2020年, 第45卷, 第11期　
刊出日期：2020-11-15

  

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实验研究
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  空化对液膜密封流场特性及密封性能的影响

  李振涛, 李志宇, 曹惠, 刘馥瑜, 郝木明

  润滑与密封. 2020, 45(11): 1-6. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2020.11.001

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  为进一步探索液膜空化对密封性能的影响,以螺旋槽液膜密封为研究对象,基于JFO空化模型及坐标变换建立其数学模型并采用有限体积法离散求解。探讨Reynolds和JFO两空化边界下的密封速度场和流量场分布规律以及空穴压力对密封性能如承载能力和摩擦扭矩等影响。结果表明:空穴区的形成具有动态性,速度矢量在空穴区内部为0,在液膜始破边界和靠近内径处的液膜重生边界上速度矢量朝向空穴区,而在靠近外径处的液膜重生边界上速度矢量远离空穴区;液膜流量场主要集中于槽区内且JFO空化边界下的流量场分布比Reynolds空化边界下值更为密集;空穴压力的增加可提升液膜承载能力但增幅较小,而对摩擦扭矩的影响可忽略不计。
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  磨损表面的稳健高斯滤波评定方法研究

  张一兵, 刘立鹏, 解芳, 胡瑞

  润滑与密封. 2020, 45(11): 7-14. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2020.11.002

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  磨损表面形貌的评定方法,对于磨损表面状态评定、摩擦特性的分析有着重要的作用,而表面形貌数据的滤波方法,是评定方法中的关键组成之一。采用Tukey、Hampel、IGGI和QC 4种典型稳健权函数分别与高斯滤波结合组成的稳健高斯滤波方法,对由实验得到的黏着磨损和磨料磨损盘表面采集的数据进行稳健滤波分离;通过由稳健高斯滤波与标准高斯滤波得到的三维磨损表面低频基准面的对比分析,以及从磨损表面滤波分离出的高频评定参数的影响分析,研究稳健高斯滤波的滤波稳健性和滤波效率;从滤波后的高频功率谱密度分布特性方面,进一步探讨滤波的稳健性;讨论磨损表面形貌数据中特异值与磨损特征的关系。研究表明:Tukey和Hampel稳健高斯滤波具有良好的滤波稳健性,能有效地分离磨损表面的低频评定基准和包含磨损特征的高频信息;而磨损特征主要分布在高频信息的低频段区间,其功率谱密度函数与表面磨损状态及其摩擦学特性相关。
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  井下流量控制阀金属密封接触力学行为的理论与仿真研究

  杨仪伟, 朱宏武, 何东升, 郑严, 叶哲伟, 许亮斌, 何玉发, 李川

  润滑与密封. 2020, 45(11): 15-21. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2020.11.003

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  智能井井下流量控制阀(ICV)的金属密封旨在隔离油套管环空的原油流动,其接触力学行为对井下流量控制阀的结构设计和可靠性至关重要。推导金属密封接触应力与其自变量之间的相关理论模型,并利用有限元法研究并验证了金属密封接触应力与其自变量之间的理论关系。为表征密封应力,将金属密封组件与滑套的二维轴对称模型抽象为悬臂梁模型。研究发现:接触应力的理论解和数值解与工作压力、悬臂梁长度、悬臂梁截面高度和悬臂梁端面的水平位移成正比,而与悬臂梁倾角的正弦值和密封面的宽度成反比。各自变量引起的接触应力的理论解和数值解之间的平均相对误差均不大于10%,验证了提出的理论模型是正确的。该模型可为已知油田条件下的金属密封设计提供依据。
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  刚性和弹性支撑可倾瓦推力轴承稳态特性分析

  孙方旭, 魏应三, 张贤彪, 靳栓宝, 王东, 胡泊

  润滑与密封. 2020, 45(11): 22-28,35. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2020.11.004

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  建立刚性球头支撑和弹性橡胶垫支撑可倾瓦推力轴承热弹流耦合模型;在弹性橡胶垫支撑可倾瓦推力轴承橡胶垫的弹性变形分析中采用了变形协调矩阵方法,以协调匹配橡胶垫变形和水膜厚度分布,同时在搜索稳态解的过程中引入模拟退火算法;基于变分原理求解Reynolds方程,得到了轴承水膜压力分布,并比较2种推力轴承在转子存在角不对中时的静特性。结果表明:理想工况下,刚、弹支可倾瓦推力轴承稳态特性没有明显区别;当转子存在不对中时,刚性球头支撑可倾瓦轴承在不同瓦块之间受力偏载严重,进而导致瓦面最小水膜厚度过小,瓦块容易出现磨损,而弹性支撑瓦不同瓦块之间水膜力分布更均匀,利于轴承的长期可靠运行。
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  带浅腔的空气静压轴承节流孔出口处流场计算与分析

  卢志伟, 张君安, 刘波

  润滑与密封. 2020, 45(11): 29-35. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2020.11.005

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  为了进一步揭示具有浅腔的空气静压轴承节流孔出口处气膜流场的影响因素和规律,建立空气静压轴承节流孔出口处的物理模型,采用Laminar、k-ω以及k-ε 3种模型对空气静压轴承节流孔出口处气膜流场区域的NS方程进行数值计算,分析气膜间隙和供气压力对节流孔出口处气膜流场的影响。结果表明:空气静压轴承在节流孔出口处存在压力陡降现象,在气膜浅腔与气膜间隙交界处的陡降更为明显,这对精密运动机构和精密测量设备的精度和稳定产生一定影响;3种计算模型的计算结果有较好的一致性,Laminal模型和k-ω模型数值计算结果更为接近;随着空气静压轴承气膜间隙和供气压力的增大,其节流孔出口处的压力陡降和马赫数剧升幅度也随之增大。
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  旋转动密封系统中丁腈橡胶O形圈的时效研究

  孙远韬, 袁林栋, 朱伟泳, 王斌贺

  润滑与密封. 2020, 45(11): 36-40. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2020.11.006

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  以燃气表中O形圈为研究对象,研究O形圈在旋转动密系统中长效密封性能;从密封机制及特点出发,对O形圈失效机制进行分析。以时间和转速作为研究主要影响因素,以压缩永久变形作为密封性能定量评价指标,进行全面试验与分析,并以二次多项式回归分析获得预测模型并进行试验验证。结果表明:试验用O形圈长期密封性能可靠;使用时间与转速对O形圈压缩永久变形影响均显著,其中使用时间的影响大于转速;转速一定时,时间越长,压缩永久变形越明显,时间相同时,转速越大压缩永久变形越明显。预测模型能够较好地预测不同条件下燃气表旋转动密封性能,可应用于工程实践设计。
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  点接触弹流润滑入口凹陷的速度域

  王学锋, 郭峰, 胡如夫, 程晓民

  润滑与密封. 2020, 45(11): 41-45,51. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2020.11.007

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  利用等效黏度将circular流变模型整合进通用Reynolds方程,获得点接触弹流润滑入口凹陷的控制方程。采用多重网格法及多重网格积分法进行数值求解,研究卷吸速度变化导致的入口凹陷变化过程,讨论载荷、黏度、黏压系数、钢球半径及弹性模量对入口凹陷速度域的影响。结果表明:随着卷吸速度的增大,入口凹陷深度从0增大到最大值,然后再减小到0;入口凹陷出现的卷吸速度随着载荷、黏度、黏压系数及弹性模量的增大而减小,随着钢球半径的增大而增大;入口凹陷消失的卷吸速度及入口凹陷的速度域都随着载荷及钢球半径的增大而增大,随着黏度、黏压系数及弹性模量的增大而减小。
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  单相硼化物的制备及摩擦磨损性能研究

  王旭东, 杨忠, 皇志富, 王惠, 王东

  润滑与密封. 2020, 45(11): 46-51. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2020.11.008

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  为了深入研究渗硼层中硼化物的性能,采用真空感应熔炼法制备单相硼化物材料。观察分析制备的硼化物微观组织,测试其力学性能。采用MMU-5G型销-盘式摩擦磨损试验机,在干摩擦条件下,研究了不同载荷下单相硼化物的摩擦学性能,观察其磨损表面形貌特征,探讨其磨损方式。结果表明:制备的硼化物为单一相,试样纯度高,试样的平均显微硬度为HV2065,平均断裂韧性值为1.68 MPa· m^1/2;硼化物的断口处没有宏观的塑性变形,断口齐平光亮,表现为脆性断裂特征;干摩擦条件下随着载荷从10 N增加到30 N,硼化物的摩擦因数先降低后增加,20N载荷时达到最小值,而其磨损量随着载荷的增加不断上升;随着载荷从10N增加到30N,磨损表面的粗糙度先逐渐上升后急剧上升;10~20 N载荷下,硼化物的磨损以磨粒磨损为主,而25~30 N载荷下,硼化物的主要磨损方式从磨粒磨损转变为脆性破损。
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  高压自紧式法兰密封结构研究

  沈啸彪, 章兰珠, 徐绍焕, 龚石磊

  润滑与密封. 2020, 45(11): 52-59. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2020.11.009

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  对高压自紧式法兰密封结构进行研究,推导自紧式法兰密封比压和螺栓载荷的计算公式,并通过有限元方法进行了验证。结果表明:密封比压与内压呈一阶线性递增的关系:密封面越窄密封比压随内压递增速度越快,法兰端面与T形垫片支撑面间隙越大则初始密封比压越大。对某自紧式法兰进行结构以及热-结构耦合分析,研究内压、温度、弯矩工况的影响。结果表明:升温对高压和低压2种工况的密封性能影响不同,低压下升温使密封比压增大,高压下升温则会使密封比压有所减小;高压自紧式法兰密封受压侧垫片密封面上应力随弯矩增大先减小,但当弯矩增大到一定值后,该应力随着弯矩的增大而增大。
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  Al₂O₃/La₂O₃/(W,Mo) C硬质合金刀具表面微织构参数优化

  郭世柏, 段晓云, 易正翼, 胡涛, 胡忠举

  润滑与密封. 2020, 45(11): 60-64,72. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2020.11.010

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  通过水热法制备粒度均匀的Al₂O₃/La₂O₃/(W,Mo) C纳米复合粉体,采用放电等离子烧结技术制备Al₂O₃/La₂O₃/(W,Mo)C无黏结相硬质合金刀具,利用激光加工技术在刀具表面制备不同沟槽参数的表面微织构,采用正交试验法研究不同沟槽参数的刀具对钛合金干切削性能的影响。结果表明:沟槽间距对切削力和粗糙度影响最大,沟槽深度次之,沟槽宽度影响最小;Al₂O₃/La₂O₃/(W,Mo)C无黏结相刀具在沟槽深度为10μm、沟槽间距为100μm、沟槽宽度为30μm时,对TC4钛合金切削性能最好,且刀具前刀面无磨损,后刀面为边界磨损,沟槽织构有效抑制了月牙洼磨损,提高了刀具寿命。
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  纳米粗糙间隙中季戊四醇四酯的薄膜润滑行为

  张晋铭, 潘伶, 吕志田, 陈有宏

  润滑与密封. 2020, 45(11): 65-72. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2020.11.011

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  采用分子动力学模拟方法建立光滑和粗糙2种固体壁面结构,研究季戊四醇四酯润滑剂在不同压力、薄膜厚度下,在恒定剪切速度和温度下的薄膜润滑行为。分析壁面间润滑薄膜的密度分布,以及剪切过程中润滑剂的速度分布。输出固体壁面在x向和z向的力学响应,并计算摩擦因数。结果表明:表面纳米结构降低了润滑薄膜的厚度,减弱了润滑薄膜分层现象;当润滑薄膜厚度较大时,V形纳米沟槽有助于减小薄膜润滑系统的摩擦因数;润滑薄膜厚度较小时,V形纳米沟槽表面润滑状态容易从流体润滑转变到边界润滑状态,摩擦因数增大。
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  湍流润滑动静压气体径向滑动轴承性能研究

  汲腾龙, 宋鹏云

  润滑与密封. 2020, 45(11): 73-82. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2020.11.012

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  以动静压气体径向滑动轴承为研究对象,考虑湍流润滑,基于有限差分方法求解引入湍流因子改良的可压缩雷诺润滑方程,计算湍流润滑动静压气体径向滑动轴承的压力分布,获得轴承承载力、静态刚度、交叉刚度、主刚度、交叉阻尼和主阻尼等表征动静压轴承静动态特性的基本参数,并分析偏心率、槽深、槽数、长径比等结构参数及轴颈转速和供气压力等工况对轴承静动态性能的影响规律。结果表明:连续性狭缝湍流润滑动静压气体径向滑动轴承的静态特性优于非连续性狭缝;轴承承载力随着偏心率、长期径比的增大而增大,随着槽区长度、槽深的增大而减小,槽数对承载力影响不大;轴承静态刚度随着偏心率的增大先增大后减小,随着长径比、槽深、槽数的增大而增大,随着槽区长度的增大而减小;较大的转速和供气压力有助于提升轴承的承载力和静态刚度;随着偏心率的增大,交叉刚度逐渐增大,主刚度先增大而减小,而交叉阻尼和主阻尼均增大。
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  内燃机凸轮-滚轮型接触副弹流润滑分析

  朱建荣, 李书义, 郭晓龙, 郭灵燕, 郭峰

  润滑与密封. 2020, 45(11): 83-90,96. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2020.11.013

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  基于某内燃机凸轮-滚轮型机构,建立相应的接触副弹流润滑数值模型,得到凸轮旋转周期内运动副的完整润滑状态,并分析滚轮凸度、润滑油黏度及凸轮-滚轮间打滑现象的影响。结果表明:一个周期内,凸轮-滚轮接触副的润滑状态可分为波动期和平稳期,与凸轮升程的改变规律相对应;滚轮凸度会影响接触副的润滑状态,且接触区压力分布对其十分敏感;提高润滑油黏度在一定程度上可以起到优化接触区压力分布,改善润滑状态的效果;凸轮-滚轮间打滑现象则会降低接触区成膜厚度,尤其是对润滑油温升和摩擦因数的影响更为显著。
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  基于不同差分格式的硬盘气膜润滑方程数值求解

  毛薪然, 杨廷毅

  润滑与密封. 2020, 45(11): 91-96. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2020.11.014

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  为提高计算效率与计算精度,采用不同差分格式求解硬盘的磁头/磁盘界面气膜润滑方程,分析不同差分格式对磁头/磁盘界面气膜润滑压力分布模拟结果的影响。给出中央格式、上风格式、混合格式、QUICK格式、指数格式、乘方格式6种差分格式相应的离散方程格式,选取气膜润滑方程的线性流率(LFR)模型进行压力模拟,并与精确解进行比较。结果表明:6种差分格式都能够模拟出磁头滑块的压力分布情况,且当网格密度足够大时,得到的数值解与精确解基本一致;指数格式在不同网格密度下,均具有很高的稳定性,较之其他格式计算效率高,模拟效果更好;当网格密度足够大时,中央格式计算效率高,优于指数格式。
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  基于多分辨SVD包和MED的柔性薄壁轴承故障特征提取与诊断

  陈儒, 李伟光, 严嵩, 伍嘉乐, 李国臣

  润滑与密封. 2020, 45(11): 97-104. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2020.11.015

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  柔性薄壁轴承安装到谐波减速器上时内外圈会受迫变形成椭圆,工作过程中会产生周期性的冲击信号,使得柔性薄壁轴承的故障特征信号提取变得更加复杂。为实现对柔性薄壁轴承故障特征信号的有效提取,提出了一种基于多分辨奇异值分解(SVD)包和最小熵解卷积(MED)的柔性薄壁轴承故障特征提取与诊断的方法。利用多分辨SVD包对采集到的振动信号进行分解,分解后选用前4层中信噪比最高的近似信号进行MED冲击特征提取处理,将处理后的信号与前4层的细节信号进行信号重构和频谱分析,得到故障特征频率,最后将得到的故障特征频率与理论计算值进行对比,判断出故障类型。和单独使用多分辨SVD包处理的实验效果相比,该方法对柔性薄壁轴承的故障特征提取效果更好。
开发应用
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  重卡轮毂轴承刚-柔组合密封结构设计及优化

  张帅, 杜学芳, 邓四二, 崔永存

  润滑与密封. 2020, 45(11): 105-110. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2020.11.016

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  针对某重卡轮毂轴承早期失效的问题,设计一种具有刚-柔组合密封槽的密封单元;采用半简化有限元法,建立密封单元的有限元模型,分析密封圈的压缩率、硬度和密封槽尺寸对接触应力和等效应力的影响;利用VB语言编写有限元分析的接口程序,以接触应力和等效应力为密封性能的评价指标,对关键影响因素进行优化。结果表明:随压缩率和材料硬度的增大,最大接触应力和等效应力均增大,随密封槽尺寸的增加等效应力减小,而最大接触应力先减小后增大;O形圈的压缩率对密封性能的影响最大,其次为材料硬度、密封槽尺寸。给出密封单元关键因素的取值范围:初始压缩率15%~20%,O形圈材料邵氏硬度75~80,密封槽尺寸1.6~1.7 mm,并通过动态注油试验进行验证。
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  旋转通道径角挤压工艺制备UFG铝合金润滑条件研究

  何敏, 古京九, 杨峰, 达成

  润滑与密封. 2020, 45(11): 111-117. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2020.11.017

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  为研究一种适合旋转通道径角挤压工艺制备铝合金块体超细晶材料的润滑剂,将不同质量分数的石墨和二硫化钼固体润滑剂添加到锂基抗极压润滑脂中,以模具材料H13钢和铝合金2024、7075为对磨材料,在往复运动实验平台上进行中高接触应力面面接触摩擦实验,研究不同润滑脂的减摩抗磨性能。结果表明:在抗极压润滑脂中增加固体润滑剂能提高大塑性变形过程中的减摩抗磨能力,改善摩擦磨损形式,其中未加入润滑剂时主要以咬合黏着磨损、磨粒磨损为主,加入固体润滑剂后以轻微黏着磨损为主;与二硫化钼相比,石墨的六边形层状结构能够起到更好的支撑作用,在铝合金挤压成形过程中表现出更优异的减摩抗磨性能;石墨固体润滑剂的添加量与对磨材料的摩擦磨损机制有关,其适宜的添加量为10%~20%,其中材质较软的铝合金2024与H13对磨时以黏着磨损为主,需要添加更多的石墨去填补黏着磨损形成的犁沟,而铝合金7075与H13对磨时以边界摩擦为主,石墨添加量相对较少。
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  某型航空发动机轴间轴承集油结构内的两相流动数值计算

  强轲, 徐让书, 戴海宁, 田骏丹

  润滑与密封. 2020, 45(11): 118-124,129. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2020.11.018

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  为了分析某型航空发动机轴间轴承集油结构集油效率不高的原因,采用基于VOF模型和滑移网格技术的多相流数值计算方法,建立轴承集油结构的油气两相流三维瞬态仿真模型,分析集油结构的流场和滑油分布,揭示集油结构内的滑油运动规律和集油损失的机制,并给出了滑油流量对集油效率的影响。结果表明:集油结构中形成对转流动以及涡环,集油损失的原因主要是由于滑油油柱冲击保持架壁面后飞溅形成的油滴颗粒被旋涡带入油坝与收集器之间的狭缝,进而被甩出到轴承腔,导致集油效率降低;集油结构的集油效率与滑油流量无关,仅取决于自身结构。所研究的集油结构的集油效率仅为62%,须改进集油结构,以提高其集油效率。
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  数据驱动的风电齿轮箱油液监测磨损度量化及其参数权重研究

  徐启圣, 王俊, 白琨, 徐厚昌, 张春鹏

  润滑与密封. 2020, 45(11): 125-129. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2020.11.019

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  机械设备磨损状态的评价参数具有多元化、阶段性及动态性的特点,决策往往取决于技术人员的经验。通过油液监测判断机械设备健康状态时,参数多难以凭主观选择,以致磨损状态的准确界定一直是瓶颈。为此,以风电齿轮箱为对象,研究其颗粒信息、污染度及油品信息对磨损状态的影响,在根据磨粒种类的危害程度初步量化磨损度的基础上,对监测数据降噪后,通过支持向量机获取指标的显著性系数,进而算得参数权重,确定的关键参数为磨损颗粒数量、铁磁性颗粒质量分数、平均颗粒尺寸,简化了磨损度的指标,能提高风电齿轮箱的故障诊断效率。
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  基于AdvantEdge的斜角车削仿真实验确定刀屑摩擦因数的方法

  罗斐, 涂宇, 谭彬

  润滑与密封. 2020, 45(11): 130-135. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2020.11.020

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  当使用AdvantEdge软件进行切削仿真实验时,刀屑摩擦因数对仿真结果的影响明显,但现有有限元软件未提供刀屑摩擦因数数据库。为建立一种基于AdvantEdge的斜角车削仿真实验的刀屑摩擦因数确定方法,首先提出基于斜角车削的摩擦力计算方法,然后建立AdvantEdge三维斜角车削仿真模型,设定不同切削速度、切削深度、进给量及摩擦因数,通过AdvantEdge仿真正交试验,获得刀屑摩擦因数的经验计算公式。为验证刀屑摩擦因数经验计算公式的正确性,设定不同切削速度和切削深度及进给量的斜角车削正交试验,获得切削力数据,并基于摩擦因数经验计算公式求得对应刀屑摩擦因数。利用求得的摩擦因数数据修改AdvantEdge中刀屑摩擦因数参数,进行残余应力切削仿真实验。仿真实验获得的残余应力与实际切削实验获得的残余应力相比,误差在10%以内,证明提出的刀屑摩擦因数确定方法是正确的。
企业论坛
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  超低温弹簧蓄能密封圈密封性能及试验研究

  李小芬, 叶小强

  润滑与密封. 2020, 45(11): 136-142. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2020.11.021

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  为研究往复运动弹簧蓄能密封圈的低温特性,通过构建等效弹簧建立二维轴对称模型,采用ANSYS分析弹簧蓄能密封圈在常温环境下装配和介质加压、由常温到低温过程中及低温加压过程中夹套的应力和摩擦力的变化。结果表明:常温和低温下夹套内外唇口为主要承压区,内外唇口的应力、接触压力、接触宽度和摩擦力随压力升高而增大;低温下的接触压力比常温下大,但接触宽度比常温下小,且摩擦力是常温下的2~3倍。仿真结果表明弹簧蓄能密封圈在常温和低温下具有良好的密封性能,通过常温氦气、低温液氮下的密封性能试验,验证了仿真分析结果的正确性,同时也验证了该弹簧蓄能内密封圈在常温和低温下良好的工作性能。
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  航空发动机浮环密封上浮性能试验研究

  力宁, 江平, 翁泽文, 楼江雷, 马利军, 王智加, 马智

  润滑与密封. 2020, 45(11): 143-148. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2020.11.022

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  采用电涡流传感器建立一套浮环密封上浮性能试验方法,该方法可定量地判断浮环密封临界浮起转速,精确地测量浮环密封中密封环的上浮量,并通过计算得到密封环偏心率随转速变化曲线。利用该方法开展某航空发动机浮环密封不同工况条件下上浮性能试验研究,上浮量测量结果与实际位移偏差满足工程测试精度,验证该方法的可行性。试验结果表明:上浮量测量结果与实际位移基本一致,浮环密封上浮性能与密封件两边压差、介质等因素有关;浮环密封正常工作时密封环会与壳体端面产生微动磨损,浮环密封设计时需要考虑微动磨损对浮环密封性能及寿命的影响。