关键词： 振动球磨   振动同步   稳定性   圆周运动   EDEM  

摘要： 振动球磨机作为一种研磨设备,被广泛应用在矿产、化工和陶瓷等行业,以及在众多领域范围内作为主要工具之一发挥其重要作用。传统球磨机如行星式球磨机等需要多级传动装置,不可避免存在结构复杂、研磨质量差、效率低等问题。然而借助振动同步技术,在提高机器紧凑性的同时,更能改善研磨质量,缩短生产时间,节约成本等。继于现有研究,结合工程需求,本文提出了三种新型振动球磨机械系统动力学模型,即:双机驱动双磨筒、四机分置驱动双磨筒以及三机分置驱动三磨筒动力学模型。研究并揭示了从双机到四机驱动,从双磨筒到三磨筒振动球磨系统的同步原理与耦合动力学特性,界定出三个系统各自的理想工作区域及匹配参数,为新型振动球磨机的优化设计提供参考。具体研究内容如下:(1)从双机驱动双磨筒振动球磨机械系统动力学模型着手,研究了其动力学特性及参数匹配规则。从建立系统运动微分方程出发,依据平均法与哈密顿原理推导出系统同步性和稳定性条件。基于理论结果的数值方法,定性分析了系统在不同激振频率下的幅频响应、同步及稳定性能力和稳态时系统三类相位关系等,界定出系统几何参数与频率参数相匹配的同步稳定区域,优选出系统理想工作区域对应的参数匹配关系。通过仿真,进一步定量验证了理论结果的正确性,最终实现机器系统的参数设计和功能优化。(2)在前一章基础上,通过增加电机数量来提高系统驱动功率,并采用双磨筒与四电机对称布置,提出四机分置驱动双磨筒振动球磨机械系统动力学模型,研究其动力学特性及参数优化问题。理论上得到系统的同步性和稳定性判据。数值上以固有频率为分界点进行分区,讨论了系统在不同区域内的幅频特性,给出激振器(即由交流电机驱动的不平衡转子)不同质量比条件下的同步性和稳定性能力及系统相位关系,指出各区域内系统对应的机器功能。仿真研究定量验证了上述理论分析的可行性。依据该部分结果,可以通过避开系统多平衡点区域,优选出最佳工作点区间。(3)研究了三机分置驱动三磨筒振动球磨机械系统动力学模型及其动力学特性与参数匹配。通过Lagrange方程,推导出系统运动微分方程。应用平均法得到三激振器实现耦合同步的理论判据,利用哈密顿原理得到同步状态下稳定性判据。数值及仿真研究方面,分析并验证了系统稳态时不同共振区域内的三类相位关系、稳定状态及其对应的机器最终运动类型。结果表明,系统最佳工作点区域应设定在第Ⅰ区域内,此时,三个主工作质体在实现各自高振动强度圆周运动的同时,他们之间的振动力相互抵消,以至系统传递给基础的动载荷为0,进而在提高机器产量的前提下,从系统同步本身的角度解决了隔振问题,免除了附加隔振机构,提高了结构的紧凑性。(4)基于上述三种振动球磨机械系统理论分析结果,归纳出每一种系统在其理想工作区域都有以下特点:内质体(即工作质体)质心的运动形式为圆周运动或近似圆周运动;多个工作质体的运转频率、幅值和运动轨迹完全一致。因此,本节针对单个磨筒赋予前述理论的运动学参数实现的条件下,考虑物料颗粒流效应,应用EDEM进行仿真研究。根据控制变量法,匹配出实现系统良好球磨效果所对应的运动学参数。最后总结全文所做工作,指出下一步所需开展的研究。

关键词： 工程教育专业认证   学习兴趣   激发学生   热能与动力   教学内容   《热能与动力机械基础》   专业基础课   机械基础   教学改革探索  

摘要： 《热能与动力机械基础》是能源与动力工程专业的一门重要的专业基础课,针对该课程涵盖知识范围广、理论性较强等特点学生缺乏学习积极性等问题,在本专业正在申请工程教育专业认证的背景下,从教学内容和教学模式两方面对《热能与动力机械基础》课程教学改革进行了探讨。

关键词： 超冗余机构   绳驱机器人   绳孔补偿   运动优化   机器人滑模控制  

摘要： 绳驱蛇形机械臂是基于仿生学原理设计的超冗余机构,由多个刚性或柔性关节串联构成,又名象鼻机器人、仿生章鱼、仿生触手等。对于空间狭窄、结构封闭、障碍密布的操作环境,普通机械臂由于自由度较少、机构尺寸庞大等原因无法进入,而绳驱蛇形机械臂则可以携带操作工具进入。因此,绳驱蛇形机械臂在航空航天、石油化工、医疗器械、核工业等领域具有广泛的应用前景。现阶段绳驱蛇形机械臂的研究虽然取得了一定的成果,但是却面临着运动精度低和抗干扰能力差的缺陷,控制建模不完善、未考虑模型不确定性是导致上述缺陷的主要原因。本文针对以上问题,对包含绳孔非线性的绳驱蛇形机械臂的建模和滑模控制开展研究。本文以16自由度绳驱蛇形机械臂为研究对象,提出了机构设计方案,并建立了虚拟样机模型和实验样机。基于理想绳孔模型的绳驱蛇形臂建模过程为:首先将绳索简化为绳段力,利用D-H矩阵建立了关节型机器人的运动学模型;然后通过机构运动学模型计算出绳孔位置和速度,由此得到绳索速度与关节速度的映射关系;最后基于虚功原理计算绳索在关节处的等效驱动力矩,利用Lagrange方程建立绳驱蛇形机械臂的动力学模型。当考虑绳孔摩擦、绳孔间隙、绳索柔性时,绳索长度和绳索拉力所受影响较大。为建立绳孔非线性模型,首先基于Stribeck模型建立绳孔摩擦模型,然后利通过Chebyshev多项式拟合绳孔间隙导致的绳长误差,最后基于绳孔摩擦模型计算绳段拉力并得到绳索柔性误差。绳长误差由绳孔间隙误差和绳索柔性误差导致,通过绳长误差建模,可对绳驱蛇形机械臂的运动学模型进行修正。绳段拉力可等效为作用在万向节中心的力螺旋,由此可将绳索力转化为关节等效驱动力,并利用Lagrange方程得到包含绳孔摩擦的绳驱蛇形臂动力学模型。仿真和实验结果表明,通过在机构运动学模型和动力学模型中引入绳孔非线性补偿,可大幅降低仿真与实验结果的误差,从而完善绳驱蛇形机械臂的运动学模型和动力学模型。为进行逆运动学和逆动力学计算,冗余机器人在完成任务空间主运动时需要对零空间自运动进行优化。绳驱蛇形臂自由度较多,优化目标函数在运动空间内有多个极值,常用的雅可比矩阵伪逆法的优化效果不理想,智能优化算法无法保证实时性。为解决此问题,本文同时使用形状优化和关节角度优化法对绳驱蛇形机械臂进行运动学优化。基于3阶Bézier曲线模拟蛇形臂形状,由3/8Simpson规则计算曲线长度,依据曲线与实际机构间的长度误差制定优化目标函数,利用梯度法计算Bézier曲线控制点坐标,从而得到机构的连续形状函数。部分万向节中心被约束在形状曲线上,可将超冗余机构转化为多个低冗余机构,基于增广雅可比矩阵伪逆法可实现关节角度优化。利用动力学模型的位置变分推导绳驱蛇形机械臂的刚度模型,求解能同时满足动力学方程和刚度方程的绳索拉力,基于线性二次型优化方法实现绳索拉力优化。同时,利用模型重构技术调节绳索拉力,可避免运动过程中驱动力超限。本文基于变结构滑模控制设计轨迹跟踪控制器,使绳驱蛇形机械臂在运动过程中能够有效抵抗不确定性扰动。通过构建关节状态观测器,并利用计算力矩法进行反馈线性化,使用干扰观测器和双曲正切函数削弱滑模控制的“抖振”现象。基于绳驱蛇形臂的反馈线性化模型分别设计关节空间、任务空间和扩展任务空间的轨迹跟踪滑模控制器。最后,通过虚拟样机联合仿真对比三种控制器在考虑绳孔补偿和不考虑绳孔补偿时的运动控制效果。结果表明,考虑绳孔补偿的滑模控制器的位置跟踪误差和控制力“抖振”均小于不考虑绳孔补偿的滑模控制器;扩展任务空间的滑模控制器比关节空间滑模控制器的轨迹跟踪精度高,比任务空间滑模控制器的稳定性强。

关键词： 重载机械臂   液压动力系统   EHA-VSVP   分配解耦控制   动力匹配  

摘要： 随着现代工业经济的快速发展,作为国民经济最基础产业之一的矿山工业,对于大型磨机的需求也越来越大。随着磨机量级的增加,衬板的重量也有所提高。因此针对磨机衬板更换的重型机械臂的研究受到世界各国液压学术界和产业界的高度重视。作为重型机械臂的动力源,液压动力系统的控制精度、运行稳定性和动力匹配性能还存在较大的提升空间。电动静液作动器(EHA)是近20年发展起来的一类机电液一体化产物,同时具备液压传动系统和电气传动系统的优点。经典EHA系统都是采用定量泵,但若是采用变量泵和变速电机构成EHA-VSVP复合调速系统,系统的动力匹配性能和节能效果有望得到提高。本课题就是在重载机械臂液压动力系统上应用EHA-VSVP复合调速控制策略,并对其设计研究和性能分析。本文首先对重载机械臂液压动力系统的原理进行分析,对动力系统中的整体回路进行设计,并确定了柱塞泵的变量机构和比例排量控制器。基于动力系统原理方案的设计,确定每一个组成元件的型号和性能参数,运用AMESim仿真软件对动力系统液压部分进行合理化建模,为后续仿真奠定基础。本系统含有两个控制单元—变量泵和伺服电机,且系统的输出流量是变量泵的排量值乘上电机的转速值得出的,因此系统实际上可以看做是一个具有本质双变量相乘非线性的系统。通过对重载机械臂的工况进行分析,根据预期流量和压力信号,分析柱塞泵和电机的效率情况,采用分配解耦控制的方法对两个控制单元进行控制。运用AMESim和MATLAB联合仿真技术对动力系统进行验证,结果表明所设计的液压动力系统具有良好的快速性和稳定性,且应对正弦信号时表现出良好的跟踪性,也展现出能应对更高频信号的潜能。通过对重载机械臂液压动力系统进行模拟工况仿真分析,模拟机械臂安装新衬板的运动过程所需的流量和压力值,结果显示所设计的液压动力系统表现出良好的动力匹配性能,并且具有一定的节能作用。

关键词： 五自由度连杆机构   机械手   打磨   静力学及动力学   拓扑优化  

摘要： 工业机械手已成为国家支柱产业之一的制造业必不可少的重要组成部分,各种新功用的机械手还在持续涌现。随着我国人口红利消失、用人成本逐年攀升,相当程度影响了制造业的可持续发展。随着“中国制造2025”的推出、产业转型升级的不断推进,工业机器人作为智能装备的典型代表,国内制造业对其需求日益高涨。本文采用以CAD/CAE技术为核心的计算机辅助技术,从静力学与动力学两方面对五自由度连杆机构打磨机械手性能及相关影响因素进行了分析研究。介绍机械手的技术参数、结构设计、工作流程及原理,完成了机械手各部分的机械结构设计;将机械手的三维模型导入到ADAMS中,开展机械手全工作流程的动力学仿真,分析评估机械手的运动空间及所能实现的姿态,得到各连杆变量的变化规律以及机械手末端的位置、运动速度和加速度的变化规律;分析砂轮切削厚度、砂轮转速及打磨节拍三种关键因素对机械手动态特性的影响规律,并得到各连杆、齿轮对的载荷及砂轮边缘的振动参数,为机械手的优化设计提供依据。在对模型进行合理简化的基础上,选用适当的单元类型和单元尺寸划分网格,应用ANSYS Workbench软件对有限元模型进行有限元及模态计算,得到机械手在典型工作姿态下的应力云图与位移云图,该机械手在典型姿态下的整体应力水平不高,强度满足要求,尤其是横梁的强度富裕量较大;并计算得到关键部件主梁、横梁及转台的各阶固有频率和模态振型,为机械手的改进提供数据支撑。在整体布局合理的前提下,保证足够的结构强度,同时轻量化以减少惯性力,对关键部件进行结构优化设计。以虚拟样机动力学分析、静力学分析与模态分析结果为基础,利用有限元方法计算关键部件横梁的力学行为,设计区域体积最小作为优化目标,进行拓扑优化计算;以拓扑优化的计算结果为参考,设计得到新的结构方案;通过力学特性与模态参数验证并对比新的结构方案,得到一个优化的机械手横梁构型,最终达到结构轻量化及优化机械手的动态特性的目的。该论文有图71幅,表13个,参考文献83篇。

摘要： Membrane tension perceived by mechanosensitive (MS) proteins mediates cellular responses to mechanical stimuli and osmotic stresses, and it also guides multiple biological functions including cardiovascular control and development. In bacteria, MS channels function as tension-activated pores limiting excessive turgor pressure, with MS channel of large conductance (MscL) acting as an emergency release valve preventing cell lysis. Previous attempts to simulate gating transitions in MscL by either directly applying steering forces to the protein or by increasing the whole-system tension were not fully successful and often disrupted the integrity of the system. We present a novel, to our knowledge, locally distributed tension molecular dynamics (LDT-MD) simulation method that allows application of forces continuously distributed among lipids surrounding the channel using a specially constructed collective variable. We report reproducible and reversible transitions of MscL to the open state with measured parameters of lateral expansion and conductivity that exactly satisfy experimental values. The LDT-MD method enables exploration of the MscL-gating process with different pulling velocities and variable tension asymmetry between the inner and outer membrane leaflets. We use LDT-MD in combination with well-tempered metadynamics to reconstruct the tension-dependent free-energy landscape for the opening transition in MscL. The flexible definition of the LDT collective variable allows general application of our method to study mechanical activation of any membrane-embedded protein. © 2020 Biophysical Society

关键词： 聚合物   聚合物复合材料   分子动力学模拟   热-机械性质   双温度模型   声子  

摘要： 聚合物因具有质量轻、成本低、耐腐蚀、易加工等诸多优点在工业生产和日常生活中得到了广泛应用。但是由于传统块体聚合物中存在诸如孔洞、杂质、链排布混乱等缺陷,使得聚合物的导热性能不佳。在电子器件散热领域,常需要使用高导热的热界面材料;在化工领域,需要使用耐腐蚀的塑料换热器;在理论研究上,聚合物链因其特殊的结构出现了像热导率发散这样的反常热输运现象。因此研究聚合物中的热输运机理,提高聚合物的热-机械性能,具有重要的理论价值与现实意义。本文首先从载流子输运的角度介绍了不同材料中的热输运,然后简述了分子动力学模拟中的重要概念及其在研究聚合物及其复合材料热-机械性质方面的应用。使用平衡态分子动力学模拟计算了编织聚乙烯、编织聚苯和编织聚乙炔的热导率,发现编织聚合物的热导率与聚合物链主干的硬度紧密相关。进一步分别以碳纳米管、氮化硼管和铜纳米线为填料,使用非平衡态分子动力学模拟计算了聚乙烯-碳纳米管、聚乙烯-氮化硼管和聚乙烯-铜复合材料的热导率。结果表明,当填料含量较低时,聚合物基体对热导率的贡献占主要地位。在掺杂时,应选择能有效改善聚合物基体形态的填料。进而提出使用碳纳米管结作为填料,提高聚合物的热导率。双温度模型是描述电子与声子存在耦合热输运时的唯象模型。以聚乙烯-铜复合材料为模型,将双温度模型和非平衡态分子动力学模拟结合,探究了金属填料长度和电声耦合强度对热导率的影响。借助等效热路图,发现电子非局域效应和电声非平衡效应的作用相当于附加热阻,增加金属填料的长度可以有效降低这部分热阻。当金属填料长度不变时,增加电声耦合强度可以降低电声非平衡热阻。在碳纳米管外面包覆一层氮化硼管,形成“核-壳”结构的碳纳米管-氮化硼管复合填料,再掺入聚偏氟乙烯中。使用分子动力学模拟计算了在电场作用下的聚偏氟乙烯-碳纳米管-氮化硼管复合材料的热导率,发现电场可以用来有效调控聚偏氟乙烯复合材料的热导率。

关键词： 变载荷   钢丝绳   减震   装置  

摘要： 传统船舶动力机械钢丝绳减震装置,存在变载荷环境下的减震系数控制误差较大的问题,导致状态整体减震效果降低。为了解决上述问题,提出变载荷下船舶动力机械钢丝绳减震装置设计。装置设计主要分为结构硬件设计部分与减震控制算法设计部分:结构硬件指PID控制器功能结构设计,框架采用PID隔震控制器结构,利用多种数据传感单元构建PID控制器;软件部分由隔震变量应用环境算法与PID模糊控制算法两部分。分别对控制器应用环境与控制精度进行针对性优化计算,从而实现准确控制不同变载荷环境下的减震系数,达到最佳的减震效果。通过实例数据比对发现,采用设计装置的减震曲线相较传统减震装置的减震曲线,平滑度更好,且没有畸变现象的出现,证明控制精准度与稳定性良好。

关键词： 空间机械臂   动力学建模   概率多模型神经网络   模型预测控制  

摘要： 近年来国家对航天工作的日益重视,航天技术的发展呈现良好的势头,相应的在轨服务需求也和航天器数量一样日益增长。在轨服务技术的进步有助于提高对空间环境的利用效率,同时在轨服务技术的军事战略意义也非常重大。空间机器人是空间在轨服务的主要承担者,其中空间机械臂是最为常用的空间机器人。空间机械臂在空间微重力环境下运行,易受各种干扰因素的影响,因此空间机械臂系统的动力学通常存在非线性、随时间变化等特点,导致空间机械臂系统的动力学建模和控制难以达到良好的效果。近年来人工智能技术飞速发展,研究者们提出了大量基于机器学习的动力学建模和控制算法,这些算法在地面机械臂的研究上取得了良好的效果。因此本文以空间机械臂为研究对象,采用基于机器学习的方法对其动力学建模和控制方法开展研究。重点研究了运用基于多模型的概率神经网络建模方法建立空间机械臂动力学模型以捕捉其动力学系统的不确定性;运用基于学习模型的模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)算法对空间机械臂进行控制。文章完成的工作总结如下:首先,本文利用拉格朗日方法建立漂浮基座空间机械臂动力学模型,得到其动力学方程,并得到空间机械臂动力学特性可由各关节状态表征的结论。其次,将概率神经网络和多模型的思想分别用于捕捉空间机械臂系统的随机不确定性和认知不确定性,建立基于多模型的概率神经网络空间机械臂动力学模型,并研究其建模和预测方法。再次,运用基于学习模型的MPC方法,结合基于多模型的概率神经网络动力学模型,设计了空间机械臂的固定关节构型控制的控制策略,并采用交叉熵方法(Cross Entropy Method,CEM)优化控制。最后,在V-rep仿真环境中搭建空间机械臂仿真模型,获取训练和测试数据集,训练基于多模型的概率神经网络动力学模型及用于对比的其他动力学模型,对比分析模型的泛化能力。仿真验证了基于学习的MPC算法在空间机械臂控制任务中的可行性,并研究了采样方法等因素对控制效果的影响。仿真结果表明,基于多模型的概率神经网络动力学模型能较好的捕捉空间机械臂动力学系统的不确定性,具有良好的模型精度,特别是在长期预测上明显优于其他对比模型;基于学习模型的MPC算法在空间机械臂控制任务上表现出良好的控制效果,采用CEM采样、衰减奖励函数、适当提高备选动作序列数量等方法可优化控制效果。

关键词： 动力分离器   机械密封   冲洗方案  

摘要： 聚丙烯装置动力分离器A301机械密封在装置开工投用期间,发生泄漏失效,根据实际受损机械密封情况,结合规范标准要求,确定机械密封失效原因,并提出了相关解决方案。