新工科背景下轴系设计实验改革与实践

为了培养具有扎实理论基础、工程思维及自主解决问题能力的新工科人才,各高校积极推进新工科建设,实施课程体系改革和教学改革。西安交通大学机械设计基础教学团队基于传统的轴系设计实验,制定了实验改革原则,确定了实验改革目标、实验内容、教学方法及评价标准。为了进一步优化实验内容及环节,设置实验反馈问卷,收集学生实验详情及存在问题。根据学生后续实践项目的效果,新工科背景下综合性实验的设置已对学生在项目实施中产生了积极影响。

机械设计基础课程混合式教学运用思维导图的探索与实践

机械设计基础课程涉及的知识点多,知识面广,内容繁杂。为了便于学生认知和学习,在线课程每个视频围绕一两个知识点进行时长10分钟左右的讲解,加剧了课程内容的分散程度,使知识呈现更加碎片化,给学生的学习和掌握带来了困难。思维导图是一种信息化、可视化的学习工具,运用思维导图对机械设计基础课程线上线下混合式教学进行了初步探索与实践,以期能为相关教学工作者提供一些参考。

“双一流”背景下机械设计基础课程重建研究

机械设计基础是非常重要的一门专业核心基础课,按照“双一流”建设要求,对该课程进行了一系列教学改革。构建了以信息技术为支撑的课程体系,开展了以解决复杂工程问题为目标的综合性实验,探索实践了混合式教学新模式,融入了课程思政元素。课程改革措施的有效实施,构建了本课程的教学新生态,有效激发了学生的学习热情,引导并帮助学生展开自主学习,切实提升了教学质量。

双路闭环齿轮机构的装配条件及其设计计算

推导出了双路闭环齿轮机构装配条件的一般表达式。提出了设计这类机构的配角法，计算简捷，容易获得准确的传动比和机构的全部安装位置。文中还给出了此法的计算流程图，最后，还分析了文献［１］中四齿轮闭环机构（有缺口齿轮的齿轮机构）装配条件式的适用范围。

金属橡胶材料吸声性能的实验研究

本文制作了孔隙率范围尽可能大的几种吸声用金属橡胶试件;通过实验方法研究了金属橡胶材料的吸声性能;对比分析了材料孔隙率和背腔空气层对吸声性能的影响;采用自制的实验装置测量了材料的流阻,给出了流阻随材料孔隙率变化的规律。

面向高速工况的轴承材料成形工艺

针对高速工况下轴承巴氏合金耐温性能及机械性能偏低等问题,用公理设计理论研究了巴氏合金轴瓦成形新工艺。通过在锡基巴氏合金中添加微量Cu及对冷却速度的控制,改进了原有工艺。浇铸件的材料力学和摩擦磨损测试表明:使用新工艺后,巴氏合金材料的耐温性能、抗压缩性能和结合性能获得了增强,减摩抗磨性能得到了提高。在高速试验台上对新工艺轴承进行了初步试验考核,试验轴承运行平稳,各项指标满足高速工况的使用要求。

可倾瓦导轴承液膜力非线性指数模型及应用研究

针对高可靠性立式轴系可倾瓦导轴承的液膜力非线性问题,提出采用8系数8指数模型来综合表征非线性液膜力,同时采用8个函数表达静态平衡点附近局部运动的导轴承刚度和阻尼,指数的大小表征液膜力的非线性强弱。基于指数模型分析了不同静态平衡点和扰动量等运行参数以及支点系数、预负荷系数和间隙比等结构参数变化下的导轴承非线性刚度力指数和非线性刚度系数,提出了基于导轴承结构参数的液膜力非线性弱化原理,并针对核主泵四瓦水润滑导轴承给出了一种实现该原理的支点加弹簧的新型支点结构导轴承。结果表明:液膜力的非线性强弱与工作静态平衡点和扰动量相关,静态平衡点偏心距和扰动量越大,则非线性刚度力指数pm越大,非线性越强,而阻尼力可认为是线性的;预负荷系数对pm影响较大,而支点系数和间隙比对pm影响较小;通过支点组件刚度和预负荷系数的耦合调节,可以实现在保持导轴承线性刚度不变的同时降低导轴承液膜力的非线性指数。8系数8指数模型相比数值求解法和解析法能更加直观地反映液膜力的非线性程度。

自适应平衡梁轴承的均载能力及影响因素研究

针对高可靠性立式轴系可倾瓦推力轴承在轴线倾斜下的均载问题,研究自适应结构平衡梁支撑推力轴承的均载能力及影响因素;建立平衡梁组件的自适应动力学模型,给出轴线倾斜下考虑平衡梁弯曲变形的轴承系统耦合模型,并提出采用不均匀系数表征轴承的均载能力;基于模型分析工况参数和结构参数对轴承均载能力的影响,结果表明:平衡梁结构的均载能力并不是完全均载,轴承均载能力随着轴承载荷和轴线倾角的增大而减弱;推力瓦支点半径对轴承均载能力有较大影响,而连接圆柱体半径和下平衡梁支撑圆柱半径对瓦块载荷分布影响较小;对于立式轴系,合理控制轴线倾角可提高推力轴承的均载能力及轴系服役性能。

快变升速过程的端面密封性能试验研究

为考察端面密封在低黏度介质润滑条件下的特性,采用液氮介质模拟高速涡轮泵低黏介质润滑环境,通过对液氮介质润滑的端面密封进行2 s升速至2.9万转的快变升速过程以及120 s的稳定运行过程的试验研究,获得快变过程的端面温度、泄漏量、摩擦力、摩擦因数等各项密封性能数据。结果表明:随着转速增加,端面温升上升,液氮介质汽化出现两相现象,密封副处在干摩擦状态;当转速上升至24 000 r/min时密封泄漏量明显增加,但未超标;密封系统运转开始时,端面间干摩擦条件下的摩擦力较大,最大摩擦因数值为0.27,随着转速的逐渐增加,摩擦因数逐渐减小,最小摩擦因数为0.14。

巴氏合金材料浇铸工艺及质量检测的数据化研究

为使巴氏合金轴瓦浇铸的过程控制具有真实有效的科学决策依据,促进浇铸过程的标准化和规范化,在滑动轴承轴瓦浇铸中引入"数据化"概念。提取并分析巴氏合金浇铸环节中的数据,设计数据可观测、浇铸过程可控的浇铸系统;研究与轴承制造质量密切相关的数据,设计制造质量检测平台。

基于伪全息原理的立体影像展示机设计

基于伪全息原理设计并制作了一种立体影像展示机,可实现平面图像的立体展示效果。该展示机包括光学成像系统、机械运动系统和动力控制系统,具备成像、360°旋转、上下升降,以及收合等功能。该装置成像逼真、立体感强、原理及操作简单、成本低廉,可应用于需要展示立体模型的小班教学、产品发布与展示、会议报告及实验展示、博物馆等场合。

适用于高温阻抗管的修正传递函数法

为预测高温阻抗管中能否产生平面波进而使用传递函数法计算材料的吸声系数,对自制高温阻抗管内空气的温度场进行了数值仿真,利用仿真得到的温度场建立了阻抗管内声场分布的仿真模型;根据求解结果,将材料前端面至较远传声器之间的空气温度梯度近似为只有轴向温度梯度,求出了轴向温度梯度时的平面波解析解,进而对传递函数法进行了修正。通过某种多孔材料的吸声系数的仿真结果,验证了修正算法的正确性。修正与未修正算法的结果比较表明,当材料前端空气的轴向温度梯度较小时,其对吸声系数计算的影响可以忽略,从而扩宽了高温阻抗管的设计空间。

面向创新设计能力培养的机械设计基础实验教学改革探索

针对专业核心基础课程机械设计基础实验教学环节存在的项目简单、内容陈旧和考核单一等诸多问题,以实现对工程教育认证标准中十二条能力要求的支撑为基本原则,阐述近几年该课程实验教学面向创新设计能力培养的教学改革措施。从专业毕业要求和课程目标两方面进行达成度分解,加强实验项目的综合性、研究性和创新性,提出阶段目标驱动的多节点教学理念,采用基于项目制的探索导学互动式教学方法,实施过程评价和结果评价相结合,个人考核和团队考核相结合的指标化考核方法,并建立持续化改进流程。改革成效显著,学生的创新设计能力大幅提升,在大学生机械创新设计大赛中获奖数连续三届居全国第一。

圆柱螺旋弹簧的模糊优化设计与研究

将模糊优化方法应用于圆柱螺旋弹簧设计 ,建立了圆柱螺旋弹簧模糊优化设计的数学模型。求解该模型 ,可得到整体最优的结构设计方案 ,使弹簧在满足承载能力和强度要求条件下 ,可靠度最高、重量最轻。

创建新型生产实习基地 提高学生生产实践综合能力

"生产实习"是理工科院校对学生进行工程基本训练的重要教学环节,也是理工科专业的重要实践性教学环节之一。面对21世纪教育与教学改革的需要和新型人才培养的需要,本文总结了"机械工程及自动化专业"创建新型生产实习基地、提高学生生产实践综合能力的经验,并提出了提高生产实习实践性教学质量的途径。

弧面蜗杆传动的多目标优化设计

将多目标优化设计方法应用于弧面蜗杆传动设计 ,建立了弧面蜗杆传动多目标优化设计的数学模型 ;求解该模型 ,可得到整体最优的结构设计方案 ,使弧面蜗杆传动在满足承载能力及强度要求条件下 ,效率最高、体积最小、润滑条件最佳。

声子晶体板中低频完全禁带形成机理研究

针对固体基局域共振型声子晶体中难以出现100Hz以下的完全弹性波禁带问题,提出了一种新型声子晶体板,其结构由锥形复合散射体周期性阵列于一个二维二组元声子晶体板两边构成。采用有限元方法对其禁带特性和禁带形成机理进行理论研究,获得了声子晶体板中低频完全禁带的形成机理以及禁带调节规律。研究发现,不同形式的板波模态与对应的局域共振模态依据模态叠加原理相互耦合生成面内、面外两种禁带,二者叠加形成完全禁带;散射体振子的等效弹簧质量系统耦合是难以产生低频完全禁带的主要原因。研究结果表明：新型声子晶体板中散射体振子的等效弹簧质量系统可被引入的橡胶填充体解耦,致使面内、面外禁带分离;引入的锥形复合散射体可使相互分离的面内、面外禁带被同时单独调节至低频发生重叠,最终生成了一条频率范围为59~103Hz的低频完全禁带。研究结果和结论可将声子晶体应用于工程结构低频减振中。

自仿射接触点及其在分形接触理论中的应用

为了深入研究分形方法在接触理论中的应用,利用数值模拟实验研究了分形粗糙表面的接触机理,并提出了自仿射接触点的概念。该概念充分利用分形函数自仿射的优点,改善了传统分形接触理论中微凸体不满足分形特性的缺陷,去除了接触理论中微凸体相互作用无法考虑等假设。将自仿射概念应用于分形接触理论中,建立了新的接触模型。模型基于粗糙表面均为各向同性的无润滑表面且可以利用W-M函数模拟的假设,利用接触中接触点最大变形量与接触面积的关系,对分形接触模型进行修正,得到更符合实际情况的分形接触理论。与经典的统计及分形接触模型进行对比,结果表明:G-W模型是一个弹性模型,较少考虑塑性接触,因此G-W模型在整体上会低估粗糙表面的接触压力;M-B模型利用单个余弦函数模拟微凸体,得到的最大接触变形量偏小,且微凸体尺寸分布函数的使用也不准确,M-B模型高估了接触压力;提出的基于自仿射接触点的分形接触模型利用自仿射接触点代替微凸体进行理论推导,能更准确地计算出接触压力;在相同的接触面积下,粗糙表面分形维数越大或分形特征尺度越小,接触压力越小。

基于复合交换存取的立体停车装置设计

我国私家车日益增长与现有停车位数量有限的矛盾越发突出,造成车辆无处停放、随意停放的问题日益增多。该文设计了一种采用跨越梳齿与下行托举复合交换存取的单排可扩展新型立体停车装置,实现了现有小区车位高层空间的充分利用。该装置主要分为二层车位、搬运器和三层车位,在一侧设有入口升降装置,搬运器经平移后在车位处实现车辆的存取。本项目小组创新地设计了机械式自锁自解挂钩,制作了一套按比例缩小的立体停车模型。用户根据本装置进行泊车可大大提高停车空间利用率,通过软件可快速搜寻到空车位,提高了停车效率。

熔断器撞击器冲击实验研究

为了研究熔断器撞击器撞击负荷开关、触发其脱扣分闸的机械性能,文中设计了一套摆锤式冲击能量测试分析系统。基于质点系的动量矩定理,提出了一种利用动量矩分析其冲击特性的新方法:在熔断器撞击器燃弧释放的瞬间,以高采样频率获取瞬时冲击力—时间响应数据,截取有效数据段进行数值积分运算,由此获得撞击瞬间释放能量的时间、行程和冲击能量。通过与传统实验方法计算数据的对比,发现撞击过程中测试系统的能量损失对文中所用测试分析方法的影响较小,极大地提高了熔断器撞击器撞击过程定量分析的精确性。该实验和分析方法简单快捷,对解决低冲击能量的精确计算问题具有指导意义,也可作为熔断器研发的借鉴。