高速干摩擦机械密封的端面变形及摩擦磨损

针对机械密封在高速干摩擦状态下,因设计不当产生端面过度变形和磨损而引起的密封失效问题,建立了热-结构耦合数值计算模型,分析了密封的温度场和端面变形。试验测试了静环温升,分析了动静环端面特征,探讨了高速干摩擦状态下的磨损机制。研究结果表明:建立的有限元模型能准确地预测密封的温度和端面变形,计算值和试验值相差小于11%;密封端面峰值温度对转速更敏感,随着运转时间的延长,温度先迅速增加后逐渐变缓;静环易产生锥度变形,造成端面接触压力和磨损不均匀,静环座的“匡正”作用能够改善这类变形;摩擦转移膜的存在状态对密封的温升、端面粗糙度起关键作用,动环表面喷涂Cr₂O₃等金属氧化物,能较好地保持致密的石墨转移膜,减轻密封的磨损。研究结果为机械密封的设计、优化和应用提供了基础。      

密封材料空间环境失效分析

对空间环境造成载人航天器密封材料的各种失效机理进行了分析。材料低温脆化,高温时表面脆化;真空时材料内挥发成份的溢出,使材料渗透性增大;辐照使密封件失去弹性：这些是空间环境中温度、真空和辐照使密封失效的主要原因。真空条件下,密封件挥发成份中的可凝物在光学元件表面的凝聚从而破坏表面光学特性,是密封设计中一个值得重视的现象。     

叶冠涂层材料接触刚度和微动磨损实验

采用能够测量由接触表面微动所导致迟滞现象的实验装置,对带有涂层材料的不同接触方式的实验件进行了接触刚度和微动磨损测试.通过接触刚度测试,研究了激振力幅值、激振频率和接触正压力对接触刚度的影响;通过微动磨损分析,研究接触方式和载荷条件接触表面形态的改变,以及工作时间对接触刚度的影响.通过分析和总结实验结果,阐述了干摩擦阻尼结构微动磨损的防护措施,为提高航空发动机结构部件的可靠性提供一定的理论依据和技术支持.     

多孔聚酰亚胺含油轴承保持架的磨损机理研究

在实际运转过程中,空间含油轴承保持架在兜孔、引导面上均表现出不同程度的磨损发黑现象,认清其磨损机理对于指导含油材料设计、提升空间轴承性能至关重要.采用冷压热烧结的方法制备了多孔聚酰亚胺(PPI)材料,通过打磨处理改变PPI表面形态,继而研究了表面形态对其摩擦磨损及摩擦界面输供油性能的影响,并在此基础上提出了含油材料的磨损模型.结果表明,PPI材料的磨损发黑源于孔隙边缘的微区承载,在高压载荷作用下孔隙边缘会发生剪切变形、断裂,产生的摩擦热会诱发聚酰亚胺材料或润滑油的分解和碳化.含油保持架的磨损会对轴承持续运转产生影响,孔隙边缘发生的剪切变形以及产生的磨屑会封堵保持架表面孔隙,破坏摩擦界面输供油路径,导致摩擦系数的波动和磨损的持续变大,对轴承的运转稳定性和摩擦噪音产生潜在的负面影响.     

端柱面组合密封气膜稳态特性数值仿真分析

针对航空发动机等高速流体机械中流体动密封部位的工况特点,提出一种新型的端柱面组合气膜密封形式.根据气膜密封的结构特点,建立了端柱面螺旋槽组合式密封气膜的数学分析模型.采用CFD分析软件Fluent对气膜三维流场模型以湍流流动形式进行数值模拟计算.研究了密封气膜几何结构参数变化对密封稳态特性（端面承载力F_d 、柱面承载力F_c 、泄漏量Q、摩擦转矩M）的影响.几何结构参数包括端面平均膜厚、端面槽深比、柱面平均膜厚、柱面偏心率、柱面槽深比、柱面槽宽比.      

钛合金的离子束改性

钛合金是航空航天工业常用的结构材料,它具有重量轻、强度高、抗腐蚀强等优良性能,但耐磨性较差.为提高其耐磨性,对TC4、TA7航材试件,采用溅射方法在其表面镀上钛膜,并用(N^＋＋N^＋₂)混合离子束进行动态反冲注入及单元素C^＋离子束注入两种方法,进行表面改性.精密摩擦、磨损试验及显微硬度测量结果,试件表面的滑动摩擦系数降低了64%~77%;磨损率减少了22%~48%;显微硬度提高0.3~1.4倍.证明离子注入有效地改善了合金表层的摩擦、磨损性能.对注入样品进行X射线光电子能谱(XPS)分析,发现注入后的钛合金表层,生成了大量的TiO₂,并析出TiN,TiC等金属化合物,这是降低摩擦系数,提高耐磨性的主要因素.添加C^＋离子注入的试件,其力学性能并无进一步改善,原因有待分析.     

聚合物基复合材料凸头螺栓连接研究进展

机械连接是聚合物基复合材料最典型的连接方式,因其在连接工艺性和可靠性方面的优势,使其在航空航天制造领域得到了广泛应用。对凸头螺栓连接聚合物基复合材料接头的研究进展进行综述。回顾了复合材料接头的机械连接形式,讨论了在拉伸加载下的失效过程,详细论述了复合材料接头的损伤模式;重点讨论了复合材料接头力学性能影响因素的研究进展,包括复合材料性能（纤维类型、增强体结构形式、纤维与金属混杂层板、铺层角度及比例、固化工艺、初始材料缺陷）、紧固件性能（紧固件刚度、钉头型式、螺栓直径、螺纹密封、间隙配合、干涉配合、紧固件缺失）、连接板性能、侧向约束（拧紧力矩、预紧面积、补偿垫片、接触面摩擦因素）、几何效应（复合材料板尺寸、板厚与孔直径比、层合板宽度与孔直径比、孔端距与孔直径比、螺孔形状、螺孔质量、螺孔位置误差）、载荷（静载荷、动态载荷、疲劳载荷、蠕变、松弛、温湿载荷）等;对聚合物基复合材料凸头螺栓连接的未来研究方向进行了展望。     

钛合金TB6铣削加工硬化实验

研究了使用涂层硬质合金刀具对钛合金TB6进行端铣加工时,铣削参数以及刀具后刀面磨损量对加工硬化（表面硬化率、硬化层深度以及硬化层硬度分布）的影响,以弄清TB6铣削硬化现象及机理.结果表明,在实验参数范围内,刀具无磨损的情况下,硬化率基本保持在107%~112%范围内,硬化层深度范围为18~36 μm;铣削速度增加时,加工硬化程度会有较为明显的降低现象,而进给量与切深对加工硬化的影响并不明显;刀具磨损对加工硬化的影响较为显著,后刀面磨损量低于0.2 mm时,硬化层深度随着磨损增加从30 μm增加至55 μm,而后刀面磨损量为0.35 mm时,硬化层深度达到了130 μm.刀具磨损后在加工表面下较浅位置出现软化区域,而且随着磨损量的增加,软化越来越明显.      

带有轮缘密封的涡轮动叶轮毂端壁造型

为通过主动端壁控制技术减弱轮缘密封流对主流通道的影响,基于轮毂端壁静压对高压涡轮动叶端壁非轴对称端壁造型,分析了转静间隙密封流与主流相互作用及端壁造型后损失减弱的效果。结果表明：非轴对称端壁造型后密封流对主流通道的堵塞减弱,主流质量流量增加,合理控制端壁造型幅值能够提升涡轮级工作效率;靠近动叶前缘向上凸起的端壁造型增加了轮缘密封腔出口位置的径向压力梯度,增大了燃气入侵与密封出流的强度;主动端壁控制技术降低了主流通道内的横向压力梯度和轮毂二次流结构径向位置,减弱了由密封流引起的二次流损失;密封流质量流量比为1.2%时,造型幅值为5%和8%模型二次流动能分别减少了1.18%和3.76%。     

高强度弹性合金的微孔铣削实验研究

使用超高精度加工中心进行了多组铣削3J33B高强度弹性合金微孔的铣削实验，使用Kistler 9119AA2型高精度测力仪测量铣削力，使用Keyence 3D激光显微镜测量已加工孔的尺寸，使用扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDS）测量刀具磨损。实验结果表明，在不同的切削速度条件下，主铣削力的Y方向分力（Y方向力）总是大于X方向分力（X方向力）。在铣削微孔过程中，使用高切削速度进行微细铣削成孔时，已加工孔的孔口直径尺寸误差会增大，严重影响尺寸精度。刀具磨损最严重的区域在刀尖处，并且发生磨损的区域基本集中在整个切削刃的钝圆和接近钝圆的后刀面处。当在低速切削时，磨粒磨损是刀具的主要磨损形式，然而，随着切削速度的提高，氧化磨损所占比例逐渐增大。已加工表面的弹性回复加剧了后刀面磨损，并影响切削稳定性。      

高速气膜镶装式浮环密封的开启特性

针对应用于航空发动机的高速气膜镶装式浮环密封, 探究密封在不同结构参数、启动方式、材料结合等多因素下的开启性能。建立镶装环-石墨环-跑道的固体域模型和气膜流体域模型, 得到了工作气膜厚度、气膜流场压力分布；计算密封受力, 得到了密封上浮力、闭合力和开启转速等密封开启性能参数。分析镶装环与石墨环的厚度比和宽度比、镶装环-石墨环配对材料、镶装环-跑道配对材料等因素对密封开启转速的影响。搭建浮环密封试验台和浮环位移监测系统, 通过试验验证了数值模拟结果。研究结果表明:浮环的镶装结构能有效改善升温时石墨环与跑道间隙减小而导致密封失效的问题；镶装环材料是影响密封开启性能的敏感参数, 密封开启性能随材料线膨胀系数的升高而快速降低；镶装环与跑道的材料配对情况是影响密封开启性能的重要因素, 镶装环与跑道材料相同时, 石墨环与跑道处于“恒间隙”状态, 在复杂温度工况下密封的开启性能更加稳定；不同的工作机组启动方式对密封开启性能影响较大, 发动机采用将转速增加至工况转速再增压的启动方式时密封开启性能最好；浮环密封在高转速、高压力工况下因转速、压力变化产生的密封扰动值更大, 浮环密封应避免在较高压力和转速下长时间调节工况参数。研究结果为航空发动机镶装式浮环密封的结构设计、材料选用、系统设计的研究提供了参考。      

影响三瓣式高速浮环密封性能的敏感参数

针对应用在液体火箭发动机上的三瓣式高速浮环密封（TFRS），揭示密封在复杂多变工况下的泄漏特性和磨损特性，得到影响密封特性的敏感参数，促进高速密封技术的发展。针对压力、转速和密封周向弹簧比压等关键敏感参数，数值模拟了密封的泄漏率变化规律，试验测量了密封环的泄漏率和磨损率。研究结果表明:泄漏率和磨损率都随压力增大而增大；转速对三瓣式高速浮环密封磨损率敏感，对密封泄漏率不敏感，随着转速的增加，磨损率增大较快，泄漏率减小较慢；随着密封周向弹簧比压的增大，前期密封周向弹簧比压对泄漏率敏感，此时泄漏率变化幅度较大，磨损率变化幅度较小，后期密封周向弹簧比压对磨损率敏感，此时磨损率变化幅度较大，泄漏率变化幅度较小，密封周向弹簧比压在适当范围内时，泄漏率和磨损率都较小。研究结果为液体火箭发动机三瓣式高速浮环密封的设计、实际应用和深入研究提供了基础。      

气膜密封阻尼结构的气膜稳态特性分析

针对航空发动机等高速旋转机械的气体动密封和转子系统的振动问题,提出一种新型的带金属橡胶弹性外环的气膜密封阻尼结构,其作用是在转静子之间建立气膜用于阻尼和封严,高弹性阻尼材料的外环用于控制气膜的动力特征.基于准静态法建立转子-气膜-金属橡胶外环三者之间的流固耦合关系,采用有限差分法求解气膜压力场,得到表征气膜密封阻尼结构稳态特性的气膜力、泄漏量和摩擦转矩随参数变化的规律.计算结果表明:弹性外环能有效地改善气膜压力场的分布.具有良好稳态性能的结构参数选取范围应结合实际工况确定.在给定的工况条件下,长径比取1.5,密封间隙取0.05mm,柔性系数在2左右为佳.      

O形圈密封载荷衰减研究

对两种硅橡胶材料O形圈的载荷衰减规律进行了试验研究,结果发现,O形圈的载荷衰减规律与O形圈材料的性能有关;温度对O形圈的衰减规律也有很大影响,温度越高,O形圈的载荷衰减速度越快.在试验的基础上对O形圈载荷衰减的理论模型进行了研究,采用无穷多个Maxwell模型并联的方式,找到了一个能较好地表示O形圈载荷衰减规律的模型.      

静载荷作用下金属橡胶失效判据及耐久性试验

金属橡胶(MR)材料由于其出色的阻尼性能广泛应用在各种减振、隔振、抗冲击结构系统中,掌握其失效判据和准确预测其耐久性是关系到整个系统能否安全可靠工作的重要问题。针对MR构件在静载荷持续作用下的失效判据和耐久性展开了试验研究。结果表明:从结构尺寸变化量和力学性能蜕变量2个方面定义MR的失效判定参数合理可行,通过确定阈值可判定MR是否失效并给定耐久寿命。随保载时间的增加,MR的失效评定参数(结构尺寸变化量和力学性能蜕变量)呈现明显的阶段性变化,能分别反映MR材料内部微观结构及受力状态随持续静载荷的变化。在本试验中,无论保载载荷大小,MR结构在总试验时间未表现出结构尺寸失效。而MR保载载荷的增大会显著削弱其力学性能耐久寿命,导致割线模量蜕变量过大,MR构件表现出力学性能的明显失效。      

基于多场耦合建模与Bootstrap方法的滑环可靠性评估

导电滑环作为卫星太阳电池矩阵驱动机构的核心部件,其可靠性关系到卫星寿命的长短,由于空间用滑环寿命试验费用昂贵、试验周期长、样本数据量少等特点,无法获取大样本寿命数据,利用传统大样本数据进行统计推断,从而进行可靠性评估的方法存在困难。因此提出一种基于摩擦磨损模型的可靠性评估方法,应用赫兹理论、传热学方法分别计算摩擦副磨损过程中的接触区域变化和温度变化,量化热力电多场耦合对摩擦副磨损的影响,提出基于粘着磨损的多物理场耦合磨损模型,基于该模型得到的寿命数据,运用改进Bootstrap方法得到滑环寿命分布的参数估计,最后与传统可靠性预测方法结合,得到一系列滑环可靠性指标。方法对比结果表明,改进Bootstrap方法不仅具有较高的评估精度,还具有主观性小、适用性强的特点,由该方法所得的各可靠性指标均符合工程实际,具有很强的工程应用价值。      

复合材料混合连接结构拉伸性能与影响因素分析

胶螺混合连接设计适当,能够提高结构的连接效率.针对复合材料胶螺(螺钉)混合连接结构中存在的分析与设计问题,在ABAQUS软件平台上建立了损伤累积三维有限元模型,其中考虑了胶层物理非线性以及非线性接触等问题,连接结构拉伸强度及损伤破坏过程的计算结果与试验结果基本吻合,证明了所建模型的有效性.在此基础上,研究了复合材料层合板端头翻边、胶层厚度、胶层韧性以及接触面摩擦系数等因素的影响.结果表明:复合材料层合板端头翻边对混合连接结构具有增强作用,能够提高结构的拉伸强度;韧性胶层能够提高结构的拉伸强度,但胶层厚度对结构的强度基本没有影响;螺钉杆与连接孔接触面间摩擦系数越大,连接结构的拉伸强度越高.