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关键词： 含间隙机构   动态特性   法向碰撞力   切向摩擦力   磨损  

摘要： 现代机械系统高速、高精度等的要求,运动副间存在间隙将严重影响机械系统运行的平稳性以及运动精度等。探索间隙对机构运动的影响规律以及运动副间磨损情况,对于高要求的现代机械系统的研究与发展,具有重要的意义和工程实际价值。本文的主要研究内容如下:(1)基于Hertz理论和弹性基础模型,通过引入与碰撞初速度、材料屈服刚度有关的恢复系数,得到与变恢复系数有关的非线性法向碰撞力,并建立了碰撞时包含非线性法向碰撞力与切向摩擦力的含间隙曲柄滑块机构运动学和动力学模型,通过数值仿真,分析了间隙大小、曲柄转速、材料特性以及间隙存在位置等对机构动力学性能的影响规律。研究结果表明,间隙的存在严重影响了系统的动力学性能,对于高速的、高精度的运行的机械系统,必须在设计研究中考虑间隙对机械系统性能带来的影响。(2)通过借助Ansys软件把连杆柔性化处理后,在Adams软件中仿真分析了含间隙的刚-柔耦合机构与含间隙的刚体机构的动力学性能对比。分析结果表明,构件的柔性对含间隙的机构高速运行时的振动有明显的抑制作用,通过优化构件的结构而改变其柔性,可明显提高机构运行的稳定性。(3)机构运行必然存在磨损,含间隙机构由于碰撞的产生,磨损更会加剧。为了研究含间隙运动副的磨损情况,应用变形的Archard计算公式搭建含间隙铰链磨损模型,并分析得到在转速确定时,平均磨损深度随时间和间隙值的变化规律及运动副的磨损预测。本文的研究成果,对含间隙曲柄滑块机构的设计具有理论指导意义,对其他含间隙机构的设计和运动学、动力学性能研究也有借鉴作用。

关键词： 深海采矿泵   过流部件   流动特性   水力性能   磨损性能   磨损模型   定性磨损试验   响应面方法   减磨研究  

摘要： 采矿泵是深海采矿输送系统中的核心设备之一,是决定深海采矿成功与否的关键设备。由于受深海环境以及作业环境复杂等因素的影响,要求深海采矿泵需要具备高扬程、过流能力好、耐磨性好以及水力性能稳定等特点。根据深海采矿泵的实际运行特点,不同的颗粒参数及运行工况会影响采矿泵内的流动特性以及水力性能,而固液两相流在采矿泵内的流态又会影响采矿泵内过流部件的磨损,采矿泵的磨损直接关系到其运行寿命,因此采用合适的优化方法开展采矿泵结构减磨优化具有重要意义。本文采用理论分析、数值模拟、试验研究以及优化研究等方法,对深海采矿泵水力性能、流动特性、磨损性能、磨损试验以及叶轮结构减磨优化等方面进行了深入的研究,形成了系统的研究成果。主要研究内容有以下几个方面:(1)基于按照项目总体要求设计的深海采矿泵,对其在清水工况下进行了水力性能试验研究,获得了水力性能变化数据,试验结果表明了设计的深海采矿泵满足了要求,且试验结果与数值模拟结果变化趋势一致,性能数据之间的误差在合理范围内,验证了数值计算方法的正确性,这些都为开展深海采矿泵的流动特性、固液两相流下的水力性能影响、磨损性能以及叶轮结构减磨优化等研究提供了重要支撑。(2)基于SSTk-ω模型及DPM模型研究了不同颗粒参数(六种颗粒粒径、三种颗粒密度及三种颗粒体积浓度)以及不同运行工况(三种转速工况及三种流量工况)下深海采矿泵过流部件的流动特性问题以及对水力性能输出的影响问题,获得了这些颗粒参数及运行工况对深海采矿泵流动特性的影响情况以及对扬程、效率的影响数据。较为全面的揭示了输送固液两相流时深海采矿泵内部流动特性以及水力性能的变化。(3)基于SSTk-ω模型及DPM模型,结合针对深海采矿泵而选取的磨损模型,研究了不同颗粒参数及不同运行工况下深海采矿泵内部过流部件的磨损性能问题,获得了首级叶轮、首级导叶、次级叶轮、次级导叶的表面磨损分布结果以及磨损率变化数据。为对输送不同粗颗粒矿物的深海采矿泵的结构减磨优化提供了理论参考。(4)研制了一台与深海采矿泵比转速相同、结构类似的试验泵,首次进行了采矿泵的定性磨损验证试验。对试验泵在小流量工况、额定流量工况以及大流量工况下进行了三次定性磨损试验,将试验磨损结果与数值模拟磨损结果进行了对比分析,结果表明各过流部件之间的磨损结果较为吻合,说明本文所采用的磨损模型能够较为精确的预测深海采矿泵过流部件表面的磨损,本文中所采用的模型是正确的。这为深海采矿泵的磨损试验研究、研制以及应用提供了重要参考。(5)基于响应面方法(Response Surface Methodology,RSM)对深海采矿泵叶轮结构进行了减磨优化研究。采用Minitab软件进行Plackett-Burman试验设计,筛选获得了对深海采矿泵性能影响最为敏感的四个因素,采用Design Expert软件对筛选出的四个最显著控制变量按照Box-Behnken Design(BBD)方法进行试验设计,并结合这些因素建立了29组模型,通过多元回归分析找到了最优的水力模型,以最优模型泵为对象,分析了不同颗粒参数及不同流量工况下扬程、效率、轴功率及叶轮磨损强度的变化,将最优模型泵的这些结果与原采矿泵进行了对比分析,结果表明在确保扬程和效率保持稳定或接近的条件下,仿真得到最优模型泵叶轮的平均磨损率降低了29.5%。这为深海采矿泵的结构减磨优化以及磨损性能研究等提供了重要参考。图101幅,表18个,参考文献200篇

关键词： 旋转密封   丁腈橡胶   油介质老化   摩擦磨损   有限元仿真  

摘要： 橡胶作为一种超弹性材料,广泛应用于航空航天领域的密封系统中。以飞机起落架为例,其液压密封系统直接影响飞机的飞行安全。据报道,因为起落架故障导致的飞机安全事故比例高达11%,而其中很大一部分原因来自密封结构的失效。为此,本文以起落架旋转密封结构为研究对象,开展高温油介质等复杂服役条件下橡胶密封材料的老化行为研究,揭示老化对橡胶密封材料的摩擦磨损影响规律,采用有限元方法分析其对密封性能的影响机制,进而提出典型密封结构的抗磨方法,为起落架高性能密封系统的设计提供理论依据,具有重要理论意义和应用价值。首先,开展了复杂服役条件下橡胶密封材料的老化行为研究。针对旋转密封结构的高温高压以及油介质的苛刻服役工况,开展了橡胶密封材料的高温油介质加速老化试验。通过光学显微镜和傅里叶红外光谱对不同老化程度的橡胶密封材料的形貌特征和分子链进行分析,揭示了橡胶密封材料的老化机理。研究了老化时间和温度对橡胶密封材料压缩永久变形及力学性能的影响规律,基于此建立了考虑老化影响的橡胶密封材料力学本构模型,为典型旋转密封结构的仿真研究提供理论基础。然后,揭示了不同老化程度橡胶密封材料摩擦磨损的影响规律。采用自制的摩擦试验平台,开展了不同老化程度橡胶密封材料的摩擦磨损试验研究;进一步研究了摩擦副表面粗糙度及表面织构对橡胶密封材料摩擦行为的影响规律。结果表明,橡胶密封材料在老化后,磨损量增加;在0.8至6.3的表面粗糙度范围内,摩擦系数先减小后增大,织构表面能显著降低摩擦系数,是一种有效的减磨方法。最后,建立了典型旋转密封结构摩擦过程的仿真模型。采用ABAQUS有限元分析软件建立了轴向对称的二维模型,揭示了不同服役条件下的接触压力分布规律;进一步建立了复杂工况下旋转密封结构的三维模型,揭示了橡胶密封材料的摩擦功分布规律;结合表面织构设计,对典型密封结构进行了优化改进,以实现减磨目的,为高性能旋转密封的设计与制备提供指导。

关键词： 原位自生   TiCP/HCCI复合材料   moderator(慢化剂)   预制体成型压力   三体磨料磨损  

摘要： 陶瓷颗粒增强金属基复合材料因具有优异的耐磨性而被广泛研究,但外加陶瓷颗粒在提高耐磨性的同时对基体的割裂作用比较大,使复合材料的韧性明显降低。原位自生陶瓷颗粒增强金属基复合材料,由于增强颗粒是在金属基体内部原位自生形成,因此陶瓷颗粒与金属基体结合良好,界面清洁无污染,相较于外加陶瓷颗粒增强金属基复合材料而言,其脆性显著降低,大大增加了复合材料的使用寿命。但是如何控制原位自生颗粒的均匀性一直都是难题。通过添加moderator(慢化剂),可以有效地控制原位反应的过程,对合成反应期间的成核动力和晶体生长产生有益影响,从而得到粒径更加细小的陶瓷颗粒,另一方面还能吸收反应过程中释放的多余的热量,防止复合区破碎,得到陶瓷颗粒分布均匀的复合区。本文系统的研究了预制体中慢化剂含量对原位自生TiC/HCCI复合材料的组织和性能的影响。通过向预制体中添加体积分数为0,20%,40%,60%和80%的高铬铸铁成分的慢化剂,探究TiC/HCCI复合材料的微观组织、硬度、压缩性能和三体磨料磨损性能的变化趋势。通过研究发现随着慢化剂含量的升高,复合材料基体区会形成更多的(Fe,Cr)C碳化物,陶瓷颗粒的体积分数逐渐降低,与此同时所形成的TiC陶瓷颗粒的尺寸会更加细小,平均颗粒尺寸从2.10μm降低至0.25μm。同时,由于陶瓷颗粒的引入,材料的硬度得到了显著的提高,最高时较金属基体提高了69.04%。在压缩性能中,复合材料的抗压缩性能相较于金属基体都有所降低,当慢化剂含量为80%时,复合材料的抗压缩性能最好,此时的压缩形变达到7.43%,抗压强度为1622.66MPa。在磨损性能方面,随着慢化剂含量的升高,材料的三体磨料磨损性能呈现先升高后降低的趋势,在慢化剂含量为20%时,复合材料的体积损失量最低,耐磨性最好。在预制体中加入20%慢化剂的前提下,研究预制体成型压力对复合材料组织和性能的影响。研究发现,随着预制体成型压力的提高,陶瓷颗粒体积分数逐渐降低,但其平均尺寸有增大的趋势。这主要是因为不同压力下复合材料的铸渗效果不同导致的。复合区的硬度从成型压力为5MPa时的898.33HV降低至25MPa时的726.17HV。随预制体成型压力的降低,复合材料的抗压强度越来越高,且抵抗变形的能力也越来越强,因此较小的成型压力有助于提升复合材料的压缩性能。同时,复合材料的耐磨性也随着预制体成型压力的降低而有所提升,在5MPa时复合材料的耐磨性最好,是25MPa时的2.98倍,此时基体组织和陶瓷颗粒的协同保护作用最强。本文分析了慢化剂含量和预制体成型压力对原位自生TiC/HCCI复合材料中陶瓷颗粒尺寸和分布的影响规律,得出了最佳力学性能和磨料磨损性能所对应的预制体处理参数,对原位自生TiC/HCCI复合材料的制备提供一定的指导,拓宽了陶瓷颗粒增强铁基复合材料在矿山、建材、电力等领域的应用范围。

关键词： 颗粒增强复合材料   TiB2   原位合成   高温氧化行为   摩擦磨损行为  

摘要： 随着高性能材料需求的不断增长,亟需设计开发更多的新型复合材料。同时,延长材料使用寿命已然成为提升国家制造业整体竞争力的重要任务之一,高性能耐热耐磨材料开发将产生巨大的经济和社会效益。目前,TiB/Fe复合材料已经受到了广泛的关注,表现出良好的力学性能和优异的耐磨性,但高温抗氧化性能研究相对较少。因此,本文旨在通过原位合成法制备不同基体成分的TiB(p)/FeCr复合材料,通过合金元素添加,调控显微组织,改善其力学性能、抗高温氧化和耐磨性能。主要研究内容及结果如下:(1)FeCr基复合材料主要含有初生和共晶TiB,初生TiB为六边形、花瓣和细小六边形颗粒,共晶TiB则包括不规则枝晶、花蕊(一次共晶)和二次共晶条纹等,其形态、尺寸和分布受到化学成分影响。当Cr含量超过16 wt.%,细条纹状共晶TiB增多并粗化;初生TiB颗粒聚集生长,呈板条花瓣状。Cr含量为22和28 wt.%时,出现长条状(Fe,Cr)B。基于TiB/Fe22Cr复合材料(T0)过量添加2、4和6 wt.%Ti(T2、T4和T6),样品初生TiB形态由花瓣状转变成六边形颗粒,条纹状二次共晶TiB和灰色长条(Fe,Cr)B相消除。在TiB(p)/FeCr复合材料的凝固过程中,TiB和(Fe,Cr)B两相竞争形核和生长。提高Ti含量(如T2样品),有效抑制了(Fe,Cr)B的形成,同时提高了基体中Cr含量。(2)随着Cr含量从0 wt.%增加到28 wt.%,显微硬度从205 HV持续提升至401HV;断裂韧度先增后逐渐减小,稳定在2.97～3.09 MPa·m之间;添加过量Ti(2～6wt.%),显微硬度由358 HV(T0)持续提高到765 HV(T6);断裂韧度K从3.03MPa·m(T0)提高至5.55 MPa·m(T6)。(3)恒温氧化增重试验表明,添加超过10 wt.%Cr可以提升800℃下抗高温氧化性能,高铬样品(16～28 wt.%Cr)氧化速率差异较小,均具有完全抗氧化性;当Cr含量在16～28 wt.%之间,900℃下平均氧化速度分别为0.106 g/m·h(16Cr)、0.096 g/m·h(22Cr)和0.095 g/m·h(28Cr),其中22Cr和28Cr具有完全抗氧化性;22Cr和28Cr样品1000℃平均氧化速率分别为0.149 g/m·h和0.193 g/m·h,均具有抗氧化性。过量添加2、4和6 wt.%Ti,样品在900℃下氧化速率远高于原始成分(22Cr),氧化量增益率分别提升了202.1%、217.1%和241.3%,均具有抗氧化性。由此可见,过量Ti添加恶化了TiB(p)/FeCr复合材料的抗高温氧化性能,22Cr样品抗高温氧化性能最优。(4)TiB(p)/FeCr复合材料的高温氧化过程中形成了一层连续、致密的CrO表面保护层,阻隔了O离子和Fe离子经氧化层扩散。当Cr含量从22 wt.%增至28 wt.%,表面氧化层结构由三层(金红石Ti O外层+致密CrO过渡层+CrO/Ti O混合内层)演变为双层(金红石Ti O外层+致密CrO内层),可能机理为:富Cr条纹状TiB消失,抑制了连续CrO/Ti O内层的形成;Ti离子向外扩散通过CrO层,促进了Ti O表面层的生长。过量Ti添加导致表面氧化层结构由金红石Ti O外层+致密CrO过渡层+CrO/Ti O混合内层转变成金红石Ti O外层+致密CrO过渡层+Ti O内层,主要原因可能是粗大初生TiB颗粒与基体界面为O离子扩散提供通道,削弱了CrO过渡层对O离子的阻隔能力。(5)干摩擦磨损实验表明,在30 N载荷下,TiB(p)/FeCr复合材料磨损量随Cr含量先减后增,4Cr和22Cr样品耐磨性分别最优(磨损量:0.015 mm)和最差(磨损量:0.18 mm);随着Ti含量增加,磨损量从0.18 mm(T0)增至0.26 mm(T2),而后降至0.132 mm(T4)和0.072 mm(T6);过量添加6 wt.%Ti样品具有最优的摩擦磨损性能。(6)TiB/FeCr复合材料的常温干摩擦磨损可分为三阶段:轻微磨损阶段为磨粒磨损为主的细微犁削;混合磨损阶段以粘着磨损为主,形成机械混合物;在严重剥落阶段,塑性变形导致裂纹萌生和机械混合层的大片剥落。

关键词： 粗糙表面   金属-橡胶   摩擦热效应   摩擦磨损   热-力耦合  

摘要： 随着世界各国能源从传统的油水井向天然气、页岩气井等采掘的战略转移,全球的气井数量不断增加,气井装备研发和技术储备随之成为新的需求。为了确保气井带压作业的安全可靠,井口带压装备的密封成为关键技术。与油水井不同,气井环空密封胶芯与管柱接触面干燥,除了岩屑磨粒和腐蚀性气体对胶芯的磨损,摩擦热效应同样不可忽视。管柱与胶芯的滑动摩擦过程导致胶芯表面摩擦热大量聚集,温度急剧上升,使胶芯物理性能发生变化,加速磨损甚至失效破坏,大大降低了胶芯的密封性能。因此,本文主要建立管柱与胶芯的刚-柔接触摩擦副,通过对摩擦副的热-力耦合分析,研究干摩擦条件下摩擦热效应对丁腈橡胶磨损特性的影响。本文首先基于分形理论重构胶芯粗糙表面几何模型,建立金属-橡胶刚柔接触界面回转模型,并进行热-力耦合有限元分析得到橡胶粗糙表面在不同载荷、转速、时间历程的温度场和接触应力分布,分析摩擦热效应对橡胶微凸体上接触应力的影响。然后搭建金属-橡胶接触界面摩擦试验台测试不同工况下的橡胶温度场分布,再通过扫描电镜观察不同尺度下的橡胶表面磨损情况。研究发现:丁腈橡胶表面温度场分布呈现出不均匀性的特点,摩擦生热现象只发生在金属-橡胶接触界面的微凸体接触区域,最高温度分布在粗糙表面最高微凸体处。低载荷下橡胶表面发生轻微的区域性磨损;高载荷下橡胶的磨损主要表现为粘着磨损和磨粒磨损;低速转动时橡胶会由于其粘弹性性能随着接触点的变化发生回弹,磨损程度较小;高速转动时橡胶的磨损形式主要有疲劳磨损和由于摩擦热导致的摩擦化学反应造成的热降解而产生的破坏。本文通过建立金属-橡胶刚柔接触摩擦模型,从微观和宏观两个尺度分析干摩擦条件下不同转速和载荷对橡胶表面的温升规律和磨损形式,对探究摩擦热效应对密封胶芯磨损的影响、石油天然气井防喷器胶芯的设计和使用提供了理论依据。

关键词： 粘土   凹凸棒土   蒙脱土   UHMWPE   摩擦磨损  

摘要： 船舶尾轴承是船舶动力装置中的关键部件,其摩擦磨损性能关乎到运行船舶的安全性及经济性。当船舶处于运行状态时,特别是在启停阶段、低速重载和转速变更等恶劣工况下,轴承将面临严重的摩擦磨损。在超高分子量聚乙烯(UHMWPE)基体中添加具有自润滑、高模量性能的粘土材料,从而制备的复合材料被证实具备优异的摩擦磨损性能,而粘土材料在UHMWPE中的分散效果,将直接决定粘土填料对UHMWPE的补强性能。本文以UHMWPE为基体,分别以凹凸棒土(3 wt%)、改性凹凸棒土(1、3、5 wt%)和蒙脱土(3 wt%)、改性蒙脱土(1、3、5 wt%)作为补强材料,探究不同维数粘土及填充含量对UHMWPE基水润滑轴承材料摩擦磨损性能的影响,并得出如下结论:(1)选用偶联剂KH570对ATP及MMT进行改性预处理。傅里叶变换红外光谱(FTIR)证明材料经改性后,表面存在偶联剂活性官能团。采用X射线衍射(XRD)的方法测得改性修饰后的ATP晶体结构未产生明显变化、MMT片层结构间距增大。接触角测试表明,经改性修饰后材料的表面极性降低,改善了ATP及MMT粒子与UHMWPE的结合能力。(2)采用溶液共混及模压成型相结合的方式,制备了8种粘土改性UHMWPE复合材料,并设置纯UHMWPE作为试验对照组。对试样的机械物理性能及结构进行表征分析,发现填充ATP及MMT能够提高试样的表面硬度,并随着填充含量的增加,ATP/UHMWPE复合材料拉伸性能逐渐降低、MMT/UHMWPE复合材料拉伸性能逐渐增强。(3)使用SSB-100型试验机,以环-块对磨的方式研究了9种试样的摩擦磨损性能。摩擦试验表明:同一载荷下,试样的摩擦系数随线速度的提高而降低;相同线速度下,试样的摩擦系数随载荷的增加而降低。改性ATP/UHMWPE复合材料的摩擦系数始终低于对照组试样,且当改性ATP填充含量为1 wt%时,复合材料具有最低的摩擦系数。磨损试验表明:改性MMT/UHMWPE复合材料较其他材料拥有更为优良的耐磨性能,且当改性MMT的填充含量为3 wt%时,材料的体积磨损率较纯UHMWPE材料降低了35.24%。同时观察了试样的磨损表面形貌,分析了不同维数粘土/UHMWPE复合材料的摩擦磨损机理。

关键词： 砂轮磨损   形貌仿真   光散射   图像特征   支持向量机   灰度共生矩阵  

摘要： 随着我国精密超精密产业的迅速发展,以金刚石砂轮为代表的精密加工刀具的需求量逐渐增大,为加速构建我国精密超精密加工数字化转型新格局,带动和促进精密磨削加工智能监测系统的实现,亟需一种快速便捷的金刚石砂轮磨损状态识别方法。对此,在总结了声发射、磨削力等间接方法的局限性的基础上,本文对以机器视觉为代表的直接方法开展了研究,通过分析当前机器视觉方法存在的物理意义不明、样本获取费时费力等问题,提出了一种基于光散射仿真及机器视觉的砂轮磨损状态识别方法。该方法尝试构建砂轮磨损状态与图像间的联系,对于研究非接触式砂轮状态评估具有一定的理论指导,同时在实现砂轮磨损的非接触高精度识别方面具有一定的应用价值。论文选题源自科技部政府间国际科技创新合作重点专项(2017YFE0128400),对基于光散射仿真和机器视觉的砂轮磨损状态识别方法进行了研究,提出了一种砂轮表面光散射现象的仿真方法并设计图像特征指标进行了验证,解释了利用图像识别砂轮磨损状态的背后机理,并初步探索了一种基于支持向量机(support vector machine-SVM)和灰度共生矩阵(Gray level co-occurrence matrix-GLCM)的砂轮磨损状态识别方法。论文的主要研究工作如下:(1)总结了工程表面形貌的表征及模拟方法,根据实测砂轮表面的统计参数,采用二维数字滤波技术得到了磨损砂轮的仿真形貌;对仿真砂轮表面进行了低通滤波处理并据此求解了表面的磨粒数量。(2)介绍了光从砂轮表面散射成像的物理过程。基于波动光学的理论,建立了砂轮表面光散射近场模型,分析了光在磨粒和结合剂表面散射的能量差异;基于几何光学的理论,建立了六类磨损砂轮表面的光散射远场模型,分析了砂轮表面散射的能量与表面高度以及磨粒数量的关系。(3)设计了砂轮表面成像实验方案,采集了六类磨损砂轮的表面图像;提出了一种基于二值图像亮度的图像特征指标,以此对比了砂轮表面光散射仿真能量指标,发现二者的变化规律相仿,从而验证了光散射仿真方法的有效性。(4)基于SVM和GLCM提出了一种砂轮磨损状态识别方法,对六类磨损砂轮进行了识别,利用混淆矩阵评价了识别效果。研究结果表明,该方法对于磨损砂轮图像有较高的识别精度,识别准确率达96.67%。

关键词： 钛合金   微动磨损   系统形变量   磨屑   表面织构   Cu-Ni-In涂层   TiNi合金  

摘要： 随着航空发动机的高速运转,叶片的榫槽连接处、减振台搭接处以及尾喷管的调节片之间不可避免地存在微动磨损现象。相比于普通的滑动磨损,微动磨损最大的特点就是位移小,因此极具隐蔽性。微动磨损主要产生两方面的损伤,一是直接造成材料表面磨损,可能会导致零部件的损坏。二是,可能会诱发裂纹的萌生,裂纹一旦萌生,可能成为零部件整体疲劳的裂纹源,并且在无察觉时发生扩展,带来灾难性的后果。钛合金是航空发动机中的核心关键材料,因此,研究钛合金的微动磨损对于发动机安全可靠运行具有非常重要意义。本文系统研究了钛合金微动磨损行为,重点关注微动磨损的识别、预测和防护。首先,研究了 TC4合金/TC4合金微动磨损行为。不同载荷和施加位移下的实验表明:随着施加位移的增大或者随着载荷的减小,微动磨损会逐渐由部分滑移区过渡到滑移区。磨痕形貌因材料微动运行区域而异,具体表现为:在滑移区,磨痕的中心区域高于其余区域;在混合区,在往复运动的两端有大量的材料堆积;在部分滑移区,在中心区域观察到近乎原始的微动样品表面,仅在边缘区域发生磨损。定义磨痕直径比α(实际磨痕直径与赫兹接触直径比值),来判定钛合金微动运行区域。其次,考察了磨屑在微动磨损中的作用。从磨屑的分布和大小上看,磨损区域中部的磨屑呈块状,而被排出到磨损区域之外的磨屑呈松散的颗粒状,其尺寸集中在0.2 μm到1.5 μm之间,并且尺寸在0.5 μm左右的磨屑最多。磨屑还能明显影响微动磨损的摩擦系数和系统形变量。当暂停试验清除磨屑再开始试验后,接触面之间的磨屑较少,摩擦系数、系统形变量比清除磨屑之前变小,其中在20 N载荷下的降幅最大,分别为63%以及41%。当在样品表面制备垂直方向表面织构捕捉磨屑时,接触面之间磨屑较多,摩擦系数、系统形变量比无织构时变大,其中在20 N载荷下的增幅最大,分别为21%以及47%。接下来,对摩擦副在微动磨损中的系统形变量进行了研究。当微动磨损处于不同的运行区域时,系统形变量与载荷、施加位移的关系不同:在滑移状态时,系统形变量与施加位移无关,只与荷载有关,并且随荷载的增加而增加;在部分滑移状态时,系统形变量与载荷无关,仅与施加位移有关,并且随着施加位移的增加而增加。定义了系统形变率γ(系统形变量与施加位移的比值),并总结归纳出γ与微动运行区域之间的关联:当y<0.7时,微动磨损处于滑移区;当0.7≤γ<0.9时,微动磨损处于混合区;当0.9≤γ<1时,微动磨损处于部分滑移区。然后,考察了表面织构的沟槽间距、沟槽方向对材料微动磨损行为的影响,同时关注沟槽对接触区域中磨屑分布的影响。相比于没有表面织构的情况,有垂直方向的表面织构会增大系统形变量,使微动磨损倾向于部分滑移区,有平行方向和45°方向的表面织构会减小系统形变量,使微动磨损倾向于滑移区。造成上述结果的原因是,垂直方向的沟槽阻碍磨屑从接触区域排出,而平行方向和45°方向的沟槽则促进磨屑从接触区域排出。因此,可以通过制备不同方向的表面织构来在一定程度上调控微动的运行区域。但表面织构也带来有些问题,对于具有垂直方向织构的样品,当沟槽的间距为80μm并且微动磨损处于部分滑移区时,凸台上出现了裂纹和剥落的现象;对于有平行方向沟槽的样品,上层的材料逐渐将下层的材料挤向沟槽的中部和底部,进而对沟槽进行填充。最后,对比研究了 TC4合金与Cu-Ni-In涂层、TiNi合金间的微动磨损行为,发现TiNi合金展现出优于Cu-Ni-In涂层的抗微动磨损性能。当微动磨损处于滑移区时,Cu-Ni-In涂层能够有效降低摩擦系数,起到减摩的效果;TiNi合金具有较小的摩擦系数,甚至小于Cu-Ni-In涂层,也能起到有效的减摩作用。TiNi合金相比于Cu-Ni-In涂层,不仅对与之对摩的TC4合金造成的磨损更小,而且自身的抗磨损能力也更强。此外,TC4合金/TiNi合金在较高的载荷下有更大的系统形变量,即可以依靠自身的变形能力吸收更多的位移,进而减小两接触面之间的相对滑动。在一些希望微动磨损处于部分滑移区的工况中,TiNi合金具有应用潜力。

关键词： 齿轮   油液分析   深度学习   在线监测   磨损状态识别   寿命预测  

摘要： 齿轮是机械设备中最关键的部件之一,广泛应用于各种机电系统中。在复杂的工作条件和恶劣的环境下,齿轮的故障都会导致工业设备出现精度损失、生产率下降、停机检修时间增加甚至安全隐患上升等状况。因此对齿轮进行有效且准确的磨损状态识别以及寿命预测是十分必要的,可以实时掌握设备的运行状态,在发生故障之前,及时更换老化的齿轮,降低故障的发生率,避免重大安全事故的发生,实现预测性维护。在实际工况条件下,其他监测信号(如振动信号)易受环境因素的影响,噪声等因素都会影响其监测效果。而润滑油作为设备的血液,包含大量的磨损信息,且近年来油液分析技术的快速发展,尤其是油液在线监测手段的不断完善,使得依靠油液数据实现齿轮的实时状态监测成为了可能。深度学习技术有着强大的特征提取以及非线性数据建模能力,可以很好地提取油液数据中隐含的磨损信息,因此将油液在线监测技术与深度学习技术相结合,进行齿轮的磨损状态识别以及寿命预测研究工作。主要研究内容如下:首先,开展齿轮全寿命疲劳加速磨损试验,利用油液离线检测技术(理化分析技术、颗粒计数技术、PQ分析技术以及铁谱技术)对试验过程中采集的油样进行分析,同时使用油液在线传感器(电磁磨粒传感器、润滑油磨粒分析仪)实时采集油液数据,经对比分析,发现油液离线数据与在线数据随着设备的运行,变化趋势有着很强的一致性,验证了油液在线数据的可靠性,并依据油液数据将齿轮的磨损状态分为三个阶段:磨损初期、磨损中期和磨损后期。其次,使用卷积神经网络(CNN)模型对润滑油磨粒分析仪采集的在线铁谱图片进行分类识别,并通过数据增强方法优化小样本数据集的训练效果,对比分析了输入图片尺寸以及卷积核大小对于CNN训练效果的影响,最终使用CNN识别齿轮磨损状态的精度可达到92.57%。最后,将电磁磨粒传感器采集铁磁磨粒总量作为输入,通过门控双注意单元(GDAU)模型,对齿轮的剩余使用寿命进行预测,对GDAU短期以及长期的预测能力进行验证,并与其他寿命预测模型(LSTM\GRU)的预测能力进行对比,实验结果表明,GDAU有着良好的短期以及长期预测能力,相较于其他模型有着更快的收敛速度以及更高的预测精度。