刷式密封刷丝摩擦磨损特性实验研究

建立了基于柱面圆周摩擦的直接测力法与间接转矩法两种刷式密封摩擦因数实验识别模型,设计搭建了刷式密封摩擦磨损特性实验装置,设计加工了8种不同结构参数的刷式密封实验件,实验对比分析了两种摩擦因数识别模型的实验结果,研究了结构参数对刷丝与转子表面正压力影响、工况参数对刷丝摩擦因数影响、干涉量对刷丝磨损影响。结果表明：直接测力法与间接转矩法测得的刷丝摩擦因数彼此相差较小,直接测力法稳定性优于间接转矩法。刷式密封刷丝与转子表面静态和动态正压力均随后挡板保护高度的增加而增大,随刷丝径向长度的增加而减小,随刷丝束厚度的增加而增大;相同干涉量下,静态正压力大于动态正压力;刷式密封刷丝与转子表面正压力在干涉加载阶段大于干涉卸载阶段,在转速升高阶段大于转速降低阶段,刷丝表现出滞后效应。刷式密封刷丝摩擦因数随刷丝与转子间干涉量的增加而降低,随转子转速的增加而降低;随摩擦时长增加,摩擦因数在磨损初期先迅速降低,之后基本保持稳定。刷式密封刷丝磨损量随刷丝与转子间干涉量的增加而增大,刷丝与转子间干涉量由0.3 mm增加至0.4 mm时,刷丝磨损量增大了296.66%。     

刷丝磨损对刷式密封泄漏流动特性影响数值与实验研究

采用有限元分析与计算流体力学相结合的方法,建立了考虑刷丝磨损的刷式密封泄漏流动特性求解模型,设计搭建了基于柱面圆周摩擦形式的刷式密封摩擦磨损特性实验装置,实验研究了刷丝与转子间正压力特性,在实验验证数值计算准确性的基础上,研究了刷丝磨损对刷式密封泄漏流动特性的影响规律。研究结果表明:从刷丝束上游到下游,刷丝与转子间正压力和刷丝磨损长度均先减小后增大;刷丝磨损长度随干涉量、刷丝直径的增加而增大,随压比、刷丝长度的增加而减小。考虑刷丝磨损的刷式密封泄漏量随压比、干涉量、刷丝直径的增加而增大,随着刷丝长度的增加而减小。提出泄漏量变化率表征刷丝磨损对刷式密封泄漏特性的影响程度,泄漏量变化率随刷丝直径的增加而增大,随着刷丝长度和压比的增加而减小;在压比为2.5的工况下,当刷丝直径从0.09 mm增至0.11 mm时,泄漏量变化率从9.53%增至19.18%;当刷丝长度从15.556 mm增至17.556 mm时,泄漏量变化率从13.47%降至5.38%。增加刷丝长度并减小刷丝直径可以降低刷丝磨损对刷式密封封严性能的影响。      

圆弧型指尖密封磨损计算方法及其特性研究

指尖密封是一种新型的接触式密封技术,磨损的存在制约着其密封性能的提升。为揭示圆弧型指尖密封磨损规律,根据其结构特点分析了指尖封严的磨损过程,构建了指尖密封体积磨损量关于时间的一阶线性非齐次微分方程,求解得到指尖密封中磨损量和磨损率计算的数学计算模型,并研究了结构参数对指尖密封磨损的影响。研究结果表明：指尖密封的体积磨损量随磨损时间呈指数增加趋势,初始阶段体积磨损量增加速度快,并随着磨损进行逐渐变慢,最终趋于某一定值;指式封严的磨损率随磨损时间的增加而呈指数趋势减小,开始阶段磨损率很大,随着磨损时间逐渐减小,最后磨损率逐渐趋于零;对指尖密封磨损快慢影响程度由大到小依次是：指梁厚度、指梁根圆、指梁顶圆、指梁基圆、指梁型线圆、周向角、指梁间隙。获得的结构参数对圆弧型指尖密封磨损特性影响规律,为圆弧型指尖密封性能优化提供了理论依据。     

基于流固耦合的刷式密封泄漏特性理论与实验

理论与实验两方面研究了刷式密封泄漏流动特性及影响因素。建立了考虑刷丝变形的刷式密封泄漏流动特性流固耦合理论模型,实验研究了刷式密封泄漏量随进出口压比和转速等的变化规律,并与理论求解模型对比验证。在此基础上,运用理论模型分析了不同结构参数对密封泄漏量的影响规律,验证了构造的刷式密封泄漏量理论计算公式的准确性。研究结果表明:径向间隙一定时,刷式密封泄漏量随压比的增大而近似线性增加,转速对刷式密封的泄漏量影响不大;刷丝直径和刷丝间隙通过影响气体在刷丝束区域有效流通面积来影响泄漏量,有效流通面积越小,泄漏量越小;反之,则越大;随着刷丝直径、刷丝轴向排数的增大,刷式密封泄漏量逐渐降低;随着刷丝间隙的增大,泄漏量逐渐增大;随着后挡板保护高度、刷丝与后挡板轴向间隙的增大,泄漏量先显著增大后缓慢增加,最后趋于稳定;所构造的泄漏量理论公式可以准确预测刷式密封的泄漏量,为刷式密封结构优化设计提供理论依据。      

基于ALE流固耦合方法的刷式密封泄漏特性理论与实验研究

现有刷式密封流固耦合求解模型因刷丝变形接触导致网格畸变而难以计算。本文提出了基于ALE (Arbitrary Lagrange-Euler)流固耦合方法考虑刷丝变形接触的三维瞬态双向流固耦合求解模型,设计搭建了刷式密封泄漏特性和可观测刷丝运动轨迹的实验装置。实验研究了刷式密封刷丝运动状态对泄漏特性的影响,不同压比条件下的泄漏特性变化规律,在验证刷式密封流固耦合求解模型准确性基础上,数值分析了不同时刻刷式密封速度分布与刷丝运动状态,并研究了不同结构参数对泄漏特性的影响规律。研究结果表明:基于ALE流固耦合方法解决了传统刷式密封求解模型因刷丝变形接触导致网格畸变而难以计算的问题,可准确计算刷式密封流场特性和力学特性;刷式密封刷丝吹下效应会降低泄漏量,刷丝颤振现象主要发生在气流入口处的前排刷丝域,会引起泄漏量增大,在气流力作用下,刷丝束轴向厚度变小,有利于减小泄漏量;在本文研究条件下,刷丝固定端与自由端的中间部位最先发生变形,随着时间的变化,气流速度逐渐趋于稳定,最大速度出现在末排刷丝与后挡板接触位置,刷丝自由端变形最大;刷式密封泄漏量随径向密封间隙的增大而增大,与径向密封间隙0mm时相比,径向密封间隙0.2mm时泄漏量增加了51.6%～62.8%。随着刷丝排数的增大,泄漏量逐渐减小,当刷丝排数大于25排时,其对泄漏量影响较小。随着刷丝间隙、刷丝与后挡板之间的轴向间隙、后挡板保护高度的增大,泄漏量先逐渐增大后趋于平缓。     

基于能量法的刷式密封刷丝颤振流固耦合研究

为了研究刷式密封刷丝颤振特性,采用能量法及双向流固耦合与动网格技术,建立了刷式密封刷丝颤振特性瞬态流固耦合求解模型,将数值模型结果与理论模型和实验结果分别进行验证;在此基础上,从非定常气动力做功角度分析刷丝的变形规律,研究了刷式密封结构参数对刷丝颤振特性的影响。结果表明:非定常气动力做功与刷丝变形运动随时间均呈振荡变化趋势;后挡板保护高度从2.1~3.6mm,刷丝长度从4.0~5.5mm以及刷丝直径从0.13~0.19mm非定常气动力做功减少,有利于抑制颤振的发生;刷丝间隙及刷丝束与后挡板轴向间隙的变化对刷丝颤振影响不大。     

多级刷式密封级间压降分配影响因素数值与实验研究

多级刷式密封级间压降分配直接影响刷式密封的封严特性和使用寿命,现有多级刷式密封结构存在各级压降不均衡导致密封提前失效的问题。本文建立多级刷式密封三维实体流固耦合求解模型,设计搭建多级刷式密封实验装置,在数值计算与实验测试结果相互验证的基础上,研究了工况参数与结构参数对多级刷式密封级间压降分配的影响规律,揭示了多级刷式密封级间压降不均衡性的产生机理。研究结果表明：在本文研究工况下,相同结构的两级刷式密封各级压降占比分别为32%~35%和65%~68%,三级刷式密封各级压降占比分别为21%~27%、27%~32%、41%~52%,多级刷式密封各级承担压降逐级增大,进出口压比对级间压降分配影响不大;增大刷丝束与转子表面间径向间隙、刷丝之间间隙以及后挡板高度均可改善各级压降分配,同时也会增加泄漏量;影响多级刷式密封级间压降均衡性的主要原因是逐级不均匀增大的体积流量,各级压降随体积流量逐级不均匀的增加而增大;增大下游级流道截面积可有效降低体积流量,平衡多级刷式密封各级压降。本文研究结果为多级刷式密封结构设计提供了理论依据。     

刷式密封摩擦热效应数值与实验研究

刷式密封刷丝与转子表面高速接触摩擦产生的摩擦热效应直接影响刷式密封封严性能和使用寿命。基于刷丝-转子系统热固耦合方法建立了刷式密封摩擦热效应数值求解模型,设计搭建了刷式密封摩擦热效应实验装置,应用热成像仪实验研究了刷丝温度分布特性,在实验验证刷丝-转子系统热固耦合数值求解模型准确性基础上,研究了转速、干涉量、刷丝安装角、摩擦时长、刷丝束厚度、后挡板长度对刷式密封摩擦热效应的影响。研究结果表明：刷式密封刷丝温度数值计算与实验测量平均误差为8.9%,建立的刷丝-转子系统热固耦合模型具有较高准确性。实验研究得出刷式密封最高温度随刷丝束厚度增大逐渐增大;刷丝束最高温度随着后挡板长度减小而逐渐降低;最高温度随干涉量的增大逐渐增大,0.4 mm相较于0.3 mm干涉量最高温度升高了59.0℃,随着摩擦时长增大,刷丝与转子磨损量减小,温度逐渐下降。数值计算得出刷丝束应力最大值出现在刷丝固定端,接触变形最大值出现在中排刷丝尖端,最大温度值出现在刷丝自由端。刷式密封最高温度随着刷丝安装角的增大而降低;最高温度随着转速的上升逐渐增大,2 000 r/min转速相对于600 r/min转速最高温度提高了4....     

基于多孔介质局部非热平衡方法的刷式密封耦合传热特性

建立了刷式密封流动传热与摩擦接触的多物理场耦合分析的计算模型.推导了描述刷式密封在局部非热平衡条件下耦合传热过程的双能量方程,该方程既考虑了刷丝与气流的对流换热,同时也考虑了刷丝束内导热过程的各向异性.采用所建立的耦合计算模型数值预测了刷式密封在不同压比和转速下的温度分布.结果表明:刷式密封的摩擦热效应使刷丝与转子相接触的附近区域形成局部高温,刷丝的高温区域主要集中在围栏高度以下;泄漏气流与刷丝间强烈的对流换热使刷丝的温度分布和气流的温度分布非常相近;刷丝的最高温度随压比增大而升高,但围栏高度以下区域的平均温度随压比增大而降低;刷丝的最高温度和围栏高度以下区域的平均温度均随转速升高而升高;摩擦热效应引起的泄漏气流的温升效应使刷式密封泄漏量随转速升高而减小.      

基于正交试验法的刷式封严泄漏特性数值研究

为了研究刷式封严的泄漏特性,针对刷环外径Do,刷环内径Di,刷丝直径d,刷丝排列角度β,刷束厚度B,后挡板保护高度HF以及上下游压差Δp,环境温度T和转子转速N等9个影响刷式封严泄漏特性的主要参数,依据正交试验原理设计了32个封严结构模型,对零间隙配合时各参数对泄漏特性的影响进行了数值研究。研究结果表明:在给定的参数范围内,上述参数对刷式封严泄漏量的影响程度有明显区别,其影响程度由主到次的顺序为:Δp→Di→Do→B→d→HF→β→T→N。根据以上正交试验结果可以推断泄漏量最小的刷式封严结构,并用数值计算证明了其泄漏量最小。     

TiAlN涂层刀具高速铣削GH4169刀具磨损形貌及机理分析

针对难加工镍基高温合金GH4169切削过程中刀具磨损严重、加工效率低下、成本高等问题,使用新型PVD-TiAlN涂层硬质合金刀具高速铣削GH4169,获得了刀具的磨损形貌.采用电子扫描显微镜(SEM)观测了刀具的磨损形貌,通过能谱分析仪(EDS)分析了磨损刀具表面的元素分布,并对刀具的主要磨损机理进行了分析.结果表明:TiAlN涂层刀具高速铣削GH4169时,刀具的磨损形态主要表现为微崩刃、微裂纹和剥落,刀具的磨损机理主要为粘结磨损、氧化磨损和扩散磨损.     

Mechanical wear debris feature,detection, and diagnosis: A review

Mechanical debris is an important product of friction wear, which is also a crucial approach to know the running status of a machine. Many studies have been conducted on mechanical debris in related fields such as tribology, instrument, and diagnosis. This paper presents a comprehensive review of these studies, which summarizes wear mechanisms (e.g., abrasive wear, fatigue wear, and adhesive wear) and debris features (e.g., concentration (number), size, morphology, and composition), analyzes detection methods principles (e.g., offline: spectrograph and ferrograph, and online: optical method, inductive method, resistive-capacitive method, and acoustic method), reviews developments of online inductive methods, and investigates the progress of debris-based diagnosis. Finally, several notable problems are discussed for further studies.     

基于人工智能技术的磨粒显微形态学分析

基于颗粒显微形态学分析理论，建立了一套磨损微粒显微特征描述体系。首先应用这套特征参数描述体系，提取磨损微粒形态中蕴涵的特征信息，然后综合使用自动聚类、人工神经网络和其他的人工智能分析方法进行磨损微粒的综合分析与识别。本项技术已经在航空发动机磨损故障诊断中得到了实际应用。     

民机缝翼滑轨机构磨损分析研究

民用飞机缝翼结构中滚轮滑轨机构的可靠性对飞行安全有着重要的影响。本文针对滚轮滑轨机构运动副表面的磨损机理进行分析,分别分析了滑轨几种磨损模式下的破坏机理,并针对降低滚轮滑轨机构的磨损量提出了几点建议。为民用飞机缝翼高寿命和高可靠性做了基础研究工作。     

电火花铣削加工中工具电极损耗补偿策略研究

在电火花铣削加工中,由于工具电极作旋转运动,其损耗呈轴对称分布,使工具电极的补偿成为可能。本文对工具电极的损耗形状进行了研究,提出一种在线工具损耗补偿措施,从而避免了工具损耗形状的检测,极大地提高了生产效率和加工精度     

机构磨损可靠性

首先简述了磨损的常规失效判据,然后提出了磨损可靠性的安全裕量方程,给出了可靠性计算公式。用算例阐明基本概念及方法思路。最后对防止粘着磨损咬卡提出了合理的设计准则。对极限磨损量的代表性作了说明。     

电连接器接触件微动磨损有限元仿真分析

航空电连接器在服役过程中受到振动、冲击或温度变化等外界激励时,内部的接触件可能会发生微动磨损,导致接触界面的匹配状态发生变化,影响信号和功率传输。基于 Archard模型,对接触件微动磨损行为进行了理论分析和有限元仿真分析。通过对某微动磨损试验的数据进行分析,计算了镀金铜合金的磨损系数,并用于微动磨损仿真当中。通过仿真分析,得到了表面接触在不同微动周期的状态变化规律、变形和应力分布情况,发现接触区域表面和近表面的中心位置有明显的应力集中现象,接触状态在第 1∕4和 3∕4周期之后,会由滑动接触转变为黏着接触,状态的变化具有迟滞效应,微动磨损量随着微动距离的增加而线性变化。     

TC4钛合金微弧氧化涂层的制备与微动磨损性能研究

采用自制的微弧氧化装置,在TC4钛合金表面制备了微弧氧化涂层,利用维氏硬度计、轮廓仪、SEM、EDX和XRD等设备对涂层进行了表征,并与GCr15钢球对磨,以研究其微动磨损特性.结果表明:涂层主要由锐钛矿型、金红石型TiO2和少量Al2O3等相组成,表面较粗糙,为典型的高硬度多孔陶瓷结构;经微弧氧化处理后,抗微动磨损性能显著提高;在部分滑移区涂层的摩擦系数随位移幅值的增大而增大,而在滑移区和混合区,稳态摩擦系数与位移幅值的变化无关;在部分滑移区,涂层损伤轻微,在滑移区和混合区涂层的微动磨损机制主要为磨粒磨损、氧化磨损和剥层.     

连铸连轧镁合金AZ41微观结构与摩擦磨损性能

为研究铸轧镁合金AZ41板材的摩擦磨损性能,通过连铸连轧制备出镁合金AZ41板材,并观察其铸轧态和热处理态的微观组织结构特点。研究了滑动干摩擦条件下滑动速度和载荷对AZ41镁合金板材摩擦磨损性能的影响,采用扫描电镜观察磨损表面形貌,探讨了其磨损机制,并利用有限元方法模拟了其磨损时的应力分布。结果表明：制备的镁合金AZ41在（1012）上出现了大量压缩孪晶,经热处理后晶粒变为等轴晶;摩擦系数随着转速的增加而升高,在一定范围内随载荷的增加而降低;磨损量随着载荷和转速的增加而增加,低载时磨损机制为磨粒磨损,伴有氧化磨损的发生,高载时其磨损以粘着磨损为主。     

基于区域地址映射的NAND Flash静态磨损均衡算法

在区域地址映射机制基础上,提出了一种延长NAND flash有效使用寿命的静态磨损均衡算法。算法以区域为单位进行冷热数据迁移,使用区域的平均擦除次数和部分平均擦除次数度量区域磨损程度,选取磨损程度最小区域的块与系统预留块进行冷热数据交换。算法将擦除次数上限与当前最大擦除次数的差值作为动态阈值的基数,以减少磨损均衡的开销,保证NAND flash的平均读写性能。通过测试,证明算法能够有效提高flash存储器的磨损均衡效果。