关键词： 六履带机械   行驶力学   机电耦合动力学   卫星导航   模糊控制  

摘要： 六履带行走装置担负着斗轮挖掘机、排土机和移动式破碎站等大型机械的承重、移动与转向行走,其行驶特性直接影响斗轮挖掘机的工作安全性和工作效率,对多履带机械行驶理论、机电耦合动力学及卫星导航技术进行研究,以完善多履带机械设计方法,提高其轨迹可控性并实现其自适应行驶是采矿装备大型化发展急需解决的关键课题。本文结合国家自然科学基金项目“多履带车辆机电耦合动力学及自适应控制”(No.51775225)和校企合作项目对六履带机械机电耦合动力学及卫星导航控制技术进行了研究,通过对六履带机械行驶力学分析,建立了六履带行走装置机电耦合动力学模型,进行了六履带机械行驶性能仿真,并通过试验对机电耦合模型及数值求解方法进行了验证;介绍了基于RTK的卫星导航原理,搭建了六履带机械路径跟踪控制系统试验平台,通过多种行驶工况以及不同初始偏差的实际追踪数据,验证了基于RTK卫星导航路径跟踪控制系统的控制效果。首先介绍了多履带行走装置的结构特点和驱动方式,综述了国内外有关多履带机械行驶动力学分析、机电耦合动力学、卫星导航控制以及履带车辆模糊PID控制方法的研究现状;结合六履带机械行走装置的结构特点和运动特性,建立了其直线行驶、稳态转向和非稳态转向的力学方程,并给出了数值求解方法。建立了三相异步电机的动态方程,分别建立了六履带机械直行工况与转向工况下的机电耦合动态方程,并通过数值计算分析了不同工况下履带机电参数的变化规律,分析了履带结构参数、驱动参数对行驶性能的影响。对六履带斗轮挖掘机的电机参数进行试验测试,验证了理论分析结果的正确。为实现对六履带机械典型行驶工况机电性能参数的计算和评价,开发了六履带机械行驶性能分析平台,该平台可分析不同履带布置方式、履带驱动形式对六履带机械稳态、非稳态转向特性的影响,计算相应的机电参数,并根据设计要求提供合理的六履带行走装置合理的结构参数。介绍了基于RTK的卫星定位导航原理,设计了六履带机械卫星导航径控制系统,以六履带机械实际行路径与预设路径之间的距离偏差和航向角偏差作为模糊PID控制器的输入,并根据机械的控制需要制定模糊规则,控制六履带机械转向履带组偏转角度和各条履带行驶速度,实现路径跟踪控制。建立了六履带机械虚拟样机模型,通过联合仿真分析了六履带机械直线行驶和曲线行驶工况下控制器对六履带机械的路径跟踪控制效果。结果表明,模糊PID控制器对六履带机械的路径跟踪控制具有良好的控制效果,六履带机械的实际行驶路径能够快速的收敛至预设路径,且进入稳定行驶时距离偏差和航向角偏差均保持在较小的范围内,满足自主导航的行驶的要求。为了进一步验证六履带机械卫星导航控制系统的控制效果,基于RTK导航技术,设计了六履带车辆卫星导航控制试验系统,主要由六履带试验样机、数据采集及处理系统、基于RTK导航的路径跟踪系统以及计算机控制系统组成,利用卫星定位信息获得预设路径导航线的轨迹。基于模糊PID控制方法,分别分析了试验样机实际行驶路径与预设路径之间的距离偏差和航向角偏差,试验结果验证了卫星导航控制系统具有较好的控制效果。综上所述,本文建立了六履带机械行驶力学模型及电耦合动力学模型,并通过试验进行了验证。开发了六履带机械行驶性能分析平台及基于卫星导航的六履带机械路径跟踪控制系统。论文的研究工作为完善六履带行走装置设计理论及提高六履带机械行驶的智能化水平提供了参考。

关键词： 动力机械   剩余寿命预测   无迹卡尔曼滤波   粒子滤波   无迹粒子滤波  

摘要： 动力机械是一类通过滚动或滑动轴承支撑,依靠叶片、齿轮等部件进行动力传递或能量转换的机械装置。在电力系统中,汽轮机、燃气轮机和风力发电机等都属于典型的动力机械。经过多年的发展,工业中的动力机械已经具有大型化,自动化,精密化的特点,有利地保障着国民生产的顺利进行。此类电力动力机械一旦出现故障,将不可避免地造成较大经济损失,甚至更加严重的后果。因此,开展动力机械的状态监测、故障预警与寿命预测具有重要的理论意义和工程价值。动力机械的故障模式多样,具体来讲,汽轮机、燃气轮机轴系的叶片裂纹、热应力不均、燃烧震荡会导致机组故障停机;风电机组中传动齿轮和轴承的断裂、磨损也需要检修更换,造成发电量损失。振动分析是进行上述设备故障趋势监测的有效手段,通过采集振动信号、提取反映故障趋势的故障特征、结合寿命预测方法可以有效发现故障并预判机组的失效时间,为进行机组的状态检修提供技术支持。粒子滤波是一种递归的贝叶斯分析方法,它通过系统的状态转移矩阵进行状态预测,结合大量已知分布的粒子、观测矩阵和重采样技术进行系统状态的更新。基于粒子滤波的状态估计方法由于其需求历史数据少,适用范围广,运算量相对较小等优点,在剩余寿命预测领域得到了广泛的应用。本文开展基于粒子滤波的动力机械剩余寿命预测方法研究,对粒子滤波器重采样部分以及系统模型的构建进行了一定程度的改进,改进之后的粒子滤波器对于粒子匮乏现象更具抵抗力,滤波器的适应性与稳定性也因而得到了提升;以改进后的粒子滤波器为基础,结合无迹卡尔曼滤波,提出基于无迹粒子滤波器的剩余寿命预测方法。能够通过无迹卡尔曼滤波对粒子滤波的粒子群进行优化,进一步提高滤波器的稳定性与预测精度。通过燃气轮机的振动趋势预测和风电机组发电机轴承寿命预测实验验证了本文方法的有效性。

关键词： 量化状态系统   刚性系统   数值积分   机械臂   动力学模型   仿真  

摘要： 在现代机械的工程动力学领域中,数值求解是其分析的核心内容。在求解一般动力学常微分方程时,通常采用传统基于时间离散的积分求解方法,但是其在求解刚性以及强耦合性、非线性等复杂动力学模型时,表现出了一定的局限性。量化状态系统(Quantized State System,QSS)方法是一种新的数值积分方法,它与传统数值求解方法不同,QSS方法对状态变量进行离散,依次计算每次状态变量跃迁所需要的时间,从而推进积分。对比传统方法,QSS方法在求解中有一定优势,但QSS方法不适合求解强刚性动力学方程。针对这些问题,本文提出了一种基于量化状态系统的步进校正优化算法(SCOA based-on QSS),它结合QSS方法及隐式算法中梯形积分法的思想,以有效提高常微分方程系统的求解精度和效率。通过对三个典型刚性常微分方程算例的仿真求解,证明了本文算法的可行性。将该算法与传统数值求解方法和QSS等方法从仿真时间与仿真精度两方面进行性能对比,结果表明,SCOA based-on QSS算法能有效提高仿真效率,同时在适当减小量子大小时能显著提高仿真精度。为进一步验证本文所提算法的有效性和工程应用性,本文选取高度非线性、强刚性和强稱合性的四自由度机械臂为动力学模型,并进行了仿真求解。首先采用拉格朗日法建立了四自由度机械臂的动力学数学模型,然后将该混合微分-代数动力学方程转化为本文算法可直接求解的一阶常微分方程,最后通过传统数值求解方法和QSS等方法进行仿真求解与对比,结果表明,在仿真效率和仿真精度上,基于本文算法的四自由度机械臂动力学方程在求解中都表现出了一定的优越性。因此,本文的算法对工程领域中的复杂动力学系统求解提供了思路和借鉴意义。

关键词： 冗余机械臂   重复性运动   关节角偏差   对偶神经网络   神经网络动力学  

摘要： 对于冗余机械臂而言,关节重复性运动是考察其运行性能的一个重要标志。在工业工程实践中,装配、电焊、喷涂以及其它应用于特定环境下的机械臂,需要机械臂自身具有多余的自由度,使其能够在工作空间中执行相应运动规划、特定路径避障及避免奇异位形等任务,但在实际的冗余机械臂控制中,往往会出现关节角偏差现象(冗余机械臂在执行闭合的路径规划时,末端执行器在工作空间中路径闭合,但其各个关节角在关节空间下会产生非闭合轨迹的现象称为关节角偏差现象)。对于关节角偏差现象,冗余机械臂在工业生产中若进行重复作业,会出现未知的关节位形,对机械臂的电机、关节连杆造成严重损坏,不利于冗余机械臂的运行控制及推广使用。基于上述冗余机械臂出现的关节角偏差现象,以冗余机械臂能够完成重复性运动为主要研究对象,本文的主要研究工作如下:首先,分析传统机械臂与冗余机械臂在进行重复性运动规划时的不同点,以冗余机械臂关节角偏差为代价函数,考虑冗余机械臂运动规划、关节角约束及关节速度约束,建立冗余机械臂重复性运动的二次规划数学模型;其次,为了求解冗余机械臂重复性运动模型的二次规划问题,考虑较以往的对偶问题及凸优化数学模型,建立对偶神经网络以及基于线性变分不等式的原对偶神经网络动力学微分等式,依据动力学微分等式推导出其神经网络求解器。为验证神经网络求解器能有效求解二次规划问题,通过Matlab仿真实验数据表明所建立的神经网络求解器具有较高准确性及运算性能;最后,在文末将基于平面三自由度机械臂模型和现有的工业机器人PUMA560和SCR5模型进行重复性运动实验仿真,规划闭合路径运动信息,用于考察上述基于神经网络求解器在冗余机械臂重复性运动的应用实验。通过实验结果验证上述方案的可行性和有效性。本文所建立的神经网络动力学模型——对偶神经网络和基于线性变分不等式原对偶神经网络求解器是建立在Hopfield神经网络模型的基础上,所以在后续的硬件实现上,可依据不同的运动控制信息建立不同的神经网络控制器以方便实际工程实践应用。

关键词： 可延展电子器件   复合材料   石墨烯   聚二甲基硅氧烷   机械性能  

摘要： 可延展电子器件在保证器件性能的同时，具备不同程度的伸缩，形状弯曲的能力，能够应用于复杂曲面的工作环境。对于构建可延展电子器件极具潜力的材料，石墨烯，其与聚合物组成的复合材料，能够有效改善聚合物的热力学性能，使柔性电子器件具有更高延展性。由于电子器件的可靠性问题基本发生在界面或由界面引起，因此复合界面结构机械性能一直是器件可靠性研究的重点。对于低维度的界面结构，分子动力学（Molecular Dynamics）给出了相对准确合理的分析方法，其可以对复合结构的机械特性在微观尺度下进行很好的预测。本文针对可延展电子器件生产制造中界面断裂等可靠性问题，运用分子动力学模拟方法，对石墨烯/聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合材料界面的机械性能进行研究。具体的研究内容有：　　（1）综述了石墨烯/聚合物复合结构在实际可延展电子器件生产中面临诸多问题，提出本文研究的内容与意义，简要介绍了分子动力学方法的基本原理、势函数和潜在应用，以及本文实验用的模拟软件LAMMPS和图像处理软件OVITO。　　（2）利用Materials Studio（MS）软件构建石墨烯、官能化石墨烯、PDMS初始晶胞模型，采用全原子模型建立石墨烯/PDMS 与官能化石墨烯/PDMS 复合体系模型。其中，官能化石墨烯/PDMS体系采用3种官能基团的4种官能化率修饰石墨烯。　　（3）利用Perl程序计算PDMS的玻璃化转变温度（Glass Transition Temperature,Tg）并完成PDMS与固化剂二者的交联反应，验证了本文选取的PDMS聚合度的合理性;分析了复合体系的均方位移（Mean Square Displacement，MSD）、径向分布函数（Radical Distribution Function，RDF）、自由体积分数（Fractional Free Volume，FFV）等。依据实际参数值验证了本文建立的复合体系模型的正确性;根据径向分布函数探究了PDMS交联度对体系结构有序性的影响;完成复合体系界面相互作用能的计算，分析PDMS交联度、不同官能团和官能化率对界面相互作用能的影响。　　（4）根据分子动力学计算方法，使用ReaxFF势函数，模拟石墨烯/PDMS复合体系界面拉伸破坏过程，研究复合体系界面特性与力学性能，分析了交联度、拉伸位移速率和温度对界面拉伸破坏的影响，最后，观察拉伸过程中形态的变化，揭示了复合体系界面结合强度的微观机理。此外，研究了拉伸位移速率、温度等对界面力学性能的影响。　　（5）模拟官能化石墨烯/PDMS 复合体系界面拉伸破坏过程，研究了官能化石墨烯/PDMS 复合体系界面特性与力学性能，分析了石墨烯官能团类型对复合体系界面力学性能的影响。分析了官能化率对复合体系界面力学性能的影响;分析了不同官能化率下-OH官能化体系拉伸过程中的形态图，观察了高官能化率与低官能化率复合体系内部链的断裂速度，简述了拉伸过程中分子链“藕断丝连”的情况，数据体现了官能化率对石墨烯/PDMS复合体系界面力学性能的影响。

关键词： 智能控制体系   动力机械   实际应用  

摘要： 随着经济科技的快速发展,今天我们已经步入智能时代.拥有了新的时代标签,智能化的学习、工作、生活用具,如智能学习机、智能机器人.智能技术不仅融入到我们生活的点点滴滴,更在机械生产中让机械生产任务更加现代化、体系化、高效率的完成.本文将对智能控制系统做一个详细的介绍,让我们更好的了解它的实际用途,并对智能控制系统在动力机械中的实际的应用进行探索研究.

关键词： 农业机械化   工业化   城市化   农业转型  

摘要： 农业机械化是对中国小农经济的一次历史性变革。中国农业机械化自农业集体化时期即得以低水平起步，20世纪80年代之后虽有所发展，但速度非常缓慢。2000年以来，尤其是2005年之后，由于工业化和城市化的快速进展，为农业机械化提供了内生动力；政府因势利导，大力推进农业机械化进程，使之得以突飞猛进的发展，在很短的时间内由农业机械化的初级阶段迈入中级阶段。预计2020年左右将进入高级阶段。作为一个人口众多的农业大国，农业机械化在中国的深度推进，确实是一场革命性的变化，对中国的农业经营形态、城乡关系格局等都产生了重大影响。

关键词： 杂粮作物   收获机械   脱出物   清选   动力学特性  

摘要： 杂粮作物是我国北方长期栽培作物,近年来我国杂粮种植面积逐步扩大,杂粮产业不断发展,然而杂粮作物收获仍多采用人工收获,工作效率低,劳动强度大,没有配套研发专用的杂粮收获机型,采用改进的稻麦或谷物联合收获机收获杂粮作物,仍面临清选损失大,含杂多的问题,影响了种植效益的提高,制约着杂粮产业的发展,因此本文对杂粮作物机械收获脱出物清选相关特性及装置进行了理论分析与试验研究,结果如下:(1)对谷子、荞麦、燕麦作物机械收获脱出物清选相关特性及装置进行了理论分析与试验研究。采用国标测量方法测量了三种作物机械收获脱出物的与清选相关的物理性质,具体包括作物草谷比、脱出物组成、脱出物各组分含水率、形态尺寸、籽粒千粒重、密度、容积密度、与不同材料间摩擦系数、摩擦角、悬浮特性。所测得的相关物性参数为后续清选特性及装置的研究提供了数据支持。(2)设计了一种适用于三种杂粮作物脱出物等农业物料的气吹式农业物料悬浮速度测量试验装置,并利用该装置,根据相关悬浮速度测量国标要求,设计进行了分段悬浮试验测量三种杂粮作物脱出物各组分的悬浮速度,测得:谷子作物机械收获脱出物籽粒、穗瓣、茎秆、叶子的悬浮速度分别是:4.29～8.88、1.03～5.48、1.71～5.33、1.03～3.09 m/s;荞麦作物机械收获脱出物籽粒、分枝、茎秆、叶子的悬浮速度分别是:4.47～10.18、1.85～5.18、2.80～8.37、0.76～2.99 m/s;燕麦作物机械收获脱出物籽粒、种皮、分枝、茎秆、叶子的悬浮速度分别是:4.35～11.01、0.62～1.71、1.62～4.52、1.14～6.28、0.91～3.56。分析了脱出物各组分间的悬浮速度差距。后续进行试验分析脱出物各组分含水率对其悬浮速度的影响,试验结果表明:随着含水率的减小,脱出物各组分间的悬浮速度差距增大,利于风选分离;脱出物悬浮速度随其含水率的增大而增大;建立了杂粮作物脱出物悬浮速度与其含水率的关系,有利于据此选择合适的清选风速。(3)根据联合收获机清选装置特点和农机设计手册要求,设计了一种风筛式杂粮作物脱出物清选试验装置,试验装置清选喂入量、清选风速、风向、振幅、频率可调,调节范围可满足谷子、荞麦、燕麦等多种农作物机械收获清选工作参数要求,并可实时监测其清选室进风口处风速。(4)运用达朗贝尔原理对振动筛筛分脱出物的动力学特性进行了理论分析,并利用ADMAS软件对单个脱出物在筛面的运动受力情况进行了仿真分析,仿真结果与理论分析结果相一致,证明振动筛结构及振动参数设计合理。采用FLUENT软件对清选试验装置清选室无脱出物喂入时的流场分布情况进行了仿真分析,分析结果表明清选室内筛子附近的流速总体均匀,无旋涡和回流,清选室结构设计合理。(5)在清选试验装置上,对谷子、荞麦、燕麦作物脱出物进行了单因素清选试验、响应面试验及最优水平组合验证试验,试验结果表明:三种杂粮作物脱出物的清选损失率均随清选风速、振幅、频率的增大而增大,清选含杂率随清选风速、振幅、频率的增大而减小;清选风速、振幅、频率对三种杂粮作物脱出物清选指标的影响效应均显著,而清选风向对三种杂粮作物脱出物清选指标的影响效应均不显著。谷子作物脱出物最优清选工作参数水平组合为:风速4.19 m/s、风向30.28°、振幅21.86 mm、频率218.36 r/min,其最小清选损失率为1.85%,含杂率为8.55%。荞麦脱出物最优清选工作参数水平组合为:风速5.85 m/s、风向32.22°、振幅25.91 mm、频率186.38 r/min,其最小清选损失率为5.79%,含杂率为8.74%。燕麦作物脱出物最优清选工作参数水平组合为:风速4.33 m/s、风向37.48°、振幅25.10 mm、频率185.72 r/min,其最小清选损失率为5.08%,含杂率为8.64%。三种杂粮作物脱出物清选最优水平组合验证试验结果与其预测结果均相接近,三种脱出物的清选工作参数最优水平组合可取。

关键词： 冲击激励   气囊浮筏   旋转机械系统   动力学特性  

摘要： 舰船在工作过程中经常会受到各种冲击作用,因此,其动力及传动系统拥有良好的抗冲击能力和减振性能具有十分重要的意义。本文以气囊浮筏耦合船用旋转机械系统为研究对象,讨论了冲击激励下系统的动力学特性,并在气囊隔振器中安装限位器来对船用旋转机械系统的冲击响应进行限制,最后,对比分析了参数变化对系统非线性动力学行为的影响。其主要工作和内容如下:(1)基于短轴承理论,建立了冲击激励下气囊浮筏-旋转机械系统的运动微分方程;采用理论和数值方法对冲击激励下简单机械振动系统的动力学特性进行了研究,最后讨论了阻尼对机械振动系统冲击响应的影响。结果表明:随着阻尼的增大,机械振动系统的隔振系数先减小后增大。(2)利用时域模拟法求解了冲击激励下气囊浮筏-旋转机械系统的动力学特性,如位移响应.、加速度响应、轴心轨迹等;研究了不同冲击幅值和频率以及气囊浮筏-旋转机械系统的转速、刚度等参数下的冲击响应特性。结果表明:冲击激励会使系统的运动状态在瞬间产生比较大的变化,但最终仍会恢复稳定;高转速下系统冲击响应的位移幅值更小,但当转速较低时,系统的位移响应更容易衰减;适当的刚度和阻尼可以有效减小系统的位移响应,但气囊刚度在减小位移响应的同时会增大加速度响应。(3)研究了分段线性隔振系统的动力学特性,推导了冲击激励下含有限位器的气囊浮筏-旋转机械系统的动力学模型,分析了参数变化对系统动力学特性的影响。结果表明:限位器对系统的减振抗冲有非常明显的效果;当限位器刚度和阻尼确定时,安装间隙越小,限位器的隔振效果越好;阻尼在限位器刚度较高时对系统的影响比较小,当限位器刚度较低时,存在一个阻尼比,使限位器的缓冲效果最优,且在一定条件下,安装间隙越小,对应的阻尼比越大。(4)建立冲击和基础激励共同作用下气囊浮筏-旋转机械系统的动力学模型,对比分析了冲击作用下不同基础激励对气囊浮筏-旋转机械系统动力学特性的影响。结果表明:与冲击激励相比,基础激励对旋转机械系统的瞬态响应影响较小;但基础激励会使系统稳态响应中的位移出现明显波动,当幅值过大时,转子将进入混沌运动状态。

关键词： 空间柔性机械臂   ADAMS仿真   参数化   振动  

摘要： 近几十年来,机械臂系统在人类探索宇宙的过程中所扮演的角色已经无法被替代了。空间机械臂是航天器的一个关键组成部分,它可以在复杂和恶劣的环境中代替人类完成一系列太空任务以及在太空中开展科学实验。因此,近几十年来,越来越多的研究人员开始关注空间机械臂系统。作为一种名副其实的具有刚、柔两种特性的结构,鉴于其本身刚柔并存的特点以及目前实验条件的限制,对于这类系统的研究依然会有很多的困难。本文系统调研了空间机械臂行业的研究现状,针对空间柔性机械臂抓取目标物体的过程进行如下研究:首先,在实际模型的基础上,联合使用ANSYS与ADAMS建立精确的空间机械臂模型;对空间机械臂抓取目标物体的全过程进行动力学仿真分析,研究在抓取目标物体的过程中模型关节力矩、箱体与捕获杆上的应力等;对箱体展开不同角度时的抓取过程进行仿真分析,对比在不同抓取姿态下空间柔性机械臂各部位的受力情况。其次,以臂杆长度、半径等为可变参数,在动力学软件ADAMS中建立参数化的空间机械臂;分别改变箱体、捕获杆的长度、半径等参数并对空间柔性机械臂抓取目标物体的全过程进行仿真分析,对比分析在不同的臂杆长度、半径等参数下抓取目标物体的过程中空间机械臂各部位的受力情况。最后,利用ADAMS/Vibration模块对空间机械臂进行模态分析,研究其振动的固有特性;利用建立的参数化模型,改变捕获杆长度、弹性模量等参数并对其抓取目标物体的过程进行仿真分析,研究在抓取目标物体的过程中机械臂系统的振动情况;从结构设计的角度给出了对空间柔性机械臂系统抓取目标物体时产生的振动进行抑制的策略。