含运动副间隙的6-RSS并联机器人弹性动力学建模与分析

为了提高空间六自由度并联机器人动力学模型的精度,以6-RSS并联机器人(R:转动副,S:球面副)为研究对象,提出一种将支链弹性变形和运动副间隙随机变化相结合的动力学建模方法。首先,根据几何结构与初始状态,开展理想条件下的运动学分析。利用数理统计原理和符号函数建立含间隙的转动副与球面副运动学模型,进而计算杆件虚长度和各个运动副处的碰撞接触力。然后,将相关参数结合到弹性动力学模型中,建立含运动副间隙的6-RSS并联机器人弹性动力学模型。最后,分析不同状态下支链弹性变形和运动副间隙各自产生误差的原因以及两者综合产生误差的原因。结果表明:改进后的动力学建模方法充分考虑了支链弹性变形和运动副间隙的耦合性与瞬时性,较其他动力学建模方法更加精确。

张力作用下柔性带钢模态灵敏度理论分析及试验研究

卷到卷工艺的产品正向薄和宽的方向发展,其柔性特征导致的振动特性变化需深入研究。针对弹性支撑的运动带钢,建立了面外振动的动力学模型,分析了模态频率灵敏度影响因子;搭建了试验平台,针对柔性带模态试验提出了力锤的选择方法。开展了张力作用下的不同宽厚比带钢模态试验,并建立了数值仿真模型。有限元与试验结果对比说明了有限元模型有效性。定量分析了不同张力下宽度、厚度对带钢模态灵敏度的影响,及张力对不同带钢模态灵敏度的影响。结果表明不同宽度、厚度变化m=2阶模态灵敏度影响较大且随宽度、厚度增大而增大,其余四阶模态灵敏度接近于0;不同张力下n=3阶的模态灵敏度是n=2阶的两倍均随张力的增大而增大,更薄更宽带钢的(2,2)和(2,3)阶模态频率对张力变化的灵敏度更高。

均匀流下水下机械臂涡激振动试验研究

为了揭示均匀流下水下机械臂的涡激振动响应特性,利用运动水下机械臂与静水间的相对运动,搭建了水下机械臂均匀流场涡激振动测试试验台,采集了不同约化速度下水下机械臂不同位置处的振动位移响应.试验结果表明:随着约化速度的增加,振动主频与无量纲振幅均为增长的趋势,横流向无量纲振幅小于0.04D,顺流向出现显著的多频以及更高的幅值,表明水下机械臂在顺流向受到的阻力更加明显.位移标准差随测试高度的增加先增后减,横流向位移标准差空间分布相较于顺流向对称性明显,主导模态控制在1阶.横流向的涡激振动规律性较强,基本符合圆柱绕流时的斯托哈尔规律.顺流向无因次主导频率在0.3~0.8之间,略大于横流向,斯托哈尔数为横流向工况的1~1.7倍,未出现频率锁定现象,但流速及测试高度对水下机械臂的涡激振动存在一定影响.该研究可为构建准确的水动力学模型保证水下机械臂的精准定位与控制提供一定的理论依据.

含多关节间隙平面柔性六杆机构的动力学分析

为提高机构的动力学分析精度,基于平面六杆机构,同时考虑多个关节间隙与构件柔性对多体机构动力学响应的影响。通过实体建模和引用ADAMS软件中“冲击函数”接触力模型,对含有多个间隙关节与柔性连杆的六杆机构进行动力学模拟仿真,研究间隙数量、间隙位置、间隙大小、柔性连杆及其与间隙耦合对系统动力学性能影响。研究结果表明:与单关节间隙相比,多关节间隙会产生更大的接触力,导致构件的加速度波动更加剧烈;间隙关节距离电机位置越近,则对机构的动力学行为影响越明显;考虑连杆柔性时,可以极大地降低间隙对机构动力学波动的影响。

飞机高速牵引滑行制动模式分析

在传统牵引车牵引飞机的运动过程中,其制动行为是通过牵引车独立制动来完成的,主要用于低速推出牵引和轻载中速维护牵引工况。针对未来飞机牵引滑行的高速重载新特征,仅靠牵引车实施制动能否满足牵引系统制动性能需要重新评估。为此,文中考虑了由飞机和牵引车联合制动的新模式,即由飞机主起落架机轮刹车系统和牵引车轮刹车系统同时制动,通过分配制动力来实现牵引车-飞机系统的制动行为。建立了飞机牵引滑行时制动过程的动力学模型,并以B737-200型飞机和TBL-180型牵引车为例,分析对比了牵引车单独制动和牵引车-飞机联合制动两种模式下的系统制动性能和制动安全性。结果表明:牵引车-飞机联合制动时的制动性能远优于牵引车单独制动时的制动性能,是飞机高速牵引滑行时紧急制动的优选模式;在安全性方面,牵引车-飞机联合制动时的前起落架横向载荷也远小于牵引车单独制动,会为飞机前起落架结构保留更大的横向冲击安全裕度。

滚动轴承旋转精度测量实验设计

为提升“新工科”专业人才培养质量,满足行业对毕业生解决复杂工程问题能力的要求,以滚动轴承旋转精度测量为例,设计一项包含理论建模、测量数据研究、软件开发的工程实验。基于角接触球轴承旋转精度检测时的接触关系,建立径向跳动值和轴向跳动值计算解析模型。选取9个均布位置检测轴承套圈设计参数,利用傅里叶级数对测量数据进行轮廓拟合,设计旋转精度计算流程并进行编程计算,得出旋转精度变化规律。计算与测试结果一致,遵循国家标准开展实验,与工程问题无缝衔接,实施过程具有创新性,强化实验对人才培养的支撑作用。

考虑润滑间隙效应的空间并联机构动力学优化

为了改善润滑间隙效应引起的空间并联机构动态性能的渐变劣化问题,以3-RRPaR冗余并联机构为研究对象,提出一种考虑润滑间隙效应的空间并联机构动力学优化方法。建立了考虑润滑转动副间隙的3-RRPaR冗余并联机构动力学模型;以优化末端执行器的动力学响应误差和优化间隙关节处的约束反力为目的设置目标函数,通过优化末端执行器质量以及转动惯量的方式来缓解运动副间隙导致的劣化效应,建立了考虑润滑间隙效应3-RRPaR冗余并联机构动力学优化模型;试验验证了所建动力学模型的有效性,对比分析两种目标函数对优化效果的影响以选择最佳优化方式,并分析优化前后考虑润滑间隙效应的空间并联机构动力学特性,结果表明动力学优化使润滑间隙转动副处约束反力峰值降低16.16%,为改善间隙效应提高空间并联机构动态性能提供了理论支撑。

轴承套圈内圆切入磨早期颤振在线监测方法

为弥补轴承套圈内圆切入磨颤振在早期识别中的特征量选取和智能算法模型方面的不足,提出了基于均方频率和能量熵结合人工蜂群(artifical bee colony,简称ABC)优化支持向量机(support vector machine,简称SVM)的方法。首先,将轴承套圈内圆切入磨过程中的声发射、振动信号通过提取特征方法,获得能量熵、时域参数、能量占比和均方频率4个特征参数;其次,将4个特征参数两两组成特征向量导入SVM,利用准确度、Kappa系数和混淆矩阵分析结果;最后,将均方频率和能量熵导入不同智能算法进行监测分析。结果表明,均方频率和能量熵组成的特征向量对轴承套圈内圆切入磨早期颤振识别效果最优,同时结合ABC-SVM,识别效果可达100%,为在线监测轴承套圈内圆切入磨早期颤振提供了有效方法。

增强组合差分乘积形态学滤波的轴承故障特征提取方法

针对滚动轴承故障信号的非线性、非平稳、强噪声特性导致的常规时频域特征提取方法受限问题,提出一种增强组合差分乘积形态学滤波的轴承故障特征提取方法。在分析数学形态学4种基本运算的正、负冲击脉冲提取特性的基础上,运用级联、差分、乘积构造的一种新的组合差分乘积算子(combination difference multiply operator,CDMO)具备了同时提取正、负冲击脉冲的能力,并发挥梯度乘积运算对脉冲提取更敏感的优势,实现故障信息的充分提取。引入故障特征频率比指标优化CDMO结构元素参数,修正待处理信号的几何特征,提取与结构元素相匹配的信号特征信息。在CDMO滤波的基础上,借助三阶累积量切片谱技术能够抑制高斯噪声、突出二次耦合分量的优势,准确提取故障特征频率及其倍频,增强轴承故障特征提取能力并抑制噪声干扰。依托2种不同来源的工程实际信号并与经典故障特征提取方法对比分析,验证了所提方法的有效性。

六自由度搬运机械手实验平台设计与仿真分析

为了培养学生应用工程软件进行机械装置设计分析的能力,在“机械设计基础”课程设计中对一款冲压上下料六自由度机械手实验平台进行了结构设计与仿真分析。对机械手平台进行整体结构设计,初步规划机械手的尺寸和各个关节的运行范围,利用SolidWorks软件对机械手的各个零部件进行三维建模并装配成机械手整机,利用ADAMS软件对机械手的虚拟样机进行运动学和动力学仿真,验证其运动平稳性,以仿真结果为依据完成电机和减速器的选型,利用ANSYS软件完成机械手的有限元分析,验证其强度和刚度,并分析其固有频率。为冲压上下料六自由度搬运机械手平台的搭建提供了理论基础。

新型双质量飞轮弹性元件动态特性建模研究

为解决现有双质量飞轮存在的刚度跃变、离心力影响扭振特性和阻尼特性无法满足多工况需求等问题,提出了一种采用钢丝绳环作为弹性元件的新型双质量飞轮;对飞轮的重要弹性元件钢丝绳环开展了试验研究,获得不同频率和振幅下绳环的动态迟滞特性试验曲线;建立了钢丝绳环的多项式迟滞模型并基于试验数据进行模型参数识别,获得钢丝绳环动态迟滞模型通用公式并通过试验验证模型有效性。结果表明:所建立的模型能够很好的描述钢丝绳环非线性迟滞特性,方便计算弹性元件的动刚度和阻尼特性,为厘清钢丝绳环非线性迟滞特性规律提供了新的分析方法,为进一步研究新型钢丝绳环双质量飞轮的扭振特性奠定了基础。

受海龟爬行与山羊行走启发的四足仿生移动机器人多步态规划及动力学分析

为解决救援机器人运动速度慢、环境适应性差和步态单一等问题,参照海龟与山羊的生理结构,设计了一种四足仿生移动机器人。首先,根据海龟能在松软地面上爬行以及山羊运动能力强的特点,为机器人规划了仿海龟爬行和仿山羊行走两种步态以适应不同环境,提高了机器人的运动性能。然后,对机器人支腿进行了动力学分析,通过建立动力学模型来获取机器人关节扭矩与运动性能参数之间的定量关系。最后,通过仿真和样机实验来验证机器人步态的可行性以及机器人的环境适应能力。结果表明,所设计的机器人结构稳定,步态规划合理,可适应不同的复杂地形。研究结果可为仿生机器人的设计与开发提供重要参考。

基于振动信号频域离散特征的螺栓完全松动检测方法研究

针对输电铁塔等桁架结构螺栓松动故障,提出了一种基于振动信号频域离散特征的螺栓完全松动检测方法。首先,利用有限元软件对桁架结构螺栓连接完全松动前后进行瞬态动力学分析,采用方差和变异系数求解仿真振动信号离散特征以及变化率,得出螺栓完全松动时方差和变异系数变化规律,并指出方差对信号的离散程度更加敏感;然后,实测了输电铁塔螺栓完全松动前后脉冲激振下的振动响应信号,经变分模态分解(VMD)-小波硬阈值降噪处理后,求解得到实测振动信号离散特征和变化率。仿真和实验结果表明:当螺栓完全松动后,振动信号频谱图频率成分增多,离散特征系数增大,离散程度增强。该方法能够有效检测输电铁塔等桁架结构螺栓完全松动趋势,具有一定的工程实用性。

随机风速下含磨损故障的齿轮系统动力学特性

通过Archard磨损模型计算齿面磨损量,得到了时变啮合刚度,同时考虑齿侧间隙、综合传递误差和随机风速引起的外部激励等因素,建立了含磨损故障的风电机组高速级齿轮传动系统动力学模型,并使用Runge-Kutta法进行求解,分析了不同累计磨损量下风电机组高速级齿轮传动系统的动态特性。研究结果表明:Archard磨损模型符合实际齿轮磨损状态,在节线处磨损最小,在齿顶处的累计磨损量最大;振动位移的波动趋势与输入转矩趋势相反,随着磨损时间的增加,振动位移的波动程度增加;经过5年的磨合期之后,齿轮的主要响应频率的振幅呈线性变化。研究结果为齿轮传动系统的故障诊断与检测提供重要的理论依据。

高速斜撑超越离合器楔合动态响应研究

针对斜撑式超越离合器高速楔合容易产生故障的实际情况,对其楔合动态过程进行研究。工作过程中,斜撑式超越离合器内部楔块之间、楔块与内外环间以及各部件同保持架间存在碰撞。首先基于Hertz接触理论,求解了碰撞刚度,为明确各参数对高速斜撑超越离合器动态响应的影响程度,建立了包括楔合延迟时间、冲击力矩、最大转速差等在内的评价指标。同时,将高速斜撑超越离合器的楔合动态过程进行划分,以研究几何参数对不同响应阶段的影响。最后,开展了楔块与内环的摩擦条件、弹簧力、碰撞刚度、阻尼和负载等对高速斜撑超越离合器楔合动态响应的研究。结果表明,不同参数对所定义的评价指标的影响程度不同,极端情况下可导致楔合失败。该研究可为工程实践提供一定的理论参考和指导。

基于EMD-SSSC分解的振动信号去势

提出一种基于经验模态分解和软筛分准则的振动信号去势方法EMD-SSSC(Empirical Mode Decomposition-Soft Sifting Stopping Criterion,EMD-SSSC),根据软筛分准则自适应控制筛分过程,改善本征模态函数的混叠问题,提高经验模态分解的精度与效率,从而有效去除振动信号的趋势项。通过解析函数和两自由度弹簧-质量-阻尼系统验证该方法的有效性和精度,并进一步将其应用于实际岸桥结构健康监测中加速度响应的去势。结果表明:采用EMD-SSSC方法可以准确剔除振动信号中的趋势项,去势精度远高于最小二乘法;所提出方法既可有效用于数值积分中因积分常数的存在而出现的趋势项,也可合理去除工程实际监测信号中的趋势项。

无线无源力/热传感器与测试技术研究现状

针对力热传感器多数采用有线有源的技术方案,难以适用于高温、高压、强振以及机械动力旋转部件等环境下的力热参数原位测试问题,阐述了进行无线无源传感器件研究的重要意义,并对声表面波(surface acoustic wave,简称SAW)传感器、LC谐振互感耦合传感器以及超材料传感器等3类无线无源力热传感器进行了总结及现状分析。首先,描述了无线无源力热传感器的需求情况;其次,介绍了3类传感器的工作原理、传感性能及其在独特场景下的具体应用;最后,讨论了无线无源传感器发展过程中的瓶颈问题,指出了未来可能改善和提升的发展方向。

重型破冰船多桨状态对敞水性能的影响分析

针对重型破冰船敞水与破冰2种典型工况阻力差距巨大,而螺旋桨设计基准为破冰工况,研究如何处理重型破冰船敞水航行时三桨工作状态对于降低能耗具有重要意义。以系柱状态模拟破冰工况对三桨重型破冰船的螺旋桨进行设计并进行空泡校核修正,针对三桨推进、中间桨闲置舷侧两桨推进、舷侧两桨闲置中间桨推进3种不同工作状态下的敞水航行性能进行估算,对比分析得出三桨降功率敞水推进相对于闲置螺旋桨推进更有利于降低总推进功率并满足敞水设计航速要求。

双盘转子—电磁轴承系统的碰摩振动特性

转子系统的非线性振动是工程实际中的复杂问题,尤其转子系统碰摩振动的强非线性动力学特性,诱发倍周期分岔、hopf分岔及混沌等复杂现象。建立一类考虑碰摩故障的主动电磁轴承支撑双盘转子系统的力学模型,基于非线性动力学和转子动力学理论,采用多目标协同、多参数耦合仿真分析,运用变步长4阶Runge-Kutta法数值计算,通过获得的转子系统周期分岔图、碰摩分岔图、轴心轨迹图、Poincaré映射图、最大碰摩力及碰摩占空比曲线图,揭示了转子系统的非线性动态响应。同时研究复杂转子系统的碰摩振动特性与结构参数的关联关系。计算结果表明,系统的间隙阈值越小且转速越低条件下的周期碰摩振动越具复杂性和多样性,且系统因碰摩故障引发的最大碰摩力及碰摩占空比曲线峰值也较高。系统的定子刚度比越大,其表现出的各类周期碰摩振动的振动幅值和冲击速度越高;最大碰摩力越大。系统的偏心比值越大,系统的周期碰摩振动模式类型越多样化且混沌窗口越多;系统的各类周期碰摩振动产生的最大碰摩力和碰摩占空比也越高。同时,进一步分析了基本周期振动、亚谐振动、概周期振动和混沌的发生区域及转迁规律。研究结果可以有效地为该类转子系统动态匹配设计、大数据诊断与协同优化提供实际指导意义。

不确定转子系统动力学降阶模型构建与模型散度参数辨识

在航空、航天、船舶等领域的实际工程转子系统中,广泛存在高维复杂的非线性系统。在航空发动机转子系统、燃气轮机转子系统等重点研究领域,通常还难以对高维复杂非线性系统进行直接的数据处理和分析统计。针对不确定性转子系统的模型维度较高等问题,提出了一种模型不确定性动力学降阶计算模型构建和模型散度参数辨识方法。首先,根据确定性动力学模型和静态矩阵降阶方法,完善了确定性动力学降阶模型;然后,基于随机矩阵理论和非参数动力学建模方法,提出了不确定性动力学降阶模型;最后,利用系统确定性模型的一阶临界转速、振型和实验数据,对不确定性动力学模型的散度参数进行了辨识;为了验证散度参数辨识方法的有效性,笔者又在转子实验平台上进行了实验验证。研究结果表明:实验结果与降阶之后振动响应均值的差异性较小,且与不确定性动力学模型相差不超过10%,表明所采用的理论模型在描述转子系统行为方面具备了较高的准确性和可靠性,该模型可以为深入研究模型不确定性转子系统提供参考。