无润滑电磁轴承保护轴承跌落过程摩擦发热分析

为在设计阶段预测电磁轴承保护轴承的寿命,计算跌落过程中保护轴承的发热功率非常重要。很多场合下保护轴承无润滑或只有固体润滑,因此选择局部法,重点分析球与滚道之间的滚动弹性滞后、球自旋、差动滑动等机制引起的发热,推导了差动滑动发热功率解析公式。开展实际电磁轴承高速电机无制动自由跌落实验,实测轴心轨迹和保护轴承冲击力,利用实验数据计算了保护轴承发热功率,并与实测转子动能变化率对比。研究发现,在确定了保护轴承安装预紧力情况下,局部法计算的保护轴承发热功率与转子动能变化率在量级上相当,证明了理论计算可行性;球自旋发热最多,其次是球与滚道差动滑动发热,两者之和占总发热的主要部分,球与滚道弹性滞后发热较少。

基于磁悬浮理论的自适应抗拔摩擦摆隔震支座力学性能研究

为解决摩擦摆隔震支座抗拔能力不足的问题并优化其隔震性能,将传统的摩擦摆支座(FPB)和半主动控制思想相结合,提出一种自适应磁悬浮抗拔摩擦摆隔震支座(AMFPB)。基于磁路理论进行理论分析,推导出U型电磁铁的电磁力公式,以及AMFPB刚度、周期和等效阻尼比计算公式;对U型电磁铁进行位移-电磁力试验分析,建立AMFPB有限元模型,并对不同位移幅值、不同电磁铁匝数和输入电流下支座的滞回特性和抗拔性能进行分析。研究结果表明:U型电磁铁的位移-电磁力试验结果与理论结果吻合度较好,计算得到的AMFPB滞回曲线与数值模拟结果基本相同。AMFPB随滑动位移的增加可调节自身的刚度及耗能,有利于支座位移的控制。

不同含水率下秦王川黄土抗剪强度与细观结构特征研究

为研究不同含水率下黄土的抗剪强度和细观结构特征,以秦王川重塑黄土为研究对象,利用四联自动直剪仪和核磁共振仪进行了直剪和核磁共振试验。试验结果表明:秦王川黄土重塑土的总体抗剪强度随含水率的增大而降低,黏聚力随含水率的增大呈先增大后减小的变化趋势,内摩擦角呈先减小后增大再减小的变化趋势;含水率变化对土体黏聚力的影响较大,而对内摩擦角的影响较小;土样内部孔隙率随含水率的增大而增大,水分不断从小尺寸孔隙向中大尺寸孔隙扩散,且土体内部的小尺寸孔隙有不断扩展和贯通的趋势;随着含水率的增大,土样的延性和塑性也得到增强,应力—应变曲线特征由应变软化转变为应变硬化;随着含水率的增大,土样内部水分的形态也逐渐变化,由强结合水主导不断向弱结合水主导发展,最后变成自由水主导,导致土颗粒之间的胶结作用力、水膜作用力以及基质吸力减弱,进而导致土样总体抗剪强度降低。本研究成果可为地区黄土工程建设提供数据支持和理论参考。

不同故障下水轮发电机组轴系的振动特性研究

水轮发电机组的振动往往由水-机-电耦合因素引起,分析单一故障及多因素耦合故障下的轴系振动对机组稳定运行和厂房结构安全至关重要。采用四阶龙格-库塔法分别求解了不平衡磁拉力、碰摩力、非线性油膜力单独作用或耦合作用下的发电机和水轮机振动特性。结果表明,仅考虑不平衡磁拉力或仅考虑碰摩力时,轴系的运动特性主要表现为周期运动状态和拟周期运动状态;在多因素耦合作用下,轴系的运动特性将会变得更为复杂,表现为以拟周期运动和混沌运动为主,间歇性出现周期运动。研究结果可为水电站的安全、稳定、优化运行提供更多的理论依据。

主动磁悬浮轴承系统保护轴承热特性研究及减摩设计

针对主动磁悬浮轴承系统(AMBs)转子跌落过程中转子与保护轴承碰摩产生巨大冲击、振动和大量摩擦热,易使保护轴承失效的问题,对立式转子跌落到保护轴承过程中的热特性进行了研究,分析了转子跌落对保护轴承造成破坏的主要影响因素,进而提出了一种采用磁控溅射技术在保护轴承关键表面沉积固体润滑薄膜(类石墨碳基薄膜,GLC)的减摩方法,并对镀膜、未镀膜的保护轴承进行了转子跌落试验。研究结果表明:跌落转速为20000 r/min时,保护轴承的最高温度为210.60℃,出现在转子与轴承内圈端面高速碰摩阶段,该温度超过了轴承钢160℃的回火温度,导致轴承烧伤而失效。在跌落试验中,镀有GLC薄膜的自润滑保护轴承试验后的沟道和端面外观明显优于未镀膜保护轴承,由碰摩发热导致的内圈端面硬度下降也较轻,质心轨迹和轴向位移更加平稳,温升更低,GLC薄膜起到了关键的自润滑和减摩功能,提高了保护轴承的使用寿命和服役可靠性,为解决主动磁悬浮轴承系统中保护轴承易失效而发生重大事故的问题提供了一种思路和方法。

特高压输电线路磁场对电力金具材料摩擦磨损的影响

目的通过分析特高压直流线路工频磁场环境对电力金具材料磨损行为的影响,探究其磨损机理,为联接金具的磨损失效预测提供理论依据。方法分析线路实际运行参数,计算工频磁场强度,采用自制电磁线圈与M-2000型磨损试验机相结合,通过分组控制变量法研究额定工况下金具材料的磨损过程,以及不同磁场强度下材料的磨损行为。结果在磁场环境中材料的磨损程度远小于无磁场情况下。在0~800 A/m范围内,随着磁场强度的增加,摩擦因数稍降低,质量损失量和磨损率呈下降趋势。在不同磁场强度下磨损试样均呈现越贴近摩擦接触表面区域其显微硬度越高,且随着纵深向后呈递减趋势。在无磁场情况下,磨损接触表面的犁沟较深,遍布锯齿型边缘的凹坑和山脊型微凸峰。在磁场环境中试样的接触表面和磨屑表面更加光滑平整,且氧含量明显升高。结论在无磁场情况下,接触表面为严重的磨粒磨损和黏着磨损。在磁场环境中,磨损试样在短时间内经历了初期磨合阶段和磨损加剧阶段,从而加速过渡到稳定磨损阶段,由严重的磨粒磨损和黏着磨损加速向轻微磨损转变。稳定阶段的主要磨损机制为氧化磨损,并伴随着轻微的磨粒磨损、黏着磨损,以及两摩擦副与磨屑“阻隔层”之间的三体磨损。工频磁场环境对试样磨损起到了一定的减摩作用,磨损程度减轻。

废旧锂离子电池涡流分选模型与影响因素

废旧锂离子电池的涡流分选工艺由于影响参数过多,分选效果并不理想。为探明各参数对分选效果的影响,提高涡流分选法的分离效率,开展废旧磷酸铁锂锂离子电池破碎产物的涡流分选研究。利用COMSOL仿真软件模拟磁辊交变磁场分布,建立产物在交变磁场的受力模型与运动模型,研究磁辊长度、磁极对数、磁辊半径、进料速度、磁辊转速、颗粒尺寸和颗粒形状等因素对分选效果的影响,提出将传送带摩擦因数纳入影响参数之中进行模拟,以指导涡流分选模型的建立。上述因素均会影响颗粒的运动轨迹,减小摩擦因数有利于提高分选效率,颗粒尺寸和形状是主要的影响因素。

纯Fe在磁场下摩擦磨损行为研究

探究在0.5T磁场下对电磁纯铁在干摩擦下摩擦磨损行为的影响。以电磁纯铁为基材,通过线圈来添加0.5T磁场,同时改变摩擦试验机的载荷,分别在10、20、30、40 N的载荷下进行干摩擦试验。分析摩擦系数图的变化,使用扫描电镜(SEM)对摩擦表面磨损形貌进行表征。结果表明:在10 N载荷下,在加入0.5 T磁场后,摩擦系数从0.4增长至0.8,同时摩擦系数时间曲线波动变化较大,摩擦磨损行为变化剧烈。磨损质量差从1.5 mg增长到4.2 mg;而在40 N载荷下,磁场的影响较小。摩擦系数从0.5增长到0.6,磨损质量差从15.3 mg增长到22.9 mg。在低载荷时,磁场的加入会让纯铁的干摩擦行为影响较大,摩擦磨损会严重加剧;高载荷下的磁场对摩擦行为影响较小。在工作生产作业中要防范在磁场环境中低载荷的磨损行为。

基于平滑GMS模型和改进扩张状态观测器的复合摩擦补偿

摩擦力是影响直线伺服系统低速运行与点对点定位精度的主要非线性扰动。广义麦克斯韦(generalized Maxwellslip,GMS)摩擦模型虽然可以准确描述摩擦特性用于前馈补偿,但其存在切换点过渡时振荡的问题,同时易受测量噪声和摩擦参数变化等影响。为此,该文提出基于平滑GMS模型和改进扩张状态观测器(extended state observer,ESO)的复合摩擦补偿策略。首先,引入过渡用双曲正切函数以解决GMS模型中在切换点的反复穿越问题,并给出该模型的离线辨识方法。其次,设计基于模型信息的四阶ESO补偿剩余摩擦力与未知扰动,并引入切比雪夫滤波器整定观测器增益,以降低扰动观测与噪声敏感之间的冲突。为验证所提摩擦补偿策略的有效性,在小型高精度永磁同步直线电机定位平台上进行定位实验。实验结果验证了所提摩擦补偿策略的可行性和有效性。

髌腱-股骨外侧髁摩擦综合征MRI表现及分析

目的探讨髌腱-股骨外侧髁摩擦综合征(PT-LFCFS)的MRI表现与相关参数。方法研究对象60例,收集临床和MRI均诊断为PT-LFCFS的患者30例作为研究组,收集同期无膝关节MRI髌下脂肪垫损伤者30例作为对照组。对比观察研究组与对照组的MRI征象,测量Install-Salvati指数(ISR)、髌腱-股骨外侧髁滑车关节面(PL-T)最短距离、胫骨结节-股骨滑车沟(TT-TG)距离、股骨外侧髁角(LFCA)、股骨外侧髁长度(LTL)和股骨外侧髁高度(LTH),统计两组病例髌腱炎、髌骨外侧支持带损伤、髌股关节炎、胫股关节炎及股四头肌腱炎的发病率,并对两组结果进行比较。结果PT-LFCFS组在质子密度加权成像(PDWI)脂肪抑制序列见髌下脂肪垫外上部局限性水肿,对照组无髌下脂肪垫水肿表现。PT-LFCFS组PL-T、LFCA小于对照组[(0.26±0.08)cm,(0.76±0.11)cm,t=20.913,P<0.001;(82.99±4.94)°,(100.52±5.07)°,t=13.565,P<0.001],ISR、TT-TG、LTL、LTH大于对照组[(1.41±0.12),(1.01±0.08),t=-14.649,P<0.001;(1.14±0.37)cm,(0.69±0.21)cm,t=-5.899,P<0.001;(2.19±0.21)cm,(1.98±0.12)cm,t=-4.784,P<0.001;(0.80±0.13)cm,(0.68±0.11)cm,t=-4.003,P<0.001]。PT-LFCFS组在髌股关节炎、髌骨外侧支持带损伤的发病率高于对照组[25(83.3%),2(6.7%),x^(2)=32.593,P<0.001;27(90%),1(3.3%),x^(2)=41.853,P<0.001]。两组间髌腱炎、胫股关节炎及股四头肌腱炎的发病率差异无统计学意义(P>0.05)。结论PT-LFCFS的MRI特征性表现是髌下脂肪垫外上部局限性水肿,PL-T、LFCA减小,ISR、TT-TG、LTL、LTH增大。PT-LFCFS患者中,髌股关节炎、髌骨外侧支持带损伤的发病率较高。

基于特征模型的永磁同步直线电机自适应控制

为了解决永磁同步直线电机系统的参数不确定性、建模不确定性及饱和非线性等问题,提出一种基于特征模型的自适应控制器。依据特征模型理论描述永磁同步直线电机系统,采用自适应和鲁棒控制方法设计控制器。建立永磁同步直线电机的特征模型,并给出具体建立步骤,使得控制器设计变得简单,易于工程实现。通过设计参数自适应律对系统未知特征参数进行估计,可实现对系统模型的精确补偿,同时在控制器中添加带有误差积分的鲁棒控制项,提高系统对不确定参数及未知干扰的鲁棒性。此外,由于饱和特性的存在,导致控制器产生windup问题,给系统的控制性能和稳定性造成不利影响。因此,该控制器中还带有抗饱和控制项,能够提升系统的抗饱和能力。最后,通过对比实验验证了所提控制器的有效性。

铁磁材料摩擦磁化效应的演化机理研究

采用无磁不锈钢316L销试样和工业纯铁块试样配对,在地磁场条件下进行无润滑摩擦磁化试验.利用Bitter粉纹法观测摩擦滑动界面下亚表层区域的磁畴组织,并结合扫描电子显微镜(SEM)和电子背散射衍射(EBSD)技术分析对应区域的微观结构,以揭示界面滑动摩擦引起的亚表层微观结构和对应的磁畴变化,从而阐明摩擦磁化效应的演化过程.结果表明:界面滑动摩擦作用导致亚表层塑性形变累积,引起滑动表面磁场增加;该磁化效应的产生与滑动界面下亚表层区域的微观结构变化诱导的磁畴结构变化有关.上述研究结果为建立通过摩擦磁化效应实现摩擦磨损状态的检测和预测技术提供理论依据.

相对湿度对磁场下45钢摩擦学性能与表面氧化的影响

电磁制动和电磁弹射是典型磁场条件下的摩擦学系统.相对湿度对其摩擦学性能和摩擦稳定性有重要影响.本文中研究了湿度对磁场下45钢自配副的摩擦磨损性能的影响,通过摩擦表面形貌演化分析了摩擦机理和磨损机制的转变,利用能量色散光谱仪(EDS)和X射线光电子能谱仪(XPS)表征了摩擦表面铁元素的氧化程度和氧化形式.结果表明:随着湿度增加,磁场下45钢自配副的摩擦系数单调增加,磨损率先增加后减少,30%RH为转变点;10%~70%RH范围内随湿度增加,摩擦表面的氧化程度升高,氧铁比变化率下降,表面Fe2+占比增大,OH-占比减小;70%RH时铁氧化物的水合物析出,氧的存在形式由OH-向FeOx·H2O转化.

MoDTC增强型磁性液体减摩性能试验研究

为提高磁性液体的减摩性能,在现有Fe 3O 4磁性液体的基础上,通过微量添加二烷基二硫代氨基甲酸钼(MoDTC),制备一种MoDTC增强型磁性液体。对MoDTC增强型磁性液体微观粒子的结构、组成成分、磁性能进行测试分析,在不同载荷、速度条件下进行摩擦磨损试验,探究MoDTC含量对磁性液体摩擦磨损性能的影响。实验结果表明:MoDTC增强型磁性液体比铁磁性液体饱和磁化强度小,且剩磁几乎为0,具有较好的磁性能;在试验研究范围内,Fe 3O 4磁性液体润滑下的摩擦因数比油润滑低,MoDTC增强型磁性液体的摩擦因数低于Fe 3O 4磁性液体的摩擦因数,且MoDTC质量分数为6%时减摩效果较佳;当载荷在25~45 N范围内,MoDTC增强型磁性液体的摩擦因数先随载荷增大而减小,超过临界值30 N后,摩擦因数随载荷增大而增大。研究结果表明,磁性液体中加入适量的MoDTC具有较好的减摩性能,能在一定程度上改善磁性液体的润滑性能。

新型大功率分断式永磁涡流摩擦限矩器的轴向力-滑差特性研究

针对煤矿机械中摩擦限矩器过载保护装置存在的寿命短、可靠性差的现状,提出一种由永磁涡流传动机构与摩擦离合器组合而成的新型的大功率快速分断式永磁涡流摩擦限矩器(PMEFTL),其工作原理是:永磁涡流传动机构中磁体盘与导体盘之间的静态磁场引力对摩擦离合器的摩擦片施加轴向压力,形成摩擦限矩器的扭矩传输,借助过载瞬间主从摩擦片的相对滑差控制导体盘和磁体盘间轴向斥力,实现摩擦片脱离并快速切断传动系统。首先建立了PMEFTL的涡流磁场数学描述及其有限元模型,基于瞬态磁场分析研究了PMEFTL中永磁涡流机构产生轴向力的机制,提出了PMEFTL的轴向力的麦克斯韦张量形式及摩擦限矩器转矩计算方程,表明永磁涡流机构的总轴向力由背铁轴向力和导体盘轴向力合成,随着滑差增大,背铁轴向力总是表现为引力并逐渐减小,导体盘轴向力总是表现为斥力,并逐渐增大,总轴向力则由引力逐渐变为斥力,并存在静态引力点和脱离转速点2个特征点。PMEFTL的传递力矩与总轴向力成正比,过载打滑前,传递力矩等于摩擦副静摩擦力,过载打滑后,传递力矩由摩擦力矩和电磁力矩组成。其次基于三维有限元方法研究了PMEFTL轴向力-滑差特性的影响因素,得出提高永磁体的厚度和占空比、增加导体齿槽数、减小导体齿槽占空比等都可以提升静态引力,进而提高PMEFTL的传动能力;脱离转速点与轴向引力和轴向斥力的相对关系有关,在静态引力确定的前提下,调节导体齿槽占空比、导体齿槽数可以调节脱离转速点。最后对375 kW的矿用PMEFTL的永磁体的厚度、占空比和极数与导体的占空比和槽数等设计参数进行优化,与初选参数相比,优化后静态引力提高90%,摩擦副对数减少近1倍。PMEFTL在煤矿机械的应用将有效提高传动系统的可靠性和使用寿命,减少相应的停机维修工作,提高生产效率。

高速永磁屏蔽电机摩擦损耗分析与计算

基于3D流体场模型和有限元体积法,针对高速永磁屏蔽电机进行转子表面介质摩擦损耗计算和敏感性因素分析,研究转子转速、介质轴向流速、屏蔽套表面粗糙度对气隙内介质摩擦损耗的影响规律。基于一台额定转速36000 r/min的电机结构,对半径比为0.896~0.930的窄气隙泰勒-库埃特-泊肃叶(TCP)流进行仿真分析,得到摩擦阻力系数与水轴向流速、转子转速的关系,并采用非线性拟合的方法得出不同轴向流速和转子转速的摩擦损耗系数经验公式。随后,搭建试验平台测量摩擦损耗,对比试验测得与仿真求得的摩擦损耗大小以及数值仿真与经验公式计算的摩擦损耗系数,误差在5%范围内,满足工程要求,验证了数值仿真分析和经验公式的准确性。

EMA摩擦前馈补偿的模糊自抗扰控制方法研究

针对谐波减速器伺服传动系统中摩擦对位置跟踪精度的影响,提出非线性摩擦建模及前馈补偿的方法,并结合模糊自抗扰控制器提高系统的控制精度。首先,给出机电执行器中永磁同步电机的数学模型,构建了谐波减速器的动力学模型,推导了摩擦力矩和转矩电流的关系。通过小波+卡尔曼联合滤波的方式获取了不同转速下对应的转矩电流,采用3次高斯拟合的方式得到了转速与转矩电流的函数关系。然后,根据自抗扰控制与模糊控制原理制定模糊规则,设计了模糊自抗扰控制器;根据拟合的数学函数在模糊自抗扰控制器中加入前馈补偿,抑制谐波减速器中非线性摩擦,提高系统控制精度。最后,通过实验与PI控制方式进行比较,实验结果表明,使用摩擦前馈补偿的模糊自抗扰控制方法较PI控制方法,在空载状态、负载状态下位置跟踪误差的均方根值减少了约180、176。

基于压力传感器的永磁球形电机摩擦转矩检测

针对永磁球形电机(PMSM)运动时摩擦转矩检测困难的问题,提出一种基于压力传感器检测永磁球形电机摩擦转矩的方法。首先应用压力传感器检测球形转子施加在支撑杆处的压力信息,通过永磁球形电机摩擦转矩的数学模型,解析压力信息,得到摩擦转矩数值。再通过恒速实验得到压力—摩擦转矩间的稳态对应关系,采用遗传算法对数学模型中未知的摩擦因数进行参数辨识。最后将通电实验的结果与仿真结果进行对比,验证了检测方法的有效性。

弓网电接触系统服役性能的纵向磁场优化

弓网接触副是高速列车获取能量的唯一路径,决定了列车能量传递的安全与稳定。弓网运行条件苛刻,需同时面对全天候复杂环境、高速滑动振动、大容量电能传输等挑战,接触副出现过度磨耗与异常磨损。现有的弓网磨耗调控措施往往仅提升机械电气某单一方面性能,而综合性能难以同时满足大容量和长时服役需求。考虑到磁场在调控接触界面氧化与磨粒分布等方面的效应,提出引入纵向磁场的弓网磨耗主动调控思路。该文通过改变磁场参数,研究了磁场强度与极性对弓网接触副载流摩擦磨损性能的影响。结果表明:纵向磁场可有效降低摩擦系数的数值及波动性,且在载流工况下效果更显著;随着磁感应强度的增加,摩擦系数先降低后上升,磨损量则持续降低;不同极性磁场均有减缓摩擦磨损的作用。研究结果对需调版解决弓网异常磨耗问题的主动调控方法,以及提升弓网运行的稳定性具有指导意义。

双余度差速作动系统用永磁式制动器的设计

为满足双余度差速作动系统工作切换和故障隔离的要求,提出了一种永磁式制动器,并给出了制动器的组成和工作原理。通过等效磁路法建立了锁定和解锁状态制动器的解析模型,并与有限元分析结果进行了对比。进行了制动器摩擦副的设计,分析了摩擦副的磁性能和摩擦性能。最后将制动器实验结果与分析结果进行了比较,验证了分析结果的准确性。