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第五届全国机械工程博士论坛

第五届全国机械工程博士论坛

  • 召开年：2013
  • 召开地：江苏徐州
  • 出版时间： 2013-08

主办单位：中国工程机械学会

会议文集：第五届全国机械工程博士论坛 论文集

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  • 摘要：振动监测是旋转机械监测与诊断的一种主要技术手段，相位的准确测量对于旋转机械动平衡和升降速过程分析有着重要的意义.研究设计了基于嵌入式系统的相位测量电路和提取方法;对测量电路硬件结构、软件逻辑进行了阐述,并分析了嵌入式系统中影响测量精度的因素,提出具体的解决方案,使得相位测量的准确度大为提高;提升了故障诊断的准确性和可靠性.
  • 摘要：超起装置是为了提高全路面起重机起重性能而设置的一种装置.国内外对超起装置的研究文献很少.现在超起装置的作用尚不完全明朗.本文通过以起重机为研究对象,建立主臂、超起撑杆、超起钢丝绳、超起拉板的简化力学模型,利用有限元的方法,以超起撑杆张角为变量,进行定量的线性特征值屈曲分析,计算相应的临界吊载.研究不同超起撑杆张角对起重机臂架系统整体稳定性的影响.研究结果表明,随着张角的增大,稳定性决定的临界吊载先增大后减小.张角在80°～110°是一个最优的范围,可均衡变幅平面及同转平面内的稳定性.该结论为超起系统的设计提供一定的参考。
  • 摘要：针对轴向柱塞泵滑靴副经常发生烧靴现象,基于粘性流体的能量方程和热传导方程,建立滑靴副油膜瞬态温度场数学模型,并采用数值仿真方法研究滑靴副油膜温度场、粘度场以及表面温度场沿圆周向的分布以及工作间隙对其的影响规律.研究表明:滑靴副油膜间隙沿半径方向存在温度和粘度差异,由内向外温度和粘度逐渐降低,且内外温差和粘度差随时间的增大而降低;不同时刻滑靴副间隙油膜表面温度分布规律基本一致,温度最高值出现在工作半径中心处;滑靴副油膜温度随时间呈近似线性上升,且温升速度随工作间隙的增大而减小。
  • 摘要：为能够准确的预测在役起重机金属结构的疲劳裂纹剩余寿命,结合起重机金属结构的常用材料及受力情况,给出了基于线弹性断裂力学以及弹塑性断裂力学的疲劳裂纹寿命预测方法及适用条件.基于扩展有限无法,给出了线弹性断裂力学中的重要参量应力强度因子的求解方法.为了减少求取裂纹扩展速率公式Paris中常数的实验,给出了考虑应力影响的裂纹扩展速率公式.此公式将不同应力比下的速率曲线族压缩到R=0的曲线附近,以及在R=0实验下得到的材料参数可直接用于不同的应力比载荷条件下的材料参数.本文以一台港口起重机为研究对象,对其关键结构件主臂上已萌生的裂纹进行了疲劳裂纹扩展寿命预测。
  • 摘要：模式可调钾能振动压路机是综合振动压实和振荡压实优点的新型压实机械，根据斜向激振模式下振动压实的土壤其水平、垂直两方向上滞回恢复力与位移之间呈现不同的滞回形态,考虑土壤的密实度较高时振动轮在土壤面层水平方向上发生脱耦打滑,垂直方向上发生脱耦跳振现象,采用仅依据土壤特性参数的水平对称和垂直不对称滞回模型,分阶段按工况建立系统动力学方程,在一次近似前提下,利用谐波线性法将非线性作用力线性化为等效刚度和等效阻尼.通过数值计算,研究在斜向激振下振动轮水平和垂直方向上非线性滞回响应及相互耦合特性,分析压实进程中振动轮发生连耦、滑转和跳振三工况下响应特性及工况相互转换规律.压实进程中合理调整激振参量,一定程度上可避免振动轮发生跳振、打滑现象,从而保证压实质量、压实效率及驾驶舒适性.
  • 摘要：氢气传感器是氢能在工程机械新能源动力系统安全应用的关键技术.为分析声表面波(SAW)氢气传感器Pd膜与氢气作用过程,利用瞬态分析法获取了SAW在128°YX-LiNbO3压电基底表面的传播过程图.有限元分析了氢气浓度分别为0.05、0.1、0.15、0.2、0.3、0.37、0.43和0.5下SAW的传播状态,获得了氢气浓度对SAW传播过程中延迟时间、电压输出幅值、传感器捅入损耗的影响规律.结果表明,当氢气浓度为0.43时,延迟时间、电压输出幅值和插入损耗曲线变化趋于平稳,与Pd原子和H原子结合过程中α-PdHx、α/β-PdHx、β-PdHx之间的转换过程相一致.通过对SAW氢气传感器在不同氢气浓度下传播特性的有限元分析，为后续氢敏性能实验研究提供了一定的参考价值。
  • 摘要：作为动力源,氢燃料发动机相较于氢燃料电池更适用于工程机械.概述了氢燃料发动机的研究现状,在汽车及工程机械领域的应用及相关关键技术.为进一步降低排耗,在通常状况下，H2是无色、无味、无嗅的气体，而气态氢在室温下的体积却是液态汽油的3000倍，所以氢的储存是最关键的技术问题。目前关于氢的储存方法主要有高压罐储氢、液化储氢、玻璃微球储氢、金属氢化物储氢、吸附储氢以及无机物及有机化合物储氢等6种。早燃和回火严重制约了氢发动机的发展，抑制早燃和回火对氢发动机的设计、混合气形成及负荷控制具有重要意义。利用液氮的低温冷却进气来增加空气的充量，不仅可以得到较大的功率，还可以达到稀薄燃烧的目的。若气缸内充分吸入空气后再喷入氢气，同时在进气门关闭后向气缸内喷入氢气，可以完全避免进气管回火的发生。为了监测氢气泄漏，各种技术的传感器诸如电化学式、催化剂式、热导式、半导体式、声表面波式开始应用于氢燃料机车中。南京工业大学殷晨波教授根据工程机械尾气排放的特点，设计了一套适用于工程机械上的尾气排放监测系统，并结合SY215C8M液压挖掘机的性能参数进行了动态仿真，取得了很好的减排效果，也大大提高了氢动力工程机械运行的安全性。相信氢燃料发动机在不久的将来会主导车、船以及大型工程机械燃料的潮流。
  • 摘要：超声冲击处理技术是近年来发展起来的一种提高焊接结构抗疲劳性能的表面机械强化新方法,该方法具有执行机构轻巧、成本低、能耗少等优点,近几年来获得了较快发展,显示出了广阔的应用前景,成为最具竞争力的方法之一.目前超声冲击处理技术的研究主要集中在处理前后材料的抗疲劳、耐腐蚀等宏观力学性能和表层微观组织性能的观察与检测方面。但是，要使该技术能够真正在工程实际中获得更广泛的应用，还需要进一步深化理沦研究,揭示超声冲击处理焊接接头微观组织的变化规律及其对残余应力、力学性能的影响，阐明相关的强化机理，对于探索焊接接头宏观力学性能与微观组织结构之间的关系，充分发掘该技术的优势具有重要理论意义。需要对超声冲击处理工艺进行优化控制。可以根据被处理材料的物理特点，建立相应的数学力学模型，通过有限元仿真的研究方法获得不同工艺参数时材料力学性能的相应特征，再结合试验修正模型，从而准确获知某一工艺参数下，材料力学性能的特征。需设计、开发新型超声冲击处理工具；加强超声冲击处理技术在机械零件制造领域的研究与应用。
  • 摘要：为了节能减排,国内外已经开展了一系列有关混合动力工程机械的研究.本文以装载机为例,对行走系统电力驱动的弱磁控制策略进行研究.混合动力装载机行走系统采用集永磁同步电机、制动器和行星减速箱为一体的永磁同步电动轮驱动,完成车辆牵引、变频调速和制动.首先根据装载机行走系统运行特点,确定电力牵引工作曲线.然后介绍了永磁同步电机的弱磁控制算法,使永磁同步电机工作在低速大转矩和高速恒功率状态.最后对弱磁控制策略进行了电动和馈电特性实验,结果表明弱磁控制算法满足轮边电力驱动的设计要求。
  • 摘要：集装箱码头是集装箱海陆运输的重要接口，随着码头吞吐量的日益增长,集装箱码头正在面临越来越大的作业压力.为了维持码头的服务水平,码头往往购入更多的内集卡;然而,考虑到码头作业量的波动性特点,在多个码头之间分享内集卡也是保持码头服务水平的一种有效方法.与购入新集卡相比,在码头间分享内集卡不需要额外投入;但是,为了实现集卡在码头间的分享,仍需要一种有效的调度方法.针对内集卡在码头之间的调度问题,提出了一个综合考虑码头需求、集卡工时和调运距离的多目标混合整数规划模型,并且运用匈牙利算法对模型进行了求解.作为求解的准备工作，对问题模型进行了一些改动，主要包括对码头需求进行了进一步的细分，以及根据目标函数对代价矩阵的取值方式进行了定义。通过实际算例,验证了本文提出的模型和算法可以快速找到最优的集卡调度方案。
  • 摘要：本文针对地质钻机定点钻孔的特点以及施工工况对系统性能的具体要求,运用模糊数学理论的分析方法;建立具有隶属函数与实际性能分布的数学模型.并结合数理统计学和Matlab软件对数据样本进行处理计算;得到该钻进设备在某时间节点处优良性能的模糊数值.最终通过实例计算验证模糊化分析方法具有较好可操作性,且计算较为简便.为定点钻孔载荷稳定性评价提供较为可行的数学模型.地质钻机定点钻孔的载荷稳定性是一个相对性问题，受钻机工作寿命，地质条件以及工况要求等因素影响。其计算模型应体现该因素的实时性。其次，模糊分析法解决了是否处于优良性能这一模糊概念的数值量化问题。由已知数据确定隶属函数，不需要知道隶属函数极值条件，大大简化计算。本文以加载力的变化情况为研究对象，该方法对地质钻机定点钻孔载荷稳定性提出了新的评价模型，具有较强的可操作性，具有现实工程意义。由于是对定点钻孔的载荷稳定性评价方法的初步探索，在精确性上还有待于进一步研究。
  • 摘要：采用激光在A2O3/TiC陶瓷刀具前刀面加工出不同的表面织构,制备出纳米织构陶瓷刀具及微纳复合织构自润滑陶瓷刀具,并与传统陶瓷刀具进行干切削45淬火钢实验比较.结果表明:纳米织构陶瓷刀具不能够有效降低切削力,改善刀具粘结现象,但是可以减小刀具前刀面磨损凹坑,减少磨粒磨损;微纳复合织构自润滑陶瓷刀具能够有效的降低切削力,减小刀具磨损,改善刀具的切削性能。
  • 摘要：目前,传统人工码头正逐步向自动化码头转变.为了应对散货运输在安全性和智能化方面所提出的更高要求,急需寻求一种新型智能化解决方案.本文提出了一种新型方法来重建散货船的三维表面并对船舱的位置与形状进行识别.与传统方法不同,该方法中装船机通过安装带有单轴伺服系统的激光测量系统(LMS),进行多扇面扫描来测量船舶表面.然后利用一系列图像处理算法来识别船舱的位置和形状,从而引导装船机自动工作.最后,该系统在天津港煤码头进行了相关试验,试验结果充分证明了这一方法的可靠性.带有伺服机构的LMS安装在装船机上，船上有五个船舱。LMS扫描整只船，带有三维船型检测与定位算法的计算机就可以计算出船舱的位置和大小。
  • 摘要：变截面伸缩臂是起重机等工程机械重要的承载部件,其屈曲临界力因边界支撑条件及载荷情况而不同.本文针对起重机伸缩臂起升平面内、外阶梯柱模型的多种典型边界支撑情况,通过计及二阶效应的纵横弯曲理论,建立任意多级阶梯柱的挠曲微分方程,引入两端边界条件和相邻臂节的变形协调条件,获得多级阶梯柱失稳特征方程的递推表达式.以典型变截面阶梯柱为验算实例,进行结构稳定的临界力计算分析,将本文计算结果与ANSYS高次细分单元的结果进行比较,证明本文所提出的变截面多级阶梯柱失稳特征方程的正确性.为方便地分析二阶效应下伸缩臂稳定性,利用等效构件法给出了箱形伸缩臂稳定性计算的工程实用算式,通过将实用算式的计算结果与精确解比较,验证本文实用算式的精度与工程适用性.
  • 摘要：高性能多路换向阀是现代化设备液压控制系统中的关键控制部件，它可以实现液压执行机构的复杂动作，其性能对工程机械的性能产生较大影响。针对多级节流阀口的空化特性进行了研究.在U、V型节流阀口结构特征的基础上,给出了其串联组合而成的二节节流槽U-U、U-V和V-V的几何形式,并确定了主要节流截面位置.通过对阀口压降分配规律的分析,简化了等效过流面积的解析式,获得了二节节流阀口的过流面积特性曲线.结合伯努利方程,首次推导了适用于表征二节节流阀口空化剧烈程度的空化指数表达式,绘制了节流空化特性曲线.此外,利用流量试验装置得到了三种节流阀口的流量试验曲线,并与理论分析结果相对比,较好的解释了节流空化特性曲线的变化规律.此项研究对于通过优化节流槽结构以抑制阀口空化具有一定的指导意义.
  • 摘要：工程机械工况复杂,液压系统的设计趋于复杂化,在实际应用中同一个系统可能会用到多种控制方式,为此提出一种负载敏感液压泵的恒压变量控制,设计一个变量控制阀组既可以实现液压泵的负载敏感控制模式又可以实现恒压变量控制模式,一台液压泵可以当负载敏感液压泵使用又可以当恒压变量泵使用;建立了负载敏感液压泵的恒压变量控制的数学模型和AMESim仿真模型,结合实际液压系统进行仿真分析,结果显示控制性能较好,能够满足恒压变量泵的使用要求.
  • 摘要：作为岩土支护工程的主要装备之一，岩土钻机在施工中得到了广泛应用，以MG200岩土钻机钻架立面变角机构为研究对象,通过虚位移原理分析大臂举升油缸和桅杆俯仰油缸的受力状态,推导出两个油缸承载力的通用力学表达式.同时,运用MATLAB对上述两个油缸的承载力在特定工况下与油缸伸缩量和时间的响应关系进行仿真及图形描述,直观展现了油缸的受力变化情况.这些工作为油缸的设计选型和动态受力分析提供了理论依据。
  • 摘要：液压行走系统广泛应用于伸缩臂叉装车及其他工程车辆,液压系统参数的合理优化,可以改善车辆的运动性能.首先,对伸缩臂叉装车的液压行走系统进行了分析,并建立了关键液压元件液压泵、液压马达和换向阀仿真模型,通过实验验证了仿真模型的准确性.然后,借助于关键液压元件仿真模型,构建了行走液压系统仿真模型,对伸缩臂叉装车的启动过程中动态特性仿真分析.最后,对伸缩臂叉装车行走液压系统做了整车试验研究.仿真与试验结果一致表明:在换向阀先导油路上加入单向节流阀后,会有效改善启动冲击现象,单向节流阀通径越小,启动冲击现象改善越明显,同时延时性越强。
  • 摘要：电传动混合动力技术向工程机械的渗透使得工程机械日益向电驱动的方向发展,对工程机械电传动系统的关键基础研究尤为重要.本文根据工程机械的特殊作业工况和作业环境,在保证工程机械的动力性能为前提下,以提高燃油经济性为目标,在对工程机械串联式电传动系统的功率匹配和控制的基础理论研究的基础上,从节能减排和提高牵引性能的角度，对工程机械串联式的电传动系统结构、功率流分配和协调控制进行了分析。指出应根据工程机械的不同要求选择合适的串联式电传动系统结构;对典型的串联式电传动系统的功率流和协调控制进行了较为仔细的分析，为未来更优的控制策略提供理论基础;对发动机的功率跟随控制进行了分析，为功率的协调控制和系统的高效率提供了保证。本文只是从基础的理论出发去研究工程机械的电传动系统的关键技术问题，为未来进步深入研究工程机械特有的电传动系统的优化提供了方向。
  • 摘要：本文针对采用传统的滑动轴承动力特性系数分析转子从启动到稳定在平衡位置这段时间内瞬态响应的误差较大的问题,提出采用有限变分法和newmark法的滑动轴承非线性油膜动特性动态分析方法.该方法可实现径向滑动轴承非线性油膜动力特性系数与转子瞬态响应之间的耦合.采用学科迭代法获得非线性油膜动力特性系数,并用有限变分法替代有限差分法以解决多次迭代的时效问题,大大提高了动特性系数的计算效率.具体是通过有限变分法将油膜力与动力特性系数联合起来一并求解,获得层紊流下的动力特性通解,利用修E的追赶法在油膜正压区无需迭代自动确定了雷诺方程边界条件,并利用系数矩阵使油膜厚度等分解为轴颈运动相关量和常矩阵乘积叠加形式,避免了冗余运算.最后以Jeffcott转子为例,采用本文提出的方法获得非线性油膜动特性系数,并分析转子系统瞬态响应,最终获得了轴心轨迹.
  • 摘要：本文对引起超声加工系统中超声波非线性因素进行了分析,利用波动理论分析了超声波传递过程中在接触界面发生反射、透射等原因,推导出超声波在接触界面处位移反射系数、声压反射系数、位移透射系数、声压透射系数等,推演出入射波、反射波和透射波与x轴的夹角关系.建立了界面预紧力和超声波传播的关系,探讨了压电陶瓷片拧紧螺栓的最佳预紧力,并用试验验证了变幅杆末端的幅频特性与超声换能器在不同预紧力下的关系,为超声系统的设计、安装和维护提供了可靠依据。
  • 摘要：总结了近年来铝合金微弧氧化技术在成膜机理、工艺性能和工程应用等方面开展的研究和取得的成果,分析了微弧氧化技术研究的水平和现状,在此基础上提出微弧氧化技术应该在基础理论、膜层性能提升、复合膜层设计、大功率电源研制等方面加强研究.微弧氧化技术能够显著提高铝合金的诸多性能，应用前景十分广阔，但也存在一些难题亟待解决，主要体现在基础理论研究、膜层性能提升、复合膜层、电源设计等方面。微弧氧化过程涉及很多物理、化学、电化学等过程，成膜机理复杂，至今还没有一个合理的模型和理论来描述微弧氧化的所有现象以及陶瓷膜的生成过程，还需要加强研究。铝合金微弧氧化膜在一定厚度范围内会显著降低基体合金的疲劳性能，如何增强微弧氧化处理后铝合金疲劳性能是今后铝合金微弧氧化技术发展的一个重要方向。由于微弧氧化陶瓷层有限的厚度和含有孔隙的结构特点，决定了未来的研究方向将以微弧氧化技术与其他表面处理技术结合起来为重点。其中添加微纳米颗粒以获得复合陶瓷层将成为一个重要的方向。微弧氧化表而处理的技术特点是高电压和大电流，其电源功率决定了处理零件的尺寸以及处理效率。研制大功率的微弧氧化电源以及研究大面积复杂零件处理工艺是推动微弧氧化技术实际应用的必然趋势。
  • 摘要：介绍了某矿用自卸车制动蓄能器充液系统工作原理,在此基础上对充液系统中的关键元件先导卸荷阀结构与特性进行了分析,建立了蓄能器充液系统的AMEsim仿真模型,分析了充液过程中主要参数变化规律,并通过实验验证了仿真模型的正确性,同时也证明了所设计系统的可靠性和稳定性,为蓄能器充液系统设计以及性能研究与预测提供了依据。
  • 摘要：由于复杂系统结构关系复杂，不同子系统间存在关联祸合，并任随着工作时间的增加，组件功能退化，故障概率发生变化。因此传统的故障诊断方法已无法满足复杂系统的故障诊断击求。动态故障概率与面向对象贝叶斯网络(OOBN)相结合,在系统结构功能关系和故障模式影响分析(FMEA)的基础上,建立一种适合于复杂系统的动态贝叶斯网络(DOOBN)故障诊断模型,降低了模型的复杂度，体现了各功能状态之间的传播关系，能方便的进行故障传播的分析和关联故障定位。该故障诊断模型具有层次性、动态性，引入了组件功能退化对系统功能状态的影响，描述了系统的实时状态信息，保证了节点状态概率与真实系统的一致性。该模型缩小了网络结构，阻止了模型的无限扩大，减小了计算工作量。该方法建立的故障诊断模型具有可重用性和可扩展性，可以扩展到整个混合动力系统的故障诊断模型。
  • 摘要：中国工程机械产业对产品提升质量和核心竞争力的需求日益强烈,个性化产品的发展催生了主机与配件的技术衔接需求.该技术衔接的关键要点在于回答两个问题:工程机械整机的作业特征对于配件提出什么要求;及面向工程机械整机作业特征的配件应当如何设计。前者以主机的角度看待问题，后者以配件的角度看待问题。数字化动态匹配技术是集成数值仿真、评价、优化、再设计技术为一体的系统方法，可有效增强对产品的评估能力，使设计阶段的概念测试成为一可能，并提供了一个几乎无限的假设分析("what if"analysis)频谱。开发者可以根据客户的需要，快速设计出定制化的产品，并进一步提出产品配件的量化指标。数字化动态匹配应用数值计算迭代方法，使得动态机电综合系统问题的求解成为可能，以具体机种为对象，分为理论研究、实践测试、流程软件化三个阶段。主机厂和配件厂谁能够掌握这项技术，谁就能掌握产业的主导权。与可靠性相比，设计针对工况需求的配件更重要。创建自己的系统设计方法，开发定制化的产品，填补主配间的技术空缺是主机厂和配件厂发展的最佳道路。
  • 摘要：为了保证国内起重机械安全、高效、健康的发展,建立基于物联网技术的桥式起重机安全监控与管理系统是科学有效的方法.以桥式起重机系统为研究对象,基于RFID非接触式的射频识别、智能型传感器、分布式信息采集、信息传输和信息处理等物联网技术,构建功能强人的安全监控与管理系统平台.桥式起重机安全监控与管理系统平台的建立,可提供安全可靠的实时监测、远程控制、预警机制、决策支持等绿色智能管理和服务功能,实现一定区域内多台起重机的"高效、节能、安全、环保"的"管理、控制、运行"一体化.通过采用各种物联网技术为体系架构建立的桥式起重机远程监控与管理系统,可全面规范桥式起重机事故关联的各个环节,确保起重机行业及其监管机构和谐、安全、可持续的发展,符合国家"安全第一,预防为主"的安全生产理念。
  • 摘要：高速铣削广泛用于航空铝合金材料的加工,本文以7050-T7451铝合金材料为试验对象,运用正交试验方法分析研究了铣削该铝合金材料时,切削速度、切削深度、切削宽度和每齿进给量四个因素对表面粗糙度的影响规律,并通过多元非线性回归分析得出表面粗糙度的经验公式.研究结果表明加工表面呈交叉织网状形貌,表面粗糙度随每齿进给量和铣削深度的增大而增大,随切削速度的增大而减小,切宽对铝合金表面粗糙度的影响不明显,铣削参数对表面粗糙度的影响显著性依次为:fz＞v＞ap＞ac。
  • 摘要：研究溅射气氛和沉积时间对在活塞用钢表面直流磁控溅射制备氮化铬薄膜性能的影响.氮气含量从3％变化到50％,沉积时间从10min变化到60min,沉积得到一系列的氮化铬薄膜试样.利用XRD,SEM和AFM观察薄膜相组成,表面和断面形貌,利用力学探针和硬度测试仪测试氮化铬薄膜的硬度,弹性模量和摩擦系数.随着氮气浓度的增加,薄膜内的氮含量随之提高,生长速率下降,表面粗糙程度增加;薄膜在10％和40％时表现出高硬度,在10％表现出高弹性模量.当氮气浓度达到40％即可得到单一的CrN薄膜,薄膜生长成致密的柱状结构,表面晶粒为排列整齐的四面体形貌.浓度增到50％时,薄膜致密度下降,且表面出出现裂纹。

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