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关键词： 机械动力学   设备性能   噪声控制  

摘要： 随着科技的进步和工业化的加速，机械设备的性能和生产效率成为了工业生产的核心问题。其中，动力学特性的研究、结构优化、振动与噪声控制，以及环保机械的研发，都是提升机械设备性能的关键环节。本文深入探讨机械动力学及其结构优化，振动、噪声控制，以及新型环保机械的应用与发展，并取得了显著成果。这些成果不仅有助于提高机械设备的性能和效率，还为推动工业的绿色发展、促进人与自然的和谐共生提供了有力支持。

关键词： 刀具磨损预测   数据降噪   帧差法   神经网络  

摘要： 随着智能制造战略的稳步进行,制造行业正朝着无人化和高度智能化的方向发展。检测系统作为实现智能化的一个重要环节,为系统发出行为指令提供判断依据。其中刀具磨损预测是制造业中至关重要的问题,提前预测刀具的磨损并及时进行更换,能够降低生产成本,提高生产效率。现有的刀具磨损检测方法主要依靠对切削过程中产生的各种信号进行数据分析,研究各种信号与刀具磨损之间的相关性来判断刀具磨损量。其中在使用温度信号进行刀具磨损预测时,现有方法需要在刀具上开孔,这会影响刀具本身的加工状态,而使用切削区域温度作为检测信号,则可以避免对刀具本身影响。 本文使用切削区域温度信号作为检测信号,预测刀具磨损。首先,设计了基于帧差法的降噪算法,对数据做预处理。其次,构建了基于卷积长短时记忆网络的刀具磨损预测模型。最后,进行车削试验,采集数据,验证算法、模型的有效性。 论文主要研究内容及创新点如下: (1)设计了基于帧差法的降噪算法,去除切削屑产生的噪声。本文选择切削区域温度数据来预测刀具磨损,考虑到数据采集过程中切削屑的遮挡问题,设计了降噪算法。首先,对切削屑产生得噪声做定性分析。其次,分析了帧差法的基本原理,通过帧差法识别切削屑的位置,并去除、填充。同时,引入了卷积计算,使得算法能够增大切屑温度与刀具表面温度的差值,提高判断的精度。最后,通过试验验证了算法的有效性,结果表明设计的降噪算法能够有效的去除切削屑脱落对数据的干扰问题,所提方法相比帧差法对切削屑边缘的温度值处理的更好,去除更加完整。 (2)构建了基于卷积长短时记忆神经网络的刀具磨损预测模型。首先,设计了基于卷积长短时记忆网络的整体结构,确定了数据预处理的流程。然后,对比传统的BP神经网络,所提网络模型在不同工况下的均方根误差平均降低了0.0171,决定系数平均提高了0.30874。结果表明搭建的卷积长短时记忆网络预测模型相比传统的BP神经网络模型具有更高的预测精度。 (3)设计并进行了刀具磨损预测试验,验证降噪算法和预测模型的可行性。首先,对试验所需设备进行选型。然后,在CK6150数控车床上进行车削试验,通过间歇连续循环切削使刀具逐渐磨损直至达到预设的摩钝标准,同时确定了数据采集及处理流程。在五种不同的工况下,获得了车削过程中切削区域温度数据和对应的刀具磨损值,为降噪算法和预测模型提供数据。最后,经过对比试验,验证了降噪算法的有效性和预测模型的可行性。

关键词： 铝合金钻杆   碳纤维   复合材料   摩擦系数   磨损率   磨损机制  

摘要： 钻进过程中,钻杆的轴线一般呈变截距的空间螺旋弯曲状态,且存在自转和公转两种旋转方式。当钻杆的公转半径大于钻杆与套管的单边环空间隙时,钻杆会与套管内壁接触使钻杆磨损。除了钻杆在井内运动所导致的钻杆摩擦之外,水平钻进、定向钻进和提拉钻杆时,钻杆也会与井壁接触,从而产生摩擦磨损。磨损行为的出现,会在钻杆表面留下划痕等。钻杆外表面存在的划痕,会作为裂纹源,在一定的时间和外力作用下不断往外扩展和延伸。当裂纹扩展到一定程度,有效承载面积不足够支撑外力时,管体便发生断裂。钻杆用铝合金材料在实际使用过程中存在耐磨性不足等问题,在一定程度上限制了铝合金钻杆的应用和推广。 本文针对铝合金钻杆轻质、耐磨的需求,选择7075铝合金作为基体,选用具有良好的润滑性和低密度的碳纤维作为增强相,制备了碳纤维增强7075铝合金复合材料。通过粉末冶金法和热挤压工艺制备了7075铝合金以及碳纤维增强7075铝合金复合材料(15%CF/7075和30%CF/7075)。添加碳纤维可以降低钻杆用7075铝合金的密度,提高钻杆用7075铝合金的硬度,降低7075铝合金的摩擦系数和磨损率。 本文首先以45号钢为摩擦副在干磨条件下,对7075铝合金、15%CF/7075和30%CF/7075进行了摩擦实验。实验结果表明干磨时,碳纤维的加入对7075铝合金的摩擦性能影响较小。这是因为干磨时添加的碳纤维被完全破碎,与剥层混杂在一起,形成新的机械混杂物层并覆盖在磨痕的表面。这使得碳纤维的润滑和硬度强化效果得不到发挥。 随后在水环境下,对7075铝合金以及碳纤维增强7075铝合金进行了摩擦实验。实验结果表明,在任意载荷下碳纤维的加入都会改善7075铝合金的摩擦性能,7075铝合金的摩擦系数最多下降74%,磨损率最多下降95%。但是摩擦性能的改善效果在15%CF/7075中存在明显差异。在10N载荷下,可以在磨损面上观察到磨损的碳纤维存在,这意味着碳纤维直接参与了磨损过程。随着载荷的增加,观察到磨损面的碳纤维出现破损情况。当载荷为50N时,15%CF/7075磨损面中出现了大量破损掉落的碳纤维。由以上结果可知,摩擦过程中破损掉落的碳纤维对磨损过程没有起到有效的强化作用,只有存留在铝合金磨损表面且直接参与摩擦磨损过程的碳纤维才对摩擦性能起到有效的强化作用。此外,实验结果证明碳纤维定向方向与摩擦方向夹角对碳纤维增强7075铝合金的摩擦性能影响较小。 由于在低载荷和高载荷下,碳纤维对7075铝合金的摩擦强化机制存在区别,本文分别在低载荷和高载荷条件下改变摩擦速度,探究碳纤维在不同条件下对7075铝合金的摩擦性能的强化效果。结果表明,在载荷为10N时,任意摩擦速度下碳纤维的加入都会改善7075铝合金的摩擦性能,摩擦系数最多下降69%,磨损率最多下降99%;在载荷为50N时,任意摩擦速度下碳纤维的加入都会改善7075铝合金的摩擦性能,但是改善效果存在差异,摩擦系数最多下降49%,磨损率最多下降94%。50N载荷下,15%CF/7075磨损面中出现了大量破损掉落的碳纤维,所以15%CF/7075的摩擦性能表现出与7075铝合金一致的趋势;而30%CF/7075的磨损面中大量参与磨损过程的碳纤维仍留存在磨损面上,故具有较好的摩擦性能。 以花岗岩为摩擦副,验证碳纤维对7075铝合金的摩擦性能的强化效果。实验结果表明,在任何载荷和任何摩擦速度下,碳纤维的加入都可以明显的改善7075铝合金的摩擦性能。30%CF/7075的摩擦系数不随载荷和摩擦速度的变化而变化,稳定在0.29左右。摩擦速度为0.12 m/s时,30%CF/7075的磨损率随着载荷的增加仅有略微上升,从0.0156 mg/min增加至0.1178 mg/min,仅增加了0.1022 mg/min;摩擦速度为0.48 m/s时,30%CF/7075的磨损率随着载荷的增加从0.0289 mg/min增加至0.3156 mg/min,仅增加了0.2867 mg/min。磨损率的实际增长量非常小。这证明碳纤维的加入可以有效的改善7075铝合金的摩擦性能。

关键词： 磨矿设备   矿山机械系统   自动化改造设计  

摘要： 为解决矿山磨矿设备自动化能力不足、磨矿精度与故障问题达不到设计要求等问题，本文以某矿企为例对球磨机设备进行研究。首先，从现阶段我国部分矿企磨矿设备的生产现状角度出发，对磨矿工艺进行阐述；然后，结合磨矿设备的使用现状进行改进设计，重点对系统路线与系统自身进行改造，并将改造后的设备置于企业某实验区内进行实际工作测试。测试结果表明：半自磨机磨矿与球磨排矿的研磨粒级精度均有所提高，矿分级溢流情况也有所下降，证明本文所提改造设计具有显著效果。

关键词： 半开叶轮离心泵   固液两相流   磨损   泄漏涡   颗粒Stokes数   振动  

摘要： 半开式叶轮离心泵在输运固液两相介质时颗粒运移和泄漏涡发展之间存在紧密交互作用,加剧了泵内磨损行为复杂多变性,导致过流部件磨损破坏严重以及泵的性能降低。因此本文结合双向耦合欧拉-拉格朗日方法和颗粒磨损Finnie模型,对不同颗粒相参数下半开式叶轮离心泵固液两相流场进行求解,分析了颗粒粒径、颗粒体积浓度、颗粒Stokes数对泄漏涡结构特征、颗粒运移轨迹、磨损特性、压力脉动特性和振动的影响,揭示了颗粒-泄漏涡运移与离心泵流动特性和过流部件表面磨损规律的关联机制。主要研究内容和结论如下: 离心泵在输送固液两相介质时,少量颗粒抑制近壁面湍流,相比清水工况泵的扬程和效率最大增加9.15%,并且颗粒的撞击导致叶片载荷增大;随着颗粒粒径和颗粒体积浓度增大,颗粒的运移增加了大量能耗,泵的扬程和效率逐渐降低。泄漏涡、颗粒对叶片的冲击区域与高熵产区吻合;不同粒径的颗粒运移主导叶片表面不同区域的局部高熵产;而颗粒体积浓度增大则导致叶片表面熵产率呈现较强的波动,Cv增至7%时,泵的熵产损失增大12.3%。 利用Omega涡识别准则捕捉泄漏涡结构并结合输运方程分析涡的运移过程。小粒径、大体积浓度工况下泵内的不稳定流态加剧,原因在于进入叶顶间隙的颗粒数较多,对泄漏涡结构的频繁冲击导致涡团的破碎、脱落、融合。泄漏涡在流道内分别向叶轮出口和后盖板进行径向和轴向的拉伸及扩散。泄漏涡的发展和颗粒的运移导致叶轮的压力脉动频谱显示丰富的特征频率,较小颗粒粒径和较大颗粒体积浓度工况下颗粒对涡流的扰乱产生更多与主频幅值接近的低频脉动;大粒径颗粒在撞击过流表而时会激发更大幅值的压力脉动。 对颗粒在泵内运动轨迹进行追踪并引入可以表征颗粒跟随流体运动的能力的颗粒Stokes数分析磨损规律。随着颗粒粒径和颗粒体积浓度增大,叶轮过流部件的平均磨损率均增大。叶轮后盖板磨损严重区域分布在靠近叶片压力面侧和叶轮进口处;叶片的磨损区域主要集中在叶片前缘、压力面进水边和吸力面出水边。小粒径颗粒在泄漏涡的驱动下更易与叶片吸力面碰撞,大粒径颗粒向压力面运动趋势更强,导致叶片压力面磨损加剧。颗粒Stokes数较小时,颗粒跟随流体运动的能力更强,在叶轮内的分布更加分散,且在泄漏涡区颗粒有旋转、相互缠绕等复杂多变的运动轨迹;随着Stokes数增大,颗粒重力及惯性力在颗粒运动中起主导作用,颗粒主要堆积在颗粒后盖板及叶片压力面侧,各过流部件的磨损率增大。 基于全流场数值计算对泵进行流固耦合求解,研究流体激振力和振动特性间的关联。随着颗粒粒径和颗粒体积浓度增大,叶轮轴向力脉动主频幅值及中、高频区的脉动幅值均增加,波动增强;叶轮径向力矢量的偏移幅度增大、偏转增多。颗粒-涡运移及其对叶轮过流表面的撞击导致叶轮的振动位移和等效应力增大。叶轮转子前六阶振型主要为轴向摆动、两侧摆动和扭转振动;各阶振型的最大变形均发生在叶轮出口。