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。

联合载荷作用下三排滚子风电主轴承的摩擦力矩分析

建立一种在联合载荷作用下三排圆柱滚子风电主轴承的摩擦力矩分析方法。首先,采用基于滚子切片处理的轴承载荷分布平衡方程组,分析计算在外部径向载荷、轴向载荷和倾覆力矩联合作用下的滚子切片载荷分布;然后,在轴承零件之间相对滑动运动分析的基础上,推导滚子-滚道滑动摩擦、滚子-滚道滚动摩擦、保持架-外圈滑动摩擦、密封圈-内圈滑动摩擦的计算公式,得到轴承总摩擦力矩的计算公式;最后,针对具体的风电主轴承,求解分析轴向游隙、滚子数量、滚子长径比、保持架质量和密封圈过盈量对摩擦力矩的影响。结果表明:三排圆柱滚子风电主轴承的摩擦力矩主要来自轴向滚子,合理的轴向游隙、滚子参数、保持架质量、密封圈过盈量对该轴承的减摩设计十分有利。

面向弧齿锥齿轮网络化制造过程的信息集成管理系统

为了更有效地支持弧齿锥齿轮网络化制造过程的信息交互与集成运行,实现整个网络化制造过程信息数据的集成化管理与控制。该文结合弧齿锥齿轮生产制造过程特点,从信息集成与网络化管理层面,提出了一种面向弧齿锥齿轮网络化制造过程的信息集成管理系统体系结构,建立了弧齿锥齿轮网络化制造的集成运行模式,构建了制造过程信息描述与集成框架和信息集成管理系统的功能模型,开发了信息集成管理系统的原型系统,实现了弧齿锥齿轮网络化制造过程信息的集成统一管理。实际应用结果表明:该文提出的面向弧齿锥齿轮网络化制造过程信息集成管理系统体系架构和实现方法可行实用,可有效提高整个弧齿锥齿轮网络化制造过程的运行和管理效率。以该文企业应用试验的弧齿锥齿轮网络化制造过程为例,相对于该企业传统分散式的生产制造和信息管理模式,生产率提高了约8%,管理效率提高了25%左右,生产成本降低了3%以上。该研究可为开展弧齿锥齿轮网络化制造模式的深入研究和应用实施提供参考。

人机协同控制的车道保持辅助系统安全性能研究

针对大部分车道保持辅助系统未考虑驾驶员行为和环境因素干扰,驾驶员模式和助力纠偏模式过渡困难,极易造成人机冲突等问题,提出了一种基于人机协同控制的车道保持辅助系统。该系统建立二自由度车辆动力学模型,通过最优线性二次型调节横向控制算法得到最优前轮转角;提出车辆偏离安全评估模型、扭矩控制和安全退出策略,实现了人机友好交互、协同共驾。基于CarSim/Simulink仿真平台对横向控制算法进行联合仿真,验证了控制算法的可行性,并在江淮轻卡试验车上进行了系统安全性能测试。仿真和试验结果表明该系统能够实现车道保持功能,获得较好的安全性。

双列角接触球轮毂轴承动刚度优化研究

针对轮毂轴承单元的刚度性能将直接影响汽车的服役性能这一现状,对轮毂轴承刚度特性进行研究,提出了一种基于Romax非标准轮毂轴承动刚度特性分析方法和基于粒子群算法(PSO)的优化设计方法。通过采用Romax软件对非标准的轮毂轴承进行拟静力学仿真,研究了某型号轮毂轴承的预紧量、接触角以及两列球心距对动刚度矩阵的影响规律,并通过理论和试验进行验证。研究结果表明,随着预紧量的增加,轴承动刚度呈现整体上升趋势;随着接触角的增加,径向刚度减小,轴向刚度和角刚度增加;随着两列球心距的增加,径向刚度和轴向刚度略微下降,角刚度增加。以轮毂轴承单元的角刚度最大作为优化目标,对轴承内部结构参数进行优化设计,优化后角刚度增加了14.4%,实现了提高角刚度这一优化目标,为轮毂轴承结构设计和优化提供了方法支撑。

基于光纤传感的航发齿轮动应力测试与振动特性研究

基于光纤传感技术,研究高速圆柱齿轮辐板动应力测试方法,并针对某型发动机附件传动圆柱齿轮齿根裂纹故障问题,测量得到该齿轮在实际工况下的动应力数据。结果表明:随着转速的增加,齿轮副表现出异常振动状态;实验所得数据的频谱分析显示,主要分频在8100 Hz附近幅值具有明显变化;啮合频率(8047 Hz)与第3节径固有频率(8313.9 Hz)接近,推断故障齿轮在转速14200 r·min^(-1)下存在3节径共振。

一种新型液压机械无级变速器的传动特性研究

基于传统的单行星排、双行星排传动的液压机械无级变速器,提出了一种复合行星排传动的新型液压机械无级变速器方案。通过行星架固定法推导出了其前进方向无级变速段的速比特性,应用理论力学推导出了其输出转矩特性,计算出了其功率分流比特性。使用Matlab软件绘制了拖拉机速度及变速比随排量比变化特性图、转矩特性图、液压功率分流比特性图。研究结果表明,所设计的新型液压机械无级变速器可在0~68 km·h-1的速度实现无级变速,满足了拖拉机在不同工况下的输出转矩要求,多段液压机械无级变速器的功率分流比小于20%,实现了拖拉机的高效、大功率动力传动。通过实例计算验证了新型液压机械无级变速器传动的合理性,为拖拉机自动变速器的开发应用奠定了基础。

单自由度四连杆取投苗机械臂设计

针对目前蔬菜穴盘苗自动取投苗机构结构复杂、制造成本较高等问题,该文设计了一种单自由度开式铰链四杆机构取投苗机械臂。首先通过对钵苗力学特性进行分析,为取苗爪的外形设计提供了依据。其次根据人工取投苗和现有取苗机构的作业过程,制定了取苗机构的设计要求。然后对机构的运动路径和各运动副的运动进行规划设计,最终设计出一种单自由度全机械式的取投苗机械臂,显著降低了成本。试验结果表明:取苗爪抓取点的运动轨迹和设计要求与理论仿真结果相一致,移栽试验中取苗成功率为96.7%,钵体破损率为3.13%,投苗成功率为97.74%,总体成功率为91.32%,机构的可靠性较高。该机构的设计提供了一种全自动取投苗方法,可为开展移栽装备的全自动化研究提供参考。

拖拉机液压机械无级变速器综合模式切换规律

为兼顾装备液压机械无级变速器(Hydro-mechanical Continuously Variable Transmission,HMCVT)的拖拉机动力性及经济性,该研究制定了一种同时考虑动力性与经济性的综合模式切换规律。针对采用液压机械无级变速器的拖拉机,分别建立了发动机模型、HMCVT模型以及考虑驱动轮滑转率的拖拉机动力学模型。在分析了其经济性与动力性模式切换规律的基础上,引入动力性与经济性权重系数,采用模糊推理和基于分解的多目标进化算法(Multi-objective Evolutionary Algorithm Based on Decomposition,MOEA/D)制定了拖拉机液压机械无级变速器综合模式切换规律。仿真与试验结果表明:与动力性模式切换规律相比,综合模式切换规律在纯液压模式(H模式)切换至液压机械模式1(HM1模式)时驱动力降低了11.13%,在HM1切换至液压机械模式2(HM2模式)时驱动力降低了7.29%,较H切换至HM1模式时减少了3.84个百分点;与经济性模式切换规律相比,综合模式切换规律在H切换至HM1模式时燃油消耗率增加了0.46%,在HM1切换至HM2模式时燃油消耗率增加了0.85%,较H切换至HM1模式时增加了0.39个百分点,使拖拉机能够在保持良好经济性的同时能获得较好的动力性。表明所制定的综合模式切换规律能根据油门开度识别出驾驶员的操作意图,满足驾驶员在不同工况下对动力性实际需求的同时,也能表现出较好的经济性。研究结果可为拖拉机液压机械无级变速器模式切换规律制定提供一定的理论参考。

采用曲面综合法的复杂齿面微分修形与拓扑结构设计

针对高减比准双曲面(HRH)齿轮空间曲面极端扭转、曲率修正难度大的问题,提出了刀具双向修形点接触齿面修正方法。利用ease-off曲面综合法、齿面微分修形、拓扑结构精益化设计,实现了点接触齿面啮合质量的精确控制。建立了曲面综合法齿面微分精益化设计计算流程,给出了轻修形、内对角重修形、内对角轻修形三种拓扑结构设计形式;利用齿面承载接触分析(LTCA)方法,对比了上述三种形式的齿面啮合刚度、传动误差及载荷分布特性,其中内对角轻修形方式的接触性能最好。进行了HRH齿轮动态啮合性能试验,齿面接触斑点检验了点接触齿面ease-off梯度特征。研究结果表明,实测振动特性变化规律与啮合刚度、承载传动误差(LTE)理论仿真分析一致。齿轮在较宽转速与载荷范围运转平稳,验证了所设计HRH齿轮的齿形关系正确,微分精益化修形控制良好。

M50钢表面磁控溅射Ti-GLC薄膜高温摩擦学性能

为了研究高温环境下轴承钢基体上Ti掺杂类石墨碳基薄膜的实际应用,采用非平衡磁控溅射技术在M50钢表面制备Ti-GLC膜,分别在不同温度、不同线速度下与Al2O3陶瓷球进行摩擦磨损试验,研究其高温摩擦学性能及磨损机理。结果表明,随着温度的升高,Ti-GLC膜中的sp2键含量逐渐增大,石墨化程度加重,硬度和弹性模量逐渐降低,膜基结合力也有所降低。在室温~200℃,所制备的Ti-GLC薄膜保持优异的低摩擦与耐磨损性能,为Ti-GLC薄膜的最佳服役温度区域。在200 mm/s下,随着温度的升高,磨损形式由轻微的黏着磨损和磨粒磨损逐渐转变为严重的磨粒磨损和氧化磨损。

高减比准双曲面齿轮摩擦功耗分析与效率试验

针对高减比准双曲面(HRH)齿轮拓扑曲面复杂的问题,利用对偶等切共轭的方法,构建了HRH齿轮齿面模型与ease-off曲面,解析得到齿面接触点曲率参数、卷吸速度、滑滚比等运动学参数。利用接触线微分单元法建立轮齿刚度、载荷与变形协调方程,进行承载接触分析(LTCA)计算,获得了齿面载荷与接触应力分布规律;结合弹流润滑(EHL)摩擦因数经验公式,解决了瞬时接触区畸变、EHL参数计算问题。分析了齿面上油膜厚度、摩擦因数、摩擦功耗的分布规律。通过传动效率试验验证了所给出的LTCA、摩擦功耗分析与啮合效率计算模型。

15-5PH不锈钢表面类石墨碳基多层膜结构设计及摩擦学行为

针对马氏体沉淀硬化不锈钢15-5PH(0Cr15Ni5Cu4Nb)在海水环境中易腐蚀磨损的问题,采用直流磁控溅射的方法在15-5PH钢样片上制备调制周期分别为940、375和234nm的掺杂Cr的类石墨碳基多层膜(分别标记为Cr/GLC-S1、Cr/GLC-S2和Cr/GLC-S3),采用扫描电子显微镜(SEM)、拉曼光谱仪(Raman)、MFT-5000多功能摩擦磨损试验机等仪器设备系统考察三种类石墨碳基多层薄膜的结构及摩擦学性能。研究结果表明:不同调制周期的类石墨多层膜表面均呈现“菜花状”形貌,随着调制周期的减小,“菜花状”颗粒逐渐减小,膜层变得致密;sp2键含量逐渐增大,石墨化程度加剧,机械性能更加优异。在干摩擦条件下,调制周期适中的Cr/GLC-S2薄膜具有良好的减摩耐磨性能,磨损形式以磨粒磨损为主,而调制周期较大的Cr/GLC-S1和调制周期较小的Cr/GLC-S3薄膜,在高载荷下均发生不同程度的脆性剥落,导致其摩擦学性能劣化。在人工海水环境中,Cr/GLC-S1和Cr/GLC-S2薄膜在中低载荷下的摩擦学性能较好,磨损形式仍以磨粒磨损为主,在高载荷下三种多层膜均发生不同程度的脆性剥落,特别是调制周期较小的Cr/GLC-S3薄膜已失效。针对不同的工况,设计合理的调制周期是提高GLC薄膜摩擦学性能的关键,结果可为类石墨碳基薄膜在海洋防护中的实际应用提供一定参考。

边缘剪切载荷作用下翻边开孔板的极限强度

开孔广泛应用在船舶和海洋结构,这些开孔主要用于检查,并且适合于管道布置和结构减重等其他用途。开孔的存在降低了结构的强度,因此在结构设计阶段开孔板受到高度重视。在这种情况下,造船厂常采用局部增强的办法使开孔板能够满足结构屈曲和极限强度要求,但对加强开孔板的定量评估工作稍显不足。为了减少结构强度的降低,翻边开孔常作为一种补强方法来实现结构屈曲和极限强度的增加,但目前没有针对具体开孔参数的标准方法或建议。通过一系列数值分析,研究了在边缘剪切载荷作用下圆形翻边开孔参数(开孔半径、翻边长度及角度)对不同厚度翻边开孔板屈曲和极限强度的影响。研究结果可以为实际结构的翻边开孔设计提供参考。

基于XGBoost-LSTM的数控机床主轴轴承故障预测方法研究

为实现数控机床主轴轴承的故障准确预测,提出一种将灰色关联度分析法、深度学习和残差滑动窗口分析相结合的故障预测方法。采取灰色关联度分析法对采集的设备状态变量进行特征筛选,在此基础上建立基于极端梯度提升树(eXtreme Gradient Boosting,XGBoost)和长短期记忆(Long Short-Term Memory,LSTM)神经网络(XGBoost-LSTM)加权融合的轴承温度预测模型,通过设定报警阈值和规则,利用滑动窗口法对轴承温度预测模型的预测残差进行分析,实现对主轴轴承故障的准确预测,并通过实例验证了该方法的有效性。

四点接触球轴承钢球-沟道多点接触成因分析

针对四点接触球轴承钢球与沟道间发生多点接触引起轴承过早失效的问题,以QJ214四点接触球轴承为研究对象,建立了钢球-沟道接触模型,分析了结构参数及工况参数变化时钢球-沟道发生多点接触的成因。研究结果表明,内外圈沟道曲率半径系数或内外垫片厚度的增大可使钢球-沟道接触状态由三点接触转变为两点接触,再转变为三点接触;恒定转速时,轴向载荷的减小可使钢球-沟道接触状态由两点接触转变为三点接触;转速及轴向载荷均恒定时,径向载荷的增大可使部分钢球-沟道接触状态由两点接触转变为三点接触,再转变为四点接触。研究成果为避免四点接触球轴承在运转过程中发生多点接触而引起的猫眼圈磨损失效提供了参考。

上肢康复训练轨迹定制优化及柔顺跟踪控制

卒中后早期的被动康复训练可以促进患者脑神经重塑甚至重获肢体运动能力。多数上肢康复机器人中,只将参数化规则曲线作为被动训练的轨迹,没能融合康复医师的经验及患者的个体特征,缺乏3维个性轨迹的光滑优化;此外,训练过程中的安全柔顺交互的问题未得到解决。针对以上问题,本文基于新型末端牵引式3自由度上肢康复机器人开展轨迹个性化定制优化以及跟踪控制研究。首先,在笛卡尔空间应用导纳算法及力补偿策略实现理疗师对轨迹的定制。然后,用道格拉斯–普克法压缩原始轨迹数据得到型值点,保留初始轨迹的拓扑形状。接下来,用非均匀有理B样条曲线(non-uniform rational b–spline,NURBS)进行插值,并融合动态切换概率和t变异改进蝴蝶优化算法(butterfly optimization algorithm,BOA)优化拟合的轨迹。最后,设计基于径向基(radial basis function,RBF)神经网络的滑模自适应以及速度前馈加比例–积分–微分(proportional–integral–derivative,PID)的控制策略实现末端轨迹跟踪,并增加导纳–阻抗控制形成基于力阈值的多模式柔顺跟踪控制,保证人机交互力较大时患者的安全。结果表明:定制机器人末端轨迹的拖动力在5 N以内;改进的BOA算法具有更高的收敛速度和精度,优化的轨迹曲率和更小;轨迹跟踪控制策略可以将跟踪误差控制在6 mm内;模式切换在0.3 s内响应,能顺应较大交互力,从而提高训练的安全性。

基于自适应多分辨率分析的电动拖拉机驱动功率分配策略

燃料电池分布式驱动电动拖拉机(fuel cell distributed drive electric tractor,FCDET)能够有效解决环境污染和能源紧缺问题、推动农业可持续发展。针对FCDET牵引效率低、续航时间短、氢耗量大等问题,该研究提出了基于自适应多分辨率分析(adaptive multi-resolution analysis,AMRA)的犁耕驱动功率分配策略。首先建立燃料电池系统等效电路模型、总效率求解模型、能量耗散模型以及驱动电机响应模型。一次重构策略基于可调Q因子小波变换(tunable Qfactor wavelet transform,TQWT),获得有效反应功率信号振荡特性的子序列。二次重构策略将低频子序列经过变分模态分解(variational mode decomposition,VMD)为若干个具有特殊稀疏性质的离散子信号。然后采用麻雀搜索算法(sparrow search algorithm,SSA)实时获取VMD的分解层数和二次惩罚因子的最优组合。最后将二次分解后的子序列和子信号按照频率特性进行重构,并将重构功率信号在各个能量源之间重新分配。以ET504-H样机为对象,通过田间试验采集犁耕载荷功率需求信息,并进行驱动电机台架试验。结果表明:基于AMRA的FCDET驱动功率分配策略能够有效提高燃料电池系统的能量利用率和犁耕作业的经济性。相较于功率跟随策略和一次重构策略,燃料电池系统的平均效率分别提升了8.30%和1.82%,等效氢耗量分别降低了35.60%和11.86%;驱动电机平均效率分别提升2.06%和1.27%,总能耗分别降低3.73%和2.60%。研究结果可为FCDET控制系统研发提供新的理论基础和技术途径。

基于扰动前馈补偿的HMT换段离合器控制方法

液压机械传动装置(hydro-mechanical transmission,HMT)是一种机-液耦合的强非线性系统,在换段过程中存在外界负载扰动和建模误差等因素影响其换段品质。该研究在分析HMT组成及工作原理的基础上,建立了HMT换段过程动力学模型和线性二次型控制模型,提出一种基于扰动前馈补偿的换段离合器控制方法,借助扰动观测器估计HMT换段过程的总扰动,将扰动补偿增益引入控制器的前馈项,实现扰动前馈补偿,并设计了抑制换段过程扰动的控制器。仿真结果表明,与未采用扰动前馈补偿控制相比,扰动前馈补偿控制的扰动值最大降低了48.9%、冲击度降低了27.8%、滑摩功减少了29.6%、换段时间减少了15.3%。最后通过试验验证了所提方法在快速处理换段过程扰动的同时,可较好地提升HMT的换段品质。研究结果可为液压机械传动装置的工程应用提供参考。

Ease-off拓扑修正的准双曲面齿轮齿面修形方法

为了提升驱动桥准双曲面齿轮传动的啮合性能,针对准双曲面齿轮刀倾半展成法(HFT)提出一种Ease-off拓扑修正方法。在建立齿面共轭啮合数学模型的基础上,推导出小轮基准齿面方程,通过计算小轮实际齿面与基准齿面之间的偏差,构建出Ease-off拓扑。借助二阶多项表达式对Ease-off拓扑分解,计算出齿面失配系数,通过调整齿面失配系数构建出修正Ease-off拓扑。通过比较当前Ease-off拓扑与修正Ease-off拓扑,消除小轮当前齿面与修正齿面之间的偏差,反求出小轮加工参数。最后以一对准双曲面齿轮为例进行齿面拓扑修形与磨齿加工,实际齿面印痕与仿真结果一致,验证了齿面拓扑修形方法的有效性。齿面加载接触分析结果表明,修形后齿面接触应力分布得到了改善,实际载荷下齿面接触重合度增加,从而验证了修形方案的合理性。