HD型转叶式舵机疲劳性能基本研究

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舵机详解学习

2、整流帽舵- 在普通舵（一般是流型舵）的适当位置加装一个外型为对称机翼剖面的回转体或近似于椭圆形的整流帽，由于整流帽填充了通常是涡流低压区的空间，使得螺旋桨后部的乱流得到改善。这样不仅提高推进效率，还能降低船尾的震动，据称在一般舵上加装整流帽后，可以增加航速0．3- 0．5。
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1.完成一次性操大舵，使ＣＣ‘在最大位置时间长，加快转舵速度； 2.避免控制点机件损坏；
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2.五点式（带副杠杆式）
B
B
B
E
E
D
D
C
C
E
D
C'
C
有位移放大作用，操小舵角时使控制点Ｃ有较大的位移，使变量泵有较大的排量，使得转舵速度快。
C'
A
A
A'
A
A'
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第三节液压舵机的转舵机构
分类： 1.往复式转舵机构 2.回转式转舵机构
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1.往复式转舵机构
１）滑式转舵机构
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滑式转舵机构特点 1）扭矩特性良好，承载能力较大； 2）撞杆与油缸的密封采用Ｖ字型，密封可靠，具有
自动补偿能力； 3）油缸精加工面少； 4）尺寸、重量大； 5）安装、检修比较麻烦
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舵是舵手（驾驶人员）用来保持或改变船舶在水中运动方向的专用设备。舵有两大功能：
一是保持船舶预定航向的能力，称为航向稳定性；二是改变船舶运动方向的能力，称回转性。通常把二者统称为船舶的操纵性。
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船舵主要由舵叶和舵杆组成，舵叶是产生水压力的部分，舵杆的作用是转动舵叶和保证舵叶具有足够的强度）舵的作用原理是当水流以某冲角冲至舵叶上时，便产生了流体动力，此作用力通过舵杆传递并船体上，从而迫使船舶转向，也就达到了调整航向的目的。

一起船舶搁浅引发转叶式舵机的故障修理

收稿日期：２０１３— ０５—１１
作者简介：黄跃明（１９６５一），男，福建省厦门人，工程师，现从事船舶机务管理工作。
有保障。公司向ＣＣＳ申请回国进厂维修，ＣＣＳ要求制定了船舶空放回国的安全保障措施。（下转第１４页）
“ ＨＢＳ２ ” 轮除右舵无法达到满舵外，其余操纵性能皆
无明显变化。船体通过临时修理船舶稳性和抗沉性
散装船“ ＨＢＳ２ ” 轮，２０１１年３月ｌ１日由厦门船舶重工有限公司建造出厂，载重吨５７０００ｔ。舵机为南京中船绿洲公司生产的ＨＤ８０—３型的转叶式舵
内部绝对清洁，（不能有任何杂质和空气），一般不会有比较大的故障，运行工况相对稳定。
ｌ故障的产生
度水下检验公司进行检验，在水下检验确定漏水处，安排水下焊补。针对转叶式舵机转子相对舵杆实际
向右产生滑移的故障，船员和印度航修队多次尝试检修恢复，但因条件限制，难度很大而未果。船舶搁浅需进一步进坞检查修复，由于当时印度ＶＩＺＡＧ港周边的船厂均没有空坞，等待时间要几个月。考虑
０前言
大型船舶几乎全部采用液压舵机。液压舵机是利用液体的不可压缩性及流量、流向的可控性达到操舵的目的。转叶式液压舵机是一种新型的液压舵机。南京中船绿洲机器有限公司于２００６年开始自主研发转叶式舵机。其研发生产的ＨＤ型转叶式舵机（如图），具有结构紧凑，运动部件少，操舵平稳，舵角范围宽，安装方便，操作维护简单等优点，因此，

转叶式液压舵机的关键技术分析

ｌｗ，ａｄｉｉｈｌｆｌｔｈｐｒｔｎｏｈｔｅｉｇｓｓｅｏｎｔｓｅｐｕｏｔｅｏｅａｉｆｔｅｓｅｒｎｙｔｍ，ｏ
Ｋｅｒｓｏａｙｖｎｔｅｉｇｇａ；ｏｔｉｔｎｄｓｇｙｗｏｄ：ｒｔｒａｅｓｅｒｅｒｐｉｚｉｅｉｎ；ＦＥＡ；ｓａ；ｌａａｅｎｍａｏｅｌｅｋｇ
材料密度；
— —
收稿日期：０８０ —４２０—４２修回日期：０８０ —３２０ —５１
液压舵机是操控船舶航行方向的重要设备，其型式可分为往复式和转叶式两大类。转叶式液压舵机可直接安装在舵杆上，去了将直线运动省转换成回转运动的机械传动环节，结构紧凑、安装方便［见图１，。
叶片
时兼顾产品的可维护性。由于上述目标往往相互冲突，通过优化方法进行产品结构设计［。优需２］
化目标为产品质量最轻，：即
ｍｉｆ（）ｍ一』ｎｘＤ（）１式中：ｍ—— 舵机质量；
密封
图１转叶式液压舵机基本结构
维普资讯
第３卷第４期７２０年８月０８
文章编号：６１７５（０８０—０１０１７ —９３２０）４００ —４
船海工程
ＳＰＨＩ＆ＯＡＮＥＩＥＩＣＥＮＧＮＥＲＮＧ
Ｖｏ．７Ｎ０４１３．

转叶式舵机

往复柱塞式舵机以上舵承来承重舵系，下舵承来定位，操控简单，维修方便，但占用空间大，旋转角度小，一般不超过 45° 转叶式舵机占用空间小，操控高效，舵机承载全部舵重，全部舵重承载在推力轴承上，舵角旋转角度大，可达70°，但价格昂贵，维修成本高。（RV2600-3 旋转范围可达75°）
转叶式舵机
注：液压螺母拆除前测量螺母与
舵杆上平面间的高度：记“B”
4、端盖摆放时应在下端面上摆放柔和的垫枕，防止端面及轴承受伤，清理缸体中的液压油
使用船方气泵抽油
5、将油泵油管接到液压螺母和转子上，泵1接液压螺母；泵2接转子连通转子锥面油槽 6、泵压前测量转子上端面到舵杆上端面的高度A
7、给1号泵打压，给转子泵松时预留缓冲压力。压力查找说明书
探索
一、舵机基本简介
二、转叶式舵机构造及工作原理
三、转叶式舵机的拆装工艺及注意点
一、舵机基本简介及构造
船用舵机目前多用电液式，即液压设备由电动设备进行遥控操作。
有两种类型：一种是往复柱塞式舵机，其原理是通过高低压油的转换而做功产生直线运动，并通过舵柄转换成旋转运动。
另一种是转叶式舵机，其原理是高低压油直接作用于转子做旋转运动，体积小而高效，成本较高。
推力轴承
三、转叶式舵机的拆装工艺及注意点
1、将转子、舵杆用液压油清洁干净（主要两者的配合锥面） 2、安装底部油封和铜套（新铜套数据核验） 3、回装转子，落下时确保转子水平安入，让转子全部重量承载到舵杆锥面上（转子两侧密封：弹簧型？不锈钢条型？安装时注意点）
附：回装油腔密封条时，若单侧间隙过小怎么回装？什么原因引起间隙不均？
8、保持1号泵不动，给2号泵打压直至 1号泵压力跟着上升，此时意味着转子已松动。同时可以听到一声响声 9、然后1号泵缓缓泄压，转子缓缓上升，与舵杆脱离。

舵机工作原理

转叶式液压舵机产品介绍上海海事大学摘编2010-01-18关键字：液压舵机浏览量：627大型船舶几乎全部采用液压舵机。

电动舵机仅仅用于一些小型船舶上。

液压舵机是利用液体的不可压缩性及流量、流向的可控性达到操舵的目的。

转叶式液压舵机是一种新型的液压舵机。

它与其他类型的舵机相比，具有体积小、重量轻、结构简单、制造容易、维护保养方便等一系列优点。

一、国内外研究现状：转叶式液压舵机至今已有近60年的历史，但这种新舵机并非所有从事船舶制造的国家都能生产，目前只有少数几个国家掌握了这门设计和生产技术。

例如：德国、挪威、俄罗斯和日本等他们从二次世界大战后50年代初开始先后研究和生产这种新舵机。

德国AEG通用电气公司生产转叶式液压舵机已闻名世界并占垄断地位，产品较多，是目前远洋船舶上所经常选用的设备之一。

该公司生产四种不同系列，分为RD型；RDC型；RC型；RB型。

最高压力12.5MPa；最大扭矩890吨米。

由于采用翻边式结构，金属条密封形式，结构合理，翻边受力变形量小，可使用较高压力，容积效率也较高。

但是安装工艺较复杂（与端盖式比较），不过RBZ（RB）系列组装化程度较高，安全阀，电动机，油泵机组均安装在转叶油缸两侧，可整体套入舵轴（与舵轴联接方式均为套装式）。

大大简化了船上安装工作量。

英国布朗公司、日本三井公司、三菱公司和美国等国家凭德国AEG公司专利进行成批生产各种系列的转叶式液压舵机。

挪威FRYDENBO公司生产的转叶式液压舵机，工作压力2.5MPa，安全阀调节压力为5MPa，最大扭矩为600吨米。

液压系统是以螺杆泵做主泵的定量泵系统。

由手动和电动液压操纵组成一体。

该公司产品的特点是采用端盖式带凹形橡胶密封，与舵轴联接形式为套装式，转叶舵机固定在船壳底座上，无缓冲装置，由于其使用压力较低，采用高粘度油液，故使用可靠，安装、维护保养简单。

俄罗斯于1959年在目前的乌克兰境内试制了首台转叶式液压舵机，并在1962年装在船上考验其性能，而后进行了批量生产。

涡轮导向叶片热疲劳分析_钱惠华

收稿日期:2002-03-27;修订日期:2002-07-08作者简介:钱惠华(1978-),女,浙江义乌人,北京航空航天大学能源与动力工程学院硕士生.第18卷　第2期2003年4月航空动力学报Journal of Aerospace PowerVol.18No.2Apr.　2002文章编号:1000-8055(2003)02-0186-05涡轮导向叶片热疲劳分析钱惠华,李　海,程　滔,张　锦(北京航空航天大学能源与动力工程学院,北京100083)摘要:某型涡扇发动机在进行地面性能试验时,高压涡轮导向叶片多台次出现了严重裂纹故障。

本文以其失效分析为背景,推导出导向叶片瞬态温度场的计算方法,并对该导向叶片进行了瞬态温度场数值分析,进而得出导向叶片的瞬态热应力分布与热疲劳寿命的计算结果。

同时对此故障产生的原因进行进一步的分析。

分析的结果与该机地面性能试验数据基本吻合,因此,此分析过程可作为热疲劳寿命计算的借鉴。

关　键　词:航空、航天推进系统;涡扇发动机;涡轮导向叶片;瞬态温度场;热疲劳寿命中图分类号:V 235.13 文献标识码:AThermal Fatigue Analysis to Nozzle Guide VanesQIAN H ui-hua,LI H ai,CHEN G Tao,ZHAN G J in(Beijing Univ ersity of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100083,China)Abstract :On the basis of malfunction detection,the calculation m ethod fo r the transientthermal field of the nozzle guide vanes for a turbofan engine has been deriv ed,and the transient thermal field analysed in a numerical w ay .Moreover ,the calculation results of the transient thermal stress and the thermal fatigue life w ere obtained.In this paper,further investigation of the nozzle g uide v ane failure is perfo rmed in detail.Key words :aerospace propulsion;turbo-fan engine;nozzle g uide v ane ;transient thermal field ;therm al fatig ue life1　引　言某型涡轮风扇发动机改型后先后进行了多台次地面性能试验。

动力涡轮工作叶片与导向叶片振动疲劳性能差异分析

Abstract: In view of the phenomenons that the vibration fatigue properties between the blade and the vane were quite different and the fatigue limit of the vane guide blade was low袁 the surface condition inspection袁internal metallurgical quality inspection袁fracture analysis袁microstructure analysis袁and comparative analysis of blade and vane sampling fatigue properties were carried out for an aero derivative gas turbine. The results show that the surface and internal metallurgical quality of blade and vane meet the standard requirements袁and the internal grain size and porosity elimilation grade are equivalent. The cracks of blade and vane are fatigue caused by near the leading and trailing edge of root. The vane does not adopt fine grain process 袁the surface grain of the vane body is thicker. The use of the return material in the vane leads to the thick inter-dendritic structure and needle like TCP phase in the local area.

转叶式舵机修理工艺研究

转叶式舵机修理工艺研究作者：常军军来源：《中国新技术新产品》2019年第17期摘 ;要：船舶舵机是控制船舶航向，保证船舶安全航行的重要设备，其完好性不言而喻。

该文通过阐述转叶式舵机的结构原理，并以某轮舵机修理为案例，对转叶式舵机转舵机构部件容易出现的故障进行了描述和原因分析，根据案例实际提出了修理方案，重点对转舵机构相关部件装配技术参数、修理加工工艺以及装配工艺流程进行了探讨和研究，以为舶舶轮机相关管理人员及修理者提供参考。

关键词：转叶式舵机;工作原理;修理;技术参数;工艺流程中图分类号：U664 ; ; ; ; ; ; ; ; ; 文献标志码：A0 引言船舶安全地航行，除了应具有良好的推进性外，还应有良好的操纵性能，船舶推进性能是由主机和螺旋桨的正确匹配来保证的，而船舶保持和改变航向是靠舵装置的作用。

舵装置主要是由舵和操舵装置组成，舵机就是操舵装置的主要部件。

船用舵机目前多采用液压式，根据其作用方式的不同，液压式舵机分为往复式和转叶式2类。

转叶式舵机可直接安装在舵杆上，省去了将直线运动转换成回转运动的机械传动环节，结构紧凑，因此占地面积小、重量轻、安装方便，受到船东的欢迎。

1 转液式舵机工作原理转叶式液压舵机，主要由轉舵机构、舵机油泵、控制阀和操纵系统几个部分组成，其中转舵机构是舵机的核心部件，是将油液的压力能转变为转动舵杆的机械能的装置。

转舵机构由舵机壳体、转子、定子、轴承盖等部件组成（图1），舵机壳体固定在船体上，其内腔装有2或3个定子，定子通过拂配螺丝与壳体紧固。

舵机转子以键联接或是锥度配合，并通过液压螺母紧固在舵杆上端，转子上装有2或3个转叶。

壳体与上轴承盖内各有一滑动轴承与转子配合，上、下各有唇型橡胶密封进行密封，保持转子在壳体内的轴向密封。

转子转叶与壳体内壁、定子与转子配合处安装有密封条，保持转舵机构工作时部件间的径向密封。

这种结构就将舵机壳体内腔分隔离成4或6个密封腔室，当油泵工作时，分别从其中2或3个腔室吸油并排入另2或3个腔室，转叶就会在液压差的作用下转动，并通过转子带动舵杆、进而带动舵叶转动，改变油泵的吸排油方向，即可改变舵叶转动的方向，从而达到保持和改变航向的目的。

大型燃气轮机涡轮叶片疲劳寿命研究共3篇

大型燃气轮机涡轮叶片疲劳寿命研究共3篇大型燃气轮机涡轮叶片疲劳寿命研究1大型燃气轮机涡轮叶片疲劳寿命研究燃气轮机是一种高效可靠的动力装置，适用于许多领域，包括空客工业、能源生产和石油勘探。

在燃气轮机中，涡轮叶片是最容易受到疲劳影响的部件之一。

因此，对于大型燃气轮机涡轮叶片的疲劳寿命进行研究至关重要。

疲劳是材料或构件在循环应力下的疲劳破坏。

涡轮叶片通常受到很高的应力和温度，这可能导致疲劳开裂。

疲劳破坏是一种微弱的、渐进的过程，可能导致不可逆的结构损坏。

因此，预测涡轮叶片的疲劳寿命至关重要。

大型燃气轮机涡轮叶片的疲劳寿命研究通常需要借助模拟和实验。

模拟通常包括数值模拟和仿真，在模拟中，考虑到各种应力载荷、材料疲劳特性和涡轮叶片的结构特征，从而预测疲劳寿命。

实验通常包括试验评估和疲劳试验，在试验评估中，对材料能力、疲劳极限等进行测试，而在疲劳试验中，对涡轮叶片的疲劳性能进行验证。

大型燃气轮机涡轮叶片的疲劳寿命研究不仅仅是保证设备寿命的关键因素。

它也可以为设备改进、材料选择、质量控制和维护计划提供关键信息。

在开展涡轮叶片疲劳寿命研究时，需要对涡轮叶片重要的几何参数、材料性能、应力载荷等进行全面的评估。

面对日益严峻的市场竞争，燃气轮机开发商和制造商都致力于开发出更安全、可靠、可持续的设计。

疲劳寿命是大型燃气轮机设计的关键考虑因素之一。

因此，需要进行充分和全面的大型燃气轮机涡轮叶片疲劳寿命研究，以确保装置的长期使用、生产效率和安全性综上所述，研究大型燃气轮机涡轮叶片的疲劳寿命至关重要。

通过模拟和实验，可以预测和验证涡轮叶片的疲劳性能，为设备改进、材料选择、质量控制和维护计划提供重要信息。

在当前的市场竞争中，保证装置的长期使用、生产效率和安全性是燃气轮机制造商的首要任务之一。

因此，需要不断深入和完善大型燃气轮机涡轮叶片疲劳寿命的研究大型燃气轮机涡轮叶片疲劳寿命研究2随着现代工业的不断发展，大型燃气轮机在国家经济建设中占据着重要地位。

一种基于眼睛长宽比的船舵手疲劳检测方法

1. 前言船舵手作为船舶驾驶的关键人员之一，其安全意识和注意力是船舶运行安全的保障。

然而，在长时间的船舶控制工作中，船舵手可能会出现疲劳，导致对船舶的操作失误。

因此，为保障船舶的安全性，研究一种有效的船舵手疲劳检测方法显得尤为必要。

本文提出一种基于眼睛长宽比的船舵手疲劳检测方法，该方法通过分析船舵手的眼睛长宽比来判断其是否出现疲劳状态，以提醒船舶管理人员采取相应的措施。

本文首先介绍了相关研究背景和研究现状，然后详细介绍了本方法的整体流程，包括数据采集、数据预处理、特征提取和分类器构建，最后对该方法进行实验验证，并对结果进行分析和总结。

2. 研究背景和研究现状船舶行驶过程中，船舵手需要长时间坐在控制室内，进行持续性的控制操作。

随着时间的推移，船舵手的注意力可能会逐渐减弱，导致疲劳状态。

因此，如何及早发现船舵手的疲劳状态，成为了研究的热点和难点。

目前，研究者们提出了很多种船舵手疲劳检测的方法，包括基于生理参数的疲劳检测、基于行为特征的疲劳检测等。

其中，基于眼睛的疲劳检测方法已经得到广泛应用，其原理是利用眼睛的运动和瞬目频率等特征来检测疲劳状态。

但这种方法存在一定局限性，并不十分可靠准确。

因此，本文提出了一种新的基于眼睛长宽比的船舵手疲劳检测方法，以克服已有方法的局限性。

3. 方法介绍本方法主要分为四个步骤，包括数据采集、数据预处理、特征提取和分类器构建。

步骤如下：( 1)数据采集使用摄像机对船舵手进行拍摄，采集其面部图像。

由于面部表情和肌肉活动会影响长宽比的测量，这里采用平静状态下的眼睛图像进行处理。

( 2)数据预处理对采集到的眼睛图像进行预处理，主要包括图像去噪和图像分割两个步骤。

( 3)特征提取在预处理后得到的图像基础上，提取长度和宽度的特征值。

利用这些特征值来判断船舵手的疲劳状态。

(4)分类器构建构建一个分类器，通过训练数据集和建立的特征集，对船舵手的疲劳状态进行分类4. 实验验证与结果分析本节用实验的方法验证所提出的方法的有效性，并对实验结果进行分析。

转叶式舵机密封件在不同磨粒尺寸下的摩擦学特征研究

第３３卷第４期中国机械工程V o l ．３３㊀N o ．４２０２２年２月C H I N A M E C HA N I C A LE N G I N E E R I N Gp p．３９７Ｇ４０５转叶式舵机密封件在不同磨粒尺寸下的摩擦学特征研究向晶晶１,２㊀董从林１,２㊀白秀琴１,２㊀汤㊀敏２１．武汉理工大学交通与物流工程学院,武汉,４３００６３２．国家水运安全工程技术研究中心可靠性工程研究所,武汉,４３００６３摘要:船舶转叶式舵机因体积小㊁功率密度高而逐渐替代传统的柱塞式舵机.然而,磨损过程中产生的磨粒常使叶片密封件产生异常磨损,引起密封失效,导致油压下降,造成转叶式舵机功能丧失.明晰叶片密封件与缸体内壁之间的摩擦磨损机理以及提取关键磨损特征是提高叶片密封件的磨损寿命和实现转叶式舵机智能故障诊断的关键.以常用于制作密封件的聚氨酯高分子材料为研究对象,研究其在不同磨损状态下的摩擦磨损行为,研究结果表明:随着液压油中铁屑磨粒粒径的增大,聚氨酯与碳钢球之间的摩擦因数㊁磨损体积㊁磨损形貌和振动等摩擦行为特征值逐渐增大,表明磨损状态逐渐恶劣.通过感知磨损过程中的摩擦学信息,包括摩擦因数㊁液压油中磨粒尺寸㊁磨损形貌㊁磨损体积㊁振动信号等特征,可为评估或预测转叶式舵机叶片密封件的磨损状态㊁故障形式提供有效途径.研究结果为揭示船舶转叶式舵机叶片密封件摩擦磨损机理提供了理论依据,为实现船舶转叶式舵机的智能状态监测和故障诊断提供了参考.关键词:船舶转叶式舵机;磨粒尺寸;摩擦振动;磨损特征中图分类号:U ６６４;T H １１７．１D O I :１０．３９６９/j ．i s s n ．１００４１３２X．２０２２．０４．００３开放科学(资源服务)标识码(O S I D ):S t u d y o nT r i b o l o g i c a l C h a r a c t e r i s t i c s o fR o t a r y V a n e S t e e r i n g G e a r S e a l s u n d e rD i f f e r e n tA b r a s i v eP a r t i c l e S i z e sX I A N GJ i n g j i n g １,２㊀D O N GC o n g l i n １,２㊀B A IX i u qi n １,２㊀T A N G M i n ２１．S c h o o l o fT r a n s p o r t a t i o na n dL o g i s t i c sE n g i n e e r i n g ,W u h a nU n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y,W u h a n ,４３００６３２．R e l i a b i l i t y E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e ,N a t i o n a l E n g i n e e r i n g R e s e a r c hC e n t e r f o rW a t e rT r a n s po r t a t i o n S a f e t y,W u h a n ,４３００６３A b s t r a c t :T h e s h i p r o t a r y v a n e s t e e r i n g g e a r s g r a d u a l l y r e p l a c e d t r a d i t i o n a l p l u n g e r s t e e r i n g ge a r s d u e t o t h e s m a l l s i z e a n dh i g h p o w e rd e n s i t y ．H o w e v e r ,t h ew e a r p a r t i c l e s g e n e r a t e dd u r i n g th e f r i c Ｇt i o n p r o c e s s e s o f t e n c a u s e d a b n o r m a lw e a r o f t h e s e a l s o f r o t a r y va n e s ,w h i c hc a u s e ds e a l f a i l u r e a n d d r o p h y d r a u l i c o i l p r e s s u r e ,a n d r e s u l t e d i n l o s i n g o f t h e f u n c t i o n o f r o t a r y v a n e s t e e r i n gge a r s ．C l a r if Ｇy i ng th e f ri c t i o n a n dw e a rm e c h a n i s mb e t w e e n t h e v a n e s e a l s a n d t h e c y l i n d e r a n d e x t r a c t i n g t h e i r k e y w e a r c h a r a c t e r i s t i c sw e r e t h e k e y s t o e x t e n d t h e s e r v i c e l i f e a n d t o r e a l i z e i n t e l l i g e n t f a u l t d i a g n o s i s o f t h e r o t a r y v a n e s t e e r i n gg e a r s ．T h e p o l y u r e t h a n em a t e r i a l sw h i c hc o mm o n l y u s e d t om a k e s e a l sw e r e c h o s e n a s t h e r e s e a r c ho bj e c t t o s t u d y th ew e a r b e h a v i o r s u n d e r d i f f e r e n tw e a r c o n d i t i o n s ．T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h e c h a r a c t e r i s t i cv a l u e so f f r i c t i o nc o e f f i c i e n t ,w e a r v o l u m e ,w e a rm o r p h o l o g y an dv i b r a Ｇt i o ns i g n a l s b e t w e e n p o l y u r e t h a n e p o l y m e r a n d c a r b o n s t e e l b a l l g r a d u a l l yi n c r e a s ew i t h t h e i n c r e a s e o f i r o n p a r t i c l e s s i z e u n d e r h y d r a u l i c o i l Ｇl u b r i c a t e d ,w h i c h i n d i c a t e s t h a t t h ew e a r s t a t e i s g r a d u a l l y wo r s Ｇe n i n g ．I tm a yp r o v i d e a ne f f e c t i v ew a y f o r e v a l u a t i n g o r p r e d i c t i n g th ew e a r s t a t eo r f a i l u r em o d e so f r o t a r y v a n e s t e e r i n gg e a r s e a l sb y s e n s i n g t r i b o l o g i c a l i n f o r m a t i o n ,i n c l u d i n g th e f r i c t i o nc o e f f i c i e n t ,a b r a s i v e p a r t i c l e s s i z e i n t h e h y d r a u l i c o i l ,w e a rm o r p h o l o g y ,w e a r v o l u m e ,v i b r a t i o n s i gn a l s a n d o t h Ｇe r c h a r a c t e r i s t i c s ．T h i s s t u d y m a y p r o v i d e a t h e o r e t i c a l b a s i s f o r r e v e a l i n gt h e f r i c t i o n a n dw e a rm e c h a Ｇn i s mo f s h i p r o t a r y v a n e s t e e r i n gg e a r s e a l s ,a n d p r o v i d e a r e f e r e n c e f o r r e a l i z i n g t h e i r i n t e l l i ge n tm o Ｇn i t o r i n g a n df a u l t d i a gn o s i s ．K e y wo r d s :s h i p r o t a r y v a n e s t e e r i n gg e a r ;p a r t i c l e s i z e ;f r i c t i o nv i b r a t i o n ;w e a r c h a r a c t e r i s t i c s 收稿日期:２０２１０９１０基金项目:中国工程院咨询项目(２０２１ＧX Z Ｇ２２);工业和信息化部高技术船舶科研项目(工信部装函[２０１９]３５８号)０㊀引言船舶舵机是控制航向和调整操纵性的重要设７９３ Copyright ©博看网. All Rights Reserved.备,直接影响船舶的使役性能㊁航行安全和可靠性[１Ｇ２].现代船舶向智能㊁节能㊁高安全可靠性发展,对船舶设备的智能集成㊁节能减排㊁轻量化㊁可靠性水平提出了更高要求[３].转叶式舵机具有体积小㊁结构简单㊁集成度高㊁机械效率高㊁功率密度高等优点[４Ｇ５],在相同扭矩的情况下,其占地空间仅是传统柱塞式舵机的３０％~６０％,质量仅是柱塞式舵机的５０％~７５％,逐渐替代柱塞式舵机成为船舶舵机的主要产品,R o l l sＧR o y c e公司开发的转叶式舵机已被广泛应用于各类船舶[６].转叶油缸是转叶式舵机的关键部件[７].油缸内的转叶和定子将转叶油缸分为几个密闭的腔室,液压油被注入腔室,对叶片产生压力,驱动转子转动,进而控制舵的转向.为了保证船舵响应速度快㊁不跑舵㊁不滞舵㊁舵角精准,转叶油缸内油压保持稳定是关键.保持油压稳定的关键措施之一是保证转叶和定子在高压条件下具有优良的密封性能,从而不发生漏油泄压.工作中,转叶外端的密封件与缸体内壁长期处于高压紧密贴合状态,当液压油驱动转叶转动时,密封件与缸体不可避免地产生接触摩擦磨损,叶片密封件与缸体内壁之间产生磨损和磨粒[８Ｇ９].若长时间工作,密封件的磨损逐渐加剧,产生的磨粒增加,粒径增大.这些由于摩擦磨损而产生的不同粒径大小的磨粒,会随着液压油再次转移至两摩擦副之间,使得密封件产生异常磨损[１０Ｇ１１],引起密封失效㊁异常振动㊁液压油泄漏,最终致使转叶式舵机产生功能故障.因此,明晰转叶密封件与缸体之间的摩擦磨损机理和获取摩擦学信息是提高叶片密封件的磨损寿命㊁实现转叶式舵机故障智能诊断的关键.本文旨在模拟叶片密封件与缸体内壁在不同尺寸污染颗粒下的磨损状态,解析密封件在不同磨损状态下的摩擦磨损行为特征,提取关键摩擦学行为特征参数,为设计耐磨㊁高可靠性船舶转叶式舵机叶片密封件提供参考,同时为船舶转叶式舵机的故障诊断提供理论依据.１㊀试验部分１．１㊀试验材料及制备聚氨酯(P o l y u r e t h a n e,P U)具有机械强度高㊁耐磨㊁耐油等优点,是用于制作船舶舵机密封件的常用高分子材料,工作中常与液压缸㊁筒壁直接接触[１２Ｇ１４].雷钰琛等[１５]通过聚氨酯材料与４５钢盘之间的实验,验证了聚氨酯材料可应用于摆动油缸端面与转子之间的密封.雷钰琛[１６]㊁刘晓玲等[１７]在液压缸往复密封性能研究中,分别利用聚氨酯Ｇ钢与聚四氟乙烯Ｇ钢进行了摩擦磨损试验,结果表明聚氨酯的密封性能优于聚四氟乙烯.以上研究表明,液压密封系统中,聚氨酯与钢具有良好的适配性,因此,本文选择聚氨酯高分子材料与船舶舵机机械结构中常用的钢材碳钢作为匹配副,并将聚氨酯高分子材料制成直径为３０mm的圆盘.聚氨酯与碳钢球的具体材料特性见表１.表１㊀聚氨酯与碳钢球的材料特性T a b．１㊀M a t e r i a l p r o p e r t i e s o fP Ua n d c a r b o n s t e e l b a l l聚氨酯碳钢球硬度H R A９０H R C５５抗拉强度(M P a)２９．６７３８０弹性模量(G P a)０．０１５２１０粗糙度(μm)１．０ʃ０．１０．１ʃ０．０２生产厂家苏州百锦润塑化河北奕呈钢球㊀㊀相关研究表明,在机械设备运行期间,油液中的磨粒粒径d为２~２０μm时,设备从正常运行开始慢慢出现轻微磨损;当磨粒粒径为２０~７０μm或者更大时,会出现异常磨损[１８Ｇ２０];E DＧMO N D S等[２１]在磨屑检测方法研究中发现,金属平均磨粒尺寸大于１００μm 时,认为液压系统中出现了严重磨损,且随着磨损加剧,磨粒的尺寸和数量都有所增大[２２].本文为了体现油液中磨粒大小的随机性,选用符合正态分布的平均粒径d 为５μm㊁５０μm㊁１２０μm和１６０μm的四种铁粉来模拟转叶式舵机叶片密封件在不同磨损状态下的磨粒尺寸,如图１所示.(a)d＝５μm㊀㊀㊀㊀(b)d＝５０μm(c)d＝１２０μm㊀㊀㊀㊀(d)d＝１６０μm图１㊀铁粉平均粒径大小F i g．１㊀A v e r a g e p a r t i c l e s i z e o f i r o n p o w d e r选用液压舵机中常用的黏度等级为I S O V G６８(美孚)的液压油作为试验用油,将５μm㊁５０μm㊁１２０μm和１６０μm四种不同粒径的铁粉和１５m L液压油按照体积磨粒浓度公式分别配制成体积浓度为１．５％的含磨粒匹配液,本文讨论８９３中国机械工程第３３卷第４期２０２２年２月下半月Copyright©博看网. All Rights Reserved.磨粒尺寸对摩擦副的影响分析时均在此浓度情况下进行,磨粒浓度w＝mm＋ρ１V(１)式中,m为铁粉质量,g;ρ１为铁粉密度,g/c m３;V为液压油体积,m L.１．２㊀试验过程试验均在R t e c多功能标准摩擦磨损试验机上完成,并安装振动测试系统同步采集因摩擦磨损诱导的振动信号,如图２a所示.三维振动信号采集传感器被安装在摩擦试验机往复模块的上端,如图２b和图２c所示,可以实时获取摩擦振动数据,如图２d所示.抛光后的聚氨酯试样如图２e所示.聚氨酯高分子材料原料如图２f所示.由于转叶密封件在油缸内通常做低速往复运动,故本试验选用往复模块,利用碳钢钢球与聚氨酯高分子材料试样做往复对磨运动,往复行程为１０mm.根据转叶式舵机叶片密封件与液压缸内壁比压进行换算,得到钢球施加压力约１００N,往复频率为１H z,测试时间为１８００s,试验温度为２５ħ.㊀㊀㊀㊀㊀(a)R t e c多功能标准摩擦磨损试验机及摩擦振动采集系统㊀㊀㊀㊀㊀(c)振动信号采集传感器㊀(d)振动信号通道㊀㊀㊀㊀(f)聚氨酯原料图２㊀试验设备F i g．２㊀T e s t a p p a r a t u s㊀㊀分别在纯液压油和已制备的符合正态分布的平均粒径d为５μm㊁５０μm㊁１２０μm和１６０μm 四种磨粒尺寸的匹配液中进行试验.为了保障铁屑在油液中具有较好的分散度,试验前,匹配液在振荡仪中进行３０m i n的振荡分散,待其混合均匀后,立即提取分散油液进行试验.在线采集不同磨粒尺寸下的摩擦因数㊁摩擦振动等特征,每种工况下重复试验３次,每次均使用新的钢球和匹配液.１．３㊀测试技术及方法试验中利用V KＧX１０００激光共聚焦显微镜观测不同磨粒尺寸下聚氨酯和碳钢球的表面磨痕以及表面粗糙度等,进而获得聚氨酯磨损体积等特征;利用梅特勒分析天平对试验前后的碳钢球进行质量测量,以获得碳钢球的磨损体积;利用V E G A３扫描电子显微镜(S E M)观察聚氨酯和碳钢球表面磨损状态,并使用能谱仪(e n e r g y d i sＧp e r s i v e s p e c t r o m e t e r,E D S)分析磨损区域的元素成分及分布情况;不同磨粒尺寸下产生的摩擦振动信号利用B&K振动测试系统进行采集㊁输入和处理.２㊀结果与分析２．１㊀摩擦因数分析在载荷１００N㊁浓度１．５％㊁频率１H z条件下,不同磨粒尺寸(０即纯液压油㊁５μm㊁５０μm㊁１２０μm㊁１６０μm)对聚氨酯与碳钢球摩擦副之间的摩擦因数影响规律见图３a;不同磨粒尺寸下的平均摩擦因数μ－见图３b;不同磨粒尺寸下摩擦因数的波动幅度Δμ见图３c.在纯液压油中,摩擦因数波动较小,稳定在０．０７左右,表明正常工作时摩擦副之间能形成有效润滑油膜[２３],进而保持低摩擦㊁良好润滑状态.然而,含有硬质铁屑磨粒工况下的摩擦因数均大于纯液压油中的摩擦因数,表明铁屑对摩擦副之间的摩擦磨损过程产生显著的影响,且随着铁屑粒径的增大,摩擦因数依９９３转叶式舵机密封件在不同磨粒尺寸下的摩擦学特征研究向晶晶㊀董从林㊀白秀琴等Copyright©博看网. All Rights Reserved.次增大.铁屑粒径为５μm 时,摩擦因数增至０．１１左右,表明摩擦副之间的磨损逐渐加剧.当铁屑粒径为５０μm 时,磨损初期的摩擦因数显著增大,随后逐渐减小,开始阶段聚氨酯与碳钢球之间可能处于磨合磨损阶段,摩擦副之间的状态相对不稳定,但随着磨损时间的延长,在１０００s 后进入稳定磨损阶段.当磨粒粒径为１２０μm 时,摩擦因数一直处于较高的水平.当磨粒粒径为１６０μm 时,摩擦因数已经增至０．１７,约为纯液压油的２．５倍,呈现持续波动状态,且波动幅度大,此时摩擦副之间受到严重磨损,可能会造成聚氨酯磨损失效.显然,铁屑磨粒破坏了摩擦副之间的油膜,造成摩擦副的摩擦因数增大;且硬质磨粒会对聚氨酯和碳钢球形成摩擦作用,加剧摩擦磨损,导致摩擦副之间的摩擦因数增大;并且磨粒尺寸越大,摩擦因数的波动变化越明显.可以看出,磨粒粒径对聚氨酯和钢球之间的摩擦磨损状态有着显著的影响.(a )１８００s 内变化规律(b )平均摩擦因数μ㊀㊀(c )摩擦因数波动幅度Δμ图３㊀不同磨粒尺寸下的摩擦因数F i g．３㊀C O Fu n d e r d i f f e r e n t p a r t i c l e s s i z e s ２．２㊀材料磨损特征分析利用激光共聚焦显微镜分别对磨损之后的聚氨酯和碳钢球表面磨痕进行观测,获其磨损形貌曲线,流程见图４a .聚氨酯在不同磨粒粒径下的磨痕曲线对比图见图４b .显然,随着铁屑粒径的增大,磨痕宽度与深度逐渐增大,表明聚氨酯表面的磨损愈加严重,呈现依次递增趋势.聚氨酯的磨痕宽度W 与磨痕深度D 对比图分别见图４c 和图４d .可以看出,在纯液压油工况下,正常的润滑特性使聚氨酯表现出较小的磨损,磨痕宽度最小,为３１０１μm ,磨痕深度最浅,为１６．８３μm .在分别添加了粒径为５μm ㊁５０μm ㊁１２０μm ㊁１６０μm 的铁屑后,磨痕宽度与磨痕深度变化非常明显,呈上升趋势,且在１６０μm 工况下,磨痕宽度最大达４１０４μm ,磨痕深度最大达２９．４６μm .这归因于磨粒破坏了液压油膜;同时磨粒粒径的增大,使得摩擦副之间的三体磨损更加严重,加剧了对摩擦副的磨损作用[２４].总体上说,大粒径的磨粒对聚氨酯产生严重的磨损行为,很好地反映出聚氨酯的磨损状态.(a )观测过程㊀㊀㊀㊀㊀㊀(b)磨痕曲线(c )磨痕宽度㊀㊀㊀㊀㊀㊀(d)磨痕深度图４㊀聚氨酯表面磨痕F i g．４㊀W e a r s c a r o fP U 为了定量描述铁屑磨粒对聚氨酯的磨损状态的影响,根据聚氨酯磨痕曲线,利用积分公式计算聚氨酯材料表面磨损体积.将磨损横截面面积近似看作n 个宽度为Δx 的矩形面积的和,其中,Δx ＝１．３８３μm ,则单个宽度为Δx 的矩形面积S ０㊁材料磨痕横截面面积S ㊁材料的磨损体积V 分别为S ０＝ʏx i ＋Δx x if (x i )d x ㊀㊀i ＝１,２, (２)S ＝ðn ＝W /Δx１S０(３)V ＝L S ＝Lðn ＝W /Δx１ʏx i ＋Δx x if (x i )d x ㊀㊀i ＝１,２, (４)式中,f (x i )为横坐标为x i 时磨痕的深度值,μm ;L 为磨痕长度,mm .利用磨损前后的质量差可以换算出钢球磨损体积.分别计算得到不同磨粒尺寸下聚氨酯与碳钢球的磨损体积V １与V ２,如图５所示.在纯液压油工况下,聚氨酯的磨损体积仅为０．３０４７m m３,钢球的磨损体积仅为０．０１２７mm ３.当铁屑粒径为５μm 时,聚氨酯的磨损体积相对于纯液压油００４中国机械工程第３３卷第４期２０２２年２月下半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.工况反而减少,而其对磨副钢球的磨损体积增至０．０３２０mm ３.但是,当铁屑粒径分别为５０μm ㊁１２０μm ㊁１６０μm 时,聚氨酯的磨损体积分别增至０．４７５７m m ３㊁０．５８５９m m ３㊁０．６２７１m m３,钢球的磨损体积增至０．０２５４m m ３㊁０．０５０９m m ３㊁０．０７６４m m３,说明大颗粒铁屑加剧了聚氨酯与钢球摩擦副的磨损.利用激光共聚焦显微镜对磨损后的碳钢球进(a )聚氨酯磨损体积V １㊀㊀(b)碳钢球磨损体积V ２图５㊀磨损体积F i g．５㊀W e a r v o l u m e 行表面观测,获得其表面粗糙度S a ,如图６所示.纯液压油工况下,钢球磨损形貌较为平整,表面没有犁沟型磨损和材料的剥离现象,划痕不明显,表面粗糙度较小,仅为０．７４μm ,如图６a 所示.当添加５μm 粒径的铁屑时,表面有擦伤与犁沟现象,表面磨损加剧.当磨粒粒径增大(例如５０μm和１２０μm ),钢球表面有非常深的犁沟现象,显然是由硬质颗粒刮削而形成的.当磨粒粒径增至１６０μm 时,材料表面出现大量宽且深的犁沟,表明材料的磨损已经非常严重,此时材料表面粗糙度也最大,为２．６９８μm ,如图６e 所示.碳钢球的３ＧD 表面形貌与表面粗糙度变化规律整体表现一致,随着磨粒尺寸的增大,材料表面形成的犁沟越大,材料的磨损越严重.同时,聚氨酯材料和钢球表面的磨损特征均能直观地体现它们的摩擦磨损状态,为磨损预测和故障诊断提供依据.㊀㊀㊀㊀㊀(a )d ＝０μm㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀(b )d ＝５μm㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀(c )d ＝５０μm㊀㊀㊀㊀(d )d ＝１２０μm㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀(e )d ＝１６０μm㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀(f)碳钢球表面粗糙度图６㊀碳钢球的３ＧD 表面形貌F i g ．６㊀T h e ３ＧDs u r f a c em o r p h o l o g y of c a r b o n s t e e l b a l l ２．３㊀材料磨损表面形貌分析为了进一步核实不同磨粒尺寸下聚氨酯高分子材料与碳钢球表面的磨损信息,利用扫描电镜观察试样磨损之后的表面微观形貌,如图７㊁图８所示;再利用能谱仪(E D S )对聚氨酯表面磨损区域进行成分分析,并选取d ＝５μm 和d ＝５０μm 工况下的磨损表面进行E D S 图谱分析,如图９所示.纯液压油中,高载荷工况下,即使有液压油的润滑,聚氨酯表面也出现了轻微的黏着磨损,而钢球表面相对平整,无明显磨损.从整体上看,添加铁屑后的表面磨损更加严重.添加５μm 粒径的铁屑时,从聚氨酯表面S E M 图可以看出,大量细微铁粉嵌入聚氨酯表面,形成微凸体.对比E D S图谱(图９),d ＝５μm 工况下,聚氨酯表面磨损区域铁元素的峰值明显高于d ＝５０μm 工况下的相应值,表明有大量铁元素附着在聚氨酯表面.这些嵌入聚氨酯表面的铁粉在一定程度上使钢球Ｇ聚氨酯摩擦转变成钢球Ｇ铁粉之间的摩擦,防止了聚氨酯表面的磨损,导致聚氨酯的磨损量有所减小.然而,对应的钢球表面有显著的划痕㊁擦伤以及凹坑,磨损明显.当存在５０μm 粒径的铁屑时,聚氨酯出现明显的挤压变形,并且在滑动摩擦力的作用下沿着一个方向产生卷曲和拉伸变形,此时磨粒对碳钢球表面的划痕同样非常明显.当铁屑粒径为１２０μm 时,聚氨酯在往复运动中受到犁削作用,表面形成明显的犁沟和大量裂纹,同时某些区域还发生疲劳磨损并形成了典型的片状剥落区特征,钢球表面出现材料的卷曲以及明显的犁沟,磨损明显加剧.当铁屑粒径增至１６０μm 时,聚氨酯表面磨损非常严重,不仅在犁削作用下１０４转叶式舵机密封件在不同磨粒尺寸下的摩擦学特征研究向晶晶㊀董从林㊀白秀琴等Copyright ©博看网. All Rights Reserved.形成犁沟,同时还产生了大量的剥落物以及凹坑,碳钢球的表面也形成大量的凹坑和犁沟,说明大粒径的磨粒对两摩擦副表面的磨损都异常剧烈,材料受损严重.这一变化规律与两摩擦副之间的摩擦因数及其波动规律㊁磨损体积信息㊁磨损表面形貌信息保持一致.㊀㊀㊀㊀(a )d ＝０㊀㊀㊀㊀(b )d ＝５μm㊀㊀㊀㊀(c )d ＝５０μm㊀㊀㊀(d )d ＝１２０μm㊀㊀㊀(e )d ＝１６０μm图７㊀聚氨酯表面形貌S E M 图F i g．７㊀S E M p i c t u r e s o fPU ㊀㊀㊀㊀(a )d ＝０㊀㊀㊀㊀(b )d ＝５μm㊀㊀㊀㊀(c )d ＝５０μm㊀㊀㊀(d )d ＝１２０μm㊀㊀(e )d ＝１６０μm图８㊀碳钢球表面形貌S E M 图F i g．８㊀S E M p i c t u r e s o f c a r b o n s t e e l b a ll (a )E D S 能谱图(b )d ＝５０μm 时磨损区域的元素组成及分布(c )d ＝５μm 时磨损表面的元素组成及分布图９㊀５０μm 和５μm 工况下聚氨酯表面磨损区域的E D S 能谱图F i g．９㊀E D S o fw e a r s u r f a c e s o fP Ua t ５０μma n d ５μmc o n d i t i o n s２．４㊀振动特征信号分析材料表面的变形㊁拉伸和犁沟等行为往往致使摩擦系统不稳定,从而诱导摩擦振动.利用B &K 振动测试系统采集载荷１００N ㊁频率１H z ㊁磨粒浓度１．５％情况下,不同磨粒尺寸以及纯液压油工况下摩擦副之间的１０s 振动时域信号,并利用快速傅里叶变换(F F T )将连续周期内的时域信号转换成频域信号,结果如图１０所示.纯液压油中聚氨酯与碳钢球摩擦副之间的振动时域信号如图１０a 中左图所示,添加５μm ㊁５０μm ㊁１２０μm 和１６０μm 粒径铁屑时的振动时域信号分别如图１０b ~图１０e 中左图所示.整体上看,添加磨粒后摩擦副之间的振动信号比纯液压油工况更加显著,且随着磨粒尺寸的增大,振动幅度增大.纯液压油中,摩擦副之间磨损状态平稳,无明显较大振幅,主要振动幅值在－１~１m /s２之间波动.在５μm 粒径时,振幅明显增大,主要幅值约在－２~２m /s２之间波动,表明磨粒对摩擦副之间的振动产生了明显的影响.添加５０μm 粒径铁屑时,主要幅值在－３~３m /s２之间波动,１s 内出现两个较大的振幅,振动表现更加剧烈.添加１２０μm 粒径磨粒后振幅增大,主要幅值在－５~５m /s２之间波动,振动愈加频繁,表明摩擦诱导的振动行为增强,材料磨损加剧.在１６０μm 粒径工况下,主要幅值在－６~６m /s２之间波动,整个周期内振动波形已经发生变化,振动相当剧烈,表明此时摩擦副的工作环境相当恶劣,材料的磨损非常严重.纯液压油中的振动频域信号如图１０a 中右图所示,磨粒尺寸５μm ㊁５０μm ㊁１２０μm 和１６０μm工况下的振动频域图分别见图１０b~图１０e 右２０４中国机械工程第３３卷第４期２０２２年２月下半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.(a )d ＝０(b )d ＝５μm(c )d ＝５０μm(d )d ＝１２０μm(e )d ＝１６０μm图１０㊀不同磨粒尺寸下摩擦副之间的振动Ｇ时域、振动Ｇ频域信号F i g ．１０㊀V i b r a t i o n Ｇt i m e d o m a i na n d v i b r a t i o n Ｇf r e q u e n c y d o m a i n s i gn a l s b e t w e e n f r i c t i o n p a i r sw i t hd i f f e r e n t pa r t i c l e s s i z e 图.随着铁屑粒径的增大,频域的幅值越来越大,且摩擦诱导主要振动频率不断向高频扩展,振动逐渐变得强烈.纯液压油工况下,聚氨酯与碳钢球的振动主频域集中在０~２００H z 之间,振动幅值为６４．８３m m /s ２.添加５μm 粒径铁屑时,主要振动频率除了集中在０~２００H z 之外,２００~４００H z之间也出现振动幅值,且幅值为１５．３５m m /s２,此时振动频率开始向高频扩展.在５０μm 粒径工况下,主要振动频率扩展至４００~６００H z 之间,在４５３H z处出现幅值２６．２７mm /s２,表明摩擦副之间的摩擦诱导振动行为剧烈,摩擦系统不稳定.在１２０μm 磨粒工况下,主要振动频率开始向６００~８００H z 扩展,高频区域振动幅值出现在６２４H z 处,摩擦副之间的振动加剧.当磨粒粒径增至１６０μm 时,０~２００H z 之间的振动幅值增至１０９．５５m m /s ２,且振动频率已经扩展至６００~１０００H z ,在７７４H z 处出现幅值５２．２１mm /s２,表明此时摩擦副的磨损异常严重.从振动数据来看,不同磨粒尺寸模拟的不同剧烈状态的摩擦磨损阶段可以用振动参数来表征,与摩擦因数和表面形貌特征规律保持一致.３㊀摩擦磨损信息与磨损状态之间的映射关系分析㊀㊀为了进一步明晰摩擦磨损信息与磨损状态之间的关系,对不同铁屑磨粒尺寸模拟的不同程度磨损状态下聚氨酯与碳钢球配对副之间的摩擦磨损信息进行提取与分析,包括摩擦因数㊁磨损体积㊁磨损形貌和振动数据等,见表２.为更直观地反映其映射关系,将表２的数据进行归一处理,得到其雷达图,见图１１.可以看出,聚氨酯与钢球摩擦副之间的摩擦磨损特征信息能反映磨损状态特征,它们之间存在一定的映射关系.随着磨粒粒径的增大,聚氨酯与碳钢球配对副之间的磨损状态逐渐变得恶劣,其摩擦磨损特征信息也逐渐增大,磨损状态与磨损信息之间的对应关系非常显著,尤其在极端磨损状态下(添加大粒径铁屑),摩擦副的磨损特征最为显著.正常状态下(纯净液压油),聚氨酯和钢球之间处于正常磨损,摩擦因数㊁磨损体积㊁磨损形貌和振动等特征值处于较低水平.当处于轻微磨损时(即液压油中有细微的磨损铁屑),摩擦因数逐渐增大,磨损体积明显增大,磨损形貌粗糙且振动明显.当处于中度磨损时(液压油中有较大磨损颗粒),各项磨损特征数据均逐渐增大.当处于严重磨损时(液压油中出现大颗粒,比如粒径１６０μm ),各项磨损特征指标比正常工作时增大很多,磨损异常严重,摩擦副的振动剧烈.这表明聚氨酯材料已经磨损非常厉害,可能慢慢失效.综上可知,通过感知磨损过程中的摩擦学特征信息,包括摩擦因数㊁液压油中磨粒尺寸㊁磨损形貌㊁磨损体积㊁振动信号等特征可以评估或预测转叶式舵机叶片密封件的磨损状态,从而判断其故障形式,为延缓故障㊁指导更换密封条提供理论依据,最终防止液压油泄漏㊁转舵失灵等功能性故障.３０４转叶式舵机密封件在不同磨粒尺寸下的摩擦学特征研究向晶晶㊀董从林㊀白秀琴等Copyright ©博看网. All Rights Reserved.表２㊀聚氨酯与碳钢球磨损特征信息T a b ．２㊀W e a r c h a r a c t e r i s t i c s o fP Ua n d c a r b o n s t e e l b a l l特征粒径d (μm )０５５０１２０１６０平均摩擦因数μ０．０７０７０．１０２３０．１２０２０．１４５５０．１６５０摩擦因数波动幅度Δμ０．００５００．００７５０．００７８０．０１０１０．０２０４聚氨酯磨痕宽度W (μm )３１０１３５７０３６６６３９９０４１０４聚氨酯磨痕深度D (μm )１６．８３１７．６２２５．７６２７．３４２９．４６聚氨酯磨损体积V １(mm ３)０．３０４７０．２４７００．４７５７０．５８５９０．６２７１钢球磨损体积V ２(mm ３)０．０１２７０．０３２００．０２５４０．０５０９０．０７６４钢球表面粗糙度S a (μm )０．７４０１．６４７１．５５１２．４１５２．６９８振动加速度幅值A (m /s２)１２３５６图１１㊀铁粉粒径对两摩擦副磨损特征的影响F i g．１１㊀I n f l u e n c e o f i r o n p a r t i c l e s i z e o nw e a r c h a r a c t e r i s t i c s o f t w o f r i c t i o n p a i r s４㊀结论(１)随着液压油中铁屑磨粒粒径的增大,聚氨酯与碳钢球之间的摩擦因数㊁磨损体积㊁磨损形貌和振动等特征值逐渐增大,说明磨损状态逐渐恶劣.粒径５μm 工况下的摩擦因数为０．１０２３㊁聚氨酯磨损体积为０．２４７０mm ３㊁振动加速度在－２~２m /s ２之间波动.而粒径１６０μm 工况下的摩擦因数可达０．１６５０㊁聚氨酯磨损体积达０．６２７１mm ３㊁振动加速度在－６~６m /s ２之间波动,各项特征值表明,随着液压油中的铁屑磨粒粒径的增大,聚氨酯与碳钢球之间的磨损状态逐渐恶劣.(２)当液压油中存在小粒径(５μm )的铁屑时,小颗粒铁粉在摩擦磨损过程中容易嵌入聚氨酯表面中,对聚氨酯表面起到保护作用,使得聚氨酯的磨损体积最小,但对碳钢球的磨损依然显著,并且振动依旧较为显著.(３)通过感知磨损过程中的摩擦学信息,包括摩擦因数㊁液压油中磨粒尺寸㊁磨损形貌㊁磨损体积㊁振动信号等特征,可为评估或预测转叶式舵机叶片密封件的磨损状态㊁故障形式提供有效途径.参考文献:[１]㊀冯福钦．增强船舶液压舵机安全性配置关键点[J ]．中国船检,２０２０,２４６(１０):７０Ｇ７２．F E NG F u q i n ．E n h a n c et h e K e y P o i n t s o f S a f e t y C o n f i g u r a t i o no fS h i pH y d r a u l i cS t e e r i n g Ge a r [J ]．C h i n aS h i p S u r v e y ,２０２０,２４６(１０):７０Ｇ７２．[２]㊀叶涛,伍丹,刘运胜．超大型液化气船转叶式舵机选用分析[J ]．船海工程,２０１９,４８(２):１０２Ｇ１０４．Y E T a o ,WU D a n ,L I U S h e n g y u n ．S e l e c t i o na n d A n a l y s i so f R o t a r y V a n eS t e e r i n g Ge a rf o r U l t r a L a rg eL i q u e f i e dG a sShi p [J ]．S h i p &O c e a nE n gi Ｇn e e r i n g,２０１９,４８(２):１０２Ｇ１０４．[３]㊀汤敏,曾力,李沨,等．船海工程机电设备智能化新模式[J ]．船舶工程,２０１９,４１(增刊１):１４０Ｇ１４５．T A N G M i n ,Z E N GL i ,L I F e n g ,e t a l ．N e wI n t e l l i Ｇg e n tM o d eo f M e c h a n i c a l a n dE l e c t r i c a lE q u i pm e n t f o r S h i p a n dO c e a nE n g i n e e r i n g [J ]．S h i p E n gi n e e r Ｇi n g ,２０１９,４１(S １):１４０Ｇ１４５．[４]㊀李栋,顾含,王孝霖,等．转叶式舵机液压系统故障处理分析[J ]．船舶标准化工程师,２０１５,４８(２):１３Ｇ１５．L ID o n g ,G U H a n ,WA N GX i a o l i n ,e t a l ．A n a l ys i s o fH y d r a u l i cS y s t e m F a u l t o nS t e e r i n g Ge a ro fR o Ｇt a r y V a n eT y p e [J ]．S h i p S t a n d a r d i z a t i o nE n g i n e e r ,２０１５,４８(２):１３Ｇ１５．[５]㊀J I A N G J i h a i ,S U W e n h a i ,L I U Q i n gh e ．D i r e c t D r i v eE l e c t r o Ｇh y d r a u l i cS e r v oR o t a r y V a n eS t e e r i n g G e a r [C ]ʊP r o c e e d i n g s o f t h e ７t h J F P S I n t e r n a t i o n a l S y m p o s i u m o n F l u i d P o w e r ．T o ya m a ,２００８:６７０Ｇ６７５．[６]㊀张李伟,庄才亮,夏明宽,等．性能卓越的转叶式舵机设计[J ]．船舶与海洋工程,２０１４(２):３５Ｇ３９．Z HA N GL i w e i ,Z HU A N GC a i l i a n g,X I A M i n g k u a n ,e t a l ．D e s i g no f t h eR o t a r y Va n eS t e e r Ｇi n g G e a rw i t h O u t s t a n d i n g Pe rf o r m a n c e [J ]．N a v a l A r c h i t e c t u r e a n d O c e a n E ng i n e e r i n g ,２０１４(２):３５Ｇ３９．[７]㊀马来好,陈海泉,乔卫亮,等．船舶转叶式液压舵机系统建模与仿真分析[J ]．机床与液压,２０１９,４７(１７):１５１Ｇ１５４．MA L a i h a o ,C H E N H a i q u a n ,Q I A O W e i l i a n g,e t a l ．M o d e l i n g a n dS i m u l a t i o nA n a l y s i s o f S h i p Ro Ｇt a r y V a n eH y d r a u l i cS t e e r i n g G e a r S ys t e m [J ]．M a Ｇc h i n eT o o l&H yd r a u l i c s ,２０１９,４７(１７):１５１Ｇ１５４．[８]㊀D O N G C o n gl i n ,S H I L i c h u n ,L I L u ㊆z h o u ,e t a l ．S t i c k Ｇs l i p B e h a v i o u r so fW a t e rL u b r i c a t i o nP o l y m e r M a t e r i a l su n d e rL o wS pe e dC o n d i t i o n s [J ]．T r i b o l o Ｇg y In t e r n a t i o n a l ,２０１７,１０６:５５Ｇ６１．[９]㊀D O N G C o n g l i n ,Y U A N C h e n g q i n g,WA N G L e i ,e t a l ．T r i b o l o g i c a l P r o p e r t i e s o f W a t e r Ｇl u b r i c a t e d R u b b e rM a t e r i a l s a f t e rM o d i f i c a t i o nb y M o S ２Na n o Ｇ４０４中国机械工程第３３卷第４期２０２２年２月下半月Copyright ©博看网. 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整体叶盘疲劳失效分析与抗疲劳强化技术应用

整体叶盘疲劳失效分析与抗疲劳强化技术应用整体叶盘是先进航空发动机风扇、高压压气机的核心转动部件,应具有良好的结构完整性和疲劳耐久性.在航空发动机复杂工作状态下,整体叶盘承受离心负荷、气动负荷及热负荷等多变载荷,服役条件极端严苛,容易出现疲劳失效.整体叶盘的疲劳失效往往导致比较严重的非包容性事故,成为制约航空发动机安全寿命周期和使用可靠性的关键问题.本研究结果显示，两组手术时间、术中出血量比较，差异有统计学意义(P<0.05)；研究组患者肛门排气时间、导尿管留置时间、下床时间以及住院时间优于对照组，差异有统计学意义(P<0.05)。

研究组1年后宫内受孕率明显高于对照组，差异有统计学意义(P<0.05)。

本研究中，输卵管妊娠部位位于输卵管壶腹部的患者例数较多，推测其原因为输卵管局部炎症及输卵管发育不良所导致的功能障碍。

本研究结果显示，腹腔镜手术的治疗效果优于对照组。

研究数据也充分表明了腹腔镜手术的创伤较小，患者恢复较快[9]。

大量的试验研究与疲劳破坏故障表明,各种形式的疲劳破坏大多始于零件表面或近表面.在气动设计参数、材料性能及结构尺寸确定的情况下,加工表面质量成为影响整体叶盘疲劳寿命的重要因素.分析整体叶盘疲劳失效特性,应用表面光整与强化技术有针对性地改变整体叶盘材料表层微观组织和应力分布,提高加工表面完整性,对提升整体叶盘损伤容限性能和疲劳寿命具有重要意义.1. 整体叶盘疲劳失效特性(1)疲劳失效基本机理.金属材料疲劳失效是由损伤累积、裂纹萌生、裂纹扩展到失稳断裂的渐进过程.裂纹按受力情况分为张开型、滑开型和撕开型,其中受拉应力作用的张开型裂纹最为危险.疲劳寿命主要由疲劳裂纹萌生寿命和扩展寿命组成.长疲劳寿命的零件材料,应具有高疲劳强度、高疲劳裂纹扩展门槛值、低裂纹扩展速率和较好的断裂韧性.整体叶盘一般采用钛合金及镍基高温合金等具有良好综合力学性能的金属材料.但这些材料的疲劳强度对表面缺口应力集中效应比较敏感,随应力集中系数的提高而大幅下降.整体叶盘的疲劳抗力不单受材料限制,而且在很大程度上取决于表面状态、受力状况、局部形状及尺寸.疲劳裂纹一般萌生于整体叶盘的局部应力集中区、高应变区以及强度最弱部位.为此,整体叶盘对加工表面完整性要求高,不允许有表面缺陷、磕碰伤痕,严格控制接刀痕的大小和位置,尽量避免加工表层缺陷成为疲劳源,同时采用抗疲劳强化技术改善加工表面状态,抑制和延缓裂纹的萌生与扩展.果然，川矢一挥手，几名鬼子就下了刁德恒的枪，将之摁倒在地。

大型燃气轮机涡轮叶片疲劳寿命研究的开题报告

大型燃气轮机涡轮叶片疲劳寿命研究的开题报告一、选题背景大型燃气轮机被广泛应用于航空、船舶、电力等领域，其中涡轮叶片是其重要部件之一。

然而，在长期使用中，涡轮叶片受到气动、热传递和机械因素的影响，容易过早疲劳破坏，严重影响燃气轮机的性能和寿命。

因此，研究大型燃气轮机涡轮叶片的疲劳寿命，有着重要的理论和实际意义。

二、研究内容本文拟研究大型燃气轮机涡轮叶片的疲劳寿命，主要包括以下内容：1.燃气轮机涡轮叶片的基本原理和结构特征，以及其受力状态。

2.涡轮叶片疲劳破坏机理的深入分析，包括应力集中、表面裂纹、材料本身缺陷等方面。

3.涡轮叶片疲劳试验的设计和实验验证。

通过应用现代实验技术，对涡轮叶片的疲劳寿命进行实验验证，并探究不同工况下涡轮叶片的疲劳寿命。

4.根据实验结果，建立大型燃气轮机涡轮叶片的疲劳寿命模型，并分析模型的合理性和适用性。

5.提出针对大型燃气轮机涡轮叶片疲劳寿命提升的技术措施和建议。

三、研究意义本研究旨在探究大型燃气轮机涡轮叶片的疲劳寿命，有以下几个方面的意义：1.为大型燃气轮机的安全可靠运行提供理论依据，有助于提高其使用寿命和整体经济效益。

2.加深对涡轮叶片疲劳破坏机理的认识，为涡轮叶片的设计和制造提供参考。

3.构建建立涡轮叶片疲劳寿命模型，有助于提高燃气轮机的性能和可靠性。

4.为研究和发展新一代燃气轮机提供基础理论和实验数据。

四、研究方法本文将采用文献研究、实验研究和数值模拟相结合的方法开展研究。

1、文献研究。

主要是对文献进行综合评价和分析，掌握大型燃气轮机涡轮叶片疲劳破坏机理、试验方法、寿命模型等方面的理论知识。

2、实验研究。

设计涡轮叶片的疲劳试验方案，对涡轮叶片的疲劳寿命进行实验验证。

3、数值模拟。

采用ANSYS等有限元分析软件对大型燃气轮机涡轮叶片的受力状态和疲劳破坏机理进行数值模拟，提供理论支持。

五、研究进度安排本文的研究大致按以下时间安排：第一阶段：2019年9月-2019年11月研究文献，掌握大型燃气轮机涡轮叶片疲劳破坏机理、试验方法、寿命模型等方面的相关知识。