结果表明,排气阀的高温区域集中在阀面中心位置与颈部中心位置;高应力区域集中在锥面处,爆燃时刻的热机耦合应力最大;接触面的最大接触压力在爆燃时刻产生,接触压力在接触面上分布不均匀。为验证模型的准确性进行了整体硬度法测温试验,引入了接触力试验结果。试验与仿真的最大误差均在10%以内,试验与仿真结果吻合性较好。(3)基于排气阀的TMC模型,分别采用名义应力法和Archard磨损模型对排气阀的疲劳寿命和磨损寿命进行了预测。预测结果表明,排气阀的疲劳危险点集中在排气阀颈部底端位置,排气阀的疲劳寿命为1.86×10个循环;磨损的重灾区发生在排气阀与排气阀座接触的边缘区域,通过拟合最大磨损深度与磨损周期次数的关系,计算得到排气阀的磨损寿命为9.9×10个循环。(4)分别考察了气阀锥面角度α、颈部过渡锥角β、颈部圆弧R等结构参数与排气阀疲劳寿命及磨损寿命的关系,并以排气阀的疲劳寿命及磨损寿命为目标值,基于响应面法与NSGA2算法对结构进行了优化。结果表明α=23.64°,β=23.44°,R=32.45 mm时,具有最佳的优化结果。优化后排气阀的疲劳寿命为2.03×10个循环,磨损寿命为1.69×10个循环,较优化前分别提升了9.14%和54.54%。

关键词： 铅铋轴流泵   叶轮构件   冲刷磨损特性   数值预测  

摘要： 铅基快堆具有良好的可靠性、安全性、稳定性和可持续性，其冷却剂高温液态铅铋金属拥有传导热性强、化学性质稳定等特性，因而第四代核能系统国际论坛将铅基快堆认为最早实现商业化的四代反应堆。由于轴流泵具有占地面积小、结构简单和灵活安装等优点成为铅铋泵的研发泵型之一，因此研发满足高性能及长久运行的铅铋轴流泵成为关键性问题之一。目前，铅铋轴流泵的设计及试验均基于常温清水进行验证，而实际流体为高温液态铅铋金属，必然导致铅铋轴流泵水力性能与设计目标出现偏差，且高温液态铅铋金属具有强腐蚀性、高能量和高密度等特点，会对过流部件表面造成冲刷磨损或加速流动腐蚀效应，给铅铋轴流泵的设计及安全运行造成安全隐患，因此本文聚焦铅铋轴流泵水力设计及冲刷磨损问题，展开以铅铋轴流泵为研究对象，对比分析了常温清水和高温液态铅铋金属在铅铋轴流泵内的水力性能及流动差异性的研究，预测了高温液态铅铋金属对过流部件表面的冲刷磨损效应以及提出降低冲刷磨损设计方案进行了验证，其主要研究内容及结果如下：　　(1) 本文针对铅铋轴流泵流动介质为常温清水和高温液态铅铋金属，采用数值模拟的方法研究了流动介质对铅铋轴流泵水力性能和流动差异性的影响。研究表明：在标准工况下，高温液态铅铋金属的扬程较常温清水提升2.2%，效率较常温清水提升1.0%，当输送介质为高温液态铅铋金属时，铅铋轴流泵的整体性能优于清水，这主要由于叶轮进口速度三角形基本一致的情况下高温液态铅铋金属在出口边的相对液流角更小，从而使绝对速度在圆周方向的分量降低，根据欧拉公式得出铅铋轴流泵的水力性能有了提升。同时发现高温液态铅铋金属对过流部件表面的剪切应力、机械能损耗远远大于常温清水，这由于高温液态铅铋金属的密度及粘性远大于常温清水，该现象可引起高温液态铅铋金属对材料表面的冲刷磨损效应。　　(2) 基于高温液态铅铋金属对铅铋轴流泵叶轮叶片表面的冲刷磨损效应研究，预测了不同入口流量下叶片表面的冲刷磨损效应分布规律，揭示了高温液态铅铋金属流速、流态对冲刷磨损效应的影响机制。研究表明：叶轮叶片表面冲刷磨损效应主要发生在进口边靠近泵体内壁面一侧，且叶轮叶片吸力面冲刷磨损效应高于压力面，其吸力面或压力面的冲刷磨损程度从轮毂到轮缘逐渐递增。当入口流量从0.8Qd增大到1.2Qd时，叶轮叶片表面的冲刷磨损效应程度逐渐增加且沿着叶轮轮缘向出口边扩散。叶片表面的冲刷磨损效应主要受高温液态铅铋金属流速及表面流态影响，叶片表面的冲刷磨损效应在高流速区域最为明显，随着叶片表面流速下降冲刷磨损效应也随之下降，说明叶片表面的冲刷磨损效应与壁面流速呈正相关。当流态不稳定性增大时，高温液态铅铋金属对叶片表面的冲刷磨损程度越大，因此流态稳定性越强，叶片表面的冲刷磨损效应越低。　　(3) 在高温液态铅铋金属对叶轮叶片表面冲刷磨损效应规律的研究基础上，提出降低冲刷磨损效应的叶顶间隙结构为倒直角和倒圆角方案，研究降低高温液态铅铋金属对叶片表面冲刷磨损的规律，揭示降低冲刷磨损效应机理。研究表明：标准流量工况下，倒直角设计模型的扬程和效率较原方案分别降低了 1.02%和0.64%，倒圆角设计方案扬程降低了0.51%，而效率提升了 0.51%，其它流动工况下扬程在0.8Qd流量下达到最大差异且为3.39%，效率在1.2Qd流量下达到最大差异且为3.28%，说明修改后的两种叶顶间隙结构对铅铋轴流泵扬程及效率影响不大。随着平面间隙替换为倒直角和倒圆角叶顶间隙时，叶片头部流速有了明显的下降且该位置的冲刷磨损程度随之降低，其中吸力面的冲刷磨损降低程度较压力面更为明显，对比叶片表面的流态及机械能损耗情况，发现这两种方案的壁面流速、流态有了明显的改善且叶片表面机械能损耗降低，故而倒直角和倒圆角方案对轴流叶片降低冲刷磨损具有一定的工程意义。　　结合上述结果可以得出，铅铋轴流泵内高温液态铅铋金属的水力性能比清水具有更好的水力性能，高温液态铅铋金属对叶片的冲刷磨损主要分布在叶片头部，倒直角和倒圆角设计可改善高温液态铅铋金属对叶片的冲刷磨损效应。研究结果为铅铋轴流泵稳定运行及可靠性设计提供重要的参考价值。