微/纳米定位平台的动态特性分析与试验

为了分析微/纳传动平台的动态特性,应用拉格朗日方程,建立5自由度微/纳米定位平台的动力学模型,推导出固有频率及阶跃响应的解析式.采用有限元方法,仿真得到平台的前5阶固有频率和模态阵型.在不同驱动频率和不同加载下,分别进行静、动态试验,结果表明,平台的开环调节时间为0.812s;驱动频率为100Hz时,发生共振现象;加载小于10N时,平台具有较好的稳定性;动态试验得到压电陶瓷、电容传感器和平台的分辨率分别为4、10和45nm,且平台的重复定位精度为0.6μm.

大行程5-DOF微纳传动平台的设计及特性分析

对大行程、多自由度及高刚性微纳传动平台的设计要求和特性进行了研究,开发了由压电陶瓷驱动的大行程5-DOF微纳传动平台,设计了位移量大、可导向的微位移放大机构,实现了微纳传动平台的高精度、大移动及大摆动等功能。分析了微纳传动平台的基本原理和自由度,建立了微纳传动平台的运动学模型,得到了其输入/输出特性。基于伪刚体的基本理论及虚功原理,推导了微纳传动平台沿X、Y、Z向的移动刚度及绕X、Y轴的摆动刚度,并对影响微纳传动平台静态刚度的特征参数进行了分析,获得了其移动刚度及摆动刚度的特性。创建了微纳传动平台的几何模型,应用有限元方法对该平台进行了分析及仿真,验证了微纳传动平台的运动学模型、伪刚体模型的正确性。

微/纳米定位平台的桥式机构静、动态优化设计

为了解决桥式机构静态性能与动态性能相互制约问题,应用伪刚体模型法,建立桥式机构的静、动力学模型,分析表明:柔性板簧厚度越小、长度越长,桥式机构的静态性能越好,但动态性能就越差;动态性能主要受柔性板簧厚度影响,板簧长度对其影响不大.为了优化桥式机构的静、动态性能,建立该机构总性能的优化模型,并对柔性板簧厚度、长度等几何特征参数进行了优化设计.应用ANSYS,对优化前、后的机构进行了仿真分析,并对机构的静、动态性能进行了试验,结果表明:优化后机构的稳态时间减小为0.032s,比优化前ANSYS仿真缩短了80%,微位移输出减小了40.2%,优化后机构总性能达340.75mm·Hz,比优化前ANSYS仿真提高了74.53%.

微/纳传动平台的位移耦合分析

根据机械设计、机械原理、有限元法及线性分析理论,建立微/纳传动平台的有限元模型,推导该平台的位移耦合计算公式,得到该平台沿各方向运动的解耦方程.结合耦合分析图,分析微/纳传动平台多尺度的位移耦合影响,获得该平台沿X、Y、Z轴移动以及绕X、Y轴转动的位移耦合规律,其中沿Z向运动引起的位移耦合最小,定位精度最高;沿X、Y向运动引起的位移耦合最大,对位移耦合影响较大的运动分支进行位移补偿.通过搭建的实验平台进行测试,将实验结果与有限元仿真和理论计算结果进行对比分析,结果基本一致,验证了该平台位移耦合分析方法的正确性.

液压挖掘机多功能属具电控策略的研究与应用

液压挖掘机除了最基本的挖掘装车作业外,最广泛的应用场景就是配置多功能属具,针对多功能属具的液控方案无法达到快速更换属具、传统电控方案在复合动作时动臂流量不足的问题,本文详细分析了挖掘机属具控制策略的不足的原因,优化设计了一套完善的电控控制策略,实验证明优化后的控制策略,在低压低流量设置时,动臂上升时的流量提升20%以上;在高压大流量设置时,属具流量提升30%以上,有效地解决了属具复合动作时的流量分配问题,大幅提升了整机的协调性和操作舒适性。

微纳传动系统的BP神经网络非线性控制

对微纳传动系统的动态特性进行了分析,将微纳定位平台简化成等效弹簧质量阻尼模型,应用拉格朗日方法,建立了定位平台的动力学模型。结合压电陶瓷驱动器(PZT)的电容特性,推导了微纳传动系统的总传递函数。利用BP神经网络的自学习、自适应及非线性逼近功能,对该微纳传动系统的PID参数进行在线自整定。结合PID控制简单、实现容易与鲁棒性强的优点,设计了BP神经网络PID(BPNN-PID)控制器,与传统PID控制相比,实现了更高的控制精度和更短的稳态时间,满足了微纳传动系统高精度与快速响应的要求。

微/纳米传动平台的模态试验及优化设计

微/纳米传动平台中,柔性机构的弹性势必导致平台高速、高加速带来的残余振动。采用拉格朗日方法,建立了平台的动力学模型,得到了平台前5阶固有频率的解析式;分析了平台固有频率与柔性板簧厚度、长度的相互关系,得到了固有频率随柔性板簧厚度、长度的变化规律。应用有限元方法,分别仿真得到了前6阶固有频率和模态阵型;以固有频率为优化目标,建立了平台的优化模型。采用动态测试系统,分别对优化前、后的平台进行了模态试验分析;通过对比分析,得到了提高平台动态性能的方法,且模态试验结果表明,调整柔性板簧厚度、长度的方法是有效的、可行的。

主挖力臂配比对主挖区界定及挖掘性能评价的影响研究

主挖区的挖掘性能是分析评价挖掘机性能的关键指标,其范围界定直接影响评价结果,而作业力臂又与作业范围和挖掘力性能密不可分。以某22 t反铲液压挖掘机为例,引入力臂系数的概念并基于力臂曲线和各机构传动比曲线,选取不同主挖力臂系数并以不同挖掘方式所引起的力臂变化为依据建立了主挖力臂配比方案。基于工作域图谱分析法和极限挖掘力模型,分别求解其理论挖掘力和限制因素来分析不同主挖区的挖掘性能。研究结果表明:对于作业范围,铲斗力臂主要影响其挖高和卸高,斗杆力臂主要影响其挖径,动臂力臂主要影响挖深和挖高。对于挖掘性能,增大某作业缸力臂会使得挖掘力增大,而相应的作业缸充分发挥比会减小;相反,增大某非作业缸力臂对挖掘力影响较小,但其作业缸充分发挥比会增大;斗杆力臂主要影响其平均挖掘力,而铲斗力臂主要影响其最大挖掘力。基于此,将对于斗杆挖掘以0.6∶0.8∶0.6的力臂系数配比、对于铲斗和复合挖掘以0.6∶0.8∶0.8的力臂系数配比方案所形成的主挖区作为各自挖掘方式的最佳挖掘性能主挖区。该研究提出了以主挖力臂系数的配比方式定义主挖区的方法,揭示了不同主挖力臂配比对挖掘性能的影响规律,为挖掘性能分析和工装优化提供了评判指标和参考方向。

基于HyperMesh的挖掘机消音器结构优化设计

针对某小型液压挖掘机消音器排气尾管断裂问题,运用HyperMesh对其进行模态分析,得到消音器前6阶模态振型,初步判断引起排气尾管断裂的模态振型。对排气尾管进行振动测试,通过频谱分析,其振动频率与消音器1阶频率接近,证明了有限元建模的准确性,并确定了排气尾管断裂的根本原因为消音器1阶频率与激励频率共振。对消音器进行谐响应分析,得到消音器刚度最弱位置与实际断裂位置一致,对消音器结构进行优化,避开发动机激励频率,解决了排气尾管与发动机激励共振问题。目前挖掘机已工作2000h以上,未发现消音器排气尾管开裂,证明了失效原因分析及改进方法的正确性。

基于噪声与CFD分析的挖掘机百叶窗设计

为了研究挖掘机百叶窗对整机噪声与散热效果的影响,利用CFD分析方法,分析百叶结构对进风量的影响,测试数据显示散热器表面平均风速增幅达6%,水散的表面风速增幅达6%,油散和中冷器的表面风速增幅均达5%,数据表明圆弧冲压式百叶进风量较折弯板式大,圆弧冲压式百叶窗更有利于提高散热器表面风速,增加风量从而提高散热性能,与CFD分析结果一致;百叶角度对冷却系统的散热性能和机外辐射噪声都有着至关重要的影响,百叶角度为30°时,风速最小,噪声值最大,随着百叶角度逐渐增大,风速越来越大,噪声值反而逐渐减小。当百叶角度为50°~75°时,风速基本不变,但机外噪声由大变小后变大,在60°达到最小噪音。通过测试对比圆弧冲压式百叶角度对机外辐射噪声与进风量的影响,确定了百叶最优角度的设计方案。热平衡及噪声测试结果表明,该方案使得热平衡水温降幅达3%,液压油温降幅达5%,中冷温度降幅达2%,同时机外辐射噪声降低1 d B。

声学与CFD分析用于小型挖掘机的噪声控制

针对某小型挖掘机辐射噪声较大的现状,应用频谱分析方法,识别主噪声源为发动机排气噪声。对原消声器进行了三维声场与流场分析,结果表明对100 Hz^160 Hz频段消声量明显不足。对三管迷路消声器进行了参数优化,分析了穿孔率、穿孔孔径、中间管管径及进气管插入深度等对传递损失的影响,穿孔率与穿孔孔径对传递损失影响不大,中间管管径越小、插入深度越大,中低频消声效果越好。实测结果表明,优化后消声器中低频消声量明显提高,与分析结果非常吻合,机外辐射噪声降低了3.1 d B(A)之多,且背压降低达86.1%。

液压挖掘机动力系统振动分析与控制

针对某挖掘机主泵剧烈振动问题,应用拉格朗日方程建立动力系统的动力学模型,得到动力系统的刚体模态频率,通过分析排除刚体模态共振的可能。利用有限元方法,对比分析法兰厚度、主泵重心至法兰距离对动力系统结构模态频率的影响,对关键参数进行识别和优化。对优化前后主泵振动进行对比测试,发现振动有效值降幅达75.7%,验证了理论建模、分析及测试方法的正确性。

挖掘机液压油箱振动耐久性验证与改进

履带式挖掘机在行走和作业工况下相较于其他轮式机械的振动情况更恶劣,其液压油箱作为典型的薄板箱体类零件,动态特性复杂,在恶劣的振动工况中容易发生开裂问题。基于频域等损伤理论的随机振动试验技术对新开发液压油箱的可靠性进行试验验证,暴露了样件的设计缺陷,采用试验和仿真结合的方式对该油箱进行失效分析,并针对失效原因,提出对油箱侧面进行冲凹处理的改进方案,有限元分析结果表明改进方案可行、有效。

挖掘机动力总成悬置系统隔振分析及优化

针对某型挖掘机怠速工况下出现动力总成晃动较大的现象,建立了动力总成悬置系统动力学模型.运用能量解耦方法,以悬置系统的动刚度为设计变量,以悬置系统的模态频率为约束条件,以主要激励方向的解耦率为优化目标,对动力总成悬置系统进行了优化.优化后系统的关键方向解耦率最大提高了20.2%.分别对优化前后的悬置系统进行了振动测试,结果显示优化后悬置系统的隔振性能有了明显提高.

液压挖掘机机外辐射噪声分析与改进

液压挖掘机噪声直接影响整机舒适性,也是打开欧洲市场大门的关键钥匙之一;本文分析了液压挖掘机的主要噪声源及形成机理,通过频谱分析与试验,识别与定位了噪声源;针对不同噪声源,提出了合理的噪声治理措施,试验结果表明,某液压挖掘机机外辐射噪声降低3.7dB(A),证明该方法实用有效。

挖掘机液压油箱应力分析和疲劳寿命预估

针对挖掘机液压油箱开裂问题,通过对液压油箱内部压力测试和表面应力测试,获得液压油箱内部压力和表面应力的关系,采用有限元对液压油箱进行应力分析和疲劳寿命预估,预估疲劳寿命与实际开裂时间吻合,确定液压油箱开裂的根本原因。以液压油箱表面应力和疲劳寿命为优化目标,对液压油箱结构进行优化改进,对比液压油箱改进前后应力和疲劳寿命:液压油箱应力由181.05MPa减小到72.31MPa,降幅达60.1%;最大变形量由6.55mm减小到为0.86mm,降幅达86.7%;预估疲劳寿命由2172h提高到28963h,提高13.3倍,表明加强液压油箱内部结构强度方法正确。

小型挖掘机驾驶室悬置系统动力学分析与振动控制

针对小型挖掘机行驶工况下驾驶室振动剧烈问题,建立了驾驶室悬置系统的动力学模型,获得了前6阶刚体模态及能量解耦率。通过多刚体动力学分析,仿真结果与理论计算相吻合;开发了减震器的优化设计程序,以第6阶模态频率及解耦率为优化目标,对减震器的动刚度进行了优化与改进,并对比了减震器改进前后悬置系统的振动特性;第6阶模态频率由21.13Hz提高为27.93Hz,振动加速度RMS值由0.497g降低为0.19g,降幅达61.7%,验证了建模与优化方法的正确性。

小型挖掘机散热系统布置与散热效率研究

小型挖掘机散热系统的散热效率直接影响其外形尺寸,对发动机舱的布局具有十分重要的作用。利用传热学理论,通过建立散热系统的热交换模型,从理论上建立了各结构参数与热平衡温度的量化关系,并确定了衡量散热效率的计算方法;对比分析了串联与并联散热系统的热平衡理论结果、试验结果。结果表明,两者最大偏差为1.9℃,且相比串联布置,并联散热系统的冷却液散热器、液压油散热器的散热效率分别提高了7.9%和6.0%,进一步验证了理论分析与设计方法的准确性。

液压挖掘机热管理系统建模与正向设计

液压挖掘机的散热性能直接影响整机的作业效率与使用寿命,热交换介质的热平衡温度是关键衡量指标。针对虚拟样机阶段难于准确评判散热性能的问题,利用传热学理论,建立了散热系统热交换的理论模型,通过热平衡试验标定了散热系统的热负荷、介质流量、进风温度等关键参数,结合MATLAB自主开发了GUI程序,获得了理论计算的各介质热平衡温度,与热平衡试验结果的最大偏差为2.0℃,在工程许可的5%误差范围以内,验证了热交换模型与正向设计方法的正确性。