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关键词： 刀具磨损机制   图像处理   信号处理   神经网络   刀具磨损监测系统  

摘要： 钛合金由于其出色的材料特性,被广泛应用在航空航天、生物医学、汽车等领域。然而由于钛合金的难加工性,使得铣削钛合金过程中的刀具极易磨损,严重影响工件的表面质量。因此,以刀具磨损问题为核心,探究钛合金铣削过程中的刀具磨损机制并且实现监测刀具磨损量都具有非常重要的实际意义。本文以刀具磨损机制分析为基础,并通过图像处理与信号处理的方法实现刀具磨损量的监测识别进行研究。 本文的研究内容主要包含以下方面: (1)钛合金铣削刀具磨损实验及光学显微镜分析铣刀主后刀面的磨损过程及磨损形式;通过扫描电镜及能谱仪分析主后刀面与副后刀面的磨损机理;激光显微镜拍摄并测量不同刀具磨损量下铣削加工的表面形貌及表面粗糙度,分析刀具磨损对表面形貌及表面粗糙度的影响;对不同磨损量下铣削的切屑观察,分析切屑形态的差别及原因。 (2)搭建铣刀磨损在位检测图像采集平台,结合数控机床的主轴准停功能,固定角度下分别拍摄主后刀面磨损前后的图像,图像处理提取原始侧刃边线及磨损区域轮廓,标定转化得到实际磨损量。通过实验对比图像处理识别磨损量和显微镜测得磨损量,验证该在位检测系统具有较高的磨损量识别精度。 (3)搭建多传感器信号采集平台,通过刀具磨损信号采集实验,采集切削加工过程中的铣削力信号及加速度信号,显微镜离线测量磨损量。对信号做截断及Hample滤波的预处理,并基于时域分析、频域分析及时频域分析提取特征。其中部分特征表现与刀具磨损量良好的相关性,皮尔逊相关性分析挑选与刀具磨损高度相关的特征参数,将高度相关的特征重构为特征矩阵。 (4)采用GA-BP神经网络预测磨损量,将大量实验数据样本输入神经网络中训练,测试集验证该模型可准确预测得到磨损量。通过LabVIEW和MATLAB开发刀具磨损监测系统,其具有信号采集、信号预处理、特征提取及磨损量预测的功能,并通过后续实验验证该系统的实用性。

关键词： 电磁发射装置   摩擦磨损   仿真模拟   时空分布  

摘要： 在电磁轨道炮的发射过程中,往往伴随着高速相对滑动以及高额电流、高额磁场等极端的工作条件,这将会导致各种类型的损伤。尽管电磁发射技术近些年来不断地发展,但电枢与轨道之间的高速滑动造成的摩擦磨损却无法避免,这使得摩擦磨损成为制约电磁轨道炮使用寿命的严重问题。本文将对电磁发射过程中枢轨磨损分布规律进行研究,并在此基础上对多种影响因素进行模拟。具体工作内容如下:针对电磁轨道炮发射过程的特点,对发射装置进行了热源分析并模拟考虑接触电阻以及摩擦两种因素下温度场,与电磁场及结构场耦合进行仿真;使用Archard磨损模型对电磁发射不同时刻磨损时空分布进行分析;根据发射过程的特点进行分段,总结各个阶段内枢轨磨损的时间空间分布。结果显示,轨道磨损主要集中在轨道前中段,而发射后期电枢高速运动且枢轨接触压力减小,应注意保证良好接触以防止发生失稳现象。采用控制变量的研究方法对多种影响因素变化产生的影响进行模拟。研究了更换枢轨材料为铜质电枢和钢质轨道组合、电源激励为梯形波形、不同磨损系数以及连续发射数次这四种情况下的枢轨接触状态和磨损时空间分布并进行分析讨论。结果显示使用梯形电源波形可以大幅减少枢轨磨损量并提高电枢的加速效率从而减少轨道长度;材料组合以及磨损系数的变化仅造成数值区别而不影响磨损的分布规律;多次发射时持续劣化的接触环境可能会产生预期之外的损伤。本文以仿真模拟的方式对电磁发射装置的轨道磨损进行时空分布分析,从多种因素出发探究影响枢轨磨损的因素,对完善电磁发射装置的设计及应用提供重要支持。

关键词： 滑动电接触   表面形貌   图像处理   表面粗糙度   磨耗特征  

摘要： 弓网摩擦副由受电弓滑板与架空接触线组成,接触线在受电弓滑板表面往复摩擦来传递电能,因此受电弓滑板的磨损是不可避免的。随着我国铁路系统的不断发展,弓网摩擦副所承受的载流量不断增加,列车速度逐渐提高,同时弓网电弧现象越来越频繁,使摩擦副的接触条件不断恶化,导致摩擦副的磨损加剧,缩短摩擦副使用寿命。滑板表面磨耗形貌在不同运行条件下会发生改变,且这种变化难以用肉眼观察。相较于从宏观角度分析受电弓滑板,借助金相显微镜与表面粗糙度仪等仪器可以更清晰地观察滑板磨耗后微观变化的状态特征。因此,本文从微观角度出发探究滑板表面磨损的变化规律。为探究弓网系统受电弓滑板在不同接触电流、接触压力和滑动速度条件下的特性,开展了弓网载流磨损实验。为了统计分析滑板的表面形貌特征,对实验后的滑板磨损区域分块多次测量,分别使用金相显微镜与表面粗糙度仪采集了滑板表面的形貌图像与粗糙度参数,粗糙度参数包括轮廓算术平均偏差R和最大轮廓谷深R。为准确计算滑板表面凹坑面积和数量,使用一种基于粒子群优化的Otsu大津算法的图像处理方法,将凹坑部分从形貌图像中提取并进行标记计算,并计算出犁沟的宽度与间距。分析了不同工况下摩擦副的载流效率、电弧能量、摩擦系数和温度对弓网系统摩擦磨损的影响,统计分析了不同工况下凹坑面积、凹坑数量、犁沟面积、犁沟宽度、犁沟数量、犁沟间距和粗糙度参数的变化情况。随着接触电流的增大,凹坑面积和数量增加,粗糙度参数减小。随着接触压力的增大,凹坑面积减小,凹坑数量先减小后略有增大,粗糙度参数减小。随着滑动速度的增大,凹坑面积、数量和粗糙度参数都增大,滑板表面犁沟现象均随着运行参数的增大而加重。为了进一步研究滑板表面特征,定义磨损面积与磨损图像总面积的比值为磨损面积率。当接触电流和滑动速度增大时,滑板磨损面积率增大。当接触压力增大时,磨损面积率先减小后微弱增大。建立了接触电流、接触压力和滑动速度与滑板磨损量的模型,并证明模型有效性。该论文有图61幅,表5个,参考文献64篇。

关键词： CoCrW合金   海水   摩擦   滑动磨损   磨损机理  

摘要： 海洋资源的开发利用需要先进的海洋工程设备作为支撑,复杂的海洋环境下摩擦磨损是影响设备关键零部件可靠性和使用寿命的重要因素,开发在海水环境下具有优异耐磨性的新材料迫在眉睫。本文采用粉末冶金方式制备CoCrFeW合金,研究其在海水环境下的摩擦磨损行为,在此试验基础上对合金成分配比进行优化,制备CoCrFeWMo合金,系统性研究速度、载荷和海水盐度对合金摩擦学性能的影响。采用粉末冶金的方式制备四种不同W含量(0 wt.%、4 wt.%、8 wt.%和12 wt.%)的CoCrFeW合金,分析微观结构,研究其在海水和蒸馏水环境下的摩擦学性能。烧结过程中W起到固溶强化和细晶强化作用,Cr吸收氧原子杂质,净化晶界并提高合金耐蚀性。海水和蒸馏水环境下合金摩擦系数和磨损率均随速度和载荷的增加而降低。海水环境下合金表现出更佳的耐磨性,海水作用下产生的腐蚀产物和海水组分自反应产物起到润滑作用,一定程度提升合金摩擦学性能。适量W的添加显著提升了合金的承载能力,使合金耐磨性增强,添加8 wt.%W的试样CW8表现出最佳耐磨性,磨损机制主要为磨粒磨损。进一步对CoCrFeW合金成分配比进行优化,添加7.5 wt.%Mo制备CoCrFeWMo合金,研究其在海水环境下的摩擦学性能。试样摩擦系数随载荷增加呈现出先降低又升高,而后又降低的趋势,磨损率随载荷增加而降低。随速度增加试样摩擦系数和磨损率均呈降低趋势。相较于CoCrFeW合金,CoCrFeWMo合金磨损率降低约1/5,最低达0.8×10 mm/N·m,表现出更优异的耐磨性。磨损机制主要为磨粒磨损。Mo的添加显著提升了合金在海水环境下的抗磨损性能。针对工程设备需在不同盐度海水环境下工作的问题,配制盐度分别为2%、3.5%和5%的三种人工海水,研究CoCrW合金在不同盐度海水环境下的耐磨性。2%盐度海水中,试样摩擦系数随载荷增加呈现出先降低后上升,而后又降低的变化趋势,随着海水盐度逐渐增加,摩擦系数趋于单调降低。三种盐度海水中试样摩擦系数均随速度增加而降低,且相同试验条件下,摩擦系数随海水盐度增加而降低。不同盐度海水中,试样磨损率随载荷和速度增加均呈降低趋势,而相同试验条件下,试样磨损率随海水盐度增加先降低后升高。合金试样在3.5%盐度海水中表现出最佳耐磨性,磨损机制主要为磨粒磨损。

关键词： FCC催化剂   直管法   磨损指数   流量计算算法  

摘要： 针对常规测试仪为满足标准要求，必须手动操作，存在自动化程度低、数据重复性差等问题，开发了一套新型FCC催化剂直管磨损指数测定仪。该测定仪优化了沉降器敲击方式和气体加湿方式，并提出了一种基于理想气体方程的磨损流量动态补偿计算算法，使得试验全程工况大幅变化时催化剂磨损区气流线速保持恒定，且基于PLC和图形化人机界面设计了装置自动控制系统。实验结果表明，该测定仪测得的催化剂磨损指数比实测标准偏差均低于5%,重复性好。

关键词： 矿浆管道   临界流速   摩阻损失   磨损风险评估  

摘要： 近年来,长距离管道输送已成为当今社会除公路,铁路,航运,水运外的第五大主要运输方式,呈现蓬勃发展的态势。它在海底开采、煤矿和金属矿山等领域中的应用越来越广泛,所提供的优越性和便利性已远超过目前其他四种运输方式,但是,关于矿浆管道输送理论的研究有待进一步完善。临界流速和摩阻损失是矿浆管道输送过程中的关键参数,对其进行预测能够保证管道长期安全稳定运转。同时管道发生磨损会直接造成经济生产成本的提高,因此对矿浆管道的磨损风险等级进行评估具有极其重要的现实意义。本文基于国内外矿浆管道研究现状,在分析矿浆管道输送参数与磨损风险的基础上,结合矿浆管道相关试验数据对以下三个方面进行深入研究:第一部分,长距离矿浆管道临界流速预测研究。在该部分中,利用Mixup算法扩充临界流速的原始数据,并将扩充后的数据输入到SSA-CNN模型中,确定较为精准的临界流速值从而为后续的摩阻损失预测提供理论依据;第二部分,长距离矿浆管道摩阻损失预测研究。以第一部分预测得到的临界流速值作为主要影响因素,构建IMVO-LSSVR组合预测模型,通过改进传统MVO算法中的虫洞旅行距离和全局变量的更新机制,对LSSVR中的正则化参数γ和核宽度参数σ进行优化选取,进而提高矿浆管道摩阻损失模型的预测精度;第三部分,矿浆管道磨损风险等级评估。选取前两部分中临界流速和摩阻损失较大的管道进行风险评估,构建基于CRITIC-云模型的磨损风险评估模型,利用云模型计算不同风险等级下的单指标确定度,并结合CRITIC法计算磨损风险指标的权重值,从而判断矿浆管道的磨损风险等级,以国内4家矿山系统作为样例进行分析,验证该组合模型的科学性与准确性。研究结果表明:本文提出的组合模型为矿浆管道临界流速和摩阻损失预测的研究工作提供了参考依据,且模型具有较好的预测性能,能够准确计算矿浆管道实际输送参数值,同时CRITIC-云模型能够具体量化矿浆管道磨损风险情况,评估结果与矿山实际情况相符,可为矿浆管道输送系统的安全管理与风险防范提供参考依据。

关键词： 充填料浆   管道输送   数值模拟   冲蚀磨损   风险评估  

摘要： 管道输送是矿山充填开采中常用的技术手段,由于充填体材料配比与管道构造复杂等原因,充填管道产生磨损破坏的事件时有发生。为了解决整个充填系统因为输送管道发生磨损破坏而失去稳定性的难题,本文综合运用理论分析与数值模拟的手段对各类因素与充填管道磨损失效之间的作用机理进行研究,并且针对实际矿山充填工程情况构建了管道磨损风险评估体系。本文主要的工作与研究成果如下:(1)采用Fluent软件模拟料浆在常见的变径弯曲管道中的输送过程,基于单因素分析法从管道特性、充填技术、浆体特性分析了多种因素对管道冲蚀磨损的作用规律。结果表明:最大冲蚀速率会随出入口管径比增大而逐步减小,当管径比超过0.85时管道整体的冲蚀面积与范围出现骤减变化;入口流速由0.8m/s增至2m/s后,管道的冲蚀区域迅速发展,最大冲蚀速率与冲蚀区域表现出较强的一致性,增幅约43倍;冲击角度在0°～90°范围内变化时,冲蚀面积不断缩小,最大冲蚀速率呈现先上升后下降的趋势,并且在冲击角度为30°时达到峰值。(2)采用灰色关联分析法计算得出各比较因素与管道冲蚀速率的关联度大小排序为:入口流速>变径段长度>粗糙度>弯曲角度>平均粒径>形状系数>质量流率>冲击角度>质量浓度>管径比。(3)基于AHP—SPA理论构建了充填管道磨损风险评估模型,对孙村煤矿与华泰煤矿充填系统做出全面分析,得出孙村煤矿与华泰煤矿的风险等级分别为较大磨损风险与一般磨损风险,并依据评估结果对两座煤矿的充填工程应用做出合理优化。