磨损与冲击耦合的随机振动系统的可靠性与灵敏度研究结题摘要

项目针对采煤装备中截割传动系统的重载、冲击、磨损等恶劣工况，考虑了采煤机截齿的截割过程是连续的，是小块碎屑崩落与大块煤屑从煤体上崩落不间断的交替过程。各煤块单元连续随机的崩落，引起截齿载荷的随机波动，将该过程视为平稳随机过程，得到了截割力随机载荷谱。研究了重载载荷和冲击载荷对动力学参数的影响程度，提取变化较大的参数作为理论研究中的设计参数；针对重载条件下冲击与摩擦磨损问题，应用赫兹接触理论与摩擦磨损理论，建立了多自由度齿轮摩擦磨损模型，讨论了齿轮传动系统结构参数和材料特性参数与冲击及摩擦磨损的关系。考虑结构、载荷、材料相关的初始设计参数是随机分布并且概率密度分布未知的情况下，基于Kriging方法和ANN方法，建立了具有随机参数的齿轮磨损代理模型。基于渐变失效模式和表征功能函数，应用以矩法为代表的解析法、以蒙特卡洛为代表的数值模拟法，建立了具有渐变参数的可靠性模型，对随机过程系统进行了可靠性计算，描述了整个寿命阶段系统的可靠性变化规律。结果表明，采煤机截割传动系统的主要失效模式为冲击疲劳和磨损，基于Kriging方法、Edgeworths级数、四阶矩法可以快速准确的得到可靠性的变化趋势，并预测系统寿命。该项目进一步丰富了机械振动系统可靠性模型的有关理论与方法，提出了一套切实可行的、对实际生产有指导意义的设计准则。 2100433B

针对磨损和冲击耦合作用导致可靠性的动态演变行为，以齿轮传动系统为研究对象，在重载和冲击等恶劣工况下，通过理论分析、系统仿真和试验相结合的方法，研究磨损与冲击耦合作用对系统动力学行为渐变过程的影响规律，探索初始设计参数与磨损以及系统动力学特征的本质关系，提取结构部件的故障特征，揭示诱发磨损和冲击失效的内部机理；针对随机参数的时变特性与累计渐变性，探索随机变量的随机分布规律，建立参数化的随机分布动力学模型，提取动态响应的随机特征；基于随机摄动技术、可靠性相关理论，研究非线性复杂机械系统的动态可靠性灵敏度的高效计算方法，形成系统及关键零部件动态渐变的可靠性定量分析理论，探索整个寿命周期内可靠性变化趋势，提出评价基本设计参数对随机动态系统的可靠性影响指标以及可靠性灵敏度设计方法，建立系统及关键零部件可靠性增强设计准则，为保障机械产品安全可靠运行提供科学理论支撑。

磨损过程十分复杂，有许多实际表现出来的磨损现象不能简单地归为某一种基本磨损类型，而往往是基本类型的复合或派生，如气蚀磨损、冲蚀磨损和微动磨损等。

磨损气蚀磨损和冲蚀磨损

当零件与液体接触并作相对运动时，在接触面附近的局部压力低于相应温度液体的饱和蒸汽压时，液体就会加速汽化而产生大量气泡，与此同时，原混在或溶解于液体中的空气也都游离出来形成气泡；当气泡流到高压区时，因压力超过气泡压溃强度而使气泡溃灭，瞬间产生极大的冲击力和高温。气泡的形成和压溃的反复作用，使零件表面疲劳破坏，产生麻点，随后扩展成海绵状空穴，这种磨损称为气蚀磨损。气蚀磨损严重者，其扩展深度可达20mm。

当小液滴以高速（如l000m/s）落到金属表面时，会产生很高的应力，往往一次冲击就能造成塑性变形或破坏。如果应力较小而反复作用，则会造成点蚀，这种由液体束冲击固体表面所造成的磨损，称为冲蚀磨损。含有硬质颗粒的液体束冲击固体表面所造成的磨损，也属冲蚀磨损。

气蚀磨损和冲蚀磨损都称为侵蚀磨损。它们都可以看成疲劳磨损的派生形式。因为就本质上来说，都是由于机械力造成的表面疲劳破坏，但液体的化学和电化学作用加速了它们的破坏速度。

磨损微动磨损

名义上相对静止的两个接触表面沿切向作微幅相对振动时所产生的磨损，称为微动磨损。当两接触表面受到法向载荷时，接触微峰产生塑性流动而发生粘着，在微幅相对振动作用下，粘着点被剪切而破坏，并产生磨屑；磨屑和被剪切形成的新表面逐渐被氧化，在连续微幅相对振动中，出现氧化磨损。由于表面紧密贴合，磨屑不易排出而在接触表面间起磨粒作用，因而引起磨粒磨损。如此循环不止，即是微动磨损会过程。当振动应力足够大时，微动磨损处会形成疲劳裂纹，裂纹的扩展会导致表面早期破坏。

可见，微动磨损是粘着磨损、腐蚀磨损、磨粒磨损以及疲劳、磨损复合并存的磨损形式，但起主要作用的是接触表面间粘着处因微幅相对振动而引起的剪切以及其后的氧化过程，因此，有人将其称为微动腐蚀磨损。

《森林生态系统服务价值与补偿耦合研究》以森林生态系统服务价值理论为核心，以福利经济学、资源环境经济学等相关理论为依据，分析森林生态系统的社会经济属性，为我国森林生态系统服务价值补偿研究提供相应的科学依据和理论基础；采用经济学、统计学等手段，系统梳理以经济学为基础的生态系统服务价值评估理论，对森林生态系统服务价值理论体系进行成本与收益角度的方法梳理与系统评估，对北京市延庆县（现延庆区）进行案例研究，将生态系统服务价值与现有的生态补偿标准进行耦合与预测，提出对以森林生态系统服务价值评估为基础的补偿标准制定的对策建议，进一步明确森林资源的权属问题，探索森林保护的有效管理措施，为我国森林生态系统服务价值补偿政策的制定提供参考。

钢铁工业精细化、集成化、绿色化、可循环的发展趋势对冶金过程控制与流程优化的要求越来越高，迫切需要对钢铁冶金过程系统的可靠性问题进行深入研究。目前，国内外仅涉及对钢铁生产单体设备/工序或对其控制系统的可靠性进行研究。本项目在分析现代钢铁生产流程及其运行特点的基础上，阐述炼钢－连铸过程系统可靠性的内涵和特点，剖析炼钢－连铸生产过程中的不可靠性因素。依据可靠性工程理论，通过对典型炼钢厂的调研，进行工序与过程系统的可靠性研究，探求适合于钢铁冶金过程系统的可靠性评价模型。另外，从冶金流程工程学的角度，从时间、产量、能耗和质量因素四个方面提出科学、简便的可靠性评价指标对炼钢－连铸过程系统进行整体评价。最后，在研究炼钢－连铸过程系统可靠性及其评价模式的基础上，形成钢铁冶金过程系统可靠性评价的方法，为推动可靠性理论在钢铁行业的系统应用提供理论基础，实现钢铁生产过程运行优化、节能减排和提高经济效益。 2100433B