轴承柔性智能制造的物料配送期量动态优化方法

针对传统物料配送方式难以满足轴承柔性智能生产的问题,提出自适应多品种变批量的物料配送期量优化方法。首先,以配送成本、线边库存成本、自动导引运输车数量为优化目标,考虑物料数量、自动导引运输车配送能力、配送时间等约束,构建多目标协同的多频次少批量物料配送期量优化模型;然后,根据模型决策变量的特征,采用反映配送信息的实值进行编码,设计改进拥挤度计算方法和改进精英策略的快速非支配排序遗传算法,提高算法寻优能力;最后,通过实例应用对优化方法进行验证。研究结果表明,较优化前,平均配送批量减少42%,平均配送间隔期缩短30%,总配送成本可减少17%以上,实现了不同型号下物料配送期量的自适应与自决策,有效降低了配送总成本。

主动磁悬浮轴承系统保护轴承热特性研究及减摩设计

针对主动磁悬浮轴承系统(AMBs)转子跌落过程中转子与保护轴承碰摩产生巨大冲击、振动和大量摩擦热,易使保护轴承失效的问题,对立式转子跌落到保护轴承过程中的热特性进行了研究,分析了转子跌落对保护轴承造成破坏的主要影响因素,进而提出了一种采用磁控溅射技术在保护轴承关键表面沉积固体润滑薄膜(类石墨碳基薄膜,GLC)的减摩方法,并对镀膜、未镀膜的保护轴承进行了转子跌落试验。研究结果表明:跌落转速为20000 r/min时,保护轴承的最高温度为210.60℃,出现在转子与轴承内圈端面高速碰摩阶段,该温度超过了轴承钢160℃的回火温度,导致轴承烧伤而失效。在跌落试验中,镀有GLC薄膜的自润滑保护轴承试验后的沟道和端面外观明显优于未镀膜保护轴承,由碰摩发热导致的内圈端面硬度下降也较轻,质心轨迹和轴向位移更加平稳,温升更低,GLC薄膜起到了关键的自润滑和减摩功能,提高了保护轴承的使用寿命和服役可靠性,为解决主动磁悬浮轴承系统中保护轴承易失效而发生重大事故的问题提供了一种思路和方法。

调制周期对磁控溅射Cr/类石墨碳多层膜腐蚀-磨损性能的影响

海洋环境用关键运动部件在使用时承受腐蚀与磨损的交互作用,在其表面涂覆耐腐蚀-磨损防护涂层是提高其服役寿命的有效手段之一。本工作采用直流磁控溅射沉积技术在15-5PH不锈钢试样上制备调制周期为940 nm、375 nm和234 nm的Cr/GLC多层膜(分别标记为S1、S2和S3),并通过微观形貌分析、电化学试验、腐蚀-磨损试验分析了调制周期对Cr/GLC多层膜的结构、电化学性能及耐腐蚀-磨损性能的影响。研究结果表明:随着调制周期的缩短,薄膜柱状生长趋势逐渐减弱,膜层更加致密,同时sp^(2)键相对含量逐渐增大,石墨化程度加剧,力学性能更优。在人工海水介质中,随着调制周期的缩短,薄膜层间界面增多,抑制了裂纹的扩展和腐蚀通道的形成,阻碍了腐蚀介质的渗透,多层膜S3的耐腐蚀性能最优。在腐蚀-磨损过程中,由于载荷和腐蚀介质的共同作用,具有致密结构、适宜调制周期的S2薄膜的磨损率仅为2.50×10^(-16)m^(3)/(N·m),表现出最优的耐腐蚀-磨损性能。因此,设计合适的调制周期是提高Cr/GLC多层膜耐腐蚀-磨损性能的关键。

应力-强度干涉模型下的滚动轴承可靠性评估与设计方法

针对滚动轴承可靠性低、缺乏设计依据等问题,提出一种应力-强度干涉模型下的滚动轴承可靠性评估与设计方法。考虑滚动轴承实际承载当量动载荷和规定当量动载荷的随机特性,假设两者为服从对数正态分布的随机变量,建立滚动轴承可靠性评估与设计模型。其次,对多型号多工况下的深沟球轴承和角接触球轴承进行仿真验证,结果表明:本文提出的滚动轴承可靠性评估与设计方法,通过分析当量动载荷的许用范围,结合轴承设计公式可以使优化后的轴承满足在该工况下的目标可靠性寿命,准确有效的实现滚动轴承的可靠性评估与设计。

双列角接触球轮毂轴承动刚度优化研究

针对轮毂轴承单元的刚度性能将直接影响汽车的服役性能这一现状,对轮毂轴承刚度特性进行研究,提出了一种基于Romax非标准轮毂轴承动刚度特性分析方法和基于粒子群算法(PSO)的优化设计方法。通过采用Romax软件对非标准的轮毂轴承进行拟静力学仿真,研究了某型号轮毂轴承的预紧量、接触角以及两列球心距对动刚度矩阵的影响规律,并通过理论和试验进行验证。研究结果表明,随着预紧量的增加,轴承动刚度呈现整体上升趋势;随着接触角的增加,径向刚度减小,轴向刚度和角刚度增加;随着两列球心距的增加,径向刚度和轴向刚度略微下降,角刚度增加。以轮毂轴承单元的角刚度最大作为优化目标,对轴承内部结构参数进行优化设计,优化后角刚度增加了14.4%,实现了提高角刚度这一优化目标,为轮毂轴承结构设计和优化提供了方法支撑。

基于光纤传感的航发齿轮动应力测试与振动特性研究

基于光纤传感技术,研究高速圆柱齿轮辐板动应力测试方法,并针对某型发动机附件传动圆柱齿轮齿根裂纹故障问题,测量得到该齿轮在实际工况下的动应力数据。结果表明:随着转速的增加,齿轮副表现出异常振动状态;实验所得数据的频谱分析显示,主要分频在8100 Hz附近幅值具有明显变化;啮合频率(8047 Hz)与第3节径固有频率(8313.9 Hz)接近,推断故障齿轮在转速14200 r·min^(-1)下存在3节径共振。

气动扇形柔性关节多指灵巧仿人机械手

为了满足服务型机器人对人机交互动作柔软性、安全性的高要求,基于仿生学理论提出了一种气压驱动扇形柔性关节,并将其用于多指灵巧仿人机械手的构建。采用柔性关节驱动和刚性手部骨骼相结合的设计理念,兼顾手部刚度与柔性。通过关节角度的检测和供气压力的调节,实现手指关节弯曲角度和手指抓握力的连续控制。描述了扇形柔性关节的工作原理和结构设计特点,以及手部整体结构的设计,并对机械手抓握动作和功能进行了试验分析。试验结果表明:柔性多指灵巧仿人机械手能够完成各种手势以及对球状、圆柱状和卡片状等物体的抓取。

液压机械传动装置模式切换滚动协调控制

为提高液压机械传动装置(HMT)模式切换过程稳定性,提出了一种HMT模式切换滚动协调控制方法。该方法通过对HMT模式切换原理分析和切换过程模型建立,制定了基于模型预测控制的模式切换机构转矩和液压调速系统排量比调节的滚动协调控制策略;以减小HMT输出转速误差和车辆冲击度为目标,设计了具有状态约束的滚动协调控制器。仿真和试验结果表明,与未采用滚动协调控制方法相比,该方法可减小模式切换过程输出转矩、转速波动,动载荷降低32.9%,冲击度减小37.31%,模式切换时间减少0.28 s,且排量比调节使得模式切换前后稳定输出转速基本保持一致,对模式切换过程有较好的控制效果,切换品质得到较大提高。研究结果对液压机械传动装置的实际工程应用具有一定的参考价值。

双模式液压机械传动装置离合器切换时序优化

为改善双模式液压机械传动装置(DHMT)模式切换品质,运用正交试验及极差分析法对切换过程中多个离合器的切换时序进行优化。在分析DHMT传动原理与模式切换过程的基础上,建立模式切换过程及切换品质评价指标模型,提出了一种基于正交试验及极差分析的DHMT离合器切换时序优化方法,以参与模式切换过程的多个离合器的切换时序为影响因子设计正交试验表,进行正交试验仿真,并对仿真结果进行极差分析,得到各离合器切换时序对各评价指标的影响程度,综合平衡各项指标后得出DHMT离合器切换时序优化方案组合。仿真结果表明:参考本文研究对象,基于离合器时序优化方案的模式切换过程冲击度为6.15 m/s3,低于17.64 m/s3的国内标准,滑摩功为2.8 kJ,切换时间为1.05 s,均在合理范围之内。试验结果表明:试验与仿真结果接近,且变化趋势一致,验证了所建模型的正确性,并进一步说明通过优化离合器切换时序可有效提高DHMT模式切换品质。研究结果可为制定双模式液压机械传动装置模式切换过程控制策略提供理论参考。

液压机械复合传动系统模式切换过程同步控制

针对双模式液压机械复合传动(DHMT)系统在进行模式切换过程中易出现动力中断、稳定性差的问题,提出一种DHMT系统模式切换同步控制方法。该方法通过分析DHMT系统模式切换动力学约束条件,建立了系统输入转速总扰动量的计算方程;采用小信号线性化方法对液压元件角速度扰动进行线性化处理,以系统输入角速度总扰动量作为液压调速系统的前馈输入,建立液压元件角速度扰动与排量补偿增量方程,得到液压元件的转矩补偿传递函数;构建以液压元件角速度为状态变量、模式切换机构转矩为控制变量的状态空间方程,通过求解最优反馈增益矩阵二次型,实现对模式切换机构转矩的补偿控制,有效消除了模式切换机构结合过程中产生的转矩冲击。仿真与实验结果表明,与未采用同步控制方法相比,该方法可使DHMT系统模式切换品质得到大幅度提高;在两种不同的实验工况下,该方法可使DHMT系统最大输出转矩损失系数降低25.15%左右,切换时间平均减少0.455 s,冲击度控制在合理范围之内,具有良好的抗干扰能力和稳定性。

单自由度四连杆取投苗机械臂设计

针对目前蔬菜穴盘苗自动取投苗机构结构复杂、制造成本较高等问题,该文设计了一种单自由度开式铰链四杆机构取投苗机械臂。首先通过对钵苗力学特性进行分析,为取苗爪的外形设计提供了依据。其次根据人工取投苗和现有取苗机构的作业过程,制定了取苗机构的设计要求。然后对机构的运动路径和各运动副的运动进行规划设计,最终设计出一种单自由度全机械式的取投苗机械臂,显著降低了成本。试验结果表明:取苗爪抓取点的运动轨迹和设计要求与理论仿真结果相一致,移栽试验中取苗成功率为96.7%,钵体破损率为3.13%,投苗成功率为97.74%,总体成功率为91.32%,机构的可靠性较高。该机构的设计提供了一种全自动取投苗方法,可为开展移栽装备的全自动化研究提供参考。

15-5PH不锈钢表面类石墨碳基多层膜结构设计及摩擦学行为

针对马氏体沉淀硬化不锈钢15-5PH(0Cr15Ni5Cu4Nb)在海水环境中易腐蚀磨损的问题,采用直流磁控溅射的方法在15-5PH钢样片上制备调制周期分别为940、375和234nm的掺杂Cr的类石墨碳基多层膜(分别标记为Cr/GLC-S1、Cr/GLC-S2和Cr/GLC-S3),采用扫描电子显微镜(SEM)、拉曼光谱仪(Raman)、MFT-5000多功能摩擦磨损试验机等仪器设备系统考察三种类石墨碳基多层薄膜的结构及摩擦学性能。研究结果表明:不同调制周期的类石墨多层膜表面均呈现“菜花状”形貌,随着调制周期的减小,“菜花状”颗粒逐渐减小,膜层变得致密;sp2键含量逐渐增大,石墨化程度加剧,机械性能更加优异。在干摩擦条件下,调制周期适中的Cr/GLC-S2薄膜具有良好的减摩耐磨性能,磨损形式以磨粒磨损为主,而调制周期较大的Cr/GLC-S1和调制周期较小的Cr/GLC-S3薄膜,在高载荷下均发生不同程度的脆性剥落,导致其摩擦学性能劣化。在人工海水环境中,Cr/GLC-S1和Cr/GLC-S2薄膜在中低载荷下的摩擦学性能较好,磨损形式仍以磨粒磨损为主,在高载荷下三种多层膜均发生不同程度的脆性剥落,特别是调制周期较小的Cr/GLC-S3薄膜已失效。针对不同的工况,设计合理的调制周期是提高GLC薄膜摩擦学性能的关键,结果可为类石墨碳基薄膜在海洋防护中的实际应用提供一定参考。

双圆弧斜齿轮泵高速高压化流量脉动研究

为提高双圆弧斜齿轮泵在高速高压工况下的流量品质,减小流量脉动对振动、噪声等问题的影响,文中通过理论推导流量脉动系数公式,得到齿轮各参数与流量脉动之间的关系,进而对齿形参数进行优化设计,使得流量脉动系数理论为零。采用流体动力学(CFD)仿真,对双圆弧斜齿轮泵内部流场进行数值模拟,与试验结果进行对比验证。结果表明:螺旋角为31.3°时,脉动系数为零,实现了新型双圆弧斜齿轮泵理论上无流量脉动;转速为5 000~12 000 r/min,出油口流量脉动基本为零,验证了理论设计的正确性及满足了齿轮泵高速化后的性能要求;负载压力为5~25 MPa,出油口流量脉动基本为零,满足了齿轮泵高压化后的性能要求;试验结果与仿真结果流量误差在3%左右,说明了仿真结果的正确性及双圆弧斜齿轮泵泄漏量少,容积效率高。

四点接触球轴承钢球-沟道多点接触成因分析

针对四点接触球轴承钢球与沟道间发生多点接触引起轴承过早失效的问题,以QJ214四点接触球轴承为研究对象,建立了钢球-沟道接触模型,分析了结构参数及工况参数变化时钢球-沟道发生多点接触的成因。研究结果表明,内外圈沟道曲率半径系数或内外垫片厚度的增大可使钢球-沟道接触状态由三点接触转变为两点接触,再转变为三点接触;恒定转速时,轴向载荷的减小可使钢球-沟道接触状态由两点接触转变为三点接触;转速及轴向载荷均恒定时,径向载荷的增大可使部分钢球-沟道接触状态由两点接触转变为三点接触,再转变为四点接触。研究成果为避免四点接触球轴承在运转过程中发生多点接触而引起的猫眼圈磨损失效提供了参考。

等间距螺旋电极压电驱动器制备与静态性能测试

基于阿基米德螺线方程提出一种等间距螺旋电极压电驱动器,该文分析了其电极结构与驱动原理,采用丝网印刷法对该驱动器螺旋电极进行了印制,并完成待测元件的制备。搭建了位移测试平台测试元件的静态性能,并对其静态的径向位移及平面扭转角进行了研究。试验结果表明,直径25 mm、厚2 mm、电极宽0.6 mm、电极中心距1.2 mm的等间距螺旋电极压电驱动器在频率0.5 Hz、电压200 V的正弦激励信号作用下,径向峰值位移可达1.02μm,为传统电极压电元件的1.57倍,扭转角度可达0.12 mrad,与传统型压电驱动器相比,该元件具有较大的径向位移输出,且产生的扭转角度明显。

考虑错位角的角接触球轴承极限承载能力研究

针对角接触球轴承实际安装会出现错位角,与承受过大外载荷会产生接触椭圆被截断的情况,提出一种包含错位角的轴承极限承载能力分析模型。通过改进算法,减少方程数量,降低了模型求解难度;通过与文献、Romax软件的对比,验证了算法的正确性;最后,以角接触球轴承7008C为研究对象,分析了不同参数对极限承载能力的影响。结果表明,增大错位角与径向力、增加滚动体数量、减小滚动体直径会在一定程度上削弱极限轴向力与极限倾覆力矩;增大沟曲率半径系数与挡肩高度可以显著提高极限轴向力与极限倾覆力矩;然而,最小挡肩高度制约了轴承的极限承载能力。

不对称轮毂轴承主承载列结构参数对摩擦力矩的影响

针对不对称轮毂轴承摩擦引起的能耗问题,为更加准确分析结构参数对摩擦力矩的影响,采用坐标转换法,建立了考虑预紧力的不对称轮毂轴承摩擦力矩改进分析模型,并进行了试验验证。假设不对称轮毂轴承右列结构参数不变,研究左列(主承载列)结构参数对轴承摩擦力矩的影响。结果表明,存在一个最佳倾覆力矩,使不对称轮毂轴承摩擦力矩最小。随着中心距的增大,当倾覆力矩小于最佳倾覆力矩,不对称轮毂轴承摩擦力矩增大;当倾覆力矩大于最佳倾覆力矩,不对称轮毂轴承摩擦力矩减小。适当增大左列沟曲率半径系数与左列钢球数,不对称轮毂轴承摩擦力矩减小。增大不对称轮毂轴承左列节圆直径与左列钢球直径,不对称轮毂轴承摩擦力矩增大。在倾覆力矩M1=30000 N·mm时,不对称轮毂轴承左列结构参数对摩擦力矩的影响权重为:左列沟曲率半径系数>左列钢球数>左列节圆直径>左列钢球直径>中心距。

机床主轴轴承热诱导预紧力自补偿方法

针对高速机床主轴轴承在主轴转速、负载及初始预紧力影响作用下,产生附加热诱导预紧力的问题,提出一种基于分离式隔圈的机床主轴轴承热诱导预紧力自补偿方法,实现了主轴轴承热诱导预紧力自补偿。首先,建立了主轴单元热结构耦合分析模型,分析了不同温度及载荷下,分离式隔圈的轴向相对位移;其次,利用高速机床主轴轴承试验平台研究了补偿前后不同主轴转速和初始预紧力下主轴单元振动和轴承温升的变化规律。结果表明,隔圈相对位移随温度成线性变化,而初始预紧力对其几乎没有影响;且采用分离式隔圈相较于传统的一体式隔圈,主轴单元振动略有增加,但轴承温升显著减小,说明所设计分离式隔圈能够有效降低热诱导预紧力。

Ease-off拓扑修正的准双曲面齿轮齿面修形方法

为了提升驱动桥准双曲面齿轮传动的啮合性能,针对准双曲面齿轮刀倾半展成法(HFT)提出一种Ease-off拓扑修正方法。在建立齿面共轭啮合数学模型的基础上,推导出小轮基准齿面方程,通过计算小轮实际齿面与基准齿面之间的偏差,构建出Ease-off拓扑。借助二阶多项表达式对Ease-off拓扑分解,计算出齿面失配系数,通过调整齿面失配系数构建出修正Ease-off拓扑。通过比较当前Ease-off拓扑与修正Ease-off拓扑,消除小轮当前齿面与修正齿面之间的偏差,反求出小轮加工参数。最后以一对准双曲面齿轮为例进行齿面拓扑修形与磨齿加工,实际齿面印痕与仿真结果一致,验证了齿面拓扑修形方法的有效性。齿面加载接触分析结果表明,修形后齿面接触应力分布得到了改善,实际载荷下齿面接触重合度增加,从而验证了修形方案的合理性。

被动式电液力伺服系统的自适应反步滑模控制

针对被动式电液力伺服系统存在固有的多余力矩、控制伺服阀的非线性以及参数时变性问题,提出一种自适应反步滑模控制策略。建立系统的非线性状态空间方程;基于反步控制理论思想,通过3步递推法设计系统的反步控制器;在反步法递推的第3步结合滑模控制方法,选择合适的Lyapunov函数,给出系统不确定参数的自适应律,设计出非线性自适应反步滑模控制器,并利用Lyapunov稳定性定理对所设计的控制器稳定性进行证明。仿真和实验结果表明,该控制器能够有效地抑制多余力矩,并且对参数摄动及外界扰动具有较强的鲁棒性。