冲蚀与气蚀复合磨损试验研究

通过改造MCF-30型冲蚀腐蚀试验机,建立了水、沙、气三相流冲蚀磨损试验装置;试验研究了水、沙混合流场中试样的磨损特征,通过扫描电子显微镜观测了三相流冲蚀磨损表面,并借助计算机模拟分析水、沙混合条件下产生气蚀破坏的条件.结果表明:合理的设计可以实现冲蚀与气蚀的复合磨损模拟试验;形成三相流共同作用下的冲蚀与气蚀复合磨损重要条件为介质中含有较多气体,并且在试样中有气泡溃灭.三相流磨损模拟试验与仿真为进一步开展三相流气蚀与冲蚀磨损研究奠定了基础.     

微织构尺寸对轴承摩擦磨损性能的影响

为了研究微织构尺寸对滑动轴承摩擦磨损性能的影响,基于滑动轴承摩擦磨损理论模型及摩擦磨损试验,通过设计不同的微织构尺寸,研究了滑动轴承的摩擦磨损性能随微织构尺寸的变化规律.结果表明:在摩擦磨损理论模型中,随着微织构尺寸的增加,滑动轴承润滑性能呈先提高后降低趋势,在无量纲微织构半径是■时轴承具有最优的润滑性能;微织构的磨损性能随着微织构深度的增加大致呈先降低后升高趋势,在无量纲深度为0.03时,滑动轴承磨损性能最优;微织构尺寸半径是■和■时,磨损量相对较小.在摩擦试验中,微织构半径是0.17 mm时润滑性能最优,平均摩擦系数相比微织构半径为0.1 mm时降低了7.1%,同时表面形貌磨损明显小于其他尺寸时的试件.理论和试验均表明,合适的微织构尺寸可以有效提高滑动轴承的润滑性能、降低摩擦系数及减小磨损.     

超细晶粒硬质合金的高速摩擦磨损特性研究

在CA6140型车床配置的高速摩擦磨损试验装置上进行滑动摩擦磨损试验,研究了WC-10Co和WC-12Co硬质合金与7050-T7451铝合金摩擦副的摩擦磨损特性,采用扫描电子显微镜和X射线能量色散谱仪观察和分析硬质合金的磨损表面形貌及其元素的扩散现象.结果表明,随着法向载荷和转速的提高,2种硬质合金的摩擦系数均呈下降趋势.在相同条件下,WC-12Co比WC-10Co的摩擦系数稍高,而摩擦温度和磨损体积损失低于WC-10Co.超细晶粒硬质合金的主要磨损机制为Co粘结相塑性变形、WC晶粒脱落造成的磨粒磨损和粘结磨损并伴有少量的扩散磨损.     

装在扫描电子显微镜中的销-盘式磨损试验装置

本文介绍了一种装在S-570扫描电子显微镜中的销-盘式磨损试验装置。利用它可以研究各种材料的微观磨损过程,並能通过屏幕、拍照或录像直接观察和记录其磨损的动态过程,同时还能精确地检测出和记录摩擦过程中的摩擦力和动态载荷。该试验装置为研究材料的磨损机理提供了一种重要的手段,对认识材料的磨粒磨损、粘着磨损、选择性转移以及裂纹的起源与扩展等都具有十分重要的作用。     

标准超声振动气蚀孕育期内材料响应与表面形貌

材料在气蚀孕育期内仅发生极轻微的磨损,但以弹/塑性变形和晶粒拔出等方式对气蚀做出响应,具体的响应方式则随材料种类而不同.通过对孕育期内材料响应和磨损表面形貌的研究,探索不同材料响应与磨损表面形貌的关系,从而建立以表面粗糙度测量和光学显微镜观察等方式进行材料孕育期的研究.本文在标准超声振动气蚀试验机上进行了纯铜、镍基合金Hastelloy C-276和Sialon陶瓷共三种材料的气蚀试验,着重考察了它们在各自孕育期内的表面粗糙度参数（表面粗糙度R_a和核心粗糙度深度R_k）以及蚀坑面积比的变化.研究结果表明：纯铜和Hastelloy C-276在孕育期内主要以塑性变形为主.R_k不仅可以更好地反映孕育期乃至整个气蚀过程的材料表面形貌变化,还能反映不同金属在孕育期内塑性变形的程度.Sialon陶瓷在孕育期内以新蚀坑的形成为主,伴随着少量蚀坑的长大,蚀坑面积比很好地表征了陶瓷材料孕育期的变化.     

滑动轴承二维动态摩擦接触的分析研究

应用边界单元法研究了滑动轴承动态摩擦时的接触力学性质,揭示了接触压力分布的不对称性;讨论了载荷,摩擦系数等因素对不对称性的影响,认为摩擦系数可使峰值接触压力降低和接触面积增加,增大载荷会使接触压力分布的不对称性更为明显,接触压力分布的不对称意味着磨损分布的不对称。同时分析了实际工作中滑动轴承摩擦副间的当量摩擦系数,指出在滑动试验研究中应采了当量摩擦系数。     

一对钢－钢摩擦副摩擦磨损的原位动态研究

摩擦磨损的扫描电子显微镜原位动态研究，可以跟踪观察磨屑形成和磨痕演变的全过程，以及材料表面在摩擦磨损中变化的真实情况．在由国产台式扫描电子显微镜改装成的滑动摩擦磨损试验装置上，对１５＃钢－４５＃钢摩擦磨损过程所作的原位动态研究表明：１５＃钢在对摩过程中始终存在粘－滑现象，微切削是其主要磨损机理；１５＃钢磨痕形貌变化可分５个阶段——第１阶段出现与滑动方向垂直的横向裂纹，第２阶段产生大片状剥离，第３阶段产生小片状疲劳剥离，第４阶段产生块状磨屑并形成表面凹坑，第５阶段磨痕趋于平坦．这种滑动摩擦磨损试验装置不仅具有对摩擦磨损过程作动态跟踪观察的功能，而且可用于对摩擦学过程作准动态观察，这两种观察方法对研究摩擦磨损过程同等重要     

薄层磨损试验装置及磨损测试方法的研究

本文介绍了研究薄层磨损的试验装置及试验方法,并着重介绍测定微小磨损量和动态观察磨损过程的手段,即铁谱分析法;对所设计的销-盘磨损试验机进行了反复改进。试验表明;所采用的磨损装置较好地控制了磨损影响因素和试验参数;用铁谱分析法测定球和盘试样的磨损,不但精度高,而且收集的磨粒还为深入研究磨损机理创造了条件。     

多用小型磨损试验机

为了评定薄层硬质材料(如离子注入,离子束混合技术表面改性等得到的)的耐磨性研制了一台小型磨损试验机。本文介绍了该试验机的设计指标、基本结构、用途和磨损测量方法—等深划痕法等。该试验机还设有可测量摩擦系数的往复式摩擦试验装置和球柱试样磨损试验装置。並对试验结果进行了讨论。     

XCA耐磨抗气蚀复合涂层的研究和应用

气蚀与磨损及其防护是水轮机等高速过流水力机械的重要研究课题。本文叙述了一种耐磨性优异与金属粘结性好并具有良好耐水性的聚氨酯弹性复合涂层(XCA涂层),其抗张强度为300～400公斤/厘米~2;抗气蚀系数分别为1Cr18Ni9Ti不锈钢和A3钢的7.3倍和43倍。水电站真机试验表明,该涂层保护母材运行一万小时以上不受磨损破坏,保护高水头电站水轮机母材运行7000小时不受气蚀破坏。该材料施工简便、成本低、可缩短检修期,有可观的经济效益。     

考虑空化影响的水润滑橡胶合金轴承冲蚀磨损研究

用计算流体力学方法,数值模拟水润滑轴承空化-冲蚀交互作用时气液固三相流场的动力学特性(压力场、速度场、气含率分布),然后在水润滑轴承摩擦磨损装置上,进行试件磨损试验,并观察试件表面形貌.结果表明:考虑空化影响后,水润滑轴承整个流场压力分布更接近实际;数值模拟所得的流场压力、速度、气含率最大值,均出现在发生空化的位置附近,其余位置基本不变,说明交互磨损比单一磨损严重.观察试件表面磨痕,存在短程犁沟、空蚀针孔、麻点状气蚀坑和蚀坑,磨痕呈现规律性,磨痕与轴转速的方向基本一致.试验结果和数值计算吻合较好,证明了理论分析的正确与合理.上述仿真与试验初步探讨了水润滑轴承空化与冲蚀交互作用的磨损机理与影响因素.     

不同设计参数下螺旋槽径向液体润滑轴承油膜稳定性的比较计算

采用Ｇａｌｅｒｋｉｎ有限元法求解油膜压力的雷诺方程和扰动压力的摄动方程,并分析了螺旋槽径向液体润滑轴承的动态性能。采用逐步修正的迭代法实现正压力区和油膜破裂区交界处的雷诺边界条件。在不同参数下比较了螺旋槽轴承油膜不产生涡动的转轴临界质量Ｍｃ,并进行了参数的比较计算,发现合理地选择参数可以得到良好的油膜稳定性,甚至可达到绝对稳定。     

四瓦可倾瓦径向滑动轴承动力特性的实验研究

采用在线分析方法考察了300MW汽轮发电机可倾瓦轴承的静、动力特性,探讨了载荷、轴颈转速以及动态激振力频率等参数变化对可倾瓦轴承的静、动态性能的影响,比较试验结果与理论计算结果发现,在不同频率激振力作用下,理论计算所得到的可倾瓦轴承动特性参数与试验结果有较大的差异。     

Visualisation and les simulation of cavitation cloud formation and collapse in an axisymmetric geometry

Visualisation and Large Eddy Simulations (LES) of cavitation inside the apparatus previously developed by Franc (2011) for surface erosion acceleration tests and material response monitoring are presented. The experimental flow configuration is a steady-state closed loop flow circuit where pressurised water, flowing through a cylindrical feed nozzle, is forced to turn 90° and then, move radially between two flat plates towards the exit of the device. High speed images show that cavitation is forming at the round exit of the feed nozzle. The cavitation cloud then grows in the radial direction until it reaches a maximum distance where it collapses. Due to the complexity of the flow field, direct observation of the flow structures was not possible, however vortex shedding is inferred from relevant simulations performed for the same conditions. Despite the axisymmetric geometry utilized, instantaneous pictures of cavitation indicate variations in the circumferential direction. Image post-processing has been used to characterize in more detail the phenomenon. In particular, the mean cavitation appearance and the cavity length have been estimated, showing good correlation with the erosion zone. This also coincides with the locations of the maximum values of the standard deviation of cavitation presence. The dominant frequency of the ‘large-scale’ cavitation clouds has been estimated through FFT. Cloud collapse frequencies vary almost linearly between 200 and 2000 Hz as function of the cavitation number and the downstream pressure. It seems that the increase of the Reynolds number leads to a reduction of the collapse frequency; it is believed that this effect is due to the agglomeration of vortex cavities, which causes a decrease of the apparent frequency. The results presented here can be utilized for validation of relevant cavitation erosion models which are currently under development.     

冲蚀磨损与冲蚀、空蚀交互磨损的对比研究

基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法,数值对比研究了在模拟水轮机工况中不同转速时,冲蚀与冲蚀、空蚀交互作用时,转盘表面的流场(压力场、流体浓度分布),然后在转盘式磨损装置上,进行了汽液固三相冲蚀与空蚀交互磨损试验.结果表明:对于冲蚀磨损来说,随着转速增加,压力增大,在冲蚀作用下加入空蚀磨损,压力增高,磨损加剧;而对于交互磨损来说,随着转速增加,转盘表面的空蚀磨损区域从空化孔附近开始沿着转盘旋转的反方向偏移,并且磨损程度加剧;数值计算的气泡较多且压力梯度较高区域和试验转盘磨损区域基本一致,数值计算结果和试验结果吻合得较好.     

Inconel 718镍基超合金的空蚀行为研究

采用超声振动空蚀试验机对Inconel 718镍基超合金与316L不锈钢进行空蚀磨损研究. 通过扫描电子显微镜(SEM)、场发射电镜(FESEM)以及高分辨X射线衍射仪对测试样品空蚀磨损表面形貌、微观结构演变和物相进行观察及分析. 结果表明:Inconel 718表现出更优异的抗空蚀磨损性能,其空蚀600 min累计质量损失约为316L的1/3,空蚀孕育期时长为316L不锈钢的2倍左右. 在空蚀孕育期,Inconel 718空蚀损伤首先发生在晶界、孪晶界等界面处,且并未出现明显的塑性变形. 316L在此期间呈现较为明显的塑性变形,空蚀表面起伏波动显著. 在空蚀加速期,Inconel 718质量损失的显著提升是由于空蚀表面微裂纹的扩展导致材料逐渐剥落引起的,316L则是由于空蚀表面大量凹坑的不断形成与合并导致质量损失的增加. Inconel 718空蚀120 min后,观察到空蚀磨损表面有明显的形变孪晶,且与空蚀前的金相形貌相比,形变孪晶有明显增多的趋势.      

有限长滑动轴承非线性油膜力的近似解法

本文中提出了一种求解有限长径向滑动轴承非线性油膜力的近似解析方法.在滑动轴承-转子系统非线性动力行为分析中,油膜力计算模型通常采用"π"油膜假设,但是,实际工况中油膜的存在区域并非是"π"区域,运行时油膜中出现气穴,破裂成条纹状(即具有Reynolds边界条件).本文中的近似解析方法采用Reynolds边界条件,基于变分原理,运用分离变量法求解油膜的压力分布,其中油膜压力的周向分离函数通过无限长轴承的油膜压力分布获得,油膜的破裂终止位置角通过连续条件确定,轴向分离函数运用变分原理并结合周向函数求得.计算结果表明:本文中提出的方法和有限元方法的结果吻合得很好.在此基础上,分析了一些轴承参数对油膜压力分布的影响.     

Chaos in the unbalance response of journal bearings

The behaviour of non-linear systems often yield unexpected phenomena which are extremely sensitive to initial conditions. The hydrodynamic journal bearing is a common machine element which is strongly nonlinear for large excursions within the clearance space. A simple model of a rigid journal, supported hydrodynamically using a short bearing theory is shown to behave chaotically when the rotating unbalance force exceeds the gravitational load. At these values of the force ratio the time history of the response is very sensitive to initial conditions and a spectral analysis demonstrates a significant broadening from the expected peak at the rotational frequency. A once per revolution sampling of the time history (Poincaré plot) revealed an apparent aperiodic pattern. An estimate of the fractal dimension using the Grasberger-Procaccia algorithm resulted in a lower bound of 2.15, a typical result for low dimensional systems with significant dissipative action. The required levels of unbalance are only an order of magnitude greater than acceptable levels for rotating machinery and thus could be achieved with in-service erosion or minor damage. The subsequent non-synchronous response could result in fatigue and potential shaft failure.     

Research progresses and prospects of unsteady hydrodynamics characteristics for cavitation

空化作为一种重要的复杂水动力学现象,具有明显的三维流动特征与剧烈的非定常特性,在水力机械、船舶推进器、水利工程中广泛存在,且通常会带来不利的影响,长期以来一直是水动力学领域研究的重点与难点课题之一.本文首先从实验测量和数值模拟两个角度,综述了空化水动力学非定常特性研究的发展概况, 分析了当前存在的问题.在空化实验研究中,主要介绍了空化水洞、空化流场测量以及多物理场同步测量等方面所取得的进展.在数值模拟方法中, 对目前的空化模型和湍流模型进行了分类介绍,并重点讨论了大涡模拟、验证和确认等在空化流模拟中的应用.之后以附着型空化为主, 同时兼顾云状空泡、空蚀、涡空化等,梳理了其研究中存在的几个关键科学问题,包括空化演变、空化流动的三维结构、失稳机制、空化不稳定性及其与低频压力脉动的联系、空化与旋涡的相互作用、空化与弹性水翼的流固耦合、空化对尾流场影响等.最后展望了空化水动力学的研究方向和未来发展趋势.