机床与液压

过刊浏览

• 电推进系统永磁电机混合式液冷-相变冷却结构设计

  颜冬，娄群健，于文斌

  针对电推进系统过载工况下永磁电机瞬态热积聚引发的温升过高问题，通过集成主动冷却和永磁体极间填充相变冷却的二级耦合冷却机制，定向引导电机热能的梯度式耗散，提出一种考虑相变材料的混合式液冷-相变冷却结构。该结构主要利用机壳水冷、定子端部浸油的主动冷却方式对定子绕组区域进行梯度热调控，利用永磁体极间填充相变材料冷却和转轴通油主动冷却方式对永磁体实现高过载瞬态温升的双路径耦合抑制。采用计算流体力学法，分析相变热导率、相变温度、相变材料质量及相变总潜热对永磁体瞬时温升平抑效果的影响，并最终确定一种具有较好散热性能的电机冷却结构设计方案。仿真结果表明：增大相变材料的热导率、填充用量及总潜热可增强永磁体温升抑制效果；相变温度的选取需结合电机运行时长：若运行期间相变材料始终处于固液共存态宜选较低相变温度，若完全液化则宜选较高相变温度；所提出的混合式液冷-相变冷却结构通过介质互补（水-油-相变协同）与空间覆盖（定子-转子-机壳全路径）的三维高效散热机制，实现了电机热量的高效耗散，尤其是基于相变的潜热特性，使过载工况下永磁体温升速率受到抑制，优化后方案（石蜡热导率0.151 W/（m·K）、相变温度56.1 ℃、用量0.014 3 kg、潜热256 kJ/kg）在过载工况运行120 s时，与未填充相变冷却结构相比，永磁体温升最大降幅为5 ℃，进一步避免了永磁体的热退磁风险。

• 6 MW永磁风力发电机流-热耦合分析及结构优化

  张辉，崔权维，周建星，吴安

  针对大容量永磁风力发电机损耗增加、温度上升及散热困难的问题，以6 MW永磁风力发电机为研究对象，建立发电机流动与传热耦合模型，计算额定工况发电机损耗，运用Fluent仿真软件计算发电机内部流场以及温度场，分析电机内部流体域和各风道的流动情况以及流速变化情况，得出电机内流场和温度场的分布特性以及风道流速和温度的变化规律。利用实测绕组温度数据与仿真结果进行对比，结果显示：平均误差在5%以内，验证了计算方法的可靠性。针对现有发电机冷却结构中气体流动路径冗余、端部气腔易形成涡流导致风量浪费及冷却效率下降的问题，提出一种新型冷却结构：冷却气体从机壳端盖两侧进风，分别流入端盖气腔和定子径向冷却风道，最终由定子背部机壳流出。对改进结构后电机进行温度场与流场分析，结果表明：与原方案相比，改进后冷却结构气体流动路径较短，可有效改善端部涡流现象，提高冷却效率，主要部件平均温度均有下降，如绕组平均温度从113.70 ℃降至106.53 ℃（降幅6.3%），定子平均温度从104.98 ℃降至93.97 ℃（降幅10.5%），永磁体平均温度从73.97 ℃降至66.65 ℃（降幅9.9%），表明改进方案能更迅速带走各部件热量，提升了发电机的散热效率。研究对该类型永磁风力发电机的温度场分析以及冷却结构的改进具有参考意义。

• 挖掘机平地作业能耗特性分析

  黄兴健，葛磊，路珍，尹满义，韩栋梁，权龙

  平地作业是挖掘机的重要功能，常用于挖沟、修坡、整平等施工场合。然而，平地动作需要通过多路阀系统大的节流精细控制不同负载的多执行器协同动作，才可使铲斗齿尖走出直线轨迹，节流损失巨大。为此，以20 t液压挖掘机为例，开展平地实验，获取真实作业数据，进行能耗特性分析，为节能型挖掘机平地液压系统优化和能效提升提供支撑。理论和试验分析结果表明：挖掘机以多路阀系统的大节流能量损失为代价，实现不同负载的多执行器之间精细协同配合，完成平地动作，节流损失为主要能量损失，占泵输出能量的77.0%，有效输出能量占10.7%，其余为管路等沿程损失，能源有效利用率低。在整个平地过程中，斗杆油缸的行程最大，以斗杆动作为主，动臂和铲斗动作为辅。其中，斗杆油缸、动臂油缸、铲斗油缸的能耗分别占泵输出能量的59.7%、25.4%、2.9%。相较于挖掘工况，平地作业属于轻载作业，对挖掘力的要求不高，可进一步提高斗杆回收过程和动臂下降过程中流量再生的比例，减少出口节流损失。

• 压裂管汇螺柱导波传播特性与轴向力检测研究

  蒋麒麟，周思柱，李宁，车红婷，禚晓，田梓轩

  针对超声检测螺柱松动时存在频散及模态耦合效应导致检测精度受限的问题，以常用M36×3?200 mm螺柱为研究对象，旨在通过理论建模与数值分析，系统研究超声导波在螺柱中的传播特性，优选检测模态与激发频率。基于Navier波动方程，通过动态参数优化提升高频根定位效率，实现多模态特征值的分布式搜索，求解Pochhammer-Chree频散方程特征根，数值模拟及实验结果共同验证了解析解的准确性。结果表明：同一激发频率下导波模态众多，不同模态相速度和群速度随频率变化趋势各异，存在模态曲线交织、截止频率等现象；纵向模态L（0，2）相比扭转模态T（0，m）与弯曲模态F（1，m），对螺柱松动检测效率更高；选用150 kHz作为激发频率时，能较好抑制高阶模态的产生，避免采集的导波信号波包发生混叠，有效提高了检测精度；有限元仿真得到无载荷下声时差为36.81μs，对应群速度5 433 m/s，与解析值（5 133 m/s）误差小于6%；实验测得无载荷渡越时间为35.21μs，与仿真结果误差仅为4.3%。该研究为压裂管汇螺柱连接状态的超声导波在线监测提供了关键技术支撑。

• 滚刀切削角度优化设计及其切削性能分析

  黄程鹏，易婧雯，陈杰，陈永鹏

  针对常规滚刀切削角度沿切削刃梯度变化问题，结合滚齿工艺原理和金属切削原理建立滚刀切削角度数值计算模型，揭示滚刀切削角度的时变特性，分析滚刀几何参数对切削角度的影响规律。提出一种滚刀切削角度优化设计方法，在正交平面内沿切削刃依次构造出滚刀前刀面直线簇和后刀面直线簇，将刀面直线簇进行曲面拟合，并设计等切削角度镶片滚刀。最后，对所设计滚刀开展切削性能仿真试验以及滚齿成形齿面仿真试验。结果表明：等切削角度镶片滚刀切削前角和切削后角基本保持在恒定值，且沿切削刃变化呈直线状，解决了常规滚刀切削角度沿切削刃梯度变化问题；等切削角度镶片滚刀左刃、顶刃、右刃磨损量分别降低了11%、19%、15%，且可有效改善刀具局部磨损，降低成形齿面法向偏差，提高齿轮工件表面质量。

• 考虑压力时变特性的螺栓法兰连接理论模型

  郑运卓，柴清东，李红艳，吕继浩，李嘉宸，曹晓琳

  针对螺栓法兰连接结构在动态载荷下呈现非线性力学行为，而经典Iwan模型无法表征宏滑移阶段残余刚度且缺乏对法向-切向动态耦合机制有效描述的问题，提出一种改进Iwan模型及考虑压力时变特性的动态扩展模型。基于并联弹簧结构对经典Jenkins单元进行改进，构建改进Iwan模型，通过并联刚度显式表征宏滑移阶段的残余刚度，并结合Masing准则推导分段非线性滞回曲线方程。其次，基于Hertz接触理论建立螺栓预紧下的环形压力分布模型，引入法向时变因子ζ(t)描述动态工况下法向压力与切向滑移的耦合关系，将改进Iwan模型扩展为动态改进模型。结果表明：改进Iwan模型通过并联刚度成功表征了宏滑移阶段的残余刚度（60.45 N/m），与有限元结果（60.35 N/m）高度吻合；较有限元模型，改进Iwan模型能量耗散计算误差为3.65%，较经典Iwan模型（误差11.17%）降低了7.52%；动态改进模型引入法向时变因子后，能够更好地表征微滑移阶段的非线性特性，较有限元模型，其能量耗散误差为2.44%，优于改进Iwan模型（3.65%）。该研究为螺栓法兰连接结构的非线性动力学分析提供了理论建模工具。

• 极端大温差环境下梯形丝杠螺母定位误差分析与精度提升方法

  唐术锋，赵伟朋，赵弘历，王鑫，常宏，郭晓栋

  针对极端大温差环境下，常规梯形丝杠螺母因材料热膨胀系数差异导致反向间隙变化显著、定位精度下降的问题，提出一种基于热敏材料的温度自适应反向间隙调节结构。基于传热学理论建立梯形丝杠螺母反向间隙热变形的数学模型，推导径向与轴向热变形引起的反向间隙变化规律，并通过ANSYS Workbench进行热-结构耦合有限元分析验证理论模型的准确性。设计一种包含热敏套环的新型螺母结构，利用热敏材料的热胀冷缩特性动态调节反向间隙；在ADAMS中建立简化动力学模型，对比常规螺母与新型螺母在-100 ℃和100 ℃下的定位误差。最后，搭建实验平台，采用千分表测量-60 ℃和100 ℃环境下两种螺母的实际定位精度。ADAMS仿真结果显示：在-100 ℃下常规螺母定位误差为0.196 mm（位移29.804 mm），新型螺母误差降至0.016 mm（位移29.984 mm）；100 ℃下常规螺母误差为0.154 mm，新型螺母误差为0.018 mm，在-100 ℃下新型螺母具备更好的定位精度。实验测量结果显示：-60 ℃下常规螺母位移为11.933 mm（误差为0.067 mm），新型螺母位移为11.974 mm（误差为0.026 mm）；100 ℃下常规螺母位移为11.927 mm（误差为0.073 mm），新型螺母位移为11.961 mm（误差为0.039 mm）。新型丝杠螺母较常规丝杠螺母显著缩小了因反向间隙变化引起的定位误差，提高了丝杠螺母的定位精度。

• 基于响应面法与改进遗传算法的绞车槽体参数优化设计

  唐东龙，胡启国，陈思祥，刘灜

  为提高绞车槽体的结构性能，降低应力集中、减小变形，提出一种基于响应面法与改进遗传算法相结合的多目标优化方法。利用有限元静力学分析获取初始结构变形与应力分布，结合Box-Behnken试验建立以槽底半径、槽间距及槽深为设计变量，槽体变形量和等效应力为目标函数的响应面模型。在传统遗传算法基础上，改进交叉和变异机制，自适应调整交叉和变异判断准则，增强全局搜索能力。利用改进后的遗传算法对模型进行多目标寻优，获得绞车槽体的Pareto前沿最优解，并开展优化结果验证分析。结果表明：优化后槽体最大等效应力由456.6 MPa减小至279.36 MPa，降幅达38.82%；最大变形量减少了0.4 mm，降幅可达40.69%，优化效果显著。研究成果为绞车槽体的结构优化设计提供了理论依据与工程参考。

• 基于压电驱动的级联式复合位移放大机构设计与试验分析

  索超，陈振亚，薄瑞峰，闫首君，王思聪，赵威震，白宇鑫，杨尚进

  针对压电陶瓷堆栈作为驱动元件时存在输出位移微小的局限，设计一种由柔性机构与弧形杠杆机构级联而成的复合位移放大机构。通过理论分析推导各级机构的放大倍数模型，得到关键结构参数对放大性能的影响规律，并求得柔性机构、弧形杠杆机构、复合位移放大机构的理论放大倍数分别为10.28、1.62、16.65。利用ANSYS软件对放大机构进行静力学分析与模态分析，仿真结果表明：在所选用的压电陶瓷堆栈输出最大位移情况下，放大机构最大应力低于材料许用值，仿真放大倍数为14.85，与理论值相差10.8%；一阶振型的稳定性、应力分布及抗共振能力更优。最后，通过试制样件并进行位移放大性能测试，结果显示：放大机构实际放大倍数为13.95，最大输出位移0.464 7 mm，弧形杠杆最大输出角度为2.18°。该机构适用于机械制造、光学工程、生物医疗等领域的大行程位移调控与微小角度精密调节场合。

• 动梁与定梁龙门构型对小型立式超精密五轴机床惯性力变形的影响

  刘朝彤，于浩，吴东旭，索奇，吕盾

  超精密立式五轴机床在加工复杂曲面零件时，要求直线轴加速度高达1g。在高加速度工况下，惯性力引起的刀尖点弹性变形是影响机床和零件加工精度的关键因素。针对动梁龙门和定梁龙门两种典型构型，分析其零部件装配关系，建立床身、立柱、横梁等结构件的有限元模型。采用弹簧阻尼单元等效模拟静压导轨、气浮隔振单元及螺栓连接等关键动静结合部，建立动静结合部连接约束及整机有限元模型。基于达朗贝尔原理，计算X和Y轴在1g加速度下产生的惯性力，并将其以等效静载荷形式施加于运动部件质心，分析对比惯性力作用下两种构型的刀尖点弹性变形。结果表明：在相同惯性载荷下，定梁龙门构型和动梁龙门构型的刀尖点变形量分别为38.91、65.10 μm，定梁龙门构型在抑制惯性力引起的刀尖点变形方面明显优于动梁构型。定梁龙门构型在Z方向的刀尖点变形较为显著，且其运动部件惯性力也主要作用于Z方向，所以Z方向的运动部件是定梁龙门构型的薄弱环节。