过程装备及其再制造教育部工程研究中心(浙江工业大学)

过程装备及其再制造教育部工程研究中心(以下简称“中心”)依托浙江工业大学,于2009年6月经教育部批准立项建设,经六年建设于2015年4月通过教育部验收。中心由浙江工业大学高增梁教授担任主任,聘请中国工程院高金吉院士、王玉明院士、陈学东院士等15位专家学者组成技术委员会。中心面向国家重大目标和国民经济主战场,实现过程装备及其再制造高新技术研究成果的快速转化和产业化。

用于间歇过程的拓扑时间卷积网络软测量方法

在间歇过程中,变量的相关性和时序性通常演变为变量间的交叉相关性。在间歇过程的数据驱动软测量建模中,捕捉交叉相关性可以提升模型的透明度,因此提出基于拓扑引导时间卷积网络的软测量方法。首先,使用条件格兰杰因果关系检验构建变量关系的拓扑结构,并使用自注意力机制完善拓扑图。然后,使用图注意力机制以每个节点为中心构建子图,并通过时间卷积捕捉子图中变量间的交叉相关性。最后,使用图解释器对模型预测逻辑的物理一致性做出评估。基于青霉素发酵过程的质量预测进行实验,实验结果验证了所提方法的有效性和优越性,证明了模型的预测逻辑符合过程机理。

电子束表面重熔高熵合金疲劳裂纹扩展行为研究

为改善铸态双相高熵合金AlCoCrFeNi_(2.1)的疲劳性能,本文采用电子束表面重熔方法对铸态合金进行双面重熔,利用扫描电子显微镜、元素能谱分析、硬度测试表征了电子束重熔对合金的微观组织形貌、元素分布、显微硬度的影响,采用疲劳裂纹扩展速率测试以及有限元分析等方法,研究了电子束重熔处理后高熵合金的疲劳裂纹扩展行为及机制。研究表明:电子束表面重熔能够显著细化双相尺寸,改善合金元素的偏析情况,提升表面硬度;由重熔区与热影响区组成的异质结构的疲劳裂纹扩展速率大幅度下降,且其疲劳裂纹扩展的前沿呈现“M形”。重熔区相尺寸的细化、异质结构内部分布的残余压应力以及异质结构的力学性能差异是抑制其疲劳裂纹扩展的主要原因。

转速及倾角对组合桨功率和微观混合性能影响研究

为了研究多层搅拌桨片倾斜角度以及转速对反应器功率和微观混合性能的影响规律,对装配不同多层搅拌桨的搅拌反应器内的流体流动和微观混合性能进行了实验和数值模拟研究,在反应器内引入碘化物-碘酸盐平行竞争反应体系来评估搅拌釜内的微观混合性能。此外,提出了表征反应器微观混合性能的离集指数(X_(S))和流场湍流特性之间的关联式,结果表明,模拟值与实验值吻合程度较高。当叶片倾角较小(φ≤30°)时,叶片倾角对釜内微观混合性能影响较小;而当叶片倾角较大(φ≥45°)时,釜内微观混合性能随叶片倾角的增加而显著减小。X_(S)与log(ε)之间基本呈线性关系。

核主泵用流体静压型机械密封性能的影响因素研究

以核主泵(Reactor coolant pumps,RCP)用流体静压型机械密封(Hydrostatic mechanical seal,HS-MS)为研究对象,考虑辅助密封圈的影响,采用MSC Marc有限元软件建立完整的动环组件非线性二维轴对称有限元模型,给出合理的动环简化边界约束条件;在此基础上,考虑密封端面间流体薄膜中液体的黏温与黏压效应,建立核主泵用流体静压型机械密封的多场耦合数值模型,采用有限差分法对Reynolds方程、能量方程、热传导方程等控制方程进行耦合求解,利用有限元法计算密封环端面热力变形,综合分析螺钉预紧力和O形圈位置对密封性能的影响。结果表明:合理的密封环约束边界简化模型对分析和设计流体静压型机械密封至关重要;螺钉预紧力和O形圈位置对密封性能影响显著。预紧力增大使开启力增大,泄漏率也变大;O形圈位置靠近外径时密封稳定性下降。

螺旋槽结构参数对干气密封动态特性的影响研究

基于气体润滑理论,并通过小扰动法建立了螺旋槽干气密封微扰膜压控制方程,在高速高压条件下分析了螺旋槽结构参数对气膜动态特性系数的影响规律;基于动力学相关知识,在考虑动环轴向振动和角向偏摆的情况下建立了挠性安装静环运动方程,分析了膜厚的扰动行为,同时在考虑轴向和角向气膜扰动的共同作用下,提出以端面膜厚最大扰动量峰值和扰动稳定时间作为表征密封动态追随性的参数,并以此作为目标函数对螺旋槽结构参数进行优化.结果表明：在不同的高压条件下,当槽台宽比κ取0.9～1.5,槽坝比δ取1.8～2.4,螺旋角φ取18～24°,槽深h_g取6～8μm时,螺旋槽干气密封具有较好的动态追随性;在动态特性系数中主动态刚度对密封动态追随性的影响最大.

汽液两相流机械密封的研究进展

液体润滑端面机械密封是流程工业用机泵轴端密封的主要形式,且大量应用于航空航天、海洋工程装备和高端制造装备中,实际运行过程中其端面间液体膜常常发生相变,由此产生端面变形、干磨和密封失稳等现象,甚至完全失效,严重影响了有关设备或整个装置的安全可靠与稳定运行,因此开展汽液两相流端面机械密封研究具有重要意义.本文中综述了近50年来汽液两相端面机械密封的研究现状,归纳出了机械密封的典型热源及其热传播途径,阐述了机械密封的相变原理,总结了端面流体膜参数的测量技术与方法;在试验研究方面,提出机械密封的端面液膜汽化主要与操作工况、几何尺寸和表面形貌或表面织构有关,其中端面液体入口和出口工况、平衡比和端面变形程度等受到关注,但缺少关于端面形貌或织构的深度研究,也缺少端面摩擦副合理配对的系统研究;在理论研究方面,提出了机械密封相变稳定性判据,以及间断沸腾模型、连续沸腾模型和薄膜均相沸腾模型等3种理论模型,比较了3种模型的优缺点并指出其适用范围.指出建立合理的相变理论模型,实现相变密封的稳定运行,突破相变密封监控关键技术,构建智能型液体润滑机械密封是未来两相流机械密封的研究重点.

不同排布方向性椭圆孔液体润滑机械密封性能的研究

为提高液体润滑多孔端面密封的动压性能，提出了方向性多孔端面机械密封．考虑端面间润滑液膜的空化现象，基于质量守恒的JFO空化边界条件建立了理论模型，采用有限差分法求解Reynolds控制方程，获得了端面膜压分布，从而对比分析了方向性椭圆孔的排布方式对多孔端面机械密封性能的影响规律．结果表明：椭圆孔的方向性排布对端面密封的密封性能影响较大，高压侧下游泵送孔可有效提升密封端面的流体动压特性，上游泵送孔不论在高压侧还是在低压侧均可有效降低密封泄漏率；当形状因子γ为3～5，内外孔倾斜角α为35°-45°和β为125°-135°时，可获得最佳的动压性能，当形状因子γ为3—5，倾斜角α为30°～50°和卢为30°～50°时，可以获得最低泄漏率．

316L不锈钢沟槽型表面微织构减摩特性实验研究

采用激光微加工技术在316L不锈钢光滑表面上进行沟槽型织构化处理。在往复式摩擦磨损试验机上利用柱-平面接触方式对沟槽型织构和光滑表面进行摩擦磨损对比实验,重点考察了激光表面织构参数对其摩擦性能的影响,同时通过扫描电子显微镜对磨斑形貌进行了分析。结果表明,与未织构试样相比,织构化表面的摩擦因数均有不同程度减小且表现得更为稳定、磨损相对轻微,这是由于所制备的表面微坑起到了储存润滑介质并捕获磨屑的作用;织构条纹的结构参数对摩擦磨损有重要影响,随着沟槽宽度和沟槽间距的增大,摩擦因数均呈先下降后上升的趋势,而当沟槽宽度为100μm和沟槽间距为200μm时减摩抗磨性能最佳;此外,研究表明接触载荷对织构化表面摩擦因数的影响较小,织构化处理对高负载环境下的减摩抗磨性能影响更加显著。

圆弧槽流体动压型机械密封的性能研究

以核主泵用圆弧槽流体动压机械密封为研究对象,建立了端面液膜压力控制方程,应用有限元法分析了稳态工况下圆弧槽几何结构参数对密封性能参数的影响,以在较高液膜刚度条件下获得较低泄漏量为几何参数的优化准则,得到了密封具有优良综合性能的几何参数优选范围。结果表明:当槽深比为2.0～6.0,槽数为8～24,槽宽范围在0.75mm至端面外内半径之差的1/2,圆弧槽内半径小于和等于时端面外内半径之差的1/2时,密封具有优良综合工作性能。

高速涡轮泵机械密封端面温度变化规律研究

以高速涡轮泵用机械密封为研究对象,以15~#液压油为试验介质,考虑循环冷却量、转速、介质压力以及不同摩擦副配对等因素,采用自行搭建的高速密封试验台开展端面温度变化规律的研究.结果表明:对于高速机械密封,上述因素均对端面温度产生影响,其中转速对端面温度的影响基本成线性关系,循环冷却量对端面温度的影响存在一个阈值,建议实际设计时取阈值的120%,介质压力对端面温度产生影响较大,但是影响程度不如转速;以尽可能获得低的端面温度值来判断,用作静环时浸渍树脂石墨比普通石墨合适,用作动环时碳化硅比钼合金合适.

斜排微孔端面机械密封富集效应的理论研究

在周向部分开孔直排微孔端面机械密封富集效应研究的基础上,建立了周向部分开孔斜排微孔端面机械密封的理论分析模型,并采用有限元方法求解雷诺方程,获得了斜排微孔密封的端面液膜压力分布,分析了微孔斜排倾斜角、孔栏数、端面半径比等几何参数在不同转速、不同介质压力等操作条件下对端面液膜刚度、开启力和泄漏率的影响规律,指出了斜排微孔端面密封产生承载力的机理。结果表明,当倾斜角在60°～90°之间取值,且每栏微孔的径向微孔数与周向微孔数相等或相差±1个时,密封综合性能最优。

润滑条件下菱形孔织构端面摩擦学特性研究

应用UMT-3型多功能摩擦磨损试验机和自制的磨损测试试验台,考察供液充分条件下菱形孔的尺寸、形状、排布方式及深度对摩擦系数的影响和机理分析.结果表明:具有合适孔型和孔深的菱形孔织构端面,可极大地改善摩擦副的润滑性能,能够有效地降低摩擦系数.在研究的工况条件下,双向双列倾斜菱形孔和孔深为10μm的菱形孔,具有较好的摩擦学特性;某些类型的织构端面在进入流体动力润滑阶段后,摩擦系数随Herscy数的增大产生波动,而非增大的趋势,这是因为在滑动面间能够产生空化,而空化区的气液边界处将产生界面滑移,空化区越大,滑移长度越长,滑移效应增强,则减摩性越好,从而导致摩擦系数减小.

雷列台阶-环槽端面密封机理与性能研究

基于质量守恒的JFO空化边界条件建立了雷列台阶-环槽机械密封端面润滑理论模型,采用有限单元法求解Reynolds控制方程,获得了端面膜压、密度比与液膜流线分布,分析了其密封机理与性能规律.结果表明:密封环端面内径侧的圆环浅槽和端面中部的圆环深槽组合结构可造成合理的空化现象,达到空化减漏的目的.其中,端面中部的圆环深槽是端面高压侧雷列台阶和端面低压侧圆环浅槽的隔离带,使得端面低压侧压力分布受端面高压侧压力分布的影响极小.密封流体进入低压侧圆环浅槽时,端面间隙突然发散,压力低于该工况温度下的饱和蒸汽压,整个圆环浅槽区液膜空化,达到零泄漏并出现大量的回流现象.外径侧雷列台阶提供良好的动压承载能力,实现了端面的非接触.雷列台阶和环槽织构的组合应用使得该机械密封具有优良的综合性能.

倾斜微孔端面气体密封的动压特性研究

为提高多孔端面气体密封的动压特性,提出1种双列倾斜椭圆微孔端面密封结构.基于气体润滑理论模型,采用数值方法分析了操作参数和微孔几何参数对密封泄漏率和开启力的影响规律,探讨了倾斜微孔的上、下游泵送作用对气体密封动压特性的作用机理.结果表明:与单列倾斜微孔端面气体密封相比,双列倾斜微孔端面气体密封可使动压开启力显著增加,低压侧微孔环带可将下游流体沿微孔倾斜方向向上游泵送,使得泄漏率显著降低,气体密封动压效应明显增强;密封动压性能受反向开孔比、微孔倾角、面积比和孔深等几何参数的影响,本文给出了这些参数的优化取值范围.

浸酚醛树脂石墨/SiC密封材料摩擦学特性研究

采用UMT-3多功能摩擦磨损试验机研究了3种国产典型浸酚醛树脂石墨与SiC陶瓷配对副在干摩擦和油润滑条件下的摩擦学特性,结果表明:干摩擦下,摩擦因数随载荷p与速度v的乘积(pv值)的增大呈下降趋势;pv值较小时,磨损机理主要为轻微黏着磨损和磨粒磨损,pv值较大时则变为严重黏着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损;相同条件下的磨损率受速度的影响比受载荷的影响更大;油润滑下,摩擦因数保持在0.1左右,磨损机理主要为黏着磨损和疲劳磨损;pv值增至5 MPa·m/s时,干摩擦下3种浸渍石墨摩擦副表面最大温升为21.1℃,油润滑下最大温升为14.9℃且H1石墨温升均最低。综合考虑浸渍树脂石墨的力学性能、摩擦学特性和端面温升,推荐石墨化度为45%~55%。

乏油环境下橡胶密封材料在粗糙表面上的摩擦磨损行为研究

在UMT-3多功能摩擦磨损试验机上,以丁腈橡胶/Si C砂纸配副为研究对象,系统研究了乏油(包括润滑油和润滑脂)环境下橡胶密封材料在不同粗糙表面上的摩擦学特性,重点考察了乏油工况下橡胶/粗糙表面摩擦配副的摩擦系数时变性、减摩程度和减摩持久性,揭示了乏油工况下橡胶在粗糙表面上的损伤机制.结果表明:乏润滑剂工况下,润滑剂的减摩程度和减摩持久性强烈依赖于对偶件表面粗糙程度;随着对偶件表面粗糙度的降低,润滑剂的减摩程度呈先缓慢提高后迅速增强的变化趋势,然而减摩持久性先降低后又逐渐升高.同时,乏油工况下的减摩持久性均优于乏脂环境;在磨损机制上,随着对偶件表面粗糙度的降低,乏润滑剂环境下橡胶材料的表面均由伴随明显犁沟特征的严重磨粒磨损逐渐转变为损伤轻微的磨粒磨损.而在无润滑条件下,橡胶由典型的磨粒磨损机制损伤特征转变为花纹磨损形貌,最后又向黏着磨损机制转变.

LaserFace液体润滑端面密封性能研究

LaserFace液体润滑端面密封(LF-MS)能提供全膜润滑,密封寿命得到延长,可以应用于几乎所有清洁液体介质润滑的场合,特别适用于易汽化介质等苛刻工况。针对LF-MS,采用混合接触理论,建立了其二维数学分析模型,通过液膜压力分布和液膜速度场的分析揭示了LF-MS的工作机理,对比分析了等深和变深动压槽LF-MS、普通平面端面密封及含矩形引流槽端面密封等4种不同端面结构机械密封的性能。结果表明:LF-MS具有端面动压效应好、摩擦系数低及液膜刚度高的优点,综合性能明显优于普通端面密封和含矩形引流槽端面密封,且与等深动压槽相比变深动压槽对提高LF-MS的密封性能作用明显。

直线变深T型槽干气密封性能研究

为增强T型槽干气密封的气膜承载能力及其稳定性,提出一种变深T型槽干气密封端面结构。基于气体润滑理论模型,采用有限单元法求解雷诺方程,在不同操作参数下对比分析变深T型槽与等深T型槽干气密封的工作性能。结果表明:与等深结构相比,变深结构有更好的气膜承载能力和稳定性;尤其在低速低压或高速高压条件下,变深T型槽比等深T型槽具有更高气膜承载能力和稳定性。

橡胶材料耐液体介质老化与摩擦学特性研究进展

综述橡胶材料在不同液体介质(润滑油、溶剂、燃料和潮湿/含水环境)中老化的研究进展,归纳总结橡胶材料耐液体介质浸泡老化的实验与理论研究方法、测试分析技术及相关仪器设备,概述橡胶制品特别是橡胶类材料密封件的寿命预测和摩擦磨损特性的研究现状;结合我国高铁、海洋及航空航天领域的迫切需求,提出今后开展不同液体介质环境下橡胶类材料包括橡胶密封件的老化试验、摩擦学特性、力学性能和寿命预测等方向的研究主题。