关键词： 制造物流系统   连续/离散系统   链束/节束振荡   物流动力学   混沌  

摘要： 随着现代信息技术的快速发展,制造过程的不确定干扰越来越弱,各部分联系越来越紧密,作业配合越来越协调,制造系统状态变化的离散性减弱,连续性增强,这就使得基于不确定性数学的离散事件动态系统理论对制造系统问题的研究显得理论不充分,因此论文结合现代信息技术对制造生产系统的推动、变革和发展,从生产系统物流的规划、资源配置、随机动态过程的研究转向基于系统物流结构、功能和过程的动力学本质和应用研究。论文重新对制造系统的主要物流现象进行了界定和分析,基于非线性系统动力学理论对制造系统的生产物流现象进行了深入的理论分析和仿真研究,分析了制造系统作业任务量与加工工件实体流的相互作用关系,构建了面向时间、空间、状态连续变化的制造系统的生产物流理论框架,建立了单机制造、多机串行制造和多机串/并行制造工件实体流的动力学模型,探讨了生产物流的混沌现象与控制方法,揭示了制造系统生产线工件实体流的振荡机理。论文按照多体结构理论分析了制造系统的物流结构与功能,明确了制造系统与物流系统的基本组成、结构/功能属性,提出了生产系统物流组织的“链束摆荡”和“节束振荡”的两个生产物流作业原理。按照非线性动力学理论对制造物流系统进行了动力学分析,引入多体结构理论和非线性系统动力学理论,提出了制造系统物流动力学的概念,针对制造系统连续/周期物流问题,建立了机械制造系统中的物流动力学模型,提出了制造系统物流动力学分析方法,给出了制造系统物流动力学的Duffing一般数学模型。论文分析了单自由度非自治制造物流系统在任务量激励和环境时变参数激励下的的物流振荡行为和规律,研究了制造系统物流受迫共振的振荡规律,给出了其一次近似解和定常解的稳定性条件。分析了具有自激因素的制造系统物流受迫振动的非线性和振荡行为,给出了非共振与共振两种情况下分别对应的一次近似解和定常解,以及非共振条件下自激振荡条件,进行了共振条件下定常解的稳定性分析。论文研究了由两台机器组成的制造系统进行一种/两种类型零件的串/并行制造的物流非线性动力学问题,利用Hogg-Huberman多agent宏观行为模型拟合具有串/并行结构的制造物流系统的物流动力学行为,拓展了Hogg-Huberman物流动力学模型,按照Hogg-Huberman理论即吸引子稳态理论把物流稳态不动点的寻找过程有效地转化为纳什平衡点的寻找过程,分析了两类并行制造系统的物流稳定性和分叉现象,仿真了在倍周期分叉出现后的物流混沌行为。论文提出了制造物流连续动力系统的时间离散化模型和混沌控制方法。按照制造物流连续动力微分方程与时间离散动力差分方程的映射互换性原理,通过制造物流系统的物流差分结构模型刻画了物流作业的实际过程,给出了装配物流系统的Malthus模型、Verhulst模型、Fibonacci模型、Battle模型等不同物流作业模型,分别进行了模型分析。基于制造系统物流混沌控制的理论,给出了物流混沌控制的理论依据和数学判据。论文最后给出了单自由度串行制造系统和多自由度串/并行制造系统物流动力学数学模型,设计了中间缓冲区,通过制造系统的物流仿真,分析了实际制造过程物流输出的规律与存储空间大小的联系,并且证明了存储空间量存在一个最佳有限值。

关键词： 南水北调   单网式清藻设备   静力学分析   动力学仿真  

摘要： 南水北调工程旨在缓解中国华北和西北地区水资源短缺问题,是我国的战略性工程。要使南水北调工程有效发挥社会效益,必须综合考量在调水过程中会对水质造成不利影响的各种因素,保证调水质量。近年来,南水北调中线输水渠中污染物越来越多,其中季节性爆发的浮游藻类使水体浑浊,对南水北调渠道中的水质造成较为严重的影响。浮游藻类的种类繁多,处理困难,这不仅会使受水区获得的水质下降,而且还会增加自来水厂的后期处理成本,导致南水北调工程的输水质量和经济效益明显降低,引起社会关注。因此如何保证输水渠水质和有效去清藻类成为亟待解决的突出问题。本文通过整体研究南水北调中线工程实际情况,设计研发了一种南水北调渠道单网式清藻机械设备。设备专门工作于南水北调输水渠闸口,以钢丝绳拖拽方式驱动水下的捕捉水藻的栅网装置,并由电动推杆驱动栅网倾转到清藻水箱上方,由专用冲水装置对拦藻栅网上的水藻进行清除,实现藻类的拦截、清洗与处理一体化的机械自动化设备。应用三维软件SOLIDWORKS建立了清藻系统的三维模型,导入有限元分析软件ANSYS。基于Workbench模块对三维模型中关键零部件进行结构静力学分析,得出了载荷作用下的最大变形和最大等效应力值均满足正常工作条件的结论。将SOLIDWORKS建立的三维模型导入多体系统动力学分析软件ADAMS,通过View模块对倾转机构进行了动力学仿真与分析,得出机构指定点的运动轨迹,并获得机构运动的速度、加速度等曲线,能够满足机械动力需要。本文所设计的清藻机械设备已经用于南水北调中线渠道,经试验验证,设备具有便于操作、效果明显、自动化程度高、绿色环保的特点,满足机构灵活性与制造工艺性要求,对南水北调输水清藻有一定的指导意义。

关键词： 非光滑动力学系统   分岔/混沌控制   线性反馈控制   Hopf分岔   Schur-Cohn稳定性判据  

摘要： 非光滑动力学系统相比于通常的光滑动力学系统来说存在着很多不同的动力学现象,譬如分岔和混沌等,前者指的是通过对原系统施加相应的控制器来改变原非线性系统的动力学特性从而获得所想要的动力学行为;而后者则是对原系统使用对应的控制器,使混沌运动转变为周期运动。本文根据非光滑机械动力学中的一些理论知识,主要对其中的分岔和混沌行为进行了研究,主要研究内容如下:1.通过振动筛的力学模型,对物料与筛面碰撞中的非光滑分岔进行了探究,并把反控制理论应用在振动筛系统的分析上,通过数值计算,原系统在线性反馈控制器的作用下通过调节控制参数得到了双Hopf分岔解,完成了对振动筛系统Hopf-Hopf分岔的反控制。对于一些振动系统,像落砂机、振动棒、搅拌机等,Hopf-Hopf分岔中存在的环面概周期运动可以提高该类机械的工作效率,譬如可以使搅拌机搅拌的更均匀,使筛分机筛分得更快。2.以对称弹性接触系统为研究对象,对其动力学行为进行分析,选取合适的定相位面,并对其施加间歇线性反馈控制律,通过对受控系统的运动稳定性分析,得到该系统混沌控制的显式条件,采用数值模拟,给出了系统周期运动的控制参数分岔图,直接选取合适的控制参数便可以将原系统控制在周期运动范围内。而该模型也可以通过扩展变化应用在含间隙运动副、车辆轮轨系统、齿轮传动系统等机械设备上,该方法可以用来提高这些设备的运行稳定性、工作效率和使用寿命,具有一定的实际工程意义。3.采用分岔控制的显式临界准则对机械系统的混沌运动进行了控制。与OGY方法、延迟反馈控制法、外加驱动力法等经典方法不同的是,这里根据Schur-Cohn稳定性判据,得到系统要做周期运动的条件,并将这些条件展开,得到的是含有系统参数的一些不等式,通过Matlab将这些不等式的公共区域画出,在符合条件的区域选择系统参数,在该系统参数下原系统的运动是稳定的周期运动,实现了预期目的。这种控制混沌的方法更简单,也更方便应用。

摘要： 2014年1月原机械与材料学院更名为机械与动力学院,学院现设有机械设计制造及其自动化、机械电子工程、材料成型及控制工程、工业工程、能源与动力工程、核工程与核技术六个本科专业,其中机械设计制造及其自动化为国家特色专业、第二批卓越工程师教育培养计划专业和省本科品牌专业,材料成型及控制工程为第三批卓越工程师教育培养计划专业。拥有机械工程一级硕士点、机械工程专业学位点、机械工程领域工程硕士点、工业工程专业学位点,机械制造及其自动化为湖北省重点学科。目前,在校全日制本科学生近2000人,在读研究生160余

关键词： 农业劳动力转移   农业机械化   面板数据  

摘要： 推动农业劳动力向非农产业转移对于促进我国城市化的进程和农业现代化的发展以及农民收入的增长有非常重要的作用。其中,农业机械化是农业劳动力转移的重要推力因素。本文以山东省的数据为研究对象,估计山东省农业机械化对农业劳动力转移的贡献度。根据山东省17地级市2001年到2017年统计年鉴数据,以农业劳动力转移人数为因变量,农业机械化发展水平为自变量,人均生产总值、家庭人均工资性收入以及人均播种面积多个指标作为控制变量,构建多元回归模型来分析农业机械化发展对农业劳动力转移的影响。通过实证分析,研究发现:(1)农业机械的大规模应用导致从事农业生产的农业劳动力发生转移:农业机械每变动1%,农业劳动力转移增加0.188万人;(2)农业机械化的发展,对男性劳动力转移的影响大于女性劳动力转移的影响;(3)由于不同地区经济发展水平不同和地理因素的差异,陆地城市的农业机械发展对农业劳动力转移的影响大于沿海城市劳动力转移。基于实证分析,本文对政府部门及相关生产部门提出相应的政策性建议,以此来促进山东省农业进一步发展,为进一步的产业升级做好铺垫。

关键词： 自动垂直钻井工具   机械式稳定平台   动态推靠式   动力学   优化方法  

摘要： 自动垂直钻具可实现高精度的直井作业,突破了传统防斜纠斜技术的藩篱,满足了现代钻井对井斜的控制要求。该类钻具中,机械式自动垂直钻具不含有任何电子元器件,仅依靠机械式稳定平台中偏重块在重力作用下的偏转实现主动的纠斜降斜作业,具有成本低、结构简单、耐高温、可靠性高、适用性强等特点,已成为垂直钻井及深部钻探领域最为重要的研究热点和发展方向之一。但是,相对于电控式自动垂直钻具,机械式自动垂直钻具的井斜控制精度和纠斜极限相对较低,钻具机械式稳定平台的控制性能亟待提高。本文对动态推靠式钻具和静态推靠式钻具的纠斜行为进行了详细分析,相比而言,动态推靠式钻具的机械式稳定平台工作过程中需克服的摩擦阻力矩相对较小,有助于提高稳定平台的控制性能和钻具的纠斜精度。动态推靠式垂直钻具具有周期性推靠井壁的纠斜特性,单次推靠过程中推靠力的作用效果可用等效推靠力表示,本文结合纵横弯曲连续梁法和***地层-钻头作用模型,分别应用推靠力和等效推靠力建立了适用于动态推靠式垂直钻具的可靠性和井斜趋势分析方法。结果表明,本文设计的自动垂直钻具强度满足使用要求,钻具在纠斜工作状态下应配合钻铤和侧向切削能力较大的钻头,可获得更佳的纠斜降斜能力,而在防斜垂直钻井时,应配合侧向切削能力较小的钻头,以保证井眼轨迹具有较高的垂直度。机械式稳定平台作为整个钻具控制的核心,其设计直接影响钻具的工作性能。机械式稳定平台的控制机制为偏重块的偏心扭矩克服盘阀和轴承的摩擦阻力矩,向井眼低边发生偏转,并控制盘阀开孔稳定在井眼高边。静力学分析表明,采用横截面为半圆形的偏重块方案可获得最大的偏心扭矩,盘阀和轴承的摩擦阻力矩导致偏重块稳定位置与井眼低边存在一定偏转角度,相对而言,轴承对偏重块偏转角度的影响较小,盘阀在钻井液压力差的作用下形成的摩擦扭矩对偏重块偏转行为的影响较大,尤其是在井下粘滑振动情况下,底部钻具的转速随时间变化,导致盘阀间摩擦系数会在动静摩擦系数间转化,盘阀间摩擦力的功率也随之发生变化,使得机械式稳定平台呈现出复杂的动力学响应行为。本文使用拉格朗日方法模拟分析了机械式稳定平台在粘滑振动下的动力学响应行为,粘滑振动的参数通过简谐振动激励下的粘滑模型与井下数据拟合获得。分析表明,底部钻具粘滑振动的发生会使偏重块在BHA匀速运动时的单一衰减运动转化为复杂的类钟摆运动,粘滑振动的振幅越大,偏重块的摆动幅度越大,而随着粘滑振动周期的增加,会导致稳定状态的单周期偏重块运动曲线中出现副周期运动。在粘滑振动影响下,偏重块的偏转行为具有四种典型状态,随着粘滑振动周期和振幅的变化,偏重块的偏转行为会在四种状态中过渡,当偏重块最大偏心扭矩较小且粘滑振动振幅较大、周期较短时,偏重块的运动可能出现混沌状态。大幅度、高频率的粘滑振动对稳定平台的控制稳定性有极大的破坏和干扰作用。鉴于粘滑振动的影响,钻具机械式稳定平台在设计时仅仅考虑BHA的匀速运动是不够的。本文通过使用灌铅偏重块、凸台盘阀、单向水力涡轮相配合的方案对钻具的机械式稳定平台进行了优化,分析表明:灌铅偏重块方案可优化钻具内部环空的流场状况,降低转动阻力;凸台盘阀的间隙小于0.5mm时,可在满足钻具的工作要求的前提下显著降低盘阀摩擦阻力矩;单向水力涡轮附加的扭矩可抵消掉稳定平台的摩擦阻力矩,大幅降低偏重块摆动中心位置与井眼低边的夹角。优化后钻具机械式稳定平台在粘滑振动下的动力学响应获得了极大提升。为了进一步确定单向水力涡轮的最佳扭矩,本文通过台架试验测定了轴承的动态摩擦扭矩,并结合盘阀摩擦阻力矩的优化扭矩,选用30L/s流量下扭矩为110 N·mm的涡轮作为本文设计钻具的优化组件。优化前后的钻具通过推靠响应的室内试验测试,评价了钻具机械式稳定平台的优化效果,结果表明,钻具机械式稳定平台的井斜控制精度从优化前的8°提升至优化后的小于2.5°,尤其是在低转速条件下,机械式稳定平台控制精度可达到井斜1.6°,优化效果理想,表明钻具已满足现场应用的要求,为后续下井试验奠定了良好基础。

关键词： 水下柔性机械臂   静力学分析   动力学分析   模糊PID  

摘要： 随着航天宇航技术的不断发展,空间机械臂的应用越来越广泛,已经逐渐成为人类探索和研究太空知识的重要工具。为了保证空间机械臂具有大范围的作业空间和较轻的自身重量,空间机械臂多设计为柔性结构,所以在空间机械臂的工作过程中会不可避免的出现振动。如何准确的描述空间机械臂的振动并从控制方法的角度去最大程度的减少其带来的不利影响是研究空间机械臂性能需要解决的主要问题。为了模拟太空中微重力甚至失重的环境下机械臂的运动状态,本文采用水浮法设计了一种水下六自由度柔性机械臂的样机系统,将机械臂放入水中,用于在地面上开展模拟太空环境的试验研究。首先,根据设计要求在Solidworks中建立机械臂样机的三维模型,阐述了机械臂各部件之间的安装方式。根据机械臂的实际使用环境选取了臂杆的材料,然后在simulation插件中进行了静力学分析,校核了机械臂的强度。其次,介绍了机械臂的正运动学及逆运动学的相关知识,基于旋转矩阵法,对机械臂样机的运动学进行了分析,得出了工作空间的图像。再次,基于本文所述六自由度柔性机械臂样机模型的特点,将其简化为柔性双连杆、刚—柔性双连杆机械臂进行动力学建模。将柔性杆看做是欧拉-伯努利梁,描述了机械臂上任意一点的位置,推导出了机械臂的动能、势能、质量矩阵及广义力的表达式,运用假设模态法描述机械臂的变形,然后使用拉格朗日动力学方程求得了柔性双连杆机械臂及刚—柔性双连杆机械臂的动力学模型。然后,使用流体仿真软件FLUENT计算出了机械臂在全伸直状态下水阻力对速度的方程,利用有限元分析软件ANSYS建立了柔性部件的模型,导入ADAMS后对各关节添加驱动函数,仿真后得到了驱动各关节达到指定转速所需要的力矩的图像,为后续研究奠定了理论基础。最后,设计了一种基于模糊自整定原理的PID控制器,推导出了模糊论域、模糊子集、隶属函数、模糊规则等重要概念,通过ADAMS-Matlab/simulink联合仿真平台进行控制系统的仿真,模拟了六个关节联动时的状态,然后通过比较模糊自整定PID控制器与常规PID控制器的控制效果,验证了六自由度柔性机械臂系统中模糊自整定PID控制算法性能的优越性。根据技术要求中的振动频率指标,在全伸直状态下给定了关节角的输入曲线,得出了Z轴方向上的误差曲线,验证了模糊自整定PID控制器系统的可靠性。

关键词： 劳动力转移   农地流转   农业机械化   中介作用  

摘要： 新时期,仍有大量农村劳动力选择进入城市,进入非农产业。这一现象不仅对城市产生深刻影响,还促使农户对家庭劳动力资源进行再配置。当然,农户家庭可能会对农地资源做出相应调整。与此同时,伴随农业机械化迅速发展,使得劳动力可以被机械替代,也会影响到农地流转。面对新时期发展形势,本文尝试回答:新时期,劳动力转移对农地流转作用如何?在农业机械可以替代人工劳作情况下,劳动力转移对农地流转又会产生何种影响?因此本文基于新迁移经济学理论、农户行为理论及诱致性变迁理论,采用全国9省2704份农户调研数据,运用probit模型和OLS模型进行实证分析。得出以下结论:劳动力转移正向促进农地转出,负向作用农地转入。农业机械化在劳动力转移-农地转出/农地转入路径中起中介作用,且为部分中介作用。劳动力转移与农业机械化呈现“替代关系”。年龄、家庭规模、地形对农地转出有着显著作用;年龄、年龄平方、文化程度、距镇中心距离及地形对农地转入有显著作用。基于上述,提出建议:第一,加快实施“农地退出”制度,坚持推进农地流转,以此促进农地市场良好发育。第二,大力推进机械作业,完善农机补贴政策。第三,综合考虑农外因素影响,完善其他社保、医保、养老等制度。

关键词： 劳动力转移   机械化   内生性问题  

摘要： 农业劳动力转移是我国缩小城乡收入差距、破除二元结构和实现农业现代化的关键。农业机械通过减轻劳动强度释放了大量的农业劳动力,因此,农业机械化对劳动力转移的影响一直都是学术界关注的焦点。自2005年我国开始实行农作物耕种收综合评价体系时起,一直都以耕种收综合机械化率来评价农业机械化的发展水平。2015年,我国开始了农业生产的全程机械化推进行动,农业部明确提出要“以提高耕整地、种植、植保、收获、烘干、秸秆处理等主要环节机械化水平为重点”①,这意味着我国农业机械化进入到一个重全程、补短板的发展阶段。而机械化与农业劳动力转移的关系的研究也应该上升到一个新的高度,不应再局限于耕、种、收三个环节,还应把植保、粮食干燥、秸秆处理三个环节纳入其中,这一方面有利于我们更全面地把握二者的关系,做好政策的衔接,另一方面也能为新的全程机械化综合评价指标的建立提供一定的参考依据。本文首先对农业劳动力转移和农业机械化的相关理论进行了文献回顾;其次,对农业劳动力的转移情况、影响和机械化的发展现状进行了分析,并结合农业生产的投入情况,发现农业机械化与农业劳动力转移存在互相影响的关系;然后,本文分别实证分析了六大生产环节的机械化对劳动力转移的影响,建立了动态面板模型并运用系统GMM方法来解决模型中存在的内生性问题。实证结果表明:六个生产环节的机械化都对劳动力转移有显著的影响,但是其影响程度是不同的;最后,针对以上结果,本文提出了在发展农业机械化时引导劳动力的有序转移、补齐农业机械化短板、加快制定全程机械化综合评价指标和推进农业适度规模四项建议。

关键词： 机械密封   瞬态动力学   润滑状态转变   振动特性   瞬态试验  

摘要： 机械密封实际运行过程中工况的瞬时变化将对其系统稳定性产生严重影响。目前,学者对非接触式机械密封的研究多集中于稳态及动态特性方面,鲜有涉及非定常工况下的瞬态动力学分析。鉴于此,本文以上游泵送机械密封为对象,采用理论研究、数值模拟和试验研究相结合的方法对密封在瞬态启动、变工况、扰动环境下的瞬态行为开展研究,具体工作及结论如下所述。首先,建立密封环端面间隙液膜三维模型,对瞬态启动过程润滑特性进行研究,耦合求解含接触因子的平均雷诺方程、动力学方程及微凸体接触方程,揭示启动过程中的液膜密封性能参数及摩擦状态转变规律,并进行结构优化以提高润滑状态转变的能力;其次,应用SOR迭代求解液膜压力,进一步耦合求解基于质量守恒的空化边界条件雷诺方程与瞬态动力学方程,探讨工况连续变化对密封瞬态特性的影响;随后,研究运行过程中受不同工况扰动下密封的稳定性及端面冲击状况,确立密封系统的时间历程图、相轨图及接触冲击力的变化规律;最后,研制机械密封试验装置,研究操作工况瞬时变化过程中密封性能参数的瞬态变化规律及不同槽型参数对其影响。研究结果表明:压力瞬时变化过程中挤压项对密封参数求解结果的影响更为显著,相比于转速瞬变,压力瞬时变化更易引发静环轴向速度震荡。润滑状态转变的临界时刻呈现明显的静环速度突变;端面进入流体润滑状态的瞬时液膜厚度和泄漏量显著增加。较小的启动频率可在低转速下进入流体润滑状态,较高的外压或较低的内压均有利于润滑状态的转变。为提高启动过程液膜密封的润滑特性,建议取螺旋角16～24°,槽深5～7μm,槽数20～24,槽坝比2/3～5/6。发生端面冲击时膜厚振动频率显著大于全液膜状态下所受扰动情况。转速由5000rpm降速至500rpm后,动静环端面有多次较大的接触冲击力。压力升高易导致端面冲击,且压力扰动越大,冲力响应越显著。启动过程中,槽数为24的密封环在2.5s时有较大的膜厚突变,在12s后有阶跃性增加;槽数为12时,试验所测膜厚突变时刻发生在3s,同样在15s有明显的阶跃。外径压力降低相比于压力增高,端面膜压变化更趋于平缓,整个过程降低的幅值也明显较小。