文章報(bào)告了大功率核主泵推力軸承設(shè)計(jì)加工檢測(cè)一體化的高性能制造原理,及其在推力軸承關(guān)鍵零部件制造方面的應(yīng)用結(jié)果。基于零部件制造加工的不可逆熱力學(xué)理論,建立了零部件加工過(guò)程量、加工工藝載荷和材料加工載荷與表界面完整性的定量關(guān)系,提出了推力軸承以表界面完整性為性能控制量的零部件幾何、材料、結(jié)構(gòu)的加工方法。利用面向材料的數(shù)據(jù)正則化、模型正則化和加工過(guò)程印記分析,發(fā)展了推力軸承由高承載、均載能力和耐磨損抗沖擊性能到零部件幾何、材料、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。依據(jù)高性能制造正問(wèn)題和反問(wèn)題復(fù)合求解原則,圍繞表界面完整性調(diào)控為核心的零部件幾何、材料、結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的共性環(huán)節(jié),遵循設(shè)計(jì)、加工和檢測(cè)三條技術(shù)路徑,實(shí)現(xiàn)了可傾式推力瓦形性協(xié)同設(shè)計(jì)與模壓成型加工、定位機(jī)構(gòu)抗沖擊設(shè)計(jì)與覆層加工,以及支承機(jī)構(gòu)魯棒設(shè)計(jì)與強(qiáng)韌化加工的推力軸承高性能制造。 

【文章來(lái)源】：中國(guó)核電. 2020,13(05)

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【部分圖文】：

核主泵推力軸承設(shè)計(jì)加工檢測(cè)一體化的高性能制造路線圖

圖2給出了推力軸承推力瓦設(shè)計(jì)加工檢測(cè)一體化的高性能制造流程圖。推力軸承推力瓦的制造流程，包括了高性能制造正和反問(wèn)題復(fù)合求解的3個(gè)要點(diǎn)：一是推力瓦加工的表界面完整性調(diào)控是設(shè)計(jì)加工檢測(cè)正和反問(wèn)題的核心點(diǎn)。分別通過(guò)加工過(guò)程量和服役條件轉(zhuǎn)化為共性的力、熱、化學(xué)等能量和物質(zhì)傳遞的加工工藝載荷，通過(guò)減控零部件G,M,S等多元耦合約束，建立表界面完整性與應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和化學(xué)位場(chǎng)等材料加工載荷的適定關(guān)系，確定了由推力軸承B到零部件G,M,S設(shè)計(jì)加工檢測(cè)的一體化路線。二是推力軸承制造反問(wèn)題的面向材料正則化求解方法。利用數(shù)據(jù)正則化、模型正則化和加工過(guò)程印記分析，對(duì)于G,M,S等信息不完全的正問(wèn)題和性能B檢測(cè)不足的反問(wèn)題提供一個(gè)總體求解方案，在設(shè)計(jì)與加工正向求解基礎(chǔ)上將問(wèn)題轉(zhuǎn)化為參數(shù)識(shí)別問(wèn)題，所有未知參數(shù)都是通過(guò)交替進(jìn)行設(shè)計(jì)與加工正反分析的迭代過(guò)程確定[12]。三是高性能制造參數(shù)選取與優(yōu)化。以基于知識(shí)方法取代實(shí)驗(yàn)迭代的試錯(cuò)法，通過(guò)可控的表界面完整性設(shè)計(jì)零部件G,M,S，同時(shí)確定和優(yōu)化零部件的加工過(guò)程量，選擇滿足高性能要求的加工制造方法和工藝條件P，實(shí)現(xiàn)推力軸承的高性能制造。2 推力軸承可傾式推力瓦形性協(xié)同設(shè)計(jì)方法與制造工藝

針對(duì)推力瓦瓦面存在的熱瞬態(tài)變形和抗沖擊性較差問(wèn)題，選用強(qiáng)韌性優(yōu)異且具有自潤(rùn)滑摩擦磨損性能的碳纖維增強(qiáng)聚芳醚熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料[13-14]。優(yōu)選碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料推力瓦模壓成型工藝，對(duì)各溫度和應(yīng)變速率下樹(shù)脂基復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行擬合，采用修正的樹(shù)脂基復(fù)合材料粘塑性模型建立本構(gòu)方程。模壓成型物理模型由推力瓦瓦片、模具和排氣流道等組成，獲得推力瓦在模壓過(guò)程中各個(gè)時(shí)間步的溫度分布，并導(dǎo)入有限元模型，建立最大熱能、彈性應(yīng)變能與碳纖維分散、彈性變形、界面狀態(tài)的定量關(guān)系，加工正向求解出推力瓦在保壓、模內(nèi)冷卻、零件頂出和模外冷卻等階段的表面形貌和殘余應(yīng)力等表界面完整性參數(shù)變化。推力瓦的表面形貌、織構(gòu)化及其滑移特性是流體動(dòng)壓潤(rùn)滑主要的G,M,S參數(shù)，基于界面滑移和空化作用修正Reynolds方程的參變量變分原理，考慮碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料加工表面宏微尺度共存的形貌影響，在應(yīng)變梯度理論框架下，利用尺度依賴非局部彈塑性本構(gòu)關(guān)系建立推力軸承跨尺度混合潤(rùn)滑模型[15-16]，利用包括瞬變和災(zāi)變等全工況下推力軸承界面潤(rùn)滑機(jī)理，設(shè)計(jì)正向求解出提高推力軸承承載能力的推力瓦滑移面設(shè)計(jì)參數(shù)。圖3給出了核主泵推力軸承樹(shù)脂基復(fù)合材料推力瓦、對(duì)比的Babbitt合金和剛性瓦，在1 485r/min工況下，瓦面滑移特性對(duì)軸向推力軸承最小液膜厚度的影響作用。成型加工表面滑移特性改變，最小液膜厚度可從14μm增加至26μm，顯著提高了推力軸承極限剪切應(yīng)力和承載能力。碳纖維增強(qiáng)聚芳醚熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料推力瓦具有中心網(wǎng)格陣列織構(gòu)和邊緣楔形面復(fù)合結(jié)構(gòu)，在低、高PV運(yùn)行下瓦面中心彈性變形和整體彈性變形的自適應(yīng)控制，保證了全工況下推力軸承彈流潤(rùn)滑性能和混合潤(rùn)滑性能。圖4給出了碳纖維增強(qiáng)聚芳醚復(fù)合材料推力瓦與Stellite 12合金對(duì)磨副水潤(rùn)滑比磨損率和磨損表面形貌照片。碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料推力瓦隨PV值=7.0～13.5 MPa·ms-1增加的比磨損率降低，為10-7 mm3·N-1·m-1量級(jí)。Stellite 12合金的比磨損率則隨PV值逐漸增大，為10-8 mm3·N-1·m-1量級(jí)，高PV值復(fù)合材料推力瓦和Stellite 12合金的比磨損率趨于接近。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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