The positioning control of the hydraulic support pushing system in the fully mechanized mining face is the key technical support to realize intelligent mining. The opening and closing of the existing support switch reversing valve will cause a sudden change in the system pressure and flow under the conditions of high pressure and large flow, which will affect the life of the components, the precision, and stability of the actuator movement. To solve the problem, the structure of a two-speed buffer valve for the hydraulic support pushing circuit is designed. Firstly, the pushing system is analyzed theoretically, and the characteristics of the flow field in the valve and the applicable working conditions are simulated. Then, an experimental platform was built to test the improvement effect of the two-speed buffer valve on the characteristics of the pushing system. Finally, the pressure, flow, and positioning characteristics of the two-valve series pushing system under different flow rates are studied by the test results. The research results show that when the two-speed buffer valve is used, the pressure and velocity change thresholds of the system are reduced, which reduces the pressure fluctuation in front of the valve and its effect on the system pressure. At the same time, under a different system flow, the downstream pressure characteristics of the valve are improved, and the steady-state pressure anti-interference is enhanced. The positioning error of the system is reduced under different flow rates. The effectiveness of the scheme is verified by the test, which provides a basis for the optimization of the downhole valve control cylinder scheme and the subsequent valve.
Aim to solve the numerical forward solutions of 3RPUPc-UPS parallel mechanism, the particle-artificial bee colony algorithm is proposed. By analyzing the topological characteristics of the mechanism, the position and orientation characteristics sets, degrees of freedom and coupling degrees are obtained. According to the geometric characteristics of the mechanism, the inverse kinematics equations and the forward kinematics solutions model are established. Through a forward solution software of the mechanism, which is developed based on the particle swarm optimization, the artificial bee colony and the particle-artificial bee colony algorithm, the numerical solutions of the mechanism are obtained. The results show that the running time of the particle-artificial bee colony algorithm is shortened 47.46
针对全焊接球阀密封性欠佳的问题,以NPS16 Class600 型球阀为例,对其密封结构的密封性能进行了理论推导、仿真分析和试验验证,并基于响应面法对密封结构参数进行了多目标优化设计.首先,利用试验设计法(DOE)及响应面法(RSM)建立了密封结构的优化模型,对密封结构进行了静力学分析;然后,搭建了试验平台,进行了密封结构的开口度测试,并根据测试结果对仿真分析结果进行了验证;利用ANSYS软件对浮动球球阀密封结构进行了静力学分析,并研究了球体的直径(d1)、阀座的厚度(D7)、中径(D10)、倒角(DA)对其密封性能的影响;最后,根据响应面优化(RSO)模块对密封结构参数进行了多目标优化设计,进一步验证了其优化效果及密封性能.研究结果表明:D10对最小间隙值(Cmin)的影响显著性最高,d1 对最大等效应力(S1max)的影响显著性最高;在密封结构两参数耦合作用下,DA与D7 对最小间隙值(Cmin)的影响显著,DA与d1 对最大等效应力(S1max)的影响显著;优化设计后的密封结构最大变形量降低了57.2%,密封面的接触平均压力提高了7.8%,实现了对浮动球球阀密封结构进行高精密设计的目的.
变刚度柔性夹持装置既保留了软体驱动器的柔顺特性,又有效提高了夹持装置的夹持力.根据结构及驱动方式的不同,变刚度柔性夹持装置主要可分为包含内骨骼或外骨骼结构、基于干扰(阻塞)效应、内嵌低熔点合金或聚合物等3 个种类.包含内骨骼或外骨骼结构的夹持装置无法实现刚度的灵活调节;基于干扰效应的夹持装置的两种典型结构中,层干扰比颗粒干扰的刚度调节范围更大,但其结构更复杂,导致制造困难;而内嵌低熔点合金或聚合物的夹持装置,其最大缺陷为响应时间过长,且对设备和驱动器的绝缘以及耐热性能的要求较高.通过分析和总结目前变刚度夹持装置的研究现状,指出目前在该研究领域被忽视的关键问题主要包含3 个方面:1)缺少变刚度机理方面的深层次研究;2)缺少变刚度柔性夹持装置可靠性和寿命的研究;3)缺少变刚度柔性夹持装置的应用研究.
风力发电机主轴强度有限元分析存在复杂且耗时的问题.为了提高风力发电机中传递载荷的关键部件—主轴的设计效率,以单SRB和双TRB两类机型的主轴结构为例,分析了无网格法在主轴装配体上的计算可靠性,及其在建模过程与计算时间上的优势,进而提出了一种利用无网格法提高迭代效率的主轴结构设计方法.首先,以含双列调心滚子轴承(SRB)或单列圆锥滚子轴承(TRB)的两类主轴装配结构为对象,建立了采用杆单元简化轴承建模的有限元模型;然后,基于外部有限元逼近法,建立了适用于三维原型的边界条件与接触关系,开展了无网格法建模研究;最后,在4 种典型极限载荷工况下,计算了两类主轴无网格模型的变形与集中应力结果,并将其与业内公认的有限元强度分析方法的结果进行了对比,对主轴无网格法的适用性和有效性进行了验证.研究结果表明:与有限元强度分析方法相比,无网格法计算两类结构的最大位移相对误差在-6.06%～2.28%之间,主轴上的集中应力相对误差分别在-2.36%～2.94%及-6.71%～4.76%之间,两者结果较为吻合;由此可见,在保证刚度、应力准确的同时,无网格法的建模过程更加简便,且计算时间显著降低,可有效提高主轴的设计效率.
在已有的超声喷丸有限元模型中,绝大多数都忽略了弹丸的弹性、塑性变形对数值模拟结果的影响.同时,关于弹丸表面与受喷材料表面之间的摩擦因数对超声喷丸数值预测结果的影响规律,目前也鲜有报道.为此,以纯铜试样为研究对象,结合超声喷丸实验和数值模拟过程,研究了摩擦因数与弹丸形变对超声喷丸纯铜的影响规律.首先,基于ABAQUS平台建立了单丸粒超声喷丸三维有限元模型;然后,设计了单丸粒超声喷丸实验,依据实验条件分析了喷丸距离对速度的影响,将实验工况输入仿真模型,并分别从弹丸速度、凹坑形貌两方面比较了实验与仿真结果;最后,分别采用刚性丸、弹性丸、弹塑性丸,在摩擦因数为 0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 的工况下,对纯铜试样进行了超声喷丸数值模拟,对受喷表面的形貌、残余应力进行了分析.研究结果表明:当弹丸与纯铜表面之间的摩擦因数大于0.2 时,摩擦因数对超声喷丸纯铜形成的凹坑形貌和残余应力的影响不再显著;超声喷丸纯铜形成的凹坑尺寸、残余压应力深度、最大压应力和表面残余拉应力随弹丸与纯铜之间接触刚度的增大而增大.该研究结果对超声喷丸的数值建模具有重要的指导意义.
机械系统的可靠性研究主要包括可靠性设计、分配、建模、分析、评价等方面的内容.只有创建正确合理的模型,采用正确的分析方法,才能得到准确的可靠性评价结果.针对复杂机械系统可靠性建模计算量大和耗时长等问题,提出了一种齿轮传动系统可靠性快速建模的数字化分析方法.首先,建立了考虑各个零件载荷相关性的系统可靠性模型,采用可靠性数学模型,求解了传动零件可靠度,利用可靠性关系模型,对整个系统、子系统及零件的相互关系进行了表征,设计了齿轮传动系统可靠性快速建模数字化平台;然后,探讨了可靠性模型和算例报告的自动生成方法,研究了齿轮传动系统可靠性数字化建模的遍历算法,开发了参数化输入模块、数值求解模块和自动化结果输出模块;最后,以功率分支齿轮传动系统为例,进行了可靠性建模数字化分析,并将解析计算结果与软件仿真结果进行了对比分析.研究结果表明:解析计算结果与软件仿真结果两者误差仅为0.016%,从而验证了该可靠性建模数字化分析方法及软件的正确性和高效性;同时,该方法具备保存加载算例、自动生成可靠性模型框图和快速计算系统可靠度等功能,为齿轮传动系统可靠性建模快速设计提供了一种数字化平台.
针对塔机结构振动特性的研究虽然已取得了丰硕的成果,但是很多文献把塔机结构当作刚性结构来研究,或者未考虑塔机的加速度对吊重摆角的影响,针对塔机在提升与回转耦合运动下结构振动和空间摆角特性研究的文献则更少.针对塔式起重机的非线性运动易引起结构振动的问题,为了探究其运动规律,在塔式起重机提升与回转耦合运动下,对塔机结构的振动特性进行了理论推导和仿真研究.首先,采用运行特性、物理关系和梁挠度理论,提出了一种塔式起重机位移模型(从加速到恒速再到减速);然后,根据拉格朗日和空气阻力理论,推导了塔式起重机的动力学模型;最后,根据实际塔式起重机的结构和运动特点,设计了实验塔机,利用实验塔机搭建了测试平台,通过吊重的空间摆角实验过程验证了耦合运动模型的有效性,研究了不同的提升加速度、回转加速度和初始摆动角度对非线性耦合运动下吊重的空间摆角和塔身振动的影响.研究结果表明:回转加速度对塔身结构振动和空间摆角有显著影响;提升加速度对塔身结构振动和空间摆角的影响很小;当提升加速度为0.01 m/s2 时,摆角θ有最小值;当任意初始角度不小于0.2 rad时,初始角度对塔身结构和摆角振动影响较大.
可控型静压密封具有泄漏量低、开启力高和气膜刚度大的特点.但由于运行时的工况条件不断发生变化,可控型静压密封也存在泄漏失效问题.针对可控型静压密封在恒定转速和被密封介质压力下的泄漏问题,建立了可控型静压密封气膜流场模型,针对不同结构参数下的可控型静压密封性能进行了研究,揭示了结构参数对可控型静压密封的影响机理.首先,根据可控型静压密封原理,确定了泄漏量、气膜厚度、气膜刚度为密封性能参数;然后,采用了有限元方法,建立了可控型静压密封的分析模型,确定了研究的工况参数,设计了数值模拟分析的计算研究路线,通过计算获得了可控型静压密封的密封性能随节流孔、均压槽、端面宽度参数的变化趋势和规律;最后,自主设计了一套可控型静压密封试验装置,并进行了装置的运转试验,通过测量可控型静压密封的总泄漏量,对数值模拟结果的准确性进行了验证,得到不同结构参数对可控型静压密封泄漏量的影响规律.研究结果表明:当静压密封装置的节流孔数量在8 个～12 个,直径在0.15 mm～0.25 mm之间,均压槽位置距离密封内侧约 0.5 mm处,端面宽度控制在23 mm～27 mm范围内时,可控型静压密封装置具有最优的密封性能.
目前,国内外学者对齿轮-转子耦合系统的动力学特性进行了研究,但是上述研究均没有考虑行星齿轮-转子复合故障状态.为此,以单级行星齿轮箱为例,通过构建含转子偏心和齿根裂纹故障的行星齿轮-转子耦合系统动力学模型,对复合故障状态下的行星齿轮-转子耦合系统振动响应特性进行了仿真分析和实验研究.首先,采用了集中参数法和Timoshenko梁理论,考虑了时变啮合刚度、支撑刚度、阻尼、陀螺效应、传动轴柔性等因素,建立了含转轴偏心-齿根裂纹复合故障的行星齿轮-转子耦合系统动力学模型;然后,采用了时间历程、频谱、轴心轨迹及相轨迹等方法,并根据其数值分析了不同故障对系统动态特性的影响,研究了偏心状态下裂纹扩展对系统振动响应特性的影响;最后,采用不同裂纹故障测试实验,验证了模型的准确性.研究结果表明:转轴偏心对啮合振动的影响显著,在行星轮系故障特性的分析中不可忽视;偏心-裂纹耦合影响下,系统振动响应由不平衡振动、正常啮合振动、故障冲击振动多源耦合而成,频谱中出现了转频fr、啮合谐波kfm 以及复杂边带成分kfm±fr、kfm±fr±nfsc,并且随着裂纹程度的加大,调制现象更加明显.该研究结果可以为行星齿轮-转子系统复合故障诊断提供一定的理论依据.
目前,稀疏孔径成像系统共相误差校正效果不佳,为此,提出了一种用于稀疏孔径成像系统光程控制的自适应控制算法.首先,分析了仅有前馈控制存在的累积误差问题,并由此引出了改进的比例-微分-积分(PID)反馈控制结构和表达式;然后,将两者结合,形成了前馈-改进PID反馈的复合控制系统,并用该系统对单个压电陶瓷进行了控制仿真;最后,采用一种随机并行梯度下降(SPGD)算法,以成像清晰度为优化目标,将稀疏孔径成像系统中的多个压电陶瓷组成了联合控制系统;通过搭建精密光程调控系统实验平台,对单个压电陶瓷采用前馈-PID反馈复合控制系统进行了1μm、5μm、8μm和10 μm位移跟踪实验.实验结果表明:不同位移的响应曲线基本与期望位移曲线重合,不同位移的响应时间能有效控制在0.08 s以内,位置误差能有效控制在±3nm以内;将SPGD联合控制系统用于1 个三孔径稀疏孔径成像系统中,进行了分辨率板成像对比实验,对共相误差校正前后图像进行了定量评价(校正前,评价值J1 =0.54;校正后,评价值J2 =0.78).研究结果表明:该联合控制系统能有效控制光程精度,校正共相误差,实现子光束干涉成像的目标.
采用广泛使用的有限元法难以探究温升的影响对液体静压轴承动态特性的影响,为此,提出了一种基于有限差分法的变黏度液体静压轴承动态润滑仿真算法,对变黏度液体静压轴承的温升特性进行了研究.首先,改进了油腔的热力学边界条件,以拓宽其适用范围,使其适用于油腔尺寸较大的液体静压轴承;然后,基于有限差分法处理了Reynolds方程、流量连续方程、能量方程以及黏温方程,从而建立了基于MATLAB的液体静压轴承变黏度热流动态润滑模型;最后,采用仿真计算的方法,分析了偏心率ε为 0.1～0.4、主轴转速n为3000r/min～10000r/min(线速度为14.1m/s～47.1m/s)时,油膜压力与温升的变化机理.研究结果表明:当主轴转速从3000 r/min增大到10000 r/min时,转速的增大会使得液体静压轴承的承载力因动压效应的增大而增大,但其油膜的平均压力却因温度的升高、油膜黏度的降低而下降了约24%;主轴偏心率的增大会导致油膜温度聚集,而主轴转速的增大则导致油膜温升增大,故当偏心率ε =0.4 而转速n =10000 r/min时,油膜的温升较大,且热量发生聚集,其最高温升可达39.5℃;主轴转速越高,液体静压轴承内热油携带对温升的影响越显著.该研究结论可以为温升影响下高速液体静压轴承的轴心轨迹与动态特性的研究提供理论基础.
使用静力学分析与遗传算法相结合的方式对减速器进行设计、优化时,对于在传动中承受大扭矩的轮边减速器,没有考虑到因加速度引起的惯性力.针对电驱动救援车轮边减速器原主减速器二级齿轮组的强度偏弱问题,对主减速器二级齿轮组齿轮进行了设计、优化分析,解决了原减速器二级齿轮组强度偏弱问题.首先,依据轮边主减速器基本数据,进行了主减速器的三维建模设计,然后对所设计模型添加了相应的约束条件,对其进行了瞬态动力学仿真分析,发现了二级齿轮组存在强度偏弱问题;然后,提出了使用蒙特卡洛算法与宏观、微观优化相互配合使用的方法,对二级齿轮参数(即螺旋角、压力角、法面模数)进行了数据优化处理;最后,使用所获得的优化数据对减速器二级齿轮组进行了重新建模和仿真分析,由仿真分析结果判定了优化的可靠性.研究结果表明:进行优化后,减速器二级齿轮组齿轮的线性传动误差降低了59.38%,齿根处最大应力值降低了14.3%;同时,齿面接触印痕、齿面接触载荷、齿根最大接触应力均得到了优化,提高了齿轮的整体使用寿命.
误差补偿是提高圆光栅测角精度的常用手段.一些机床和精密仪器由于没有位置测量元件误差补偿功能,无法进行圆光栅的误差在线补偿.针对这一问题,提出了一种中继式的圆光栅测角误差实时补偿方法.首先,分析了圆光栅测角误差的补偿原理,建立了谐波拟合函数和圆光栅测角误差补偿模型;然后,进行了误差补偿模块的硬件选型,设计了以差分芯片为核心的信号转换电路,包括差分信号转单端信号电路和单端信号转差分信号电路,开发了误差补偿模块的嵌入式软件,将所设计的误差补偿模块插入到圆光栅的信号输出通道,建立了基于中继式误差补偿模块的试验系统;最后,采用雷尼绍校准装置采集了圆光栅的原始误差数据,使用谐波函数对测角误差数据进行了拟合,应用误差补偿模型,利用误差补偿硬件模块,对圆光栅测角误差进行了在线补偿试验.研究结果表明:对测角误差最大值为134.59″的圆光栅进行补偿后,其误差最大值可减小到 12.62″,可见采用误差实时补偿方法可以显著提高圆光栅测角精度.
针对涡旋机侧向密封过程中,动涡盘和静涡盘接触力难以控制的问题,结合动涡盘圆周平动特点,在分析了涡盘接触力模型的基础上,提出了一种基于法向-切向坐标系下的动涡盘运动控制策略以及主动柔顺控制方法.首先,介绍了经典柔顺控制的原理,分析了XY直角坐标系下经典柔顺控制方法的不足;然后,提出了法向-切向坐标系这一概念,通过推导基于法向-切向坐标系下各运动变量之间的关系,对动涡盘的运动控制系统进行了总体设计;最后,采用MATLAB/Simulink软件搭建了涡旋机的接触力模型及其控制模型,并采用模型对上述方法进行了可行性验证,采用实验分别得到了动涡盘平动速率不变而接触力设定值改变时的实际接触力曲线,以及接触力设定值不变而动涡盘平动速率改变时的实际接触力曲线.研究结果表明:接触力的实际值与设定值的跟踪误差在2%以内;改变接触力的设定值后,接触力的实际值能在0.3s左右跟踪到新的设定值;当动涡盘平动速率突然改变后,接触力的实际值能在0.2s左右回到原来的平衡状态.以上结果说明,基于法向-切向坐标系下的主动柔顺控制方法可以有效地控制涡盘平动过程中的接触力.
现有气雾化制粉设备所采用的分离器收集粉末的性能较差,同时其分级效率也较低,导致其无法满足金属增材制造的粉末粒度要求.为此,以两级串联旋风分离器为研究对象,对旋风分离器的连接管道直径及其他参数进行了数值模拟研究.首先,为了验证数值模拟计算模型及其边界条件的可靠性,进行了气雾化制粉试验;然后,采用计算流体力学(CFD)模拟技术,对旋风分离器进行了仿真分析,研究了连接管道直径的改变对旋风分离器流场,以及对压降、分离效率和切割粒径等分离器性能的影响;最后,在连接管道直径确定的情况下,对旋风分离器其他参数进行了模拟,分别研究了入口形状和锥体长度变化对旋风分离器流场及分离性能的影响.研究结果表明:当连接管道直径d =130 mm时,旋风分离器的分离效率最高,随着旋风分离器连接管道直径的增加,其切割粒径逐渐增加;当入口形状为圆形A时,旋风分离器的分离效率最高,随着矩形长宽比的增加,分离效率逐渐降低,切割粒径增加;锥体长度的增加使得旋风分离器的分离效率先升高后降低,采用方案3 时的分离效率最高,切割粒径逐渐降低.
针对机载燃油泵振动信号的有效分量相互耦合、故障特征提取困难,进而导致故障识别准确率低的问题,提出了一种基于自适应噪声完备经验模态分解(CEEMDAN)、多尺度波动散布熵(MFDE)和哈里斯鹰算法(HHO)优化支持向量机(SVM)的机载燃油泵故障辨识方法(CEEMDAN-MFDE-HHO-SVM).首先,采用CEEMDAN方法对机载燃油泵振动信号进行了自适应分解,生成了一组从低频到高频分布的本征模态函数(IMF),并选择包含冲击信息较多的IMF分量进行了信号重构,得到了噪声含量较低的信号;然后,采用MFDE方法计算了低噪信号的熵值,构造了表征样本故障属性的特征矩阵;最后,采用HHO算法对SVM的关键参数进行了优化,以构造基于HHO-SVM模型的多故障分类器,对机载燃油泵的故障进行了辨识;基于实测机载燃油泵故障数据集,将CEEMDAN-MFDE-HHO-SVM方法与其他组合方法进行了对比分析.研究结果表明:该故障辨识模型的故障分类准确率达到了100%,在信号处理、熵值特征提取和分类器方面都优于其他对比方法;该模型不仅具有更高的分类准确率,而且具有更优异的效率,后续可以将其推广到其他机械设备的故障辨识中.
深入研究超低温阀门的关键技术,对提高我国特种阀门技术具有深远影响.在仿真模拟超低温阀门温度分布时,采用的分析方式忽略了低温介质吸收热量发生相变后,所产生的低温气体与阀门之间的热量传递.为此,以Class300-DN65 超低温截止阀为例,研究了稳态工作过程中介质物态变化及相变产生的低温气体对阀门降温效果的影响.首先,对绝热状态下介质流动的过程进行了计算流体动力学(CFD)仿真模拟,并建立了其传热学模型,以解释热量的传递过程;然后,研究了发生热量传递时阀盖内部间隙、以及阀体内流场介质物态分布规律;最后,根据稳态流-热耦合分析了阀门的温度分布情况.研究结果表明:由液化天然气闪蒸以及汽化产生的低温气体会在阀盖内部空腔底部流动,不断与阀盖、阀杆对流换热,从而对其进行降温.未考虑低温气体对阀门结构温度场的影响时,填料函底部温度为10.6℃;考虑低温气体时,填料函底部温度仅为-0.2℃.因此,设计超低温阀门时需要考虑低温气体对阀门的降温效果,否则容易导致密封失效.
为解决稳压器喷淋阀在运行过程中出现的密封环磨损及碟簧断裂问题,以某核电站稳压器喷淋阀为例,对密封失效情况下碟簧的受力情况进行了仿真分析、实验研究及优化改进.首先,利用数值模拟方法搭建了去除密封环的喷淋阀流道模型,分析了不同压差下喷淋阀流场变化以及碟簧受力情况;然后,采用二维模拟得到了碟簧被挤压的临界压差,并利用相关实验对模拟数据进行了验证;最后,针对碟簧两侧压差过大问题进行了结构优化,并采用数值计算进行了验证.研究结果表明:在密封失效的情况下,碟簧两侧压差接近进出口压差,当碟簧两侧压差超过0.24 MPa时,碟簧会被挤压并脱离阀体;正常工况下,碟簧也会出现因两侧压差较大而脱离阀体的现象,说明这是导致碟簧往复运动失效的原因之一,而采用波形弹簧代替碟簧可有效解决这一问题.该研究结果对稳压器喷淋阀结构设计具有一定的指导意义.
目前,国内外学者针对摆动泵的研究大多是集中于传统的摆动泵,而对于全新摆动泵结构设计方面的研究则相对较少.新型摆动泵存在结构复杂和流量脉动大等问题,为此,基于虹膜机构可变孔径原理,提出了一种结构简单的新型摆动泵模型,并对新型摆动泵进行了运动学分析和内部流场研究.首先,分析了新型摆动泵的工作原理,建立了新型摆动泵的几何模型,并推导出了虹膜机构位移、速度及相应的瞬时流量方程;然后,使用ICEM CFD软件对新型摆动泵进行了网格划分,利用Fluent软件的动网格技术,采用RNG k-ε湍流模型,对新型摆动泵的流体区域进行了数值模拟;最后,采用数值模拟的方式,得到了新型摆动泵内部流场在周期内的压力分布云图、速度分布云图和流量脉动曲线;并通过比对流量脉动曲线,验证了运动学方程的正确性.研究结果表明:新型摆动泵的结构设计是有效的,其最大瞬时流量为1387.2 L/min,满足设计需求;同时,新型摆动泵腔体内部的压力主要集中在虹膜机构围成的孔径位置,最大压力值为0.45 MPa;并且,腔体内部最大流速主要集中在出油口与进油口处,流速最大值可达62 m/s,速度曲线与流量脉动曲线具有相同的波形.该新型摆动泵丰富了新摆动泵的结构,可为以后对该类型泵的研究提供一定的参考.
