关键词： 机采籽棉   打包机   打包装置   仿真分析   参数优化  

摘要： 棉花是我国重要经济作物,是最重要的纺织作物之一。随棉花全程机械化水平不断提高,机械采收率逐年稳步上升。在籽棉采摘后运输存储过程中,将松散籽棉压缩打包可有效解决由于机采籽棉松散、密度低导致运储不便及成本增加的问题。目前市场上先进的采摘打包一体采棉机,实现了采收、压缩打包一步完成,但有大量散花采棉机,无法满足籽棉压缩打包需求。为此本文以散花采棉机采后松散籽棉为作业对象,提出牵引式打包机打包装置的设计与研究,综合考虑分析新疆地区对籽棉打包作业需求及籽棉本身物料及物理特性,对机采籽棉打包工艺流程进行分析与设计,结合理论分析、三维建模、仿真分析方式,采用全因子试验与响应曲面法,针对打包装置及其关键零部件进行设计及工作参数优化,最终实现籽棉打包装置性能稳定可靠,提高打包效率。本文的主要研究内容如下:(1)调研新疆籽棉采后运输存储现状及成套设备研究情况,根据籽棉物理机械特性与打包作业需求,确定采用集棉、排棉、输送、卷压成型、包膜、卸载等工艺流程及各流程所需装置。阐明了内缠绕带式打包装置的成型原理与参数设计过程,建立了籽棉打包装置的三维模型。对打包装置中的关键过程包括排棉输棉过程、卷绕成型过程进行了理论分析,在对排棉输送过程中的籽棉进行受力分析的基础上,建立籽棉运动方程,确定输送过程关键技术参数。对卷绕成型过程进行运动分析,建立了棉芯的随时间变化曲线及摇臂压力控制曲线。(2)对排棉输送装置中的关键部件刮板输送机、击棉装置、输送装置进行结构设计以及工作载荷分析。利用EDEM软件对排棉输送过程进行了仿真分析,模拟籽棉颗粒在该装置下运动过程,通过全因子试验,以刮板链表面线速度和击棉辊转速两个因素为自变量,探究对籽棉的质量流率及质量流率标准差的影响规律。建立优化模型,以设定籽棉质量流量为目标,质量流率标准差最小为优化目标进行参数优化设计,优化结果表明在籽棉刮板链水平输送线速度为1.0 m/s,击棉辊转速为260 r/min,此时籽棉质量流率10 kg/m,质量流率标准差为0.094。(3)对成型装置中的机架、箱体、辊子系统、摇臂进行设计。利用ANSYS软件对关键承载部件机架与箱体进行模态分析,获得箱体和机架发生共振的临界条件,验证结构稳定性,符合动态特性要求;对辊子系统中的四种类型辊子结构分别进行了设计;对摇臂结构进行力学分析,确定了最大工作载荷,利用ANSYS进行了静力学分析,结果表明最大载荷下摇臂满足结构强度。(4)籽棉打包试验验证。为验证籽棉打包装置性能,在棉田进行样机田间试验,试验结果表明设计的籽棉打包装置平均成包密度231 kg/m,平均棉包质量2413 kg,平均打包时间7.47min,提高了打包效率,同时满足性能要求。

关键词： 机械臂抓取   废钢打散   分层规划   深度学习   点云处理   废钢抓取  

摘要： 在传统钢铁生产领域中,废钢作为工业环节中循环利用的重要工业资源,其回收工艺存在鉴别难度高、无人化水平低的问题,将原有工艺改造为由机械臂组成的智能系统是钢铁行业无人化智能化转型的重要方向。现阶段的研究工作在针对废钢回收质检的机械臂抓取系统方面关注度不高,且现有的抓取解决方案存在精度不高、速度较慢、泛化能力差等问题。有鉴于此,本文使用以线结构光为工作机理的视觉感知设备,采用基于三维点云的视觉处理方法对废钢质检抓取的四个典型场景下的工件识别和分类、废钢工件堆的打散操作规划以及机械臂乱序抓取动作规划方法展开研究,构建了基于3D视觉感知的机械臂抓取系统,具体研究内容如下: 针对废钢工件的特征信息难以准确表征的问题,提出了一种基于3D视觉的废钢堆工件位姿标定与获取方法。首先采用以线结构光相机搭建智能感知系统,获取场景点云信息,并采用直通滤波、降采样、统计滤波等方法进行预处理,实现原始点云的去噪和压缩。接着计算相机与机械臂间的手眼变换关系,构建物料堆三维点云机械臂基坐标间的对应关系。然后通过PCA主成分分析法近似求解点云表面的法向量,获取点云局部特征。最后采用超体素点云聚类方法,根据凹凸性对点云进行聚类分割,以满足后续步骤的需求。在模拟废钢工件上的实验结果表明本文所用方法对模拟废钢工件具有较好的聚类分割效果,在四个典型堆叠场景内进行的多次测试的准确率达到了86.7%以上。 针对堆叠废钢构型复杂、常规抓取方法直接抓取困难的问题,提出了基于可抓取度的物料堆打散方法。首先提出了以物体空间拓扑关系、物件间支撑关系、物体位姿、物体表面积比率表征的可抓取度指标以量化物体的打散程度。接着采用分层打散的策略,依据当前层内的各个物体的可抓取度构建打散代价地图。然后针对机械臂打散路径规划问题,提出了基于空间曲线的打散遍历算法以及基于打散代价地图的遍历算法。最后针对实际场景中的作业目标与需求,提出了基于三维感知的多打散模式算法,从全局和局部个体出发,实现了由复杂抓取作业场景向简单作业场景的转变。针对4个不同废钢堆叠场景下的打散实验证明了本文所使用的废钢打散算法的有效性,实现了视觉引导下全局79.1%的打散完成度,局部打散算法达到了0.114m/s的打散效率。 针对基于点云的传统抓取方法泛化能力不足的问题,提出了基于深度学习的三维点云抓取规划方法。本文分别提出了基于抓取质量卷积网络(GQ-CNN)的两阶段抓取规划方法和基于残差网络的端到端抓取规划方法研究。在两阶段抓取规划方法上,首先针对抓取方法泛化能力不足的问题,提出了基于点云表面法向量的候选抓取点位生成方法,并在待抓取物体表面生成若干抓取位点。接着针对候选抓取评估问题,提出了基于抓取质量卷积网络(GQ-CNN)结构的改进抓取评估网络,实现对最优抓取的估计。端到端方法针对了实际废钢质检实时性的需求,提出了基于残差网络的端到端抓取规划方法,并在Jacquard抓取检测数据集上进行了抓取网络的训练。最后针对模拟废钢场景对两种抓取检测方法进行了实际抓取实验,本文提出的两阶段方法达到了88.9%的平均成功率和90.6%的平均清台率;而端到端方法虽然损失了部分抓取精度但平均运行时长缩短至23ms,满足了项目实时性需求。

关键词： 废钢等级判定   计算机视觉   深度学习   废钢检测   贝叶斯分类  

摘要： 近年来,随着国民经济的高速发展以及国家环保政策的日益趋严,我国的废钢回收再利用产业的规模逐年扩大。然而,制约废钢回收产业发展的主要因素在于废钢回收流程的不规范。作为废钢回收流程中重要一环,废钢质量等级判定当前仍依赖人工经验判断,该手段主观性强,导致判定结果不准确。因此,目前亟需一种智能化、自动化的废钢质量等级判定方法,以此降低人工主观性对废钢回收过程的干扰,提升废钢等级判定的准确性和可靠性。 基于上述需求,本文研究了基于深度学习的废钢质量等级判定算法,提出了一种基于“检测-判别”的废钢质量等级判定技术框架。主要研究内容如下: (1)提出基于层级框架的废钢实例识别算法用于完成废钢实例检测任务。针对废钢图像中背景区域对废钢实例检测的干扰,研究基于全卷积网络的车箱区域提取算法用于去除废钢图像中的复杂背景。 (2)针对废钢实例尺寸变化大,难以精准检测的问题,研究基于多尺度特征融合网络的废钢实例检测算法。该算法与车箱区域提取算法在层级框架下串行连接,共同完成对废钢图像中废钢实例的检测任务。 (3)基于废钢实例检测结果,研究基于加权贝叶斯分类模型的废钢等级判定算法,实现对废钢质量等级的判定工作。实验表明该算法可以在2.3569s的时间内达到84.2%的判定准确性。 本文中的实验结果充分证明了所提废钢质量等级判定方法的可行性和有效性。该方法在废钢质量等级判定实践中具有较大的应用价值,也为后续废钢质量等级判定技术的发展提供了研究思路。

关键词： 电弧炉炼钢   脱磷   脱氮   复合搅拌   废钢运动行为  

摘要： 全废钢炼钢工艺,熔清后P含量波动大,C含量低,钢液粘稠度高,加之炉型限制,动力学条件差,电弧区域容易吸氮,终点磷、氮含量一般稳定控制在0.020%和0.0060%以下,而加工性能较高的钢种,要求钢中磷、氮含量分别不大于0.010%、0.0025%,难以满足其成分要求。基于此,本论文针对低碳熔池搅拌功不足,脱磷、脱氮困难等问题,研究了适用于气-固喷吹工艺的低碱度高磷容量渣系、成渣路线以及低碳条件下的CO2控氮工艺;开发了“三元”复合搅拌工艺用以补偿熔池搅拌功不足,同时分析了连续加料条件下废钢在熔池内的运动行为和分布,并建立了熔化模型,完善了纯平熔池废钢熔化、气-固喷吹深度脱磷以及底吹CO2脱氮等全废钢电弧炉炼钢新工艺。基于全废钢炉料成分热力学计算,结合热态实验研究了适用于气-固脱磷技术的高磷容量渣系和成渣路线。结果表明:当碳含量小于0.5%时,磷会优先碳氧化;熔渣中磷含量达到2%时,活度增加600倍,会发生回磷。1560℃时,低碱度渣仍具有较高的磷分配比,适量配加MnO、Al2O3可以降低熔渣粘度;采用低碱度成渣路线,成渣初期形成低熔点化合物,CaO溶解度大,粘度小,有利于快速成渣。采用热态实验模拟了电弧炉炼钢全过程熔池热力学条件,研究了氮气反应规律。发现废钢熔化期,吸氮反应为一级反应,氮原子在液相传质为反应限制环节。吹氧脱碳期,脱氮反应为二级反应,受液相传质和界面反应混合控制;前期碳含量较高,底吹CO2可以增加气体量;后期碳含量降低,应切换为氩气作为脱氮气体。升温阶段,钢液中氧含量较高,不仅抑制了界面反应速率,也降低了氮原子的传质速率,采用CO或CO2作为脱氮气体时,气体部分溶解进入钢液,因此应采用氩气作为脱氮气体。基于全废钢冶炼新工艺,建立了物料和能量平衡模型,计算了新工艺对冶炼参数的影响。全废钢炉料冶炼,电能缺口由23%增加到64%(224.86 kWh),提高喷碳量、CO二次燃烧率、废钢预热以及降低空气吸入比例可有效补偿电能缺口。采用低碱度渣系时,石灰用量减少29%;通过调整碳粉喷入量、二次燃烧率、空气比例和二氧化碳喷吹比例可以控制氮气比例,防止熔化期钢液吸氮。开展了基于“三元”复合搅拌的熔池搅拌优化研究。发现“三元”搅拌消除了射流和底吹复合搅拌死区,并强化了边部形成的局部环流;通过多源流场耦合方式强化界面传质,传质系数随时间成指数变化,但熔池内部钢液混匀和钢-渣传质对搅拌参数的要求并不一致,甚至相反。基于相似理论,搭建了废钢运动行为物理模型,并建立连续加料废钢熔化模型。结果表明:重/轻薄型废钢运动行为不一致,受冲击、惯性沉降以及液体回流分离机制共同作用,废钢在熔池内离散。加入位置、形状、搅拌方式和流量会影响轻薄废钢运动速度及分布。重型废钢破坏底吹流股的形成,而轻薄废钢会阻碍流场运动。基于此,修正了废钢自由料堆熔化时间模型,建立了连续加料条件下废钢熔化模型。

关键词： 转炉   废钢熔化   数值模拟   水模实验   传热系数  

摘要： 废钢是钢铁工业中不可或缺的重要炼钢原料和优质再生资源,在炼钢过程中使用更多的废钢可减少废弃物的产生和冶金资源的消耗。因此探究转炉熔池废钢的熔化机理、不同因素对其影响规律、传热传质现象有助于解析废钢的熔化行为,对提高转炉废钢利用率有重要意义。本文通过数值模拟和水模实验等方法探究了废钢熔化过程的机理行为,研究了不同顶吹射流条件和顶底复吹条件下底吹参数和废钢参数等因素对废钢熔化行为的影响,为指导转炉废钢加入以及促进废钢熔化提供理论指导。主要结论如下:(1)数值模拟结果表明,废钢在熔化过程中会经历凝固层的形成及重熔阶段。随着废钢预热温度、钢液温度的升高以及尺寸的减小,废钢表面凝固层的形成及重熔时间会减少,废钢的中心升温速率增大,钢液向废钢的传热速率加快,完全熔化时间缩短。废钢预热温度为1073 K比无预热时的熔化时间缩短58%;不同条件下废钢与钢液间的瞬时对流传热系数为90～720 W/(m2·K)。(2)水模实验结果表明,在顶吹射流条件下,六孔交错氧枪射流相比于传统五孔氧枪、五孔旋流氧枪和传统六孔氧枪射流对溶池的降温速率最显著,冰块的完全融化时间最短。其中氧枪枪位为35 de、顶吹流量为80 Nm3/h时冰块融化效果最佳。对于260 t转炉,熔池搅拌效果最佳的工艺操作方案为:氧枪枪位1950 mm、顶吹流量51000 Nm3/h、六孔交错氧枪。六孔交错氧枪射流条件下冰块与水溶液间的传热系数为800～2050 W/(m2·K)。(3)顶底复吹条件下,适当的增大底吹流量、提高冰块比、增大冰块比表面积、减小冰块尺寸以及采用非对称底吹元件布置方式,均能有效降低冰块的融化时间。底吹流量从0.20 m3/h增大到0.50 m3/h时,冰块融化时间缩短15.5%,冰-水间的传热系数从2600 W/(m2·K)增加到4250 W/(m2·K);冰块直径从5 cm增加到12 cm,其融化时间延长112.5%,传热系数从3900 W/(m2·K)降低到2700 W/(m2·K);冰块的比表面积增加43%,融化时间缩短了31.8%,传热系数从2000 W/(m2·K)增加到4000 W/(m2·K)。

关键词： 自动打包机   结构设计   参数化设计   仿真分析   疲劳分析  

摘要： 包装箱打包是工业运输过程中的关键工序之一,与产品物流运输的成本控制和安全性息息相关。但传统的人工打包过程中存在翻转劳动强度大、封装效率低等问题,且工业生产中需要打包运输的物品种类繁杂,引进国外打包机成本较高,因此,针对不同的包装产品种类,结合其实际打包需求,设计具有针对性的结构简单的高效率国产打包机具有重要的现实意义。本课题针对装满金属零件的包装箱,设计了一种包装箱自动打包机,翻转部分采用两组曲柄摇块机构将气缸活塞杆的往复移动转换为左、右翻板的90°翻转,实现了包装箱的两次90°翻转运动;缠绕功能是通过滚珠丝杠带动工作台实现左右位置变化,并通过电机驱动带动转臂做圆周运动实现胶带缠绕。主要研究工作及结论如下:(1)深入了解国内外自动打包机的研究现状,根据实际设计需求和工作条件自主设计了具有翻转和缠绕功能的自动打包机。对自动打包机的翻转机构和缠绕机构进行了详细结构设计,对气缸、电机及滚珠丝杠等主要零部件进行了选型,确定了自动打包机的总体方案,并在Solid Works中建立了三维模型。(2)采用参数化设计方法,应用ADAMS软件建立了简化后的自动打包机翻转机构参数化模型,以所需气缸驱动力最小为优化目标,在给定的设计变量范围内对优化目标进行最优化求解。优化后初始翻转抬升瞬间所需气缸的最大驱动力由原来的945.75N减小到703.44N,减小了25.6%,有效提高了自动打包机的传力性能,并得到了新的机构尺寸参数。按照优化后的尺寸参数对打包机三维模型进行修改,在Solid Works中得到新的机构模型。(3)在ADAMS中建立打包机虚拟样机,并根据实际工作要求添加约束、驱动和力等环节,通过仿真分析验证了优化后的机构参数满足预期要求和结构设计需要,工作性能得到了有效提升。应用ANSYS Workbench对打包机的铰链组进行了有限元分析,结果云图表明其最大变形量和最大等效应力都满足设计要求。(4)打包机在翻转过程中由于包装箱位置的变化,铰链组螺钉承受着变载荷作用,极易产生疲劳破坏,运用疲劳分析软件n Code Design Life对螺钉进行疲劳分析,由疲劳寿命云图得到螺钉最短的工作时间为11.8年,符合设计预期。最后对打包机进行了整体模态分析,发现机构最大变形主要出现在支架末端及翻板末端,测得整机的固有频率范围在57Hz～116Hz,为防止共振现象发生,具体工况的频率应避开此范围。

关键词： 道路工程   钢渣   水泥稳定类基层材料   胶凝性能   路用性能  

摘要： 钢渣是我国目前堆存量最大的固体废弃物之一,每年约有7000万吨钢渣被堆积和废弃,如何提高钢渣的资源利用率已经成为固废处置的重点研究方向。钢渣具备一定胶凝活性,与硅酸盐水泥相比,水化活性不高,本文以钢渣、矿渣和脱硫石膏为原材料制备钢渣基胶凝材料以期替代部分水泥用于半刚性基层中;同时考虑钢渣作为集料替代部分碎石以提高钢渣的资源利用率,降低石料开采带来的环境问题。本文的主要研究结论如下:(1)所用唐山遵化钢渣作为集料其各项物理指标优于石灰岩碎石且游离氧化钙含量为1.01%,浸水膨胀率满足规范≤2%的要求;所用钢渣微粉碱度系数3.12属于高碱度渣,活性较高,7d、28d活性指数分别为64.03%和83.57%。(2)利用钢渣、矿渣和脱硫石膏制备钢渣基胶凝材料能有效发挥各组分之间的协同水化作用,但钢渣掺量的增加会对胶凝体系的强度增长产生不利影响;脱硫石膏对激发钢渣基胶凝材料的早期强度影响更为显著,在脱硫石膏16%的掺量下,制备的胶砂试件力学强度达到最高。钢渣:矿渣:脱硫石膏为30:54:16制备的胶砂试样3d、7d和28d抗压强度分别为12.17MPa、28.87MPa和48.31MPa,其后期强度优于水泥。(3)在水泥稳定碎石混合料中,随着钢渣基胶凝材料掺量的增大,无侧限抗压强度、间接抗拉强度和抗压回弹模量均不同程度减小;50%掺量下混合料与水泥对照组性能相当,不同掺量水泥-钢渣基胶凝材料稳定碎石混合料7d无侧限抗压强度及路用性能可以满足不同公路等级路面基层要求。(4)在半刚性基层材料中,钢渣在合理范围内替代碎石对混合料的强度提升起一定积极作用,混合料的无侧限抗压强度、间接抗拉强度和抗压回弹模量均随钢渣掺量的增加而增大。(5)钢渣无论是用于制备胶凝材料还是作为集料应用于半刚性基层中,对于混合料的干燥收缩变形都有明显的抑制作用,增加钢渣基胶凝材料的掺量和增大钢渣在混合料中的替代率均能降低其收缩形变,提高半刚性基层材料的抗裂性。

关键词： 打包机   液压系统   可靠性   相关失效贝叶斯网络  

摘要： 贝叶斯网络是系统可靠性建模的有力方法之一，然而传统的贝叶斯网络可靠性分析方法没有考虑元件间存在的相关失效模式，使得以元件失效独立性假设为前提的可靠性建模准确度与实际系统存在一定差距。为此，提出基于Copula函数的相关失效多维动态贝叶斯网络模型，对动态性、相关失效和多维影响因素进行综合考虑，使得可靠性建模更接近于实际系统。　　首先，在连续时间贝叶斯网络模型的基础之上，引入多维的概念，阐述了多维动态贝叶斯网络可靠性分析方法。通过采用Copula函数描述元件间的相关失效关系，经理论推导和计算，给出元件间相关失效逻辑关系表达式，并采用非参数核密度估计的方法进行Copula函数最优选取，构造基于Copula函数的相关失效贝叶斯网络模型。以某液压系统为例，根据Ditlevsen上下窄界理论验证了该模型的正确性，同时以掘进机截割部液压系统为研究对象，运用相关失效贝叶斯网络模型对其进行可靠性分析和重要度及灵敏度分析，为系统故障排除和维修提供了理论指导。　　其次，通过贝叶斯网络的反向推理机制，从考虑相关失效下的后验概率出发，对基于贝叶斯网络的可靠性分配方法进行了研究;同时根据修正思想，用相关失效贝叶斯网络后验概率代替其先验概率，从而实现选择最佳维修方案的目的。　　最后，以卧式废纸打包机液压系统为例，通过对其进行工作原理和故障机理分析，构建相关失效贝叶斯网络模型，求解多维故障概率分布、重要度及灵敏度分布，并对系统元件进行可靠性分配及维修决策，为系统设计及维修提供参考。