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关键词： 机械动力学  

ISBN: (纸本)9787030749918

摘要： 本书是高等机械系统动力学系列图书的检测与分析部分。第1章是绪论。第2章是机械振动测试与信号分析, 包括机械振动测试的力学原理、振动测试传感器和仪器设备, 振动信号的描述、采集、处理与分析等。第3章是旋转机械参数的测试与识别, 涉及滑动轴承、滚动轴承和挤压油膜阻尼器的参数测试与识别, 转子系统边界参数的识别, 旋转机械的参数检测等。第4章是机械设备的故障监测与分析方法。第5章是旋转机械故障机理与诊断。第6章是发动机动力学。第7章是机床动力学。

关键词： Ni20Cr基复合涂层   自润滑涂层   摩擦学性能   油液分析  

摘要： 高速、重载等苛刻工况下,零件因表面局部损伤从而造成整体失效,Ni20Cr涂层作为一种应用较为广泛的金属耐磨材料广泛应用于机械制造、石油冶金、造纸工业等领域而得到广泛关注。研究发现,在Ni20Cr涂层中进一步掺入Ag、Mo S2等自润滑材料,一方面能够降低涂层与摩擦副间的摩擦系数并且提高涂层的抗磨损性能;另一方面,采用油液监测技术,通过检测油润滑状态下涂层中的标记元素含量来实现对摩擦件的磨损状态和磨损失效的健康监测。基于此,主要研究内容为:在45钢基体上通过亚音速火焰喷涂技术沉积Ag质量分数为10%的Ni20Cr-Ag复合层,通过SEM、XRD等方法对Ni20Cr-Ag复合涂层的微观结构和组织成分进行分析;在干摩擦与油润滑条件下通过UMT-5型摩擦试验机进行磨损试验,研究Ag的添加对Ni20Cr-Ag复合涂层摩擦学行为的影响,进一步通过亚音速火焰喷涂技术在Ni20Cr-Ag复合涂层上沉积Ni20Cr涂层,分析Ni20Cr/Ni20Cr-Ag复合涂层微观形貌。同时采用油液检测技术在不同时间段对涂层的磨损状态进行检测;在45钢基体上通过亚音速火焰喷涂技术沉积Mo S2质量分数为10%的Ni20Cr-Mo S2复合层,通过SEM、XRD等方法对Ni20Cr-Mo S2复合涂层的微观结构和组织成分进行分析;在干摩擦与油润滑条件下通过UMT-5型摩擦试验机进行磨损试验,研究Mo S2的添加对Ni20Cr-Mo S2复合涂层摩擦学行为的影响,采用亚音速火焰喷涂技术在Ni20Cr-Mo S2复合涂层上沉积Ni20Cr涂层,分析Ni20Cr/Ni20Cr-Mo S2复合涂层微观形貌。同时采用油液检测技术在不同时间段对涂层的磨损状态进行检测;通过球盘摩擦磨损实验分析Ni20Cr/Ni20Cr-Ag,Ni20Cr/Ni20Cr-Mo S2,Ni20Cr/Ni20Cr-Mo S2/Ni20Cr/Ni20Cr-Ag复合涂层在油润滑条件下的摩擦学性能。在此基础上,将球盘摩擦磨损实验与油液监测技术相结合分析多层涂层在油液中的磨损状态,从而验证多层涂层在油液监测中的应用。研究表明:采用亚音速火焰喷涂制备的涂层表面微观缺陷少,粒子扁平化明显,表面质量较好,涂层与基体结合形式主要为机械结合;在干摩擦状态下,与Ni20Cr涂层相比,Ni20Cr-Ag涂层以及Ni20Cr-Mo S2涂层,摩擦系数显著降低,涂层磨损体积显著减少,涂层的磨损类型主要为磨粒磨损并伴随着少量粘接磨损;在油润滑条件下,添加Ag前后以及添加Mo S2前后,涂层的摩擦学性能提高不如干摩擦工况下减摩效果显著,三种涂层均出现了不同程度的粘接磨损;油液监测技术可以准确分析多层涂层在油液中的磨损状态。

关键词： 人工关节   表面织构   流体动压润滑   织构化关节涂层   摩擦学性能  

摘要： 人工关节的摩擦磨损会导致颗粒物的形成，进而引起周围组织炎症和骨质疏松，限制了人工关节的使用寿命和效果，为了减少关节置换术后关节假体对人体的影响，未来对此领域的研究重点会在生物相容性，耐磨耐腐蚀等方面。因此本文在Ti-13Nb-13Zr合金表面制备HA复合陶瓷涂层，该涂层具有良好的生物相容性以及骨相容性，然后对涂层表面进行织构化处理来改善人工关节的摩擦学性能。　　为了系统地研究表面织构在人体工况条件下对关节涂层摩擦磨损性能的影响，更好的发挥织构优良的减摩耐磨性能，以提高人工关节的寿命和稳定性。本文通过仿真和试验相结合的方式，研究人体润滑条件下织构化人工关节涂层表面的减摩耐磨性能。主要研究内容如下：　　(1)介绍国内外对于人工关节及表面织构摩擦磨损特性的研究概况，分类总结其应用现状，并据此陈述表面织构化对人工关节涂层表面摩擦磨损性能的影响，明确本文的主要研究目标：人体润滑条件下不同形貌织构对关节涂层摩擦学的影响。　　(2)以流体动量守恒方程N-S方程为理论基础，建立织构化关节表面流体域的流体润滑状态计算模型，并对织构流体域进行有限元仿真分析，通过仿真分析结果，表明不同形貌织构对人工关节涂层表面润滑效果的影响，同时还探究表面织构在不同人体工况条件下对流体域油膜承载力的影响，并分析其润滑特性，探究不同人体工况下织构的润滑效果。　　(3)为研究不同形貌织构对关节涂层摩擦磨损性能的影响，首先在Ti-13Nb-13Zr合金试件上制备轻基磷灰石/氧化锆复合陶瓷涂层，然后利用飞秒激光加工技术在涂层上加工出参数较优的圆形、方形和环形织构;在模拟人体润滑方式、人体温度等条件下进行摩擦磨损试验，通过试验得到磨损量、磨痕深度、摩擦系数等三种参数。通过对试验数据的统计分析，探究耐磨性较好的涂层织构形貌，和不同形貌织构所适应的最优人体工况条件。实际试验结论与仿真得到的结论相比较分析，为人工关节的设计和制造提供参考。

关键词： 椰子采摘机器人   机械设计   工作原理  

摘要： 椰子采摘是一个复杂的过程，劳动力成本高，会对销售产生负面影响。开发一种椰子采摘机器人，利用机械臂和圆锯来提高椰子采摘过程中的劳动效率，在一定程度上降低了人工登高采摘椰子的危险系数。描述椰子采摘机器人的概念，对椰子采摘机器人的整体结构机械系统进行设计，包括传送履带系统、采摘系统等。

关键词： 钨合金   切削仿真   正交实验   刀具磨损   激光辅助切削   纳米颗粒润滑  

摘要： 钨合金由于其高密度、高硬度、高导热性、优异的延展性、良好的导电性和抗氧化性等特性,被广泛应用于航空航天、军事工业、核能产业、光电科技、集成电路与半导体技术等领域,并有着越来越广泛的应用前景。传统的超精密切削加工得到的表面质量不足以满足未来更高的加工需求,并且刀具磨损非常严重,这阻碍了钨合金相关应用的发展。本文对钨合金超精密切削这两方面的问题进行了探索性的研究。首先,本文开展了钨合金材料性能研究,利用光学显微镜和电子显微镜表征了钨合金的显微组织结构和成分,利用纳米压痕技术测量了钨合金钨相和粘结相的弹性模量以及硬度,通过室温和高温拉伸实验并结合前人的资料拟合了钨合金的JohnsonCook本构模型。其次,采用光滑粒子流体动力学方法开展了钨合金二维微切削仿真研究,分析了切削过程中的温度分布、应力分布和切削力,研究了切削温度、切削速度和切削厚度对切削状态的影响,结果表明:升高温度可降低屈服应力和切削力;增大切削速度使应力更加集中,但会增大切削力;减小切削厚度能减少切削力的振动,但受到刃口圆弧半径的影响。最后,通过一系列切削实验对钨合金的超精密加工和刀具磨损抑制方法开展了探索。利用正交实验研究了转速、进给和刀具种类因素对切削的影响,得到了最佳表面粗糙度参数和最小刀具磨损参数。开展了激光辅助切削、椭圆超声振动辅助切削和纳米石墨颗粒润滑切削实验研究,对比普通切削,激光辅助切削在较短切削距离下能改善加工质量,超声振动辅助切削改善的效果最好,纳米石墨颗粒润滑对刀具磨损起到了一定的抑制效果。

关键词： 保持架   高速滚动轴承   动力学   有限元法   打滑  

摘要： 高速滚动轴承广泛应用于新能源汽车领域,是驱动电机的核心动力部件。为保证高速轴承的正常运行,对保持架的要求越来越严格。相较普通轴承保持架,高速轴承保持架受力更复杂、运行条件更苛刻,在薄弱处容易发生破损甚至断裂,因此对保持架进行结构优化和动力学分析是十分必要的。本文首先以高速电机中使用的深沟球轴承6206为研究对象,对其保持架的结构进行了多目标优化,其次基于浪形保持架提出了一种新型保持架结构,并对其动态特性进行了分析。主要研究内容如下: (1)根据Hertz点接触理论分析了保持架的受力情况,给出了保持架的动力学微分方程组,对保持架的转速进行了理论分析。针对ANSYS Workbench进行高速轴承隐式动力学仿真时不收敛的情况,分析了不收敛的原因,并给出了解决方法。 (2)针对保持架在高速运转时因离心应力作用导致变形甚至是断裂的问题,对保持架的结构参数进行优化。根据运转工况确定了保持架的材料,并建立了有限元模型,通过改变保持架的根部厚度、梁的宽度、减重凹槽半径三个结构参数,对保持架的应力与变形进行仿真分析。采用正交设计与多岛遗传算法对保持架的结构参数进行多目标优化,确定了最佳优化方案。结果表明,优化后保持架所受的最大离心应力降低了45.8%,最大变形量降低了35.5%,质量降低了18.71%,有效避免共振的比例提高20.22%～53.15%。 (3)基于传统的浪形保持架提出了一种新型卡扣式保持架结构,对两者进行了有限元仿真,并对卡扣式保持架的打滑以及质心轨迹等动态特性进行了分析。结果表明,在相同工况下,卡扣式保持架比传统浪形保持架的结构稳定性更优;随着轴承内圈转速的提升,卡扣式保持架的打滑率增加、质心涡动率降低;随着轴承径向载荷的增加,卡扣式保持架的打滑率减小,质心涡动率降低。 本文研究内容有望为高速轴承保持架的多目标优化设计提供一种新的研究思路。对新型卡扣式保持架的相关研究结果有助于分析保持架动态特性的影响因素,为保持架的结构创新提供了一个新方向。

关键词： 运输机驱动轮   渗层强化   渗层组织与性能   数值模拟   抗磨机理  

摘要： 牵引式运输机已经成为丘陵山地运输机械化中不可或缺的一环。该类型运输机主要依靠驱动轮上的V型绳槽与钢丝绳接触界面产生的摩擦力进行动力传递。但应用实践表明,随着使用时间与运输距离增加驱动轮绳槽存在严重的磨损问题,磨损后绳槽变宽导致驱动系统打滑失效,极大地限制了运输机在丘陵山地的使用寿命和承载能力。为此,本文采用热扩散渗层强化技术在驱动轮表面制备渗B层、渗V层以进行抗磨强化,并对强化后的驱动轮接触界面进行“接触特性-渗层组织与性能-界面摩擦-服役磨损”多角度系统研究,并构建了渗层强化驱动轮的磨损模型,解析了强化后的抗磨机理。本文的主要研究内容和结论如下:（1）绳-轮受力分析与接触特性。推导了钢丝绳缠绕驱动轮张力的表达式,并观察驱动轮各绳槽的磨损情况,总结驱动轮绳槽磨损与钢丝绳张力变化规律的关系;推导了驱动系统最大曳引力计算公式,发现预紧力、缠绕圈数、包角和摩擦系数是影响驱动系统曳引力的主要参数,并依据最大曳引力计算公式,得到满足运输机最大承载重量的运行需求为绳-轮接触部位摩擦系数须达到0.23以上;基于钢丝绳在驱动轮接触点的分布规律,求解每个接触点所受的径向平均压力,为后续摩擦试验提供轴向载荷的数据支撑;建立绳-轮有限元模型,对驱动轮接触界面进行数值模拟,结果表明接触界面最大应力值为319.12 MPa,将该结果与Hertz弹性接触理论所求得的接触区域最大应力进行比较,验证了绳-轮有限元模型的准确性,并通过模型确定了接触部位的磨损形式和磨损区域。（2）渗层强化驱动轮组织与性能研究。根据驱动轮失效形式,在驱动轮表面进行热扩散渗B和渗V层强化,并对其组织性能进行研究。结果显示,制备的渗层具有一定厚度且均匀致密。其中渗B层主要由Fe B和Fe2B组成,其硬度值为13.45 GPa,杨氏模量值为489.47 GPa,腐蚀速度为8.14×10-6g/m2·h;渗V层主要由VCx组成,其硬度值为22.08 GPa,杨氏模量值为310.65 GPa,腐蚀速度为6.14×10-7g/m2·h;与基材相比,渗层的力学性能和电化学腐蚀性能均得到显著改善。在摩擦特性测试中,在干燥环境下,45钢、渗B层和渗V层的摩擦系数分别为0.58、0.44和0.47,渗层后摩擦系数下降,表明摩擦特性得到提升;在油润滑条件下,45钢的摩擦系数降至0.12,而渗B层和渗V层的摩擦系数分别为0.27和0.29,这说明油润滑可以有效减轻摩擦,但未处理45钢在油润滑条件下的摩擦系数过低,无法满足驱动系统承载能力需求。（3）渗层强化驱动轮摩擦磨损性能研究。模拟工况下开展渗层强化驱动轮摩擦磨损性能研究。在摩擦磨损试验机中进行绳-绳槽摩擦磨损特性参数优化试验,采用正交试验极差分析法研究各参数对绳槽摩擦磨损特性的影响程度,结果表明载荷和表面接触材料对绳槽摩擦磨损特性的影响较为显著,而润滑条件和相对滑动速度的影响较为小;此外,在20 N、7 mm/s、渗V层、油润滑的工况下,驱动轮绳槽的摩擦磨损性能达到最优,并符合驱动系统承载能力的要求。通过自制模拟台架,测试在不同条件下基材和强化驱动轮在台架试验后的磨损损失,试验结果显示,渗B层和渗V层驱动轮在干燥和油润滑状态下的磨损量分别为基材驱动轮的1/7、1/5、1/9和1/8,表明渗层强化可有效提高驱动轮耐磨性。最后基于强化后绳-轮有限元模型模拟了强化驱动轮的磨损过程,揭示了强化驱动轮的抗磨机理。

关键词： 刀具磨损   电流信号   特征集演化   BP神经网络   遗传算法   LabVIEW  

摘要： 作为离心泵的核心部件,叶轮流道的铣削质量直接决定了离心泵的运转性能。刀具是叶轮铣削加工过程中的主要执行部件,如果刀具磨损严重,不仅会降低叶轮的加工质量,还会影响生产效率、提高生产成本。目前,刀具磨损状态监测主要依靠人工识别,这种方法不仅会打乱加工节拍、造成刀具的浪费,而且还存在着一定的误差和不稳定性。因此,如何实现叶轮铣削进程的刀具磨损状态在线监测需要进一步研究。鉴于此,本文的主要研究内容如下:首先,通过对国内外刀具磨损状态在线监测方法的研究现状进行分析,选择了机床主轴电流信号作为刀具磨损状态的监测信号;根据刀具磨损的基本原理,将刀具磨损状态分为三个阶段:初期磨损、正常磨损和急剧磨损;按照刀具磨损状态三阶段提前制备刀具、搭建数据采集实验平台、编写数据采集程序并且设计实验步骤。其次,对采集到的有效电流信号和机床主轴热变形值进行数据预处理,形成了156个信号样本;在对信号样本分别提取时域、频域和时频域特征后,得到了32个能够反映刀具磨损状态变化的特征,形成了特征空间为32*156的原始特征集;为了提高对刀具磨损状态的表征能力,使用样本敏感度检验和深度自编码器对原始特征集进行降维,形成了特征空间为12*116的低维特征集,实现了特征集从高维到低维的演化。再次,利用BP神经网络搭建了刀具磨损状态识别模型,将低维特征集映射到三种刀具磨损状态,达到了刀具磨损状态识别的目的,识别误差为11.13%;针对BP神经网络模型的局限性,为了提升网络识别性能、降低识别误差,提出了一种基于遗传算法优化BP神经网络的初始权重和偏置的方法。结果表明,相较于传统BP神经网络,基于遗传算法优化后的BP神经网络对刀具磨损状态的识别准确率提高了5.42%;在此基础上,基于GA-BP神经网络识别模型对不同的特征集建立方法进行了比较分析。对比结果表明,相较于传统特征提取,本文所提的特征集演化方法可得到对刀具磨损状态变化具有强表征能力的低维特征集,并且识别的准确率可达94.59%。最后,基于Lab VIEW平台编写了刀具磨损状态在线监测系统,该系统结合训练好的GA-BP神经网络可实现加工过程中的电流信号和刀具磨损状态实时可视化显示,实现了叶轮铣削进程的刀具磨损状态在线监测。该系统的应用体现了本文研究方法在工程应用方面的价值,实现了科学研究成果向实际工程应用的转化。

关键词： 润滑状态   花键联轴器   磨损   振动特性   综合啮合刚度  

摘要： 机械传动系统中大量使用的花键联轴器是一类重要的基础零部件,在旋转过程中主要起到传递扭矩的作用,通常是设备的故障常发部位,也直接影响传动系统甚至整机的运行状态和可靠性。花键联轴器在启制动过程以及转速和扭矩出现波动时会产生磨损和振动等问题,且与润滑状态有着直接关联。主要研究成果包括以下四个方面:1、在理论方面对油润滑下的花键联轴器的润滑状态进行划分,确定弹流润滑、混合润滑以及无润滑状态三种典型润滑状态;对花键的典型磨损形式、失效特点及磨损原因进行分析和归纳,定性阐明润滑状态影响磨损的物理机制与变化规律;提出一种考虑润滑状态的花键综合啮合刚度和综合啮合阻尼的方法,建立花键联轴器动力学模型,进行不同润滑状态下的花键联轴器的振动特性的理论分析。2、在仿真方面研究了考虑不同润滑状态的花键啮合刚度和油膜接触刚度的有限元仿真方法,将仿真结果与理论计算值进行对比,验证了花键综合啮合刚度计算的准确性。基于仿真所获得的刚度结果,利用所建立的花键联轴器动力学模型进行不同润滑状态的振动响应仿真分析。3、在带有花键联轴器传动的轧机试验台上,进行空载和不同轧制工况下的轧机结构振动测试,获得不同润滑状态下的轧辊轴承座的加速度响应信号。对试验前后的花键联轴器进行解体检查,对接触齿面采用超景深3D电子显微镜进行拍照,分析不同润滑状态下花键联轴器的磨损形貌。基于实测结果建立了不同润滑状态花键的磨损与振动特性的关联。4、根据试验测试结果,对比分析了花键联轴器在不同润滑状态下的轧辊轴承座的加速度响应信号的时域和频域特征,其中实测加速度信号的EEMD分解及其重构信号的峭度和有效值的聚类特征具有显著差异。将仿真结果与试验结果进行对比,具有一致性。本论文通过理论分析、仿真模拟和试验测试对比,着重研究弹流润滑、混合润滑和无润滑三种典型润滑状态对花键联轴器的磨损及振动特性的影响规律,为花键联轴器的设计、使用和维护提供了重要依据。

关键词： 身管材料   内弹道   摩擦磨损性能   仿真研究  

摘要： 现代战争要求火炮具有更高的初速和更快的射速,使得身管内膛在内弹道过程中的机械磨损行为更加严重。因此研究身管材料在不同条件下的摩擦磨损性能,可为减少身管机械磨损,提高火炮性能提供理论参考。本课题以PCrNi3Mo V钢材料为研究对象,采用摩擦磨损试验、微观成分表征与有限元仿真相结合的方法,对PCrNi3Mo V钢材料摩擦磨损性能展开研究。选用H90黄铜对PCrNi3Mo V钢材料在不同条件下的摩擦磨损性能测试,结果表明,PCrNi3Mo V钢材料在高温、高载荷、高速磨损条件下表面摩擦系数均降低,但高温环境对材料磨损质量影响很小,载荷和转速提高会明显增大磨损质量。载荷从50 N提高到80 N磨损质量增加70%;转速从600 r/min提高到1000 r/min磨损质量增加78%。通过SEM微观形貌结合EDS元素分析表明,PCrNi3Mo V钢材料主要磨损机制为粘着磨损和疲劳磨损,在高温环境下会有磨粒磨损行为产生。利用ABAQUS软件对H90黄铜/PCrNi3Mo V钢摩擦副在不同条件下的摩擦磨损行为进行仿真分析。结果表明,提高往复摩擦速度、压力和初始温度后,PCrNi3Mo V钢材料磨损区域等效应力、应变和温度增大,能够有效的模拟出PCrNi3Mo V钢材料在不同条件下的严重磨损行为。建立膛线身管、弹丸和弹带有限元模型,在不同初始温度和装药条件下对身管内膛机械磨损行为进行仿真研究,结果表明,内弹道过程中身管内膛在距离膛线起始端约400 mm处发生的机械磨损行为最严重。增加装药量会使身管内壁接触压力和温度增大,易发生严重磨损行为;增加模型初始温度会使身管内壁温度升高,接触压力降低,对身管内膛机械磨损行为影响较小。本课题对PCrNi3Mo V钢材料的摩擦磨损性能试验和仿真研究,可为火炮内膛机械磨损行为研究和火炮身管延寿技术提供理论参考和实际应用价值。