基于PCA/PSO的3T1R并联机构性能优化

根据少自由度并联机构应用广泛的优点,提出了一种3T1R并联机构,该机构具有构型简单、结构对称、定位精度高等特点,可应用于小范围的精密操作,或者是大范围的搬运、分拣以及喷涂等领域。基于方位特征方程的拓扑分析理论,对该并联机构完成了自由度种类以及数目的分析与验证;基于闭环矢量法完成了运动学模型建立,并通过位置正逆解算例验证了运动学的合理性。基于位置逆解方程利用极限边界搜索法分析了3T1R并联机构可达工作空间;通过速度分析建立了速度雅可比矩阵,并根据该矩阵分析机构的定位精度与可操作度性能指标。利用主成分分析(PCA)与粒子群算法(PSO)对3个性能指标进行优化设计,并对优化结果进行了分析,最终优化后可达工作空间体积从0.2933m3提高到0.4231m3,定位精度误差放大因子从15.5044减小至4.4308,可操作度指数从9.7027减小至1.3996。

基于NSGA-Ⅲ算法的采煤机滚筒优化设计及系统开发

为了提高采煤机滚筒的工作性能和设计效率,综合考虑采煤机滚筒尺寸约束关系及性能指标,提出了以装煤效率、截割比能耗和载荷波动为优化目标,叶片厚度、叶片螺旋升角、叶片头数、同一截线上的齿数和截齿安装角为优化变量的采煤机滚筒优化模型。采用NSGA-Ⅲ算法对提出的有约束多目标采煤机滚筒优化模型进行寻优,利用MATLAB开发了采煤机滚筒优化设计系统,以某公司截割实验的煤岩参数、工况条件为输入,通过采煤机滚筒优化设计系统得到滚筒最佳设计方案,该滚筒相对于MG500/1130WD采煤机滚筒,装煤能力提高了12.7%、截割比能耗降低了8.0%、载荷波动系数减小了20%。结合CAD技术以及初始图形交换规范(IGES)形成了完整的采煤机滚筒三维虚拟模型。

橡胶输送带恢复力模型辨识与参数预测

橡胶输送带恢复力模型辨识及其参数识别是研究输送带迟滞能耗的关键问题。提出采用高斯函数描述恢复力模型,并采用理论与实验研究相结合的方法分析和验证了高斯函数描述恢复力的可行性及准确性;以实验数据和拟合数据为训练样本,采用经果蝇算法优化后的RBF神经网络对不同激励下恢复力模型系数进行预测,再通过实验对预测结果的准确性进行了验证。

带式输送机输送带带内应力分布特性分析

为研究输送带在过渡段等处横截面上的应力分布情况,采用电子万能试验拉伸机分析了输送带应力应变之间的关系,运用万能摩擦磨损试验机得出摩擦因数,结合理论分析建立带式输送机刚柔耦合动力学模型并进行仿真。通过试验得到了钢丝绳芯橡胶输送带的应力-应变迟滞回线,发现了应力与应变之间的关系,并在此基础上计算出ST1600型输送带仿真所需要的弹性模量等材料参数。基于试验算得的参数,通过仿真得到槽型托辊支撑处输送带横截面上的应力近似呈梯形分布,应力从中间向两边逐渐减小;滚筒处输送带应力分布大致呈抛物线形分布,输送带中间部分应力分布最大;过渡段应力分布具有"W"形分布特点。

工况激励下采煤机7自由度非线性振动分析

为了研究采煤机牵引速度对其动力学特性的影响,采用截齿三向力描述采煤机滚筒截割激励,采用赫兹接触理论描述采煤机平滑靴支撑刚度与阻尼,采用间隙条件下齿轮啮合非线性模型描述采煤机导向滑靴与销排间支撑刚度与阻尼,根据拉格朗日动力学方程建立了采煤机整机7自由度动力学模型,采用数值求解方法求解了不同牵引速度下整机的振动特性,结果表明:随牵引速度的增大,对后滚筒的振动位移影响较大,对机身影响较小;机身Y轴方向振动摆角相对较为明显。

随机激励下采煤机行走方向的振动特性分析

采用理论分析与试验相结合的方法研究了采煤机在行走方向上的振动特性。分析了采煤机工作过程中的滚筒随机截割载荷、行走非线性驱动载荷、摩擦载荷,再以这3个载荷作为工况激励,建立了采煤机5自由度非线性振动方程,分析了采煤机行走方向的振动特性。结果表明:采煤机各部件刚度和质量值较大,摇臂和机身的振动特性较为相似;当行走速度为3~6 m/min时,随着行走速度的增加,整机响应振幅随之变大;由相图和庞加莱映射反映出整机振动处于混沌状态。对采煤机振动特性进行了现场试验,试验测得的机身振动加速度有效值为171.83 mm/s2,接近仿真值(156.06 mm/s2),表明采煤机的非线性模型在一定程度上可以视为是准确的。

基于弹-塑-断裂理论的镐型截齿截割机理研究与实验验证

为研究镐型截齿在截割煤岩过程中的截割机理,建立镐型截齿外轮廓的数学模型,基于弹性力学、塑性力学和断裂力学等理论,提出了煤岩截齿截割力作用下发生弹-塑-断裂失稳理论模型,以此来描述截齿截割煤岩机理,并依据理论模型分别推导出煤岩在弹性变形、塑性变形和断裂失稳状态下截齿截割力以及煤岩应力表达式。最后采用自主搭建实验设备进行不同截割倾角的镐型截齿截割煤岩实验,实验结果表明:煤岩在截齿截割力作用过程中,随着截齿截割深度的增加,截齿与煤岩的接触面积逐步增大,煤岩存在弹性变形阶段、塑性变形阶段以及断裂失稳阶段并与理论模型相符;截割倾角为90°、75°、60°时,截齿截割阻力理论值与实验值的均方根误差分别为0.082 kN、0.199 kN、0.204 kN,理论值与实验值相差较小,验证理论模型的正确性。

一种强迫激励下的弦线模型振动分析与求解

为研究随机载荷下输送带工作过程中的振动规律,采用强迫弦线理论构建了输送带随机强迫振动模型,推导了输送带在初始时刻的数学边界条件,建立了输送带两侧支撑托辊因偏心而产生的强迫激励,以及因输送带上物料随机分布产生的横向负载激励,采用叠加原理、分离变量法推导了模型的解析解,最后对输送带的振动特性进行数值分析,并利用分析结果验证了模型解析解的正确性,研究结果为带式输送机的动态可靠性设计提供了依据.

钢丝绳芯橡胶输送带广义本构模型建立与实验验证

从钢丝绳芯橡胶输送带所具有的钢丝绳和橡胶双重物理特性出发,通过将钢丝绳芯和橡胶覆盖层本构模型的组合来获得输送带整体的本构模型。采用Kelvin模型描述钢丝绳芯的本构模型,采用标准固体模型描述覆盖层橡胶的本构模型,通过将一个标准固体模型与多个Kelvin模型进行并联叠加组合推导了简谐应变下输送带的应力表达式,构建了输送带的广义本构数学模型。分别对钢丝绳芯和橡胶基体进行了动应变加载实验,获取了两者的本构模型参数,再利用广义本构模型对输送带的粘弹性力学特性进行预测。最后对输送带进行了动应变加载实验,并将实验结果与广义本构模型计算结果进行了对比。结果表明,通过计算钢丝绳芯的本构模型参数、覆盖层橡胶的本构模型参数及钢丝绳与橡胶覆盖层的体积比,能够较为准确的描述输送带的粘弹性力学行为,所建立的广义本构模型具有较高的精度。

采煤机整机非线性静力学特性研究

为研究大跨度、过约束条件下采煤机支撑滑靴受力特点,考虑采煤机倾角及俯仰角等因素影响,构建了18个载荷下的采煤机整机静力学模型,针对模型系数矩阵的不确定性,提出采用改进凝聚函数对采煤机静力学方程的绝对值系数矩阵进行了处理,获取修正后的光滑非线性方程组,将截割实验下的滚筒三向力载荷作为输入激励代入到静力学方程中,再利用Levenberg-Marguardt算法对方程组进行求解,得到各滑靴受力的理论计算值,并与实际测量值进行比较,误差范围在10%以内,验证了理论模型的正确性。采用控制变量法分别改变采煤机倾角和俯仰角的取值,研究采煤机倾角和俯仰角变化对采煤机各滑靴受力的影响。研究结果表明:采煤机倾角变化对前后导向滑靴侧推力影响较大,对前后导向滑靴以及平滑靴支撑力影响较小;采煤机倾角变化对各滑靴受力均有一定的影响,且受力变化呈近似线性关系。

基于各向正交异性薄板模型的钢丝绳芯输送带弯曲振动特性分析

基于各向正交异性薄板的小挠度理论,首先建立了钢丝绳芯橡胶输送带上下分支横向自由振动模型,采用经典解法建立了下分支输送带SFSF边界模型、上分支槽型输送带底部SCSC、侧帮SFSC边界模型的解析解,其次采用胡拜尔(Huber)近似推导公式计算了钢丝绳芯输送带的主刚度,最后采用数值分析法对输送机的上、下分支输送带的前6阶固有频率、振型,以及固有频率随张力的变化规律进行了分析。结果表明:上、下分支输送带的固有频率随着带张力的增加而增加,且张力对下分支输送带的频率影响最大,对上分支输送带底边的固有频率影响较小,研究结果为输送带的弯曲振动响应及避免共振设计提供了依据。

基于滚筒载荷的采煤机滑靴振动分析及实验验证

为了研究采煤机滑靴的振动特性,对采煤机整机进行动力学建模分析。首先,根据采煤机部件的功能,将采煤机划分成前、后滚筒,前、后摇臂,机身,前、后导向滑靴和前、后平滑靴等9个部分;然后,基于拉格朗日法构建了采煤机三向耦合动力学模型;接着,对所构建的动力学模型的坐标耦合问题进行分析,并采用Wilson-θ算法对动力学模型进行仿真求解;最后,通过采煤机振动实验获取了滑靴的三向振动加速度,并与仿真结果进行对比。结果表明:通过仿真与实验获得的滑靴振动加速度的中位数均集中在平衡位置“0 m/s^(2)”处,但仿真结果的四分位数全距大于实验结果,即仿真结果相对发散,而实验结果更为聚集;仿真结果与实验结果的相关系数均大于0.3,呈实相关,其中部分数据的相关系数大于0.5,呈显著相关;在仿真结果与实验结果的P值直方图中,各组数据的P值均大于0.05,说明在95%置信区间内,仿真结果与实验结果无显著差异,表明仿真结果可以近似代替实验结果,具有一定的准确性和实用性。研究结果可为采煤机滑靴的故障诊断、结构优化以及疲劳寿命分析提供理论依据。

多约束条件下采煤机摇臂横向振动分析及试验验证

摇臂是采煤机的关键执行部件,起调节滚筒截割煤岩高度的作用,其在复杂工况环境下会产生强烈的振动。为了研究采煤机摇臂的横向振动特性,首先,对采煤机摇臂及其连接件进行理论建模,建模时将摇臂简化成梁模型、滚筒简化成集中质量块、小摇臂简化成刚性杆以及调高油缸简化成弹簧阻尼系统;然后,根据欧拉-伯努利梁理论构建采煤机摇臂横向振动微分方程,并基于等效替换原则构建其约束方程;接着,利用谐波函数法对采煤机摇臂的横向振动微分方程进行求解,得到其各阶模态的固有频率解析式;最后,利用采煤机模型进行摇臂模态试验,并与理论计算结果进行对比验证。结果表明:基于理论模型计算得到的摇臂前6阶模态的固有频率为1 129,7 036,7 118,17 756,19 800和30 100 Hz,通过试验测得的摇臂前6阶模态的固有频率为1 078,6 268,6 310,15 886,18 938和27 714 Hz;计算值相对于试验值的误差分别为4.73%,12.25%,12.81%,11.77%,4.55%和8.61%,均小于15%,在合理误差范围内。研究结果表明,所建立的采煤机摇臂横向振动模型具有一定准确性和实用性,可为采煤机摇臂的结构优化提供理论支撑。

光滑凝聚函数小波算法在采煤机截齿载荷去噪中的应用

针对采煤机截齿载荷中含有噪声问题,提出了基于一种光滑凝聚函数的小波去噪算法,为了更全面地评估去噪效果,构建了综合评价指标。依据截齿载荷信号特点,选取含有噪声的Blocks、Bumps和Leleccum作为测试信号。采用本文方法对测试信号进行去噪处理,经综合评价得到sym5小波基3层分解时去噪效果最佳,并通过横向与软、硬阈值小波去噪算法对比。结果表明:本文方法对应Blocks、Bumps以及Leleccum信号综合评价指标S分别为0.31、021和0.15,相比与传统方法去噪效果提升了0.02~0.09,最后将本文方法应用到截齿载荷信号去噪中,并取得了良好的效果。

2PPaPaR并联机构性能分析及优化设计

提出了一种新型的四自由度3T1R并联机构——2PPaPaR并联机构,该机构具有结构简单、构型对称、工作空间大、定位精度高、灵巧度好等特点,可广泛应用于分拣、搬运以及包装等操作中。基于螺旋理论验证了该机构自由度的数目和种类,通过对其构型进行分析,基于闭环矢量法求得运动学正逆解模型,并利用正逆解算例进行了验证,以运动学逆解作为约束条件,基于数值法计算出该并联机构的工作空间。对机构的输入和输出速度特性进行分析,建立了机构雅可比矩阵,并基于此分析了该机构的奇异位形,给出了几种典型的奇异构型。以可达工作空间、定位精度和可操作度三种性能评价指标为目标函数,采用粒子群算法对机构几何尺寸参数进行优化设计,对比发现,优化后机构的运动性能有了明显的提高,从而为后续样机搭建提供了参考。

多激励下采煤机在行走平面内的非线性振动特性分析

提出以随机分布的煤岩单轴抗压强度为输入,采用锋利截齿截割阻力方程描述采煤机截割激励,采用间隙条件下齿轮啮合非线性模型描述采煤机驱动轮与销排间行走激励,采用库伦摩擦模型描述采煤机平滑靴、导向滑靴与刮板机间的摩擦激励,再根据拉格朗日动力学方程建立了采煤机7自由度非线性振动模型。利用Newmar k-β法对方程进行了求解,分析了当行走速度为4 m/min,行走驱动轮与销排间隙为6 mm时,采煤机在行走平面内的振动特性,结果表明:行走部和机身的振动特性较为相似,但行走部的振动量小于机身;两个滚筒振动量较大,且右侧滚筒振动量大于左侧滚筒;机身和滚筒的振动相图、庞加莱映射表明采煤机工作过程中处于混沌振动状态。对采煤机振动特性进行了现场实验,实验测得的机身振动加速度有效值接为171.83mm/s^2,接近仿真值(153.06 mm/s^2),实验结果表明采煤机机的非线性模型在一定程度上可以视为准确的。

钢丝绳橡胶输送带混合本构模型及动力学参数变化规律分析

钢丝绳橡胶输送带是由钢丝绳芯和橡胶覆盖层组成的复合材料,其动力学参数的确定是研究带式输送机动态特性的关键问题,首先提出由钢丝绳广义Maxwell模型和橡胶基体三元件固体模型并联组合得钢丝绳芯橡胶输送带的混合本构模型,采用粘弹性理论建立动应变作用下混合本构模型方程,推导应力解析解,再采用反演变换法建立本构动力学参数的辨识模型,然后对不同位移、频率加载条件下钢丝绳、橡胶基体进行了动态加载实验与本构模型参数识别,并采用多项式对参数进行了拟合,揭示了不同加载条件下动力学参数的变化规律,最后通过实验对动力学参数拟合公式的准确性进行了验证。