关键词： 荞麦   清选装置   振动筛   动力学特性   参数优化   离散单元法  

摘要： 荞麦营养丰富,是改善膳食结构、促进营养健康的重要口粮品种。我国是荞麦主产国之一,荞麦的种植面积与产量均位居世界第二。由于荞麦为无限花序作物,其籽粒的成熟度极不一致,成熟籽粒极易脱落,收获时籽粒易受损破碎,茎秆含水率较高等特点使得荞麦机械化收获难度较大。尤其在联合收获的清选环节,含水率较高的茎秆成为机械收获脱出混合物的主要组分之一,其空气动力学特性、尺寸特性与籽粒的差异不明显,故而导致荞麦机械收获清选含杂率高,损失率大的问题普遍存在。本课题从荞麦机械化清选入手,对国内外谷物清选原理方法,清选装置设计、试验以及脱出混合物物料特性的研究动态进行了分析,采用理论分析、结构设计与优化、模拟仿真、台架试验相结合的研究方式,开展了荞麦作物机械收获脱出混合物清选理论与试验研究,以期为现有荞麦清选装置及联合收获机的数字化设计、优化提供理论依据,为新型荞麦清选装置的研制提供参考与启示。本课题的主要研究工作如下:1、荞麦作物机械收获脱出混合物特性研究收集了XG788S型联合收割机收获‘黑丰1号’、‘红山’荞麦时脱出混合物,对2种脱出混合物的组成进行了分析,研制了农业物料动态休止角测量装置、碰撞恢复系数测量装置,采用直接测量法,应用不同的仪器和装置对各脱出混合物中各组分的特性参数进行了测量并分析。得到了荞麦机械脱出混合物中各组分的三维尺寸范围、主要组分的千粒重、密度、含水率、悬浮系数、动态休止角、弹性模量、剪切模量的数据区间;获得了荞麦籽粒、茎秆之间及它们与钢板相互作用的接触参数,如恢复系数、摩擦系数等。结果表明:荞麦机械脱出混合物的主要组分为荞麦籽粒和茎秆,杂余量占比高达32%左右;仅依靠风选难以实现脱出混合物中籽粒与茎秆的有效分离;旋转鼓转速、荞麦籽粒的填充率和含水率均对2种荞麦籽粒的流动性和摩擦性有一定影响,荞麦籽粒的上、下休止角及动态休止角均与含水率呈显著的线性关系,籽粒动态休止角约等于其上、下休止角的平均值。所得特性参数数据及结论可为后续建立相对精确的荞麦籽粒、茎秆的离散元模型,进行脱出混合物分离、清选过程的数值模拟,设计适应性较强的清选装置提供数据支持与依据。2、荞麦作物机械收获脱出混合物主要组分离散元模型的构建及模拟参数虚拟标定研究采用三维模型重构法建立了‘黑丰1号’荞麦籽粒、茎秆的离散元模型,设计并试制了基于堆积试验的农业物料静态休止角测量装置,通过现代试验设计方法完成了对荞麦籽粒、茎秆离散元模拟参数的标定,并分别采用圆筒提升、旋转鼓模拟试验对标定结果进行了验证。研究结果表明荞麦籽粒-籽粒静摩擦系数、荞麦籽粒-钢板静摩擦系数对荞麦籽粒的静态休止角影响显著;而荞麦茎秆-茎秆间动摩擦系数、碰撞恢复系数对荞麦茎秆的静态休止角影响显著。标定得到的籽粒离散元模拟参数为:荞麦籽粒泊松比0.29,剪切模量34.325MPa,荞麦-荞麦静摩擦系数0.482、滚动摩擦系数0.290、恢复系数0.260;荞麦-钢板恢复系数0.500、静摩擦系数0.446、滚动摩擦系数0.235;标定得到的茎秆离散元模拟参数为:荞麦茎秆-茎秆静摩擦系数0.600、滚动摩擦系数0.460、恢复系数0.160;荞麦-钢板恢复系数0.360、静摩擦系数0.500、滚动摩擦系数0.300。模拟验证试验与实体试验得到的荞麦籽粒、茎秆休止角无显著差异,表明采用响应面法标定荞麦籽粒、茎秆离散元仿真参数是可行的,结果是可靠的。所得荞麦籽粒、茎秆离散元模型及模拟参数可为后续荞麦作物机械收获脱出混合物的清选仿真试验奠定基础,为荞麦相关装备的数字化设计提供依据。3、荞麦作物机械收获脱出混合物清选试验研究以‘红山’荞麦机械收获脱出混合物为试验材料,在风筛式谷物清选试验台上进行了曲柄长度、曲柄转速、上筛面倾角、下筛面倾角、振动方向角、风机风向角、风机转速的单因素试验,根据单因素试验结果对这7个因素分别取3水平进行了正交试验,对试验结果进行了极差、方差及回归分析,建立了清选含杂率、籽粒损失率、清选时间的回归模型,并应用多目标遗传算法对荞麦清选环节的工作参数进行了优化。试验结果显示各因素对清选损失率、籽粒含杂率及清选时间的影响程度不尽相同,荞麦清选作业参数最佳解集为:曲柄长度30 mm,曲柄转速和风机转速分别为231 r/min,600 r/min,风机风向角,上、下筛面倾角,筛面振动方向角依次为30°,-3.8°,-1°,5°。此时清选损失率、含杂率和清选时间分别为2.80%,3.09%,7.98s。经试验验证,在最优工作参数下,各评价指标的试验值依次为2.89%,3.11%,8.09s,与理论值相对误差均小于4%,且优化所得结果与极差、方差分析结果高度一致,说明采用遗传算法对清选回归模型进行优化是可行的,优化结果是可靠的。所得结论可为荞麦清选作业工作参数的选用,传统荞麦清选装置的设计及优化提供理论

关键词： 可维修航天器   空间机械臂   关节非线性   轨迹规划与优化   力位混合控制  

摘要： 在轨故障轻则使航天器性能降级,重则导致整星失效,且大部分硬件故障无法通过软件升级、系统重启修复,在轨维修成为必然趋势。由于地面技术的快速发展和航天器寿命的延长,航天器寿命越长,航天器中后期性能与地面技术水平差距就越大。因此,对大中型航天器进行可维修性设计,使其易于接受维修、升级等在轨服务,已成为业界共识。然而,可维修航天器设计方法尚未形成完整理论体系,对其在轨维修面临新的技术挑战。一方面,需要解决可维修航天器设计中维修便利性和代价难以兼顾的难题。另一方面,需要解决在可维修航天器构型和惯量变化、受限空间复杂障碍约束、维修工具自身非线性因素的影响下,实现高精度、高柔顺维修操作的难题。对此,本文开展了面向可维修航天器的空间机械臂在轨维修动力学与控制技术研究。以方便空间机械臂在轨维修和实现代价低廉为出发点,从可维修体系架构、可更换功能模块体系、即插即用接口体系三方面,提出了一种可维修航天器的通用设计方法,设计了一种主结构可变构型的模块化可维修航天器,作为本文空间机械臂在轨维修操作的对象。所设计的可维修航天器以开放式机械体系、分布式异构网络体系与可补加动力体系为核心架构,以两级功能模块和三级接口为可维修载体,支持空间机械臂在轨维修。从维修操作流程、维修操作约束、维修代价三方面,分析了其对空间机械臂的维修操作需求与航天器可维修化发展的经济价值。分析表明,所设计的可维修航天器以较小代价实现了可维修维护能力,降低了对维修操作方的要求。建立了同时考虑关节柔性和末端接触碰撞等内外部因素影响的空间机械臂系统精细动力学模型,可以表征关节柔性对空间机械臂在轨维修操作精度的影响。首先,以D-H参数法描述了7自由度空间机械臂坐标系,推导了其运动学和动力学方程。针对无人在轨维修任务中空间机械臂常用的谐波减速器关节,提出了一种综合考虑非线性刚度、迟滞效应、扭转间隙、不同类型摩擦、谐波传动纯运动学误差、关节阻尼的谐波驱动关节非线性精细动力学模型,利用常微分方程建模了非线性刚度、迟滞效应、扭转间隙之间的耦合作用,给出了周期输入下的代数形式解。随后,将关节非线性因素引入空间机械臂系统动力学模型,并对操作过程进行碰撞检测和碰撞力计算,建立了空间机械臂与目标耦合的在轨维修操作系统动力学模型。动力学仿真表明,关节非线性因素引起机械臂高频振动、导致末端位置误差显著增大,需要在机械臂控制中予以补偿。提出了在受限空间复杂障碍约束与自身性能限制下的空间机械臂轨迹规划与优化方法,满足可维修航天器高精度在轨维修操作轨迹规划的需求。为了兼具高维复杂障碍空间搜索能力和高效计算效率,并确保规划结果平滑,提出了基于人工势场法改进的RRT-connect及RRT*避障轨迹规划方法,给出了可维修航天器模块更换过程空间机械臂的无障碍运动轨迹。考虑到可维修航天器构型变换和两星对接对能源供给与热控保持能力带来的影响,在轨维修时间和能源消耗存在较为严格的限制。基于NSGA-II遗传算法,建立了以时间最优、能耗最优和偏离无障碍轨迹最小为目标,考虑机械臂关节自身物理约束的多目标轨迹优化方法。仿真实验表明,所提方法可使空间机械臂有效规避卫星本体、太阳翼,以及变构型可维修航天器内部的复杂障碍,且关节运动平滑、关节力矩不存在突变;规划轨迹在维修时间、维修能耗和无障碍轨迹偏离程度方面得到了优化。提出一种新型力位混合控制方法,可以克服内外部不确定因素的影响,实现高精度、高柔顺在轨维修操作。首先,将机械臂动力学模型在适从坐标系下进行了重建,提出了冗余机械臂力位混合控制架构和基于零空间法的冗余机械臂力矩优化方法,设计了力位混合控制律,实现了空间机械臂末端位置控制和力控制的解耦。在此基础上,提出了一种基于径向基函数神经网络(RBFNN)补偿的力位混合控制方法,设计了相应的自适应控制律、证明了其稳定性。不同算法的对比仿真和可维修航天器功能模块更换任务仿真表明,所提控制方法能够适应负载质量、惯量等大幅变化的情况,并克服空间机械臂自身非线性因素的影响,实现在轨维修过程的精确控制与柔顺操作。

关键词： 内燃机   直线电机   有限元   集成   优化设计   稳健性  

摘要： 内燃机是一种将热能转化为机械能的热机,因技术成熟,目前被广泛应用。但随着社会对电力需求的日益增加,传统内燃机单一能源的输出已无法满足多元动力需求。传统发动机驱动发电机组虽实现了电力输出,但增加了整体结构的体积和重量,限制了其进一步的应用和发展。永磁活塞机械电力发动机将直线电机与传统内燃机耦合一体,在输出机械动力的同时,可对外输出电力。电动力机构的设计优化对其提高能效、减小结构体积具有重要意义。本文论述了永磁活塞机械电力发动机的结构与工作原理,并建立了发动机电动力结构的数学模型。考虑发动机自身的结构特点,利用磁路法建立了电动力结构的等效电路,推导出了多项电磁性能参数表达式,为有限元仿真提供了理论基础。完成了电动力结构性能的有限元分析。基于Ansoft Maxwell软件建立了三维有限元仿真模型,仿真分析发动机电动力结构参数对其电磁性能的影响,求解计算得到不同参数下发动机电动力结构输出电流的波形和大小(有效值和峰值)的变化规律。通过比较分析仿真结果确立优化变量,为后期优化提供了参考依据。搭建了永磁活塞机械电力发动机电动力结构的优化模型,形成了优化软件与电磁分析软件相集成的优化方法。以永磁体轴向和径向长度,永磁体包角以及齿槽宽和齿槽高为优化变量,以输出功率最大、永磁体用量最小为目标创建优化模型,运用Isight软件集成Ansoft Maxwell软件设计优化框架,基于NSGA-II优化算法迭代寻优,得到Pareto最优解集。最终确定了电动力结构最优结构尺寸参数,实现了对发动机电动力结构本体的优化设计。通过仿真分析验证了优化结果的有效性。综合对比优化前后发动机电动力结构的磁场强度、空载电动势、输出电功率等,优化后发动机电动力结构的各项输出性能参数均有所提升。其中通过计算优化前输出电功率有效值为5w,确定性优化后提高到8.402w,提高了68.04%。考虑不确定因素对仿真模型的影响,对确定性优化结果进行了6Sigma分析及优化。优化后电动力结构的输出功率为8.14w,与优化前相比提高了62.8%,最终确定了发动机电动力结构的最佳尺寸参数组合。鉴于发动机电动力结构的工作环境恶劣,计算分析了永磁体的温度场分布,其最高温度达382K,满足衫钴永磁体的工作要求。

关键词： 生物质气化   焦油   聚多巴胺   Fe2O3   催化裂解  

摘要： 氢动力运载机械因其零排放的优点,有效的解决碳排放的问题。生物质制氢技术是为氢动力运载机械提供燃料的方法,其中的生物质气化技术是一种可以将生物质能转化为可燃气的技术,但是在过程中会产生焦油。焦油的产生会制约生物质气化系统的气化效率,还会使气化系统中的管道发生堵塞,甚至会腐蚀气化系统的设备,因此需要找到去除生物质焦油的方法。本文采用聚多巴胺为载体,Fe为负载金属,制备了一种纳米金属碳基催化剂。利用甲苯作为焦油模型化物,在固定床反应装置上进行了纳米金属碳基催化剂的甲苯催化裂解性能测试,并对催化剂的催化机理进行了研究。首先,文本考察了制备催化剂时的活化温度、活化水蒸气浓度和金属负载浸渍液中的Fe浓度对聚多巴胺炭物理化学特性的影响。BET的表征结果显示,聚多巴胺炭经过水蒸气活化后,比表面积和孔体积明显增大,在活化温度800°C、活化水蒸气浓度10%时达到最大值,比表面积和孔体积分别为735.17m/g和0.319 cm/g。XRD和XPS表征结果表明,负载在聚多巴胺炭载体表面的金属主要以FeO形式存在。SEM、TEM、氢气脉冲吸附等表征结果显示,催化剂表面的Fe颗粒的平均粒径为30.5 nm,并且这些纳米Fe颗粒均匀地分散在聚多巴胺炭载体上。其次,本文研究了不同Fe负载量对催化剂结构和催化剂对甲苯催化裂解性能的影响,并且分析了催化剂对甲苯的催化裂解机理。甲苯脱除实验结果表明,随着Fe负载浓度的升高,甲苯脱除效率先增大后减小,在Fe负载浓度为5%时表现出最大脱除效率。随后对甲苯脱除实验收集的尾气进行气相色谱分析,发现载铁聚多巴胺炭对甲苯催化转化产生的气体具有较高的氢气选择性,氢气选择性在90%左右。甲苯脱除实验前后催化剂的FTIR表征结果显示,催化剂对甲苯的催化作用是氢键作用、n-π相互作用、π-π相互作用和金属颗粒与碳载体之间的协同作用。最后,本文通过专业软件对载铁聚多巴胺炭催化剂和焦油模型化合物进行建模并且进行吸附计算。探讨不同FeO含量对催化剂的物理化学性质和对焦油模型化合物的吸附量的影响。结果发现适量的添加FeO可以提高催化剂吸附焦油模型化合物的能力,过高过低地改变FeO的含量不能使催化剂达到最佳吸附能力,验证了实验部分FeO含量对催化剂催化性能的影响。

关键词： 农业劳动力老龄化   农业机械应用   农地转入   调节效应  

摘要： 随着工业化及新型城镇化建设的推进,城市发展步伐逐步加快,农村发展却暴露出诸多问题,如农村地区劳动力外流、农业劳动力老龄化、农地无人耕种等问题,严重制约农业农村高质量发展。农村青壮年劳动力外流致使农业生产者多为老龄群体,这在一定程度上制约了农业高质量快速发展,从而使得农村地区土地出现撂荒现象甚至“无人耕种”的问题。因此,加快转变农业生产方式,促进农村地区农地流转是解决这一问题的有效途径。推动农村地区实现农地流转,促进农地适度规模经营,将农业生产要素充分结合,发挥要素综合水平,整合有利于土地资源的要素,最终实现资源有效配置。农地流转是促进农业生产要素优化配置与农业适度规模经营的主要途径。本文基于中国劳动力动态调查数据,实证分析了农业劳动力老龄化与农业机械应用对农地转入的影响。结果表明:农业劳动力老龄化抑制家庭农地转入,且农业劳动力老龄化程度越深,对农地转入的抑制作用越明显;农业机械应用对农地转入存在显著正向影响,且能够有效缓解农业劳动力老龄化对农地转入的负向影响;仅东部和中部地区,农业劳动力老龄化对农地转入存在显著负向影响,农业机械应用均显著正向影响农地转入。因此,应继续提升农业机械应用水平,加快农业生产效率的提高;完善农村农地经营补偿机制,创造老龄农户生产经营条件;加大新型农业经营主体培育力度,提高种田农户职业素质;针对地区差异,发展实用性强的农业机械,缓解农业劳动力老龄化对农业生产的不利影响,从而提高农民农地转入参与积极性,实现农业规模经营。

关键词： 无理项   全局分岔   混沌   初值敏感性   分形吸引域  

摘要： 本文以几类含无理项非线性的典型机械振动系统为研究对象,采用全局分岔理论及吸引域方法研究几类含无理项非线性的机械振动系统的复杂动力学行为的机理,其中无理项非线性由几何非线性因素引起。首先,考虑连杆滑块机构振动系统,进行动力学建模和无量纲化。在此基础上,对其进行分岔研究,结合吸引域研究系统的振动跳跃现象。进一步,通过Melnikov方法研究异宿分岔机制,并结合数值模拟验证系统发生锁死不稳定和混沌行为的必要条件。其次,考虑对称刚性支撑弹簧滑块机构振动系统,进行动力学建模并无量纲化,进一步得到无扰动系统。此外,通过引入新变量解析表达同宿轨道,利用Melnikov函数方法研究同宿分岔机制,并结合数值模拟验证系统发生同宿分岔的必要条件。研究发现,新变量解析表达方法有效。最后,考虑一类等边三角形排布的典型磁力摆,基于对其全局动力学行为的分析,研究初值敏感性现象及其机制。通过理论和数值模拟研究其初值敏感性现象和不动点吸引域随磁铁位置移动的演变规律,最后,通过实验验证该现象。该类磁力摆的初值敏感性可归因于其不动点吸引域的分形。本文研究为典型机械结构中几何非线性引起的复杂动力学行为的控制和结构设计提供理论参考。

关键词： 碰振   间隙   分岔   吸引域   冲击速度  

摘要： 在轨道交通领域内,间隙和碰摩等大量非线性因素存在于列车装置之间。间隙等非线性因素的存在会影响列车运行的舒适性和平稳性。因此,有必要深入的研究含间隙机械系统动力学。本文基于线性约束的前提下,建立了与实际工况更相似的一类非线性约束,结合二自由度碰撞块模型,构成两类含非线性约束的机械碰振系统,并求解了其动力学方程,通过数值计算的方式,得到了该类动力学模型周期运动的单、双参分岔图和相图,分析了系统低频激励下的动力学特性。研究表明:在单侧约束和双约束下,系统在低频激励下,主要呈现出p/1周期运动,随着ω的减小系统会发生Grazing分岔,该分岔会使系统的碰撞次数p增加,当碰撞次数p足够大时,会使系统产生chatting-impact运动。随着ω的增加,系统会发生saddle-node分岔,该类分岔会使系统的碰撞次数p减少,由于Grazing分岔和Saddle-node分岔的分岔点位置不同,导致产生了由相邻周期运动组成的多周期运动共存区。同时,倍周期和边界激变会使系统中的周期运动过渡区产生复杂的周期运动。之后,结合胞映射的方法,研究了两类机械碰振系统的周期运动共存区内共存吸引子和吸引域的分布规律。揭示了系统的关键参数δ,μm,μk,μc,ζ,f20对部分多周期运动共存区和系统的冲击速度的影响规律。结果表明:在单侧约束和双约束下δ,f20等关键参数对于系统的多周期运动共存区影响较为显著,周期运动共存区对于其他参数不太敏感。同时,在单侧约束下,系统中最大冲击速度峰值随着μm,ζ,μc的增大而减小,随着μk的增大而增大,随着f20增大而不变,在双约束下,系统的冲击速度最大峰值,随着f20的增大而增大,随着ζ的增大而减小,随着μm,μk,μc的增大而基本不变。最后,对比了单侧约束和双约束机械碰振模型下,系统动力学特性的异同点。结果表明:低频激励下单侧约束和双约束的周期运动转迁规律基本相似,关键参数对于周期运动共存区的影响也相似。不同之处在于μm,μk,μc,f20四个关键参数,对系统的最大冲击速度的影响规律。

关键词： 柔性关节机械臂   时间卷积网络   深度学习   强化学习   轨迹跟踪控制  

摘要： 为了完成复杂、精细、人机交互等任务要求,往往使用柔性机械臂完成任务。对于多连杆柔性关节机械臂,由于关节存在柔性变形,关节处的电机转角与实际转角并不相同,给机械臂轨迹跟踪控制带来极大难度。现如今,科技迅猛发展,人工智能技术得到广泛运用,将神经网络运用于柔性机械臂的控制已经能实现较为精确的轨迹跟踪。 本文提出了一种适用于柔性关节机械臂的深度强化学习动力学控制方法,该方法能够将深度学习与机械臂的物理模型结合,由仅使用深度学习时的纯数据驱动转变为深度学习和物理模型共同驱动,充分发挥了深度学习和动力学理论知识的优势。该方法首先需要获得柔性机械臂的动力学模型,本文通过浮动坐标系法建立了无约束的链式柔性关节机械臂的动力学方程。其次,通过深度学习神经网络由期望轨迹初步预测出相应的机械臂关节角度与驱动力矩等输出值,再通过输出值得到此时的实际末端轨迹与预期轨迹的误差。最后,由该误差和机械臂动力学方程共同计算网络的损失函数,从而反馈更新预测神经网络的参数,直至在适当的误差阈值内寻找到合适的输出值使预期轨迹满足精度要求。此外,本文使用了提出的深度强化学习方法分别对两连杆和三连杆柔性关节机械臂轨迹跟踪问题进行控制,仿真结果表明深度强化学习动力学控制方法能够达到较好的控制效果。 为了进一步提高控制效果,本文提出了一种改进的深度强化学习方法,即基于时间卷积网络的深度强化学习动力学控制方法。该方法在前面的深度强化学习方法基础上,引入时间卷积神经网络,提升了深度强化学习动力学控制方法的控制效果,使得机械臂的轨迹跟踪效果增强。仿真结果表明,改进的方法能够显著提升深度强化学习的控制效果。

关键词： 阻旋栅密封   袋型阻尼密封   篦齿封严   动力特性   气弹稳定性  

摘要： 转子与静子之间的密封(封严)结构在防止工作介质泄漏,提高机组效率的同时会引起气流激振导致转子失稳。由密封引起的转子失稳是影响透平机械向高参数发展的主要因素,因此对于透平机械中应用的典型密封的动力特性分析并优化其结构达到抑制转子振动效果的研究具有重要意义。 本文建立了阻旋栅密封、袋型阻尼密封与篦齿封严动力特性理论模型,研究了预旋进气条件下阻旋栅密封动力特性,分析了结构参数对袋型阻尼密封动力特性影响规律,并优化设计了袋型阻尼密封结构;应用电磁轴承激振器实验研究了阻旋栅密封与袋型阻尼密封转子稳定性;基于能量法对篦齿封严的气弹稳定性进行研究,分析不同节径振动下的篦齿封严气弹稳定性并设计了抑振阻尼环,优化了阻尼环结构。 研究结果表明:预旋比增大,阻旋栅密封有效阻尼降低。随着阻旋栅数量和长度的增加,密封有效阻尼和转子对数衰减率增大,系统稳定性提高。随着挡板数量的增加,袋型阻尼密封有效阻尼增加,转子的对数衰减率增加,系统稳定性提高。等腔室袋型阻尼密封的腔室深度增加导致有效阻尼减小。在本文研究工况下,挡板数量不变,涡动频率小于160 Hz,错位挡板袋型密封有效阻尼大于普通等腔室袋型密封。篦齿封严构型外篦齿环在0.2 MPa进气时气动功为负值,与气动阻尼系数对应,处于稳定状态。内篦齿环气动功在各压比下均为负值,处于稳定状态。圆形截面阻尼环封严结构节径振动固有频率增量最多,内外封严固有频率随阻尼环开口量增加而减小,针对本文模型与工况,10 mm开口量阻尼环对篦齿封严的节径振动特性影响最优。