孕镶金刚石钻头磨损研究现状与发展趋势

孕镶金刚石钻头广泛应用于各种硬岩钻进,尤其是深部硬岩钻探钻井的工程实践活动中,其碎岩机制表现为金属胎体包裹的金刚石出刃后压入、刻划和破碎岩石。金刚石钻头的磨损形式反映了孔底钻头-岩石的相互作用过程,以及磨粒(包括岩屑、胎体碎屑和金刚石碎屑等)在孔底的存在状态,它决定了金刚石钻头的钻进效率和使用寿命。目前关于孕镶金刚石钻头磨损理论、方法的研究大部分属于定性判断,且常局限于区域特殊情况,无法形成统一或可借鉴的实用指导体系。以地质钻探领域的孕镶金刚石钻头磨损相关研究文献为主,讨论了孕镶金刚石钻头磨损的研究现状。首先结合地质钻探工业实践和行业规程归纳了钻头的非正常磨损类型,然后从磨损图像、钻进信号2个方面介绍了钻头磨损评价方法,从钻头整体、金刚石和金属胎体3个方面梳理了钻头钻进过程磨损机理与影响因素,另外列举了主流的钻头磨损性能调控方法,介绍了磨损分析方程的研究进展,并探讨了机器学习方法如何辅助钻头磨损研究。孕镶金刚石钻头在深部硬岩钻探中有极大的潜力,而其磨损性能是决定其最终使用效果的关键。为此,对人工智能方法辅助数据分析、微观尺度计算模拟、增材制造和材料处理改性等研究方向进行了分析展望,探索先进的金刚石钻头的磨损监测分析和调控方法,以期满足地质深部钻探和地外星系钻探等远程监控钻进的需求。

油液光谱数据诊断综合传动装置异常磨损定位方法

磨损是影响综合传动装置工作可靠性及使用寿命的重要因素之一,当前相关研究中常用的聚类、主成分分析、加权融合等油液光谱数据分析方法,缺乏对特定元素浓度指标异常磨损情况下随时间增长的考虑。为分析综合传动装置不同零部件的磨损状态,提出一种基于油液光谱数据的零部件异常磨损定位分析方法。针对综合传动装置异常磨损过程中部分元素在特定阶段会出现快速增长的情况,提出基于时间窗相关距离的聚类方法,分离表征不同零部件磨损状态的元素;提出磨损元素的磨损趋势分级方法,以高磨损趋势元素为聚类中心,使聚类结果具备可解释性;通过分级系数确定零部件磨损元素权重,融合各零部件磨损元素,获取不同零部件磨损状态表征;通过异常磨损界限值识别异常磨损,实现零部件异常磨损定位。以综合传动装置润滑油液光谱数据为例,检测判断该装置异常磨损的零部件及时间段。检测结果表明:Fe、Cu、Pb三种元素的磨损趋势分级系数最高,携带大量磨损信息,能够有效表征装置的磨损状态;基于时间窗相关距离的有中心聚类方法,成功将油液光谱数据分为Fe、Cu、Pb三类,可用于有效表征整体、摩擦片、齿轮组的磨损状态;基于分级系数的加权融合方法可以有效对该装置的异常磨损部位和时间周期进行检测和判断,为后续的故障预防和维护提供技术指导。

金属矿山高浓度充填管道磨损规律与防控技术

金属矿高浓度充填能有效消除尾矿库和采空区危害,但充填管道磨损问题也成为制约充填效率的因素之一。基于对管道磨损类型的划分,从颗粒性质、料浆性质、料浆—管壁接触条件、管材性质和管道所处外部环境5个方面综述了充填管道磨损的影响因素;基于理论分析和现场实测归纳了5种不同形式充填管道的磨损规律,以此总结了充填管道磨损的防控技术。现有研究结果表明,不满管流时,充填管道最主要的磨损形式是冲蚀磨损,料浆流速的影响最显著;满管流时,磨蚀和腐蚀对管道磨损起重要作用,料浆浓度的影响最显著。垂直管道中,料浆—空气交界面处磨损最严重,提高满管率并采用等倍线设计可有效控制其磨损。水平直管和倾斜直管底部磨损最严重,水平弯管的底部和垂直弯管外侧为易磨部位。使用新型管道结构和耐磨管材,提高料浆均质性,优化充填骨料级配,改进充填作业制度,全面监测管网压力,革新管道磨损数据获取手段,采用数值模拟技术深入揭示管道磨损规律等措施,可直接或间接对充填管道磨损防控起到积极作用。研究结果可为矿山充填管道磨损控制提供指导。

孕镶金刚石钻头磨损机理研究

孕镶金刚石钻头通过钻头胎体的持续磨损实现金刚石的自锐和高效破岩。因此,研究金刚石钻头磨损的影响因素及其影响程度和影响机理,对孕镶金刚石钻头的设计和使用非常重要。本次研究探讨了岩石物理力学性质、钻头胎体性能和钻进工艺参数等因素对孕镶金刚石钻头磨损过程和磨损机理的影响。分析表明,对钻头磨损最为显著的影响因素是岩石中的硬质颗粒导致的磨粒磨损,其次是钻头胎体与岩粉之间的粘着磨损,以及冲洗液中岩粉颗粒导致的冲蚀磨损。在此基础上,以不同硬度的钻头胎体摩擦磨损试验结果为例,探讨了钻头胎体性能及其内部硬质点对钻头磨损的影响机理。该研究成果可为科学设计与合理使用孕镶金刚石钻头提供依据。

泵用机械密封织构端面干摩擦磨损仿真及试验研究

为了减轻泵用机械密封端面在启停阶段和严重振动工况下的干摩擦磨损,对泵用机械密封织构端面进行了干摩擦磨损仿真及试验研究。首先,采用ANSYS软件建立了具有表面织构的动静环密封端面的瞬态有限元模型,基于Archard磨损理论,分析了不同织构分布间隔角度、边长和旋转角度下静环(石墨环)的磨损规律,得到了石墨环的磨损体积分布;然后,采用摩擦磨损试验机在干摩擦条件下对不同织构参数的密封环进行了磨损试验,得到了密封环磨损前后的表面形貌和石墨环的磨损质量;最后,对比分析了仿真和试验结果,讨论了不同织构参数对石墨环磨损质量的影响以及织构的减磨机理。研究结果表明:织构凹槽可以在容纳磨粒磨屑的同时生成石墨转移膜进而减轻磨损;减轻密封环端面磨损要求织构面积合适,足够容纳磨粒磨屑,同时不过分增大表面粗糙度;织构分布间隔角度每增大5°且边长每减小0.1 mm,石墨环的磨损质量平均减少约7.83%和7.35%。织构旋转角度每增大15°,石墨环的磨损质量平均增大约4.25%。所得研究结果可为泵用机械密封的表面织构设计提供较好的理论支撑,并提升泵用机械密封的耐磨性能。

铣削高温合金GH3039刀具寿命预测及磨损机理

为揭示高温合金GH3039铣削参数对刀具寿命的影响规律,采用正交试验法对其进行铣削试验,运用多元回归法建立刀具寿命预测模型,分析铣削参数对刀具寿命的影响规律,通过观测铣刀后刀面的磨损情况,探究不同主轴转速下铣刀的磨损机理。结果表明:主轴转速对刀具寿命的影响程度最大,最小为轴向切深;当主轴转速为750 r/min时,铣刀磨损区域主要以黏结磨损和磨粒磨损为主;当铣削速度为950 r/min时,氧化磨损与扩散磨损开始增强;当铣削速度为1 180 r/min时,磨粒磨损与黏结磨损开始减弱甚至消失,氧化磨损与扩散磨损占据主导地位。

棉纤维股线与303钢线接触摩擦磨损行为分析

目的探究棉纺织加工过程中棉纱线对金属表面的摩擦磨损行为。方法通过线接触摩擦磨损试验,分析加载力、预加张力、速度和棉纱线股数等因素对金属表面摩擦磨损性能的影响,采用3D表面轮廓仪表征金属表面形貌随磨损时间的变化特征,基于Archard磨损模型对磨损量进行预测。结果在加载力相同时,棉纱线股数越多,摩擦因数越小;在相同股数下,预加张力对摩擦因数的影响小于加载力,速度对摩擦因数的影响较小。金属表面磨痕深度随着磨损时间的延长而增加,最大磨痕深度为23.158μm,磨损量随着磨痕体积的增大而增加。与磨损24h时相比,在48h时金属磨损严重,磨损量增大了71%;相较于其他磨损时间段,在96 h时磨损量变化较小。在磨损阶段,磨痕面积的变化规律与磨痕体积相似,均与磨损时间呈正相关。在磨损时长达到120 h后,非直接接触区域会发生链式反应,导致损伤面积不断扩大。结论在连续摩擦条件下,棉纱线会对金属表面造成损伤,基于Archard磨损模型的预测结果与试验结果较为一致。

可变形磨损模型下微型离心泵复合磨损研究

为了探究微型离心泵在不同颗粒体积分数下的复合磨损类型与磨损变化,基于计算流体动力学与离散元耦合的方法,通过可变形磨料磨损Archard模型与可变形冲蚀磨损Oka模型对离心泵在不同颗粒体积分数(2%、4%、6%、8%、10%、12%)下的颗粒-部件碰撞占比率、磨损分布与演化进行了研究。通过对比实验发现颗粒体积分数在4%附近时颗粒与叶轮叶片、蜗壳碰撞占比率呈现不同的变化趋势。离心泵磨损以磨料磨损为主,磨料磨损中蜗壳为磨损最严重的部件,占总磨料磨损量的68.5%,随着颗粒体积分数的增加,蜗壳处磨料磨损由断面Ⅷ向断面Ⅰ演化,蜗壳前后端先后磨损。冲蚀磨损高磨损区域主要集中于叶轮叶片,占冲蚀磨损总量的95.83%,蜗壳处冲蚀磨损断面演化规律与磨料磨损变化规律近似,但蜗壳后端最先被磨损。颗粒体积分数对蜗壳磨料磨损变形量影响较大,蜗壳、叶轮磨料磨损变形量与冲蚀磨损变形量具有相似的变化趋势。

15#航空液压油的摩擦磨损性能研究

15#航空液压油是航空领域广泛应用的1种特定型号的液压油.本文中使用MCR302流变仪测量了该液压油的黏温曲线,并选用GCr15钢球通过四球摩擦磨损试验机采用单因素变量法研究了不同载荷、温度和转速对摩擦磨损的影响.同时,使用光学显微镜、白光三维表面形貌仪、扫描电子显微镜和X射线光电子能谱分析仪对钢球表面的磨斑进行微观观察,并分析其磨损机理.试验结果显示,在不同载荷下,摩擦系数相对稳定,但随着载荷的增加,磨斑直径(WSD)逐渐增大,磨损程度变得更严重.随着温度的增加,摩擦系数较为稳定,但液压油的黏度逐渐减小,导致无法形成有效的摩擦反应膜,使磨损现象变得更加显著,尤其在75~100℃范围内,磨斑直径的增长速率最为显著,增加了约60%.随着转速的提高,摩擦系数首先保持不变,然后逐渐减小,而磨损率逐渐降低.润滑状态逐渐从边界润滑过渡到混合润滑和流体动压润滑.

基于骨料运移的高浓度充填管道磨损机制

高浓度充填管道磨损威胁矿山安全,但磨损机制尚不明析。采用CFD-DEM模拟高浓度充填管道磨蚀、骨料运移、骨料与管壁接触,结合理论分析和现场实测揭示管道磨损机制。结果表明:料浆承载力充足时,固液两相在管内呈柱塞流,骨料向管道中心运移,管壁处形成减磨滑移层,管道四周磨损较均匀;反之,骨料在管底呈滑动床,管底磨损最严重。滑动床对管壁的作用力是柱塞流时的2.46~2.76倍,管底磨损是柱塞流时的1.48倍。骨料在管壁附近的运动轨迹类似波形线,以小角度接触管壁并滑滚,对管壁的切向力是法向力的27.44~30.84倍,管壁磨损受骨料切向刮擦主导。非稳态输送、粗糙管壁和过高浓度会劣化滑移层的减磨效果。根据模拟结果提出六条磨损防控措施,可供相关矿山借鉴。

SLM成形IN738LC合金的微动磨损行为及磨损机理

本文通过高精度微动摩擦磨损试验机(SRV-V),以球/平面点接触模式对选区激光熔化(SLM)技术制备的IN738LC合金进行切向微动磨损实验,系统研究了恒定载荷条件下(50 N),不同位移幅值(50、100、150、200μm)试样的微动磨损行为及其磨损机理。结果表明:随着位移幅值增加,试样的摩擦因数和磨损体积逐渐增大,微动磨损运行状态由混合区逐渐转变为完全滑移区,50μm试样的磨损机理为轻微氧化磨损和疲劳磨损,200μm试样的磨损机理转变为氧化磨损、疲劳磨损和磨粒磨损。此外,磨痕中的微裂纹分布强烈依赖于微动区类型,即微裂纹出现在黏着区域和滑移区域的交界位置及完全滑移区域内。由于磨痕边缘存在犁削作用,磨痕形状由圆形变为椭圆形。

超高速滑动电接触CuCrZr合金轨道表面磨损机制及电接触性能

电磁轨道发射具有典型超高速滑动电接触特性(出口速度大于等于2000 m/s),电磁轨道表面会发生磨损。为研究轨道表面磨损状态与接触电阻之间关系,通过开展电磁轨道发射试验,研究发射后的CuCrZr轨道表面沉积层的形成与磨损机制,揭示枢轨间静态接触电阻的演变规律,总结沉积层的形成与接触电阻的关联关系。结果表明:沿着发射方向,轨道表面沉积层覆盖面积逐渐增大,沉积层的形成机制由摩擦材料转移变为电枢表面熔化飞溅,表面磨损特征由机械磨损向电气磨损转变;由于轨道不同位置沉积层形成原因不同,导致表面粗糙度分布不一致,枢轨间静态接触电阻随接触沉积层形貌特征改变呈现上升、下降及波动3个变化阶段;并且枢轨间静态接触电阻随着接触压力的增大而减小。研究成果对电磁轨道发射装备的研究及发射动力学研究具有理论价值。

皮质悬吊装置和股骨间微动磨损有限元分析

研究了皮质悬吊装置的钛板和股骨表面的皮质骨承受交变载荷发生的微动行为.基于钛/皮质骨材料建立了球/平面微动磨损有限元模型,通过与Hertz接触理论和已有试验结果进行对比,验证了有限元方法的正确性;同时研究了位移幅值、摩擦系数和法向力对钛球/皮质骨接触面间微动磨损行为的影响.最后把已验证的模型和方法用于研究前交叉韧带(ACL)重建手术中的皮质悬吊装置和股骨间的微动磨损情况.发现随着微动位移幅值从2μm增大至10μm,磨损状态由部分滑移向完全滑移转变,最大磨损深度由0.195μm逐渐增大至14.13μm,磨损体积由5.69×10^(4)μm^(3)增大至1.41×10^(6)μm^(3);在位移幅值为5和10μm时,磨损深度、磨损面积和磨损体积都表现出随摩擦系数增大而减小的趋势;在位移幅值为5μm时,磨损深度随法向力的增加逐渐减小,在位移幅值为10μm时,磨损深度随法向力的增加逐渐增大.通过研究交变载荷下皮质悬吊装置/皮质骨微动磨损模型的微动磨损行为发现:磨损深度最大值在皮质骨隧道孔边缘的应力最大值处,并且与球/平面微动磨损模型预测趋势相同,可以通过增加皮质悬吊装置和皮质骨隧道孔边缘接触面间的摩擦系数来提高皮质骨的抗微动磨损能力,提高ACL重建手术成功率.

大位移井套管磨损预测及剩余强度计算

在大位移井钻进过程中,由于水垂比大的特点,钻柱在井下运行形式复杂,造成套管内壁磨损严重,套管强度降低,极大地影响了后续钻井和生产作业。应用基于能量传递的套管磨损效率模型,采取分段法求取管柱侧向力,对套管月牙形磨损进行分析,并依据API(American Petroleum Institute)最小壁厚法,简化月牙状套管磨损,建立套管磨损预测及剩余强度计算方法。利用该模型对南海某大位移井进行计算。结果表明:侧向力是影响套管磨损的主要因素,倒划眼对套管的磨损效果明显强于正常钻进。全井段磨损最严重的位置是狗腿角最大的井段,套管失效的风险最大,是采取防磨措施的关键井段。经计算该井四开作业完成之后,狗腿角最大处的套管磨损深度为1.15 mm,套管强度衰减至原始强度的58.24%,但仍能满足强度要求;该研究成果为南海大位移井套管磨损的防治提供了依据和参考。

闸片摩擦块排列方式对高速列车制动盘磨损深度的影响

制动盘的摩擦磨损是高速列车盘式制动工作失效的重要原因,且摩擦块的排列方式是影响制动盘最大磨损深度的重要因素。为研究摩擦块排列方式对制动盘最大磨损深度的影响,考虑摩擦温度、接触应力和相对滑移速度在制动过程发生变化,基于Archard磨损模型进行修正,利用ANSYS有限元仿真软件,建立制动盘-闸片三维瞬态模型,采用列车在通过42号道岔紧急制动时的工况,仿真计算不同摩擦块排列方式下制动盘摩擦面的最大磨损深度。分析最大接触应力,提出“应力磨损因子”参数,用来表征应力对最大磨损深度的影响。提取径向节点磨损深度,分析摩擦表面的磨损形貌,给出摩擦块不同排列方式对制动盘磨损深度的影响规律。研究成果为改善制动盘磨损提供理论依据和新的思路,为今后铁路制动系统闸片结构的设计提供借鉴。

S809直翼段风沙冲蚀磨损动态演化及其对气动性能的影响

风力机在风沙环境中运行时,沙尘颗粒会对风力机叶片表面造成冲蚀磨损,出现形貌变化,导致气动性能变化。为了深入理解风力机叶片在风沙环境中的磨损程度及其随时间的变化规律,并为风沙环境中风力机的运行与维护提供科学依据,有必要系统地研究叶片表面的冲蚀磨损动态演化过程以及这一过程中气动性能的变化情况。该研究采用流-固-侵蚀耦合的数值模型,基于颗粒浓度-时间换算方法,通过模拟风沙对风力机专用翼型S809的冲蚀过程,探讨了翼段表面在沙尘颗粒冲蚀作用下的形貌动态演化过程,分析了翼段表面的冲蚀深度及形貌特征,进一步研究了不同攻角下,风沙颗粒对S809翼段表面形貌变化及其气动性能的影响规律。研究表明:随着冲蚀时间的推进,沙尘颗粒对翼型表面造成的磨损程度不断加剧,使得冲蚀小坑的深度逐渐加深,使得翼型表面的压力系数波动逐渐剧烈。与此同时,升力系数呈现出先轻微升高后缓慢降低的趋势。当攻角为10°时,冲蚀40 h后的翼段升力系数相较光滑翼段在含沙气流中的升力系数升高可达6.3%,然后随冲蚀时间的推进缓慢降低。通过分析含沙气流和洁净空气环境下升阻比的比值β与攻角的关系,可得翼段升阻比在小攻角下受风沙来流影响较大,在大攻角下受风沙来流影响较小。研究成果可为风力发电机组在风沙环境下的维护与修理工作提供科学的指导和建议。

基于改进LSTM-AdaBoost的铣刀磨损量预测

针对铣刀磨损量预测时精度低的问题,提出一种基于黑寡妇算法(BWO)优化的长短期记忆神经网络(LSTM)与AdaBoost集成学习算法相结合的铣刀磨损量预测方法。在铣刀磨损振动信号中提取时域、频域以及时频域多域特征。通过BWO算法优化LSTM的核心参数,并将优化后的LSTM网络与AdaBoost算法进行结合,构建铣刀磨损量预测模型。最后用PHM Society 2010铣刀全寿命周期的振动数据进行实验。研究结果表明:所提方法能够有效地预测出铣刀磨损量变化值,优化后模型的平均绝对误差百分比为3.436%、均方根误差为6.471、决定系数R^(2)为0.935。该方法能够获得准确率更高的铣刀磨损量预测值,预测效率更高。

XPS原位分析纯铁微动磨损摩擦氧化行为

摩擦化学是微动磨损过程中不可避免产生的一种复杂的摩擦学行为,对材料的磨损性能及磨损机理具有重要的影响。基于原位XPS高精度切向微动磨损试验平台,系统性研究工业纯铁在真空(p=4 mPa)和大气环境下不同微动运行区域接触界面摩擦化学状态及其微动磨损行为。试验结果表明,工业纯铁在大气环境下未观察到微动混合区,然而真空环境下因接触界面发生了严重粘着效应,使得微动运行难以进入滑移区而具有较宽的混合区。随着位移幅值的增加,工业纯铁在真空环境下的微动磨斑具有更多的Fe基体暴露,并伴有以FeO为主的氧化物,整体表现出较高的磨损量;相对比,在大气环境下其磨斑表面产物为以FeO和Fe_(2)O_(3)为主的氧化物,特别在滑移区几乎没有Fe单质暴露,且磨斑表面主要以Fe_(2)O_(3)氧化物为主,表现出较真空环境下更轻微的磨损。磨损结果表明,FeO和Fe_(2)O_(3)具有较好的润滑保护作用,特别是Fe_(2)O_(3)氧化物能显著提高材料表面抗微动磨损性能。利用原位XPS技术可以实现表征材料接触表面真实的摩擦化学状态,且更加准确地揭示摩擦氧化反应对微动磨损行为的影响作用机理,对丰富和发展微动磨损基础理论具有科学意义。

踝关节假体磨损测试及仿真研究进展

假体磨损造成的无菌性松动是人工踝关节失效的主要原因,而人工踝关节磨损的模拟机测试和数值仿真是临床前评估假体磨损性能的重要方法。本文对国内外踝关节假体磨损研究中采用的力学和运动学曲线进行了对比,并对相关研究结果进行总结、归纳和分析。结果表明:①早期研究没有ISO测试标准,造成各研究的加载条件主要在轴向载荷和前后位移上存在差异,因此很难通过横向对比得到踝关节假体的磨损规律。②国外研究了踝关节假体的设计、材料、测试条件及润滑介质等因素对磨损测试结果的影响,然而国内暂未检索到相关文献发表。③人工踝关节磨损的数值仿真结果与体外测试结果相近,这表明经验证的磨损模型能够用于预测踝关节假体的磨损性能。

一种新型人工膝关节胫骨衬垫的体外磨损分析

对添加十二烷基没食子酸酯的新型高交联聚乙烯材料(XLPE-DG)制造的膝关节胫骨衬垫进行体外磨损测试,研究其磨损质量损失(磨损量)、磨损率和磨损颗粒的特征(数量、大小和形状),分析其在不同磨损阶段的磨损性能,为国产医用聚乙烯材料的研发及临床应用提供数据支持。按照国际标准化组织(ISO)14243-1和14243-2标准方法,选取4件全膝关节置换假体为测试样品(3件试验组和1件对照组),试验中的润滑剂为小牛血清,利用膝关节模拟机对XLPE-DG衬垫进行循环磨损测试,分别计算100万次循环(1 Mc)、300万次循环(3 Mc)及500万次循环(5 Mc)磨损后的磨损量和磨损率,使用图像分析软件对扫描电镜获得的磨屑图像分析,分析磨屑的特征(数量、大小和形状)。通过5 Mc磨损测试后XLPE-DG衬垫的磨损量为(23.86±0.75)mg,磨损率为(4.39±0.75)mg/Mc,3~5 Mc阶段的磨损量与1~3 Mc阶段磨损量接近(8.79 mg vs 8.74 mg);磨屑颗粒数量随着磨损次数的增加而减少;5 Mc后XLPE-DG衬垫的磨屑颗粒等效圆面积直径(ECD)平均值为0.13μm(最小值0.04μm,最大值0.8μm),且(77.11±6.89)%的颗粒ECD平均值<0.2μm,ECD平均值随着磨损次数的增加而下降;5 Mc磨损后衬垫磨屑体态比(AR)平均值为2.8(最小1.0,最大9.9),其中77.9%的颗粒AR值<4,以圆形粒状颗粒为主。XLPE-DG衬垫表现出良好的耐磨损性能,在临床应用中能够减少发生假体周围炎症、骨溶解和假体松动的风险,具有良好的临床应用潜力。