含夹矸煤层条件下采煤机螺旋滚筒优化设计

采煤机截割夹矸煤层时,螺旋滚筒易失效。为提高螺旋滚筒的可靠性,基于刚柔耦合技术、灵敏度设计理论和相关失效性理论进行优化设计;基于破煤机理,对螺旋滚筒的瞬时负载进行数值模拟,建立采煤机刚柔耦合虚拟样机联合仿真模型,通过刚柔耦合虚拟样机仿真获得螺旋滚筒的薄弱区域、应力和振动性能指标;结合可靠性灵敏度理论,分析了关键零件的应力可靠度、振幅可靠度及其动态与渐变灵敏度结果;基于相关失效性理论,得到了螺旋滚筒相关多失效模式可靠度及螺旋滚筒设计变量的可靠性灵敏度,建立改进遗传算法对螺旋滚筒进行可靠性优化设计。结果表明,滚筒综合可靠度由0.888 5提高到0.977 5。优化后的螺旋滚筒设计变量灵敏度绝对值均降低,综合可靠性得到提升。将刚柔耦合技术、可靠性灵敏度设计理论和相关失效性理论相结合,提出一种适用于含夹矸煤层的采煤机螺旋滚筒优化设计方法,为设计高效螺旋滚筒提供了一种有效途径。

刚柔耦合仿生机器鱼传动轴动态疲劳可靠性分析

仿生机器鱼在水下工作时受载复杂,仿生机器鱼结构的可靠性对其综合性能有着重要的影响。基于扑翼推进理论,利用Matlab软件分析机器鱼尾鳍的瞬时负载。结合虚拟样机技术,建立以尾鳍传动轴为模态中性文件的仿生机器鱼刚柔耦合虚拟样机模型,分析确定传动轴的薄弱环节,结合随机载荷疲劳可靠性理论,构建以损伤量为指标的疲劳可靠度分析方法,得到了不同应力循环次数下的疲劳可靠度规律。将刚柔耦合虚拟样机技术与扑翼推进理论和随机载荷疲劳可靠性理论相结合,提出一种应用于水下仿生机器人的动态可靠性设计方法。

卓越工程师背景下的机械专业毕业设计教学改革与实践

机械专业的毕业设计是专业培养计划中最后一个教学实践环节,也是培养学生工程实践能力、融合创新能力、应用理论能力的重要环节。文章针对机械专业毕业设计的教学改革背景进行了分析,提出了实施方案。基于产教融合,建议建立三指导教师制度,通过加强过程管理,提高指导教师的综合能力,建立可持续循环的毕业设计教学改革监控机制,形成产教融合的毕业设计培养和过程管理机制,提高毕业设计质量和学生解决工程问题的能力,达到培养“卓越工程师”的教学目的。

具备航空特色的“画法几何及机械制图”课程教学改革

“画法几何及机械制图”作为机械相关专业的重要课程,具有强理论、重实践能力的特点,对培养具备航空特色的高级应用型人才具有重要的作用。从教材建设、教师教研水平、构建新的课程内容体系、课程思政、以赛促教、产教融合和科研反哺教学等方面入手,以学生为中心,以航空工业领域典型零部件为例进行案例式教学,建立持续可循环的课程建设计划,增强学生机械制图工程实践能力,为航空工业领域培养高级应用型人才提供了新的思路。

复杂煤层采煤机螺旋滚筒渐变可靠性设计

为实现采煤机螺旋滚筒在复杂煤层赋存条件下综合性能最优,以"MG400/951-WD"型号采煤机为研究对象,基于破煤理论,利用Matlab得到了含坚硬夹矸及(或)硫化铁结核的复杂煤层赋存条件下螺旋滚筒截齿载荷,结合刚柔耦合虚拟样机技术建立以螺旋滚筒为柔性件的采煤机刚柔耦合虚拟样机模型,仿真发现了采煤机薄弱环节;结合EDEM离散元技术得到采煤机装煤性能。基于可靠性灵敏度设计理论、可靠性稳健设计理论和性能退化理论,分析了螺旋滚筒设计变量对渐变可靠性灵敏度的影响,构建了螺旋滚筒多目标优化设计评价函数,利用改进粒子群算法,得到设计变量最优解。结果表明,优化后的螺旋滚筒最大应力下降,装煤率提高,螺旋滚筒综合性能得到提升,可靠性得到提高。将刚柔耦合虚拟样机技术与可靠性灵敏度设计理论、可靠性稳健设计理论、性能退化理论和改进粒子群算法相结合,为采掘机械设备的可靠性分析与设计提供理论方法和数据支撑,具有普适性。

采煤机扭矩轴断裂特性数值模拟

作为保护采煤机关键零部件的扭矩轴,其断裂特性对采煤机的可靠性与使用寿命有重大影响。建立采煤机刚柔虚拟样机耦合模型,结合实际工况,基于项目组开发的采煤机载荷模拟程序计算获得了采煤机滚筒的载荷文件,通过ADAMS仿真得到了扭矩轴的最大剪切应力及时刻。建立引入裂纹后的扭矩轴有限元模型,结合断裂力学,应用微动疲劳与三维裂纹扩展分析软件FRANC3D对扭矩轴进行断裂特性数值模拟,得到了扭矩轴裂纹前缘应力强度因子,对其进行裂纹扩展分析,结果表明裂纹前缘应力强度因子随着裂纹扩展步数的增加而增加,疲劳寿命为2.185 8×10~5次。将虚拟样机技术与断裂力学相结合,为机械设备中零部件设计与研究提供了新的技术与数据支持。

纵轴式掘进机截割头辅助设计软件开发及应用

基于煤岩截割机理及截割头设计理论,采用MATLAB与EXCEL开发纵轴式掘进机截割头辅助设计及载荷计算软件。该软件可绘制截齿排列图、载荷图以及切屑图,同时生成载荷TXT文本,为截割头参数化建模以及掘进机动态仿真提供数据。使用该软件可快捷研究各个设计参数对掘进机截割性能的影响,找到最优的截割头设计方案。以EBZ220型掘进机截割头的设计为工程对象,以截割比能耗最低为目标,找到最适合该型号掘进机的截割头设计参数,生成截齿排列均匀、结构合理的截割头实体模型。为纵轴式掘进机截割头设计提供了一种新的方法,具有重要的理论意义及工程应用价值。

基于VP-MFC的采煤机摇臂系统齿轮性能退化可靠性分析

齿轮作为采煤机摇臂系统的关键零件,其性能退化对采煤机的工作可靠性有着重要影响。建立了采煤机摇臂系统的刚柔耦合虚拟样机(VP)模型,基于仿真结果,计算得到温度载荷,应用ANSYS对摇臂系统的薄弱齿轮副进行多场耦合(MFC)分析,得到了齿轮的温度场及结构场云图。建立引入裂纹后的齿轮有限元模型,利用FRANC3D对其进行断裂裂纹扩展数值模拟,得到了齿轮的裂纹前缘应力强度因子、扩展轨迹与疲劳寿命。提出以齿轮的裂纹扩展疲劳寿命和可靠度为退化指标的定量评估方法,结果表明齿轮性能退化成指数分布。将虚拟样机、多场耦合与断裂力学相结合,为齿轮性能退化可靠性研究提供了新的方法。

基于遗传算法的采煤机螺旋滚筒多目标优化设计

为实现采煤机螺旋滚筒截煤和装煤时综合性能最优,基于虚拟样机技术和离散元理论,得到了滚筒各截割性能指标与装煤率随不同结构及运动参数的变化规律,依据机械优化设计理论建立了各性能指标的评价函数。选取螺旋升角、截线距、转速和牵引速度为设计变量,建立了以不同性能指标为分目标的多目标优化模型,利用遗传算法求解得到了最优的结构参数和运动参数。结果表明,利用遗传算法优化后滚筒的最大切削面积增大247mm2,截割比能耗减小0.014kW·h/m3,截割功率减小10.8kW,截割阻力减小7 085kN,装煤率提高1.7%,有效地提升了滚筒的综合性能。研究结果为滚筒结构参数和运动参数的选取提供了数据支撑,具有一定的工程应用价值。

采煤机螺旋滚筒振动可靠性分析

为研究某型采煤机螺旋滚筒振动可靠性,根据实际工况模拟螺旋滚筒的瞬时冲击载荷,建立螺旋滚筒的有限元模型,对其进行振动模态分析,识别出主要模态参数和振型规律,发现截齿部位振动变形明显;建立了螺旋滚筒共振失效准则,结合可靠性灵敏度分析理论和BP神经网络,得到了滚筒结构参数,振动可靠性灵敏度,分析结构参数对振动可靠性的影响。结果表明,螺旋滚筒振动可靠度为0.999549。基于共振失效准则,将协同仿真技术与BP神经网络和可靠性灵敏度分析理论相结合,为采煤机螺旋滚筒的振动特性分析与结构设计提供理论方法和数据支撑。

基于神经网络的采煤机截割部可靠性研究

滚筒是采煤机截煤时的主要工作机构,其结构参数及运动参数会直接影响采煤机的工作效率及工作可靠性。基于虚拟样机技术建立了采煤机刚柔耦合模型,通过动力学仿真获得采煤机关键零件等效应力值;仿真不同滚筒转速、牵引速度、滚筒螺旋升角及截线距下截割部摇臂壳体及行星架的等效应力值,获得了滚筒结构、运动参数对采煤机截割部关键零件可靠性的影响趋势;结合神经网络技术,以不同滚筒结构、运动参数下采煤机关键零件的等效应力值作为神经网络训练样本,对螺旋升角优化设计,获得在关键零件应力值最小时的滚筒螺旋升角。该研究为滚筒结构、运动参数的选取提供更为准确的理论依据,具有一定的工程应用价值。

采煤机螺旋滚筒动态截割过程研究

为研究采煤机螺旋滚筒动态截割过程动力传递规律,基于相似理论建立螺旋滚筒模型与原型的相似准则,确定了模拟螺旋滚筒结构参数、运动学参数及截割材料特性参数,应用三维实体建模软件Pro/E、离散元分析软件EDEM联合仿真分析验证原型滚筒和模型滚筒动态截割过程中煤颗粒运动轨迹、量变规律、滚筒装煤率、滚筒载荷等性能。验证结果表明:原型滚筒和模型滚筒在截割过程中煤颗粒流动轨迹一致,截落的煤分布规律相似,载荷波动规律一致,滚筒装煤率预测误差1.82%,载荷数值误差小于2.1%,装煤率和载荷均值均满足推导的相似关系,验证了螺旋滚筒相似准则正确性。

基于遗传算法的掘进机截割头多目标优化设计

为提高掘进机的动态可靠性,基于虚拟样机技术建立掘进机刚柔耦合模型,对不同截割头结构参数下的回转台进行动态可靠性分析,依据机械优化设计理论建立以螺旋升角、半锥角和截线距为设计变量,以回转台最大等效应力的极小值为目标函数的评价函数,利用遗传算法得到最优的截割头结构参数。基于截割生产率和回转台应力对横摆速度进行多目标纵轴优化,得到了最优的横摆速度。结果表明,经过两次优化后,回转台最大应力值降低了18.495 MPa,疲劳寿命由3.067×10~4次提高到3.326×10~6次,生产率提高了18.6 t/h,预测误差均小于1.3%,满足设计要求。为截割头结构参数和运动参数的选取提供了数据支撑,为重型复杂机械设备优化设计提供了一种新的方法。

采煤机螺旋滚筒装煤性能优化

螺旋滚筒是采煤机截割煤岩的直接机构,螺旋滚筒几何参数和截割策略的优化设计对提高滚筒装煤性能有重要影响。现有基于有限元和二维离散元法的螺旋滚筒优化设计大多基于单一或部分因素,未综合考虑多设计变量对螺旋滚筒装煤性能的影响,难以同时得到几何参数及运动学参数最优解。针对该问题,基于煤的物理力学特性参数测试结果,利用离散元分析软件EDEM构建采煤机螺旋滚筒截割煤壁耦合模型,对采煤机螺旋滚筒的装煤性能进行数值模拟,采用单因素法分析了螺旋滚筒螺旋升角、直径、筒毂直径、截割深度、转速及牵引速度对装煤性能的影响;基于离散元分析结果设计螺旋滚筒三因素三水平正交试验,通过极差分析得出几何参数中滚筒直径、筒毂直径、螺旋升角,运动学参数中截割深度、滚筒转速、牵引速度对螺旋滚筒装煤性能的影响依次减小;根据正交试验结果得出螺旋滚筒最优几何参数方案为13°螺旋升角、1 300 mm滚筒直径、475 mm筒毂直径,最优截割策略为600 mm截割深度、58 r/min滚筒转速、8 m/min牵引速度,最优参数下螺旋滚筒装煤率为76.39%,较优化前提高了15.82%。

MG 400/951型采煤机截割部行星架时变可靠性分析

截割部行星架作为采煤机的关键零件,其时变可靠性对采煤机的综合性能有着重要的影响。基于Pro/E建立以截割部行星架为模态中性文件的采煤机刚柔耦合模型,研究截割部行星架的动力学性能,获得了截割部行星架薄弱区域和动态应力。基于Matlab获得了截割部行星架薄弱区域三参数威布尔分布的概率密度函数,利用Kstest函数验证其拟合的合理性。依据疲劳寿命可靠性理论,建立了截割部行星架疲劳寿命可靠性模型,计算得到基于Copula函数的截割部行星架多薄弱区域时变可靠度由0.9362呈指数退化趋势,直至截割部行星架失效,结合可靠性灵敏度设计理论分析了截割部行星架多薄弱区域设计变量对其时变可靠性的影响程度,为截割部行星架的研究提供了理论基础和准确的数据支撑。

采煤机截割部电机扭矩轴断裂可靠性分析

扭矩轴是联接电机和传动系统的关键零件,采煤机受载过大时,扭矩轴在卸荷槽处折断以保护采煤机截割部。结合采煤机工况,利用ADAMS和ANSYS对扭矩轴进行分析,得到了扭矩轴最大剪切应力值、时刻和位置。基于刚柔耦合仿真结果,分析得到了扭矩轴Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型应力强度因子。基于可靠性理论,构建以应力强度因子-材料断裂韧度干涉公式,得到扭矩轴的断裂可靠度和断裂疲劳寿命可靠度。

仿生虎鲸负载特性数值模拟及可靠性灵敏度分析

仿生虎鲸作为仿生机器鱼的一种,在海洋开发和科学考察研究中具有重要的作用。基于扑翼运动原理,对仿生虎鲸的运动机理进行分析,利用Matlab对其瞬时负载进行了数值模拟。基于应力-强度干涉理论,建立了仿生虎鲸直行和转弯运动负载可靠性分析的状态函数,计算得到了仿生虎鲸直行和转弯运动负载的可靠性指标和可靠度,结合可靠性灵敏度分析理论,得到了仿生虎鲸运动负载的设计参数的无量纲化灵敏度,分析了设计参数对可靠性的影响程度。为在以扑翼理论为推进器的仿生水下机器人设计研究和优化设计领域提供了理论基础、准确的数据支撑和一种有效的数值计算方法,具有重要的实际工程意义。

仿生虎鲸瞬时负载数值模拟

仿生虎鲸作为仿生机器鱼的一类,在海洋开发和科学考察研究中具有重要的作用。基于扑翼运动原理,以鱼类推进方式设计的仿生虎鲸,其受载具有非线性、时变性和强耦合性,通过对仿生虎鲸在水中直行和转弯运动工况的分析,建立仿生虎鲸的受力模型;基于Matlab进行了仿生虎鲸的瞬时负载数值模拟,生成了仿生虎鲸瞬时负载数值模拟的文本文件,并利用Adams样条曲线函数成功实现了将瞬时负载导入仿生虎鲸的虚拟样机刚柔耦合模型中,为定性定量的分析仿生虎鲸虚拟样机刚柔耦合可靠性提供了方法与条件。结果表明,Matlab能准确的模拟仿生虎鲸瞬时负载的周期性变化,为仿生虎鲸的可靠性研究提供了明确的量化数据。

基于改进量子进化算法的仿生机器鱼渐变可靠性优化设计

为提高仿生机器鱼的工作可靠性,提出一种应用于仿生机器鱼的渐变可靠性稳健优化设计方法。以仿生虎鲸为研究对象,基于扑翼运动理论,利用Matlab得到了仿生虎鲸的动态载荷。基于可靠性灵敏度设计理论和稳健设计理论,构建了优化设计状态函数,得到了仿生虎鲸尾鳍推进系统对其渐变可靠性灵敏度的影响。利用改进量子进化算法进行优化设计,得到了尾鳍推进机构的最优解,结果表明,设计变量的灵敏度的绝对值均有降低,可靠度得到提高,结构更加稳健。将扑翼运动理论、可靠性灵敏度设计理论、可靠性稳健设计理论、性能退化理论和改进量子进化算法相结合,提出一种应用于仿生机器鱼的渐变可靠性稳健优化设计方法,为仿生机器鱼的可靠性分析与设计提供理论方法和数据支撑。

采煤机螺旋滚筒设计软件开发及截割性能分析

螺旋滚筒是采煤机截割煤岩体的直接机构,高效设计螺旋滚筒是采煤机研发的关键问题之一。基于破煤理论,利用MATLAB自主开发了一种螺旋滚筒的设计软件。软件可生成截齿排列图及切屑图,可分析螺旋滚筒设计变量对采煤机截割性能的影响规律。以新型爬底板式薄煤层采煤机为研究对象,得到了该型采煤机螺旋滚筒的设计变量、截齿排列图和切削图,为采煤机螺旋滚筒的高效设计提供了途径,具有一定的工程价值。