关键词： 水下机械臂   旋量理论   模型建立   非奇异快速终端滑模  

摘要： 水下机器人技术在海洋资源的探索和开发中起着至关重要的作用,而水下机械臂的研究和应用是其实现高效作业的关键。本文致力于水下机械臂的模型建立及其滑模控制算法的研究,具体工作如下: (1)设计水下机械臂。以铝合金作为材料支撑,采用电动驱动方式,结合Solidworks软件完成水下机械臂的设计,并通过COMSOL有限元分析软件对其验证,保证该水下机械臂系统运行的可靠性。 (2)结合指数积公式建立水下机械臂的运动学模型。为了解决传统的D-H建模法需要建立多个坐标系、步骤繁琐的问题,本文以旋量理论为基础,完成水下机械臂运动学模型的建立,并采用Paden-Kahan子问题对其求逆解,仿真结果表明,旋量理论可准确有效地完成模型建立。同时,为了保证研究的直观性,采用蒙特卡洛法对水下机械臂的工作空间完成求解。 (3)结合广义速度、广义力、广义惯量及动量建立水下机械臂的动力学模型,计算效率高,物理意义清晰。将三种传统动力学建模方法的计算量进行对比,将旋量理论和牛顿-欧拉动力学递推方法相结合,建立高效的动力学递推模型,并给出正/逆动力学的递推步骤。在此基础上,采用Morison理论完成水下机械臂的动力学建模,在流体仿真软件ANSYS-Fluent中求出水阻力系数,并将水环境与空气环境中机械臂的关节力矩进行对比,仿真结果验证了水动力项在水下机械臂建模和控制中的必要性。 (4)以水下机械臂的动力学模型为基础,采用滑模控制对其进行轨迹跟踪。为了改善传统的滑模控制方法存在的误差较大、且抖振现象较为严重的问题,本文提出了基于超螺旋的非奇异快速终端滑模控制算法,利用Lyapunov稳定性理论保证了系统具有更高的轨迹跟踪控制性能。将本文提出的控制算法和传统的滑模进行对比分析,结果验证了所设计的高阶滑模控制器具有更强的鲁棒性,具有更高的跟踪精度和更快的响应速度,且有效地削弱了系统的抖振现象。

关键词： 农业机械化   农民收入   经营规模   劳动力转移   调节效应  

摘要： 厘清农业机械化对农民收入的影响机理,对实现共同富裕和乡村振兴具有重大的理论与现实意义。农民收入是“三农”问题的核心和关键。党中央在2022年出台的“中央一号文件”中强调要把提高农民收入作为第一要务,尤其要加快推进农业机械化,发挥农业机械化对农户增收的综合效应。随着多年政策的实施与推进,我国农业机械化水平不断提高,促农增收效果显著。截止2020年,我国农业机械化水平达到70%,但是与发达国家农业机械化水平普遍高达90%相比,我国农业机械化水平仍然偏低,且农业机械化水平持续增长动力减缓。伴随着城镇化快速推进,农业农村面临耕地经营规模持续减少和劳动力紧张的困境,导致农机利用效率降低,农业机械化的增收效应逐渐减弱。因此,如何提高农业机械化利用效率以促进农民增收,是当前及未来很长一段时间的重要任务。农业机械化对农民收入的影响到底是怎样的?其内在逻辑和作用机制又是怎样的?这将是本文有待研究的问题。这些问题的破解对实现共同富裕和乡村振兴有着重要的理论与现实意义。 本文利用2003-2020年中国30个省、自治区及直辖市的统计数据,构建加入工具变量的两阶段最小二乘法(IV-2SLS),深入探讨了农业机械化对农民收入的影响机理。该文引入了包含农业机械化的平方项的研究模型,有利于科学地得出适度的农业机械化水平,通过引入经营规模与劳动力转移作为调节变量来分析农业机械化对农民收入的影响机制作用;并识别了不同粮食生产功能区农业机械化对农民收入的影响差异。研究发现:(1)农业机械化水平的提高,对农民收入产生了显著的正向影响。具体表现为,农业机械化水平每提高1.000%,农民收入增长4.468%。(2)农业机械化与农民收入呈倒“U”型关系,即农民收入随着农业机械化水平的提高首先发生增长,但当农户对农机需求趋于饱和后发生下降。(3)经营规模与劳动力转移在农业机械化对农民收入的影响中均产生了增强性的调节作用。(4)进一步异质性分析发现,粮食主产区农业机械化对农民收入产生了显著影响,非粮食主产区影响不显著。因此,有关部门应该积极优化城乡就业环境,促进农村剩余劳动力非农就业,推进适度规模经营,提高农业机械化水平,最终实现农民增收;同时对不同农业生产条件的粮食生产功能区,因地制宜的制定农业机械化发展政策。 结合上述研究结论,本文建议:1)农业机械补贴应分类施策,以农业机械为政策抓手促进农民增收。2)促进农地流转,发展适度规模经营。3)发挥机械替代劳动力的作用,优化就业环境促进城乡融合。4)因地制宜地制定农业机械化发展政策,提高农业机械化水平。

关键词： 农业劳动力成本   农业机械化   自购农业机械   租赁农业机械  

摘要： 农业劳动力成本是影响种植业农户机械化需求及方式选择的重要因素,也是研究中国农业机械化发展的重要微观视角。围绕农业劳动力成本、种植业农户成本收益变化以及农业机械化选择的逻辑链条,本文提出了农业劳动力成本上升影响种植业农户选择农业机械需求方式的理论假设,选取2016年至2020年的CFPS调查数据作为研究样本,验证了农业劳动力成本上升影响种植业农户机械化需求及方式选择的因果关系。 研究发现,种植业农户家庭在种植业上花费的劳动力成本越多,则种植业农户家庭购买农业机械设备或租赁农业机械服务的倾向也更高,且这些结论在控制模型内生性、排除遗漏变量、矫正变量测度以及更换部分年份数据之后始终稳健显著,说明日益上涨的农业劳动力成本的确推动了种植业农户家庭增加农业机械化选择。对农村种植业农户家庭特征展开分组检验,发现农业劳动力成本上升使得发达东部地区种植业农户家庭、人口规模大的种植业农户家庭倾向选择购买农业机械的方式,中西部地区种植业农户家庭和人口规模小的种植业农户家庭则更倾向选择租赁农业机械的方式;对种植业农户家庭土地资产多、人情支出少的种植业农户家庭对自购农机或租赁农机的方式都产生影响;农业劳动力成本上升使得种植业农户家庭储蓄资产多的种植业农户家庭更倾向自购农业机械,但对于种植业农户家庭储蓄资产少的种植业农户家庭则倾向租赁农业机械,说明地区发展差距、种植业农户家庭规模、种植业农户土地持有数量、种植业农户家庭储蓄资产以及农户社会资本等,会影响种植业农户对自购或租赁农机服务产生正向需求。最后,围绕单位土地资产对应农机使用费用、农户种植业农户家庭农业收入、农户种植业农户家庭非农收入,分别构建成本变量、收入变量以及禀赋变量,采用无中介的机制检验思路,检验分别发现:(1)由于农业劳动力成本上涨的压力,导致农业机械使用相对拥有成本优势,通过替代机制倒逼农户增加农业机械租购。(2)发现农业劳动力成本上涨也直接降低了种植业农户收入水平,通过收入机制使得种植业农户减少农业机械租购。(3)发现随着农业劳动力成本上涨,种植业农户剩余劳动力从事非农业务的禀赋收入随之上升,进一步扩展了农户种植业农户家庭总预算收入,通过禀赋机制促使农户增加租购农业机械设备。 综合上述研究,提出应该继续推进并完善农业机械补贴政策,降低农户自购或租赁农业服务的实际成本;鼓励涉农企业加大农机质量创新,优化服务模式;支持推广农业职业教育,培育新型职业农民,降低农户使用先进农业机械的学习成本;提高农民整体素质,重视农机专业人才的教育培训,提升农机管理人员的业务技能,增强农机科研人员与推广人员的服务水平等政策建议。

关键词： 声动力治疗   机械疗法   活性氧   空化效应  

摘要： 超声(US)通过作用于声敏剂产生有毒性的活性氧(ROS)用于癌症治疗,同时US照射下由空化效应引发的机械损伤同样重要。因此,设计一种同时具有高效ROS生成和增强机械效应的新型声敏剂是很有前景的。在这项研究中,我们以MOF-5为前体并通过高温碳化构建了一种碳掺杂的氧化锌纳米颗粒(C-Zn O)用于机械-声动力癌症治疗。碳掺杂的存在优化了电子结构,从而增强了US触发下的ROS生成,有效诱导肿瘤细胞死亡。另一方面,碳掺杂带来的高比表面积和多孔道结构使C-Zn O能够增强US照射下空化气泡引起的机械应力,从而对肿瘤细胞造成严重的机械损伤。在C-Zn O介导的声动力疗法和机械疗法的双重作用下,在体外和体内均表现出优异的抗肿瘤功效,并且具有高水平的生物安全性。这是首次实现利用无机纳米材料同时增强ROS产生和US诱导的机械效应用于肿瘤治疗。这对于未来新型声敏剂的开发和推进US在癌症治疗中的应用具有重要意义。

关键词： 丘陵山地   履带式动力机械   接地压力   牵引性能   模型预测  

摘要： 丘陵山区先进适用农机装备的研发是目前国内农机装备研究的热点和难点问题之一。履带式动力机械因其良好的稳定性与附着性更适用于丘陵山地农业生产需要,但丘陵山地横、纵向倾角连续变化的地形地貌,使得履带动力机械接地压力分布极不均匀、土壤—机械互作机理不明,导致其研发和性能优化缺少理论依据和数据支撑。为此本研究基于丘陵山地“土壤-机器-作物”综合实验平台构建了一种考虑土壤条件、坡度角及作业工况的丘陵山地履带式动力机械接地压力分布预测模型,继而开展丘陵山地不同坡度工况下履带式动力机械机动性能研究,包括牵引性能、爬坡性能、转向性能和直线行驶性能,为先进适用丘陵山地动力机械的结构设计与研发、重心分布设计与姿态调整、机动性能提升优化以及土壤压实与剪切风险降低提供必要的理论依据和数据支撑。 主要研究内容如下: (1)建立考虑土壤剪应力因素的坡地土壤承压模型。针对黄土高原丘陵山地旱作农业区进行土壤特性分析并建立其仿真模型,进而开展了不同坡度下土壤载荷—沉陷仿真试验,建立了考虑土壤剪应力因素的坡地土壤承压模型,并结合仿真试验与物理试验验证了该模型的有效性:在0°、5°、10°、15°等不同坡度下,坡地土壤承压模型预测结果的拟合误差分别仅为1.3%、3.92%、3.88%、3.32%,结果表明土壤承压特性的预测曲线与实际吻合度较好。因此,该模型考虑丘陵山地坡度因素对“机-土”相互作用机理的影响,基于此建立履带式动力机械机械系统和外部作业环境之间的关系。 (2)基于坡地土壤承压模型履带式动力机械接地压力模型预测构建与试验。综合考虑坡度角、土壤条件以及履带动力机械质量、重心、轨距等设计参数,在接地长度方向上采用谐波振荡函数和峰谷控制初等函数,在履带宽度方向上采用分段线性函数,基于坡地土壤承压模型对履带动力机械接地压力分布进行数学建模;基于“土壤-机器-作物”综合实验平台开展了履带拖拉机接地压力的测试试验以验证该预测模型的有效性,试验结果表明各坡度及作业工况下机接地压力模型预测结果与试验数据的最大误差约为6.3%,平均误差约为4.7%,故该模型能够较好地预测履带式动力机械在坡地环境下接地压力的分布情况,因此,该模型在一定误差范围内适用于对山地履带动力机械转向动力学、坡地行驶稳定性及爬坡能力的分析,进而可为山地履带动力机械的结构设计提供理论依据和数据支撑。 (3)履带式动力机械坡地牵引性能预测模型建立与试验验证。为准确有效预测丘陵山区复杂作业环境下履带式动力机械牵引性能,基于接地压力分布规律建立其牵引性能预测模型并开展试验验证。通过考虑土壤特性、坡度及履带式底盘姿态调整重心位置变化等因素,进一步构建了由均布垂直载荷驱动力特性部分与非均布载荷控制部分共同组成的履带底盘牵引力-滑转率预测模型;基于三类履带底盘开展等高线行驶和纵向爬坡工况牵引性能试验以对预测模型进行验证,结果表明:该模型预测平均误差为3.6%、5.4%和6.3%,总体预测误差较小,可为丘陵山地履带式底盘适用性设计研发与机动性能优化提供理论依据和数据支撑。 (4)履带式动力机械坡地行驶与转向模型构建并试验验证。通过理论分析、离散元—动力学耦合仿真和坡地土槽试验结合的方法,开展履带车辆坡地转向动力学特性研究,首先基于接地压力模型构建坡地稳定转向动力学模型,然后通过仿真坡面转向试验与坡面转向侧向剪切力实地试验验证动力学模型有效性,试验结果表明0°、10°、20°等工况转向过程阻力矩预测误差分别为3.5%、4.2%和5.7%,在总体变化趋势上具有良好的一致性。探究履带式动力机械在坡度角影响下的转向动力学模型,为山地履带式动力机械的转向系统设计和转向机构强度校核提供理论依据,可为动力机械坡地转向稳定控制原理提供理论参考,以提高黄土高原丘陵山地履带式动力机械的转向稳定性。

关键词： 双盘转子   有限元分析   动力学特性   振动传递力学模型   碰摩故障  

摘要： 随着科技的进步和经济的发展,现代生产过程对设备的依赖程度越来越高,任何设备都有它的寿命周期,因此设备的故障具有客观必然性。机械设备的迅速发展推动了机械故障诊断技术的不断提升,然而,对故障的诊断研究仅依靠现有故障案例或对理论模型分析是不够的,一套旋转机械故障模拟设备,以便研究人员可随时对所需要的故障类型进行研究分析。旋转机械故障模拟试验台需要模拟不同转速下的各种故障,尤其在模拟点碰摩故障时会使转子受到一定的冲击,不平衡故障会加剧这种情况的发生。 本文以自制旋转机械故障模拟试验台的转子为研究对象,对该系统进行有限元建模和静力学、动力学分析。由于旋转机械故障大多是由转子不平衡引起的,碰摩、轴承故障也占部分比例,为确保在故障模拟实验工作转速区间内不会发生共振,提高故障模拟实验的安全性与故障数据信号采集的可靠性,对该试验台转子的振动特性研究就显得尤为必要,同时,对碰摩故障及信号传递的研究也具有一定的工程意义。基于现有理论研究,本文采用软件仿真与实验分析相结合的方法,研究了自制旋转机械故障模拟试验台转子的动力学特性与振动信号传递。主要研究内容与结果如下: (1)使用Solidworks软件对转子进行三维实体建模,并在Altair Hyper Mesh软件中划分网格,导入到ANSYS Workbench软件进行后处理分析。首先通过静力学分析获得双盘转子变形与应力分布情况;考虑陀螺效应的影响,通过模态分析获取固有频率及振型云图;生成Campbell图,分析转子在设定转速区间内振动分量的变化特征;通过谐响应分析获取特定频域内的动态响应。最后进行实验模态分析,并与仿真结果进行对比,从而验证有限元模型的准确性。研究表明:转轴轴肩位置处存在一定程度的应力集中;临界转速远大于工作转速,可有效避免共振;该结构动刚度良好符合设计要求。在工程问题中,常根据整机的简化动力学模型自行搭建试验台进行研究,本文可为该类型转子的振动特性分析提供参考,并为旋转机械故障的模拟实验起到了一定的指导作用。 (2)对双盘转子进行了简单建模及一阶临界转速计算,发现结果偏大。针对上述简单建模方法的缺陷与误差,在考虑了转子陀螺效应及转轴剪切变形的前提下,详细的阐述了基于有限元法分别建立刚性飞轮单元、Timoshenko梁单元、额外附加的零件单元以及轴承的单元模型,进而建立起双盘转子-轴承系统模型的理论架构,并组集得到系统矩阵,进而得到整体系统的运动方程;最后,对求解微分方程的QR算法和Newmark-β算法进行了理论介绍和公式推导,以便为后续的转子固有特性与动力响应计算与分析奠定了基础。 (3)利用已建立的双盘转子系统动力学模型,对碰摩故障情况下的该系统进行数值仿真,将碰摩故障的频谱特征分析结果与后续实验结果进行定性的比较,得到进入混沌的途径,发现该系统混沌运动的演变规律较为复杂,这对该类型转子碰摩故障下非线性动力学响应特性的研究具有一定的参考意义。 (4)创建了轴颈段-轴承-轴承座整体的动力学模型,基于Hertz理论获得滚动体与内外滚道的接触刚度,并通过最小二乘法拟合出轴承的线性刚度;对轴承座进行三维实体建模,导入到Altair Hyper Mesh进行有限元静力学分析,根据胡克定律和受力变形情况获取轴承座结构刚度;利用ANSYS Workbench求解各接触面刚度。最后以自制旋转机械故障模拟试验台进行相关实验分析和补充仿真,从而验证所建振动传递模型的准确性。研究表明:使用该传递模型能够由轴承座上的振动信号准确获得转轴的实际振动情况。本文模型有利于对转子转动时振动情况的精准获取,并为实现振动信号的间接测量起到了参考和指导作用。

关键词： 劳动力价格   农业机械化   粮食产量   空间溢出效应  

摘要： 农业机械化是实现现代农业和保障粮食安全的重要基础。基于2001-2020年中国省级面板数据,实证分析劳动力价格对粮食生产机械化的影响以及粮食生产机械化的产出效应,并考察该影响及效应在耕种收各环节上的差异性。研究结果表明:劳动力价格上涨显著正向影响粮食生产综合机械化水平、机耕水平及机收水平;农机总动力对粮食产出具有显著的空间溢出效应;大中型农机动力及大中型农机机耕、机播及机收动力均对粮食产量具有显著的直接影响和空间溢出效应,且其空间溢出效应均大于直接效应。研究建议加快突破粮食生产的薄弱环节,促进农业社会化服务发展,推动农机资源在省际间合理流动与科学调配,加强小农生产与现代农业的衔接,加速实现粮食生产全程机械化与农业农村现代化。