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基于随机过程的磨损可靠性预测及若干问题研究

张云凤  
【摘要】:机械设备作为一个由各种摩擦副组成的摩擦学系统,其磨损是导致其能量损耗、零件失效、整机技术状况劣化、可靠性水平降低的最直接最重要的原因。磨损过程由于受到环境因素以及材料不同的影响,而表现出复杂性和多样性。因为影响磨损过程的因素都具有随机性,而且与时间有关,所以应用随机过程理论描述磨损过程,可以较为精确的体现磨损的规律性和动态性,这对于零件或系统磨损的可靠性进行科学与准确的预测、有针对性的采取提高耐磨性的措施以及安排适时的维护或维修都具有重要的意义。 磨损可靠性预测的关键问题是建立磨损预测模型。以往的磨损预测模型通常都是基于磨损机理的,不具有通用性,同时没有考虑磨损的随机特性,造成预测结果不准确。本文从随机性角度研究了磨损影响因素,建立了磨损的预测模型,模型中既考虑了主要的影响因素,又考虑了微观的随机影响因素,在此基础上进行了磨损可靠性预测的研究。论文具体研究工作如下: (1)根据摩擦磨损试验的目的和特点,对试验材料进行了选择和加工,结合试验设计理论进行了试验的规划与设计,获得了科学的试验方案。实现了通过较少的试验获得较为精确和完整的数据的目的,降低了试验成本。 (2)从环境因素、工况条件和材料性质等方面分析了影响材料摩擦磨损性能的主要因素,结合单因素试验结果,确定了建立磨损静态预测模型的变量。应用偏最小二乘回归方法建立了磨损预测的多项式模型,对模型的精度和预测效果进行了检验。 (3)对磨损可靠性预测中磨损量分布和磨损量与时间的关系两个关键问题,结合试验进行了研究。对磨损率服从正态分布、磨损量与时间呈线性关系的情形,根据磨损预测多项式模型,分别给出了一定磨损寿命下的可靠度计算方法以及一定可靠度下的可靠寿命预测方法。 (4)建立了磨损随机过程的基本模型。分析了磨损过程的基本特征,应用随机过程理论,提出了较为通用的磨损随机过程的基本模型。确定了随机过程模型与静态模型中参数的区别。根据随机过程试验结果,对钢材料的磨损过程进行了分析,确定了影响磨合期磨损的主要因素,建立了钢材料磨损随机过程的模型。根据齿轮磨损试验结果,应用数理统计方法确定了磨损量分布,建立了齿轮磨损二维随机过程模型。 (5)根据磨损随机过程基本模型及模糊、随机可靠性预测技术建立了均匀连续磨损下的可靠性预测模型。结合纯灭过程、泊松过程及更新过程理论,分别研究了连续非均匀磨损及不连续磨损下的磨损可靠性预测技术,建立了磨损预测模型。应用泊松过程理论对基于试验的齿轮点蚀失效磨损进行了研究,确定了齿轮的磨损失效模型。 (6)为提高材料表面的磨损可靠性,对激光熔覆表面改性技术进行了试验研究。在选择激光熔覆材料基础上,确定了合理的激光熔覆参数。在CrMo铸铁表面制备了高质量的合金粉末涂层,对涂层的显微组织进行了分析。研究了涂层的摩擦磨损性能,建立了CrMo铸铁表面激光熔覆层的磨损率预测模型和磨损机制图,对涂层与基体的磨损性能进行了对比研究。


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