关键词： 移动伸缩堆料机   桁架结构拓扑   离散元仿真   液压系统  

摘要： 近年来中国工业技术发展迅速,装备制造业的技术水平和研究规模也在持续进步,对国内输送机械相关行业来说,提升产品的竞争力已然成为发展的关键。移动伸缩堆料机是堆料机产品系列中一种新兴机型,给行业的进步填充了新的活力。相较于以往堆料机型,移动伸缩堆料机具有很多优异的特点,包括灵活便捷的可移动特点;不受工作场地限制,能够显著减少占地面积,提升实际工作空间利用率;操控便捷的作业形式;高效稳定的物料处理能力以及低廉的检修保养成本等等。然而受限于当前行业困境,国内对此类新兴机型的研发进展缓慢、缺乏足够的设计经验与技术储备。为此,本文将根据企业实际,以某小型堆料原型机的桁架结构为基础进行分析,进而探索开发新机型。首先基于设计指标进行理论计算与参数建模,进而利用Ansys workbench进行力学性能仿真,评估应力应变集中位置,随后进行优化设计并添加结构强化件,校核结构刚度、强度,同时提出改进方案;随后以原型机一、二级桁架结构为基础,对臂架结构进行拓扑优化,得到对应的异形结构,进而结合企业提出的便于运输、结构稳固和轻量化等要求,对新机型整体桁架部分进行设计。接着,本文对新型堆料机物料系统输送能力及相关部件进行设计计算,分析确定合适的皮带参数,随后基于物料属性和运行数据,借助离散元软件EDEM进行物料输送性能仿真,验证堆料机的通过能力。进而改变输送能力参数和相关处理数据,探究输入参数变化对整机堆垛能力的影响规律,分析物料在皮带上的状态及堆料落料状况,合理选定高效高适配度的运行参数。最后,对新型堆料机俯仰机构进行整体方案设计与仿真,分析计算臂架在不同工况下的受载情况。进而计算选定液压缸相关参数,实现俯仰机构液压系统的整体设计,然后应用液压仿真软件Fluid SIM进行俯仰性能仿真。根据结果分析液压系统运行情况,进一步对液压系统进行优化,通过增设相关液压元件,提高系统的稳定性和安全性。本文通过对桁架结构部分、堆料机输送通过能力和俯仰机构液压系统三个模块的研究,为下一代新型大型移动伸缩堆料机的研制提供了理论支撑和技术保证。

关键词： 玉米籽粒联合收获机   优化设计   正交试验   液压系统  

摘要： 我国玉米收获经过多年的发展,机收占比率有明显的提高,但是仍然存在籽粒收占比较低、高含水率玉米收获损失大的问题。针对这些问题,本研究以YF8166玉米籽粒联合收获机和多功能脱粒清选试验台为基础,开展了脱粒装置控制系统设计和玉米收获试验研究,改进优化了原机的滚筒转速和凹板间隙控制装置,以PLC为核心对两者进行控制。本文的主要研究内容和结论包括以下几点:(1)以YF8166玉米籽粒联合收获机为参考,分析了滚筒转速无极调节装置的原理,并对其进行了阀控缸液压控制系统改进,构建了液压回路,进行了液压缸参数的计算、三位四通电磁比例换向阀的选型与参数分析和其他液压部件的选型;对凹板间隙调节装置进行了电气化改造,对其工作过程进行了实地验证。使用Amesim软件进行了液压系统的仿真试验,验证了PID控制器对系统的优化性能。(2)在改进了滚筒转速与凹板间隙调节装置的基础上,对转速传感器、变频器、PLC和模拟量扩展模块进行了选型,构建以PLC为核心的电控系统。对滚筒转速与凹板间隙的控制流程进行分析,编写了参数调整相关软件程序。(3)本文以含水率32%～34%的郑单958带皮玉米果穗为试验材料,以滚筒转速、凹板间隙和喂入量为试验因素,以破碎率、未脱净率、夹带损失率和含杂率为试验指标,开展了三个试验因素的单因素试验。筛选出较为优势的每个因素的三个水平,以此为基础进行了正交回归组合试验,对正交试验数据进行方差分析和响应面分析,最终得出了以破碎率为主要评价指标的收获机最佳工作参数组合:滚筒转速水平为346.5r/min,凹板间隙水平为45mm,喂入量水平为9.7kg/s。进行三次重复试验得到破碎率平均值为6.311%,与响应面分析得到的6.241%相近,此时未脱净率为0.187%,夹带损失率为0.912%,含杂率为4.251%。汇总前人的试验结论,针对玉米籽粒含水率24%～34%的玉米收获给出了最优参数组合。

关键词： 海底钻机   试验台   机械系统   液压系统   Abaqus  

摘要： 海洋作为地球上最广袤的资源宝库,不仅蕴藏着丰富的煤、石油、天然气等化石能源,还富含多金属硫化物、富钴铁锰结壳、多金属结核等矿产资源。在陆地资源日渐消耗但经济社会发展对资源需求进一步扩大的背景下,世界各国都加大了对深海资源的勘探力度。深海海底钻机作为一种勘探装备,在开展海洋地质研究、资源和地质勘探中发挥着越来越重要的作用。为了能够更好的探究海底钻机在高压环境下的钻进过程,论文开展了高压环境下海底钻机钻进试验台研究与设计,并运用Abaqus进行了孕镶金刚石钻头钻进中硬岩层有限元仿真与实验探讨。具体研究内容如下: 首先,介绍了论文的研究背景、研究现状、主要研究内容和相关研究路线。论文对研究背景及意义进行了阐述,并概述了深海海底钻机和钻机试验台的研究现状;针对目前深海海底钻机发展迅速而海底钻机试验台缺少的现状,提出研制高压环境下海底钻机钻进试验台,明确了论文研究内容,制定了相关研究路线。 其次,完成了试验台整体方案设计、机械系统设计以及液压系统设计。在总结国内外深海海底钻机相关技术参数的基础上,完成了试验台技术要求和设计参数的设定,制定了试验台工作原理和设计方案;根据设计方案完成了对试验台机械系统和液压系统设计:机械系统设计包括试验台台架和钻机设计;液压系统的设计包括推进油缸计算设计、液压马达和液压泵计算选型、液压阀选型、阀块设计、油箱设计以及整个试验台液压泵站设计等,并对液压系统进行了升温校核,验证液压系统能够满足试验台设计要求。 之后,运用Abaqus仿真软件进行了孕镶金刚石钻头钻进中硬岩层的有限元仿真分析。选用孕镶金刚石钻头和中硬岩层,建立其简单几何模型,并对模型进行材料属性赋予,网格划分,分析步、接触、载荷和边界条件设定,建立了钻头钻进中硬岩层的有限元模型;在模型基础上,开展了钻进过程的有限元仿真分析,得到了钻进中硬岩层的等效应力云图;通过设定不同的钻压和钻头转速,得到了不同钻进参数对钻速、钻进位移的影响。 最后,完成了海底钻机钻进试验台的搭建、性能实验以及钻进实验。进行了海底钻机钻进试验台的加工、制造、组装,并对组装完成的液压系统进行水下实验,验证油箱密封性能和系统散热性能良好;之后进行了海底钻机钻进试验台的钻进实验。

关键词： 生物质压块机   正交试验   结构设计   液压系统   有限元分析  

摘要： 为减少化石能源的使用,需要我国增大对可再生能源的开发力度。而生物质能源属于可再生能源的一种,具有原料广泛、污染较小的优势。在诸多生物质能源的利用装置中,生物质压块机是较为清洁,研发较为普遍的设备。为改善传统生物质压块机占地面积大、生产效率低、能耗高以及关键零部件磨损严重等缺点,本文提出了一种新型的立式生物质压块机的设计方案,具体研究内容与结论如下:1)进行生物质压块成形单因素试验以及正交试验的探究,对试验中获得的试验数据进行分析,得出影响生物质压块成形的较优因素组合是:成形压强为40Mpa,含水率为15%,保压时间为20s。所得的较优因素组合可为下文新型自动生物质压块机的结构设计与液压系统设计提供数据支持。2)对新型生物质压块机的结构进行设计,并根据上文试验所获数据设计出新型生物质压块机的主要技术参数。所需要设计的主要结构包括:储料机构、推料结构、压缩室结构、闭锁结构。随后使用三维建模软件对上述结构进行仿真建模,并进行装配。3)对新型生物质压块机的动力装置进行设计。由于液压传动具有换向快速、成本较低、运行平稳的优点,故新型生物质压块机选择了液压传动的控制方案。首先根据方案的控制要求,绘制出液压系统的控制原理图,随后根据经验公式进行计算液压元件的型号,并进行了压力损失与温升的验算,并根据验算结果选用了冷却器。4)对主压缩阶段压缩室内关键零部件受力受热进行有限元模拟仿真分析。通过workbench有限元分析即可得到生物质原料在指定压力和指定速度下被压缩成形时,压块产品的温度与其表面成形效果以及压缩室内主要结构的应力、应变以及温度的变化情况。结果发现:压缩室内各个结构的最高温度小于45号钢可承受的最高温度,且压块产品的整体温度已达到木质素顺利软化的最低温度;压块产品的表面成形较好,表面较为光滑平整;主压缩保压阶段压缩室内所产生的最高应力小于45号钢在此工作环境下的许用应力,符合使用要求;最大等效弹性应变较小,主要出现在闭锁插板与生物质材料的接触面以及闭锁插板与压缩室外部框架的接触面,对成形结构影响不大。

关键词： 液压系统   调压阀   流动特性   低温性能  

摘要： 低温、高黏状态下机油的流动特性研究是液压系统向高端装备发展的需要，调压阀是常用的溢流稳压部件，其极端情况下的流动特性对于液压系统而言十分重要。目前，关于低温、高黏阀的内部阻尼孔、阀口等节流结构的研究较为缺乏，由于低温、高黏度限制，工程上多以强行挤压的试验为主，通过大量总结流量-压力规律来指导结构设计，该方法耗资、耗力，对于简单结构如圆管、方管、阻尼小孔较为有效，而对于复杂的阀口等结构低温试验不宜展开。本课题从非牛顿流体视角研究低温机油的流动特性，以计算流体力学流场仿真探寻调压阀低温工况下的流动规律，设计并改善调压阀的低温性能。　　首先，考虑到低温机油的剪切变稀特点，利用流变仪测试 10W40 机油的流变特性，得到其低温下剪应力与剪切速率的关系，并在ORIGIN软件中对数据进行非线性最小二乘拟合，获得机油非牛顿幂律流体模型的流变参数。在COMSOL 软件中以幂律流体模型对调压阀内部阻尼孔、阀口、阀芯环缝间隙的低温流动进行流场仿真，研究各自的流量-压力特性，观察局部低压区、黏度分布等情况，总结相关流动规律。　　其次，在正常工况下设计调压阀结构，通过数学模型建立 Simulink 静、动态仿真模型，结合流场仿真所得低温流动规律，对调压阀正常、低温工况下的静特性、动特性进行仿真分析，在不同低温情况下分析阀芯阻尼特性，以减小先导定压、减小阻尼孔长径比的方式改善调压阀的低温性能，仿真结果满足-20℃时调压阀的使用。　　最后，加工并搭建负载模拟试验台，对低温下阻尼孔的节流特性进行验证。在不同低温、入口速度下对长径比不同的阻尼孔进行测试，试验结果与流场仿真结果较为一致，表明本课题以非牛顿幂律流体视角研究低温机油的流动特性是可行的，该方法可避免大量重复性试验，为低温机油流动性能研究提供一定思路。

关键词： 锚护机器人   履带行走   机械钻臂   液压系统  

摘要： 现阶段煤矿开采向着智能化和无人化的方向进行发展。矿用锚护机器人是综掘工作面的主要设备之一,矿用锚护机器人的技术进步与发展直接提高了掘进工作面的生产效率。针对井下复杂的恶劣环境,矿用锚护机器人的智能化与无人化研究是迫在眉睫。目前矿用锚护机器人液压系统效率低下、难以实现整机的智能精确位置控制,严重影响综采工作面的工作效率,是煤矿智能化开采的阻碍。本文首先以矿用锚护机器人的行走工况与锚护工况为主要研究对象,确定了液压系统的型式、设计了液压系统原理图,通过对行走、转弯、卷缆、锚护各工况下参数的计算确定了液压系统功率,完成了液压系统关键元件及辅件的选型,根据整机排布空间,完成了液压油箱及动力单元的专门化紧凑设计。为矿用锚护机器人系统关键回路的优化及控制特性研究提供理论性帮助。其次,利用数字化的液压仿真软件AMESim,建立了矿用锚护机器人液压系统的关键元件和主要工况下的回路仿真模型并进行了仿真分析,得到了相对应的流量、压力、功率、阀芯位移等响应曲线,从各曲线中可以看出各回路的设计有一定的可靠性,验证了设计系统的准确性,针对行走工况进行了热平衡分析,建立了相对应的热液压模型,研究了不同参数变化对液压系统温升的影响,选取了最优参数,同时为减少系统的产热提供了依据。然后介绍了机械钻臂的机械结构,分别运用PID控制和自抗扰控制对整个机械钻臂的液压系统进行仿真分析。分别对这两种轨迹控制方法进行仿真,仿真结果表明两种控制方式都有一定的跟踪效果,将两种轨迹控跟踪控制结果进行误差对比分析,结果表明所设计采用的自抗扰控制器控制下的钻臂精度更高,仿真结果可为机械钻臂控制提供理论依据。最后基于履带行走控制的不足,构建机械液压控制仿真模型,进行了传统开环控制、PID控制和模糊PID控制方式下对直线同步控制以及转弯差速控制在有无外负载突变和扰动工况下的的仿真对比,分析了马达转速和系统中流量压力的变化,结果表明,模糊PID控制下的矿用锚护机器人的有更好行走控制效果。

关键词： 水下控制模块   测试装置   测试技术   流致振动  

摘要： 我国有着丰富的海洋油气资源储量,且增长潜力巨大,为了满足我国经济发展对油气资源的需求,海洋油气资源的开采将是未来的发展路径。海洋油气资源的开采,离不开水下生产系统的发展,则需要研究其核心装置,即水下控制模块(Subsea Control Module,SCM)。为实现SCM的国产化的发展,同时还需要掌握其测试技术,本文依托于“水下油气生产系统集成测试研究”项目,设计1套SCM液压系统测试装置,并对SCM液压系统测试技术进行研究,对促进SCM国产化进程具有较强的现实意义。首先介绍了 SCM液压系统的工作原理,依据当前国际标准的SCM测试流程及内容,对SCM液压系统的测试方案进行设计;根据测试方案以及被测SCM液压系统的参数,对SCM液压系统测试装置的总体方案进行设计,其测试装置包含了测试液压源和SCM测试台。根据测试装置的总体设计方案,对测试液压源和SCM测试台进行详细设计,分别从液压系统、机械结构和控制系统三个方面进行设计,并对关键液压元件进行选型计算,使用ANSYS对关键机械结构件进行静力学分析。结合SCM液压系统测试方案和测试装置性能指标之间的关系,设计了测试装置的单机测试方案,以确保水下控制模块液压系统测试结果的准确性。针对流体脉动和水锤效应易使管道系统发生流固耦合振动而失效问题,研究了测试装置管道的振动特性,并提出了减振方法。对液压管道流固耦合振动的机理、规律和振动方程进行研究;使用ANSYS的单向流固耦合法研究液压流体及管道结构对液压管道固有频率的影响,使用双向流固耦合法研究液压管道在流致振动下的响应;为解决液压管道振动问题,提出了蓄能器吸收脉动法和增加卡箍法;为提高卡箍法减振效率,使用响应面法对传统卡箍法进行优化,计算出卡箍最佳的安装位置。测试液压源和SCM测试台研制完成后,根据其单机测试方案,完成其单机测试试验,验证测试装置自身性能符合设计要求。之后再根据SCM液压系统测试方案,使用该测试装置完成SCM液压系统的测试试验,验证SCM液压系统的功能及性能符合测试标准。

关键词： 自移机尾   液压系统   模糊PID   改进的灰狼优化算法   AMEsim   Simulink  

摘要： 自移机尾作为综采工作面运输系统的重要组成环节,联接桥式转载机和顺槽胶带机的关键枢纽,主要功能是在工作面推进过程中配合转载机推进并实现皮带机尾的协调移动;接受来自转载机的物料,并转入皮带系统。自移机尾独特的马蒂尔结构,能够与转载机互为支点,实现迈步自移动作,同时纠正机身与皮带中心线的偏差,所有动作均由配套的液压系统实现。而现有的自移机尾均是手动操作,一定程度上降低了物料的输送效率,并且加大了操作工的劳动强度,因此急需提髙自移机尾的自动化程度。本文针对自移机尾的结构特点,研究并设计一套自移机尾自动控制系统,主要控制自移机尾的迈步自移、同步提升、机身的自动纠偏,其后者是控制的难点和关键。本文首先对自移机尾的组成与工作原理进行了简单的介绍,设计了液压控制系统,并在此基础上对整个液压控制系统进行了数学建模。为解决参数的实时调整问题,提高系统的自我调整能力,本文设计了一种基于改进灰狼算法优化的模糊PID算法,设计了模糊PID控制器与基于改进灰狼优化的模糊PID控制器,并将两种算法进行仿真实验对比,结果表明优化后的模糊PID控制器有更好的控制性能。又根据自移机尾控制系统自身的功能,对自移机尾电控系统的硬件电路进行了设计。由于系统涉及到摩擦副、液压系统以及控制算法等多个领域,因此,选用AMEsim仿真平台来构建系统的虚拟模型,并联合Simulink实现整个系统的仿真。仿真结果表明,基于改进灰狼优化的模糊PID控制器能够自动控制自移机尾实现迈步自移、同步提升、自动校正的动作,并且很好的减小系统超调,抑制振荡并且提高了响应速度。该论文有图91幅,表7个,参考文献85篇。

关键词： 液压系统   油液污染   响应面法   可靠性建模   可靠性评估  

摘要： 数控机床作为制造业的“工业母机”,被称为“制造机器和机械的机器”,是国家工业发展的压舱石。国产装备制造业取得了举世瞩目的成绩,数控机床起到了重要作用。但是,与国外先进品牌相比,国产数控机床可靠性水平较低,市场份额和品牌口碑由此遭受负面冲击。液压系统的可靠性一直是影响数控机床整机可靠性的关键因素。数据表明,液压系统的故障主要集中在阀件部位,而阀件的故障绝大多数是由油液中污染物颗粒引起。本文以数控机床液压系统为研究对象,面向液压系统和关键元器件的油液污染问题开展了可靠性建模研究,为其可靠性工作提供基础。论文主要研究内容如下:(1)基于均匀试验的工况因素对数控机床液压系统油液污染的影响规律研究。首先,通过与正交试验设计方法的对比,基于均匀试验方法设计并开展工况因素影响油液污染的可靠性试验;然后,通过对试验数据进行预处理,得到多工况因素和单工况因素对油液污染物颗粒变化量的影响趋势;最后,通过均匀试验回归分析,构建工况因素对油液污染物颗粒变化量的函数关系,揭示工况因素对污染物颗粒变化量的影响规律。(2)基于深度密度聚类算法的污染物尺寸因素对液压系统性能的影响研究。首先,以回路中的溢流阀作为试验检测对象,进行污染物颗粒尺寸因素对液压系统的油液污染检测试验,将油液经过溢流阀前后的压力差作为指标,间接表征污染物颗粒对阀芯的磨损;然后,通过深度密度聚类算法,将影响阀件磨损的污染物颗粒按照颗粒尺寸因素进行聚类分析,确定可靠性建模的随机变量;最后,根据产生主要影响的污染物颗粒数量,推导得到随机变量数量权重值的计算公式。(3)建立基于响应面法的油液污染可靠性模型。首先,针对实际工况下液压系统油液污染可靠性与污染物颗粒之间存在的隐式极限状态函数的问题,论证响应面模型在油液污染可靠性建模研究中的适用性;其次,引入降维近似法和权重分配,基于响应面法建立油液污染的可靠性模型;然后,引入自适应函数形式与动态迭代步长,通过求解可靠性模型得到液压系统油液污染故障概率的函数解析式;最后,通过试验算例,验证可靠性模型的准确性。(4)选用MATLAB作为软件开发平台,设计并开发基于响应面法的数控机床液压系统油液污染可靠性评估系统,集成可靠性试验数据预处理模块、工况因素对污染物颗粒变化量的分析模块、基于响应面法的液压系统油液污染可靠性建模模块,并通过工程算例检验系统的实用性和准确性。

关键词： 脉冲试验台   液压系统   模糊PID控制   粒子群算法   控制系统  

摘要： 随着我国航空液压系统的快速发展,液压系统的密封性越来越得到重视,密封件可靠性试验、疲劳测试、抗冲击测试等试验标准相继出台。面对大量测试需求,脉冲试验设备随之出现。在高压高升率脉冲试验设备领域,国内可以提供合格产品用于密封件测试的公司较少。脉冲设备主要依赖国外进口,高昂的价格限制了众多公司和研究院对密封件脉冲疲劳性能的检测。本课题根据公司实际项目需求,研发高升率脉冲试验台,为密封件提供脉冲疲劳测试平台,主要研究内容如下:首先,对国内外脉冲试验台研究现状进行调研,在此基础上根据我国GJB3849航空液压系统元件测试标准及脉冲试验台技术指标,分析实现高升率压力脉冲的技术难点,完成了脉冲试验台液压系统原理图与试验台总体结构的设计。其次,对阀控非对称缸进行数学建模,为建模仿真提供理论基础。利用AMESim搭建了液压系统仿真模型进行分析,通过对比仿真结果与脉冲试验标准,验证了仿真模型的正确性。基于仿真模型,分析了增压比、系统压力、蓄能器容积与预充压力、软管容积、油液温度与含气量等因素对系统动态特性的影响,为系统结构设计提供理论依据。同时研究了脉冲压力的压升速率与工装件容积对系统流量的影响,仿真结果表明,为保证系统在试验要求工作条件下生成目标压力脉冲,伺服阀最大流量不低于250 L/min。然后,针对试验台液压系统响应速度慢、控制精度低等问题,对其控制策略进行设计与仿真研究。本文采用改进的粒子群算法对模糊PID控制进行优化,基于AMESim-Simulink设计了液压系统联合仿真模型并进行仿真。仿真结果表明,与常规PID、模糊PID控制相比,粒子群优化模糊PID控制对于不同波形、脉冲频率、压升速率的压力信号都具有较快的响应速度、较高的跟踪精度以及较好的鲁棒性,满足密封件脉冲疲劳测试要求,适合作为脉冲试验台的控制策略。最后,针对脉冲疲劳试验实际控制需求,设计了硬件结构的电气电路、PLC控制电路并对关键硬件进行选型,并采用Lab VIEW设计开发了控制系统软件程序,主要包括参数设置、实时控制、历史曲线以及报警记录等功能模块。基于设计的控制系统与液压系统搭建脉冲试验台,将粒子群优化模糊PID控制策略应用于脉冲试验台控制系统进行脉冲疲劳试验。试验结果表明,本文设计的脉冲试验台稳定可靠,响应压力的压升速率在700 MPa/s-1100 MPa/s范围内可调,脉冲频率最高可达4 Hz,响应压力最大超调量为0.95%,在保压阶段最大误差为0.2%,远小于脉冲试验标准允许误差±5%,满足航空液压系统密封件脉冲疲劳试验需求。