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转叶式舵机密封件在不同磨粒尺寸下的摩擦学特征研究

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中国机械工程 2022年第4期33卷 397-405页

作者：向晶晶董从林白秀琴汤敏武汉理工大学交通与物流工程学院武汉430063 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

船舶转叶式舵机因体积小、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... 详细信息

船舶转叶式舵机因体积小、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、磨损体积、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、液压油中磨粒尺寸、磨损形貌、磨损体积、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、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

基于超疏水和卤代过氧化物酶活性协同防污的氧化铈纳米涂层研究

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表面技术 2022年第5期51卷 283-292页

作者：黄谦贺小燕常江凡杨宗澄白秀琴武汉理工大学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 武汉理工大学船海与能源动力工程学院武汉430063

目的将特定防污功能的纳米粒子引入到环氧复合涂料中,制备具有超疏水和卤代过氧化物酶活性协同防污的氧化铈纳米涂层。方法以环氧树脂和羟基封端的聚二甲基硅氧烷为基质,球形氧化铈(CeO_(2))纳米颗粒为填料,采用溶液共混的制备方式,通... 详细信息

目的将特定防污功能的纳米粒子引入到环氧复合涂料中,制备具有超疏水和卤代过氧化物酶活性协同防污的氧化铈纳米涂层。方法以环氧树脂和羟基封端的聚二甲基硅氧烷为基质,球形氧化铈(CeO_(2))纳米颗粒为填料,采用溶液共混的制备方式,通过空气喷涂法构建氧化铈超疏水纳米涂层。借助X射线衍射仪、扫描电子显微镜、接触角测试仪等设备对涂层进行表征,并以典型海洋污损生物芽孢杆菌和三角褐指藻为研究对象分析涂层的防污性能。结果当涂层中纳米氧化铈的质量分数为55%时,氧化铈纳米涂层具有超疏水特性,接触角达到153°,接触角滞后低至3°。在防污性能方面,相比于环氧复合涂层,超疏水氧化铈纳米涂层对三角褐指藻和芽孢杆菌的防污率分别为97.5%和97.3%。在存在过氧化氢和溴化铵的条件下,失去疏水性能的氧化铈涂层通过卤代过氧化物酶的活性减少了96.2%的三角褐指藻和96.8%的芽孢杆菌贴附。结论该体系所构建的纳米涂层在初期可以利用其超疏水性能防污,后期利用其卤代过氧化物酶的活性防污,实现防污的长效性。

关键词：环氧树脂纳米氧化铈超疏水卤代过氧化物酶防污性能

纤维材质对UHMWPE水润滑轴承复合材料摩擦学性能的影响

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摩擦学学报 2023年

作者：郭智威冯润麒何阳袁成清武汉理工大学交通与物流工程学院国家水运安全工程技术研究中心可靠性工程研究所

超高分子量聚乙烯（Ultra-high molecular weight polyethylene，UHMWPE）在水润滑轴承领域具有巨大的发展潜力，然而单一的UHMWPE难以满足水润滑轴承的耐磨性需求，尤其是在低速重载工况下。通过纤维改性的方法可以提高其摩擦学性能，... 详细信息

超高分子量聚乙烯（Ultra-high molecular weight polyethylene，UHMWPE）在水润滑轴承领域具有巨大的发展潜力，然而单一的UHMWPE难以满足水润滑轴承的耐磨性需求，尤其是在低速重载工况下。通过纤维改性的方法可以提高其摩擦学性能，但是纤维材质的不同特性对于复合材料摩擦学性能的影响存在差异。通过热压模具分别制备剑麻纤维（Sisal fiber，SF）、碳纤维（Carbon fiber，CF）和聚酯纤维（Polyester Fiber，PETF）与UHMWPE混合的定向纤维复合材料，并与纯UHMWPE做对照试验。利用R-tec往复摩擦试验机模拟不同载荷（5 N，10 N）和不同速度（20 mm/s、40 mm/s、60 mm/s）下铜球与不同复合材料的摩擦过程，通过邵氏硬度和极限抗弯强度试验对复合材料力学性能进行表征测试，采用接触角测试复合材料的浸润性，试验结束后用扫描电子显微镜观察表面磨损形貌。结果表明：纤维的力学性能，尤其是硬度和抗弯强度是影响定向纤维复合材料摩擦学性能的关键因素，所添加纤维在复合材料中强有力的支撑作用使摩擦学性能显著提高，纤维的耐磨性和浸润性是次要因素。试验工况下，CF/UHMWPE摩擦系数最低，且在低速重载（载荷10 N，速度20 mm/s）时的摩擦系数与纯UHMWPE相比降低了36.92%；添加耐磨性强的PETF纤维后，复合材料磨损体积与纯UHMWPE相比降低了30.56%。

关键词：水润滑轴承摩擦学性能纤维材质 UHMWPE 复合材料

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人工海水溶液中系泊链钢的腐蚀磨损行为

表面技术 2022年第5期51卷 40-48页

作者：董彬杰董从林白秀琴袁成清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 武汉理工大学船海与能源动力工程学院武汉430063

目的以CM490钢为研究对象,定量探究海洋环境下系泊链钢摩擦磨损和电化学腐蚀之间的耦合作用。方法利用科斯特CS2350电化学工作站和Rtec摩擦磨损试验机开展CM490系泊链钢在人工海水环境下的腐蚀摩擦磨损实验。通过分析极化曲线、开路电... 详细信息

目的以CM490钢为研究对象,定量探究海洋环境下系泊链钢摩擦磨损和电化学腐蚀之间的耦合作用。方法利用科斯特CS2350电化学工作站和Rtec摩擦磨损试验机开展CM490系泊链钢在人工海水环境下的腐蚀摩擦磨损实验。通过分析极化曲线、开路电位、摩擦因数、表面形貌及元素分布,定量分析电化学腐蚀体积损失量和摩擦磨损体积损失量,揭示腐蚀、摩擦磨损之间的交互作用机理。结果CM490钢材料总体积损失速率随载荷增加而提高,在20、50、80 N下分别为4.2×10^(−2)、6.5×10^(−2)、7.9×10^(−2) mm^(3)/h;开路电位峰值随着载荷增加而增高,80 N下峰值最大,增幅约为0.095 V,表明腐蚀磨损产物与基体间存在电位差,形成电偶腐蚀以致加深材料的腐蚀程度;磨痕区域腐蚀磨损损失为材料失重主体,其损失量约占总损失量的95.80%~96.82%;腐蚀和磨损的交互作用显著促进材料损失,占磨痕区总失重量的47.14%~49.37%;腐蚀对摩擦磨损损失的促进量占腐蚀磨损交互作用量的98.32%~98.65%,表明交互作用损失主要表现为腐蚀对摩擦磨损损失的促进;由于磨损过程中的位错等缺陷和电偶腐蚀,摩擦产生的影响加深了未磨损区域腐蚀程度。结论CM490钢表面腐蚀和摩擦磨损产生的交互作用增大了磨损接触区域的材料损失速率,其中载荷对CM490钢表面产生的形变、腐蚀磨损所生成产物引起的电偶腐蚀,都对未磨损区域产生明显的腐蚀促进。为保障系铂链在海洋工程设备中的可靠性和长时间服役提供理论支撑。

关键词： CM490钢腐蚀磨损交互作用人工海水电偶腐蚀损伤机理

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摩擦磨损试验机极地低温环境的模拟研究

哈尔滨工业大学学报 2020年第1期52卷 85-90页

作者：杨琨王霞王进平孙鑫未武汉理工大学能源与动力工程学院可靠性工程研究所武汉430063 武汉理工大学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

为模拟极地甲板机械摩擦性能实验所需的低温环境,利用德国Julabo专家型超低温加热制冷循环器FP89-HL作为冷源,使用轻盈坚固的铝合金制作为腔体,研制出了分别用于往复摩擦磨损试验机和旋转销盘摩擦磨损试验机的两种低温腔.建立了腔空气... 详细信息

为模拟极地甲板机械摩擦性能实验所需的低温环境,利用德国Julabo专家型超低温加热制冷循环器FP89-HL作为冷源,使用轻盈坚固的铝合金制作为腔体,研制出了分别用于往复摩擦磨损试验机和旋转销盘摩擦磨损试验机的两种低温腔.建立了腔空气流动与换热的物理和数学模型,并运用FLUENT软件进行模拟仿真.实验结果表明:在环境温度为18℃条件下,往复式低温腔内最低温度可达-64℃,旋转式低温腔内最低温度达-70℃,且仿真结果与腔体测温实验结果吻合良好.将低温循环系统与摩擦磨损试验机相结合进行低温摩擦磨损环境的设计、模拟和实现,拓宽了摩擦磨损试验机的工作温度范围,相比于传统的仅对试样冷却的低温摩擦磨损试验机而言,通过环境冷却模拟真实的低温摩擦工况具有更加接近实际工作条件的优势.

关键词：甲板及上层建筑极地航行摩擦实验低温腔 FLUENT仿真

PTFE填充含量对钢背UHMWPE纤维织物复合材料摩擦学性能的影响研究

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中国机械工程 2022年

作者：林羽东郭智威袁成清武汉理工大学交通与物流工程学院国家水运安全工程技术研究中心可靠性工程研究所

为改善广泛应用于船舶苛刻环境无油/脂润滑摩擦配副材料的摩擦学性能，将聚四氟乙烯（PTFE）按不同质量分数与钢背超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维织物复合材料结合，研究其与45钢盘在变转速环-环端面干摩擦状态下的摩擦学特性。对试验... 详细信息

为改善广泛应用于船舶苛刻环境无油/脂润滑摩擦配副材料的摩擦学性能，将聚四氟乙烯（PTFE）按不同质量分数与钢背超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维织物复合材料结合，研究其与45钢盘在变转速环-环端面干摩擦状态下的摩擦学特性。对试验过程中摩擦系数及磨损量进行测量，利用表面轮廓仪与扫描电子显微镜对复合材料及对偶件磨损表面形貌进行了观察与分析。结果表明：所有填充复合材料的摩擦学性能均表现优异，随着PTFE含量的增加，复合材料摩擦性能出现下降，其中1 wt.%PTFE填充复合材料综合摩擦性能最好，在试验工况下主要发生磨粒磨损，PTFE填充量较高的复合材料在高速下由于团聚及摩擦热量积聚主要经历粘着磨损与疲劳磨损。

关键词： PTFE UHMWPE纤维织物摩擦磨损复合材料

钢背UHMWPE纤维织物复合材料的摩擦学性能分析

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中国表面工程 2021年第1期34卷 25-34页

作者：林羽东郭智威袁成清武汉理工大学能源与动力工程学院武汉430063 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

纤维织物增强钢背复合材料因具备优异的力学与摩擦学性能在航空航海等领域备受关注,在无油或少油工况下具有较好的应用前景。使用改性处理的超高分子量聚乙烯(Ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)纤维织物作为增强材料,... 详细信息

纤维织物增强钢背复合材料因具备优异的力学与摩擦学性能在航空航海等领域备受关注,在无油或少油工况下具有较好的应用前景。使用改性处理的超高分子量聚乙烯(Ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)纤维织物作为增强材料,利用环氧树脂热压在不锈钢环上制备UHMWPE纤维织物增强钢背复合材料,研究其与45钢盘在环-环端面干摩擦状态下的摩擦学特性,考察纤维织物层数与摩擦转速对材料摩擦学性能的影响,对磨损前后复合材料厚度及45钢质量进行测取,利用表面轮廓仪与扫描电子显微镜对复合材料及对偶件磨损面进行观察与分析。结果表明,三种织物结构均能改善不锈钢的摩擦磨损特性,其中一层织物结构所表现的综合摩擦特性最好,在试验工况下摩擦因数与磨损率平均降低了77.7%与67.2%,在试验工况下主要发生磨粒磨损;二层与三层织物由于具备下层织物的支撑,故在较高转速下能保持材料自身良好的摩擦学特性,二层织物在试验工况下摩擦因数与磨损率平均降低了71.5%与65.7%,三层织物则为73.1%与60.3%,由于摩擦热量的积聚同时伴有树脂碎屑与破碎纤维的加入,其在高速下主要经历黏着磨损与疲劳磨损。试验表明,织物结构于干摩擦工况下表现出较优的摩擦特性与可靠性,能较好地胜任无油或少油作业。

关键词： UHMWPE 纤维织物钢背摩擦磨损复合材料

极地运行环境对水润滑轴承材料摩擦学性能影响研究

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舰船科学技术 2022年第18期44卷 36-40页

作者：徐起秀王裕郭智威袁成清武汉理工大学国家水运安全工程技术研究中心可靠性工程研究所湖北武汉430063

为探究船舶水润滑轴承材料在极地地区运行环境的摩擦磨损性能,选用聚氨酯(PU)、赛龙(SR)和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)3种材料,在0℃和-1.5℃的设计环境工况下开展水润滑性能测试,并与其在20℃的常温工况下的性能表现进行对比,进而分析测... 详细信息

为探究船舶水润滑轴承材料在极地地区运行环境的摩擦磨损性能,选用聚氨酯(PU)、赛龙(SR)和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)3种材料,在0℃和-1.5℃的设计环境工况下开展水润滑性能测试,并与其在20℃的常温工况下的性能表现进行对比,进而分析测试材料在不同工况下的摩擦学性能及其磨损机理。结果表明:在低温水润滑工况下,UHMWPE的摩擦学性能均优于PU与SR,同时其摩擦系数与磨损率较其在常温工况平均降低了14.5%和22.9%;PU和UHMWPE主要磨损形式为磨粒磨损和黏着磨损,SR的磨损形式主要为疲劳磨损和黏着磨损。综合分析,UHMWPE材料在试验工况下的摩擦学性能最优。

关键词：水润滑轴承材料低温环境摩擦学性能磨损形式

基于大涡模拟的轮缘侧推器和常规侧推器非空泡噪声对比分析

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中国造船 2023年第1期64卷 118-130页

作者：李高强欧阳武聂远哲武汉理工大学船海与能源动力工程学院武汉430063 武汉理工大学交通与物流工程学院武汉430063 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

提出了基于大涡模拟(LES)方法与FW-H声学模型相结合的侧推器噪声仿真方法,通过导管桨敞水性能试验值与仿真值的对比,以及侧推器流场基频和各次谐波计算值与仿真值的对比,验证了基于LES方法的侧推器流噪声仿真方法的准确性。在此基础上,... 详细信息

提出了基于大涡模拟(LES)方法与FW-H声学模型相结合的侧推器噪声仿真方法,通过导管桨敞水性能试验值与仿真值的对比,以及侧推器流场基频和各次谐波计算值与仿真值的对比,验证了基于LES方法的侧推器流噪声仿真方法的准确性。在此基础上,研究了轮缘侧推器和常规侧推器在非均匀来流时的流场分布,获取了侧推器桨叶等水力部件的声压时域和频域。结果表明:侧推器产生的流噪声主要为低频噪声,轮缘侧推器横向和径向总声压级分别比常规侧推器小3 dB和10 dB左右;侧推器噪声分布主要呈现偶极子特性,桨叶横向总声压级高于径向。

关键词：流体力学轮缘驱动侧推器非空泡噪声大涡模拟 FW-H声学模型