本文是一篇机械论文，机械工程是一门涉及利用物理定律为机械系统作分析、设计、制造及维修的工程学科。机械工程是以有关的自然科学和技术科学为理论基础，结合生产实践中的技术经验，研究和解决在开发、设计、制造、安装、运用和维修各种机械中的全部理论和实际问题的应用学科。（以上内容来自百度百科）今天为大家推荐一篇机械论文，供大家参考。
优秀机械论文范文精选篇一
第 1 章 绪 论
1.1 课题研究背景
无缝钢管是现代社会必不可少的材料。基于它具有没有接缝的特点，在机械零件、制造结构件、国防军工、大型场馆建、管道输送设、化工领域以及原油开采和加工上等方面广泛地应用，对加快社会发展进程做出很大贡献[1]。与此同时，人们对无缝钢管性能提出了更高的要求，一般的生产工艺和设备已经不能满足人们的要求了。因此，为了达到无缝钢管高性能的要求，冷轧工艺已成为首要选择。 二辊周期冷轧管机是一种在低温状态下通过采用环孔形对管坯冷轧制的工艺设备，经过轧机轧出的管材性能良好、表面光洁和尺寸精确等。而且采用冷轧方法在工序上可大大减少，同时冷轧管机对管材有较高的利用率，轧制道次有较大的变形量，具有较强的纠偏能力，且能有效降低表面粗糙度 [2]。基于以上冷轧机具有如此多的优越特性，因此，在制造领域冷轧管机被广泛地应用，越来越受到各国的青睐。 随着无缝钢管需求增多和对其质量要求越来越高，使得轧机不得不向高规则、高速化方向迈进。但是，随着轧机高速工作，惯性冲击在传动系统中不断恶化，大大超过了外载荷的作用，这样对机械系统的动态性能会产生严重的影响。同时由于存这种强惯性载荷，这将大大增加了各个构件的受力，以及加剧了曲轴输入扭矩的波动性，恶化了机械运转的均匀性，如此这将会引起设备的振动和噪声，机械工作精度降低，产品的质量下降等[3]。因此，对轧机各构件的运动特性、运动副受力，以及系统惯性力变化规律等动力学特性的研究是非常必要的；同时对轧机驱动机构动平衡设计优化，以此来消减由于惯性力对轧机工作中产生的冲击影响，这已成为众多学者研究的主流方向。
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1.2 国内外研究现状
国内对冷轧管机的研究较晚，我国第一台三辊冷轧管机 LG30 是在六十年代初由西安重型机械研究院研发设计的。经历半个多世纪的发展，目前国内已研制出并投产使用 LG450 轧机，它是我国最大的两辊冷轧管机，其最大管坯直径为 Φ480mm，德国著名的冷轧管机制造商 SMS-Meer 公司所研发出最大规格的轧机是 KPW250，其最大管坯直径为 Φ250mm。俄罗斯 EZTM 公司是世界上有名的大型冷轧管机的供货商，该公司研发的最大两辊冷轧管机是 CRTM250，其最大管坯直径是 Φ280mm [4]。 目前为止，国内冷轧管机已研制开发出两大系列，分别是 LG 型和 LD 型。这两个系列冷轧管机的分类主要根据轧辊的数目来分的，LG 型有两个辊，而 LD 型则有多个辊（大于两个辊），其主要参数见表 1。 近几十年来计算机得到了快速发展，促使了计算机模拟技术有了很大的突破，经过众多的学者努力的开发研究，全新、强大的动力学分析工具诞生了，它能对复杂的系统进行求解分析，从此就有了“多体系统动力学”的概念 。 60 年代，E. Haug 对多刚体系统的约束是通过 Lagrange 乘子算法来实现的[5]，相比 Newon-Euler 法，此方法缺点是公式的表达相对复杂，但它具有程式化的方程建立，这就使得计算机计算分析就很容易。之后，研究者 T. Kane[6]对系统的运动提出了用全新的方法来描述，该方法的特点就是通过广义速度来描述的，之所以它被广泛应用，是因为它还具有 Lagrange 分析力学与 Newon-Euler 矢量力学的特征。1966年，J. Wittenburg 与 R. Roberson 图论概念[7]，对复杂系统中各刚体构件的结构约束关系进行了描述。在 80 年代早期，学者们对多体系统动力学的理论方法的研究有了新的视角，直到在 85 年第二次国际理论与应用讨论学会上，提出了多柔体动力学概念，使得对多体动力学的研究正在逐渐向此方向转变，其主要研究大范围的空间运动与弹性变形耦合的问题[8]， A. Shabana[9]与 E. Haug[10]是最早在航空方面研究该领域的。学者刘又午[11]在多体系统动力学领域上也进行了深入的研究。
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第 2 章 基于 ADAMS 对主传动系统动力学仿真
2.1 引言
机械系统传动过程中，各构件加速度和角加速度的存在使得系统中的惯性力和惯性力矩的产生是不可避免。所以，强惯性作用是运动副产生附加动压力的诱因,这使得运动副中摩擦力增加，会导致构件磨损加剧、机械系统传动效率降低、机械工作质量和可靠性下降[39]。所以，对机械系统动力学参数变化规律的分析是十分关键，像 LG730 这样大型机构必须要进行机械系统动力学计算。 LG730 冷轧管机主传动系统采用双轴扇形块水平动力平衡系统，以消减轧机高速运转过程中形成的惯性力和惯性力矩，从而使冷轧管机轧制速度得到有效提升，如图 2-1 为 LG730 主传动系统的简化模型。
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2.2 Adams 理论基础和求解过程
多体动力学依据研究对象的不同，可将其分为多柔体动力学和多刚体动力学，其中多刚体系统是由多个刚体组成的。多刚体动力学模型一般是借助三维软件来建立，进而通过动力学仿真软件对机械系统运动过程进行仿真，以获取机构的运动规律以及动力特性。 笛卡尔广义坐标是 Adams 的系统坐标，此坐标的选取是通过三个直角坐标和三个欧拉角来确定的。 本文将 LG730 冷轧管机模型导入 Adams 图形接口模块 Adams/Exchange 是Adams/View 的一个可选集成模块，它能够通过利用 STL、IDES、STEP 等产品数据交换库的双向传输把三维建模软件和 Adams 紧密的集成起来。此模块能够实现自动转换图形文件的功能，使其转变为具有外形尺寸、特征以及曲线的图形要素，从而得到较为可靠的三维模型以及质心位置、质心转动惯量与各构件质量等特征参数。因此，这可大大节约了用户时间，并还可增强仿真的能力。利用该模块将 Solidworks中创建的 LG730 冷轧管机实体整机模型以 parasolid 格式导入到 Adams 中进行多体动力学仿真。
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第 3 章 轧机主传动系统动力学求解与软件开发 ........ 29
3.1 引言 ........... 29
3.2 轧机主传动系统理论分析 ..... 29
3.3 主传动系统动力学计算专用软件 ............. 33
3.4 本章小结 ............. 38
第 4 章 曲轴连杆动应力仿真分析 ............ 39
4.1 引言 ........... 39
4.2 轧机简化的三维模型建立 ..... 39
4.3 轧机有限元模型建立 ............. 41
4.4 轧机关键部件有限元结果分析 ....... 44
4.5 本章小结 ............. 51
第 5 章 主传动系统动平衡优化设计 ........ 52
5.1 引言 ........... 52
5.2 冷轧管机驱动机构数学模型 ........... 52
5.3 基于多目标粒子群算法的综合动平衡优化 ....... 56
5.4 机构动平衡优化过程数值仿真与结果分析 ....... 59
5.5 本章小结 ............. 63
第 5 章 主传动系统动平衡优化设计
5.1 引言
LG730 主传动系统可看作曲柄滑块机构，由于结构的特点机架在往复直线运动时会不可避免地产生很大的惯性力，同时电机会受到交变惯性力矩，严重影响了电机运转的均匀性[44]。为了消除结构的不平衡，就必须要确定平衡配重。因此，合理的选择配重参数就成为轧机动平衡设计的关键因素。 本章主要研究 LG730 动平衡优化问题，综合考虑三项动力性能指标，其中包括主传动系统惯性力、曲轴运动副反力和曲轴输入扭矩。通过建立动平衡优化数学模型，充分利用粒子群优化算法对以上动力性能指标进行优化处理，能够快速、准确的获得平衡参数最优解 [45]。 轧机机构的平衡效果是由配重的质量和配重的质心到回转轴的距离所决定，由式 5-2 可知配重质量e1m 、e2m 和配重质心距e1S 、e2S 是由1H 、2H 、11R 、12R 、21R 、22R 所决定。因此，我们应选择1H 、2H 、11R 、12R 、21R 、22R 来当作轧机机构动平衡的参数设计变量。在配重参数变量实际设计中，它是有约束条件来限制的，其主要考虑的因素是几何因素，即首先要确保扇形块在轧机工作工程中不可以干涉其它运动构件，其次扇形块与机架的距离不能太大。
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结论
本文基于企业的冷轧管机研究项目，以 LG730 主传动系统为研究对象，充分利用 Solid Works、ADAMS、VB、ABAQUS、MATLAB 等软件对轧机主传动系统进行了三维建模、动力学仿真计算、开发典型机构动力学分析专用软件、强度分析、动平衡优化设计等工作。以轧机系统惯性力、曲轴运动副受力和曲轴输入扭矩为动力学性能指标，探究主传动系统的动力学特性，并得出优化设计扇形块最优配重尺寸。对本课题的研究得出结论如下：
（1）通过对轧机主传动系统的动力学分析，可获得机架、连杆、曲轴和平衡轴质心的加速度随曲轴转角的变化规律；在无配重，只有曲轴配重和增加平衡轴配重三种工况下对轧机系统的惯性力、曲轴箱水平合力、竖直合力以及曲轴输入轴扭矩变化进行对比分析可知：对于机构同时实现对惯性力与惯性力矩平衡时，往往会对曲轴输入扭矩和运动副受力起到负作用，但通过采用双轴平衡此弊端可得到改善；通过探究平衡扇形块相位和曲轴转速对轧机系统惯性力的影响可知：扇形块相位差在 180°时，是一个最佳平衡效果的取值，同时轧机在工作时要控制好曲轴转速，以免出现较大的惯性冲击。
（2）运用 VB 编写了曲柄滑块机构动力学分析专用软件，可以直观地输出运动学和动力学曲线图，从而清晰、准确地揭示了机构的运动特性。对该机构动力学分析的理论结果与 Adams 数值仿真结果进行对比可知：二者结果基本一致，证明了该软件是可靠的。同时此软件实现了参数化设计，便于对原始设计参数修改，能够快速、准确的实现机构性能分析，为机构初始设计提供了便利；
（3）通过对轧机多体动力学有限元模型进行分析，可获得轧机关键部件连杆和曲轴在一个工作周期内的动应力，找到易出现应力集中区域，其中连杆的应力集中区域主要在连杆小头孔内侧边缘和连杆杆身，曲轴的应力集中区域主要在曲柄臂与曲柄销过渡边缘处，并校核了曲轴、连杆的强度，为轧机主传动系统的结构优化改进提供建议；最后通过改变轧机设备结构，找出轧机在一个工作周期内曲轴和连杆最大等效应力值，对比分析来阐述配重对轧机曲轴和连杆动应力的影响，可见采取双轴平衡有效的减小了连杆和曲轴所承受的载荷。
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参考文献(略)
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第 1 章 绪 论
1.1 课题研究背景
随着世界经济和社会的不断发展，各国国家都加快了对基础设施的建设进程，我国也在不断地增加基础建设。对特厚钢板的市场需求量越来越大。厚度大于 150mm的特厚钢板在高压容器、海洋工程、核/水电工程、工程机械、化工装备、军事装备等重大装备领域应用广泛，每年需求量达到几十万吨，需求巨大[1]。特厚板产品对其使用性能要求高且生产难度大，国内只有少数几家大型钢企可以生产，很多高性能的特厚板还依赖从发达国家进口，特别是厚度大于 300mm 的特厚板材，国内还基本是空白。为提高特厚板的使用安全性，对特厚板的强度等力学性能要求越来越高，且特厚板在生产制造过程中必须要达到大压缩比、低屈强比、Z 向性能良好和缺陷率低等一系列的要求[2]，从而确保特厚板的质量和使用性能。为了达到特厚板在实用过程中满足各项性能指标，特厚板的生产新技术开发一直受到各国的关注和重视。 2015 年初国家提出了中国制造 2025 计划，并在《中国制造 2025》重点领域技术路线图中明确指出：要加强特厚复合板的研究与开发，并提出了轧制复合板的要求：开发符合组坯工艺、高效焊接、在线固溶等轧制复合板关键技术、解决生产优质坯料厚度 500-900mm 的产出率低、能耗高技术难点，开发系列复合板产品，满足化工、海水淡化、能源等特种行业对材料的特殊要求。 目前，国内外在特厚板生产制造过程中主要采用的是模铸、电渣重熔、连铸和轧制复合等方法[3,4]。 模铸钢锭是现在特厚板生产的主要原料，模铸法虽然具有可生产大尺寸的铸锭、易于操作且其内部组织洁净度高的优点；但其也具有明显的缺点，钢锭内部偏析无法避免、存在头尾偏析严重的致命缺陷、项目投资大、能耗大、效率低、金属综合成材率低，钢锭的内部质量无法保证。电渣重熔法是目前一种比较先进的特厚板坯生产方法，其工作原理是将钢材做成自耗电极，然后以熔渣的电阻热为热源使自耗电极熔化，渣洗消除内部的气体和杂质，再借助结晶器熔池上下的极大温差使钢水凝固成钢锭。优点是获得的钢坯内部质量好、可控性高、可生产大型钢锭等；但其缺点是生产效率低、能耗大、成本高、灵活性差、氟污染严重。连铸板坯主要供薄板和中厚板生产用料，优点是浇铸速度快、可进行连续生产、成材率高、效率高，缺点是设备投资高，受到板坯尺寸、技术和设备方面的限制，生产特厚板压缩比不够，轧制后的钢板中经常出现夹杂物，难以满足 100mm 及以上厚度特厚板的生产质量要求。
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1.2 特厚板国内外研究现状
国际上特厚板的发展时间较长，技术相对较成熟。早在第二次世界大战之前，世界强国如美德日、前苏联等都分别建造了特厚板轧机[5-7]，随着世界市场对特厚板的需求不断增加，很多国家都陆续建立了宽厚板轧机。日本和德国等是特厚板的生产大国，引领着当今世界的厚板轧机装备和技术发展[8-10]。相对于国外的特厚板研究，我国国内的特厚板研究起步较晚[11]。经过几十年的飞速发展我国已经具备一定的特厚板生产能力，但一些性能要求高的特厚板仍然无法满足生产和使用要求，仍需要从日本、德国等厚板强国进口，严重制约了我国经济的发展。 爆炸复合法是现在复合板生产中应用较多的一种方法，其主要过程是借助炸药爆炸时产生的巨大能量而获得高压，使两块集体板材高速相撞，依靠巨大的冲击波和板材材料之间的摩擦使结合表面的氧化膜破裂并清除，并借助爆炸过程中产生的爆炸热和摩擦热，使结合面上的金属实现原子间的冶金结合，从而实现金属间的复合过程[13]。目前，主要应用在石化、宇航、冶金、电力等领域[14,15]。
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第 2 章 考虑复合界面的特厚板复合轧制力学模型
2.1 特厚板复合轧制力学模型的建立
特厚板复合轧制时两块连铸坯上下对称轧制，结合特厚复合板轧制特点，认为理论状态下轧制压下量不存在偏差，板坯复合界面处的粗糙度可测等，考虑复合界面的剪切应力，对特厚板复合轧制过程进行力学建模。由于特厚板复合轧制的非线性，为了保证计算速度和精度，对模型进行合理假设，如下： 1）轧辊为刚体，轧件为理想弹塑性体；2）轧件变形属于平面变形，不考虑轧件的宽展；3）轧制过程中上下板材在紧密贴合，不存在滑动状态；4）轧制过程中界面存在剪切应力，且上下板的剪切应力方向相反；5）上下板材大小一致，不存在形状和尺寸偏差；6）上下工作辊的轧制工艺参数相同。
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2.2 特厚板复合轧制界面复合的判定准则
虽然不少国内外的科学家针对金属复合理论模型进了研究，并取得了一定的成果[56,57]，但均没有提出较为定量的准确模型。主要公式模型如下。实际轧制过程中的表达复合界面结合强度的理论模型到目前还没有一个统一的定论，仁者见仁，智者见智。因此，提出较为准确的理论模型对特厚复合板的生产具有重要意义，本文考虑了特厚板坯复合界面处的剪切应力作用，提出了特厚板复合轧制界面复合的判定准则，旨在揭示特厚板坯界面的复合机理。 表面的粗糙度状况影响复合板坯轧制过程的摩擦状态，直接影响复合界面的机械作用机制和摩擦作用机制，影响复合表面金属界面的破裂程度和露出新鲜活泼金属的程度，进而也影响扩散和再结晶作用机制的进行。其中如果复合表面粗糙，机械变形起作用，使摩擦系数增大；如表面光滑，分子吸引起作用，使摩擦系数增大。故用粘着的实际接触面积来表达在金属复核过程中所起的机械啮合作用和摩擦作用。
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第 3 章 基于特厚复合板轧制过程有限元模拟 ..... 19
3.1 有限元理论及 ANSYS/LS-DYNA 软件介绍 ...... 19
3.2 特厚板复合轧制有限元模型的建立 .... 19
3.3 仿真结果分析与讨论 .... 23
3.4 本章小结 ........ 33
第 4 章 特厚板复合轧制界面特性实验方案 ......... 34
4.1 实验准备 ........ 34
4.2 实验方案 ........ 34
4.3 Gleeble 实验与轧制实验方法对比 ........ 39
4.4 本章小结 ........ 39
第 5 章 特厚复合板模拟实验结果分析 ......... 41
5.1 金相实验结果分析与讨论 .... 41
5.2 力学性能分析 ........ 57
5.3 相应的生产工艺措施 .... 62
5.4 本章小结 ........ 62
第 5 章 特厚复合板模拟实验结果分析
结合有限元仿真模拟分析结果进行模拟实验，具体模拟实验结果及分析如下。其中图 5-1 到图 5-16 中的图片，左侧为轧件边部取样，右侧为轧件中心部取样，100μm为放大 200 金相图片，40μm 为放大 500 倍进行图片。
5.1 金相实验结果分析与讨论
界面复合强度主要采用观察特厚板复合界面的组织形态及孔洞大小和数量，并综合拉伸实验中复合轧件的断裂性质确定。如果轧件的微观组织观察发现特厚板复合后的界面不明显，与基体组织差异不大，且在拉伸实验中轧件的抗拉强度和屈服强度已经达到了基体的要求，就认为复合板已经达到了理想的复合效果.结合有限元仿真模拟中的轧件变形规律，制定了不同的特厚板心部压下率对复合效果的影响。由于实际厚板生产过程中压缩比都会达到 2:1 以上，且通过相关文献查阅到当特厚板只有 10%压下率时，复合界面清晰可见且连续，心部大范围的的内部未产生复合，故模拟压下率的影响采用的是从 20%-40%不等的压下率进行分析验证。具体不同压下率的轧制参数如表 5-1 所示，模拟实验中的轧制速度都是在 1m/s的轧制速度下进行的。
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结 论
本文针对特厚复合板坯在轧制过程中复合界面处开裂、板坯复合性能不好等问题出发，建立了判定特厚复合板坯界面复合效果好坏的理论模型，并基于有限元仿真模拟和实验得到了不同界面特性对特厚复合板坯复合效果的影响规律。主要结论如下：
1.考虑了复合板坯在轧制过程中复合界面处存在剪切应力，推导了考虑特厚复合板坯的轧制力学模型，提出了相应的判定特厚复合板坯复合效果的判定准则。
2.针对界面特性对特厚板坯轧制复合效果的影响，采用 ANSYS/LS-DYNA 有限元软件建立了仿真模型，确定了界面特性对复合效果的影响规律。随着压下率的提高，复合界面处的等效应变和应力增大，复合界面处的等效压下率应该达到30%-40%；摩擦系数在 0.3 附近对复合界面复合最为有利；为了保证轧制效率和质量，应采用 1m/s 的轧制速度；随着温度的不断升高复合界面的等效应变和应力都呈现增大趋势，在 1050℃条件下进行复合轧制效果最经济。
3.进行了特厚板复合轧制实验和 Gleeble-3800 热模拟实验，分析了界面特性对特厚复合板复合效果的影响规律。当复合板坯心部变形率增加到 35%时结合面区域只有很少的小孔洞存在，当增加压下率达到 40%之后，复合板坯已经达到了理想的复合效果。随着复合界面粗糙度的提高复合效果明显提高，当表面粗糙度为 Ra12.5 和Ra6.3 时，已经可以达到要求的复合效果。轧制复合温度的提高对界面复合效果的提高具有明显的改善的作用。轧制复合界面真空度越高越有利于特厚板的实现良好的复合。
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参考文献(略)
优秀机械论文范文精选篇三
第 1 章 绪 论
1.1 课题背景
钢铁行业在国家的发展中起着十分重要的作用，钢铁行业的发展水平已经成为衡量一个国家经济水平和综合国力的重要标志之一。改革开放以来我国钢铁行业取得了飞速发展，尤其是在产量和销量方面在世界上占据首要地位。钢铁产业已经成为我国经济的支柱产业之一，在经济建设，社会发展，稳定就业等方面发挥了十分巨大的作用。而板带材在钢铁产业中占据着十分重要的地位，因为板带材在建筑、机械制造、船舶、汽车、航空等领域有着十广泛的应用[1]。伴随着经济的快速发展和工业水平的快速发展，对于板带材的质量要求越来越高。其中，板带的厚度波动要求也更加的严格。 虽然改革开放以来我国钢铁行业在技术上有了很大的提高，但是在世界范围内我国的钢铁产品质量还和欧美日等国家存在一定差距。为了提高钢铁产品在世界范围内的竞争力，我们需要通过不懈的努力实现钢铁产品质量的赶超。板带材作为钢铁行业中十分重要的一类产品，它在经济建设中有着很广泛的应用。其中，影响板带材质量的一个重要指标就是板厚波动。 板带材的广泛应用使得对于板厚控制精度的要求越来越高，轧辊偏心作为制约板厚精度的扰动因素之一引起了越来越多研究人员的重视。因此，解决轧辊偏心补偿问题也成为了板厚控制的重要问题之一[2]。形成轧辊偏心的因素有很多，比如轧辊制造精度不够造成轧辊形状的不规则，轧辊安装过程中轧辊与安装轴承的不同轴也会造成轧辊偏心。在很多轧机厚控系统中，轧辊辊缝的大小是通过压下缸的位移量来测量的。这种板厚控制方法可以消除入口板带厚度的扰动，但是无法消除轧辊的磨损、轧辊偏心、轧辊热膨胀等扰动[3-5]。这些扰动变量无法直接测量，我们需要通过其它途径获取这些信号，然后对这些扰动加以补偿从而提高板带厚度精度。
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1.2 轧辊偏心补偿控制的研究现状
轧辊偏心补偿控制在轧制自动化技术领域是非常热门的研究课题。消除轧辊偏心对带钢板厚的影响，主要是通过设计控制方法和控制软件实现的。20 世纪 70 年代开始，以欧美和日本为代表，他们在轧辊偏心补偿方面做了大量的实验研究。并且在 20 世纪 90 年代初期取得了很好的补偿效果[6]。国内在轧辊偏心补偿装置的研究方面起步较晚，应用的偏心补偿控制装置多数要靠进口。目前，国内的一些研究院所在轧辊偏心补偿控制方面取得了一定的成果，但是在实际中的应用还不多见。 目前，人们将轧辊偏心补偿控制方法分为预防控制法、被动控制法、主动补偿法三类[7]： (1)预防轧辊偏心补偿法。这种控制方法主要是在工艺方面有所改进，比如提高轴承以及轧辊辊身的加工精度，以此来减小轧辊偏心对板厚的影响。此种方法在轧制过程中不采用任何的补偿方法。 (2)被动轧辊偏心补偿法。被动控制法可以使控制信号避免误调节。在轧辊偏心补偿的研究初期，采用这种研究方法的较多，死区法是这种补偿方法的代表。但这种方法在本质上并不能消除轧辊偏心带来的影响。 (3)主动轧辊偏心补偿法。这类方法属于目前研究轧辊偏心补偿方法中最多的一类。主动补偿法概括来说是从包含轧辊偏心的一些轧制信号(如轧制力、辊缝、轧件出口厚度等)中通过运用各种数学方法来提取轧辊偏心信号，再将提取的偏心信号转换成补偿信号投入到板厚控制中进行补偿控制。主动补偿法大致可以分为两类，综合法和分析法。综合法就是通过提取出偏心分量进行补偿。分析法是通过运用数学方法从提取的出口板厚、轧制力等包含轧辊偏心特征的信号中提取偏心信号，然后对其进行分析和补偿。 目前，轧辊偏心补偿方法主要分为上述三类，这三类补偿方法又可以具体展开为很多种具体的补偿方法，接下来对这些补偿方法进行简要介绍。
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第 2 章 轧辊偏心分析及厚度控制的基本方法
在高精度冷轧薄板的轧制过程中，存在着许多来自轧机本身的扰动，这些内部扰动成为提高冷轧板带质量的影响因素。轧辊偏心便属于一种轧机的内部扰动，其对高精度冷轧板带板厚精度影响很大。本章将对轧辊偏心的成因及特点进行分析。
2.1 轧辊偏心的成因分析
在板带轧制过程中，各个轧辊均存在轧辊横截面不是绝对圆形、轧辊几何中心与转动中心存在偏离、轧辊热膨胀变形、轧辊磨损等现象，这些现象统称为轧辊偏心。概括来说，轧辊偏心可以分为以下两种类型： (1) 轧辊旋转中心与制造中心不重合而产生的偏心(如图 2-1 中 a)所示)； (2) 轧辊本身具有的形状不规则造成的偏心(如图 2-1 中 b)所示）。
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2.2 轧辊偏心测量
轧辊偏心的测量分为直接法和间接法两种[28]。 直接法主要利用位置传感器直接对轧辊进行测量，如图 2-2 所示。对已经装配好的轧辊进行直接测量能确定修磨和轴承装配过程中产生的轧辊偏心。直接法过程为：轧辊装配完成后，放置在相当平稳的水平面上。然后把机架上的指示仪顶在辊身上，用钢丝吊索在辊颈处环绕约三周后，挂在起重钩上。当起重机向上抬起钢丝时，轧辊开始旋转。此时，记下指示仪读数，通常在轧辊中间或两端测量偏心。对已经装配好了的轧辊进行直接测量能确定修磨和轴承装配过程中产生的轧辊偏心。但直接法对轧制过程中诸如轧辊磨损等影响偏心的因素就无能为力了。轧辊偏心是周期性变化的，从而轧辊偏心会造成辊缝是周期性变化，进而影响轧制力周期性的变化。在预压靠时，轧制力呈现周期性变化，轧制力的周期变化并不是正弦信号，其频率与支承辊旋转频率一致。在轧制过程中，轧制力会受到轧件厚度、轧件硬度及张力变化的影响。 轧辊偏心量e?x 与对应的附加轧制力e?P 之间的关系如式(2-11)所示。由于轧辊偏心使得轧制力呈现周期性的变化，即是轧制力的变化间接反映了轧辊偏心的扰动。因而在轧制力信号中含有轧辊偏心信号。所以在理论上讲可以从检测到的轧制力信号中获取部分的轧辊偏心信号。
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第 3 章 轧辊偏心厚差溯源及角域分析 ......... 19
3.1 带钢冷轧过程的数据提取与厚差溯源 .......... 19
3.2 轧辊偏心的角域分析 ........... 23
3.3 轧辊偏心信号的特征提取 ............ 27
3.4 本章小结 .... 31
第 4 章 300 实验轧机控制 AGC 系统建模 .... 32
4.1 AGC 系统的硬件系统 ........... 32
4.2 液压伺服控制系统 ...... 38
4.3 基于 Matlab 与 Simulink 的 AGC 建模 ......... 44
4.3.1 轧机压下系统各环节数学模型 ....... 45
4.4 本章小结 .... 49
第 5 章 轧辊偏心主动补偿研究 ............ 50
5.1 轧辊偏心主动补偿方法 ....... 50
5.2 偏心信号相角的补偿 ........... 52
5.3 轧辊偏心补偿仿真 ...... 53
5.4 本章小结 .... 58
第 5 章 轧辊偏心主动补偿研究
轧辊偏心的补偿主要分为被动补偿和主动补偿两种类别。被动补偿方法在轧辊偏心补偿中应用较少，而主动补偿在轧辊偏心补偿中应用较多。所谓主动补偿一般思路研究思路是从轧制过程中的轧制参数信号(如轧制力、辊缝位置、厚度信号等)中提取出轧辊偏心量，进而由轧辊偏心量得到补偿量信号投入到轧机 AGC 系统中来抑制轧辊偏心对板厚的影响。
5.1 轧辊偏心主动补偿方法
为了消除轧辊偏心对板带厚度的影响，我们需要设计轧辊偏心补偿模块，并且将轧辊偏心补偿模块投入到轧机 AGC 控制系统中。整个流程如图 5-1 所示。在图 5-1 中我们可以看出其中的轧辊偏心补偿模块是图 5-1 的关键所在。那么轧辊偏心补偿模块的设计将按照下面的思路展开。首先，轧辊偏心信号在时域上随着轧制速度的变化而变化，根据第三章提到的阶比分析原理将轧辊偏心信号进行时-角域的转化，从而使得轧辊偏心信号在角域上具有严格的周期性。其次，轧辊偏心补偿模块还需要考虑将角域偏心信号进行存储、更新，以及相位校核、偏心信号自学习等。其中，轧辊偏心补偿的自学习模块的设计需要考虑偏心数据的准确采集，同时要保证数据的不断更新。综上轧辊偏心补偿模块原理图可如下图 5-2 所示。 在第四章中已经建立了轧机的压下数学模型，接下来将以 300 可逆冷轧机为例，将轧辊偏心信号投入到轧机 AGC 系统中进行建模。轧辊偏心信号应该投在位置环以外，厚度环以内。
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结论
板带材的广泛应用使得对于板厚控制精度的要求越来越高，轧辊偏心作为制约板厚精度的扰动因素之一引起了越来越多研究人员的重视。因此，解决轧辊偏心补偿问题也成为了板厚控制的重要问题之一。 本文主要研究内容有：
(1) 分析了轧辊偏心的成因和轧辊偏心的测量方法，以及轧辊偏心对带钢厚度、轧制力的影响。分析了冷轧机厚度控制的基本方法和厚控系统的主要方法，为后续补偿打下理论基础。通过偏心厚差溯源方法得到轧辊偏心信号。运用阶比分析原理和角域重采样进行轧辊偏心的角域分析，然后对轧辊偏心进行角域转换以及厚度信号的角域平移。最后，对轧辊偏心信号的特征进行提取，从历史轧制数据中提取重要的参考数据建立表格，对这些轧制数据进行序列转换。
(2) 通过分析 300 实验可逆冷轧机的硬件系统和轧机的主要参数，轧制数据的存储与实验数据的记录和分类整理，后续分析了液压伺服控制系统。然后在此基础上在 Matlab 软件中的 Simulink 环境中建立 AGC 的控制模型，为投入轧辊偏心补偿建立基础。设计了轧辊偏心主动补偿系统，然后对轧辊偏心主动补偿在 Simulink 中进行建模。建立了偏心补偿自学习模块，可以使偏心补偿数据进行更新，最后在 Simulink中对轧辊偏心补偿进行仿真。
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参考文献(略)
优秀机械论文范文精选篇四
第一章 绪论
1.1 压力容器热处理变形国内外研究现状
目前，国内对于造成压力容器热处理变形产生因素的理论分析很多，基本上可以准确得对各个因素进行分析，同时也可以针对各个原因总结出一些防止变形的措施办法，这些防变形措施主要有以下几个方面：作为压力容器焊后热处理使用的热处理炉，不得使用燃煤或焦炭作为热处理燃料；热处理炉应使用计算机程序控制等自动化方式来自动控制整个热处理过程，应配备温度测量、控温和报警系统，做到对整个热处理过程升温、保温、降温的有序控制，实现温度的自动记录；要保持热处理炉在热处理过程中适时保证正压，让加热设备的热处理介质能够实现流动，并且要能够对炉内加热区域的气氛进行控制，防止焊件表面被过度氧化。设备整体长度较大尤其是立式塔器压力容器在进炉后，由于设备本身的支座较少或者没有支座，这时就需要增加临时支座支垫，避免因设备本身支座跨度较大，在设备热处理过程中出现旁弯，导致直线度超差的情况出现。对于设备直径较大、壳体钢板厚度较小的，应进行相应的内部加强。 因为在这种工况下，设备壳体圆筒的刚性结构会随着圆筒直径的增加而逐渐降低，在热处理温度下将无法抵抗自身自重带来的影响，导致设备圆筒由圆形向椭圆形状变化，从而使得设备圆度超差。因此需要额外的在容器内部布置加强支撑来对壳体的变形进行有效控制。对于分段进行热处理的压力容器设备，由于分段处稳定性较差，分段端口处应进行支撑加强。在一台完整的压力容器设备中，一般在两端都包含两个封头，封头在一定程度上会对设备壳体起到一定的加固保护作用，在热处理过程中会对设备壳体的变形控制起到一定的作用。然而对于一些设备，由于长度较长，超过了压力容器制造单位配置的热处理炉的最大热处理长度时，就需要将设备壳体进行分段热处理。这些分段后的压力容器设备在分段界面端口区域，由于缺少必要的加固支撑，在热处理过程中会因为自重而发生变形，因此需要对该区域在热处理工序前进行支撑加强。
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1.2 本论文研究目的和意义
本论文通过对石油化工行业中大型塔类设备分段进行焊后热处理时，由于措施不当从而导致设备产生变形作为案例进行分析。通过分析，找出此类设备在进行焊后热处理时发生变形的原因，详细地对每一个原因进行分析，弄清楚每一种变形原因发生的机理，并有针对性地提出相对应的预防措施，以防止设备热处理变形的再次发生，为压力容器制造单位在进行类似设备焊后热处理时的防变形操作提供理论指导和技术帮助。压力容器在关系国家命脉的石油化工、航空航天、医药、新能源制造等方面都有着非常广泛的应用。压力容器使用广泛、数量大，又由于是非常容易发生破坏性事故的设备，因此它的制造质量和使用安全受到国家的重点监控，也是其使用行业的重点设备。 随着我国国民经济的快速发展，石油化工行业也向着大型化、集约化的方向进行发展。作为石油化工行业装置的重要组成部分，压力容器设备也相应地向着大型化的方向发展。与以往的常规尺寸的压力容器设备相比，随着设备直径、长度的加大，设备的制造难度也在成倍地增加，例如压力容器设备的成型、焊接、焊后消除应力热处理等工序。 塔类设备作为压力容器设备中的一种，在石油化工行业中的催裂化、加氢、制甲醇等各个装置中有着非常广泛的应用，是这些装置中的核心设备，直接影响着这些整个装置地高效运行和使用安全。随着压力容器设备大型化的发展，由于塔类设备自身结构特点的特殊性，很多时候由于施工现场的吊装运输、热处理炉热处理能力的限制，需要进行分段制作、运输。设备在分段后，由于设备整体结构的不完整，在进行焊后消除应力热处理的过程中，很容易由于自身支撑能力不足而发生变形，严重得甚至会导致整台设备的报废，给压力容器设备制造企业带来经济损失，给整个项目的施工造成工期延误的影响。 通过本论文的研究，为压力容器制造企业在进行压力容器热处理时采取的防变形措施提供理论和实际操作方面的指导，从而杜绝热处理变形，提高压力容器设备的产品质量，降低制作企业损失风险。
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第二章 热处理变形分析理论
2.1 焊后热处理理论
热处理是将金属加热到一定温度，并在此温度下恒温一定时间，然后以各种不同冷却速度冷却到常温，以改变金属内部的组织及应力状态，达到改善金属材料或设备使用性能的一种处理方法。按照热处理的要求，可以分为改善机械性能的热处理、焊后消除应力热处理和提高金属材料或容器抗腐蚀性能的热处理三种。而在压力容器制作过程中，我们常说的热处理指的是焊后消除应力热处理。压力容器在焊接过程中，由于以下原因：如焊接接头区域具有非常陡峭的温度梯度；随着温度的变化，会引起焊缝金属区、热影响区以及母材的几何尺寸和屈服强度的变化；焊缝金属的逐步凝固；冷却时焊接接头伴随着相变而发生体积改变等等，都会导致焊缝及焊缝热影响区存在着不同程度的残余应力及硬化组织，其应力大小及硬化程度随母材的合金含量、板厚、施工工艺和结构刚度而定。如果焊接接头区域的残余应力偏高而不加以消除，可能会产生以下危害： ① 使焊件形状和几何尺寸稳定性丧失。即当焊件需进行某种机械加工时，由于局部高峰值应力及反作用应力的作用，可能产生变形。 ② 促成应力腐蚀裂纹。应力腐蚀裂纹是一种脆性断裂，拉伸应力的存在是产生应力腐蚀裂纹的必要条件，有焊接接头的纵向残余应力通常是最大的拉应力，故应力腐蚀裂纹常垂直于焊缝轴线。尤其在氯化物、氨、硝酸盐、湿 H2S 等介质中，应力腐蚀裂纹更易发生。
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2.2 热处理变形机理
压力容器的焊后热处理是一个加热、保温、冷却的过程，在这个过程中因为温度和材料本身组织结构的变化，会不可避免地产生热应力和组织应力。我们平时所说的热处理变形，就是热应力和组织应力共同影响的结果。 在热处理时，设备零部件材料随着加热、降温过程产生了很大的温度变化，并且在一定的温度下发生组织转变，因而导致热应力和组织应力的产生。从力学角度上讲，当材料的内部应力大于其相应温度下的塑性极限时，材料将发生塑性变形，这也就是热处理变形的根本原因。零件在加热或冷却过程中，特别是在冷却强烈的介质中淬火时，由于零件各部分之间的温差而产生热胀或冷缩量差，因而，在不同缩、胀区之间产生了互相牵制的应力。零件受热膨胀或膨胀量较大部分，势必对为膨胀或膨胀量下较小的部件产生拉应力；同时，未受热膨胀或膨胀量小的部分势必牵制膨胀量大的部分，使其不能自由膨胀，于是膨胀量大的部分受压应力。这种相互牵制的力，称之为热应力。
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第三章 影响焊后热处理变形因素及减小变形措施 ..... 10
3.1 温度是产生变形的关键因素 ....... 10
3.2 结构设计合理性对热处理变形的影响 ......... 10
3.3 支撑结构的合理性对热处理变形的影响 ..... 10
3.3.1 热处理支撑底座设置的必要性 ..........11
3.3.2 热处理内部支撑设置的必要性 ..........11
第四章 热处理变形案例分析 ............ 13
4.1 案例描述 ............ 13
4.2 热处理温度分析 ......... 14
4.3 热处理支撑分析 ......... 17
4.3.1 热处理支撑底座分析 ....... 17
4.3.2 热处理内部支撑分析 ....... 26
第五章 压力容器热处理防变形措施分析 ............ 28
5.1 热处理炉符合规范要求 ...... 28
5.2 使用合理的热处理工艺 ...... 32
5.3 均衡布置设备热处理支撑底座 ............ 34
5.3.1 热处理支撑底座结构 ....... 34
5.3.2 热处理支撑底座的布置 ............ 36
5.3.3 热处理支撑底座的验证计算 .... 36
5.4 对设备进行合理的内部支撑 ....... 43
第五章 压力容器热处理防变形措施分析
根据对上述案例的分析，结合我自己多年在压力容器生产一线工作经验和目前国内同行业压力容器制造单位的制造技术，对大型塔式压力容器设备的在进行焊后消除应力热处理时的热处理防变形技术措施进行总结。
5.1 热处理炉符合规范要求
国内压力容器制造企业进行焊后消除应力的热处理炉一般是台车式热处理炉，一般按照采用的加热介质不同分为天然气热处理炉、燃油热处理炉、电加热热处理炉三种。目前国内普遍采用的是天然气热处理炉，它的优点是燃烧充分、无污染、加热速度快，最高使用温度可达 650℃～1200℃。烧器由配有进口 PLC 为核心的专用智能燃烧控制器控制，可实现自动点火、大小火切换、熄火报警、熄火保护及再点火等全过程的自动/手动控制，同时控制器具有“系统”、“本机”、“手控”三种控制模式下自动不间断切换功能。控制器接口可与温控系统或工控机系统联接，形成闭环控制。
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总结
压力容器设备作为国家重点管控的特种设备中的一种，在国民经济的各个支柱行业中均有非常广泛的使用，由于其在使用过程中的高危性，因此国家对其制造质量有着非常严格的要求。焊后消除应力热处理作为压力容器制造过程中的一道制造工序，对保证压力容器设备产品质量和使用性能有着非常重要的作用。热处理变形是压力容器设备焊后消除应力热处理时最常见缺陷的一种，对于大型塔器设备来说尤为明显。因此作为广大从事热处理技术的工作人员来说，弄清楚大型塔器设备在进行焊后消除应力热处理时发生变形的原因是什么、针对每一种变形原因需要采取哪种对应的措施、这些措施在生产实际中如何具体使用和实施等这些问题就尤为重要。 本文通过对石油化工行业大型分段塔器设备分段热处理变形进行理论分析研究，结合对自己在实际工作中遇到的设备焊后消除应力热处理变形案例进行各种分析，提出了适合大型塔器设备在进行焊后消除应力热处理时可以预防热处理变形的工艺措施，现总结如下：大型分段塔器设备在进行焊后消除应力热处理时，由于自身结构的不完整、主体材料在高温工况下许用应力、屈服强度等性能的大幅度下降等因素的共同影响，从而必然会产生设备的变形，而这种变形一般以圆度超差为主。由于压力容器制造企业的生产设施限制，设备的焊后消除应力热处理均采用卧式炉内热处理，而针对卧式炉内焊后消除应力热处理的预防变形的措施为：使用的热处理炉设备应符合规范中规定的使用要求、使用合理的热处理工艺、摆放支撑底座和设置设备内部支撑结构四种。对于热处理炉温度的控制，首先需要技术人员按照标准规范编制适合设备的热处理工艺；另外，在每次设备热处理操作前，需要由操作人员严格检查热处理炉的各个控制系统是否能够正常工作，排除隐患。对于支撑底座的摆放，需要使用正确的底座结构，底座包角应满足 150°；根据设备的结构尺寸确定支撑底座摆放的数量，且要摆放在合适的位置。对于设备的内部支撑，应选择可靠的“米”字支撑结构，并根据设备的壳体厚度、各管口的尺寸规格来调整“米”字支撑布置的数量和支撑部位。
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参考文献(略)
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第一章 绪论
1.1 引言
伴随着人类文明的进步，工业化程度越来越高，汽车应用的范围越来越广，逐渐成为人类社会活动中越来越重要的工具，很多时候把汽车工业视为衡量一个国家经济实力的重要标准。我国的汽车工业发展开始于建国之后，尤其是改革开放对汽车工业发展起到极大的促进作用。经过近几十年坚持不懈的奋斗我国的汽车产量也达到了千万辆级。早在 2009 年我国的汽车产量已经超越美国、德国和日本成为汽车产量最大的国家。根据中国汽车技术研究中心数据显示，我国汽车今年至 5 月底的产量达到了 717.8 万辆，同比累计增长 32.18%[1]。汽车工业发展势头良好，可以获取丰厚的利润，汽车的制造又与原材料和加工技术密不可分，原材料中钢铁的需求量最大，整车车身、发动机、变速器等等零部件均是钢铁构成的，根据德国权威资料数据显示，钢铁材料在一辆汽车所有的原材料中占有的比重接近 70%。所以钢铁材料中的深冲板成为汽车原料用的最多和最重要的材料，因此说钢板的成形性能直接汽车质量相关，钢板的成形性能越强，生产的汽车强度越高，质量越好市场占有率越高；反之，钢板的成形性能越差，生产的汽车强度越低，质量越差，市场占有率越低。为了占据更广阔的市场和获取丰厚的利润，无论是国内钢铁企业还是国际钢铁企业纷纷将研究重点转移到钢板的成形性能上，尤其是对于整车车身使用最多的冷轧深冲板成形性能的研究。经各大企业的研究后，冷轧深冲板的性能日以改进。 汽车车身是一个结构复杂的焊接件，它是有无数块大小不一，形状不同的零部件焊接而成的。这些零部件的成形方式有冲裁、拉深、弯曲等多种多样，其中拉深工艺是应用最多的一种成形工艺。因此研究钢板的深冲性能显得尤为重要，钢板的深冲性能越好，越容易实现形状复杂的零部件成形，相反钢板的深冲性能越差，零部件在成形时越容易发生破坏失稳。可以说钢板的深冲性能是衡量板料价值的标准。通过研究薄钢板的成形过程和成形极限，得到钢板的深冲性能，对指导薄板的生产意义重大[2-4]。
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1.2 冷轧深冲板的国内外研究现状
冷轧深冲板是指经过冷轧成形后具有深冲性能的钢板。由于冷轧深冲板优点明显被广泛应用到机械工业、汽车制造和航空航天等行业中，冷轧深冲板产品的主要优点有 [8]： (1)成形性能良好，塑性应变比 r 值比较高可以成形各种复杂曲面和结构的产品； (2)产品尺寸精度高，板面平直度高 (3)焊接强度高，焊接表面质量好； (4)塑性变形后光洁度变化不大； (5)含氧量低，抗腐蚀性良好； (6)可以抵抗很高的变形，多用于汽车外板。冷轧深冲板的发展是深冲性能由差变强的过程。根据冷轧深冲板的发展历程可以将其总结为三次改进： 第一次改进：1950 年代~1960 年代，产生了以沸腾钢为主要代表的第一代冷轧板。该冷轧板只能适用于普通的深冲件，其主要原因是直接影响冷轧板深冲性能的因子塑性应变比 r 的值较低，仅为 1.1 左右，远远小于目前的 2.0~3.0，并且应变时效明显，因此不适用于要求较高的深冲件。 第二次改进：1960 年代~1980 年代，产生了以铝镇静钢为主要代表的第二代冷轧板。该钢板与第一阶段的钢板最主要的改进是在轧制成形中加入了铝元素，铝元素吸收氧元素的能力远大于铁元素，脱去了板料中的氧元素，在轧制过程中严格控制氮化铝的含量，退火之后的时效处理时绝大部分的碳在中以 Fe3C 的形式析出，因此该冷轧板的深冲性能要高于沸腾钢的深冲性能。
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第二章 拉深成形理论介绍
2.1 拉深成形理论介绍
拉深也可以称为拉延，是使用专用摸具将平板坯料冲压成为一种开口空心零件的成形工艺方法[40]。相比于其他成形工艺，用拉深工艺来生产薄壁空心件优点很多，生产效率较高，节省原材料，产品的刚度和强度高，尺寸精度高。拉深工艺可以加工很多零部件，小至几毫米，大至 2-3 米的零件均可以加工。因此，拉深成形工艺在汽车、电器、航空航天、电子和国防等工业部门以及日用品生产中，占据十分重要的地位[41-43]。图 2-1 是表示拉深成形过程。在凸模 1 向下运动时，坯料 3 被凸模拉进凹模中，形成圆筒形件。圆筒形件高度为 h，该部分是由坯料的环形(外径为0D ，内径为 d 之间)部分变形得到的，因此，拉深成形时的变形区域是坯料的外部环形部分，不变形区域是圆筒形件的底部部分；示意图中凸模与凹模间隙的直壁部分已经完成拉深变形称之为已变形区。显而易见，图中坯料被拉深成为圆筒形件的过程中，并没有产生多余的废料。从拉深示意图看到，由圆形毛坯成为圆筒形零件，整个过程没有产生废料。
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2.2 极限拉深系数模型
拉深变形过程中凸缘变形区厚度方向的压应力很小，可以忽略不计，要求解两外两个方向上的应力只要建立关于力学的平衡微分方程和材料的塑性方程便可解决，坯料凸缘变形区的应力分析如图 2-7 所示[44]。显而易见的坯料材料和拉深凸模尺寸对极限拉深系数影响很大。相同的材料、相同的工况，在不同尺寸的拉深凸模下拉深时,得到的极限拉深系数也会不同。拉深凸模直径越小越不利于拉深,极限拉深系数也会越大。同样，相同的材料、相同的工况、凸模尺寸不变,而坯料的厚度发生变化时,极限拉深系数也会有所变化。坯料的相对厚度 t/D 越小,材料拉深时抵抗失稳起皱的能力越差，极限拉深系数就越大，反之，相对厚度越大，材料拉深时抵抗失稳起皱的能力越强，极限拉深系数也就越小[46]。
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第三章 板料的机械性能测试及其极限拉深系数预测.... 19
3.1 引言 .......... 19
3.2 试样制备与试验方法 ..... 19
3.3 试验结果分析............ 26
3.3.1 材料的抗拉强度随板料角度的分布情况........... 26
3.3.2 材料的屈服应力随板料角度的分布情况 ........... 27
3.3.3 塑性应变比 r 值随板料角度的分布情况 ........... 28
3.4 极限拉深系数预测....... 29 3.5 小结........... 30
第四章 圆筒形件极限拉深系数 CAE 模拟分析.......... 31
4.1 有限元模拟软件（DYNAFORM 软件）介绍....... 31
42 极限拉深系数的有限元模拟预测.... 35
4.3 有限元模拟结果分析...... 38
4.4 圆筒形件极限拉深系数的优化....... 40
4.5 小结........... 41
第五章 极限拉深系数试验........ 42
5.1 引言 .......... 42
5.2 坯料制备及拉深设计方案........... 42
5.3 极限拉深系数试验 ....... 46
5.4 极限拉深系数试验结果分析......... 50
5.5 小结........... 52
第五章 极限拉深系数试验
5.1 引言
各向同性材料在不同方向具备同样的性能；各向异性材料在不同方向具备不同性能，当达到拉深极限时，各向异性材料的拉裂出现在特定的方向。同时冷轧深冲板轧制技术成熟，《冲压手册》中原有的极限拉深系数已经不适用于冷轧深冲板。如果依旧使用冲压手册的中极限拉深系数，会造成原材料浪费，生产成本增加。 本章根据前面两章的理论预测和有限元模拟预测的极限拉深系数为基础设定 DC04、DC05 极限拉深系数试验。试验所用的板料是宝钢生产的冷轧深冲板中最具代表性的 DC04 和 DC05 冷轧钢板。DC04 和 DC05 冷轧钢板性能明显优于其他钢板，其中包括良好的深冲性，优良的抗凹性等等。本次试验 DC04 和 DC05 冷轧钢板厚度均为 0.8mm，表5-1 为冷轧板各元素组成表。 极限拉深系数试验采用最简单的圆形毛坯进行拉深，测定圆筒形件的极限拉深系数，毛坯中心设置中心孔，中心孔的作用是拉深试验时其定位作用，中心孔的大小为 1mm，圆毛坯规格和数量参考表 5-2。本章采用优化后的拉深系数设计极限拉深系数试验，共设置了四组 DC04、DC05 冷轧深冲板圆筒形件极限拉深系数试验。首先介绍了使用激光设备制作坯料，阐述了板材成形设备的成形原理，以及板材成形设备的调试过程。详细说明了四组圆筒形件极限拉深系数试验的试验过程，对拉深结果的评定，对极限拉深试验值和理论计算值、有限元模拟值进行对比分析，发现有限元模拟值与试验值偏差较小理论计算值偏差较大，但是在误差允许的范畴内，对试验值和《冲压手册》中拉深系数进行对比，发现《冲压手册》中最小的拉深系数与试验值偏差远大于理论计算值的偏差和有限元模拟值的偏差。综合考虑，在实践生产中为了缩短试模首期以及提高生产效率、降低生产成本可以使用基于塑性应变比的极限拉深系数模型快速判断板料的极限拉深系数。
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总结
本文基于拉深成形理论，引入了基于塑性应变比的圆筒形件极限拉深系数模型，介绍了各向异性屈服理论，推导了材料的塑性应变比、屈服应力随材料方向分布的理论计算模型，通过单向拉伸试验得到材料各方向的屈服应力、抗拉强度、塑性应变比和应变硬化指数，并对比了屈服应力和塑性应变比的理论计算值，结果表明，DC04 和 DC05 板料的屈服应力在各方向上最大的偏差均不超过 2.6%，塑性应变比在各方向上最大的偏差不超过 3.5%，且屈服应力和塑性应变在各角度方向上的分布规律一致，理论值和试验值的偏差在误差允许范围内可以佐证冷轧深冲板的单向拉伸试验可靠，并依据单向拉伸试验试验得到的塑性应变比和应变硬化指数计算出 DC04 和 DC05 冷轧深冲圆筒形件理论极限拉深系数的计算值。依据最差角度方向上的拉深系数设计冷扎板的有限元模拟方案，应用有限元软件DYFORM，模拟出了 DC04 和 DC05 的圆筒形件极限拉深系数，优化单向拉伸试验得到 DC04 和 DC05 圆筒形件极限拉深系数计算值和有限元模拟值。 设计了Ⅰ型拉深模具和Ⅱ型拉深模具对 DC04 和 DC05 冷轧板进行四组圆筒形件极限拉深系数试验，得到了板料在 45°方向出现拉裂情况，结合材料机械性能在各方向上的分布情况，指出材料的屈服应力越大（屈强比越大）和塑性应变比越小的方向上，越容易出现开裂。本文主要得到以下结论：
（1）对钢板各向异性理论进行研究，发现 DC04 和 DC05 板料在不同方向的屈服应力s 、抗拉强度b和塑性应变比 r 的分布不同，通过进行单向拉伸试验得到了与轧制方向呈 0°、15°、30°、45°、60°、75°和 90°方向的屈服应力、抗拉强度和塑性应变比。分析试验值与理论值的偏差，DC04 和 DC05 板料偏差都不超过 2.6%，塑性应变比偏差也不超过 3.5%，且屈服应力和抗拉强度在 0°和 90°方向最小，而塑性应变比在 0°和 90°方向最大，可以得到钢板在45°方向上的性能最差，在 0°或者 90°方向上的性能最好。
（2）设计了Ⅰ型拉深模具和Ⅱ型拉深模具对 DC04 和 DC05 板进行圆筒形件极限拉深系数试验，得到了板料在 45°方向出现开裂情况，结合材料机械性能在各方向上的分布情况，指出材料的屈服应力越大（屈强比越大）和塑性应变比越小方向上，越容易出现拉裂。通过四组极限拉深系数试验确定了 DC04 和DC05 的圆筒形件极限拉深系数，对比极限拉深系数模型得到的理论极限拉深系数和有限元模拟得到的极限拉深系数，最小偏差为 2.6%，因此，可以通过极限拉深系数的理论模型初步计算板料的极限拉深系数。
（3）通过四组圆筒形极限拉深系数试验得到关于 DC04 和 DC05 精确极限拉深系数，对比试验值和《冲压手册》中的原始数据发现偏差很大，冲压手册的拉深系数已经不适用于冷轧深冲板。试验得到的圆筒形件极限拉深系数试验值补充到《冲压手册中》，应用于实际生产中，可以有效的减少原材料的浪费，降低生产成本。
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参考文献(略)
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第一章 绪论
煤炭是我国一次能源的结构主体，根据国家能源局预测，我国煤炭需求总量在 2020年将达到峰值 47.6 亿吨，之后煤炭消费量缓慢下降，年均降低 0.43%，到 2030 年降至45.6 亿吨，因此在未来 10～20 年中，我国煤炭消费仍占能源消费总量的 60%。而采掘比例失调一直是困扰煤炭安全、高效生产的一个主要因素，近年来，岩石巷道比例逐年增加，如原国有重点煤矿年掘进进尺约 10000 km，岩石巷道掘进超过 2000 km，以阳煤集团为例，目前岩石巷道比例已经占到 30%以上。煤炭相关企业及科研院所已经开展多项关于岩巷机械化掘进攻关项目，基本解决岩石抗压强度小于 80MPa 的岩巷综合机械化掘进技术难题，并开发了重型掘进机及相关成套设备。但是由于受地质条件、截齿强度等因素的限制，目前部分断面悬臂式掘进机可经济截割煤岩最大抗压强度为 120 MPa。随着截割岩石硬度的增大，截齿磨损和元部件失效等问题日益突出，因此，为提高掘进机复杂环境下的截割性能，有必要对锥形截齿破岩机理、截齿磨损规律以及掘进机性能预测等方面展开深入研究。
1.1 截齿破岩理论
对于机械破碎岩石，不同破岩刀具的破岩机理也不同，另外，岩石材料具有非均质性和各向异性，刀具破碎岩石后形成的岩屑大小具有随机性，因此，建立合理的破岩机理模型，充分认识刀具破岩机理、破碎过程的物理现象及其力学特征一直是很难解决的问题。为分析采掘设备的截割性能，许多国内外学者对岩石破坏机理及作用在截齿上的载荷计算模型进行了大量研究，其中一些方法在工程实例和模拟计算中得到广泛应用。早在 1961 年，Evan[1]首个提出了关于煤的截割力学性能理论模型，分为锥形截齿截割力计算模型(见式(1-1))和凿形截齿截割力计算模型(见式(1-2))，并定义峰值切向力与峰值法向力的关系式(见式(1-3))，其扩展理论广泛用于采煤机、掘进机等挖掘设备的设计。从理论上证明了采用锥形齿或凿形截齿截割岩石的过程中，岩石的抗拉强度与抗压强度对截齿受力的影响占主导地位。
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1.2 国内外岩石截割试验装置的发展与应用
对采掘设备的截割性能预测有多种方法，如理论法、经验法、单齿截割岩石试验、整机截割人造岩壁试验和井下现场试验等[16]。由于岩体结构复杂多变，理论法和经验法的预测结果不准确；大部分试验测试仪器受作业环境、煤矿防爆等条件的限制，无法在井下现场试验使用，数据采集很有局限性；采用整机对人工岩壁进行地面试验的成本很高，少数企业和科研机构才有经济能力进行试验。然而，实验室岩石截割试验装置具有试验结果可靠、成本低及易操作等优势，因此该方法在采矿工程中得到了广泛使用。由NATO-TU项目资助和科罗拉多州矿业大学岩土力学研究所的技术支持，伊斯坦布尔技术大学的N. Bilgin等人设计制造了一台线性截割试验装置（简称LCM）[4]，如图1-1所示。该试验装置安装的刀具固定在龙门横梁上，液压缸推动岩石样品做往复移动，实现岩石的截割过程，最大推进力可达50 t。可容纳最大尺寸为0.7×0.7×1 m的岩石样品。数据采集系统包含8个独立通道，采样频率可调整到50 k Hz，用于记录截割过程中作用于截齿上相互垂直的三个分力。
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第二章 颗粒流离散元基本理论与细观参数标定
2.1 概述
颗粒流离散元方法基于分子动力学思想提出，它的基本构成单元为圆盘和圆球颗粒，利用墙单元作为边界约束。该方法从细观结构角度研究散体、粘结介质的力学特性，可用于解决颗粒间相互作用、大变形、断裂以及岩石工程中裂纹的产生与扩展等问题。与其它常用数值方法相比，Cundall[74]认为颗粒流离散元方法在描述岩石介质特性方面占有很大优势，主要表现为：它可以描述循环加载条件下的滞后效应及中间应力增大时介质特性的脆塑性转化；对介质基本特性随应力场的变化进行模拟；可描述介质的连续非线性应力-应变关系、屈服强度及应变软化或硬化过程；对介质材料的微裂缝形成过程及破裂时声能的扩散过程进行描述；可以反映出应力-应变路径引起的刚度和强度的各向异性问题，并描述强度包络线的非线性特性。 岩石颗粒体模型的宏观力学性质不能根据岩石样品的试验测试结果直接赋值，必须通过定义颗粒半径、接触特性等参数反复尝试，直到岩石颗粒体模型的宏观性质与试验测量的宏观性质相匹配。本章简要介绍颗粒流离散元方法的基本原理及其数学模型，通过大量的单轴抗压强度模拟试验和巴西劈裂模拟试验，对岩石颗粒体模型的宏观性质进行标定，并总结出宏观性质随细观参数的变化规律。
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2.2 PFC3D 基本理论
在颗粒体模型求解过程中，以力-位移定律和牛顿第二定律为基本理论，根据力-位移定律，使颗粒与颗粒之间、颗粒与墙体之间的接触力随时间步更新；根据牛顿第二定律，使颗粒与墙体的位置随时间步更新，并重新调整颗粒之间的接触关系，见图 2-1。两者循环进行，按时间步迭代并遍历整个颗粒体模型，直至模型内部应力达到平衡状态或发生断裂破坏无法保持稳定状态。颗粒与颗粒之间靠粘结键连结，可分为接触粘结和平行粘结两种类型。当施加于颗粒体上的作用力超过其粘结强度，则粘结发生断裂，视为材料失效。在程序运行过程中，颗粒具有移动和旋转两种运动形式，可自动分离并识别新的接触。PFC3D 的计算周期采用时间步算法，循环过程中，所有颗粒遵循运动定律，每个接触遵循力-位移定律，并不断更新墙体的位置。
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第三章 单齿旋转截割岩石的试验研究 ..... 33
3.1 概述 ...... 33
3.2 单齿旋转截割岩石试验装置 ........ 33
3.3 变切削深度与截齿间距下的岩石截割试验研究 ......... 38
3.4 截齿破岩机理分析 ....... 46
3.5 截齿磨损的试验研究 ........... 51
3.6 小结 ...... 61
第四章 单齿截割岩石的离散元模拟 ......... 65
4.1 概述 ...... 65
4.2 截齿齿尖形状对破岩效果的影响 ........ 65
4.3 截割模式对截齿载荷特性的影响 ........ 74
4.4 截齿间距对破岩效果的影响 ........ 80
4.5 截齿磨损的数值模拟研究 .... 85
4.6 小结 ...... 89
第五章 纵轴式掘进机截割性能评估 ......... 91
5.1 概述 ...... 91
5.2 螺旋线数对纵轴式截割头截割性能的影响 ......... 91
5.3 EBZ260W 掘进机人工岩壁截割试验 ........... 98
5.4 EBZ260W 掘进机现场试验 ........ 105
5.5 掘进机性能预测方法 ......... 107
5.6 瞬时截割率预测模型的建立 .......110
第五章 纵轴式掘进机截割性能评估
5.1 概述
掘进机广泛应用于巷道掘进工程中，其性能预测方法一直备受设计者、工程师及科研人员的关注。掘进机的性能预测一般包括设备选型、生产率预测及截齿消耗量评估三个方面。其中，瞬时截割率是单位时间内截割的煤岩量，它主要受以下几个因素的影响[107]：(a) 岩石性质，如岩石压缩强度、拉伸强度等；(b) 地质条件，如节理、层理、地下水等；(c) 掘进设备规格，包括截割头功率，机器重量，截割头类型，截齿类型，截齿排布及数量等；(d) 操作参数，如巷道形状及尺寸、斜坡及操作人员经验水平等。上述因素的综合作用决定了掘进设备在一定地质条件下的生产率。 许多学者通过预测瞬时截割率对掘进机性能进行评估，并进行了大量研究。由于井下环境恶劣，很难对截割头的截割功率进行测量，采用计算机程序进行截割模拟是一个稳定、易操作的方法，且通过模拟截割头的实时截割功率计算比能耗进而预测生产率的研究尚未出现。因此，本章提出一种新的生产率预测方法，即利用掘进机截割功率的模拟数据预测瞬时截割率。基于 N.Bilign 建立的单齿截割力数学模型，推导出在任意时刻作用在截割头的截割载荷。然后，由截割扭矩和截割功率之间的关系，建立瞬时截割率预测模型。结合 EBZ260W 纵轴式掘进机截割头的结构设计参数，采用 VB 语言编制模拟程序，可以模拟计算截割头不同工况下的截割功率数据，模拟结果的可靠性通过EBZ260W 纵轴式掘进机的实验室人工岩壁截割试验和现场试验进行验证。
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总结
系统分析了截齿破碎煤岩理论、用于岩石截割的数值模拟方法及国内外岩石截割试验装置的发展与应用，其中，对刀具破碎煤岩理论的适用范围、存在的不足之处进行详细论述；讨论不同数值模拟方法应用于岩石截割方面的研究现状，其中颗粒流离散元方法具有非常突出的优势；针对目前现有煤岩截割试验装置的结构特点、刀具运动形式、截割能力及相关研究成果等进行综述，对比发现，旋转截割试验装置更加逼近真实工况。采用理论分析、试验测定和数值模拟相结合的可行性研究方案，对破岩机理、截齿磨损特性、岩石颗粒体-刀具模型的模拟截割试验及掘进机性能预测等方面展开深入探讨。 对颗粒流离散元方法的基本理论、宏观力学特性与颗粒细观参数之间的关系及细观参数标定的一般步骤进行阐述。根据实验室测定的岩石物理力学性质参数，对颗粒体样品进行单轴抗压强度和巴西劈裂强度模拟试验，经过不断尝试，最终得到的颗粒体宏观力学特性与试验测定结果相吻合，且颗粒体样品失效后的裂纹分布与实验室试件失效形成的裂纹一致。另外，总结宏观性质随 kn/ks 的变化规律，为快速获得与实际测量值相匹配的结果提供必要的参考。 合理设计试验方案，利用单齿旋转截割试验平台开展大量试验研究。首先，在不同截齿间距和切削深度条件下进行截割试验，分析截齿间距和切削深度之比(s/d)对比能耗、截割载荷及粗糙度指数的影响，确定该类型砂岩的最佳 s/d 为 3～4。试验结果表明，当切削深度一定时，随截齿间距增大，截割载荷先增大后趋于平稳，一个从过切、裂纹连通到裂纹不连通转变的过程可利用其载荷特征进行描述；统计每组岩屑的质量和尺寸分布数据，计算粗糙度指数，分析结果显示比能耗与粗糙度指数之间呈反比例指数关系，且具有很好的相关性.
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参考文献(略)
优秀机械论文范文精选篇七
第一章 绪论
1.1 选题背景与来源
选题来源于山西省攻关项目“煤泥浮选过程的参数优化与智能控制技术研究”（20120321004—03）。 洗煤是将原煤中所含的杂质剔除，或者是分门别类出优质煤和劣质煤的一种工业工艺。目前煤炭洗选的工艺和方法有很多种，如跳汰选煤、重力选煤、浮游选煤、特殊选煤等。其中浮游选矿又称浮选，是依据原料表面物理化学性质的差异而实现分选的过程，是应用在细粒和极细粒煤分选中最有效的选煤方法之一。 浮选的实质是根据矿粒的亲水性质的不同进行物质分离的。以煤炭浮选为例，图1-1是目前选煤厂应用最多的浮选机结构，浮选机的工作原理如图1-2所示，即在煤泥水中引入空气，并在叶轮搅拌器的作用下使煤浆与空气充分混合，煤浆中的精煤因其疏水的性质粘附到气泡上并上浮到煤浆表面，然后被刮泡器刮出，而亲水的尾煤等杂质则被留在水中从尾矿口排出，这样实现煤粒与矸石等分离。显然，上述煤泥浮选过程是一个气-液-固（颗粒）相互耦合的过程，研究其耦合机理，探索它们之间相互作用的规律，对我们进行浮选过程工艺参数的优化具有重要的意义。因此，本课题是由此引出的一个具有跨学科性质的基础性研究工作，目的是研究气-液-固三相流中各相间的耦合关系，探明基于气-液-颗粒耦合的颗粒-颗粒和颗粒-气泡的相互作用机理，以为后续煤炭浮选过程工艺参数优化和过程控制奠定基础。
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1.2 课题的研究现状
多年来学者们围绕浮选机理中这两个问题进行了不断探索，取得了很多成果，但是都有不足之处。其中，疏水颗粒-疏水颗粒间的引力被认为是非极性分子在水环境中具有避开水而相互聚集的倾向[1]。这些非极性分子使周围水分子的排列顺序发生变化，因此熵发生了变化，熵的变化引起了自由能的变化，导致它们相互吸引的原动力来自于自由能的变化[2, 3]。但是，基于该机理计算所得的颗粒-颗粒间引力的距离非常的短（只有几个 ?[4, 5]），而实际用原子力显微镜（AFM）[6-16] 或表面力仪（SAF）[17-19] 测得的颗粒-颗粒间引力的距离远大于这个值。也就是说用“水分子排列顺序变化的理论”解释颗粒-颗粒间引力还有不足之处。疏水颗粒-气泡间的引力根源则一直被认为是静电力作用的结果[20]，即颗粒表面和气泡表面分别带有极性相反的电荷。但是，一直没有一个确切的实验或理论可以证明凡是疏水颗粒所带的静电就一定与气泡所带静电的极性相反。 因此，关于疏水颗粒与疏水颗粒间的引力和疏水颗粒与气泡之间引力的机理研究一直没有太大的进展。 最近，凝聚态物理学界发现溶解在水中的气体会吸附在疏水性界面形成纳米气泡。这一发现给解释颗粒与颗粒、颗粒与气泡间相互吸引的机理带来了新思路。许多学者开始根据这一现象来研究疏水引力，并且推测长距离疏水引力是由吸附在疏水表面的气体彼此连结所形成纳米气泡桥(NB，Nanobubble Bridge)引发的[6-19, 21-26]。
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第二章 基于分子动力学模拟气-液-颗粒耦合的方法研究
本章的主要任务是解决如何能准确模拟出研究对象的各相特征与参数。为此我们做了如下工作。第一，研究分子动力学模拟的原理并对比当下流行的分子动力学模拟软件，选出适用于该课题的分子动力学模拟软件，并研究软件的计算流程；第二，深入研究该软件对初始文件的格式要求，设计模拟气体吸附的初始模型并编写初始的坐标文件；第三，按照软件格式要求设计编写模拟气体吸附的分子拓扑文件（.top 文件）；第四，研究力场参数并设计适应于氮气、石墨和水分子的力场参数；第五，设计模拟气体吸附的模拟步骤，并选择能量最小化的算法、优化组合温度耦合和压力耦合算法；第六，设计模拟吸附气体在疏水引力中作用的步骤；第七，研究边界条件的设置与群组设置；第八，对计算各相粒子间受力的算法进行研究，对计算各相粒子运动的算法进行研究，为运行参数文件（.mdp 文件）的编写奠定基础；第九，介绍模拟所用到的两个技巧；第十，研究后处理方法与程序，其中包括：群组的生成、轨迹的查看、常用属性的分析和氢键分析方法。
2.1 分子动力学模拟原理介绍和模拟软件选择
分子动力学模拟是一套分子模拟方法，该方法主要是依靠牛顿力学来模拟分子体系的受力和运动。从由分子体系的不同状态构成的系综中抽取样本来计算体系的构型积分，并以构型积分的结果为基础进一步计算体系的热力学量和其他宏观性质[82, 83]，是时下最广泛使用的计算庞大复杂体系的方法。由于分子力学的发展，人们又建立了许多适用于生化分子体系、聚合物、金属与非金属材料的力场。分子动力学模拟就是应用这些力场根据牛顿运动学原理发展的计算方法。此方法的优点在于精确性高，可同时获得系统的动态与热力学统计资料。分子动力学模拟的计算技巧经过许多改进己日趋成熟，由于其计算能力强，能满足各类问题的需求，而且分子力学的发展提供了可靠的力场资源，现在分子动力学模拟己经成为使用最为广泛的模拟方法之一。但是，分子动力学模拟自身也存在一定的限制。分子动力学模拟只能研究系统短时间范围内的运动，而无法模拟一些时间较长(时间在微秒量级)的运动问题，这是由分子动力学模拟的计算方法和力场参数准确性共同决定的。
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2.2 模拟气体-颗粒表面耦合的坐标文件设计
根据表 2-1 所示的前处理过程可知，在运行开始前所有粒子的坐标必须是已知的，这些数据被编制在一个后缀为 gro 的文件中，它包括所有粒子的坐标。另外所有粒子的初始速度也要是已知的，因为蛙跳算法在更新每一个时间步长 Δt 的数据时，需要计算t=t0+(1/2)Δt 时刻的速度。如果初始模型没有给出各个原子的初始速度，程序会按照系统给定的温度 T 自动生成符合玻尔兹曼正态分布gen-pair 用来定义是否生成原子对。默认设置为“no”，即从 pairtypes 列表中获得1-4 参数。当参数不在列表中时，会停止运算并报错。设置为“yes”时，当 1-4 参数不在列表中时，用 fudge LJ 从 Lennard-Jones 参数中生成 1-4 参数。本例中设为“yes”所以无需列出。
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第三章 溶解在水中气体与颗粒表面耦合规律研究 ....... 47
3.1 模拟模型和模拟算法 ........ 48
3.1.1 模拟模型 .......... 48
3.1.2 模拟方法 .......... 51
3.2 模拟结果的分析方法 ........ 53
3.3 结果与讨论 .......... 55
3.4 本章小结 ....... 67
第四章 气体在石墨表面的吸附对其接触角的影响 ....... 69
4.1 初始模型 ....... 69
4.2 模拟方法和分析方法 ........ 70
4.3 结果与讨论 .......... 72
4.4 本章小结 ....... 73
第五章 基于气体吸附的颗粒-颗粒耦合研究.... 75
5.1 模拟方法 ....... 75
5.2 初始模型与模拟步骤 ........ 76
5.2.1 模拟模型 ......... 76
5.2.2 模拟步骤 ......... 77
5.3 结果与讨论 .......... 78
5.3.1 没有气体溶解的情况 .... 78
5.3.2 有气体溶解的情况 ........ 81
5.4 本章小结 ....... 84
第七章 浮选机理在煤炭浮选中的应用
本文的目的是为了用浮选机理来解释浮选中的各种现象，并为工艺参数优化提供依据。为此，我们尝试着用浮选机理去解释浮选中的各种现象，发现都很吻合。
7.1 煤炭浮选的机理
为了解释煤炭浮选过程中的现象，首先根据前面建立的浮选原理来建立煤炭浮选的机理。煤炭颗粒的模型如图 7-1 所示，矿石团分布在连续的煤素质中，其中矿石团为亲水性的，煤素质为疏水性。煤炭颗粒被浸入水中，有些裸露在煤炭颗粒表面的可溶矿石团就会被水洗除，裸露在颗粒表面的就剩下亲水性的不溶矿石和疏水性的煤素体。其中疏水性部分就会吸附溶解在水中的气体形成气层覆盖，如图 7-2 所示。煤炭颗粒浮选过程为：首先，液体的湍动能让颗粒与气泡相互靠近如图7-3A所示；然后颗粒上所吸附的气层与气泡的气体连通，如图7-3B所示，此时将气泡和煤炭颗粒看作一个系统，按照系统能量最低原则，气液界面表面积越小则能量越低，因此系统中会产生引力，促使纳米气层和气泡融合，以至于最后气泡把煤炭颗粒“吞入”，当外力与吸引力平衡时，颗粒与气泡完成吸附，如图7-3C。 添加化学药剂对气体吸附有影响。以醇类为例，当乙醇或者n醇与疏水性界面接触时，相比于水更加容易浸润表面。Ishida等人证实乙醇会让纳米气泡的表面覆盖率减少7%-10%，而n醇可以让纳米气泡几乎消失[17] ，因此醇类药剂对气体吸附和积聚有抑制作用，对浮选有不利影响，但是它作为起泡剂能降低表面张力促进普通气泡的形成，所以其在浮选中是一把双刃剑；而捕收剂，以煤油为例，其作用是增强颗粒表面的疏水性，它可以促使气体吸附和积聚的形成，对浮选有积极影响。为了充分发挥起泡剂的积极作用避其不利作用，所以要先加捕收剂，后加起泡剂，并且要保证起泡剂（仲辛醇为例）既能有效促进一般气泡形成，又不至于大量破坏纳米气泡桥，因此，捕收剂和起泡剂会有一个优化比例。
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总结
该课题是由对于浮选工艺智能控制引出的关于浮选机理的研究，是跨学科基础理论研究，目的是深入研究气体在疏水表面的吸附和积聚规律，并通过研究颗粒-颗粒和颗粒-气泡间的耦合作用，最终形成了基于气-液-颗粒耦合的浮选机理。并对机理的适用性进行了初探。现将该课题研究取得的主要结论列举如下：
1) 溶解在水中的气体在疏水表面的吸附过程为：首先，水与疏水性表面接触时会出现疏松层。进而，溶解在水中的气体进入疏松层吸附在固体表面形成富气层。之后，富气层内的气体发生积聚形成有弧度的纳米气泡，其弧度不断增加至平衡。
2) 溶解在水中的气体在两种机制共同作用下实现在疏水表面的稳定吸附。第一种机制是在纳米气泡上覆盖着一个高粘度的气液耦合层，它抑制了纳米气泡的扩散；第二，气泡向外扩散的气体流和气泡向内积聚的气体流相互平衡，即 Brenner-Lohse 动态平衡。
3) 疏水表面因为吸附了气体而使水对表面的接触角增大，在吸附气体的厚度不超过两个气体分子厚度时吸附量越大接触角越大，但是超过约两个气体分子厚度时接触角将不再变化。
4) 疏水表面间引力的根源是纳米气泡桥力，纳米气泡桥的形成过程为：首先气体吸附在疏水表面上，当疏水表面的距离接近到一定程度时，吸附在疏水表面的气体相互联通形成纳米气泡桥。
5) 疏水表面与气泡间引力的根源也是纳米气泡桥力，纳米气泡桥的形成过程为：首先气体吸附在疏水表面上，当疏水表面与气泡间的距离近到一定程度，吸附在疏水表面的气体与气泡内的气体相互联通形成纳米气泡桥。
6) 泡沫浮选中颗粒-颗粒和颗粒-气泡间的相互作用机理为：(1)疏水颗粒间产生粘结是因为疏水颗粒表面吸附了气体，当颗粒间距小到一定程度时，吸附在其表面上的气体会彼此联通形成纳米气泡桥，使它们彼此粘结；(2)疏水颗粒会吸附在气泡上是因为吸附在疏水颗粒上的气体与气泡内的气体相互联通形成纳米气泡桥，使疏水颗粒吸附在气泡上。
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参考文献(略)
优秀机械论文范文精选篇八
1 绪论
1.1 课题研背景、目的和意义
我国粮食的收获机械化程度不断提高，随之产生的粮食中的杂质（特别是秸秆段）增加严重，粮食收获后没有有效配套的清理技术及设备，造成商品粮的含杂率大幅度上升，杂质中充填有大量的秸秆和糠皮，在储存过程中极容易发热，发生虫害、霉变、污染，直接造成粮食损失甚至达到 6%左右，对下游的粮食加工带来了很大的影响，严重影响了加工产品的质量，增加了加工企业的成本。 我国粮食种植采用的是一家一户或一定规模的土地承包种植模式，虽然在收获粮食时大部分都采用了机械化收割，但是粮食的收获及产后处理也是采用传统的一家一户形式，基本无连续的产后清理，只是通过机械收获后，将粮食搬运至家中各自晾晒后直接出售或自己保存，在晾晒过程中可能会采用人工方式进行简单粗糙的杂质清理，且劳动强度大，无规范、无要求、无标准，随意性大，甚至没有进行基本清理的原粮直接出售，以致粮食中出现大量杂质，特别是大杂（秸秆等）直接进入到粮库和粮食加工企业，而机械收获时产生的秸秆段数量多，不仅严重影响粮食的存储，而且很容易产生粮食发热变质，其现象相当普遍，造成粮食损失，甚至对加工出来产品的质量造成一定的影响，同时粮库及部分加工企业收购时进行的简单出清理产生的杂质，又存在运输的问题，造成无谓的运进运出循环浪费。 受粮食种植模式的制约，我国在粮食收获后田间地头的及时清理技术的研究处于空白，既无粮食产后清理技术的研究也无专用的粮食产后的清理装备。由于收获后的原粮中存在较多杂质（特别是秸秆段），粮食加工过程中需要采用中复杂的清理技术和设备进行清理，清理成本加大的同时又得考虑大量清理出的杂质的处理问题。所以，无粮食产后清理技术及装备、不仅会使粮食中的杂质含量增高，也造成杂质循环重复运输的浪费，更使粮食储存发热霉变可能性增大。
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1.2 国内外目前研究发展现状
自上世纪 70 年代以来，人们开始使用有限元分析法对多种振动机械作了动态特性和静强度的计算分析，积累了较多的经验。其中马富强等人利用有限元程序对大型振动筛进行了振动计算和结构的优化设计，通过对筛箱结构进行大修改，并结合有限元分析软件，研究发现仅通过将装于侧板上的护板做成整体这一局部的变化，即可将第二阶固有频率(16.11Hz)提高到（20Hz）左右。此时对筛箱结构的动应力集中问题得到了很好的改善，并对结构进行了优化。河南洛阳矿山机械研究所的高级工程师刘恋华对于对具有自同步激振器的振动筛的运动作了分析；用有限元结构分析程序计算分析了大型振动筛的筛框强度。研究得到对于直线振动筛，振动方向角受弹簧的垂直、水平方向刚度的影响，设计时应该考虑；对于处于振动状态下的机体，一定要加强整体的刚性，使筛框(不包括弹簧)的一阶固有频率偏离筛分机的工作频率，以免产生共振现象。王志伟、孟玲琴通过对直线振动筛的结构进行振动模态分析，得到了筛分机系统的各阶固有频率和振型图；即通过对系统频率和振型的研究，可更准确的预测筛箱上容易发生破坏的薄弱环节，进而为结构设计提供了依据，有利于提高振动筛分机的使用寿命与可靠性。 2008 年宫美英在大型振动筛系统与结构的动力学研究中介绍了建立振动系统微分方程的基本方法，结合拉格朗日法的原理与方法建立了大型直线振动筛振动系统的数学模型，并结合有限元仿真软件对振动筛进行了运动学和系统动力学分析，给出了该机械系统的固有频率以及运动轨迹方程的表达式。
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2 振动清理筛的动力学分析
本章将以 TQLZ100×200 振动清理筛为研究对象，基于拉格朗日能量原理，结合振动清理筛正常工作下的激励、约束条件为边界条件，建立 TQLZ100?200 的高效振动清理筛的力学模型与运动微分方程，并对微分方程进行数值求解，以探究系统支撑弹簧材料以及橡胶弹簧理论模型的选取。为后续对振动清理筛的分析提供基础。
2.1 振动清理筛的结构组成
振动清理筛的筛体是由钢板焊接及螺栓连接组成的，筛体与支撑机架之间的连接是通过中空的橡胶弹簧支架来实现的。抽屉式的两层筛格通过导轨支撑、冲孔薄钢板筛面内置于木质筛格上，筛面上通过设有橡皮球实现筛面的清理。筛体倾角的可调范围为??21~0 。由压紧机构将筛格锁紧固定，在更换筛面时需松开压紧机构，然后将筛格抽出。TQLZ100×200 型振动清理筛采用两个完全相同的振动电机来提供驱力，振动电机是由四只螺栓固定于安装圆盘上，他们分别对称地固定安装在筛体两侧的电机底座上，并且两个振动电机的轴心连线通过筛体的质心。振动角的调节是通过松开固定电机底座的螺栓，然后电机可以连同底座一起绕其中心轴旋转，从而改变电机的安装角度来实现的。一般振动角在 45~0?? 范围内可调。两个可以旋转的偏重分别安装在振动电机转轴的两端，通过振动电机带动偏重旋转，产生离心力，进而驱动振动筛体工作。
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2.2 振动筛的工作原理
TQLZ100×200 型振动清理筛最突出的特点是，运用连接在支撑架之上的四组橡胶弹簧来支撑筛体，其驱动力则是通过采用两个振动电机的振动来实现的。两个振动电机同时开始运转，并且旋转的方向相反时，二者所提供的激振力，在与电机的轴线相平行的方向上抵消，而在与电机的轴线相垂直的方向上进行叠加，从而使筛体在这一简谐力的作用下做往复直线振动? ?26。而且两个电机在安装时，其轴线和筛面存有一定的倾斜角度，从而使物料在其自身重力以及激振力的共同作用下，在筛面上弹跳式地不断向前运动，并近似为直线轨迹运动，从而使物料达到自动分级。 振动清理筛的筛分工作主要是通过筛箱来实现的。振动清理筛在工作的过程中，物料最先由进料口偏心锥形管通过软布套筒进入到进料箱，再经过可调匀料闸门和分料板，可以在筛宽方向上均匀的分布，进而进入筛格，在激振力的作用下，筛箱按照一定的运动轨迹进行振动，从而迫使物料在其振动过程中不断的向前运动。在此过程中，物料是通过筛格实现分层的，也就是颗粒直径比筛孔大的大、中型杂质物料，就会在第一层筛面清理后，从筛体尾端侧面的大杂出料口排出。筛分过程分为两个阶段，第一阶段，比筛孔尺寸小的筛分物穿过物料层到达第二层筛面继续进行筛理；其中第二层筛面是除小杂的筛面，筛孔的尺寸小于筛分物的直径尺寸。第二阶段，细颗粒通过筛孔直接落入底板上，并由小杂出进口排出。而筛上物是物料主流，从卸料口送出机外，这样就形成了一个完整的筛分过程。
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3 振动清理筛的振动特性仿真与研究 ..... 19
3.1 仿真模型的建立 ...... 19
3.2 改变弹簧刚度振动清理筛的运动仿真 ..... 21
3.3 改变弹簧支撑在竖直方向上的位置振动清理筛的运动仿真 .... 24
3.4 本章小结 .... 26
4 振动清理筛的模态分析与谐响应分析 ........ 27
4.1 振动清理筛的模态分析 ........ 27
4.2 振动筛筛箱的谐响应分析 .... 39
4.3 本章小结 .... 48
5 振动清理筛的振动测试 .... 49
5.1 振动测试理论 .......... 49
5.2 振动试验及结果分析 ..... 51
5.2.1 试验设备 ....... 51
5.2.2 试验步骤 ....... 52
5.3 测试结果 .... 53
5.4 本章小结 .... 63
5 振动清理筛的振动测试
本章结合 SO Analyzer 数据采集与分析系统对 TQLZ 200100? 振动清理筛进行现场振动测试，了解振动清理筛的实际振动中的时域特性与频谱特性，并将分析结果与第四章中的有限元分析仿真的结果进行比较。验证有限元动力分析的合理性。
5.1 振动测试理论
振动测试的一个重要应用就是要获得结构的模态参数。模态试验不仅可以获得一组可靠的模态参数，而且可以获得结构的阻尼和刚度等重要数据。振动测试的另一个重要应用使对机械设备进行在线检测和故障诊断，利用振动测试对重大设备进行在线的、实时的状态检测或故障诊断，以便提前发现故障隐患，增加机械设备运转的可靠性和提高设备的利用率，并减少停机时间和降低维修费用。基于振动测试的在线检测和故障诊断技术还可以用于控制工厂产品质量，杜绝不合格产品出厂。 振动问题由脉动(输入)、振动结构(系统)和响应(输出)三部分组成。试验模态分析的主要内容包括:首先，通过试验测得脉动激励和响应的时问历程，运用数字信号处理技术求得频响函数或脉冲响应函数；其次，运用参数识别方法，求得系统的模态参数；最后，确定系统的物理参数。因此，试验模态分析是综合运用线性振动理论、动态测试技术、数字信号处理技术和参数识别等手段，进行系统识别的过程。 结构的试验模态分析首先要测量频响函数，然后用模态分析软件对频响函数进行分析，识别出结构的模态参数。频率响应函数是线性动力系统的固有特性，与激振函数的类型无关。
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结论
本课题是河南省重大科技专项“粮食产后清理技术与关键装备的集成研究及示范”（项目编号：121199110120）的基础上，根据 TQLZ100-200 振动清理筛的具体特征，利用能量原理建立了系统的动力学模型，并结合仿真软件对其进行了运动学分析；运用有限元理论，以有限元分析软件 Ansys workbench 为主要工具，对振动筛筛箱进行了结构动力学研究，并结合实验对其进行振动测试。
（1）利用朗格朗日方程建立了 TQLZ100-200 振动清理筛的运动微分方程，采用数值方法对微分方程进行了求解分析，并推导出了其相关的理论参数。
（2）在三维建模的基础上，结合运动学分析软件 ADAMS，对 TQLZ100-200 振动清理筛的原始模型进行了运动学仿真研究，得出了振动清理筛在各个方向的运动振幅。并通过改变弹簧刚度参数、弹簧支座在竖直方向上的位置，对新模型进行了运动学的仿真研究，得出在一定的取值范围内通过改变弹簧刚度参数，或者小幅度的调整弹簧支座在竖直方向上的位置不会改变新模型的运动幅值。
（3）运用有限元分析软件 ANSYS Workbench，分别对原始模型与新模型进行了模态分析、谐响应分析得出了振动清理筛的前 10 阶模态、应力分布云图。并通过调节弹簧支撑在竖直方向不同位置的每个模型的有限元分析结果进行了分析对比，发现改进后振动筛筛箱的固有频率值及相应振型与改进前的差别很小，不会发生共振的现象，且其结构的刚度以及强度均能够满足实际要求，同时也为结构的设计改进提供了依据。
（4）通过 SO Analyzer 数据采集与分析系统对 TQLZ 200100? 振动清理筛进行现场振动测试，所得各测试点的振动频率的值都比较接近，并与第四章有限元仿真分析的结果相一致，从而验证了仿真分析的正确性。
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参考文献(略)
优秀机械论文范文精选篇九
第一章 绪论
1.1 课题研究的背景
随着全球人口的急剧增加和世界经济的迅猛发展，能源供应不足问题逐渐凸显。石油和天然气的价格居高不下，引起各国对煤炭的需求不断增长，我国煤炭年开采量居世界首位，同时也是煤炭消耗大国。年均消耗量占世界的 1/3 之多。近些年，虽然其他能源如天然气，水力等的消费比重有了很大提高，但煤炭以将近 55%—65%的比重仍然在我国能源消费结构中占据着主导地位。煤炭行业稳健的发展对我国的能源供给意义重大，有利于我国国民经济的可持续发展。为了降低煤炭生产成本，提高生产效率，保障矿下生产安全，必须改进生产技术、摆脱传统的生产方式，实现掘进综掘化、采煤综采化、运输机械化、监测自动化。悬臂式掘进机的主要功能是用来截割、装载运输、自行走及喷雾除尘，它被广泛的应用于公路、铁路的隧道施工和煤矿巷道的机械化掘进领域。其结构如图 1-1 所示。截割部又称工作机构，主要由驱动电机、减速器、切割臂、截割头等部分组成[1]。其中，截割头是参与破碎煤壁的构件。其作用主要是用来脱落煤，工作时 70%-80%的功率都消耗在截割头上[2]。截割头截割性能对整机的工作效率、负载、截割块煤率、工作现场粉尘量的大小、工作平稳性、可靠性及使用寿命都有直接的影响，反映了掘进机的综合能力，因此，世界各国学者都以提高截割头截割性能为目标对掘进机截割开展了大量研究与改进工作。
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1.2 课题研究的目的和意义
悬臂式纵轴掘进机是目前机械化掘煤的关键设备，在煤矿开采中扮演不可替代的作用。截割头是掘进机的核心部件，截割煤效率的高低取决于截割头。截割头的结构比较复杂，结构参数很多，同时彼此之间互相影响、制约着截割头的性能，在设计截割头时，要综合考虑结构参数，对它们选取的好坏会对掘进机的截割性能有着重要影响，工作性能与掘进机的效率、稳定状况和截割煤炭的经济效益关系密切，反映着整机的综合性能。讨论、分析截割头运动参数为优化截割头结构、研究截割头动力学和探讨掘进机较好截割状态作下了铺垫。截割头的运动参数包括转速、横切速度和钻进速度。截割部横切煤时，截割头一边绕自己的轴线旋转，一边随着悬臂摆动；截割部钻进煤时，截割头一边绕自己的轴线旋转，一边随着履带推进。截割头的载荷大小、波动和截割比能耗与运动参数有着密切的联系，在截割过程中，截割头的载荷规律会影响、制约着掘进机的生产效率和使用寿命，要想使掘进机处在较理想的截割状态和取得较好的截割性能，就要深入分析研究截割头运动参数对掘进机性能的影响，为了获得匹配合理的运动参数。本课题首先运用三维设计软件建立了掘进机截割头和煤壁三维模型并按实际采煤工况装配好，然后将其导入显式动力学分析软件 LS-DYNA 中进行了截割煤壁的动力学仿真，形象直观的得到了仿真的整个动态过程。在后处理软件 LS-PREPOST 中提取了各个截齿及截割头的载荷曲线，并对载荷数值进行统计，对截割头各个结构参数和运动参数进行了讨论，同时搭建了截割头截割煤壁试验台，获取了对应运动参数下的比能耗。最后结合前文的理论分析，利用遗传算法，探索截割头运动参数之间的合理匹配关系，本文将理论、仿真与试验三者紧密结合起来，相互印证，为截割头运动参数选取、结构设计和掘进机截割操作提供参考价值。
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第二章 煤的性质及煤截割力学基础
2.1 引言
在煤矿下掘进巷道时，煤是掘进机的切割对象，对掘进机截割头受力、崩落煤块度大小、比能耗、工作效率、整机寿命等均有直接的影响。截割头在破碎煤时，绝大多数功率都消耗在煤的剥落过程中。因此，需要了解煤的结构特点、物理机械性质以提高掘进机的综合性能。同时，为研究煤的截割破碎机理，探索掘进机截割头截割过程的合理结构参数、运动参数，以提高掘进机工作的可靠性、稳定性，需要对截齿的破煤机理、截割头及其各截齿的力学特性进行研究。
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2.2 煤的结构特性
煤是亿万年前大量植物埋在地下慢慢形成的。煤在这个过程中形成了自己两个显著的特征，即层理和节理，以致煤各个方位的性质不相同且各处质地不均匀，煤的结构特点概括为以下两个：（1）原生性构造煤形成时的条件造成了这个特征，如形成煤的大自然的环境、植物种类等。学者们大多用节理、层理和非均质等描述煤的这个特点[38]。（2）次生性构造地质动力和地壳运动造成了这个特征，一般用裂隙和断裂来描述[38]。煤的结构非常复杂，含有各种成分。很多情况下，在煤层里夹杂着比煤强度高得多的岩石夹层，即夹矸，夹矸含有炭质、粘土质、粉砂岩等。通常情况下，煤的脆性比较明显，掘进机截割头在截割煤壁过程中，煤的破坏形式大多表现脆性破坏。而且脆性越明显的煤越容易破碎，切割时所需要的能量就越少。相反，弹塑性比较明显的煤越不容易破碎，切割时所需要的能量就比较多。（5）煤的摩擦腐蚀性掘进机在截割煤壁的过程中，截齿总是会受到摩擦阻力的作用，摩擦阻力会消耗截齿的许多有用功，同时其表面受到不同程度的磨损，增加截齿截割阻力，使截齿表面发热，掘进机截割头截齿与煤体间的摩擦系数μ不仅和镐形截齿的材料有关，而且与截割头截割速度和截齿对煤壁的压力有关。
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第三章 基于 LS-DYNA 截割头截割煤壁数值模拟........ 19
3.1 引言..... 19
3.2 LS-DYNA 简介........19
3.3 LS-DYNA 算法特点...... 19
3.4 LS-NYDA 分析的一般流程........24
3.5 掘进机截割头截割煤壁数值模拟....24
3.6 本章小结....33
第四章 掘进机截割头结构参数的研究........35
4.1 引言..... 35
4.2 截齿角度对截割性能的影响.....35
4.3 截线距对截割性能的影响......... 41
4.4 切削厚度对截割性能的影响.....45
4.5 本章小结.....46
第五章 掘进机截割头运动参数的研究........49
5.1 引言..... 49
5.2 转速对截割性能的影响.......49
5.3 横切速度和钻进速度对截割性能的影响.....56
5.4 本章小结....62
第七章 遗传算法在截割头运动参数优化设计中的应用
7.1 引言
横截工况中的运动参数，即横切速度和转速，与截割头单位时间产煤量、载荷波动和截割阻力所消耗的有用功大小联系密切。由前面章节讨论得出，横切速度越大，崩落煤块的体积便增大、比能耗呈现递减趋势，截割头受力呈现递增趋势，导致提高截割功率；转速越大，截割头受力呈现递减趋势，但使截割现场粉尘浓度提高。鉴于横截工况中运动参数与截割头工作性能之间的繁杂关系，本课题利用遗传算法（GeneticAlgorithm）来对横切速度和转速进行优化，探索两者之间的最佳组合关系，从而取得较好的截割性能。遗传算法是一种根据自然界生物进化过程开发出来的求解最优解的优化算法，其模拟基因重组与生物进化的自然过程，将要求解问题的变量用二进制码或十进制码即基因加以处理，多个基因交配为一个染色体（个体），多个个体通过自然选择、配对交叉和变异，经过若干次迭代直到获得最优解[66]。选择又称复制，是在种群中挑选生存能力优越的个体形成新的种群的现象。遗传算法通过选择算子来选择去除种群中的个体。选择运算的作用是防止遗漏较好的个体，增加群体收敛能力和运算速度。选择算子选择的优劣，关联到求解结果的精确度。交叉又称重组，是指把两个彼此结合的个体通过一定的办法互换它们的某些编码，以致产生两个新的生命。交叉运算是遗传算法独有的性质，新生命大多数都是依靠这种途径诞生。变异，是指把染色体里的若干基因座的编码取代为这些基因座的剩余等位编码，以致产生一个新的生命。变异运算是形成新生命的协助手段，通过变异算子和交叉算子彼此协调起来，才能实现对解空间的局部和全局搜索。
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结论
（1）发现截割头所受的三向阻力周期变化，这和截割头上截齿的布置方式存在联系；同时由受力图表明，由于截齿在截割煤壁过程中煤壁的崩落效应及截齿工作的不连续，因此截割头所受到的载荷是随机波动变化的。
（2）当截齿切削角为 45°时，截齿截割阻力的均值和最大值取得最小，截齿所受的截割阻力曲线波动最为平稳，取值最为均衡，同时煤壁所受到的等效应力最值最小。当截齿倾斜角为 15°时，截齿所受切削力和侧向力较 5°、10°、20°小，此时截齿单侧磨损现象较轻，提高了截齿、齿座等的寿命，改善了截齿的截割性能。
（3）当切削厚度一定时，截线距越大，截齿的截割阻力、扭矩、比能耗均呈现递增趋势，存在一个最佳截线距使得截齿截割时能够充分利用煤壁崩落效应，截割效率较高，同时比能耗较小。当截线距一定时，切削厚度越大，截割力和力距呈现递增趋势，提高了崩落煤块的体积，降低了截割现场的粉尘浓度，但是切削厚度过大会导致截齿及齿座加速磨损甚至损坏，引起机身剧烈振动，导致截割头对煤不能进行顺畅破碎。
（4）截割仿真截割头载荷统计值表明，当横切速度或钻进速度一定时，转速越大，比能耗呈现递增趋势；但是截割头上的截割力及扭矩呈现递减趋势。当截割头转速一定时，横切速度或钻进速度越大，截割头上的截割力及扭矩平均值呈现递增趋势；但是比能耗呈现递减趋势。
（5）截割试验数据表明，转速越高，截割头所受三向阻力和负载扭矩呈现递减趋势，比能耗和转速形成指数形式增长曲线；横切速度越高，截割头所受三向阻力和负载扭矩呈现递增趋势，而比能耗与横切速度构成双曲线减小趋势，同时，这与有限元软件LS-DYNA 仿真所得的结论是一致的。
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参考文献(略)
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第一章 绪论
1.1 课题研究背景和意义
受益于我国制造业产业升级的不断推进，我国伺服系统产业出现巨大的市场。随着数控机床、包装机械、电子专用设备等行业继续保持较好发展以及伺服技术的日益成熟，新兴行业如新能源行业中的风电产业伺服技术的应用也使得我国伺服市场快速发展。2011 年，我国交流伺服系统市场同比增长 16.3%，市场规模达到 45.5 亿元，并且仍保持着每年 20%左右的增长速度，预计至 2015 年我国伺服系统行业市场规模有望突破 110 亿元。近年来我国本土伺服企业得到较快的发展，但是目前我国伺服市场 80%左右的市场份额仍然被国外品牌占领着。在目前主流产品交流伺服系统市场中，日系品牌占据了高达 43%的市场份额，其产品特点具有良好的性能价格比和较高的可靠性。欧美品牌在高端设备和生产线上有比较有竞争力，产品特点是技术先进、功能齐全，市场占有率在 30%左右。另外，以东元和台达为代表的台系伺服也占据了较高的市场份额，其产品主打性价比优势[1]。国产伺服起步较晚，目前在产品性能上与国际先进水平存在着一定的差距，随着伺服系统的市场需求扩张，极需提升国产伺服系统性能以提升国产伺服的竞争力。直线伺服系统是直接驱动进给的伺服系统，在工业机器人、数控机床以及各种需要直线运动的机械装置中都有较广泛的应用。在以数控机床为代表的直线伺服系统应用中，由于运动行程较短，要求瞬间达到高速状态并且在达到给定位置时瞬间准确停止以保证加工的精度，这就要求直线伺服系统具有高刚度、宽的调整范围、高的动态特性以及定位精确等优点[2]。在影响伺服系统性能的诸多因素中，系统刚度不足会造成运动过程中由于位置突变所导致的谐振现象。在直线伺服系统中，控制系统以及机械柔顺性所导致的系统刚度不足制约着系统性能的提升，为了减小系统刚度不足造成的谐振现象对系统性能的影响，一方面可以通过采用更高性能的直线电机以增加系统刚度，另一方面通过设计合理的控制系统来补偿系统位置偏差。因此，需要针对伺服系统谐振进行分析和抑制研究以提升伺服系统的性能。
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1.2 国内外研究现状和发展趋势
上世纪 80 年代以来，国外的一些大公司，如美国的 AE 公司、德国的西门子、伦茨以及日本的松下、发那科和安川等公司对伺服系统进行了深入的研究，将纳米插补产生的纳米级的指令发送给伺服控制器，可使伺服控制器的位置指令更加平滑，从而提高了加工的表面平滑度。西门子将 80bit 浮点计算技术应用到 828D 与 840D sl，使插补达到很高的轮廓控制精度以获取很好的工件精度[3]。人工智能技术的发展也提升了伺服系统的智能化程度，采用某些智能算法将自适应控制技术应用到伺服系统能够检测到过程中的一些重要信息，根据检测到的信息自动调整系统相关参数，以改善系统运行状态。如采用先进控制技术的伺服系统能自动识别由于切削力导致的振动，从而产生反向力来消除振动。应用主轴振动控制技术的伺服系统，在主轴嵌入位移传感器，可以自动识别当前的切削状态并且自动调整切削参数，以保证系统运行的稳定性[4]。国外对伺服系统的控制研究起步较早，目前已经有较高的技术水平。针对伺服系统的谐振问题，很多学者也做了大量的研究工作，提出了诸多抑制方案并且取得了较好的效果。发那科公司的 Sogabe M 等人基于陷波滤波器技术将一种带有可变阻尼以及多重频率的滤波器技术用于直线电机直接驱动系统的谐振抑制中，针对直线电机直接驱动系统在高频段存在的多阶振动模态的抑制取得了很好的效果[5]。韩国首尔国立大学的 Bahn Wook 等人采用自适应陷波滤波器法抑制伺服系统谐振有效的抑制了谐振，一种在线频率估算法被用于估算谐振频率以自整定陷波滤波器参数[6]。日本山口大学的 Yoshitsugu.J 等人提出了在带有PI 补偿控制的速度控制环的基础上引入负载速度观测器，利用负载速度反馈补偿来抑制速度伺服系统的机械谐振和反谐振。基于模糊推理的方法实现控制增益参数的自动调整，通过设置系统最优控制增益能抑制谐振和反谐振以提升控制性能 [7]。
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第二章 永磁同步直线电机基本原理及数学模型
2.1 永磁同步直线电机原理分析
直线电机的工作原理基于电机学基本原理，在直线电机的三相绕组中通入三相对称电流会产生气隙磁场，忽略纵向边端效应时气隙磁场沿直线方向正弦分布，在三相变化电流的作用下气隙磁场按 A、B、C 相序平移，因此称气隙磁场为行波磁场，如图 2.4 所示[22-24]。直线电机的直线运动是由行波磁场切割产生的次级电流在与气隙磁场的相互作用下生成的作用于次级的电磁推力来驱动的。根据这一原理，通过对换直线电机任意两相的电源线后会产生反向磁场，在反向磁场的作用下会产生反向的电磁推力，因此实现了直线电机的往复运动。为了解决交流电机的转矩控制问题，上世纪 70 年代西门子工程师 F.Blaschke提出了矢量控制理论。矢量控制的基本思路是：通过坐标变换实现模拟直流电机的控制方法来对电机进行控制[25]。矢量控制包括间接型矢量变换控制和直接型矢量变换控制，两者都是基于把三相电流等效变换成励磁电流分量和转矩电流分量的坐标变换技术来有效控制瞬间转矩。永磁同步直线电机存在两种坐标系，一种是相对我们静止的两相初级坐标系(α-β坐标系)，它的方向和三相初级电压构成的三相初级坐标系(a，b，c 坐标系)的位置相对固定。另一种是固定在次级上的两相次级坐标系(d-q 坐标系)[26]。如示意图 2.5 所示。
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2.2 永磁同步直线电机数学模型
在直线伺服系统中，系统控制策略的实现依赖于系统的数学模型，系统数学模型的精确度直接影响系统的控制性能。在不考虑磁路饱和，忽略端部效应，并且气隙中的磁场在空间上按正弦分布的情况下，建立永磁同步直线电机的数学模型。本章首先通过对比旋转电机的基本结构介绍了直线电机的基本结构。其次，分析了永磁同步直线电机的工作原理和矢量控制技术。最后，建立起了永磁同步直线电机的初级电压方程、电磁推力方程、机械运动方程。
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第三章 直线伺服控制系统......11
3.1 直线伺服控制系统设计......11
3.1.1 电流环调节器设计....... 12
3.1.2 位置环调节器设计.......12
3.2 直线伺服控制系统调试......13
3.3 本章小结............14
第四章 直线伺服系统谐振原理研究........15
4.1 直线伺服系统机械谐振研究.......15
4.1.1 直线伺服系统机械谐振方程......... 15
4.1.2 直线伺服系统机械谐振实验分析.......... 17
4.2 直线伺服系统伺服动刚度研究............19
4.3 本章小结............27
第五章 直线伺服系统谐振抑制研究........28
5.1 直线伺服系统机械共振抑制研究........28
5.1.1 陷波滤波器抑振原理............ 28
5.1.2 陷波滤波器抑制机械共振实验..... 30
5.2 直线伺服系统负载质量引起的谐振抑制研究......32
5.2.1 积分谐振抑制法抑振原理.... 32
5.2.2 负载质量引起的谐振抑制实验..... 34
5.2.3 IRC 在线抑制谐振方案设计..........37
5.3 本章小结............37
第五章 直线伺服系统谐振抑制研究
直线伺服系统的谐振现象直接影响了系统性能，针对谐振的产生设计合理的抑制方案是控制系统设计时必需考虑的部分。本章谐振抑制的研究将采用陷波滤波器抑制机械共振，积分谐振抑制(IRC)法抑制负载质量引起的谐振，结合理论分析、仿真实验和实际平台测试来评价谐振抑制效果，以为控制方案的优化设计和工程应用提供参考。
5.1 直线伺服系统机械共振抑制研究
陷波滤波器主要用于消除某个特定频率的干扰，其阻带在理想情况下只有一个频率点。陷波器抑制谐振属于被动抑制方式，设计时只需要将其串联到系统中，不用改变系统控制参数[38-40]。对于陷波滤波器的参数设计，可以通过在建立谐振模型的基础上来实现。谐振峰值可以通过引入陷波滤波器零点来抵消谐振方程极点的作用，根据谐振模型极点可估计出陷波滤波器零点参数N? 和z?，陷波滤波器的幅值衰减深度由谐振峰值来估计，陷波频率点的幅值衰减为式 5-2 所示。陷波深度参数p?根据实际情况设置，在z?确定的情况下，陷波滤波器的陷波幅宽和衰减深度由陷波深度参数p?决定。在实际应用中，由于在谐振频率附近系统的振幅较高，陷波滤波器需要保证一定的幅宽来降低振幅[41-43]。
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总结
随着工业自动化的发展，伺服系统的应用变得越来越广泛，这也促进了伺服系统产品的不断发展。谐振是影响伺服系统性能的一个重要因素，谐振的抑制也成为伺服系统设计时必需考虑的方面。针对直线伺服系统，一方面机械刚度的不足会造成机械谐振；另一方面，控制参数和负载质量决定着系统伺服动刚度，伺服动刚度的不足也会造成系统谐振。机械谐振是由于机械导板和结合面等柔性因素导致的，短期内在机械特性不变化的情况下机械谐振基本不变，陷波滤波器是一种常用的抑制谐振的方法，通过设置合理的滤波器参数可有效抑制谐振。本文在详细阐述陷波滤波器基本原理和数学模型后，将陷波滤波器用于机械谐振的抑制，通过计算机仿真实验和实际平台实验的结果表明，陷波滤波器对于抑制机械谐振具有较好的效果。伺服动刚度作为影响谐振的一个主要因素，通过推导出的伺服动刚度数学模型表明，伺服动刚度与控制系统参数以及负载质量有直接的关系，同时仿真实验表明了控制参数和负载质量各自对伺服动刚度的影响。积分谐振抑制方法是一种反馈控制方法，本文根据控制结构分析其基本原理，并且推导出其数学模型后，将积分谐振抑制方法用于负载质量引起的系统谐振抑制，仿真实验和平台实验结果表明，积分谐振抑制方法具有结构简单、实现方便的特点，并且对于谐振抑制有很好的效果。本文的创新点主要包含以下几方面：针对直线伺服系统结合机械因素和伺服动刚度分析对谐振的影响；通过仿真推出控制参数以及负载质量与伺服动刚度的关系；将较新颖的积分谐振抑制方法用于抑制负载质量引起的谐振，并且提出了针对积分谐振抑制方法的在线抑制方案。
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参考文献(略)