门座起重机[回转机构]

1、相关定义

1.1、最优化问题的基本概念

1.设 为 为欧氏空间 内的一点, 、 、 为给定的 元函数,则一般的最优化问题的提法是在约束条件: 和 之下,求向量 ,使 函数取极小值(或极大值)。这里 称目标函数, 称为不等式约束条件, 称为等使约束条件, 称为设计变量或决策变量。最优化问题简写为: 5.2-1 2.最优化问题分类: (1) 线性规划:若 、 、 都是的线性函数,则上述问题(5.2-1)称为线性规划问题 (2) 二次规划:在5.2-1中,若 、 都是 的线性函数,而 是 的二次函数,则上述问题(5.2-1)称为二次规划问题。 (3) 非线性规划:在5.2-1中,若 、 、 中至少有一个是 的非线性函数,则上述问题(5.2-1)称为非线性规划问题。一般的非线性规划问题根据约束条件可分为: 无约束非线性规划问题,既没有任何约束条件的非线性规划问题,有时也称之为无约束优化问题。常写成 约束非线性规划问题,即在(5.2-1)中至少有一个约束条件的非线性规划问题,有时也称之为约束优化问题。 (4)多目标规划:在(5.2-1)中,若目标函数 ,即 是 的一个向量函数,则称问题(5.2-1)为多目标规划问题。

1.2、模糊集和隶属度的基本概念

美国控制论专家 L.A.zadeh 教授于 1965 年发表的论文中首次提出了模糊集的概念, 他在研究人类思维判断过程的建模中,提出用模糊集作为定量化的手段。 在普通集合论中[36],一个元素对于一个集合,只有属于和不属于两种属性,二者必 居其一,且仅居其一,绝不模棱两可。当一个集合用特征函数 来表示时,可用下式表 示元素 x是否属于集合 A。 ( x) 1x A 0x A 这就限定了普通集合理论只能表现确定概念,只能表现”非此即彼”的现象。为

了 能够表示具有”亦此亦彼”性的模糊现象与模糊概念,扎德将普通集合论中的元素 x对 于集合 A的隶属关系特征函数的取值范围从{0,1}拓展至[0,1],从而导出了模糊集合(或 12 称模糊子集)的概念。 隶属度与隶属函数是模糊集合论或模糊数学建立的基础,经典的数学定义为[37]: 给定论域U 上的一个模糊子集 A ,对于任意u U,都指定了一个数 A (u ) [0,1], 叫做u 对于 A 的隶属程度或隶属度。映射: A :U [0,1] u A (u ) 则称 A 为U 上的模糊(Fuzzy)集,称 A ( )为 A 的隶属函数,或者称为u 对 A 的隶属度 (即u 属于 A 的程度)。 普通集合仅仅是模糊集合的特例,当 A ( )仅取 0 和 1 时,模糊集合 A 就变为集合 A ,由模糊集合的定义可知,模糊集合 A 由其隶属函数 A ( )唯一确定。

1.3、小波变换的定义

4.2.1 小波变换的定义 对于任意平方可积的函数 (t),其傅利叶变换为 (ω),若 (ω)满足: 20 第 4 章 基于小波起重机回转机构声发射分析 ∫ (ω) Rωdω1.4、载荷定义

定义有限元模型的载荷、初始条件和约束是进行 LS-DYNA 数值分析的又一 重要环节,合理的定义不仅直接关系着计算的精度,而且还会影响计算时间。 本文主要分析变幅系统齿轮、齿条在制动的瞬间的振动,模型的载荷主要有: 变幅齿轮速度、齿条力、齿条初速度。对于齿轮齿条变幅系统,齿条力是随着 时间时刻变化的,在 ANSYS/LS-DYNA 中施加变载荷是十分便捷的。 对于本文所研究模型,齿条力载荷加载的步骤主要分为以下几步: (1)在此模型中,齿条力主要加载在齿条刚体部分,在加载中,需要选择 刚体的 PART 号,因此,第一步需要生成模型的 PART 号; (2)根据 ADAMS 中齿条力的变化,取在 0.2S 内,齿条力由 2.5×105N 变 化至 3.75×105N,对应的在 ANSYS/LS-DYNA 中设置时间间隔为 0-0.2S,对应载 荷值为 2.5×105N 与 3.75×105N; (3)定义好 PART 号与载荷数组参数后,即可进行加载,在加载对话框中, 选择对应的选项即可。 齿轮齿条在变幅过程中,由电动机提供动力,保证变幅齿轮迅速转动,本文 研究变幅齿轮的制动过程,因此,将变幅齿轮速度

设定由 0.672rad/s 减至 0rad/s, 制动时间为 0.5S。 齿条初始速度是指变幅齿轮在制动的一瞬间,齿条由于惯性继续向前移动的 速度,因此,将齿轮初始速度以小齿轮转速换算成线速度。

1.5、PART 定义

PART 是 LS-DYNA 中的一个重要概念,在前处理中,根据材料、单元及实 常数的不同,可以将模型分为不同的 PART。在加载时,通常需要选择 PART,因 此 PART 的生成对于模型的处理意义重大。本文在处理齿轮与齿条的模型中,将 模型处理为四个部分:(1)变幅齿轮内圈刚体,其单元为 SHELL163,其材料特 性为刚体,定义刚体的约束仅绕轴转动,便于模型旋转速度的加载;(2)回转 齿轮轮齿,其为 SOLID1 单元,为弹性材料;(3)齿条刚体,为 SOLID1 单元,为弹性材料,将齿轮与齿条单独生成 PART,便于接触的添加;(4)齿条 刚体,单元为 SHELL163,其材料特性为刚体,定义刚体的约束仅沿 X 轴移动, 便于模型齿条力加载。生成 PART,各个部分的 PART 代号如表 5-1 所示。 表 5-1 PART 号及其对应部件 部件 PART MAT TYPE REAL USED 变幅齿轮内圈刚体 1 2 1 121705 回转变幅齿轮轮齿 2 1 2 1195 齿条刚体 3 3 1 18722 齿条 4 4 2 1210

1.6、起重机的有关概念

1. 起重机的构成[15] 起重机是物料搬运的主要设备,起重机械是由金属结构、动力装置、工 作机构和控制系统四大部分组成。 (1) 金属结构 金属结构是起重机的骨架,是安装各机构并支托它们全部 重量的主体部分。 (2) 动力装置 动力装置是起重机的动力源,是起重机最重要的组成部分。 它在很大程度上决定了起重机的性能和构造特点。 (3) 工作机构 工作机构是为实现起重机不同运动要求而设置的,不同类 型的起重机工作机构有所不同。起重机最基本的工作机构有起升、变 幅、回转和行走四大工作机构。 (4) 控制系统 控

制系统包括操纵装置和安全装置。通过控制系统实现各 机构的启动、调速、换向、制动和停止,从而达到起重机作业所要求 的各种动作,同时保证起重机安全作业。 2. 起重机的类型和用途 起重机有桥架型、缆索型和臂架型三大类型。根据用途和使用场合的不 8 同,起重机有多种形式,但其共同特点是整机结构和工作机构较为复杂。工 作时,能和同时完成多个工作动作。因本文研究对象是桁架式门式起重 机,属于桥架型起重机,所以着重介绍桥架型起重机。 桥架型起重机主要有梁式起重机、桥式起重机、装卸桥和门式起重机四 种类型。其特点是吊钩悬挂在叮沿桥架运行的起重机小车或起重葫芦上,使 重物在空间垂直升降和水平移动。 (1) 梁式起重机采用电动梁结构,跨度小,结构简单,在地面操作起重机 的工作。用于起重量较小的工作场所。 (2) 桥式起重机采用电动双梁桥式结构,主梁为箱型结构,强度高,跨度 大,在主梁下有操纵驾驶室。用于起重量大,工作速度快的工作场 所。 (3) 装卸桥起重机多采用桁架结构,主梁跨度大,要求起重小车运行速度 快,从而保证装卸生产率。用于冶金厂、发电厂、码头装卸散料以 及港口集装箱的装卸工作。 (4) 门式起重机桥架两端通过两侧支腿支承在地面轨道或基础上的桥架 型起重机,类似”门”字的形状,亦称龙门起重机。这种起重机起 重量大,广泛应用于工厂、货场、码头和港口的各种物料装卸和搬 运工作。 以下是几款起重机的图示,图 1.1 是 FZQ1800 型附着式自升型塔式起重 机,图 1.2 是 MQ2000 型高架门座起重机 9 图 1.1 FZQ1800 型附着式自升型塔式起重机 图 1.2 MQ2000 型高架门座起重机 3. 起重机的主要性能参数 起重机的基本参数是说明起重机械的工作性能和技术经济指标,是设计 起重机械的技术依据,也是生产使用中选择起重机械技术性能的依据。 (1) 起重量 Q:起重机起吊重物的质量称为起重量,一般以吨为单位,但 10 按照国际单位制应以牛顿为单位。起重量依国家标准已成为一个系 列,起重机设计时须按照这一系列进行。起重量大的桥式起重机常 备有主副两套起升机构。副钩的起重量约为主钩起重量的五分之一 到三分之一。 (2) 起升高度 H:起升高度是指自地面或轨面到吊钩钩口中心的距离,用 H 表示,单位为米。通常以额定起升高度表示。 (3) 跨度 L:指桥式起重机大车运行轨道中心线之间的距离,单位为米。 国标中有桥式起重机跨度的标准。 (4) 工作速度 V:指起重机的各机构(起升、运行、变幅和旋转)的工作速 度,单位

为米/分。机构的工作速度是根据工作要求来定的。 (5) 外形尺寸和自重,这是任何一种机器应有的技术经济指标,它不仅是 能说明起重机械本身性能优劣的数据,而且直接影响基建费用的投 资。因此,应重视减轻自重和减小外形尺寸,以达到紧凑而轻便的 目的。

1.7、材料属性定义

齿圈材料为各向同性的,通过确定材料的杨氏模量、密度和泊松比便可完成材料 物理特性属性的定义。表 3-1 为回转齿圈和驱动轮的属性。 表 3-1 回转齿圈和驱动轮的材料属性 泊松比 杨氏模量(G Pa) 密度(g/cm3) 回转齿圈 0.33 206 7.85 驱动轮 0.25 207 7.8

1.8、起竖装置方案的概念设计

本章首先介绍了机械系统概念设计的有关理论,以此为理论基础构建起竖系统的 功能形态学矩阵和层次结构模型,对初选的几种方案进行对比分析,根据分析的性能 参数列出判断矩阵,经过计算权重选择起竖系统的总体方案。

1.9、几个概念的界定

在论文展开之前,有必要先对以下几个概念作出解释:国统区、管理、 、粮食及粮食单位(担与石)等。 本文内容既不涉及沦陷区粮政,也不包含陕甘宁边区粮政,研究的区域 仅限于国统区,因此须对国统区范围加以界定。抗战爆发后不久,国民即将 都城从南京迁到四川重庆,西南地区成为国民的抗战基地。抗战时期国民政 府的统治地区包括西南、西北、湘、桂等省区和鄂、粤、闽、浙、甘、苏、皖、 豫、晋等省的小部分地区,这些地区被称为抗日的大后方,即抗战时期的国统区, 亦即本文研究区域。 本文研究的

区域为国统区,视角则定于国民的粮食管理。粮食 当然是本文研究的范围,但””与””属于两个不同的概念。《新华词 典》解释””是”国家或政权为实现一定任务,根据路线制定的具体的行为 准则”。如果将””译成英语,可有 policy, approach, measures 等多种翻译 方法。《新华词典》对””的解释为:”是关于国家机关、企业和事业 单位的机构设置、管理权限、工作部署的制度。”“”在英语中相当于 order, system, institution 等单词的含义。由此可看出””与””两个概念的主 要区别:前者侧重具体的行为准则,后者侧重组织机构的演变、所设机构的职能 范围以及工作安排;前者主要规定允许做什么和禁止做什么,后者重点说明事情 由谁来做和怎么做。因此,笔者在研究国民的粮食管理时,一方面简要 阐述了粮食管理的内容及的实施情形,另一方面则把重点投向粮食 制定和执行主体的机构设置、工作部署,即粮食管理决策由谁作出,与粮食管理 相关的组织机关有哪些,以及各机关的内部分工与彼此关系如何等。 我国粮食种类繁多,有米谷、小麦及其他麦类(大麦、油麦、荞麦、燕麦等)、 甘薯、高粱、玉米、各种豆类(红豆、黑豆、黄豆、绿豆等)以及其他杂粮,总 计不下二十种。本文所称粮食,主要指米谷、小麦、玉米、高粱、小米等五种, 3 其中最重要的又是米谷和小麦两种。在统计粮食数据时,为便利起见,又将粮食 分为米谷、小麦及杂粮(米谷与小麦以外的其他粮食种类)三种。关于粮食单位, 抗战时期有石、担、斗、升、斤、两等,它们的换算关系大致为: 1 石=10 斗, 1 斗=10 升,1 斤=16 两;石、斗、升是容量单位,担、斤、两是重量单位,1 石 =1 担(因一石粮食恰好是一个人所能挑担的重量,于是一石又称一担),一石 约为 120 斤。

1.10、拓扑胚图的概念和参数

含三个以上点连接的连杆定义为基本连杆 Lb。分别用 H,P,Q 和 T 表示含有 6, 5, 4 和 3 个点连接的基本连杆。拓扑胚图只含基本连杆 Lbs,不含二元杆 B(含有一个 或两个点连接的连杆)。在拓扑胚图中,每个基本连杆由一个点表示,这些点彼此用 一些曲线相互连

接。基本连杆 H,P,Q,T 在拓扑胚图中各自必须连接 6,5,4,3 条曲线。 路懿和 Tatu Leinonen 在文献[75]中提出利用系统连杆法和拓扑矩阵-图表法对平 面和空间机构进行型综合的新方法。在文献中 F 表示机构自由度,c 表示机构的复 杂系数。np2和 ns2分别表示平面机构和空间机构对应关联连杆中的二元杆的数目。 n5,n4和 n3分别表示拓扑胚图中基本连杆 P, Q 和 T 的数目。当 c≤5 时,不含基本 连杆 H 的关联连杆及其 np2, ns2和 nk(k=3, 4, 5)的数目可从参考文献[80]中获得,如 表 2-1 所示。 在拓扑胚图中,n 和 e 分别表示点和曲线的数目。因为 P,Q 和 T 分别必须连接 5,4 和 3 条曲线,所以 n 和 e 可由公式(2-1)计算[78]: n=n5+n4+n3 ,e=(5n5+4n4+3n3)/2 (2-1) 其关联连杆对应的 n 和 e 的结果如表 2-1 所示。一般情况下,很多的拓扑胚图 都可以由表 2-1 中的关联连杆推导出来,并且一组关联连杆可以推导出很多不同的 拓扑胚图。 - 8 - 表2-1 当c≤5不含H的关联连杆中(np2ns2n5n4n3)的值 No. np2ns2n3n4n5n e No. np2ns2n3n4n5n e 1 3+F 6+F 0 0 0 0 0 19 6+F 21+F 3 1 1 5 9 2 3+F 9+F 2 0 0 2 3 20 7+F 22+F 1 2 1 4 8 3 3+F 12+F 4 0 0 4 6 21 7+F 22+F 2 0 2 4 8 4 4+F 13+F 2 1 0 3 5 22 9+F 24+F 0 1 2 3 7 5 5+F 14+F 0 2 0 2 4 23 3+F 21+F 10 0 0 10 15 6 3+F 15+F 6 0 0 6 9 24 4+F 22+F 8 1 0 9 14 7 4+F 16+F 4 1 0 5 8 25 5+F 23+F 6 2 0 8 13 8 5+F 17+F 2 2 0 4 7 26 6+F 24+F 4 3 0 7 12 9 6+F 18+F 0 3 0 4 6 27 7+F 25+F 2 4 0 6 11 10 5+F 17+F 3 0 1 4 7 28 8+F 26+F 0 5 0 5 10 11 6+F 18+F 1 1 1 3 6 29 5+F 23+F 7 0 1 8 13 12 7+F 19+F 0 0 2 2 5 30 6+F 24+F 5 1 1 7 12 13 3+F 18+F 8 0 0 8 12 31 7+F 25+F 3 2 1 6 11 14 4+F 19+F 6 1 0 7 11 32 8+F 26+F 1 3 1 5 10 15 5+F 20+F 4 2 0 6 10 33 7+F 25+F 4 0 2 6 11 16 6+F 21+F 2 3 0 5 9 34 9+F 27+F 2 1 2 5 10 17 7+F 22+F 0 4 0 4 8 35 11+F 29+F 0 2 2 4 9 18 5+F 20+F 5 0 1 6 10 36 9+F 27+F 1 0 3 4 9

2、相关背景

2.1、研究背景及意义

要的基础部件,也是最容易损坏的旋转机械部件之一, 据统计,旋转机械的故障有 30%是轴承故障引起的[1]。由于设计不当或者安装过程中 的人为因素的影响,或者轴承的使用条件不佳,亦或者突发载荷的影响,使轴承在 承载运转一段时间后会产生各种各样的缺陷,并且在进一步运行中进一步扩展,使 轴承运行状态发生变化,从而导致机械设备损坏或者停机,因此对大型起重机滚动 轴承的无损检测尤为重要。 常规的无损检测方法存在对被检对象得几何形状的要求较高、需要接近备件对 象、只能进行小范围内的局部扫描、甚至需要停机测试等不足,而大型起重机机构 庞大,形状复杂,工作环境恶劣。因此这就要求发展一种新的无损检测技术来弥补 传统起重机无损检测的不足,声发射技术便走进了人们的视野。利用声发射无损检 测技术接收来自材料的缺陷自身产生的信号,而不检测非扩展的无危害缺陷,声发 射技术对被检测对象的几何形状、尺寸不敏感,对大型结构能够进行大面积、整体 性的检测,在一次实验中能够整体探测和完整评价整个结构的活性缺陷的状态,声 发射检测技术能够在线监测活性缺陷,可以减少检验中不必要的停机。所以声发射 技术是可以弥补常规无损检测不足,实现机构状态的在线检测、监测。声学监测和 诊断技术是近些年来发展起来的新技术[2]。 研究声发射检测技术在起重机回转机构上的应用,更好地对声发射信号进行分 析与解释以及如何获得检测依据的问题,这些问题的解决对于声发射技术在实际中 的应用具有十分大的实际应用价值和学术意义,同时也具有重大的社会意义和经济 效益,是未来检测技术发展的新方向之一[3]。

2.2、课题背景及研究意义

起重、安装和装卸等作业的机械设备,起重机是 一种重要的机械设备,被广泛应用于物流建筑、运输、市政建设等各种行业。从起 重机的设备本身和使用环节的安全性方面来看,起重机的危险性都高于其他的特种 设备。例如起重机的钢丝绳、卷筒及钢丝绳压板、吊钩、

减速器齿轮、制动器、车 轮与轨道[1]。如果起重机在作业过程中发生事故,会严重影响了起重机的工作,甚至 发生事故和引起人员伤亡。目前在我国,起重机安全管理工作倍受重视,安全检测 也已经形成制度。 起重机械种类繁多,其中门机按用途可分为三类即装卸用门座起重机、造船用 门座起重机及建筑安装用门座起重机。起重机的结构特殊,容易产生不同类型的缺 陷,针对于不同类型的缺陷而采用各种无损检测的方法[2]。 回转机构是连接起重机底座与上部可动件的关键部件,起重机回转机构是起重 机的重要组成部分。回转机构由回转支承装置和回转驱动装置两部分组成。现代转 盘式回转支承装置主要有滚子夹套式和滚动轴承式。由于滚动轴承式支承装置具有 结构紧凑、回转阻力小等优点,国内外目前生产以及安装在门机上的多是滚动轴承 式回转支承。起重机械回转机构的连接螺栓、滚道与滚动体、齿圈等容易出现故障, 严重影响了起重机的作业和人员安全。回转机构检测技术的研究对国民经济和保障 工作人员的安全具有很大的意义[3]。

2.3、课题研究背景

长,从曾经的闭关锁国到后来的改革开放,再到现 在与国际接轨,可以说,这一路上充满艰辛与惊险。在闭关锁国时期,全国的 经济发展与成长只是在中国内部进行,海洋运输这一概念是完全不存在的,然 而,随着改革开放的开展,船舶运输的需求变的越来越重要。而港口建设在经 济高速发展的这几十年种也一直被作为国家的基础建设,快速并持续发展。经 济的发展伴随着风险与危机,在 2007 年,美国次贷危机导致全球经济危机的大 爆发。基于经济危机的影响,世界各国经济成长指标都有不同程度的衰减,而 其导致的最直接的后果就是各国之间经济来往与货物流通量的减少。然而,随 着时间的流逝,经济危机转眼之间已经过去了接近七年的时间,各国的经济已 逐渐恢复并展现出新的活力。我国作为世界上资源储备及制造大国,与世界各 国之间的经济交流与货物来往非常密切与频繁,因此,港口建设一级船舶运输 在我国经济发展中仍然同以往一样仍旧起着不可替代的作用。 中国不仅地大物博,海岸线也有近 32000 公里,经过几十年的发展,前辈 专家们根据人口、经济需求与地

理位置的综合考虑,在这近 32000 公里的海岸 线上分别建设了许多用于货物运输的港口,其中包括:秦皇岛港、天津港、烟 台港、宁波港、青岛港、连云港、大连港、上海港、厦门港及广州港等世界闻 名的大型优良港口,这些港口都为祖国的经济建设与发展做出了不可磨灭的贡 献。除了海港之外,在长江与黄河沿岸也修建了许多内河港,简化了货物由沿 海向内地运输的过程。这些港口之所以能够高效、协调的完成货物运输与配送, 都与在港口之上不停忙碌的港口起重运输机械密不可分。港口装卸总的来说可 以分为四大步:首先,货轮抵达港口,根据货物性质的不同选择合适的卸船机, 一般来讲,主要分为岸桥与连续式卸船机;其次,货物卸下后,需要将货物运 送至指定地点进行保存,此时,主要运输工具有连续式运输机械或者是拖挂车 等;再次,货物运送至堆场,在堆场中也会有相应的装卸工具,将货物码放整 齐;最后,为了将货物输送至各个市场,堆场也配备了对应的装车机械。因此, 港口装卸工具在港口运输与配送中起着关键性作用,可以说没有港口装卸工具 1 就没有高速发展的经济贸易[1] [2]。 当然,门座起重机除了应用在港口装卸外,其在造船厂、钢厂等,只要有 堆场和需要装卸物料的地方,就有门座起重机的身影。图 1-1 为门座起重机的工 作图。 图 1-1 门座起重机 门座起重机作为最早出现的起重运输机械机型之一,在港口装卸中显得尤 其重要。门座起重机有着应用范围广泛,可以通过改变吊具来装卸不同形式的 物料,除此之外,门座起重机还有作业效率高、流通性强等优点,深受各大港 口的喜爱。但是,随着门座起重机的应用越来越广泛,关于门座起重机的各种 问题也随之涌现,因此,相关专业人士对门座起重机的研究是永无止境的。

2.4、课题背景

计计算软件是徐工集团徐州重型机械有限公司近期开发 的新项目。由于履带起重机规格繁多,机构复杂多样,设计工作量很大,采用 传统的手工设计方法已不适应现今高质量、高速度、高效益的发展趋势。随着 计算机技术的不断应用与发展和 CAD 技术在工程机械各个领域的渗透,履带起 重机的设计也必然要与计算机相结合,应用先进的编程方法和先进的

计算方法, 提高设计和计算精度,缩短设计周期。因此迫切需要开发一个计算程序,目的 就是对以往的计算方法进行归纳整理,并编制可视化程序来缩短计算、选型和 校验时间,提高计算的准确性,降低计算的复杂性。通过设计人员不断修改参 数并查看计算结果,借助设计人员的经验进行机构的设计和选型,进而达到优 化的目的。为此,徐州重型机械有限公司与吉林大学机械学院联合,就上述问 题开展研究。本论文所研究的内容就是针对上述这个具体生产实际课题而开展 的。

2.5、课题研究背景

展的不断深入,海洋运输已经成为国家和地区之间 最主要的物流方式,据统计,占国际贸易运输总量的 2/3,我国进出口货物的近 90%都是通过海洋运输。与此同时,国家逐渐将重心从陆地向海洋倾斜,重视海 洋的开发利用, “以海撑陆”、”以洋补海”,大力拓展海洋空间,把海洋建设 成为补充和接替我国食物、能源、淡水、金属矿产和空间等资源的战略性基地。 这都促进了船用起重机的迅猛发展,而且,许多海洋工程装备要求模块制造, 分段拼装,建设施工周期缩短,这种发展趋势要求船用起重机随之不断大型化[1]。 大型船用起重机为了扩大作业范围和增加操作灵活性,一般都要求能够全 回转作业,所以起升、变幅、回转是必须的动作。回转支承不仅实现回转动作, 而且连接上部臂架、转台,将起升载荷、臂架和人字架等结构自重载荷传递到 下方支承圆筒,因此是起重机的核心构件之一,其设计的好坏直接决定着整机 的性能甚至是成败[2]。 目前回转支承的形式主要有滚动轴承式、带有平衡梁的台车式和滚子夹套 式。滚动轴承式由专业厂家生产,设计中只需要计算选型即可,目前国内主要 专业厂家有洛阳轴承厂、徐州罗特艾德回转支承厂和马鞍山方圆回转支承厂等, 最大的回转支承滚道中心圆直径可达 6 米左右;然而目前一些大型挖泥机斗容 达到 30m3~50 m3,起重量 200t 左右,大型的浮吊起重量为 7000-8000t,整体滚 动轴承式难以承受如此大的力和力矩,而且在防腐蚀、维修方面也存在诸多不 适应[3-4]。带有平衡梁的台车式可以通过平衡梁将载荷传递给滚轮,工作原理类 似于门机的运行机构,所以轮

压能够保持比较均匀,然而其结构形式比较复杂, 只能通过加多滚轮的数量进而得到足够的承载能力,但是这样就会有多级平衡 梁,加大了回转支承的高度,重心也会随之升高,使得起重机工作时危险性增 加。滚子夹套式回转支承可以加大回转半径或者使用多排滚子来承受载荷,保 证回转支承整体高度不会太高,其加工制造较滚动轴承式方便,而且在某个滚 子不能工作时,可以方便的将其更换,其他的滚子继续使用,因而这种形式被 广泛的应用在大型的船用起重机中。图 1-1 为滚子夹套式回转支承在一大型挖泥 1 机上的应用。滚子夹套式的困难在于找出滚子压力的分布规律或者提供一种有 效计算方法,尽可能的使轮压均匀的分布,因此,深入的研究大型船用起重机 滚子夹套式回转支承的受力状况是十分重要的。 图 1-1 滚子夹套式回转支承

2.6、研究背景

年随着国民经济的发展十分强劲,大型建筑必不可少的塔式起 重机具有工作效率高、适用领域广、起升高度大、工作幅度大、操作简便和安装简单 等优点(图 1-1 为塔式起重机主体结构示意图)。作为大型机械设备,塔机发生故障 不可避免,抛开塔机因操作工操作不当引起的事故外,塔机的机械配件如吊钩、滑轮、 齿圈等都会引起它的机械故障,表 1-1 为塔式起重机常见机械故障的分析判断及排除 方法。齿圈主要应用于回转机构和减速器中,如表 1-1 所示塔式起重机 5 类常见的机 械结构故障中,齿圈损坏作为一个常见故障肯定会影响到塔式起重机的正常工作[1]。 塔式起重机自身结构的特点决定了其危险性,而且齿圈损坏后的维修方法大都都是直 接更换齿圈。但是,大齿圈价格昂贵,生产周期长, 拆装大齿圈需要对上部机体进行拆 分、顶升,且大齿圈的拆卸、换装操作繁琐,这些在实际工作中都是费时费力,经济 性低,安全性也低。 图 1-1 塔式起重机主体结构示意图

2.7、机构编制研究背景

对一个国家政权的兴衰存亡有很大的影响。古今 的统治者都十分重视机构编制管理工作,对机构的超员和新机构的增设,统治者 都制定了相应的制度进行约束。从新中国成立以来,至今还没有完全制定出与机 构设置、职能匹配和人员编制相配套的法律、法规。虽然党、三令五 申地下文,要求不管什么单位和个人严禁擅自增设机构、增加编制、超配干部, 但现实状况却不容乐观,超编进人,超职数配备干部,随意增设机构的现象在各 地各级屡禁不止。目前,为了精简各级的财政供养人员,有效杜绝”精简、 膨胀,再精简、再膨胀”怪圈的出现,切实管理好国家的机构编制,专门印发 了《关于进一步规范和加强实名制机构编制管理工作的通知的决定》[1]。. 今天,随着经济社会的快速发展,随着计算机软硬件技术的广泛应用和网络 技术的高速发展及普及,信息化使我们的人类社会进入一个新的时代。国家机构 编制管理的运行模式要适应社会的发展,必须要适时进行调整和创新,否则国家 机构编制管理的效果就要受到严重影响。其次现在在各级机构编制管理单位 中,主要是靠人力手工工作,给机构编制管理工作人员带来繁重的工作压力。因 此结合对现代社会的信息化、国家机构编制管理的最新认识与理解和现在的改革 旗帜下的创新机构编制管理模式[5],开发一个基于实名制国家机构编制资源管理信 息系统,来初步实现人力各级机构编制日常管理的的信息化。这也是创立富 有中国特色的国家行政管理体系的重要体现。具有高效的、各种功能齐全和结构 1 合理、运转灵活又十分协调的特点,是建立现代”阳光、高效”的重要前提, 同时对各级的工作效率的提高有非常重要作用。

2.8、研究背景

业银行提供金融服务、展示企业形象的基础性平台,其 运营情况的好坏直接反映了银行核心竞争力的高低。而机构管理模式是任何一 个商业银行重要的组成因素,它不仅影响着商业银行人、财、物等资源的分配 以及经营活动的开展,同时也决定着业务流程和部门职责分工协作,对商业银 行至关重要。从 1985 年商业银行的组织体系形成以来,工农中建

等四大国有银 行分别对自身组织机构进行了多次、持续地调整,目的就是为了最大限度地适 应市场变化和业务发展的需要。 由于市场竞争程度、客户水平及消费需求的不断提升,不同阶段网点定位 不同,运营管理的方式也有所不同。建行吉林省分行对长春城区机构管理模式 就是根据不同阶段的发展要求,在不断调整和探索中。从总分行制的四级管理 架构,到个人银行业务的事业部制管理,再到不同阶段的扁平化管理,可以说 最近 10 年里,长春城区机构一直处于调整之中。每次机构管理模式的调整,都 会促进相关业务的快速发展。当今面对互联网金融的迅猛发展,市场信息瞬息 万变,行业竞争更加激烈,采取何种管理模式才能适应和跟上这种变化,发挥 机构整体的竞争效能,是银行管理者应该考虑的主要问题。 机构管理模式改革的预期效果如何,主要取决于改革方案是否科学合理、 改革模式是否与国际先进模式保持一致、公司规模和员工素质、以及企业文化 特性、公司自身技术条件和管理手段等等。因此在设计和实施机构管理模式改 革过程当中,必须充分考虑内外部的各种利弊因素,积极、主动营造有利于机 构管理模式改革的氛围,努力提升广大员工素质和适应变革能力,为机构管理 模式调整创造更好的整体内外部大环境。 营业机构是一个服务行业的立足之本,作为一个国有大型商业银行,作为 一家在和上海的两栖上市公司,建设银行的营业机构管理模式、规划布局 1 和网点形象是否能够最大程度地贴近客户,提升客户的信赖感、忠诚度、提高 建设银行的品牌形象,对建行的各项业务发展能够起到隐性的、至关重要甚至 是决定性的作用,成为关乎建行今后若干年发展的战略性工作,因此,机构管 理模式研究必然成为长远规划中的重中之重。 无论对于商业银行,还是任何一个经营组织,机构管理模式的选择受多种 因素的影响,从长远上看不存在绝对正确的管理模式,但只要是这种管理模式 能够充分发挥营业机构的营销功能,建立起服务专业化、功能差别化的分销渠 道体系,加强营业机构的规范化、科学化管理,优化机构布局,有效配置资源, 最大限度地提升本机构的核心竞争能力,那这种管理模式就是先进和适合的。 因此,在机构管理模式研究中,我们要综合考虑一个城市的经济发展、城市规 划和同业竞争等因素,以及本行营业机构的现状和未来发展方向,不断学习和 借鉴同业、中外金融机构管理模式的先进做法,取长补短,不断改进和完善自 身机构管理模式,仍然十分必要并具有重要的现实意义。

2.9、大部制背景下的卫生计生机构合并

大部制的核心是推进职能向提供公品和公共服务转变。党的十七大 开始提出大部门改革,到 2013 年新一届组成部门减少至 25 个。原卫 生部、原国家人口和计划生育委员会合并组建国家卫生和计划生育委员会。主要 职责为统筹规划医疗卫生和计划生育服务资源配置,监督管理公共卫生和医疗服 务,组织制定国家基本药物制度,拟订计划生育,负责计划生育管理和服务 工作等②。 根据自治区机构改革和职能转变方案,自治区卫生厅、自治区人口 和计划生育委员会合并组建为自治区卫生和计划生育委员会后于2014年11月确 定了新机构的”三定”方案,规定了机构设置标准,体现了优势互补,理顺了职 责交叉,自治区卫生计生行政机构完成合并。但是离真正实现两部门管理职能、 资源、服务资源和地县乡村各级卫生计生机构资源的优化整合也还很远,仍 需在按照国家要求、借鉴内地经验基础上,结合实际扎实推进。

2.10、课题研究背景及意义

随着世界经济和各国对外贸易需求的高速发展以及对各种资源的需求量日益增 加,船舶航运业的需求不断增长。据目前的统计数据,全球的国际贸易运输的总量 80%~90%是通过海运来完成的,从而可以推导出海上运输安全直接影响着我国的经 济安全。从经济类型上考虑,我国已经从传统的型经济向海洋型经济转型。随着 海运航线的不断增加,航行船舶的数量不断增加,航行的密度也不断增加,且船舶日 益大型化、效益化,也使得世界航运业的事故率上升,水上运输的特性使得其本身具 有高风险性。同时船舶在航行中因稳性丧失导致船舶沉没,造成货物损失和人员伤亡 等重大事故。 根据船海事统计,从 1980 年至 1994 年末,世界共有 413 艘滚装船因事故造成 2600 余人死亡。从 1990 年到 1997 年 5 月,全球有 99 艘散货船失事,一共夺去了 654 名船员的生命,上千万吨货物受损。[1]其中 1994 年 9 月 28 日,一艘载有 867 名乘客 的客轮”爱沙尼亚”号在芬兰西南部

波罗的海海域沉没,事后分析是因在风大浪高的恶 劣天气条件下所载货物发生位移至使船舶发生倾覆,事故共造成船上乘客和船员共 9 人遇难,幸存者只有 141 人[1~2]。 1999 年 11 月 24 日,客轮”大禹号”在烟台开往大连的途中,在调头的过程中因受 正横风的影响,外加船载车辆系固不当,船舶发生颠簸、摇摆造成车辆移位而相互碰 撞起火,消防系统往船舱内灌水。由于排水不畅形成自由液面,海浪中船舶 GM 值减 小,船舶稳性丧失,造成船舶左倾有 302 人,导致 280 人遇难只有 22 人获救, 成为了新中国建立以来最大的海难事故。[3] 同年 10 月 2 日在浙江舟山海域,”海星 6 号”玻璃钢高速快艇在由沈家门半升洞 驶往普陀山途中,因驾驶台前窗窗框被大浪击落,导致船舱大量进水翻沉,造成 7 人 死亡的重大事故。事故调查报告表明,”海星 6 号”处于前方航行船舶尾波叠加形成的 横波波系中航行,当处于横波波谷之上时,船舶水线面面积大量损失致使复原力矩大 幅度减损。[4] 据统计,全世界平均每年灭失的 500 总吨以上的船舶总数超过 300 艘,发生碰撞、 搁浅、触礁等水上交通事故的船舶更是数以万计,船舶航行中的安全已经引起了行业 的广泛关注。[5]在对近几年重大船舶事故的事故报告分析得到的结论,在风浪中稳性 的突然丧失是导致船舶倾覆的主要原因。 根据我国《水上交通事故统计办法》(2002 年)中对船舶交通事故所做的分类同国 1 际海事组织(International Maritime Organization - IMO)关于水上交通事故的分类均将 船舶稳性事故作出了细致的分类和事故等级评定,因此掌握船舶的稳性变化,是保证 航行安全的重中之重,稳性是船舶航行同时也是船舶设计、船舶检验的主要内容之一。 研究船舶在各种外载荷及海况下航行时的稳性,探寻船舶稳性的各种规律,分析船舶 的倾覆概率及稳性丧失原因,为船舶设计提供更多的参考和为船舶驾驶人员提供科学 合理的规避指导方案及理论依据,指导船舶远离危险,提高船舶航行时的安全性,减 少人员伤亡和货物损失,具有较强的现实意义。

2.11、大型磨机回转体疲劳寿命研究的背景和意义

技术的研发,以加速产 品的更新换代,矿山机械行业已经取得了实质性进展,产品结构、

性能和外观不 断提高和改进,制造工艺技术水平已显著改善。但在制造质量、外观形状、设计 水平、试验手段、可靠性和寿命等方面,与国外同类产品的总体发展水平相比尚 有差距。随着国家”十二五”计划的开展,实现机械工业的整体转变,必须加快 加深矿山机械的开发与研究[1]。 磨机作为一种重要的矿山机械,在建筑、冶金、机械、水利电力等行业中具 有举足轻重的作用[2]。随着我国各项建设的蓬勃发展和改革开放的不断深入,各 行各业都发生着改变,矿山机械行业也不例外,而其中体现在磨机上的变化主要 有二个方面:一是新型磨机向着特大型、高参数发展,生产效率和运行速度也有 了极大提高,二是现有磨机为满足不断增长的生产需求而长期处于满负荷、高速 运转的工况下。 面对这些变化,我国矿山机械行业做出的应对,实在是乏善可陈。目前国内 对于大型、特大型磨机的设计只有理论计算方法,没有成熟理想的安全设计方 法,如:在疲劳寿命研究方面,现在还没有满足多工况的载荷谱;磨机动特性的 研究也仅仅停留在理论分析阶段,急需实验研究和验证等[3]。此外,由于磨机长 期处于重载和交变载荷状态下工作,容易产生安全隐患,若没有及时发现,有可 能导致安全生产事故发生[4]。尤为值得关注的是大型磨机的安全使用时间至今没 有国家标准,企业中现有的磨机大多已经服役多年,其疲劳寿命的问题是企业亟 待解决的问题[5]。 目前,我国有数以千计的大型磨机在役,其结构复杂,工况多变,某些重要 构件经常在承受的载荷远小于设计许用载荷的情况下就出现裂纹,由此引发的突 发性结构断裂事故时有发生[6]。大型磨机的疲劳安全寿命问题己成为国家矿山机 械行业所面临的重大问题之一。因此,对大型磨机的结构进行结构强度和疲劳寿 命分析,编制大型磨矿设备结构强度现场测试、数据处理方法标准及结构可靠性 与疲劳寿命预测评价规范标准并作为后续大型磨机结构的设计规范,对于提高企 业的生产效率、保证企业安全生产、降低成本、提高经济效益等,都具有十分重 要的意义。 1

2.12、本论文研究背景和研究现状

亡(apoptosis)后,当前生命科学领域研究的热点,Pubmed 收录的文献最近几年呈逐

渐增长的趋势。‘autophagy’一词来源于希腊字母‘phagy’, 意思是”吃”,‘auto’意思是”自己”[1]。自噬不仅可以维持细胞的生长、发育以及稳 态平衡[1],而且其在疾病的发生发展中发挥着重要的作用。 2004 年一篇有关介绍自噬的综述发表在《Science》上,且排名第一。2005 年出版 了第一本自噬杂志《Autophagy》,随着 2007 年第一次自噬国际会议的召开,自噬的研 究很快被推向了新高潮。2007 年至 2012 年短短的六年中,有关自噬的文献大量涌现。 程序性细胞死亡(programmed cell death, PCD)是指有机体在生物进化的漫长过程 中出现的一种正常的死亡过程,是在生物体个体发育过程中不可或缺的一个步骤,细胞 受到内、外环境因素刺激时,可清除无用的、多余的或癌变的细胞,因此它在维持机体 内环境稳态方面发挥重要作用。细胞凋亡和细胞坏死是我们所熟知的两种程序性细胞死 亡形式,然而,近年来,一种新的非依赖性的细胞凋亡形式引起了越来越多细胞生物学 家的关注,并将其称为 II 型程序性细胞死亡(亦称自噬性细胞死亡)。形态学上,该细 胞死亡显示一种大规模的自噬体聚集现象[2]。目前研究表明自噬性细胞死亡与多种疾病 的的发生发展具有密切的联系,尤其是肿瘤,这可为某些疾病的治疗提供潜在的临床应 用价值。 miRNAs(microRNAs,又称微小 RNAs)是一类内生的、发夹结构的、长度约 18~ 25[3]个核苷酸(nt)的小单链 RNA,与其它蛋白质编码基因的 mRNAs 转录本反向互补。 1993 年在秀丽隐杆线虫(C. biggsae)中发现首个 microRNAs lin-4,该基因负 LIN-14 蛋白的水平[4]。lin-4 基因是一种转录长度为 22nt 的小 RNA,虽然此 RNA 不能编码蛋白 质,但它可以胚胎后期的发育[5]。2000 年,Reinhart 等又在线虫(C. elegans)中发 现第二个 microRNAs Let-7,该基因可转录长度为 21nt 的小 RNA。2002 年在植物中也 发现了 microRNA。伴随研究的发展,越来越多的小 RNA 不断被发现,除 lin-4 基因和 let-7 基因外,将这种具有表达特异性的非编码小 RNA 分子统一命名为 microRNAs。近 几年来,相关研究人员在线虫、果蝇、斑马鱼、拟南芥、单细胞生物绿藻、病毒、人、 小鼠等多种物种中皆发现相类似的 microRNAs。迄今为止,Sanger microRNA 序列数据 1 库(miRBase)中已公布了 15000 多个 microRNAs。microRNAs 参与了多种生物学过程, 从发展,分化,凋亡,增殖到衰老和代谢[6]。越来越多的研究发现,microRNAs 在疾病 的发生

发展中扮演着重要的角色。microRNAs 与疾病之间的关联性最早是在癌症中发现 的。近几年国内外研究证实,microRNAs 还与其他多种疾病有关,例如神经退行性疾病、 心脏疾病、病原体感染等。因此对于 microRNAs 的研究已经成为国内外研究的热点问 题。 尽管在生物体中发现了上百个有重要作用的 microRNAs,尤其是一些 microRNAs 与细胞的信号通路有密切的关系,但仍有许多 microRNAs 的功能作用仍未可知。随着 生物信息学的广泛应用,预测未知 microRNAs 与信号通路之间的关系,这为进一步探 索 microRNAs 的生物学特征提供一种新的方法。有文献报道[7]通过构建”genome-wide miRNA-pathway”网络预测了 276 个人类 microRNAs 与 26 个致癌通路之间的关系,这 些信号通路包括 Myc 信号、IFN 信号、STAT 信号、P53 信号。 人类在太空环境中行走时会遭受多种因素的影响,其中最重要的影响因素是空间辐 射和微重力,因此成为影响航天员健康的关键问题之一。微重力(microgravity)即能影 响细胞代谢、信号传导等,也能与太空辐射协同作用进而引起更大的危害[8]。在过去 50 年里,微重力条件下所产生的生理变化仍是科研工作者关注的热点。随着研究的发现, 微重力造成的最重要的生理变化有[9]:骨萎缩、前庭问题导致的空间运动病、心血管问 题引起的飞行后立位耐力不良(postflight orthostatic intolerance)以及血浆和红细胞容量 的减少。最近研究已表明微重力对神经系统的影响主要表现为氧化应激(oxidative stress)。尾吊大鼠模拟微重力,14 天后,发现全脑、额皮质、小脑、脑干脂质中过氧化 水平增加[10]。小鼠中也有发现相似的结果,尾吊 7 天后的小鼠,脑干以及额皮质中总氧 活性(reactive oxygen species, ROS)水平明显增多[11]。有文献发现回转器诱导的微重力 可以使大鼠神经样细胞 PC12 的氧化应激水平明显增加[12]。回转模拟微重力条件下人神 经母细胞瘤(SH-SY5Y)细胞中氧化应激水平也显著升高[13]。也有文献表明模拟微重力 诱导 PC12 细胞衰老是由于氧化应激水平的增加[14]。随着 microRNAs 研究的不断进展, 已有研究表明太空飞行后,肌肉组织中某些 microRNAs 的表达水平会发生明显的改变。 综上所述,氧化应激作用在微重力对神经系统影响中起着重要的调节作用。 随着生物信息学在 microRNAs 领域的应用,预测微重力条件下神经细胞中 microRNAs 的表达变化,从而可以从 microRNAs 基因表

达变化角度进一步阐明微 2 重力对神经细胞产生影响的分子机制。而且最近已有文献利用生物信息学的方法建立起 microRNAs 与自噬之间的关系,并通过生物验证确立了这种关系,例如,Zhu[15]等首次 报道 microRNAs 与自噬之间的相关性,即 miR-30a 过表达可以降低细胞的自噬活性; 心脏缺血再灌注损伤中 miR-204 可心肌细胞的自噬[16]。随着研究的发展,更多的 microRNAs 与自噬的关系将会被进一步研究。目前有文献报道回转模拟微重力可使 细胞自噬的表达发生变化,然而,模拟微重力条件下 microRNAs 对细胞自噬的影响国 内外尚未见报道。因此通过生物信息学方法建立起”微重力-microRNAs-自噬”之间的 关系,筛选微重力条件下与自噬相关的 microRNAs,并通过生物实验手段确实它们之间 的关系,这不仅进一步阐明了 microRNAs 的分子机制,同时也为航天疾病的发展奠定 一定的理论基础。

3、研究意义

3.1、研究背景及意义

要的基础部件,也是最容易损坏的旋转机械部件之一, 据统计,旋转机械的故障有 30%是轴承故障引起的[1]。由于设计不当或者安装过程中 的人为因素的影响,或者轴承的使用条件不佳,亦或者突发载荷的影响,使轴承在 承载运转一段时间后会产生各种各样的缺陷,并且在进一步运行中进一步扩展,使 轴承运行状态发生变化,从而导致机械设备损坏或者停机,因此对大型起重机滚动 轴承的无损检测尤为重要。 常规的无损检测方法存在对被检对象得几何形状的要求较高、需要接近备件对 象、只能进行小范围内的局部扫描、甚至需要停机测试等不足,而大型起重机机构 庞大,形状复杂,工作环境恶劣。因此这就要求发展一种新的无损检测技术来弥补 传统起重机无损检测的不足,声发射技术便走进了人们的视野。利用声发射无损检 测技术接收来自材料的缺陷自身产生的信号,而不检测非扩展的无危害缺陷,声发 射技术对被检测对象的几何形状、尺寸不敏感,对大型结构能够进行大面积、整

体 性的检测,在一次实验中能够整体探测和完整评价整个结构的活性缺陷的状态,声 发射检测技术能够在线监测活性缺陷,可以减少检验中不必要的停机。所以声发射 技术是可以弥补常规无损检测不足,实现机构状态的在线检测、监测。声学监测和 诊断技术是近些年来发展起来的新技术[2]。 研究声发射检测技术在起重机回转机构上的应用,更好地对声发射信号进行分 析与解释以及如何获得检测依据的问题,这些问题的解决对于声发射技术在实际中 的应用具有十分大的实际应用价值和学术意义,同时也具有重大的社会意义和经济 效益,是未来检测技术发展的新方向之一[3]。

3.2、课题背景及研究意义

起重、安装和装卸等作业的机械设备,起重机是 一种重要的机械设备,被广泛应用于物流建筑、运输、市政建设等各种行业。从起 重机的设备本身和使用环节的安全性方面来看,起重机的危险性都高于其他的特种 设备。例如起重机的钢丝绳、卷筒及钢丝绳压板、吊钩、减速器齿轮、制动器、车 轮与轨道[1]。如果起重机在作业过程中发生事故,会严重影响了起重机的工作,甚至 发生事故和引起人员伤亡。目前在我国,起重机安全管理工作倍受重视,安全检测 也已经形成制度。 起重机械种类繁多,其中门机按用途可分为三类即装卸用门座起重机、造船用 门座起重机及建筑安装用门座起重机。起重机的结构特殊,容易产生不同类型的缺 陷,针对于不同类型的缺陷而采用各种无损检测的方法[2]。 回转机构是连接起重机底座与上部可动件的关键部件,起重机回转机构是起重 机的重要组成部分。回转机构由回转支承装置和回转驱动装置两部分组成。现代转 盘式回转支承装置主要有滚子夹套式和滚动轴承式。由于滚动轴承式支承装置具有 结构紧凑、回转阻力小等优点,国内外目前生产以及安装在门机上的多是滚动轴承 式回转支承。起重机械回转机构的连接螺栓、滚道与滚动体、齿圈等容易出现故障, 严重影响了起重机的作业和人员安全。回转机构检测技术的研究对国民经济和保障 工作人员的安全具有很大的意义[3]。

3.3、研究内容、目的及意义

总结平面回转振动机械的研究现状,分析复合轨迹的优点,根据工程中现有平 面回转振动筛,通过对其工作过程中所存在的问题进行总结,分析问题的根源 所在,提出了无机械约束的平面回转振动筛机构。 研究玻璃钢杆的材料杨氏模量及材料损耗因子。通过实验和数值仿对比, 得到不同吊杆长度的杨氏模量及材料损耗因子,为工程计算提供参考值并为其 它类同材料的测试提供了新方法,因此在实际应用中具有重要意义。 研究偏重块位置与筛体振动轨迹的关系。通过对平面回转振动筛在不同吊杆根 数吊挂、不同吊挂长度以及偏重块距筛体纵向对称面不同距离的各种工艺组合 下进行非线性机构动力学稳态分析,得到不同吊杆根数吊挂、不同吊挂长度以 及偏重块在筛体上不同位置的各种工艺组合下,筛体上不同点的运动轨迹图 谱,根据工艺要求选择合适的轨迹,进而确定偏重块的位置,将偏重块设计成 可移动式,还可达到一机多用的目的,对工程实际具有指导意义。 研究玻璃钢吊杆的根数及长度对启动过程振振幅大小以及启动时间长短 的影响。确定偏重块的位置后,在不同吊杆根数吊挂以及不同吊挂长度的各种 工艺组合下,对平面回转振动筛进行非线性瞬态机构动力学分析,得到筛体在 11 各种工艺组合下通过共振区时吊挂点处的最大共振振幅及筛体通过共振区达 到稳态时的所需要的时间长短,进而在不同的工艺组合中选取能够满足加工工 艺要求的组合,确定所需玻璃钢吊杆的根数及长度,对工程实际具有指导意义。

3.4、研究意义

高空作业平台是高空维修的主要设备之一,能将工作人员和相关设备运送到指定 位置进行作业,主要包括伸缩臂机构、旋转机构、行走平台、驱动装置和操纵装置, 具有操作方便、作业稳定和安全可靠等功能。 本课题是与某电器有限公司合作,针对变电站某种类型互感器的吊装和高空维修 而联合开发的一种新型多功能高空作业平台。为了适应变电站现

场的特殊环境,克服 现有设备的相关缺陷,考虑到经济成本、搬运和存储方便、操作简便、现场实用性强 等特点,基于现有高空检修设备的基础上,研制了一种集高空作业平台和起重机于一 体的体积小、轻型多功能高空作业平台,具有安装、高空检修、梯子、吊装以及重物 搬运的功能。 本多功能高空作业平台是一种特殊的起重机,具有轻巧方便、性能好和适应性强 等特点,能更好的满足变电站现场维修需要,快速解决现场突发性故障等问题。主要 具有以下优点: (1) 多种功能。集高空作业平台和起重机两种功能于一体,同时具有梯子、重物 搬运小车等功能,性价比高,极大的方便了用户,降低维修成本,提高企业在市场的 竞争力。 (2) 检修范围大。检修半径为 1800mm,行走平台的宽度为 900mm,大范围的维 修区域更方便作业人员进行高空检修。 (3) 体积小,重量轻。检修装置采用伸缩、组装相结合的结构形式,在储存、移 动状态(收缩状态)时,体积为 1500 × 1100×1900mm3,较同类型的液压驱动检修平台和 起重机,其体积更小,重量更轻,从而达到方便移动、储存的目的。 2

3.5、课题的研究意义

本课题的研究为起重机液压起升系统设计改进提供理论依据和参考方法, 是教育厅科技计划项目,同时又能为工程起重机械制造企业解决难题提供理论 参考。因此研究起重机液压起升机构二次起升下滑现象和提出改善方案具有很 好的现实意义。 目前对于起重机液压系统,通常采用经验公式或者类比的方法,设计结果 需要在整机完成装配、调试后才可知道系统的性能,如若设计不合理将会造成 较大的经济和时间损失,同时也增加了研发时间。通过液压仿真软件对系统进 行动态仿真,可以减少设计的盲目性,缩短设计周期,提高经济效益。 研究人员在对起重机起升机构液压系统进行优化时,对优化前后的系统进 行动态响应特性分析是很有必要的。在仿真中,通过改变液压元件的参数或者 型号,可以得出对应的系统动态特性曲线,从而了解各参数或者元件型号对液 压系统的影响,做到为系统的优化提供理论依据。在此基础上,制定液压系统 的改善方案,再次在软件中进行仿真,修正各个参数,使系统动态特性达到最 佳。本课题按照此思路,将起重机液压起升系统为研究对象,对其

起升液压系 统工程进行理论分析,分析二次下滑的主要原因,运用仿真软件进行仿真分析, 然后提出优化方案并对其进行仿真分析,验证优化方案可行。

3.6、研究塔式起重机焊接工装的目的和意义

塔式起重机是现代工业和民用建筑的主要施工机械之一。回转支承使塔机能相对于塔身作 360度自由回转,以完成各种起重作业要求,是塔机的重要结构部件[5]。但是对于塔式起重机回 转支承的焊接工装设计却研究较少,因此设计一套适合回转支承结构特点的焊接工装具有重要 意义[6]。 本文针对某型塔式起重机回转支承的上下支座,设计了一套焊接工装模板,可减少焊接变 形,保证产品质量,提高上下回转支座装配过程中的互换性以及焊接工作效率,缩短产品制造 周期,降低生产成本。

3.7、论文主要内容和研究意义

如前文所述,起重机市场容量巨大,竞争激烈,国外产品高度发 展,中国起重机行业之所以能够呈现黄金十年的繁荣很大程度上得益 于”中国发展,成就行业奇迹”的大环境,得益于”关注功能、忽视 6 长安大学硕士学位论文 性能”的客户带给厂商的”质量红利”。 可以预见如果中国发展放缓,谁的产品能得到国际市场的垂青, 谁就能立于不败之地;虽然我们已实现对沙特、巴西等新兴市场的出 口,但欧美等发达国家仍没有实质性的销售。面对挑剔的国外客户, 我们怎样与 LIEBHERR 等巨头展开竞争?即使在中国市场,随着吊 装行业的发展,客户越来越专业,越来越挑剔,三一集团董事长梁稳 根先生坦言”质量红利将在未来5到10年内消失”,我们将如何应对? 众所周知,回转系统是起重机的核心部分。本论文选择了起重机 利用频率最高、对操控性影响最大的回转系统进行研究,通过理论分 析与试验研究欲解决企业产品转台在刚度和液压系统中存在的问题, 提升回转的效果。主要研究内容是: 1、回转动作及分析:主要从回转间隙、结构件刚度、回转综合 效果等方面入

手; 2、转台优化:采取提高转台的侧向刚度等措施,提高抗冲击能 力; 3、液压系统优化:实现减少液压系统冲击的目标。 本文在理论分析的基础上,采取测试的方法量化回转效果,通过 7

3.8、机构编制实名制管理作用与意义

随着社会主义经济社会的发展与变化,整个社会环境也发生了巨大变化,政 府和机构要适应这种现实的变化,机构编制管理同样也要适应。而在目前中国的 机构编制与实有人员存在着严重的脱节现象,造成了编制与个人对应不上,出现 了很多超编、拿空响的现象,使得运行成本不断增加,因此实行机构编制实 名制管理是势在必行的。它的主要作用是使编制明晰并与人员相互对应,实现机 构编制管理与人员管理的紧密结合,其意义在于: (1) 机构编制实名制管理对于依法行政、强化监督管理非常必要。 为加强和完善机构编制管理工作,和从 2002 年到 2007 年接 连下发了四个重要文件,2007 年 5 月又下发《机构编制监督检查工作暂行规定》, 这些文件的出台对强化人员调配以及对机构编制管理起到了监督检查。 (2) 机构编制实名制管理有利于整合职能部门的管理方式 当前实际中各个部门在多项环节上分别行使了机构编制管理的职能,这 种管理方式是一种割裂、冲突的方式,费时费力,也达不到应有的效果。在经济 社会发展的大背景下,机构编制实名制本身的要求和作用,促使组织、编制、人 事、财政等部门能充分连接,相互协作共同完成机构编制管理的功能。 (3) 机构编制实名制管理控制了人员编制增加 对于国家机构和建设而言,机构编制人员的无序增长,带来的是一场灾难。 如何控制编制、精简人员就成为当务之急。 (4) 机构编制实名制管理利于加强自身建设。 5 机构编制管理是管理的重要组成部分,理顺机构编制管理是深化行政管 理改革、加强自身建设的重要环节[1]。从创新空间来看,控制机构、编制 和实有人员增长是地方的重要职责。

3.9、机构编制系统研究意义

1.3.1 编制管理远程联动能使管理高效化 作为国家行政管理的源头位置机构编制管理工作,鉴于国家机构机制的 原因,自身的能力和资源非常有限,所以需要组织、人事、财政等相关部门共同 参与、协调管理,方能有效地完成整个行政管理的全过程。事实上,目前机 构编制管理部门与组织、人事、财政等行政部门,虽然有一定的业务联系,但由 于各自职能的相对,多方联动效果不能够有效地实现。 随着互联网技术的发 展和广泛应用,国家行政管理工作的各个环节得到了有效连结,方便了国家机构 2 编制联动管理,从而达到信息共享、底数清晰的效果,使得管理系统化、高效化。 1.3.2 提高编制管理质量 “三定方案” 是机构编制管理的核心内容。机构编制工作者都应该知道,要根 据职能设立相应机构,核定编制数。 从编制管理学角度看:”职能的产生取决于经济社会发展的客观需要。”因此, 根据经济社会发展的客观需要来确定职能数。但发展变化的社会市场经济,仅靠 有限的机构编制人员,在人力、能力上都不可能完成。故在机构编制管理的实际 工作中,偏重于事前审批,但审批前的职能确定和审批后的效能管理等工作环节 受到非常严重的弱化,致使机构编制管理中出现一些纰漏,造成 “混编”、 “吃” 空饷”、 “混岗”、”超编”、” “底数不清”等诸多问题。因此机构实名编制能提高管 理质量。 1.3.3 使编制管理同步化 编制管理工作离不开统计,它不仅是一项业务,也是一种工作方法。通过人 工统计的方式不可避免地十分容易产生误差,甚至还出现领导为了隐匿管理中出 现的问题而授意修改结果,更为严重的,等统计的结果出来后,领导决策将其作 为依据时,看到的数据与实际数据发生了根本的改变,因此旧的决策依据不是非 常准确的统计结果。 通过编制系统网络的架设,编制数据库的建立,编制管理信息化得到进一步 完善和应用,所有的数据能够同步自动传输到中心数据库,并且自动更新,实现 了数据库信息的共享,以及编制管理的数据同步化处理。 1.3.4 使机构编制的管理走向制度化 社会机制和构成了制度体系的要素,体系不同,要素也不同,但要求各 组成要素之间相互协调,以实现它的功能。 面对此社会机制,即不敢也不能违背,否则就有可能受到应有的惩戒。机构 编制系统的研究,使编制管理体系循序渐进

模式更加完善,出现的”吃空饷”、 “混 编”、 “底数不清” 、”超编”等等问题得到有效杜绝。机构管理制度管理必须通过” 编制管理系统”软件的处理才能正常运转,达到了科学管理、科作、相互配合。 并形成了相对固定的机构编制管理制度。 3 1.3.5 使编制管理向服务化发展 现在的逐渐向”服务型”转变,编制信息的”不对称”就是管理地位的不 协调[7],在此背景下进行的编制管理工作,谈服务是无法实现的。 当前,各级地方成立了”一站式办公”的行政服务(中心)大厅,把带有 行政性质的管理审批职能从有关单位慢慢剥离出来;编制管理的现代信息化资源 也正由、独自管理变成向普通百姓开放、透明的方向发展,在客观上形 成了地位相对平等的服务模式。

3.10、机构运动分析的目的与意义

运动学(Kinematics)在机械工程上指的是机构运动学,一般简称机 动学或运动学,是机械设计领域的重要学科。运动学不仅只研究某一刚体 的绝对运动,而且要探讨机构各组成元件间的相对运动关系,包括位移、 速度、加速度以及影响相对运动的几何形状,不考虑运动件的质量与受力 变形情况。因此,运动学的研究对象就是机构。有了这些参数,才能分析、 评价现有机构的工作性能,同时它也是优化综合新机构的基本依据[27-30]。 通过对位移(包括轨迹)的分析,可以确定某些构件运动所需要的空 间或判断它们运动时是否发生互相干涉;还可以确定从动件的行程;考查 构件或构件上某点能否实现预定位置变化的要求。为了确定机壳的外扩尺 寸,就必须知道机构中外端点的运动轨迹和所需要的运动空间范围等等。 通过对速度的分析,可以确定机构中从动件的速度变化是否满足要求。 例如卷封机构中的凸轮从动件,要求其速度平稳,减少杯身成型器对杯壁 纸成型的冲击,使得热封机构可以准确地对杯身进行加热,保证快速、有 效地完成动作。 通过对加速度的分析,可以计算惯性力,分析机构的受到的冲击。在 高速机械中,要对其动强度、振动等动力学性能进行计算,这些都与动载 26 荷或惯性力的大小和变化有关。因此,高速机械,加速度分析不能忽略[31,32] 。 依据上述原理,本文通过对卷封机构和滚花机构的运动仿真,得到并 分析了关键

点的相关位移、速度与加速度曲线,从而为解决实际问题奠定 了基础。

4、研究目的

4.1、研究内容、目的及意义

总结平面回转振动机械的研究现状,分析复合轨迹的优点,根据工程中现有平 面回转振动筛,通过对其工作过程中所存在的问题进行总结,分析问题的根源 所在,提出了无机械约束的平面回转振动筛机构。 研究玻璃钢杆的材料杨氏模量及材料损耗因子。通过实验和数值仿对比, 得到不同吊杆长度的杨氏模量及材料损耗因子,为工程计算提供参考值并为其 它类同材料的测试提供了新方法,因此在实际应用中具有重要意义。 研究偏重块位置与筛体振动轨迹的关系。通过对平面回转振动筛在不同吊杆根 数吊挂、不同吊挂长度以及偏重块距筛体纵向对称面不同距离的各种工艺组合 下进行非线性机构动力学稳态分析,得到不同吊杆根数吊挂、不同吊挂长度以 及偏重块在筛体上不同位置的各种工艺组合下,筛体上不同点的运动轨迹图 谱,根据工艺要求选择合适的轨迹,进而确定偏重块的位置,将偏重块设计成 可移动式,还可达到一机多用的目的,对工程实际具有指导意义。 研究玻璃钢吊杆的根数及长度对启动过程振振幅大小以及启动时间长短 的影响。确定偏重块的位置后,在不同吊杆根数吊挂以及不同吊挂长度的各种 工艺组合下,对平面回转振动筛进行非线性瞬态机构动力学分析,得到筛体在 11 各种工艺组合下通过共振区时吊挂点处的最大共振振幅及筛体通过共振区达 到稳态时的所需要的时间长短,进而在不同的工艺组合中选取能够满足加工工 艺要求的组合,确定所需玻璃钢吊杆的根数及长度,对工程实际具有指导意义。

4.2、研究的目的和方法

1.2.1.本论文的内容1.2.1.本论文的内容 本文对起重机设计规范进行了深入的了解,对四连杆类型的起重机的臂架系 统、平衡系统作了深入的研究。根据臂架装置的指标要求,诸如在变幅过程中由 吊重引起的臂架力矩要小、变幅轨迹的最大高度差值要小,臂架和象鼻梁的长度 要短,人字架顶点的位置要求落在规定的范围内等等,从起重机的各种参数中, 提取了关键参数作为设计变量,应用坐标轮换法对其进行优化,并通过编程实现 了优化算法,为起重机设计人员提供了一套高效的优化工具,有效地提高了企业 生产效率[7l。 本论文的主要内容是:对四连杆式组合臂架变幅系统的主要尺寸进行优化设 计,保证物品在变幅过程中尽可能沿接近于水平线的轨迹移动;并开发出运动轨 迹模拟的可视化软件。

4.3、实验目的

前面对实验型塔机进行了有限元分析,主要分析了塔机在起吊重物离地起 升工况下起升动载系数产生的原因、过程、计算结果等,当然,为了便于分析, 论文中做了必要的简化和假设,而塔机本身的结构比较复杂,加上其动力学分 析的复杂性,理论分析的结果可能有所偏差,为了验证分析的正确性,本文对 实验室已有的 QT810 型塔机进行了动态载荷实验分析。

4.4、课题研究目的及意义

由于目前起重机设计重复率高,并且起重机运行机构中系列化、标准化零部件 较多,因此本课题以建立桥式起重机运行机构的参数化 CAD 系统为目标,利用三维 设计软件建立零部件模型,在此基础上实现零部件的选型、校核、装配、干涉检查 等工作,可以更直观、形象、全面的反映设计意图。

4.5、研究塔式起重机焊接工装的目的和意义

塔式起重机是现代工业和民用建筑的主要施工机械之一。回转支承使塔机能相对于塔身作 360度自由回转,以完成各种起重作业要求,是塔机的重要结构部件[5]。但是对于塔式起重机回 转支承的焊接工装设计却研究较少,因此设计一套适合回转支承结构特点的焊接工装具有重要 意义[6]。 本文针对某型塔式起重机回转支承的上下支座,设计了一套焊接工装模板,可减少焊接变 形,保证产品质量,提高上下回转支座装配过程中的互换性以及焊接工作效率,缩短产品制造 周期,降低生产成本。

4.6、研究目的和意义

随着国民经济和现代化建设的不断发展,高层建筑越来越多,建筑高度也 越来越大,使得塔式起重机成为不可或缺的重要施工机械。现代工业建设的迅 速发展和市场竞争的加剧,要求塔机的起重力矩不断增大、工作速度不断提高, 同时又要求机械结构尽量轻,这些都使得机器的柔性加大,静强度、静刚度分 析已经不能满足塔式起重机设计和使用的要求。另一方面,随着现代科学技术 和现代机械设计方法的迅速发展,机械产品的设计和生产已经进入一个崭新 的阶段,机械产品结构件的动强度问题成为强度设计的主题之一,动力结构 不断向大型、高速、复杂和轻量化发展,由此带来的振动问题更为突出。因 此,研究塔式起重机的动态特性,发展动态设计方法,越来越受到研究人员 和工程设计人员的重视,从发展的观点看,静态设计必然要被动态设计所取 代[1-3]。 塔式起重机是一种间歇式工作机械,工作中运动状态和荷载的变化,将会 引起机构﹑结构和整个系统的冲击和振动,它们将不同程度的影响零件寿命﹑ 结构可靠性以及司机的疲劳和安全。因此准确描述和精确计算塔机结构体系在 外激励下的动态过程,从而为塔机的设计、生产提供理论上和实践上的指导, 对于塔机的经济性和安全性都具有非常重要的意义[4]。 塔式起重机的回转机构在起制动时会产生绕塔身的扭转振动,经常会造成 塔机结构损伤甚至破坏。有限元分析表明,在静载荷作用下,塔身整体受弯矩 作用,主要受力构件为塔身主弦杆,腹杆受力较小,塔身的弯曲刚度由主弦杆 决定。而通过回转起制动扭转振动分析,发现塔身腹杆的动应力较大,即在扭 矩作用

下,塔身腹杆受力较大,因而有必要计算腹杆体系在扭转振动状态下的 动应力。在扭转振动工况下,吊臂是一双向压弯构件,既有重力产生的起升 (垂直)平面内的弯矩,也有回转惯性力产生的回转平面(水平面)内的弯 矩,同时还有吊臂拉杆引起的轴向力,受力情况较复杂,更需要进行详细计 算[5-6]。目前,国内外塔式起重机的设计规范中对结构的动态分析都是采用动 载系数法。动载系数法是将静载乘以一个主要由工作速度决定的大于 1 的动 - 1 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 载系数,而后按静载方式作用于结构进行计算。动载系数用实测统计、模型 或部件试验,或简化模型分析而确定。这是一种实用的计算方法,好处是简 便易行,现阶段易被工程技术人员接受,但该方法也存在着许多问题[7-9]。 首先,从理论上说,塔机结构是一个无限多自由度的体系,在外激励的 作用下,结构将产生频率不同相互正交的各阶振型的振动,结构总的振动就 是由无限多的这种振动叠加而成。由于各阶主振型对外激励的响应互不相 同,主振型下的内力分布状态与静态内力分布状态又不完全相同,因此,实 际结构各断面内的最大动态内力与静态内力并不成比例[10]。 其次,就起重机整体而言,不同的机型、不同的起重量、不同的工作幅 度、不同的工作速度,其动载系数是不一样的。目前,我国《起重机设计规 范》(GB 3811-83)和《塔式起重机设计规范》(GB13752-92)里规定的动 载系数取值对这些不同之处未加考虑,均是参照门架式起重机的计算模型取 值,这显然是不合理的。门架式起重机可以简化成两自由度弹簧-质量系统, 其模型精度较高,而塔式起重机无论怎样简化,都是一个多自由度系统,因 此两者的动态响应区别很大[11-12]。 第三,塔机的不同部位或构件,其动载系数也不一样。实测表明,港口 门座起重机的各部位动载系数均不同:吊钩为 1.10~1.50,臂架为 1.25~ 1.68,而门架为 1.50~3.50。塔式起重机也与此类似:吊钩为 1.05~1.25, 臂架为 1.35~1.85,塔身根部为 1.45~2.22[13-14]。由此可见,对整台塔机选 取同一动载系数是不合理的,会使有些构件过于安全造成结构笨重,而有些 构件强度不足出现安全事故。 因此,我们有必要深入研究塔机的动态特性,根据塔式起重机的实际结 构建立正确合理的力学模型,直接计算各部位或构件的动载荷,提高动态分 析水平,使塔机结构设计更趋合理,从而保证工作安全,提高产品的工作性 能和市场竞争能力。

4.7、试验目的

起重机回转支承裂纹检测受到结构自身运动受力等方面的影响,为便于声发射检测 的实施,需预先制定起重机回转支承裂纹检测试验方案和试验步骤。利用声发射技术在 结构状态监测中所具有的优势,通过在回转支承滚道上预置裂纹,在起重机回转支承试 验平台上对起重机回转支承裂纹进行声发射检测,旨在验证起重机回转支承裂纹声发射 检测的可行性和准确性,并利用第四章建立的裂纹源定位方法和严重度识别方法对起重 机回转支承裂纹进行定位和严重度识别,为起重机回转支承裂纹声发射检测的工程应用 积累经验。

4.8、机构运动分析的目的与意义

运动学(Kinematics)在机械工程上指的是机构运动学,一般简称机 动学或运动学,是机械设计领域的重要学科。运动学不仅只研究某一刚体 的绝对运动,而且要探讨机构各组成元件间的相对运动关系,包括位移、 速度、加速度以及影响相对运动的几何形状,不考虑运动件的质量与受力 变形情况。因此,运动学的研究对象就是机构。有了这些参数,才能分析、 评价现有机构的工作性能,同时它也是优化综合新机构的基本依据[27-30]。 通过对位移(包括轨迹)的分析,可以确定某些构件运动所需要的空 间或判断它们运动时是否发生互相干涉;还可以确定从动件的行程;考查 构件或构件上某点能否实现预定位置变化的要求。为了确定机壳的外扩尺 寸,就必须知道机构中外端点的运动轨迹和所需要的运动空间范围等等。 通过对速度的分析,可以确定机构中从动件的速度变化是否满足要求。 例如卷封机构中的凸轮从动件,要求其速度平稳,减少杯身成型器对杯壁 纸成型的冲击,使得热封机构可以准确地对杯身进行加热,保证快速、有 效地完成动作。 通过对加速度的分析,可以计算惯性力,分析机构的受到的冲击。在 高速机械中,要对其动强度、振动等动力学性能进行计算,这些都与动载 26 荷或惯性力的大小和变化有关。因此,高速机械,加速度分析不能忽略[31,32] 。 依据上述原理,本文通过对卷封机构和滚花机构的运动仿真,得到并 分析了关键

点的相关位移、速度与加速度曲线,从而为解决实际问题奠定 了基础。

4.9、选题目的及意义

在卫生计生部门并存的时期,两部门机构职能总体较为分散、沟通协同不多, 各自在工作中均存在一些亟待解决的困难。在大中城市,卫生资源集中度越来越 高,综合医院人满为患;在基层农村,面向广大群众的基本卫生服务资源总量不 足。计生部门也因为机构职能权限不足,在统筹研究解决人口问题方面困难重重, 人口管理、计划生育和生殖健康服务与群众需求仍有较大差距。卫生计生部门在 基本公共卫生服务战略规划、制定、行政管理、资源配置、监管监督、服务 群众等方面迫切需要形成合力。 因此,整合卫生计生机构资源,促进卫生计生服务资源优化配置,有利于加 强基层公共卫生、医疗服务、初级保健和计划生育服务管理工作,从而更多关注 民生需要、关注百姓需求、提高基层卫生计生服务可及性。2013 年 3 月以来, 随着国家卫生计生机构的合并整合,全国部分省区市也相继组建成立省级卫生计 生委,探索卫生计生机构资源整合路径、方法。主要是合并整合各级卫生计生行 政机构,优先将卫生计生领域职能交叉重叠较多的基层计划生育和妇幼保健服务 机构资源进行整合,统筹基层公共卫生服务资源,发挥资源聚合效应。这既是卫 生计生管理上的重大转变,更是优化服务资源提高服务效率的改革创新。 但是在整合过程中,因原属不同管理服务单位、因部门系统权利利益划分而 往往存在不同的改革诉求、工作模式,使卫生计生机构资源整合面临许多困难。 这就需要各地在推进融合整合的过程中紧密结合各自实际,克服机制障碍和 改革创新过程中的问题困难,调动卫生计生系统干部职工的积极性、创造性,发 挥卫生计生机构各自资源优势,弥缺补漏,真正实现优势互补、资源共享,满足 群众健康需求。 作为西部少数民族边疆地区,由于地理位置、历史原因、经济社会发展 程度等因素影响,医疗卫生和计生管理服务资源相对内地省市和全国平均水平来 说总体仍然十分欠缺,全区卫生计生资源总量不足、优质资源短缺以及地域、城 乡间资源配置不合理、差别较大的问题依然比较突出,居民日益增长的多层次多 样化卫生计生服务

需求还远未得到满足,群众看病难、看病贵的问题一定程度上 仍然存在。特别是妇幼卫生工作基础还比较薄弱,孕产妇和婴儿死亡率等妇幼健 2 康指标远高于国家平均水平,母婴安全形势比较严峻(表 1.1)。 表1.1 妇幼保健各项主要指标与全国情况比较 全国 健康指标 2000年 2010年 2000年 2010年 住院分娩率(%) 72.9 97.8 56.62 97.2 孕产妇死亡率(1/10 万) 53.0 30.0 161.37 43.41 新生儿死亡率(‰) 22.8 8.3 30.1 9.58 婴儿死亡率(‰) 32.2 13.1 40.58 16.12 5岁以下儿童死亡率(‰) 39.7 16.4 48.63 19.4 资料来源:2011 年中国卫生统计年鉴,2000 年、2010 年妇幼卫生发展报告 基层卫生计生服务体系不尽完善,力量相对薄弱,人才匮乏等问题长期存在, 给卫生计生工作发展带来新的严峻挑战。根据群众需求和工作需要,按照自治区 统一部署,2014 年 7 月,维吾尔自治区卫生和计划生育委员会宣 告成立,掀开了卫生计生事业融合发展新的一页。如何更好推进全区卫生计 生机构资源的整合融合、实现机构改革和职能转变的目的,就成为摆在各级卫生 计生工作者面前、需要认真思考的重要问题。

4.10、课题研究的目的及意义

发展,特别是骨种植技术的发展,骨 切割和钻孔在临床上的应用日益广泛。常用的骨科手术器械有手摇钻及电 动钻、气钻等,可用于骨钻孔、采取植骨片和截骨等操作。但是这些骨科 手术器械的体积较大,在进行颈椎外科手术时,由于手术时可操作的空间 狭小,使手术操作困难,疗效不理想,是骨科领域中急需解决的问题[1]。 因此,在脊柱外科手术中,急需一种体积小、转速高的手术器械来解 决目前的手术现状。 微气钻作为一种手术器械自 70 年代在日本问世以来,给脊柱外科带来 一场[2]。它体积小、重量轻、使用灵巧,解决了用其他器械难以很好 解决的医疗难题。特别是在颈椎外科开拓了新的手术技术,开展了各种手 术方法,手术治疗脊髓型颈椎综合症病人的疗效有了提高。我国自 80 年代 在一些大医院开始应用该器械,对其在脊柱外科所起的作用给予了肯定, 但至今仍未在基层普及应用,因为目前的微气钻还存在一定的问题: (1)它没有自动注水装置。骨钻孔时会产生摩擦热,而

热的产生会影响 骨的愈合,因其没有自动注水装置,需要专人注水降温,给使用带来了不 便,同时也增加了人员的消耗。 (2)转矩较小,钻轴磨损情况比较严重,使用周期短。 (3)钻头裸露太长,易缠绕软组织[3]。 本课题的研究目的是要设计一种新型的骨科医疗手术机构,即能代替 目前骨科手术中常用的骨钻,应用于手术操作空间较大的部位,又能弥补 现有微气钻的不足,应用于颈椎综合症的治疗,以提高颈椎外科手术的治 疗效果,使其能满足各种骨科手术的要求。 该机构以压缩空气为动力源,对环境无污染,工作噪音小,转速高, 切削力小,所以操作时病人痛苦小,只有轻微的振动和摩擦,让病人及操 作者容易接受。且其工作效率高,操作时间较短[4],可以减少摩擦热,从 2 而提高骨愈合的速度[5-9]。又由于其体积小、重量轻、工作灵活,在骨科手 术中,特别是在狭小的手术操作空间中使用时,使医生容易操作,从而可 以提高手术的成功率。特别是增加了注水装置后,使用起来更为方便。因 此该骨科医疗手术机构在骨科手术中有着重要的研究意义及应用价值。

5、国内外研究现状

5.1、消防炮回转机构研究现状

从火灾的出现到现在,为了更加高效、切实地防范和治理火灾,消防技术不断发展。 在最初的时候,由于科学技术以及生产力的,人类只能采用木桶等容器通过人力将 水运到着火的位置进行灭火。但是这种灭火方式,效率极其低下,并且人类靠近火源灭 火,危险性极大,这种方法也不能处理大型的火灾,因此一些消防器械应运而生,如消 防水带,喷,消火栓,消防炮等。消防炮是其中一种非常重要,使用极其频繁的灭火 设备。其工作原理是将具有一定流量和压力的水或其他灭火材料,从炮口形成射流,以 一定的速度喷向火源,从而灭掉远处火灾。消防炮回转机构的用途是在球面运动空间范 围内对炮口的出液方向进行调整,从而控制灭火材料落点位置,达到迅速灭火的效果, 其发展经历了极其漫长的过程。 十六世纪初期,Anteneh Blattner 受托制成了世界上首辆消防车(如图 1.12 所示), 这也是世界

上最早有记录的消防设备。它把大型水泵安在马车上,然后由杠杆改变竖直 方向的位置,马车牵引改变水平方向的位置,实现对其喷水的方向进行控制。 图 1.12 世界第一辆消防车 Fig.1.12 The first fire truck in the word 随着技术的革新以及生活的需要,人们发明了靠齿轮以及传动链二者的配合进行定 位的消防炮,但是主要还是人力进行操作[35]。 到 20 世纪四十年代中期,美国的安东尼奥[36]发明了一种新的消防炮(图 1.13),此 消防炮在每一个管路口均安装有一对蜗轮-蜗杆,以此进行转动,确定方向。这是蜗轮 蜗杆首次应用于消防炮,从此消防炮的转动更加高效可靠,体积也更加小巧。这也是首 次将消防炮炮口定位分解为竖直和水平两个方向的运动,为以后消防炮定位机构的设计 6 和控制提供了思路。此后的消防炮结构设计与控制大都在此思路上进行优化改进。 图 1.13 安东尼奥发明的消防炮 Fig.1.13 The fire-fighting monitor invented by Antonio 近年来,国内学者也纷纷提出了一些新的消防炮回转机构。2006 年,洪金堆[37]发明 了一种消防炮炮身旋转机构,该旋转机构由回转节以及通过密封圈和滚珠与其相对转动 的套管代替蜗轮蜗杆实现回转运动。2010 年,杨政,付建桥[38]等发明了一种新型整体双 球面消防炮水平俯仰回转机构,使下接管通过双球面以第一螺钉为轴转动,上接管通过 双球面以第二螺钉为转动,完成炮口的定位与内部流道的优化。2011 年,陈秀玉,陈文 团,林海峰[39]等采用轴承与蜗轮蜗杆配合替换原有设计来实现消防炮的水平与俯仰 运动。 图 1.14 常见自动消防炮 Fig.1.6 General Auto-fire-fighting monitor 7 目前市面上的自动消防炮大都采用两套蜗轮蜗杆装置,分别控制消防炮的俯仰与水 平运动,其回转机构常见的结构形式如图 1.14 所示,其俯仰和水平机构均不,而是 互相串联,该类消防炮回转机构具有以下不足: (1) 两套蜗轮蜗杆机构在结构上串联,使得消防炮系统的体积大、重心高、系统刚 度低,在灭火时受喷水后坐力影响,机构整体变形大,定位精度差,不易对准火点中心。 (2) 由于机构系统内部运动副间隙、蜗杆传动齿面侧隙等的影响以及串联机构刚度 差的特点,造成机构运动精度差、定位精度差等。 虽然并联机构具有正解求解困难、工作空间比例小,动力学问题复杂、奇异位形不 易确定等缺点,但是由于球面二自由度五杆并联机构自身相对简单易解,用其代替原有 的串联机构作为消防炮回转机构,与原有的两套蜗轮蜗杆组成的回转机构相比,仍具有

如下突出优势[40]: (a) 与串联机构的弹性相互叠加,及杆件受到弯矩相比,球面二自由度五杆并联机 构作为消防炮回转机构,刚性累积,且回转机构只受拉力与压力,较使用串联机构能承 受更高的载荷; (b) 与串联机构的水平误差和俯仰误差相互叠加相比,使用球面二自由度五杆并联 机构作为消防炮回转机构,俯仰和水平运动误差不进行叠加,均直接作用于动平台,误 差更小,定位精度更高; (c) 具有更佳的运动性能。因为并联机构不必像串联机构一样为了提高精度和刚度, 从末端开始就得逐级加大[29]。

5.2、起重机回转机构故障诊断方法和声发射信号处理研究现状

1.2.1 起重机回转机构故障诊断常用方法1.2.1 起重机回转机构故障诊断常用方法 滚动轴承在运转中必然会产生声、热、振动等现象[4],故可以从滚动轴承在运转 中的温升、震动、油脂状态等微小变化来检测和诊断轴承的技术状态。目前,对起 重机回转机构进行故障诊断和工况监测的方法主要是根据监测和诊断回转轴承的所 选状态量来判断的,按照所选状态信号的特征分类 。回转机构故障诊断可采用的方 法有温度法、油液分析法、接触电阻法、声发射法、振动监测法、光导纤维探测法 等[5]。 1 河北科技大学硕士学位论文 1) 温度法检测 回转机构如果存在一些故障缺陷,那么回转机构的温度就会发生改变,所以, 通过监测温度的变化,可以对回转机构是否发生故障进行判断,但对复杂故障判断 的不准确。其特点为:监测简单,对轴承烧伤检测效果好,可以对回转机构进行简 单的常规诊断。 2) 油膜电阻法诊断 经过润滑的回转机构,因为油膜的作用,外圈和内圈之间存在不小的电阻,因 此可以对轴承外圈和内圈的阻值进行监测,通过阻值大小的变化对回转机构是否发 生故障进行判断。其特点为:同一评判标准可以在不同的工况下面适用,对裂纹发 生、裂纹扩展、压痕等小面积的故障的诊断效果差,此法主要适用在回转机构旋转 轴露在外面的情形。 3) 光导纤维探测法 光纤探测是通过从回转机构套圈的表面提取信号的诊断技术。由光导纤维组成 的位移传感器包括了接收光纤束和发射光纤束。传感器和回转机构的表面间隙可以 反射光线,这些反射光线通过接收光纤束接收,把接收到的光信号转化为电信号, 对

电信号进行分析处理,从而对回转机构的工作状态作出评估。其特点为:光纤位 移传感器具有非常高的灵敏度,可以从回转机构的表面提取信号,从而增加了信噪 比;直接表现了回转机构的质量水平、磨损严重程度、载荷大小、间隙大小和润滑 效果等情况,可用来监测传感器安装在回转机构内部的机器。其缺陷是,对于采用 润滑脂的回转机构,由于脂类具有很差的流动性,所以采集有代表性的油脂样品会 比较困难,这使得进行定量分析的结果离散程度较大。 4) 铁谱分析监测 回转机构的磨损与其工作的工作状况有很大的联系。将具有磨损颗粒的润滑油 穿过强磁场,在强磁场的作用下,铁谱片上会吸附很多有规律的磨损颗粒,在铁谱 分析仪器上观察定性或者在定量仪器上测试,通过监测铁谱来判断轴承的工作状态。 其优点是:不需要拆卸,成本低,监测效果好,可以分析出回转机构早期的疲劳失 效;可以进行磨损机理研究。但其缺点是:不能进行实时监测;过分依赖人的经验; 对采样要求苛刻;对非铁磁性磨损颗粒的检测效果欠佳;可以用来对润滑油润滑的 回转机构的故障诊断,但对于油脂耦合剂润滑的回转机构效果不佳。 5) 振动法诊断 回转机构元件的表面出现小面积腐蚀、压痕或疲劳剥落时,回转机构在转动过 程中会产生周期性的脉冲信号。用安装在回转机构上的振动传感器来手机这些周期 性的脉冲信号,通过对振动信号进行处理分析来判断回转机构的故障。其特点为: 诊断方法简单,可实现实时在线监测;诊断速度快,振动法诊断理论已经成熟,适 2 第 1 章 绪 论 用于旋转机械回转机构的故障监测[6]。但其缺点是易受到工况和轴承安装及工作状态 的影响。 6) 声发射诊断技术 声发射是材料内部因能量的快速释放而发出的瞬态弹性波的现象。当外加载荷 作用在材料上时,因为材料内部结构的不均匀并且存在着各种缺陷的情况下会使应 力集中,从而导致应力在局部不稳定。不稳定的应力分布状态会积蓄应变能,当这 些应变能积蓄到一定程度时,应力会重新分布,将会达到新的平衡状态。在这一过 程中会通常伴随着微观龟裂、范性流变、位错的发生与堆积导致产生并且延展裂纹, 实际上这就是应变能的释放过程。释放出的应变能以应力波的形式发射出去一小部 分,因为最先发现的应力波发射现象是人耳可以听到的声波,所以称为声发射[7]。其 特点是:特征频率明显,特征信号明显。

5.3、-2-2 可连续回转运动并联机构的研究现状

并联机器人机构相对于串联机器人机构的最重要的缺点之一就是工作空间要小的多,这直接导致了 并联机构较低的移动和转动能力和较小的安装空间。为了减少或消除这些缺陷,许多国内外的专家学者 力求找到新的有效方法来解决这些问题。在并联机构连续运动方面,1996年,Huang[12]基于数学上的螺 旋理论研究了3-RPS并联平台机构和角台机构的瞬时运动及其转轴,方跃法[13~14]在同一年讨论了具有 3-DOF的3-RPS并联机器人操作器的瞬时运动,1997年又进一步分析了这个机构的运动学。需要注 意的是,这些运动大多数是不能绕着同一轴线连续回转的。确定刚体在空间中受到某种约束时可以实现 的运动形式,尤其是能否实现绕着某一轴线的连续转动,这是对并联机构轨迹规划和速度控制影响很大 且亟待解决的理论问题。燕山大学的黄真教授等在文[15]曾经采用一种比较直观的方法分析了并联机构 连续转轴。之后赵铁石等[16]讨论了以此方法分析了空间3-RPS和3-RPS两种并联机构,并得到了这种并 联机构连续转动转轴存在的物理条件和数学判据。Liu,Wang和Pritschow[17]提出了一类空间3-DOF并联 机构,这种并联机构具有较高的回转能力。Merlet[18]的研究又说明了对机器人的工作空间有巨大影响的 还有运动副的排列这一因素。许多串-并联混合机构能够结合串联机构和并联机构的特点,对较大工作 空间的实现也起到了很大的作用。而真正可以进行连续回转的并联机构是Kim在2002年的IEEE会议上提 出的一种利用圆形导轨以实现360°转动的Eclipse-Ⅱ并联机构[19],如图1.19。除了这个机构外,动平台可 以进行连续回转的并联机构在现在的研究中还不常见。 球副 线性柱导轨 转动副 圆周柱导轨 移动副 圆周移动副 图 1.19 Eclipse-Ⅱ并联机构 Fig. 1.19 Structure of Eclipse- Ⅱmechanism

5.4、起重机械风险评价的研究现状和研究必要性

起重机械事故的频繁发生使得从事起重机械的管理、设计、制造、研究和操作人员 在

内心深处留下无法磨灭的烙痕,使人们深刻认识到在起重机械的寿命周期内所面临的 巨大挑战,产生一系列的问题需要去深思和研究,例如为什么会发生事故、事故如何发 生、事故发生的规律性、事故发生的可能性、事故损失、如何减小事故发生的可能性以 及降低事故损失。上述问题是风险评价的研究内容,可通过对起重机械进行风险评价的 研究来科学地回答这些问题。

5.5、国内外研究现状及存在的问题

1.2.1 研究现状1.2.1 研究现状 高空作业平台是一种用来进行高空维修的机械,主要用于高空检修、设备的保养 和安装等,其涉及的领域非常广泛,如建筑物外部物体的安装、清洁和维护;室内房 屋的维修;电力架线和维修;消防救援及大型物体(船舶、飞机)维护检查等[6-8]。 我国高空作业机械起步比较晚,在 20 世纪 70 年代才得到初步发展,随着社会经 济的发展,其发展速度也随之加快。根据 2004 年和 2005 年《中国工程机械年鉴》, 2003 年高空作业机械工业总产值为 32139 万元,生产各类高空作业平台 1906 台,高 空作业车 740 台;2004 年高空作业机械工业总产值为 36340 万元,生产各类高空作业 平台 2500 台,高空作业车 800 台。行业几个骨干企业通过近几年的技术改造,其生 产规模不断扩大,形成了各自特色的产品系列,基本能满足国内市场高空作业机械的 需要,企业的各项主要经济指标逐步上升,经济效益也逐年提高[9]。 随着经济的快速发展和相关技术的突破,国内高空作业平台行业也得到快速的发 展,主要体现在以下几个内容[10-11]: (1) 产品的种类不断得到补充,生产的规模不断扩大,为城市电力、船舶制造、 房屋维修、机场以及建筑行业的护理和安装工程提供了多品种、多类型和不同起升高 度的高空作业平台。 (2) 产品的性能得到不断的改进。通过引进国外成熟产品,消化部分关键技术, 根据国内企业的实际需要,在现在产品的基础上进行改进,使国内产品的设计水平和 产品的质量得到不断提高,逐步接近国外同类型产品的技术水平。 (3) 市场占有率进一步扩大。基于企业自身的优势,在原有产品的基础上开发出 更高的新品种,不断增加对技术开发的投入,通过技术的革新来

提高自身的竞争力, 扩大产品在国内市场中占有的份额比例,同时还积极走向国际市场。 (4) 通过开发新产品来推动高空作业平台行业的技术改进。根据企业的技术、资 源和设备优势,开发更多的新产品,进一步推动行业的发展。 国内高空作业平台行业的现代化设计较国外要晚很多年,从开始起步到现在也仅 有十几年的时间。迄今为止,由于受技术、生产规模等问题的,高空作业平台服 务的行业范围还是比较窄,难以被其他行业接受,特别是它在提高劳动生产率、操作 3 江苏科技大学工学硕士学位论文 稳定性、安全生产以及在维护、高空检修、安装工程中的应用。如在建筑行业中,很 多企业比较倾向于使用传统的脚手架搭建平台和使用各种类型的登高梯子来作为室 内、外装修和安装的主要工具,而不习惯使用高空作业平台来解决问题,这种情况主 要由于国内还没有为建筑行业生产专用的高空作业平台,与开发和使用的成本都有很 大的关系。 随着城市建设脚步的加快和各行业的快速发展,对高空作业平台的需求将越来越 多,同时对高空作业平台行业也提出更高的要求。目前,国内高空作业平台的结构形 式主要有剪叉式、套筒油缸式、臂架式、桁架式和桅柱式,其中剪叉式、套筒油缸式、 桁架式和桅柱式都是垂直升降式结构,如图 1.2 所示。因为垂直升降结构形式的高空 作业平台在操作时对地理位置要求较小,占用的工作空间也较窄,而且价格比臂架式 要低很多,所以深受众多客户的喜欢。然而,若工作地点处有相关的障碍物而无法移 动到指定作业地点或者在需要移动高空作业平台遇到有台阶和无法移动的障碍物时, 垂直结构形式的高空作业平台就不能完全发挥其功能,甚至无法完成高空维修作业, 客观上产生了高空作业区域的盲区,影响了垂直升降式高空作业平台在各个行业的应 用和推广。为了解决这一矛盾,杭州赛奇工程机械有限公司成功开发出了一种新型高 空作业平台。该平台增加了一底盘、升降装置和跨越装置,通过操作跨越装置的提升 器和抬升器,使高空作业平台升起一定高度并可跨越障碍物,从而在不可移动的障碍 物上方进行正常的登高作业,或跨越地面障碍物进入作业点进行高空作业。该平台主 要应用于影剧院、大会堂、大礼堂等有固定座椅或不可移动障碍物以及在地面上有台 阶等场合的登高作业[12]。同时,其他国内的企业为了提高自身在市场的竞争力,也都 在积极通过改进设备和增加技术的投入,研发更多类型的高空作业平台,来满足各个 行业的需要。 (a) 剪叉式 (b) 连杆与伸缩套

筒组合式 4

5.6、安全评价的研究现状

1.3.1 安全评价概述1.3.1 安全评价概述 安全评价[4]是以实现系统的安全为目的,应用安全系统工程原理和方法,辨识和分 析工程系统和生产经营活动中的危险、有害因素,判断发生事故和造成危害的可能性及 其严重程度,并提出科学、合理、可行的安全对策建议,从而为系统制定防范措施和管 理决策提供科学依据。 1.安全评价的目的和意义 1)安全评价的目的 安全评价可以达到以下目的[4]: (1)提高系统的本质安全化程度 安全评价可以用于前期方案的决策,以及产品的设计、制造、运行全过程。通过安 全评价,可以对任何一个过程中存在的故障隐患进行系统分析,针对故障可能发生的条 件和原因提出预防措施,特别是从设计阶段就进行安全评估,可以实现生产过程的本质 安全化,做到即使发生设备故障,也不会导致重大事故的发生。 (2)实现全过程安全监控 3 设计之前进行的安全评价,避免了选用不安全的工艺流程、危险的原材料以及不合 适的设备、设施,也相应提出降低或消除危险的途径。设计过程完成以后进行的安全评 价,可查出设计中的缺陷和不足。设备一旦投入使用,运行阶段进行的系统安全评价, 可以及时了解系统的安全工作情况,及早采取改进措施,预防事故发生。 (3)为实现安全评价技术、安全管理的标准化和科学化创造条件 通过对设备在生产过程中的安全性是否符合有关技术标准或规范的相关规定进行 评价,对照技术标准、规范找出存在的问题和不足,从而实现安全技术和安全管理的标 准化、科学化。 2)安全评价的意义 安全评价的现实意义在于可以有效地预防事故的发生,减少财产损失和人员伤亡。 (1)安全评价是安全管理的重要内容,”安全第一、预防为主”是我全生产的 基本方针,而作为预测、预防事故的安全评价技术,在贯彻安全生产方针中有十分重要 的作用。 (2)有助于安全管理部门对生产经营单位实施宏观控制,无论是安全预评价, 还是安全验收评价或者进行的专项安全评价,都可以从不同角度评价生产企业的安全状 况,确定生产经营单位是否具备安全生产条件,为部门管理决策提供依据。 (3)提高生产经营

单位的安全管理水平和经济效益,安全评价不仅能确认系统中 存在的危险性,而且能够进一步考虑危险性发展为事故的可能性以及事故造成的损失和 严重程度,以便提前合理选择控制和消除事故发生的措施,使生产单位真正实现安全生 产和经济效益的增长。 2.安全评价的内容 安全评价包括危险因素识别和安全性评价两部分内容(图 1.1)。在实际的安全评价 过程中,这两个方面是相互交叉、相互重叠在整个评价工作中的。整个安全评价的过程 主要有:前期的准备阶段,危险因素的辨识和分析过程,定性和定量评价,针对评估结 果制定安全对策措施,以及最后形成安全评价结论及建议并且编制安全评价报告。随着 现代化科学技术的发展,在安全技术领域里,以往主要研究和处理那些已经发生或必然 发生的事件,而目前已经发展为主要研究和处理那些还没有发生,但有可能发生的事件。 3.安全评价方法介绍 系统的安全评价方法主要分为定性分析和定量分析,定性分析法主要有:安全检查 表法(SCA)、预先危险性分析法(PHA)、故障类型和影响分析(FMEA)、故障树分析 (FTA),事件树分析(ETA)等;定量评价法有危险指数评价法(RR)、概率危险性评 4 价(PRA)、层次分析法、模糊综合评价法、模糊聚类分析法等,其中故障树分析(FTA) 和事件树分析(ETA)既可用于定性分析,也可进行定量分析。 图 1.1 安全评价的基本内容 Fig.1.1 The basic content of safety evaluation 模糊评价方法是随着模糊数学的迅速发展出现的一种全新的评价方法[5],模糊数学 理论能很好地解决安全评价中存在的模糊因素,目前有很多评价理论都是将现有的评价 方法和模糊数学的相关理论结合而形成的安全评价理论,主要形成了以下几种方法:一 是模糊数学理论与故障树分析法的结合,用来处理故障树基本事件概率无法得到的情 况,例如文献[6]针对机械系统结构复杂、故障原因不确定性的特点,将模糊集理论引入 到故障树分析中,建立了发动机系统的模糊故障树,较好地解决了故障树中部分事件数 据的模糊问题;二是层次分析法与模糊评价方法的结合,用层次分析法求解模糊评价指 标的权重,文献[7]建立了电液舵机性能综合评价指标体系,为了准确获得电液舵机的综 合性能,采用模糊层次分析法对其进行了性能综合评估;三是将模糊数学和灰色理论相 互结合用于安全评价,文献[8]根据灰色理论中的差异信息原理,提出灰色隶属度算子, 用来强化差异信息、弱化相似信息,更准确地反映各因素所起的作用,以期望得到更切 合实际的综合评价结果;四

是模糊理论与人工神经网络的结合应用,文献[9]中利用模糊 理论描述控制系统模拟电路故障诊断时的不确定信息,利用人工神经网络完成不确定性 推理,对于最后的结果采用模糊理论来处理和解释。 安全评价方法对促进安全生产、减少事故发生发挥了重要作用。安全评价方法有很 多,每种方法都有一定的适用范围和局限性,在安全评价时,应根据安全评价的对象和 要实现的安全评价目标,选择适用的安全评价方法,必要时应针对某一评价对象的实际 情况采用多种方法进行评价,相互补充、取长补短,以提高评价结果的准确性。

5.7、安全评价方法研究现状

安全评价技术起源于 20 世纪 30 年代的美国保险业,到了 20 世纪 80 年代初,安全 系统工程引入我国,国内学者才开始了对安全评价技术的研究。经过多年的消化、吸收, 5 已经将多种安全评价方法用于机械、冶金、航空航天等行业。本文对模糊树分析法和模 糊综合评价法的研究现状作详细的说明。 1.模糊故障树分析法研究现状 模糊故障树分析方法的研究最早始于 Tanaka 等人[10]。Singer 对模糊故障树分析方 法做了进一步研究[11][12],他们考虑到传统故障树分析中危险事件发生概率不确定的问 题,该方法将基本事件的发生概率视为模糊数,在传统故障树的基础上提出了模糊重要 度的概念,并计划将该理论和方法用于化学系统的安全评价,以反应堆系统为例进行了 详细说明。Soman 和 Misra[13]等人提出了一种基于 -截集的模糊故障树分析的简单方 法,此后将其应用到了多状态故障树分析中[14]。Furuta 和 Shiraishi[15]试图简化结构函 数的计算过程,并运用模糊集理论重新通过隶属函数定义顶事件的状态,每个基本事件 的重要度可以通过模糊算法来求值,该方法在结构失效分析中得到了应用。Huang H Z, Tong X 等人[16]运用模糊集理论提出了故障树的模糊分析方法,并运用到了机械加工系 统中。 文献[17]针对新型装备因缺乏贮存实验数据和现场数据,而无法用常规方法进行故 障树分析的情况,给出了用三角模糊数表示故障概率并进行模糊故障树分析的方法和步 骤;文献[18]将模糊集理论用于自动化立体仓库的故障分析,对立体仓库各环节所遇到 的模糊信息进行科学、定量地处理;文献

[19]针对液压系统中事件概率情况获取不足的 现状,在故障树分析中引入了模糊集合理论和可能性理论,提出了一种基于梯形模糊数 算法的液压系统故障树分析法;文献[20]在微小型正弦活齿传动系统模糊故障树分析中 引入了灰色关联度分析法,对各种故障模式发生的可能性大小做出了判断。 综上所述,国内外文献的研究的共同特点是将模糊理论引入到传统故障树分析中, 对故障树底事件的发生概率进行模糊化处理,并将概率视为模糊数。但对模糊故障树分 析方法的研究工作大部分还都局限在算法本身的研究,实际应用的研究带有试探性,分 析结果缺乏验证和比较。 2.模糊综合评价法研究现状 模糊综合评价法[21]作为模糊数学的一种具体应用方法,在我国最早是由学者汪培庄 提出来的。Joo Hyun Moon 和 Chang Sun Kang[22]提出了一种基于模糊集理论和层次结构 分析的模糊决策理论,该理论使用语言变量和模糊数来表示决策者对决策方案和标准的 主观判断,用模糊算子和积分的方法来综合排列决策方案,并实现了对废弃燃料存储方 案的选择。文献[23]针对船舶热源系统常用根据经验或根据船东要求选取,缺乏科学性 的弊端,引入模糊综合评价法,选定三种热源系统的具体型式进行综合评判,实现了方 6 案的优选。文献[24]为了应对公路路政管理难的问题,提出了一种基于模糊理论、层次 分析法和群决策理论的综合评价模型,并开发出了基于 VC++和数据库技术的相应软件。 文献[25]提出了一种非线性模糊综合评价模型,用于解决人类评价活动的非线性特征的 问题,并将该模型用于对水质的评价,其结果证明了该方法的优越性。文献[26]讨论了 模糊综合评价法和风险分析技术在大型水利工程工期论证和方案选择中的应用问题,并 结合具体工程实例,证明了该分析技术具有较好的实用性。文献[27]对主战坦克的评价 指标进行研究,提出了采用层次分析法-灰色模糊综合评价对总体设计方案进行评价的 方法。文献[28]对影响汽车起重机工作性能的主要因素进行了研究,并给出了影响因素 优劣等级的模糊界定方法,为对其工作性能进行评价提供了依据。文献[29]将灰色理论 引入到对履带式推土机设计方案的模糊优选过程中,综合考虑相关因素交叉耦合后对决 策方案的影响。 上述文献的研究都集中在对方案的设计方案的优选和管理决策上。模糊综合评价的 结果不是一个值而是一个模糊向量,因此该理论比其他方法提供的信息要更加丰富。对 于模糊综合评价结果向量的处理方法,常用的有最大隶属度

原则、最大接近度原则、加 权平均原则三种方法[23][30],模糊综合评价法不仅可对评价对象按综合分值的大小进行评 价和排序,而且还可以根据模糊评价集上的值评估对象所属的等级。

5.8、机构型综合的国内外研究现状

1.2.1 机构综合1.2.1 机构综合 机构结构综合对机构学有重要意义,结构综合包括数综合与型综合。结构综合 的主要任务有两个:一是发明创造新型机构;二是对现存各类机构的结构进行优化。 机构结构型综合主要内容包括拓扑结构型综合和尺度综合。其中寻求满足设计要求 的全部机构构型是机构拓扑结构综合的任务;通过设计机构各部件合适尺寸来达到 期望的各种性能指标是尺度综合的任务。 各国机构学家一直都极为关注机构结构型综合这一热点问题[7-11],通过经验和直 觉对机构进行结构型综合是人们使用的最原始方法,例如 Grǔbler,Hain 和 Crossley[12] 等人。自从拓扑图论法被引入机构学,机构的结构类型综合得到了进一步的发展。 各类拓扑结构图被用来对平面机构和空间机构(并联机构)进行综合。其中对平面 机构的结构类型综合大致可分为以下几类: 一是基于胚图的综合方法,主要包括 Franke 标记法、图论法和有限对称群法等。 Franke 标记法[13-16]的综合过程分为三步:第一步确定所有不同类型的连杆分类 方式,第二步绘制表示多副构件的圆,第三步根据圆中的数字和与圆连接的曲线数 相等的条件,生成所有结构类型的 Franke 标记图。 Davies 和 Crossley 使用标记法综 合了 40 个 2 自由度 9 杆运动链和 230 个 1 自由度 10 杆运动链。 图论法于 19 年首次被引入机构学,用来表示机构运动链拓扑结构。表示运动 链拓扑结构时,使用点表示机构构件,曲线表示机构结构简图与运动副拓扑图间的 对应关系。图论法使机构结构综合得到很大进步,并且此法还可以通过计算机来实 现[17-22]。最早 Freudenstein 和 Crossleyt 手工综合了 1 自由度 8 杆运动链的 16 种结构 类型。后来,Woo[23]最早借助计算机开发一套综合程序,成功的综合出了 1 自由度 10 杆运动链的 230 种结构类型。 Tuttle 及其合作者提出了思想为构造出由多副杆

构成的成为”基(Bases)”的连 接模式的有限对称群型综合法[24,25]。并且 Tuttle 使用该方法第一次最完整的综合出 1-3 自由度 4-12 杆的所有运动链。 二是基于二副杆转化的综合方法,该方法是由 Manolescul[26]于 1973 年首次提出 来的,其思想是由全为二副杆构成的运动链转化为平面单或多关节运动链。后来 Muthyunjaya 和 Raghavan[27]进一步完善了此综合思想,并且实现计算机化,在计算 - 2 - 机上综合出 839 种 1l 杆 2 自由度运动链。 三是基于递推式的综合方法,包括阿苏尔杆组法、递推法、基运动链加连杆模 式法、扩展法、哈明法、单开链叠加法和基本环及辅助结构法等。 阿苏尔杆组法的综合思想是把任意机构都看作由机架、主动杆和多个阿苏尔杆 组成。这种方法最早是由学者 Assur[28]于 1913 年提出来的。之后,学者 Mallolescul[29-33]应用此方法分别综合出 9 杆 2 自由度运动链和 8 杆、10 杆 1 自由度 运动链。对于递推法,最先提出来的是 Heap[34]学者,后来学者 Colbourn 和 Read[35] 对递推法做了改进。Vijayananda[36]提出了在基运动链(Parent kinematic chain)中加 入连杆连杆模式(Link Patterns)的方法综合了 13 杆的各种自由度的运动链。Rao[37,38] 提出一种新的型综合方法,称为哈明法;其综合思想是在 N-2 连杆 F 自由度的运动 链的基础上来综合 N 杆 F 自由度运动链。后来 Rao 和 Deshmukh 又提出先结构综合 基本环,接着对辅助结构综合,最后把基本环和辅助结构组合起来,得出更多新的 运动链的综合方法,称为基本环及辅助结构法[39]。该方法对机构进行综合时非常直 观。 另外,还有很多其他的型综合方法。基于矩阵的综合方法,如李文辉[40]等人提 出的线性方程法,由 Hwang 和 Hwang[41]提出的收缩构件邻接矩阵法等等。 经过几十年的发展,并联机构的应用领域也越来越广泛了,对并联机构的型综 合也逐渐成为了人们热点关注的问题。并联机构综合的方法多种多样,近些年人们 对并联机构综合的方法大致分为以下几类:基于 Grǔbler-Kutzbach 公式的机构综合方 法[42-45];基于李群代数理论的机构综合方法[46-51];基于螺旋理论的机构综合方法 [52-56];基于单开链单元链单元的拓扑综合法[57-]。 基于 Grǔbler-Kutzbach 公式的机构综合方法包括数综合和型综合,其综合思想是 先对并联机构进行数综合(即确定并联机构的支链数与各支链的运动副数和自由度 数);接着在数综合的基础上,按照动平台的

运动要求去确定动、静平台类型,各支 链的运动副及驱动器和铰链;最终确定并联机构结构类型以达到对机构进行型综合 的目的。随着研究的深入,虽然此种综合方法简单直观,但是其中还存在一些问题。 例如此方法无法确定机构是否为瞬时机构,其原因是该方法没有考虑机构的冗余约 束。 李群理论是机构型综合强大的数学理论基础。Herve 分析运动位移的群代结构, 得出不同的运动对应着不同的子群,提出了基于群论的型综合方法及机构运动分析。 - 3- Herve 使用此方法对 3 自由度移动并联机器人的综合问题做了详细的分析。之后, Pierrot,李秦川等学者使用此方法对并联机构进行综合,都得出了一系列新并联机构。 基于螺旋理论的综合方法的综合思想是根据并联机构的运动要求来设计目标, 接着求出该目标下各运动支链的螺旋分布形式,然后确保在任意瞬时状态下,机构 始终都能满足运动支链的螺旋分布形式时,得出的机构即为满足设计要求的新机构, 以达到机构型综合。此方法对并联机构的综合有着许多优点,它综合考虑了并联机 构各支链的运动特性及空间几何关系,运动副的组成数目及种类和动平台自由度数 目、方向、类型及所受到的约束情况。该方法在少自由度机构综合的研究上有着突 出的贡献,得到了广泛的应用。基于螺旋理论综合方法,燕山大学的黄真教授综合 出 3、4、5 自由度结构对称的并联机器人机构。方跃法和 Tsai 研究了使用相同支链 结构构成 4、5 自由度并联机器人机构的问题。 由杨廷力[65-70]等人提出的单开链叠加机构综合法其实质是按顺序把单开链两端 的运动副叠加到现有运动链的一个或几个构件上,以此得出所有的机构类型。此方 法的具有局限性,需要先建立并联机构机构综合单开链和混合单开链单元库。 另外,对并联机构进行型综合的方法还有很多,如高峰[71-74]等人进一步丰富了 复合运动副的概念,把一些经常使用的闭合回路看作某种复合运动副,进而综合出 很多的新型结构形式。路懿和 Tatu Leinonen[75]提出了应用系统连杆法和拓扑矩阵-图 表法对平面和空间机构进行型综合的理论。

5.9、机构弹性变形研究现状

1.2.1 弹性系统研究方法现状1.2.1 弹性系统研究方法现状 高速化、精密化和轻量化

的弹性机构具有许多优点,如驱动器小、操 作速度高、能量消耗低、载荷质量比大和机构设计紧凑等。但弹性机构应 用的主要困难在于振动大、末端难以精确定位等。设计高速、高精度的机 械臂时,必须克服这些问题,才能使机械臂运动协调、精确[18,19]。 与刚性机构的运动学分析、动力学分析相比,弹性分析理论复杂的多。 许多分析方法都不同程度地忽略一些因素,或采取某些假设以简化分析过 程。从 20 世纪 70 年代开始,考虑构件弹性的机构分析、建模形成了机构 动力学分析的一个重要分支,机构弹性动力学(Kineto elasto dynamics),简 称 KED。KED 的方法通常是将运动过程中处于不同位置的机构”瞬时冻结” 成相应的一系列结构,然后运用机构动力学的方法进行研究”。瞬时结构法” 是一种比较”粗糙”的建模方法。此法适合速度不高、柔度较小的机构弹性 动力学分析。Turcic 和 Midha 在”瞬时结构法”基础上发展了一种”精确法” 的建模方法。采用此法所建立的数学模型比”瞬时结构法”更逼近于实际。 但是,也只是一种相对精确的方法[20]。 3 在航天领域,出于完成空间作业的需要,航天器上一般都带有大型可 展开天线和机械臂等弹性构件。以此为背景出现了 FMD(Flexible Multibody- Dynamics)建模。它的研究对象是含有柔性构件的多体系统,其 建模特征是计入柔性构件动态变形以及这种变形和系统大范围刚体运动之 间的相互影响。FMD 建模法归纳起来主要有牛顿—欧拉方法、拉格朗日方 法、Kane 等。这些都是应用数学解析的方法进行运动学建模。弹性机构建 模的关键是对分布柔性的有限维近似。在近似方法中,一些方法是把相对 密度、质量比较均匀的系统作为研究对象来处理。还有些方法把密度、质 量等当作集中参数来处理,如有限元法等,这些方法不仅适用于密度、质 量比较均匀的机构,对不均匀的机构也很有效[21]。 无论是以 KED 还是以 FMD 为特色的建模方法,都会涉及大量的符号 运算。如果这些符号靠手工来完成,则运算量太大,极易出错。所以人们 引入了计算机符号运算的方法[22,23]。随着计算机技术迅猛发展。计算机辅 助设计,简称 CAD(Computer Aided Designing),使机构学发展到一个新的 阶段,它把机构设计理论方法和参数选取等设计者的智慧与计算机系统所 具有的强大逻辑推理、分析判断、数据处理、运算速度、图形显示等功能 结合起来,用人机对话方式,简便快速的完成设计任务,已成为现在机构 设计的主要手段[24,25]。 计算机

辅助设计的广泛应用,为机构弹性变形分析提供了新的手段。 有限元方法在机构弹性动力学研究中的应用也越来越广泛。目前已经有一 些软件,如 UG、Pro/E 和 I-DEAS 等均拥有弹性分析模块,可以对零部件、 机构等进行线性静态分析,求解除应变、应力、位移。 连杆机构的弹性变形分析主要集中在单杆、双连杆、多杆系统。弹性 动力学模型主要有假设模型,混合参数模型,以及有限元模型。另外,还 有针对铰链弹性、刚弹耦合系统的分析[26,27]。 针对弹性连杆机构研究很多,涉及到建模、轨迹规划、鲁棒控制、振 动控制、位置和力控制等各个方面[28,29]。连杆的弹性变形分析在空间上是 连续存在的,弹性连杆是分布参数系统,具有很小的刚度系数和结构阻尼, 细长连杆接近于振动学中的 Euler-Bernoulli 梁,而短粗连杆则接近于 4 Timoshenko 梁。因而描述其运动规律的方程均是偏微分方程。除极个别情 况外,很难得到精确解。因此,一般不将其作为分布参数系统处理,而是 设法将偏微分方程化成常微分方程,来描述弹性变形[30-32]。 偏微分方程化为常微分方程通常使用模态分析法。模态分析法又分为 有限元模态法和假定模态法。假定模态法又分为约束模态法和非约束模态 法。约束模态法是将刚体和弹性体的结合点作为模态函数的固定端进行分 析,但精度不如非约束模态法。非约束模态法是用整个系统的模态函数进 行分析,计算复杂,很难用于多连杆系统[33,34]。 最初建立的机构弹性模型往往只考虑了单连杆,而一般的机构都有多 个连杆,各连杆之间会产生动力学耦合,前一个连杆的末端由于弹性引起 的振动会使后一连杆随之振动,而后一个连杆同时影响了前一个连杆的振 动。所以,杆件之间所产生的剪切力效果和微小偏移量等不容忽视[35,36]。

5.10、研究现状

直接税署属于国民征税机构,本论文属于机构史研究范畴。因此有必要了 解机构史研宄状况,以资借鉴。总体来看,学界对国民机构史的研宄相对 单薄,主要有戎向东的硕士论文《国民考试院述论》、肖如平的专著《国民政 府考试院研究》、广少奎的博士论文《南京国民教育部及其行政制度研究》、薛 毅的专著《国民资源委员会

研究》、黄华平的博士论文《国民铁道部研究》、 王超的硕士论文《论抗战时期国民社会部的社会救济》、谢永栋的博士论文《南 京国民信托局研究(1935—1937)》。其他的论文还有卢勇的《早期抗战的重要 机构一国防设计委员会》、刘大禹的《南京国民行政院成立的历史考察》等, 但是这些论文的论述不够系统,不够深入。 对于本文的研究对象——直接税署,目前以”直接税署”作为专题研宄对象的 专著或论文还暂未出现,但与其相关的研究成果还是相当丰富的。对直接税体系及 其机构的研究目前取得了一定的成果,这些成果或单独出现,或存在于财政税制研 究的著作中。以时间为坐标考察直接税的研究的发展,其成果呈现出明显的阶段特 征:二十世纪三四十年代即直接税创办实施阶段,当时主要由直接税相关机关或者 相关人物因业务需要留下了不少著作或资料,而且当时一些财税专家也有专著研究 直接税;新中国成立到80年代是税制研究的低谷,几乎没有相关研究成果出现; 80年代以来,税制研究发展迅速,根据工商税收档案整理出版的资料集不仅丰 富了史料,而且为这一时期的研究奠定了基础,使得专著和论文的数量大大增加。 综合这几个时期的研究主题,主要在以下几个方面取得了一定成果: (一)直接税机构研究状况 对直接税机构的研究基本仅在一些讨论税制税收的著作或文章中有所涉及。最 早涉及直接税机构的著作是直接税的创办人高秉坊写的《中国直接税史实》,此书 讲述了中国直接税创办七年来的历程,包括直接税创办时的艰难处境,体系扩大的 过程,以及组织机构、人事制度,会计制度、税收的进展等方面内容,当为直接税 研宄的奠基之作?。高秉坊的另一本著作——《中国直接税的生长》则系统介绍了 直接税各税种的创办,以及厉行考训的用人制度和划分征收制度的建立。?这两本 3 硕士学位论文 MASTER’S THESIS 著作对本文具有极高的参考价值,但是需要注意作者的身份及其所代表的立场。高 峰的《抗战时期国民直接税征收述论——以西康省为中心》主要考察了抗战时 期西康省的直接税实施情况,其中专门有一章内容来介绍直接税机构的建立和基本 制度,但是此论文主要以西康省为主要研究对象,对直接税机构的探讨也较系统统, 不够深入具体。? (二)对直接税体系及各税种的研究 对直接税体系进行的专门研究,除了上文提到的《中国直接税史实》和《中国 直接税的生长》。还有同年由财政部直接税处编的《八年来之直接税》,这本书直接 税的创办实

施分为四个阶段:创办时期、迁播时期、推进时期和扩展时期,记录了 直接税体系的发展历程。②以上几本著作主要是时人或者官方的史料记录,可为后 人研究之基础。50年代直接税制的研究成果主要有学者张果为的《直接税制之 研究》。?90年代关于直接说制研究最主要的成果是金蠡等主编的《中华工商税 收史:直接税卷》,这本书是合学术界和档案机构的力量所编。全书共四章,分别 论述了所得税、过分利得税、遗产税和印花税四种税目的制定和施行历程,并在最 后批评国民虽然能够制定法规,却又因国共内战疯狂加税,无视税法,结果必 然导致群众的背弃。④学者侯坤宏的论文《抗战时期的税务控案》探讨了抗战 时期税务基层运行的种种积弊,其中属直接税的控案最多。”就战时基层税收之执 行而言,有关直接税之征收最为人据病”,原因主要在于战时直接税体系的扩大。⑤ 此外,涉及到抗战时期直接税征收状况的还有两篇硕士论文。栾世文的《抗战时期 直接税的实施与影响》论述了直接税的改革、直接税与国民财政、直接税与人 民的关系等内容,注重对直接税与当时社会的互动进行评价。他认为国民实施 直接税取得了一定的成绩,”但是缺乏整体思路和长远规划”,”造成直接税税制建 设和征收实践上的缺陷”,使”直接税部门成为国民最的一个部门。” @这 篇文章同以往的研宄相比有所创新,但在论述直接税的实施这一方面似乎不够深入 和详尽。 对直接税体系下各税种的研究,除了在以上所列著作中被作为直接税的一个组 4 颂士学位论文 MASTER’S THESIS 成部分进行了整体性的探讨外,还有对各税种进行单独研宄的成果。 最早对所得税进行专门研宄的是1933年陈英竞的《所得税理论与实际》,在当 时所得税还没有全面实施的情况下,该书从学理意义上探讨了所得税的性质与意 义、所得税的分类、所得税转嫁与归着、所得税的税务行政、各国推行所的税概况、 所得税之未来与中国财政等内容。这在当时无疑为国民推行的所得税有一 定的指导作用。? 1943年,也就是所得税开征六年之后,包超时在其《所得税逃税 论》中讨论了所得税逃税的状况,包括逃税的发生、方法影响及防止措施。他认为 所得税开办几年来已取得明显成绩,但是在物价飞涨时期,与其扩大体系不如增加 人力财力,与其过度提高税率不如改进征课技术,严密稽征,从而增加税收。②另 夕卜,还有赵懿翔的《中国所得税实务》,文章主要说明了所得税的征课方法,以及 一些计算

实例。③80年代以来,研究所得税的专著暂未出现,仅有两篇硕士学 位论文:胡松的《南京国民时期所得税之研宄》?和韩昌盛的《抗战时期四川 所得税的征收及影响》两篇文章都肯定了开办所得税的积极意义,但是也都指 出了战时所得税存在着理论和实践上的缺陷。 相比其他税目,过分利得税的实施时间较短,相关的研宄也较少。1944年段逸 珊《非常时期过分利得税之理论与实际》讨论了战时过分利得税的理论根据、过分 利得税的实施、过分利得税改进之研宄。⑥林美莉的《抗战时期国民实施战时 利得税的与反应》从税基公平与社会正义的角度考察战时利得税的实施,提出 国民在指定过分利得税在指定之初的正义理想,在现实环境的实施过程中未能 充分落实,”丧失以租税手段导引社会合理化发展的作用与资格”。? 对遗产税进行的专门研究最早的当属金国宝的《遗产税》,因当时中国遗产税 并未实施,其对各国遗产税制度、课税范围和方法等进行探讨。比之下,郑启 农的《中国战时遗产税》的研宄更加全面和深入,主要描绘了中国的遗产税沿革历 程,并对当时遗产税制度提出了批评,包括遗产税逃税问题、重复课税、遗产价格 5 /1?x 触学位论文 MASTER’S THESIS 的评定等提出了意见和建议。后又有赵佩玺《中国遗产税》和行政院新闻局编 的《遗产税》③这两本著作基本都是由于业务需要进行编撰的,对中国遗产税的征 税范围和方法做了系统阐述。建国以来,遗产税研究成果稀少,目前所见仅刘 佐主编的《遗产税制度研宄》,该书从遗产税基本原理和国际比较的角度结合中国 实际,分析了遗产税的基本理论问题和中国开征遗产税的问题。其中在遗产税的历 史这一部分简单讨论了中国遗产税的起源、开征,并对旧中国遗产税制度作了简要 评述,认为”由于当时经济落后,政治黑暗,,税务机关内部存在不少问 题,导致遗产税成绩薄弱,”形同虚设”。④燕芝、陈国勇的论文《时期遗产税 旳提出与开征》可以说是专门研究遗产税的学术论文,该文认为开征的遗 产税虽然成效不大,但在当时的情况下能够提出和开征遗产税已经是开创之举。⑤总 体来看,对遗产税的研宄还有很大空间。 时期,对印花税的单独研究仅见章文虎《印花税释疑》,主要是对各行业 贴印花办法之解释说明。⑥新时期以来出现了对清末和的印花税研究,项定才 的论文《清末仿行印花税管窥》对印花税的开征时间提出了自己新的观点,认为印 花税在我国的开征时间应该是1909年

而不是众家所说的1913年。?饶立新、曾耀 辉在其《中国印花税及印花税票》一著中系统地阐述了印花税自清末以来在中国的 发展历程,包括清代印花税筹办过程,印花税发展,抗战胜利后的印花税及现 行印花税。该书是一部系统全面的印花税研究之作。⑧李向东的博士论文《印花税 在中国的移植与初步发展(1903—1927)》分析了印花税移植如中国的背景、晚清 印花税的筹议和实践,北京时期印花税的立法过程和征收管理及纳税人抵制印 花税的状况。他认为,虽经过晚清和北京一系列的努力,但印花税的实践效果 还是不尽如人意,收效甚微。⑨ 对营业税的研究成果相对较丰富,时期最早的著作当属侯厚培的《营业税 问题》探讨了营业税的性质、课税标准和方法,并对中国举办营业税的历程进行讨 6 颂士学位论文 MASTER’S THESIS 论。?其他的如包超时的《中国营业税》?,张淼的《中国营业税制度》?,童蒙正 的的《中国营业税之研究》④分别对当时的营业税制度,课征方法等进行了介绍。 这些都属于时人对营业税制度的简单介绍。80年代以来,学界对营业税的研究开始 关注到营业税征税过程问题,魏文享《工商团体与南京国民时期之营业税包征 制》,从工商团体与税收的关系角度考察了在营业税征收过程中的工商团体的参与。 他认为南京国民时期,地方违背直接征税原则,普遍与工商团体达成 包征协议,形成了以工商团体为中介的包税制形态。⑤潘国旗、汪晓浩在其论文《民 国时期的浙江营业税述论》则考察了浙江地区的营业税,认为浙江营业税虽然 有一定缺陷,但是相较厘金而言是进步的,是历史发展的必然。⑥ (三)税制的宏观研究状况 晚清以来,财政困难,为增加财政收入,统治者即思开辟新税之道路,改 革税制。开始,有关税制的研究大概可分为三方面一:是通史类的税制研 究;二是专门讨论税制或战时税制的研宄;三是有关税制改革的研究。 通史类的著作系统全面,但难免过于笼统概括。吴兆莘的《中国税制史》当属 较早的典型著作,他从商周时期的古代赋税写到近代税制,探讨了各个时期的 税收制度和税制改革,其中涉及国民的拟办所得税、营业税、印花税等情形。?1945 年由重庆经济研究社出版的丛书——《中国税制》,对民元以前税制、民元至抗战 前以及现行税制都进行了讨论。这本书重点探讨了战时的税制,包括田赋、土地税、 契税、所得税、过分利得税、遗产税、营业税、印花税等各税的沿革、实施情形及

历年税收状况;同时,编纂者还为战后租税的建立提出了自己的建议,认为战后租 税首先应税去大地主和大富人以达到”大同世界”,这种观点事实上也体现了税负 公平思想。?90年代以后出版的税收通史类著作,主要有殷崇浩主编的《中国税收 通史》和黄天华的《中国税收制度史》。前者可谓是国内第一部内容充实、论述客 7 领士学位论文 MASTER’S THESIS 观的相关著作,它在时间上纵跨古今,内容上主要分为新中国建国前和建国后两个 阶段,包罗国家各类税收,系统全面的反映了中国税收发展状况?;相比之下,黄 天华的《中国税收制度史》的时间仅截止到国民时期,此书属于国家”十一五” 材性质。②另外,这两本著作对国民时期的税收状况都仅用一章内容来论述, 在内容上不够详尽。 专门讨论税制或战时税制的研究。1929年,李权时的《中国税制论》对当 时的中国税制做出梳理和分析。他把中国税制分为两层,即税制和地方政 府税制,其中税制划分为享益税系统和能力税系统。在拟议中的遗产税和所得 税被划归能力税系统。③经济专家朱锲在1943年发表《中国战时税制》,他认为国 民实施战时财政是财政史上的创举,而直接税体系的创立、征收机构的统 一更具有划时代的意义;他还探讨了直接税体系在战时的发展和完善,包括所得税 之改进、过分利得税和遗产税的开征及印花税的演进,认为这些税目在开办实施过 程中仍存在不少问题;对于如何改进税制、改良税政、增加税收,他提出自己的建 议,如所得税应扩大征收范围、施行综合所得税、过分利得税应严密稽征、切实抽 税等。?此书为当时制定提供了良好建议,也为后来之研究打下基础。80年代 匡球在《中国抗战时期税制概要》中把战时税制分为直接税、货物税、关税、土地 税、专卖和地方税系统进行阐述。在直接税系统方面,他分别论述了所得税、过分 利得税、遗产税、营业税、印花税的概念、沿革、制度、征纳手续及计算实例;同 时,他还指出”实施的各种类税制是为其反动统治服务的,是作为向广大劳 动人民进行残酷剥削的工具” 这一评价带有明显的政治立场,不够客观。周爲 在其《抗战期间国民赋税述略》一文中认为对国民在抗战时期整顿旧 税、开办新税和田赋征实的举措应予以肯定,虽然其赋税因自身等 原因存在着种种弊端,但它毕竟对维持战需起到了积极作用。⑥崔国华的《抗战时 期国民财政金融》对战时创办直接税行了客观评价,指

出新税是根据”有 钱出钱”的原则制定的,既增加了战时经费,又一定程度上顾及了人民生活。但是 8 硕士学位论文 MASTER’S THESIS 由于政治,新增税款没有发挥其应有的作用。? 有关税制改革的研究。董长芝的论文《宋子文、孔祥熙与国民的税制改革》 主要探讨了国民前期和地方的税制整顿和改革。在方面,他认为所得 税的开办是中国税收制度的一大改革,对其持肯定态度;在地方税制中,他指出营 业税是作为厘金的抵补开办,但税收额较小,且杂税苛扰依然存在,因此地方税改 革不尽如人意②。严清华、杜长征的《孔祥熙经济思想初探》认为孔祥熙的赋税思 想中包含”直接税”思想,孔虽不是直接税首倡人,却信念坚定,措施得力,有力 支持了中国直接税的改革。③林美莉的《西洋税制在中国的发展》一书以新颖的视 角考察了直接税被引入中国及其发展的全过程。作者认为在二十世纪前半期的税制 改革中,中国借助这些西洋税目,增开税源,以期达到税制现代化和改良财政本质 的目标,并结合裁厘运动对国民的直接税改革及其存在的阻碍做了全面考察。 志宇博士学位论文《近代中国税收现代化进程及其思想史考察》⑤和朱雅丽的硕士 论文《国民前期税制改革和财力分析(1927年——1937年)》⑥都考察了 国民时期的税制改革,并对其意义进行了肯定,同时也注意到了改革带有转型 的特点,进步与落后并存。夏国祥认为近代中国的税制改革思想是日渐成熟的,表 现在”所得税、遗产税的引进问题上,人们最初属意于税制的完美性,忽视其可行 性,后来则越来越显示出重视国情原则的特点,务实的作风日趋增强。”⑦

6、研究方法、思路

6.1、起重机回转机构故障诊断方法和声发射信号处理研究现状

1.2.1 起重机回转机构故障诊断常用方法1.2.1 起重机回转机构故障诊断常用方法 滚动轴承在运转中必然会产生声、热、振动等现象[4],故可以从滚动轴承在运转 中的温升、震动、油脂状态等微小变化来检测和诊断轴承的技术状态。目前,对起 重机回转机构进行

故障诊断和工况监测的方法主要是根据监测和诊断回转轴承的所 选状态量来判断的,按照所选状态信号的特征分类 。回转机构故障诊断可采用的方 法有温度法、油液分析法、接触电阻法、声发射法、振动监测法、光导纤维探测法 等[5]。 1 河北科技大学硕士学位论文 1) 温度法检测 回转机构如果存在一些故障缺陷,那么回转机构的温度就会发生改变,所以, 通过监测温度的变化,可以对回转机构是否发生故障进行判断,但对复杂故障判断 的不准确。其特点为:监测简单,对轴承烧伤检测效果好,可以对回转机构进行简 单的常规诊断。 2) 油膜电阻法诊断 经过润滑的回转机构,因为油膜的作用,外圈和内圈之间存在不小的电阻,因 此可以对轴承外圈和内圈的阻值进行监测,通过阻值大小的变化对回转机构是否发 生故障进行判断。其特点为:同一评判标准可以在不同的工况下面适用,对裂纹发 生、裂纹扩展、压痕等小面积的故障的诊断效果差,此法主要适用在回转机构旋转 轴露在外面的情形。 3) 光导纤维探测法 光纤探测是通过从回转机构套圈的表面提取信号的诊断技术。由光导纤维组成 的位移传感器包括了接收光纤束和发射光纤束。传感器和回转机构的表面间隙可以 反射光线,这些反射光线通过接收光纤束接收,把接收到的光信号转化为电信号, 对电信号进行分析处理,从而对回转机构的工作状态作出评估。其特点为:光纤位 移传感器具有非常高的灵敏度,可以从回转机构的表面提取信号,从而增加了信噪 比;直接表现了回转机构的质量水平、磨损严重程度、载荷大小、间隙大小和润滑 效果等情况,可用来监测传感器安装在回转机构内部的机器。其缺陷是,对于采用 润滑脂的回转机构,由于脂类具有很差的流动性,所以采集有代表性的油脂样品会 比较困难,这使得进行定量分析的结果离散程度较大。 4) 铁谱分析监测 回转机构的磨损与其工作的工作状况有很大的联系。将具有磨损颗粒的润滑油 穿过强磁场,在强磁场的作用下,铁谱片上会吸附很多有规律的磨损颗粒,在铁谱 分析仪器上观察定性或者在定量仪器上测试,通过监测铁谱来判断轴承的工作状态。 其优点是:不需要拆卸,成本低,监测效果好,可以分析出回转机构早期的疲劳失 效;可以进行磨损机理研究。但其缺点是:不能进行实时监测;过分依赖人的经验; 对采样要求苛刻;对非铁磁性磨损颗粒的检测效果欠佳;可以用来对润滑油润滑的 回转机构的故障诊断,但对于油脂耦合剂润滑的回转机构效果不佳。 5) 振动法诊断 回转机构元件的表面出现小面积

腐蚀、压痕或疲劳剥落时,回转机构在转动过 程中会产生周期性的脉冲信号。用安装在回转机构上的振动传感器来手机这些周期 性的脉冲信号,通过对振动信号进行处理分析来判断回转机构的故障。其特点为: 诊断方法简单,可实现实时在线监测;诊断速度快,振动法诊断理论已经成熟,适 2 第 1 章 绪 论 用于旋转机械回转机构的故障监测[6]。但其缺点是易受到工况和轴承安装及工作状态 的影响。 6) 声发射诊断技术 声发射是材料内部因能量的快速释放而发出的瞬态弹性波的现象。当外加载荷 作用在材料上时,因为材料内部结构的不均匀并且存在着各种缺陷的情况下会使应 力集中,从而导致应力在局部不稳定。不稳定的应力分布状态会积蓄应变能,当这 些应变能积蓄到一定程度时,应力会重新分布,将会达到新的平衡状态。在这一过 程中会通常伴随着微观龟裂、范性流变、位错的发生与堆积导致产生并且延展裂纹, 实际上这就是应变能的释放过程。释放出的应变能以应力波的形式发射出去一小部 分,因为最先发现的应力波发射现象是人耳可以听到的声波,所以称为声发射[7]。其 特点是:特征频率明显,特征信号明显。

6.2、安全评价方法研究现状

安全评价技术起源于 20 世纪 30 年代的美国保险业,到了 20 世纪 80 年代初,安全 系统工程引入我国,国内学者才开始了对安全评价技术的研究。经过多年的消化、吸收, 5 已经将多种安全评价方法用于机械、冶金、航空航天等行业。本文对模糊树分析法和模 糊综合评价法的研究现状作详细的说明。 1.模糊故障树分析法研究现状 模糊故障树分析方法的研究最早始于 Tanaka 等人[10]。Singer 对模糊故障树分析方 法做了进一步研究[11][12],他们考虑到传统故障树分析中危险事件发生概率不确定的问 题,该方法将基本事件的发生概率视为模糊数,在传统故障树的基础上提出了模糊重要 度的概念,并计划将该理论和方法用于化学系统的安全评价,以反应堆系统为例进行了 详细说明。Soman 和 Misra[13]等人提出了一种基于 -截集的模糊故障树分析的简单方 法,此后将其应用到了多状态故障树分析中[14]。Furuta 和 Shiraishi[15]试图简化结构函 数的计算过程,并运用模

糊集理论重新通过隶属函数定义顶事件的状态,每个基本事件 的重要度可以通过模糊算法来求值,该方法在结构失效分析中得到了应用。Huang H Z, Tong X 等人[16]运用模糊集理论提出了故障树的模糊分析方法,并运用到了机械加工系 统中。 文献[17]针对新型装备因缺乏贮存实验数据和现场数据,而无法用常规方法进行故 障树分析的情况,给出了用三角模糊数表示故障概率并进行模糊故障树分析的方法和步 骤;文献[18]将模糊集理论用于自动化立体仓库的故障分析,对立体仓库各环节所遇到 的模糊信息进行科学、定量地处理;文献[19]针对液压系统中事件概率情况获取不足的 现状,在故障树分析中引入了模糊集合理论和可能性理论,提出了一种基于梯形模糊数 算法的液压系统故障树分析法;文献[20]在微小型正弦活齿传动系统模糊故障树分析中 引入了灰色关联度分析法,对各种故障模式发生的可能性大小做出了判断。 综上所述,国内外文献的研究的共同特点是将模糊理论引入到传统故障树分析中, 对故障树底事件的发生概率进行模糊化处理,并将概率视为模糊数。但对模糊故障树分 析方法的研究工作大部分还都局限在算法本身的研究,实际应用的研究带有试探性,分 析结果缺乏验证和比较。 2.模糊综合评价法研究现状 模糊综合评价法[21]作为模糊数学的一种具体应用方法,在我国最早是由学者汪培庄 提出来的。Joo Hyun Moon 和 Chang Sun Kang[22]提出了一种基于模糊集理论和层次结构 分析的模糊决策理论,该理论使用语言变量和模糊数来表示决策者对决策方案和标准的 主观判断,用模糊算子和积分的方法来综合排列决策方案,并实现了对废弃燃料存储方 案的选择。文献[23]针对船舶热源系统常用根据经验或根据船东要求选取,缺乏科学性 的弊端,引入模糊综合评价法,选定三种热源系统的具体型式进行综合评判,实现了方 6 案的优选。文献[24]为了应对公路路政管理难的问题,提出了一种基于模糊理论、层次 分析法和群决策理论的综合评价模型,并开发出了基于 VC++和数据库技术的相应软件。 文献[25]提出了一种非线性模糊综合评价模型,用于解决人类评价活动的非线性特征的 问题,并将该模型用于对水质的评价,其结果证明了该方法的优越性。文献[26]讨论了 模糊综合评价法和风险分析技术在大型水利工程工期论证和方案选择中的应用问题,并 结合具体工程实例,证明了该分析技术具有较好的实用性。文献[27]对主战坦克的评价 指标进行研究,提出了采用层次分析法-灰色模糊综合评

价对总体设计方案进行评价的 方法。文献[28]对影响汽车起重机工作性能的主要因素进行了研究,并给出了影响因素 优劣等级的模糊界定方法,为对其工作性能进行评价提供了依据。文献[29]将灰色理论 引入到对履带式推土机设计方案的模糊优选过程中,综合考虑相关因素交叉耦合后对决 策方案的影响。 上述文献的研究都集中在对方案的设计方案的优选和管理决策上。模糊综合评价的 结果不是一个值而是一个模糊向量,因此该理论比其他方法提供的信息要更加丰富。对 于模糊综合评价结果向量的处理方法,常用的有最大隶属度原则、最大接近度原则、加 权平均原则三种方法[23][30],模糊综合评价法不仅可对评价对象按综合分值的大小进行评 价和排序,而且还可以根据模糊评价集上的值评估对象所属的等级。

6.3、-2-3 并联机构的研究内容及方法

目前,并联机构的研究多集中在结构学,运动学,动力学以及控制策略等方面,并且每一方面的研 究都包括了分析研究和综合研究。 6 河北工业大学硕士学位论文 1. 结构学研究 并联机构的结构学研究是并联机器人理论研究和应用的基础,是指根据机构所要实现的运动传递或 转换要求确定机构类型和组成原理。结构分析指给定机构,了解构建和运动副的数量,计算自由度,确 定自由度类型(平动,转动)。而结构综合是指根据功能要求,确定机构类型,即确定构建运动副的数 量及连接方式。其中结构综合又包括了数综合和型综合。并联机构的型综合是指给定一定的构件和运动 副,研究用它们可以组成多少种机构的过程。经过多年的发展,型综合的方法主要分为以下五类: (1)基于机构的Grübler-Kutzbach自由度计算公式的构型方法。这是一种传统的机构综合方法,并 联机构最初就用这种方法进行型综合的。1999年,Tsai[20]基于这个自用度计算公式,利用列举法综合出 了一类三自由度并联机器人机构。但随着不断的深入研究,学者们发现这种方法还有很多问题。其”未 考虑运动副的几何布置,容易得出无效的结果”[21]。 (2)基于约束螺旋理论的综合方法。螺旋理论作为一种数学工具,被广泛地应用在各种机构的分 析研究当中。黄真、L.W.Tsai和

C.M.Gosselin等提出将约束力-反螺旋理论用于并联机构的型综合。之后 国内的专家学者黄真,赵铁石,于靖军等[22~32],国外的Tsai,Kong等[33~39]继续对螺旋理论进行深入研 究,并利用螺旋理论综合出了许多新的并联机构。螺旋理论的局限性在于写出的运动螺旋和约束力螺旋 只可以表示机构在这一刻的瞬间的运动和约束状态,也就说它们都是机构的瞬间量,所以利用这种方法 综合出的机构必须进行判别是否具有非瞬时性。 (3)基于群论和微分几何的综合方法。近些年来,李群和李代数理论也经常被应用在机构分析的 各个方面。Hervé和Karouia等[40~51]等较早将李群理论引入并联机构型综合。李秦川,Angeles等[52~55]利 用群理论综合出了多种3-DOF和5-DOF的并联机构。李泽湘等[56~58]提出了一种被学术界认为是李群代数 在并联机构中能够得到完全推广开来的方法,这种方法能够综合出包含李子群和子流形运动类型在内的 所有并联机构。 (4)基于单开链(SOC)的综合方法。这种型综合的方法首先由杨廷力等[59~65]提出。其基本过程 为先构造各种支链,确定每个链的输出矩阵,然后求其交集矩阵,最后利用这个交集矩阵得到动平台的 运动形式,从而获得整个并联机构。 (5)基于集合的综合方法。高峰[66]首先利用这种方法使用复合铰链综合出了多种少自由度并联机 器人机构。之后,宫金良、高峰[67~69]进一步提出了利用运动集和GF集综合并联机构的方法。但这种方 法中加法和求交算法比较难懂。 2. 运动学研究 运动学研究也包括运动学的分析和综合。运动学分析是指研究给定机构各构件(或各构件上的点) 之间位置、速度和加速度的关系及其变化规律。运动学综合指根据机构各构件的运动变化规律来确定机 构的几何参数和运动学参数(优化)。 运动学分析一般主要包括位置分析,速度分析和加速度分析。位置分析中正解的方法有两种,数值 解法[70~71]和解析解法[72~73]。速度和加速度分析是并联机构运动学分析机构性能时非常重要的一部分, 经常用到的方法有求导分析法、旋量分析法、矢量分析法、网络分析法、张量分析法和影响系数分析法 等。 7 基于螺旋理论的三类并联机构动平台可连续回转性能分析 运动学综合即机构的运动参数优化。将其与之后的动力学参数优化放在一起加以说明。 3. 动力学研究 动力学分析是指研究给定机构的运动(位置、速度和加速度)与作用在各构件上的力或力矩之间的 关系。动力学分析综合指根据动力学性能要求,确定动力学参数(J、M和

K,因为是刚体研究,所以认 为K趋近于无穷大)。 并联机构的动力学分析包括正动力学和逆动力学两类问题。一直以来,研究人员对正动力学的研究 较少,主要集中在动力学建模和逆动力学上。动力学分析的方法主要有两种:牛顿-欧拉(Newton-Euler) 法和拉格朗日(Lagrange)法[74]。牛顿-欧拉法计算速度快,无冗余信息,而拉格朗日法能够求解复杂 的并联机构动力学方程。但两种方法建模过程繁杂,计算工作量巨大。所以新的动力学研究方法正在研 究当中。 动力学综合即动力学参数优化。其经常与运动学参数优化放在一起统称为机构的参数优化。参数优 化主要研究机构的奇异位形,工作空间,误差分析以及其补偿等。其旨在根据机构的运动学和动力学分 析来优化机构的各种参数,以改善机构的运动和动力性能。最常见的奇异位形分析方法就是根据机构的 雅克比矩阵进行分析,当然其他理论的分析方法比如螺旋理论和群理论也和此方法息息相关。本文采用 螺旋理论的方法进行奇异性分析。并联机构工作空间分析方法主要有:作图分析法、极值分析法、解析 法、数值法以及蒙特卡洛法[75]。操作精度是评价机器人工作质量的重要标准之一,所以误差分析及其 补偿就显得尤为重要。误差一般分为静态误差和动态误差。利用软件和硬件都可以进行误差补偿。 4. 控制策略研究 随着研究的深入和科学的发展,并联机构的控制策略也呈现多样化,使得并联机构的性能得以较大 提升。常用的控制策略有:(1)PID控制;(2)智能控制;(3)滑模控制;(4)鲁棒控制;(5) 模糊变结构控制;(6)非线性补偿控制。 1-3 本文的研究内容 本论文主要针对三类动平台可连续回转的并联机器人机构,基于约束螺旋理论对其进行了详细的 分析,主要包括运动分析、约束分析、奇异性分析及可连续回转的条件分析等几部分。详细研究内容 如下所述: 第一章 综述了并联机器人的研究现状,介绍了本课题的研究背景,并由此提出了本课题研究的重 要意义和主要研究内容。 第二章 首先简明扼要的介绍了螺旋理论的基本概念;根据约束螺旋理论推导出了这三类并联机器 人机构动平台的运动螺旋系;介绍了奇异位形的概念及其分类,在之前分析的基础上又对该机构进行 了奇异位形分析,包括运动奇异和约束奇异。 第三章 在以上分析的基础上提出了并联机构动平台可连续回转的必要条件,并举例加以说明这些 条件对并联机构动平台工作空间的影响。 第四章 全文总结及工作展望。 8 河北工业大学硕士学位论文

6.4、起重机械风险评价理论与方法研究的必要性

根据起重机事故分析统计来看,起重机械运行阶段成为起重机械风险评价的重点之 一,主要有以下几个方面决定的: 1)起重机械运行阶段风险评价是减少事故发生的客观需要 在起重机械的全寿命周期中,设计、制造和安装所占比例周期时间少,运行阶段不 仅时间长而且涉及因素多,面临来自自然界的,社会的、技术的、人为的、材料的不确 定性因素影响,一旦事故发生,生命及财产就会遭受很大损失,同时事故所衍生的社会 成本损失更是难以估计,所以决策过程中必须对各种极端事件进行充分的考虑。通过风 险评价,了解和掌握起重机械运行阶段潜在的风险因素,并形成积极有效的风险应对策 略,从而控制和降低风险水平,减少事故的发生和降低事故损失。 2)起重机械运行阶段是制定风险预案和降低风险损失的客观需要 作为生命线工程的重要组成部分,起重机械在国家经济的发展中具有非常重要的意 义,决策者应对各种安全隐患有充分的认识和准备。可以说,起重机械运行阶段风险评 价,正是以起重机械安全为主要目标,以定性方法、定量方法和半定量方法为研究手段, 综合考虑结构、社会、环境、等多方面的因素,以辅助决策者建立保障安全的预警机制, 达到防患于未然的目的;并通过建立健全突发事件应急机制,使得事故发生后,事故的 4 次生灾害降至最低,达到减少风险损失的目的。 3)起重机械运行阶段风险评价研究是行业技术进步的需要 风险评价在很多领域都有了较为广泛的研究,但在起重机械方面的研究目前尚处于 起步阶段,其研究深度和研究水平也参差不齐,没有充分体现风险评价工具的有效性, 难以满足机械安全使用的需要,本课题的研究希望能为本行业提供进一步开展研究的基 础,促进行业技术的全面发展。 4)起重机械运行阶段风险评价研究是缓解决策压力、保护公众利益和开展保险业 务的需要 随着社会的不断进步,公众对灾害事故的敏感性以及参政意识的增强,使得越 来越感到决策的压力,重大事故发生后,不得不承受来自各方面的压力。风险评价 的最终目的是为决策者提供决策依据,帮助投资方、设计方、使用方充分了解所面临的 各种风险的风险水平及风险损失情况,从而应用经济有效的手段制定相应的措施,为如 何管理风险做出理智的决策,提高决策者对不确定事件的掌控程度[6]。 综上所述,起重

机械运行阶段风险评价在提高起重机械安全性工作中具有很重要的 地位,通过风险评价确定潜在风险,得出起重机械风险值,制定风险控制方案,拟定消 除风险的预案是非常必要的。

6.5、动力学问题的研究策略与方法

动力学问题的研究方法是建立在静力学基础之上的,但是它与静力学的研究方法又有明 显的不同。振动工程是专门解决工程中各种动力学问题的一门学科,它在方法上有以下 特点: 1)全方位地处理振动问题的策略 过去习惯于静态设计,待产品制造出来以后,如果发现在动态特性方面有问题则再 加以动态补救.对于现在的许多工程项目来说,这种”静态设计一动态补偿”的方法已 难已满足要求,而必须采取在设计、制造、运行与保养等诸环节分别考虑动态性能的预 测、优化、实现、监视与维护的策略,即”全方位地处理振动问题”的策略。 2)模型化的方法 通过测试与理论分析建立一定的理论模型。这种理论模型通常是微分方程。精确的理论 模型是研究一个振动系统、预测其动态响应的前提。除了理论模型之外,有时也采用实 物模型与模型测试的方法。求解系统运动微分方程有两种方法一解析法和数值方法,解 析法虽然物理概念清楚但计算公式复杂,可求解的自由度较少,而现代工业中机械结构 日趋大型化和复杂化,必须将其抽象为多自由度的力学模型才能较好的了解系统的动态 性能和正确的估算动载荷。因此在工程中普遍采用数值方法。其特点是:只有算术运算 和逻辑运算。可分析多自由度系统,简单易行,计算速度极快。本文对臂架结构进行的 动态分析就是采用有限元法这一数值计算方法。 动力学问题的数学模型,不管是解析法建立还是用有限元法建立,都是如下形式的二阶 微分方程: [ M ]{ (t)} [C]{ (t)} [K]{ (t)} {F(t)} 其中: [M]—结构的总质量矩阵; [K]—结构的总刚度矩阵; [C]—结构的阻尼矩阵; 7 {F(t)}—结构的激振力列阵; { (t)}—结构节点的位移列阵; { (t)}—结构节点的速度列阵; { (t)}—结构节点的加速度列阵。 [M],[K]通常为实系数对称矩阵,[C]为非对称矩阵。因此,方程是一组耦合方程,当系 统自由度较大时,求解困难。 3)优化设计的方法 基于理论模型,采用数字仿真的方法,可以预测系统在各种载荷下的动态响应。如果响 应不合要求,可以反

过来修改系统的设计参数,再进行预测,再修改(这在计算机上是 很容易实现的事)。如此反复迭代,可使系统在指定的载荷下,具有合乎要求的响应或 最佳响应,此即优化设计方法.采用这种方法不仅在设计阶段可以预测系统的动态特性 与动态响应,而且可按照对其响应的要求,对设计参数进行修改与优化。基于实践经验、 科学实验和理论分析的结果,制定各种规范与标准,以指导或约束人们的实践,也是振 动工程处理实际问题的一种常用方法。

6.6、主要研究内容和方法

论文针对起重机回转支承在故障诊断特别是在早期故障诊断领域所面临的难点问 题,通过对回转支承裂纹形成机理进行分析,探讨采用声发射技术对回转支承进行裂纹 检测时声源定位和严重程度评价等方面的问题,论文主要研究内容和方法包括: (1)对起重机回转支承运动受力形式及故障形式进行分析,从疲劳接触理论出发 研究裂纹形成机理及裂纹扩展形式;在弹性波动理论及声发射检测基本原理的基础上, 对运用声发射技术检测起重机回转支承裂纹的可行性进行分析。 (2)在 ANSYS/LS-DYNA 中应用显式算法建立声发射信号在回转支承套圈内传播 的有限元模型,利用该模型研究声发射信号在传播过程中信号传播路径、动力响应时域 及频域情况、能量衰减规律;对起重机回转支承常用材料无缺陷及含缺陷试件在拉伸试 验全过程中的声发射信号特征进行分析,对常用材料在三点弯曲下的声发射特性进行试 验研究。 7 华南理工大学硕士学位论文 (3)根据声发射信号在回转支承内部的传播情况,建立基于线性时差的声发射源 定位方法,采用平滑伪 Wigner-Ville 分布对阈值时差估计进行修正,在此基础上进行数 值仿真分析和模拟试验验证;利用从拉伸试验全过程获取的声发射波形信号,选取小波 包能量谱为特征参量,根据拉伸全过程试件所经历的各个阶段,建立基于小波包能量谱 和支持向量机的声发射信号严重程度识别方法。 (4)在起重机回转支承结构健康检测试验平台上建立回转支承裂纹检测试验方案。 通过试验验证声发射技术在起重机回转支承裂纹检测方面的可行性,对裂纹源定位及严 重程度识别进行试验研究;同时,利用现场检验对回转支承裂纹的声发射检测进行工程 应用的尝试。 论文

研究的主要思路及总体框架如图 1-1 所示: 绪论 运动受力形式裂纹形成机理及声发射检弹性波动理论 裂纹形成机理测(第二章)声发射检测 裂纹检测可行性 声发射信号传播规律 常用钢材声发射特性 传播路径(第三章)拉伸过程声发 动力响应及频射特性 谱分析三点弯曲过程 能量衰减规律声发射特性 裂纹源有无判定裂纹源定位及严重度严重程度分级 线性时差定位识别(第四章)特征参量提取 时差估计修正严重程度识别 试验研究试验研究及工程应用 (第五章)工程应用尝试

6.7、研究思路及方法

(一) 本文以金初燕云枢密院为主要研究对象,以史籍、墓志铭等为研究基础, 运用历史学实证的研究方法,辅以社会学理论进行分析。论述过程中,注意个案 与整体研究相结合的方法,力争做到有理有据,论从史出,避免盲目堆积史料与 空洞的说理。分析过程中,将燕云枢密院放在特定历史条件下研究,力求给予客 观公正的评价。 (二) 需要界定的两个问题: (1)关于研究的时间断限 本文为金初燕云枢密院研究,研究的上限金太祖天辅七年(1123)于广宁 设置枢密院开始,下至熙宗皇统元年(1141)取消燕京行台尚书省,前后共计 18 年。 (2)关于燕云地区 燕云地区是指后晋天福三年(938)石敬瑭割让给契丹的位于今天北京、天 津、山西、河北北部的十六个州,称”燕云十六州”,又称”幽云十六州”。

6.8、研究的主要思路和方法

劳动人事争议仲裁机构和仲裁员队伍作为中国特色政治中的一种特殊 的公共组织,对其进行的系统研究还相对较少,类似的专门文献还很少。本课题 2 研究在研究思路上,以纵向的角度,对劳动、人事争议处理制度历史演进脉络进 行研究,预测其发展走势,分析其在未来的社会管理体系中的地位;以横向比较 的角度,对劳动人事争议仲裁机构和仲裁员队伍的特殊性进行研究,探寻其合理 的角色定位。 在研究方法上,本课题研究将运用文献分析

法、历史分析法、归纳总结法, 分析研究劳动人事争议处理制度的历史沿革;用比较分析法对国外相关制度以及 国内类似职业进行分析;用定性分析法尝试对劳动人事争议仲裁机构和仲裁员队 伍的社会角色定位做出判断。从而提出符合我国国情的劳动人事争议仲裁机构和 仲裁员队伍建设发展方向的建议。

6.9、研究思路与方法

新形势下卫生计生机构的合并整合是一项全新的课题。国家和各省区市也正 在探索中前进,才刚刚起步。本文将通过梳理卫生计生事业发展历程、 发展现状,查找分析国内外相关研究文献,梳理分析国家和内地部分省市区各层 面卫生计生机构资源整合经验和存在的问题,探讨符合实际的卫生计生机构 整合和机制改革创新路径、方法。 论文采用文献研究与实证研究相结合方法,通过文献研究、经验总结、访谈 交流等,分析全疆卫生计生机构资源基本情况,梳理卫生计生事业发展历程 和机构资源情况,系统分析卫生计生机构资源整合的动因、趋势,借鉴内地 省区市相关改革创新经验,分析利弊得失,得出基本结论,提出对策建议。

6.10、回转支承的研究方法

目前,回转支承的研究方法主要包括两大类:基于赫兹接触理论的解析 算法和有限元数值算法。 赫兹接触理论是目前最为经典的接触力学理论,自从赫兹于 1881 年创 立了该理论以来,一直被作为解决工程实际中接触问题的基础理论,利用该 理论可以求得接触面上所产生的局部应力和应变分布规律。 杜睿和吴志军[7]通过运用赫兹弹性接触理论对回转支承进行接触分析, 推导出了在受轴向力时的理论承载能力计算公式,并根据公式给出了提高回 转支承承载能力的方法:适当增大初始接触角和滚动体直径,提高滚道硬度, 适当降低曲率比。 王思明[8]则从受力前后变形的几何关系进行分析,用迭代法计算出轴向 载荷与变

形、接触角变化的关系,考虑轴向位移引起接触角的变化对轴向受 力的影响,使计算结果更加精确。 回转支承在实际工作中往往承载着多种载荷,贺继林等人[9]建立了回转 支承在轴向力和径向力复合载荷下的接触应力、接触角和变形量之间的关系 方程,并通过 VC 编程实现自动求解,同时结合有限元法相互验证计算结果 的正确性。陆雪忠和毛月新[10]考虑了更全面的工况:包括轴向力、径向力和 倾覆力矩,计算了在三种工况共同作用下滚动体所受的最大载荷,根据赫兹 接触理论计算得到滚动体的实际载荷分布,进一步计算了内外圈的疲劳寿 命。 内外圈与滚动体之间的游隙是回转支承的一项重要参数,对滚圈作用在 滚动体上的载荷影响甚大,李云峰等人[11]通过分析回转支承的静力学模型, 发现减小游隙有利于提高回转支承的承载能力。陈龙等人[12-13]分析了负游隙 条件下的载荷分布,根据计算结果绘制了承载曲线,为设计人员设计与选型 提供参考。 相对国内研究者,国外学者研究的更全面和更深入, Jose Ignacio 2 第一章 绪 论 Amasorraina、Xabier Sagartzazu 等人[14]推导出了在轴向载荷、径向载荷和倾 覆 力 矩 三 种 情 况 下 外 载 荷 与 最 大 接 触 应 力 之 间 的 平 衡 方 程 , 并 利 用 Newton-Rahpson 迭代求解,得到了外载荷和最大接触应力之间的关系式。 Josu Aguirrebeitia、Rafael Avilés 等人[15]综合考虑了轴向载荷、径向载荷和 倾覆力矩三种载荷的不同的组合情况,更接近实际工作状态的载荷。 基于赫兹接触理论的解析算法,计算速度快,但计算前需要对模型进行 大量简化,如假设内圈、外圈和滚动体都是刚体,承受载荷后只在滚动体和 内外圈滚道接触处发生弹性变形,不考虑材料塑性变形;不考虑滚道与滚动 体之间的摩擦;不考虑滚道表面淬火,整个圈体材料性能一样,等等。然而, 这些因素对回转支承承载能力的影响却十分明显,所以基于赫兹接触理论的 解析算法计算误差较大。 为了考虑更多的影响因素,模拟更接近实际的工况状态,有限元法提供 了一种有效的途径。相对于解析算法,有限元法可以考虑更多的影响因素, 计算结果更精确[16-25]。 有限元数值算法建立在 Ritz 法的基础之上,通过变分原理将分析问题转 化成代数问题来进行求解。其主要原理是将一个任意形状的连续体离散为一 组单元的组合体,相邻单元之间通过节点连接来传递载荷;假定节点处的未 知量为基本未知量,单元内的未知量则以插值函数近似表示,从而使一个连 续的无限自由度问题变成离散的

有限自由度问题,再结合力学的几何方程、 弹性方程、虚功方程等相关原理就可以由基本未知量求解得到连续体中任意 位置的位移、应变和应力[26]。由于连续体可以离散为大小和形状各不相同的 单元,所以它适用于材料类型不同、几何形状复杂和边界条件的情况。目前, 有限元数值算法己广泛地应用于求解各种复杂的力学问题,并取得了较好的 结果。 丁龙建[18]通过模拟滚动体与滚道接触的二维接触模型,指出次表层的最 大应力是使滚道产生剥落的一个重要原因。李芃等人[27]建立回转支承的多体 动力学接触有限元模型,利用显式算法研究了载荷和转速对回转支承的影 响,得到了滚动体在旋转过程中的动态响应、接触应力分布及滚道的米塞斯 应力分布。 闫佳飞[28]建立了回转支承整体弹性有限元模型,研究了不同载荷下曲率 比、游隙的接触应力,发现最大接触应力出现在与内圈接触的滚动体处,内 圈滚道次之,外圈最小,同时随负游隙绝对值的增大而增大,负游隙对接触 力的影响很大。 丁龙建[18]、李芃[27]、闫佳飞[28]等建立的有限元模型所用到的滚圈都作 3 合肥工业大学硕士学位论文 为一个整体的弹性材料模型,然而,回转支承的滚道表面经过淬火[29-31],硬 度和屈服强度得到较大提高,滚圈基体材料的调质状态硬度为 207HBW~ 262HBW,正火状态硬度为 187HBW~241HBW,表面淬火后提高到 55HRC~ 62HRC,表面材料属性已发生很大改变,若不考虑这些因素,分析结果与实 际情况会有较大的误差。Robert Kunc[32]、Glode S[33]、Kunc R[34]等人考虑 滚圈材料随硬度不同而力学性能不同的情况,同时也考虑了材料发生塑性变 形,得到更准确的接触应力值。 有限元法是一种近似方法,离散度对计算结果有很大影响,而回转支承 是一种大型轴承,其尺寸较大,且球式回转支承接触分析属于点接触分析问 题,主要以应力场为考察对象,计算过程中需要划分较细的网格,结果才会 趋于真实值,这就使得回转支承的整体有限元模型十分巨大,计算成本高, 普通个人电脑和工作站难以计算。针对大模型有限元分析,通用的方法有子 结构法、子模型法、超单元法等,但由于回转支承接触分析属于不同零件之 间的接触分析,且考察对象就在接触区域,使得这些方法难以使用到回转支 承的接触分析中。目前,在回转支承接触分析中主要有两种方法减小回转支 承的有限元模型:使用非线性结构代替滚动体和全六面体网格划分等。 由于回转支承的滚动体数目较多,从几十到几百不等,若使用非线性结 构代替

滚动体,如非线性弹簧,则可以大大减小有限元模型。传统的非线性 弹簧建模方法是将滚动体与滚道接触后发生的力与位移的关系转换成非线 性弹性单元的应力与应变关系,用弹簧的压缩量来模拟接触体的变形[35-36]。 弹簧建立在滚动体初始接触点之间,接触点始终不变,即接触角不变,然而 实际上滚圈是弹性体,变形较大,滚动体和滚道的接触角随载荷的变化而变 化,模拟结果并不理想。此方法经过研究改进[37-41],组合使用多个非线性弹 簧来代替之前的单一非线性弹簧,并巧妙运用滚动体和滚道之间的几何关 系,实现了测量滚动体与滚道之间的相互作用力和接触角,然后再建立单一 滚动体和滚道接触模型,加载对应的相互作用力和接触角,即可求出其应力 场和变形。改进方法后的仿真效果比传统的方法要好很多,但由于使用非线 性弹簧替代滚动体后,内外圈之间不能存在相对转动,细小的转动也会造成 极大的误差,所以即使是改进后的仿真效果也不理想。 从理论上看,只要网格划分的足够小,实体网格模型的精度要比使用非 线性结构代替滚动体高,但其最大缺点是模型大。研究表明,六面体网格在 划分网格数量、计算精度等方面比四面体网格具有明显优势[42-43],一个六面 体网格至少需要划分为六个等尺寸的四面体网格,当网格细化得越小时,六 面体网格在数量上的优势越明显,若是可以把回转支承模型都使用六面体网 4 第一章 绪 论 格划分,则可以大大减小其有限元模型。 四面体网格在大多数有限元分析软件中都可以实现自动疏密过渡,却不 能实现六面体网格的自动疏密过渡。由于六面体网格比四面体网格具有这么 明显的优势,所以很多国内外学者都致力研究于六面体网格的过渡[44-46],若 是把这些过渡加密模板运用于回转支承的网格划分,全六面体网格划分将成 为可能,回转支承的有限元模型将大大减小。

6.11、本文研究内容及方法

在圆舭快艇实船航行试验中,船舶全速回转时倾斜到一定角度时,船舶出现加速 倾斜的趋势,与直壁平底船不同的是稳定后的横倾角远远大于理式计算的结果, 约为理论计算值的 3~5 倍。为了探讨船舶回转过程中横倾角的影响因素,本文基于商 用数值软件对回转

运动的船舶横倾问题进行探讨性研究,本文的主要内容分为以下几 个方面: (1) 基于 Fluent 中的 MRF 模型,采用区域网格划分法和 UDF 边界控制,采用网 格自适应使流域网格数量和质量更加均匀和具有高度的正交性,分析了船舶受力与速 8 度、倾角和回转半径之间的关系和压力中点的位置随不同倾角变化关系。 (2) 采用固定坐标系求解,探讨船舶运动所引起的流场和受力分析,采用 VOF 方 法和网格重构的动网格模型模拟回转运动中流场影响,并针对流场中的现象进行了解 释。 (3) 本文通过受力分析,对回转中的横倾的圆舭型快艇进行了最大的横倾角计算, 通过与规范公式比较,并给出了修正后公式。 (4) 利用自编写程序基于非结构动网格技术进行非定常计算,实现对回转运动, 及在运动中的横倾方向的运动控制,分析其流场特性。 9 10 第 2 章 CFD 数值方法与模型建立

6.12、回转精度测量方法研究

回转运动是一个不断变化的动态综合运动,回转轴线的位置总是随着时间的 改变而不断变化。对于理想转子来说,其回转轴线就是转子的设计基准。对于实 际的转子来说,由于制造误差,轴承内、外环滚道的圆度误差以及由于动力学原 因,转子不可能始终绕着某一条直线旋转。按照”国际机械生产技术研究会”文件规 定,回转轴线是指”回转物体绕其转动的直线,该直线与回转体固定连接,并与回 转体一同相对于另一条称为轴线平均线的直线做轴向、径向和角度运动,轴线平 均线是固定不动的,它处于回转轴线的平均位置上”。 回转精度是主轴系统特性的重要指标之一,也是机械系统主要运动精度之一, 通常用回转误差来衡量。通常将转子实际回转轴线相对其理想回转轴线的偏离, 定义为其回转误差。 回转精度常涉及一些回转轴线、理想回转中心等概念,其基本定义如下: 回转轴线:回转物体绕之而转动的线段(具有瞬时变动的特征),此线段和回转 体固接并相对于轴线平均线做轴向的、径向的和倾角的运动。轴线平均线的线段 与不回转物体固定,并处于回转轴线的平均位置上。 理想回转中心:主轴回转时,其任意单截面上只有这一点的速度为零。 理想回转轴线:各截面理想回转中心的连线。 瞬时回转中心:在实际回转中,存在着一个位置时刻变化的回

转中心。 平均回转轴线:主轴在一转或多转内诸多瞬时回转轴线的平均轴线。 转子回转误差运动可分解为三种基本运动:纯径向运动、纯轴向运动和角度 摆动,如图2.1所示。实际上主轴回转误差是上述三种形式误筹的合成,纯径向运 动与角度摆动合成为径向运动;纯轴向运动与角度摆动合成为端面运动。 8 图2.1 回转运动示意图 Figure2.1 Rotary motion skematic diagram 回转误差的测试对执行系统的工作性能具有相当重要的意义,常用的测试方 法有打表静态测量法、单向动态测量法、双向动态测量法等[19]。

7、相关技术

7.1、视觉伺服相关技术现状与发展趋势

所谓机器人视觉伺服,就是采用视觉传感器来间接检测机器人当前位姿或者其 关于目标体的相对位姿,在此基础上,实现机器人的定位控制或者轨迹跟踪[15-16]。 这是一个集计算机、机器视觉、自动控制、机器人、实时系统分析许多等领域于一 体的新兴交叉学科[17-18]。近年来,随着图像处理、模式识别等领域的快速发展,图 像中蕴含的信息被更多地挖掘出来并得以应用,视觉伺服的精度和可靠性也日益提 高,因此增强了机器人对周同环境的学习能力,使其能够根据对环境的了解来进行 智能决策,并完成指定的任务。 机器人视觉伺服最早出现于 20 世纪 80 年代,在 90 年代中后期发展迅速。机器 人视觉伺服技术融合了机器人的机构学理论、视觉传感器技术、图像处理技术,用 机器代替人眼进行测量。判断和反馈,提高了设备的效率和可靠性,实现系统的自 动化和信息化。由于 20 世纪 80 年代后,计算机硬件技术突飞猛进,图像处理的速 度得到了极大的提高,专用图像处理设备的费用大幅下降,推动了图像处理技术的 进步。视觉伺服控制技术与基于传统运动传感器的机器人控制相比,具有比较明显 的优点:更高的灵活性,更高的精度,能够对机器人标定误差具有强的鲁棒性等。 以上优点决定了机器人视觉伺服在较短的时间里成为机器人研究领域中的热点之 一,井在工业生产、海洋探测等众多领域得到了成功的应用[17]。针对视觉伺

服的图 像处理和伺服策略两个部分,分别作如下介绍。 1.4.1 视觉伺服的图像处理? 对于视觉伺服技术而言,其最关键的一步就是图像处理,包括目标识别、边缘 检测和坐标提取等内容,是决定视觉伺服稳定性最关键的因素。 高效、快速的图像处理算法是实施视觉伺服的前提。对于 DIM 视觉伺服的要求, 图像处理过程可以概括为:目标识别、边缘检测以及坐标提取等步骤。 目标识别的第一步就是图像特征的选择。图像特征的选择对于目标识别的性能 具有重要的影响,主要是因为特征则不好容易缺乏目标信息而导致视觉伺服失败。 图像特征的选择的基本的原则是:识别容易,对目标的位置灵敏,可控。图像特征 的数量对系统性能也具有重要的影响,合适地增加图像特征,即冗余特征,可以增 加视觉伺服系统的灵敏度。但图像特征的数最也不宜过多,否则会造成图像处理的 负担过重。视觉伺服研究所用到的图像特征大多采用简单的几何特征:点、直线、 6 圆等,以及几何参数,例如点之间的距离、直线斜率、椭圆的轴长等。此外,也常 采用基于目标轮廓的特征选择和基于区域的特征选择[19]。简单几何特征属于局部特 征,对于相机运动的视觉伺服,容易造成图像特征在一些情况下无法观察到。基于 区域的特征选择不要求特殊的图像结构,对图像的畸变具有较强的鲁棒性,但对背 景变化敏感。 图像匹配技术是指根据模板图像在待匹配图像中搜索相匹配的子图像的技术。 它是图像信息处理领域中的一项非常重要的技术,在计算机视觉、航空航天遥感测 量、医学影像分析、光学和雷达跟踪、景物制导等领域得到了广泛的应用[20]。随着 信息获取技术的发展,特别是各种高性能视觉传感器的出现,图像的空间分辨率越 来越高,其采集速度也越来越快,同时,人们对匹配精度的要求也越来越高,这就 对图像匹配的速度和精度提出了更高的要求。目前,图像匹配技术一般可以分为基 于灰度值的匹配方法、基于特征的匹配方法以及基于解释的匹配方法三大类。基于 灰度值的匹配方法虽然计算量大且对图像尺寸敏感,但它原理简单、易实现、抗干 扰性强,其数学统计模型以及收敛速度、定位精度、误差估计等均有定量的分析和 研究结果,在图像匹配技术中仍占有重要地位。基于特征的匹配方法,主要是基于 边缘特征、纹理特征、信息熵特征、不变矩特征或分形特征等特征的匹配方法。此 类方法所提取的图像特征包含更高层的语义信息,往往具有尺度不变性与仿射不变 性,但它一般涉及大量的几何与图像形态学计算,没有一般

模型可遵循,需要针对 不同应用场合选择合适的特征[21]。基于解释的匹配方法,是建立在图像自动识别的 专家系统上的方法,目前还不够成熟,识别机制和推理机理还有待进一步发展[22]。 这些方法中,基于灰度值的方法,抗干扰性、适应性以及易操作性均比较强,是最 常用的方法。 近年来,在视觉测量领域,许多研究者试图利用软件处理的方法即亚像素定位 技术来解决图像中目标的高精度定位问题。许多人在一开始接触亚像素定位技术时, 常有一个基本反应,即像素是组成图像的基本单位,也就是图像的分辨率。而亚像 素精度则意味着测量精度比图像分辨率还高,甚至高很多,这似乎是违反常理的。 这种理解在通常情况下是正确的。但亚象素定位技术是有前提的,即目标不是由孤 立的单个像素而必须是由有特定灰度分布和形状分布的一组像素点组成的,例如目 标特征是圆点、角点、”十”字交叉点、直线、特征曲线等,有明显的灰度变化和 一定的面积大小。目标特性主要分为基于几何特性、基于灰度特性和基于几何与灰 度耦合特性等三类。这种利用目标特性从图像中分析计算出最符合此特性的目标位 7 置的方法称为亚像素定位技术[23-25]。由于实际中存在一些误差因素,如有限采样宽 度带来的灰度平均效应,灰度量化误差和噪声等,所以对特定目标进行定位的亚象 素算法精度是有限的。通常亚像素算法的精度是通过仿真的方法来检验的,即在图 像中仿真制作若干已知精确位置的目标,并加入不同程度的噪声,然后用相应亚像 素算法进行目标定位,最后根据统计原理计算出算法的精度[26]。 在靶心定位算法中,还需要用到边缘检测方法。对图像进行边缘检测,有很多 种不同精度的算法。利用图像的一阶导数来提取边缘的几种算子(Roberts,Sobel, Prewitt 等)是比较简单的方法,边缘提取的精度都不特别高。利用图像强度的二阶 导数的零交叉点来求边缘点的算法是一种高级算法,它对噪声十分敏感,所以,在 边缘增强前先要滤出噪声[27-28]。为此,Marr 和 Hildreth 将高斯滤波和拉普拉斯边缘 检测结合在一起,形成 LOG(1aplacian of gaussian)算法,也称之为拉普拉斯高斯 算法。LOG 算法对于检测一般的图像边缘会得到很好的结果,并具有其他算法所不 具有的优点。但是,对于某些零件,如工件有倒角、偏离视场中心位置或光线不均 匀时,检测时就会出现多重边缘的现象。此外,还有 Canny 算法,它是一个多阶段 处理过程:首先对图像进行高斯平滑,然后对平滑后的图像进行简单的二维一阶微 分操作得到

梯度图,采用”非最大抑制”算法寻找图像中的可能边缘点,最后通过 双门限值递归寻找图像边缘点得到单像素宽度边缘图像[29-31]。Canny 边缘检测方法对 受白噪声影响的阶跃边缘检测效果很好,但对含有弱边缘的封闭轮廓,往往检测不 到完整的封闭边缘。而 Zero-crossing 算法检测的边缘虽具有较好的封闭性,但噪声 边缘过多。LOG 算法在 Zero-crossing 算法前加了 Gauss 滤波器,具有可调节的抑噪 功能,并可检测出目标的封闭轮廓。对细小目标,LOG 算法虽可通过调小抑噪模板 进行检测,但对噪声或不明显灰度变化的抑制会减弱[32-33]。 1.4.2 视觉伺服策略? 根据不同的标准,机器人视觉伺服系统可以被划分为不同的类型。根据相机的 数目的不同,可以分为单目视觉伺服系统、双目视觉伺服系统以及多目视觉伺服系 统[17]。单目视觉无法直接得到目标的三维信息,一般通过移动获得深度信息。单目 视觉适用于工作任务比较简单且深度信息要求不高的工作环境。多目视觉伺服可以 观察到目标的不同部分,可以得到更为丰富的信息,但视觉控制器的设计比较复杂, 而且更加难以保证系统的稳定性[34]。双目视觉可以得到深度信息,当前的视觉伺服 8 系统主要采用双目视觉。根据相机放置位置的不同,可以分为手眼系统和固定相机 系统。手眼系统能得到目标的精确位置,可以实现精确控制,但只能得到小的工作 空间场景,而且由于手眼系统只能观察到目标而无法观察到机器人末端,因此需要 通过已知的机器人运动学模型来求解目标与机器人末端的位置关系,对标定误差以 及运动学误差比较敏感。固定放置的相机既可以观察到目标也可以观察到机器人末 端,并且可以得到大的工作空问场景,能得到机器人末端相对于目标的相对速度, 但无法得到目标的准确信息,且机器人运动可能造成目标图像的遮挡。为了克服两 种相机放置位置的不足,当前的一种解决方法是两种方式的协作使用[35]。DIM 的两 个摄像头均安装在顶端,属于手眼系统,以便实现精确定位。根据误差信号作用的 方式的不同,还可以将视觉伺服分为基于位置的视觉伺服和基于图像的视觉伺服。 基于位置的误差信号定义在三维笛卡儿空间,而基于图像的的误差信号定义在二维 图像空间。在 DIM 的对准策略中,同时提供了这两种视觉伺服方法,并且根据应用 设置了基于人工干预的视觉对准方法。使得 DIM 能适应各种不同的环境要求。 1.4.3 视觉伺服面临的主要问题及发展趋势? 1) 实时性 对于视觉伺服系统而言,一直以来

一个难以解决的重要问题就是实时性问题。 图像采集硬件设备的采集速度较低以及图像处理时问较长给系统带来明显的时滞。 另一方面,视觉信息的计算一般较大,例如图像匹配中熵的计算、图像雅可比矩阵 的计算、估计深度信息等等。图像处理速度是影响视觉伺服系统实时性的主要瓶颈 之一,现有的方法可以简单归纳为基予 Smith 预估器的补偿方法和基于滤波器预测 目标运动的方法。Yasushi 等在进行基于位置的视觉伺服控制中,考虑图像处理的延 时,采用 Smith 方法补偿时滞,改善系统的控制品质增强稳定性[36];T.P.Sim 等将改 进的 Smith 方法用于运动目标的跟踪也取得了满意的效果[37]。在采用视觉伺服跟踪 运动目标时,另一种更为常用的方法是采用具有预测作用的滤波器来估计目标的运 动。这种用来估计目标运动的滤波器常采用 Kalman 滤波器[38],以及自适应滤波器[39] 等。文献[40]对 Kalman 滤波器和两种采用最小二乘的自适应滤波器进行了比较,自适 应滤波器得到了更好的预测结果,Kalman 滤波器则对运动目标的速度改变更加灵敏 。 2) 稳定性 9 稳定性仍然是控制系统必须考虑的问题,对于各种不同的视觉伺服策略,有些 问题还是公共的:比如当相机位置远离目标点时,会导致相机成像模糊,如何保证 系统的稳定性,即如何增大稳定性的区域以及保证全局收敛。 对于视觉伺服,机器视觉仍是研究的热点,主要在一下几个方面: 1) 图像识别技术算法的选择和应用; 2) 结合计算机视觉及图像处理的研究成果,建立机器人视觉系统的专用软件 库; 3) 加强系统的动态性能性能研究; 4) 视觉传感器与运动传感器的结合控制技术。 总之,而对于特征的选择和匹配,如何提高其鲁棒性仍然是面临的主要问题。 多视觉信息融合的方法以及自动特征选择的方法具有良好的发展前景。 如何更有效地分析和解决视觉伺服系统的稳定性问题,仍然是视觉伺服所面临 的主要问题之一,相比单纯基于位置与基于图像的视觉伺服,混合的视觉伺服方法 可以得到更好的结果,这种方法的优势在于控制不是建立在单纯的图像空间或笛卡 儿空间上。在今后的研究过程中,从图像空间与笛导儿空间统一的角度考虑问题, 会有助于视觉伺服的研究。

7.2、国内外相关技术的发展现状和趋势

随着现代工业的不断发展,食品工业逐渐发展成为一个很大的产业,为人 们提供先进的自动化食品机械。目前世界上还没有一种实用的能完成中式菜肴 制作的自动烹调设备问世,无论在家庭和饭店,中式菜肴的烹制都主要靠人工 3 来完成,用自动烹调设备烹制中式菜肴还基本上是空白。市场上炒菜机大多功 能少、自动化程度不够高。出现这类现象的主要原因是设计者缺乏对烹饪技术 和烹饪工艺全面而深刻的掌握以及现有的技术还不足以克服自动烹饪的关键问 题或难点。 目前,以西餐为主的国家已经有很多食品自动生产机械,如皮萨饼、奶酪、 汉堡、薯条、沙拉、鸡块、肉排等自动生产线。在国内,电磁炉,微波炉,光 波炉,电饭煲,电烤箱等烹饪辅助器件在人们日常生活中都很常见[4-7]。但这些 工具,均不具备智能炒菜功能,在现有技术中,厨房里使用的各种机器仅能代 替人的部分工作,大量的烹饪工作仍需要人们手工完成。查阅了国内大量的专 利[8-22],下面是市面上现有的一些炒菜机,大致分为三类。 1)简单搅拌型 该类产品采取工具搅拌的方式加工菜肴,锅具不动或很少运动。通过改进 普通工具的形状或运动方式,采用机器人技术,控制调节机器手各关节的运动, 使其能完成类似于人工炒菜的动作,例如聚拢,挤压等。这类设备的锅具基本 上都做成桶状,能够进行简单地旋转晃动从而使菜在锅里旋转翻滚。虽然它们 在工具运动上做了改进,能够炒制某类菜肴,但是锅具动作过于简单,采用旋 转搅拌只能炒制块状小颗粒且不易破碎的菜肴。 图 1-1 单头偏心搅拌炒锅 图 1-2 倾斜头搅拌炒锅 图 1-3 多头偏心搅拌炒锅 图 1-1 所示单头偏心搅拌炒锅,电机带动工具在锅内旋转,工具采用偏心 固定在曲柄上,曲柄转动时实现对锅内物料的搅伴。图 1-2 中工具的轴向与其 旋转方向成一定角度,从而在转动的过程中达到偏心的效果,利用工具在公转 的同时自转,以产生对锅内物料的搅拌。图 1-3 所示多头偏心搅拌炒锅采用蒸 4 汽加热,具有四只搅拌头对物料进行更充分、更均匀的搅拌,无需人工炒制, 锅体可以倾斜,方便出入料,还可以根据客户需要配制温度传感器对加热温度 和加热状态进行全过程监控。 图 1-4 多头燃气搅拌炒锅 图 1-5 搅拌导热油炒锅 图 1-4 是多头燃气搅拌炒锅,该产品采用天然气、液化气或管道煤气等燃 气加热,利用四只搅拌头在锅内自由伸缩,对物料进行充分、均匀的搅拌,无 需人工参与,锅体可倾,出入物料方便。根据需求还可配制智能的温度传感器 进行全过程跟踪监控,及时调整,全程均具

有自动报警安全提示程序。图 1-5 是搅拌导热油炒锅,该产品采用双层加热,利用燃气燃烧加热夹层中的油料, 通过热油间接加热锅内加工的物料,通过智能控制加热温度,使加热物料均匀 受热。该机带有自动搅拌装置,增强炒制效果,锅体可作 95°倾斜倒锅以减少 人工劳动,提高工作效率。 图 1-6 自动搅拌机 图 1-6 是一种对食品、药物等实现加热、翻炒、拌和、铲动、和铲出等多 5 功能操作的机械装置,可以用于自动炒菜机中对菜肴进行多种加工操作。它使 用部分球面状的锅和从球心辐射出的两个铲臂,只需在电机带动下通过控制单 根主轴的正反向旋转和通过控制刹闸片拉杆拉出和压下的位置,即可实现两个 铲臂转换翻炒加工工具和完成各加工动作,可较容易地实现加工食品时进行从 进料翻炒到出料洗刷锅底所需的多功能操作[23]。 2)锅具晃动型 该类产品采取锅具动作来达到翻动菜肴。通过改进普通锅具并在其上加运 动机构,使其能完成类似于人工炒菜的动作,如颠锅,晃锅等。它与前面不同 的是加入了自动控制系统,晃锅、加料、火控和出菜等动作都由控制系统实现, 大大减少了人工操作。虽然这些产品加入了智能控制,但是在锅具动作上比较 简单,而且少了炒菜中最灵活的部件—工具的参与。 图 1-7 自动晃锅机 图 1-8 简陋炒菜机 图 1-9 全自动炒菜机 图 1-7 所示自动晃锅机,其工作台内的轴承座支架通过轴承和倾斜的主轴 与锅体连接,锅体下部夹层内装有加热电阻丝,且锅体的底部由波浪片构成, 锅体的底部有出菜口,锅体上部有相对固定的自动配料板,自动配料板的下部 有主料容器和辅料容器。由于主、辅原料的添加和锅体的转动由程序控制,锅 体倾斜安装,锅中主、辅原料及加工菜肴被锅底波浪片翻动,使菜肴混合均匀 受热[24]。图 1-8 所示炒菜机由转锅及驱动系统,电磁单元及冷却系统,电脑控 制系统和支架组成,功能是:控制面板上显示炒菜机的状态,有操作菜单供选 择,菜单能提示操作员适时加入原料、调料、辅料,在菜单控制下,电磁单元 6 按预定的功率、温度、时间给特定的原料加热,转锅以旋转方向、速度及倾斜 角度使特定原料充分搅拌入味。图 1-9 所示全自动炒菜机,通过多个定时电路, 控制开关火力、炒菜、加佐料及加菜的每个电机,定时加料、开关火,更换不 同的电路插板即可炒不同的菜。具有自动点火、自动加水、自动配油、自动配 盐、自动配酱油、自动配味精、自动配蚝油、自动配生粉、自动下主菜、自动 下配菜、自动关火、自动盛出、自动洗锅、自动关机等功能

[25]。 3)复杂工具搅拌型 该类产品主要是采用特殊形状的工具来搅拌菜肴,锅具不动或运动很少。 根据不同的炒菜要求设计不同的工具形状,使其能搅匀锅内物料。此外,还加 入了复杂的控制系统,在工具动作、加料及时间控制上都实现了程序化。这些 产品虽然能够实现部分菜肴的炒制,但是缺少了锅具的配合,其翻动菜肴的效 果不好,而且工具的动作也很单调,无法实现大众化的炒菜。 图 1-10 卧式真空蒸汽搅拌炒锅 图 1-10 是卧式真空蒸汽搅拌炒锅,本产品是在真空状态下对物料进行加工 处理,能最大限度保持食品的原色原味加热,以防止细菌进入发生老化,调味 料易于入味,使食物富含有风味和保持良好外观。设备带有温度计和传感器易 于检测锅内食品加工状态,食物在真空低温条件下,可以消除产品的过热情况, 确保食品品质。锅体可倾斜,搅拌混合均匀,采用无级电磁调速,操作简便、 安全。 7 图 1-11 复杂炒菜机 图 1-12 机械化炒菜机 图 1-11 所示炒菜机包含箱体,在箱体的一侧设计有门,在箱体内腔的下部 安装有发热装置,在该发热装置上安装有锅,搅拌器的轴伸入锅内,搅拌器的 轴通过减速机构与电动机连接。图 1-12 是一种机械化炒菜机。该机由一套加料 机构,移动翻转炒锅、翻炒机、刷锅机、火力控制机构组成。其中,移动翻转 炒锅支撑在轮架上,可以翻转并在机架移动,锅在机架中部炒熟菜肴后,移动 到机架前部翻转倒出菜肴,再移动到机架后部刷锅,然后翻转回直立位置并移 动回机架中部,重新加料炒下一道菜。翻炒机通过锥齿轮传动机构带动翻炒勺 做球面螺旋运动,对锅中的菜料进行翻炒。刷锅机由动力驱动,刷子架及其上 的刷毛的轮廓与炒锅内表面的轴截面母线形状相同,实现自动刷锅。火力控制 机构由燃气灶进气管路上并联的通径大小不同的两个电磁控制阀组成,打开不 同的电磁控制阀,燃气流量不同以改变火力大小。 以上列举了国内现有的一些烹饪设备,从每类产品的简介中不难看出国内 现有的烹饪设备或多或少具有一定的自动炒菜功能,可以完成某些简单的功能, 加工简单的菜肴。第一类产品纯粹采用工具搅拌的方式,会对物料的外形产生 破坏,而且将锅具罩起来防止物料飞溅的设计对被加工菜肴的种类也有很大限 制;第二类产品在普通的锅具上加运动机构,使锅具能完成简单的运动,但这 些动作对于实现中式菜肴复杂的操作手法和完成自动烹饪的功能还是远远不够 的。第三类是在第一类基础上所做的改进,采用特殊形状的工具搅拌。就其特 点和功能可以归纳如表 1-1 所

示。 8 表 1-1 产品功能比较 比较项目 技术指标 第一类产品 第二类产品 第三类产品 工具动作 简单 少 复杂 锅具动作 少 复杂 无 其它单元 无 有 有 控制实现 易 不易 不易 炒菜种类 少 少 少 炒制效果 不好 一般 一般 从上述比较可以看出,这三类烹饪设备所能完成的炒菜种类都很少,制作 效果不好,只能面向食堂里面的大锅炒制,食物烹调起来太过粗糙,不能达到 较高的品味,与本课题所要求的目标有很大出入。本课题所要研究的自动完成 烹调中式菜肴功能的自动炒菜设备必须有以下几个特点: 设备小型化,服务于家庭,实现从送料到出菜的全自动化,炒菜过程中尽 量减少人为动作; 炒菜机设备结构简单化,动作拟人化,能基本完成厨师烹制时的动作,在 色、香、味等方面达到大师的风格; 充分采用现有的先进技术实现复杂的炒菜动作; 操作简单、安全,具有人性化。

7.3、相关技术与国内外研究现状

1.3.1RFID 标签封装的主要工艺和结构方式 RFID 标签封装的工艺是由封装形式决定的,主要有以下几种:(1)基于导电胶 的倒装芯片,广泛用于高频、超高频标签的封装。(2)引线键合,广泛应用于少 I/O 3 引脚的封装中。(3)倒装回流焊,适用于陶瓷、耐高温树脂天线基板的封装。(4) 碰焊,适用于低频感应卡的封装。目前主流的 RFID 标签封装工艺是基于导电胶的倒 装芯片和引线键合,而正在研究发展的流体自动装配(FSA[)11]、振动装配(Vibratory Assembly)等技术,理论上可实现微小芯片的批量转移,极大的提高封装效率,只 是工艺上尚不成熟。 基于导电胶的倒装芯片[12.13.14]是芯片以凸点阵列结构通过导电胶来实现与基板 直接安装互连的一种方法。导电胶是由有机高分子聚合物基体和均匀分散在其中的 导电填料(导电粒子)组成的,具有粘结性能和导电性能,可分为各向同性导电胶 (ICA)和各向异性导电胶(ACA)。相比 ICA,采用 ACA 进行 RFID 封装无需考虑 太多凸点对位的问题,而且也避免了底部填充和多次固化造成的工序过多问题,而 且工艺简捷方便,手工到全自动生产都能适应,因此,在 RFID 标签 Inlay 封装中得 到了广泛地应用。目前国际上,德国 Mühlbauer 的 TAL 系列,奥地利 Datacon 的 8800, 日本 Toray 的 CF2000RF

等国际主流全自动标签封装设备均采用这种生产工艺。 引线键合(Wire Bonding)[15]是将半导体芯片的焊接区域与电子封装外壳的 I/O 引线或基板上技术布线的焊接区域用金属细丝连接起来的工艺技术。目前引线键合 技术已经十分成熟,由于引线键合技术具有生产成本低、精度高、互连焊点可靠性 高且产量大等特点,这种技术成为芯片互连的主要工艺方法而且广泛用于各种芯片 级的封装中。但是,采用引线键合进行 RFID 标签封装时存在制作过程较慢,且封装 位置较高影响标签最终厚度等问题。采用引线键合进行 RFID 标签封装只需在 Wire Bonder 上即可完成,不需要专门设计研发新的设备。 无论是采用基于导电胶的倒装芯片封装工艺,还是采用引线键合封装工艺,都 涉及到采用剥离装置进行芯片剥离的过程。 RFID 标签封装的结构方式主要有两种:直接封装和间接封装。直接封装是将芯 片直接与基板上的天线相连;间接封装首先将芯片与 strap 相连,然后 strap 再与天 线相连,两者后续工艺一样。 相对于间接封装而言,直接封装节省了模块成本,从而降低了单个标签的生产 成本。而且,直接封装的标签在实际使用过程中更不易被损坏,加大了耐用性和安 全性。采用 Strap 进行间接封装的主要目的是它能增大芯片的引脚,使后续工艺的技 术难度和精度大大降低。间接封装具有如下优点:(1)提高了标签的封装效率。(2) 降低了标签成本。(3)对天线的适应能力更强。日本 HALLYS 株式会社的 HRB 和 SHS 系列高速封装设备采用 Strap 间接封装的方式,生产能力飞跃性地达到年产 2 亿 片以上,大大降低了标签的成本,极大地满足了标签爆炸性增长的需求。 4 从 Wafer 盘上剥离芯片是直接封装中芯片供给的主要方式。虽然 Alien 公司采用 FSA 制作 strap 的生产效率能达到 2B/y,但是目前 FSA 技术还不是很成熟。所以, 采用基于导电胶的倒装芯片技术制作 strap 仍是目前主流的手段,芯片剥离依然是间 接封装中一个值得关注的重要过程。 1.3.2 剥离装置研究进展 在 Die Bonder 和 Flip Chip Bonder 设备中都有使用芯片剥离装置,它能成功实现 芯片从 wafer 盘膜上的分离,从而为其他工序提供的芯片原料。目前国内外相关 设备中广泛使用的是顶针剥离装置,其基本功能相似,如图 1.2 所示是其基本原理图, 通过真空将 Wafer 盘的膜吸附于顶针罩上表面,然后电机带动凸轮机构旋转推动顶 针上升,实现芯片和膜的分离。 图 1.2 顶针剥离装置原理图 各个厂家使用的顶针剥离装置

主要在以下方面存在细微的差异:1)顶针的固定 方式。由于顶针需要经常更换,所以在保证顶针能夹紧的情况下,固定零件要方便 顶针的更换、方便更换后顶针高度的调整。2)真空吸附的设计。这个主要涉及到顶 针罩上表面的开孔,要求在尽量小的真空度条件下能保证膜尽量紧密的吸附。3)凸 轮的设计。在保证足够顶起高度和剥离效率的同时,通过优化凸轮的轮廓曲线尽量 减小顶针对芯片的冲击。4)顶针导向的设计。如果顶针直线运动的精度不高,那么 顶针在剥离芯片时不仅无法保证”三心对准”, 而且有可能在芯片上留下划痕。 5 1.3.3 国内外相关研究情况 电子封装产品是一个多层材料构成的复杂系统,其在制造和使用过程中,经常 会产生各种各样的质量和可靠性问题。H. Reichl 等[16]从焊点疲劳、界面应力、底部 填充料引起的芯片应力、过程缺陷四个方面讨论了倒装芯片封装产品的可靠性,并 且采用 Thermo-mechanical 仿真和 Air to air temperature cycling(AATC)测试的方法 为芯片级封装产品提供了最有价值的前期可靠性评估。朱笑鶤等[17]通过对 IC 卡失效 样品的实例分析发现,芯片碎裂、引线脱落(脱焊、虚焊等)、芯片电路击穿等是 IC 卡失效的主要原因,并结台 IC 卡的实际制造工艺重点分析了由芯片碎裂引起失效的 模式和机理,发现硅片减薄、划片工艺、模块工艺中的顶针过程以及成型工艺是芯 片碎裂的主要诱因。 Wafer 盘上的芯片是采用胶水粘接固定到膜上的,封装中采用的胶粘结构通常是 由三层组成的,包括两个粘接层和一个胶水层,层的材料属性和几何尺寸都会直接 影响粘接层之间作用的剥离力和剪切力[18]。Shiuh-Chuan Her[19]采用经典的弹性理论 建立了胶粘结构简化的一维模型,将分析得到的近似解通过二维模型的有限元仿真 进行了验证,同时得到以下结论: (1)最大剪切应力出现在胶水层边缘靠近硬度 较高的粘接层一侧。(2)增大胶水层的厚度能够减小粘接层和胶水层之间的剪切力。 Jialai Wang 等[20]建立了三参数的弹性模型来分析胶粘结构之间的界面应力,其中胶 水层通过由一个剪切层相连的两个法向弹簧层来模拟。在该模型中,两个不同粘接 层和胶水层之间的剥离力可以是不一样的,弥补了两参数弹性模型两者一致假设引 起的自由度缺失。C.H. Wang 等[21]指出粘接接头之间的作用力不仅有剥离力和剪切 力,还包含两个由粘接层约束引起的正应力,它们分别平行和垂直于接头。分析的 结果通过有限元仿真的方法得到了验证,同时还简要讨论了粘接接头中

这两个附加 应力对胶粘剂的屈服行为的影响。 封装过程中的模块工艺涉及到对芯片的直接操作,因此成为芯片发生碎裂的一 个重要原因。Yeong-Jyh Lin 等[22]采用田口方法分两个阶段对芯片拾取过程中的重要 因素包括顶针速度、真空吸附力、顶针针尖直径等进行了静力学仿真分析,通过分 析发现,顶针速度是拾取过程中芯片发生碎裂的主要影响之一。Tung-Hua Cheng 等 [23]采用有限元的方法,对拾取过程中芯片上的应力分布以及芯片和膜间胶水层的变 形进行了分析,分析中使用的材料属性以及相关边界条件值都是通过试验获得的, 通过分析指出了拾取过程中芯片碎裂的重要影响因素。 剥离试验被广泛应用于测试胶粘结构的粘接强度以及对三层结构有限元仿真分 6 析时边界条件的获取上。Ph. Martiny 等[24]采用数值分析的方法分析了两种常用剥离 试验——楔形剥离试验和固定臂剥离试验中的能量分布。John A. Williams 等[25]指出, 剥离力和剥离角度之间的关系受膜的机械性能以及膜固定在基板上时预紧力的影 响。K. KENDALL[26]在对剥离试验进行分析时发现,剥离角度一定的情况下,剥离 力取决于剥离的速度,而剥离速度对剥离力的影响程度是和剥离时界面的分离率相 关的。

7.4、相关课题技术研究的现状

1.3.1 温度研究的现状1.3.1 温度研究的现状 水泥回转窑生产过程中,保证水泥熟料形成最重要的因素就是温度。就目前来 说测量温度的方法有许多种,从传感器和被测物的关系来说,大致可分为三类:接 触式测温方法、非接触式测温方法和模型预测方法。 接触式测温方法是一种间接的测量温度的方法,它是在水泥回转窑的窑壁上安 装一些热敏器件如热电阻、热电偶等传感器来接收窑壁上的温度,然后利用专门的 设备把窑壁上的温度信息转换成电信息传出来,再经过计算机分析把电信息再转换 成温度信号。近年来,根据接触式测温方法的原理,工作人员做了许多的改进,云 南民族大学的凌永发将热电偶检测出来的微弱电压信号,经过简单的计算处理把它 转换成频率,再经过各种仪器处理后在显示仪表上显示,获得了很好的检测结果 [17] 。 兰州理工大学的郝晓弘等人提出了用红外线遥控技术来

测量回转窑烧成带温度 [18] 。 虽然接触式测温方法有了很大的改进,但这种方法还是受周围环境因素影响很大, 给测量值带来很大的误差,目前在实际中应用很少。 非接触式测温是利用红外辐射原理对回转窑的筒体表面温度进行测量。非接触 式测温按检测的实效性分为窑外胴体扫描、窑头高温辐射计测量和比色测温法三 种。窑外酮体扫描系统主要包括红外摄像头、测速转速模块、工业控制器等器件。 摄像头安装在回转窑的现场小屋内,通过现场接线箱和长电缆将现场采集的图像信 号传送到中控室,中控室的室内接线箱把图像信号传入红外图像采集卡和工业控制 器,通过窑炉摄像仪系统软件实时的将酮体表面温度展开图显示在监视器上,窑转 一圈,刷新一幅图,不间断的采集图片信息。由于扫描设备与窑体相距数远,它们 受周围的环境因素影响也很大,不能准确的测量窑酮体的温度。因此,它只是作为 相对温度检测设备,用于及时发现窑外胴体局部过热区域,以达到保护窑体设备的 目的。高温辐射计原理是利用水泥回转窑窑壁所辐射的能量,通过大气传递到红外 测温仪,红外测温仪的探测器将入射的辐射能量转换成电信号并通过放大线性等处 理显示出来。虽然高温辐射计能够实现高精度的温度测量,但单一的温度测量并不 5 能很好地反映回转窑温度场的全局变化情况。比色测温法的原理为:一切温度高于 绝对零度的物体都发出红外射线,射线能量的大小及其按波长的分布与其表面温度 有着非常密切的关系。比色测温方法不能消除选择性吸收介质对测量精度的影响, 比如空气中的水蒸气、NO、CO 等对红外射线有强烈的吸收作用,造成测量误差 [19] 。 模型预测方法是最近几年才应用到水泥业的一种温度测量方法,它利用智能算 法来建立模型,确定影响温度的因素,通过模型建立温度与影响温度因素的关系, 达到预测温度的目的。路平等人利用模糊算法对水泥回转窑的温度进行了预测 [20] , 郑州大学的陈铁军等人将模糊算法和神经网络算法结合起来对温度进行研究 [21] ,他 们都取得了很好的结果。模型预测方法能够很好的预测出温度,为温度的控制奠定 了基础,克服了接触式测温方法和非接触式测温方法的缺点,并在实际中应用越来 越广。 对于温度检测研究国内外都有了一定的研究。在国内,湖南大学的刘小燕等在 对火焰图像进行分割的基础上,提出了基于图像序列的回转窑烧成带温度测量方 法,取的了较好的效果 [22] 。内蒙古工业大学的赵英杰利用图像处理技术分析水泥回 转窑内的火焰特征,再根据

比色测温法原理测出回转窑的温度,该方法与其它测温 方法相比具有许多的优点 [23] 。中国矿业大学刘方、杨丽等考虑回转窑煤粉燃烧和窑 内化学反应,建立了回转窑温度分布的综合数学模型,并进行了标准工况的编程求 解,计算出了物料、窑筒体外表面、烟气温度分布,对物料温度进行了进一步的分 析 [24] 。湖南科技大学的楚万文利用神经网络算法和 PID 技术相结合建立了回转窑的 温度预测模型 [25] 。北京科技大学、浙江大学、山东大学一些老师都做了温度测量这 些方面的研究并且取得了成功。 国外也在对回转窑的温度进行研究,美国 IST-Quadtek 公司生产的 Spyrometer 高温工业电视系统,综合了两种技术:视频摄像机和比色双色红外辐射测温计,将 这两项技术集成于一个系统中,可以在控制室的监测器实时的观察水泥窑内煅烧情 况,测温计的窗口可以测量窑内任一点的实时温度,即用一种设备完成了对窑内状 况的观察和多点的温度测量 [15] 。日本日立实验室 Kurihara 等研制了火焰图像识别 系统(FIRES, Fllame Image Recognition System),并在本公司 1985 年问世的 HIAC-300 系统中应用该技术获得了火焰温度场的分布 [26] 。 近些年,关于水泥回转窑的研究逐渐在深入,研究的工作人员也越来越多,而 特别是对水泥回转窑温度的检测,这些研究已经和现在先进的技术以及智能算法相 结合,得到了很好的结果。水泥回转窑温度检测及智能控制的文章发表的也越来越 6 多,这为水泥回转窑的控制、实时监控系统和节能降耗提供了很大的帮助,为水泥 业的发展奠定了基础。

7.5、相关课题的技术研究现状

1.2.1 温度检测技术的研究现状1.2.1 温度检测技术的研究现状 就目前国内外已有的技术方案而言,针对回转窑煅烧带温度检测主要包括窑外胴 体扫描和窑头定点高温辐射计测量两种形式 [14] 。窑外胴体扫描系统利用了红外光敏检

7.6、结构有限元分析系统模块开发研究方法及相关技术

3.1 参数化有限元方法概论3.1 参数化有限元方法概论 有限元分析各阶段所用时间的 40%~45%用于模型的建立和数据输入(即前处理), 50%~55%用于分析结果的判读和评定(即后处理),而分析计算只占 5%左右。在科研 及新产品研发实际中,经常要对多个相似方案进行比较,以筛选出最合理的方案。但通 用有限元分析软件系统都是用”软试错”代替”硬试错”,存在前后置处理过程复杂、 烦琐,易出错,效率低,对软件使用者要求高等问题,使一些通用有限元分析软件难以 推广应用[25]。而实际研究与生产中需要提出的各种各样的要求,工业产品在功能上,型 号上都要不断的进行改进。如果以往的设计不能满足功能的要求,就要重新设计产品; 对于系列化、通用化和标准化的定型产品,产品设计所采用的数学模型及产品的结构都 是相对固定不变的,不同的只是产品的结构尺寸有所差异,而结构尺寸的差异是由于相 同数目及类型的已知条件在不同规格的产品设计中取不同值造成的。对于这类产品进行 设计时,采用参数化建模方法对尺寸进行替换,这样对于不同结构尺寸的产品只需要改 变相应参数化尺寸的值就可以自动迅速的得到产品的模型,省去了大量重复过程,提高 了设计生产效率[26]。基于此优点,参数化建模的思想与功能在诸多 CAD 软件中得到应 用实现。 然而,在许多三维 CAD 软件产品中建立的三维参数化模型导入有限元分析软件后 很难保持参数化的特征,给有限元分析计算及后续的优化带来困难。而参数化有限元模 型方法建立模型的目的除了为了方便的修改模型进行系列产品的工程分析外,更重要的 是便于快速的进行有限元分析计算,再在此基础上做选型优化。其具体方法就是在由程 序自动生成有限元分析数据文件,数据文件可形成各种 CAD 环境下可查看的空间模型 有限元模型。即将有限元分析有关数据参数化。对前处理进行参数化包括几何模型、约 束边界条件、载荷及材料性能的参数化等,从而使用户在参数化建模后可一次性计算出 不同参数下的各类结果,便于计算后进行优化分析、比较;对后处理部分进行参数化, 主要目的是帮助用户从大量的分析数据中迅速提取用户所关心的信息。若用传统的有限 元分析的后处理模块来读出信息,只能对各次分析结果逐个进行处理。对后处理部分进 19 行参数化后,可以实现”批处理”,不仅节约了用户时间,且便于不同工艺参数条件下 的结果比较,可直接进行优化分析等[27]。

7.7、可适应设计相关技术研究现状

1.3.1 参数化设计技术1.3.1 参数化设计技术 参数化设计是计算机辅助设计中最热门的应用技术之一,参数化设计是指在保持产 品基本功能、原理和总体结构不变的情况下,根据需求的变化,对产品局部结构、尺寸 和约束关系进行调整或变更,以形成新的产品[16][17]。 参数化引入到三维 CAD 设计带来了从避免修改设计到鼓励使用参数化修改产品设 计的思想上的一次变革,目前参数化设计的主要方法分为以下三种[18]: (1)编程参数化法 这种方法是最为传统的参数化方法,通过分析产品可能的变型特点,通过高级开发 语言和 API(Application Programming Interface)函数编写参数化程序,通过程序调用三维 CAD 软件,对零件或装配体进行更改,从而生成新的三维模型,实现参数化设计。该 方法具有运行速度快、稳定、可靠的特点,但是只适用于结构较为稳定的产品,而且需 要用户掌握相关的开发语言,不利于推广。 (2)特征参数化法 这种方法将参数化方法与基于特征的设计方法相结合,突出了三维设计软件中产品 设计方式和设计形式的支撑,该方法按照特征来表征零件或装配体的变量参数,用特征 的叠加实现复杂形体的造型。参数化过程是通过修改特征尺寸得到的。 (3)人工智能法 这种方法是将各种几何形状、各种特征及参数信息存入实例库中,根据实例推理机 制从实例库中检索,并通过更改必要参数得到需要的设计结果,这种设计方法需要匹配 查询几何形体的各个细节,内容繁琐,在当今计算机效能情况下,运行效率低,且不稳 定,不利于推广。 6 参数化设计避免了产品大量的重复性设计和资源浪费,提高了设计效率,为产品的 快速设计和系列化设计提供了方法,缩短了产品的设计周期,使设计人员可以将主要精 力投入到产品的创新设计中去。

7.8、相关技术国内外发展现状和趋势

1.4.1 可靠性技术在在役结构承载能力评估方面的发展与应用 对于已有结构(超期和现役),在经历一段较长时间的使用或者经历了某种自然 灾害,如地震、火灾以后,人们最关心

的问题是这些结构的性能如何,发生了怎样 程度的破坏,是否还能用,是否需要维修等问题。我国有许多结构包括厂房建筑、 桥梁、钢结构设备等是在几十年前制造、修建的,普遍存在着老化和超期服役的问 题。在实际工程中,有些结构因缺乏及时有效的维修而发生了事故,有的后果相当 严重[4、8]。 多年来,国内外的工程实践和研究中提出了多种承载能力评估的方法,这些方 法大致归纳为:a.根据外观调查进行评估的方法;b.分析计算法;c.载荷试验法;d. 系统法等[3]。尽管存在着各种评估方法,但普遍认为:结构可靠性原理从理论上为 承载能力评估提供了一个理想的框架[2-5、8-10]。这是因为该方法是以处理载荷、抗力 的不定性以及这些不定性对结构可靠度的影响。以结构可靠性为控制参数来评定现 役工程结构是非常合理的,因为在结构全寿命过程中,结构参数与载荷参数都具有 随机性等多种不确定性,应用结构可靠性理论评定现役结构能更好的反映这种不 确定性[11]。 随着可靠性科学的发展,可靠性理论也得到了迅速地发展和应用。国类外专家 和学者在这一领域已做了大量的工作[2-4、8-15、18-19、39、41-42]。在结构可靠度算法方面国 内外的研究已相当成熟,当前主要的可靠度计算方法是国际结构安全委员会(JCSS) 推荐的一次二阶矩法,其中包括中心点法、验算点法(JC 法)、映射变换法、实用分 析法等[3、12-13]。随着计算机在工程实践中的广泛应用,各种以提高计算精度和简便 为目的并同时在广义随机空间考虑随机变量相关性的可靠度计算方法得到了较大 的发展和应用,如一阶可靠性的各种改进方法、二阶二次法、渐近分析法和蒙特卡 洛等方法[14-16]。在此基础上随着研究的深入还提出了不少的结构体系的可靠度计算 方法[8、11]。 4 对已有结构而言,在经历一段较长时间的使用或经历了某种自然灾害后,人们 关心的是结构的性能及结构未来的工作情况。为了对结构进行评估与预测,必须考 虑结构的状态及结构继续服役期间可能受到的各种作用,这就不可避免的要同时考 虑到变量的模糊性。对于具有模糊性的各类问题,常规可靠性理论和方法对其进行 描述是非常困难的,甚至是不可能的。要解决这些问题,必须借助新的工具和方法。 为此,模糊数学不可避免地进入可靠性领域,而可靠性理论不可避免地发展到一个 新的阶段—— 模糊可靠性理论的创立。该方法充分考虑了各种模糊不确定性因素 的发生概率及对结构失效产生的影响。模糊可靠性的概念自 1975 年由 A.Kaufmann

提出后,这几十年的时间,国内外学者在基本理论和基本概念方面建立了基础。近 几年来,有关模糊可靠性方面的研究已经作出了许多的工作[11、17-19]。模糊可靠性理 论目前尚处在迅猛发展时期,在工程应用方面尚显不足,但它代表着可靠性理论的 发展方向。 已建结构的可靠性理论产生于 70 年代发达国家维修改造业迅速发展时期,研 究内容主要集中在已建结构的损伤评价、模式识别和可靠性评价等方面[9-10、17]。国 外很早就利用可靠性理论开始了已有结构鉴定、评估方面的研究,如日本、美国、 前苏联、英国、加拿大等较早就出版了结构鉴定评估方面的出版物,并建立了相应 的组织[8]。应用可靠性理论在超期和现役结构方面的评估研究涉及到建筑物、桥梁、 起重设备等各个方面[9-10、21-23、25、43]。国外对起重机桥架结构承载能力的研究方面不 少专家学者更是作出了大量的工作[23、26、27、39]。 在我国,虽然可靠性问题的研究工作开展较晚,但随着大量专家学者在这一领 域的研究工作,已取得了丰硕的成果。我国对在役结构的可靠性理论的研究始于 80 年代。赵国藩、李云贵、王光远等人在这一领域已经做出了大量的研究工作[3-4、8、11-13、 16、18-19]。”八五”以后,我国在许多重大研究课题中列入了有关已建结构的可靠性 方面的内容,这些都极大地推动了我国在已建结构可靠性理论的发展。但从目前来 看,对在役结构的评估研究的主要对象集中在建筑设施、桥梁、大坝等方面,对起 重机钢结构桥架承载能力全面评估的研究较少。目前有关起重机桥架结构的研究主 要集中在安全校验、力学强度计算分析和事故分析等方面,虽然也有少数对起重机 5 承载能力等方面做出了分析研究[24],但大多局限在某一方面,缺乏全面、系统的研 究。因此,在我国 80 年代以前生产的大量起重机进入老化期的这一时刻进行该项 研究具有较强的现实性和迫切性。 1.4.2 检测技术在在役结构承载能力评估方面的发展与应用 如何评价在役结构的承载能力和可靠性,以便对结构能否继续使用和是否需要 维修加固做出正确的决策,是当今结构工程研究的新课题。显然,解决这一新课题 的前提是对受损结构的实际性态做出正确判断。工程结构检测的主要目的之一,就 是确定或估计工程结构的实际性态,进而保障结构的可靠性。无损检测是获得在役 起重机桥架结构服役状态最直接的途径。现代无损检测(NDT)提供了一种以不损伤 结构的使用性能为前提,应用多种物理原理和化学现象对各种工程材料、结构件

进 行有效的检测和测试,借以评价它们的连续性、安全可靠性以及某些物理性能。这 些优点使得无损检测技术可作为在役桥式起重机桥架结构承载能力评估的重要辅 助手段。常用于起重机钢结构的 NDT 技术包括射线探伤、超声探伤、磁粉检测和 渗透检测等。国内外在 NDT 技术的研究与应用方面已经相当成熟[28、31]。同时与起 重机桥架现场载荷试验方法相结合的电测技术的发展和应用也相当广泛[29-30、37]。除 此之外,新近发展起来的动力检测技术在在役结构的评估研究方面得到了广泛的应 用,利用结构的动力响应进行结构性态识别同时结合结构静态检测,构建结构综合 检测技术,也是一种提高结构检测的有效性与可靠性的有效途径。

8、应用

8.1、优化问题的工程应用

优化问题的工程背景 随着生产、经济、技术的发展,工程技术、管理人才在实际工作中常常会面临这样的一类问题:在工程设计中,怎样选取参数是的设计及满足要求又能降低成本;在资源分配中,怎样的分配方案既能满足各方面的基本要求,又能获得好的经济效益;在生产计划安排中,选择怎样的计划方案才能提高产值和利润;在原材料配比问题中,怎样确定各种成分的比例才能提高质量、降低成 本;在城市规划中,怎样安排工厂、机关、学校、商店、医院、住宅和其他单位的合理布局,才能方便群众,有利于城市各行各业的发展。这类为题的共同点是选出最合理、达到实现预定的最优目标的方案,这就是工程最优化问题。 Matlab优化工具箱的工程应用步骤 当量化地求解一个实际的最优化问题时,首先要把这个问题转化为一个数学问题,即建立数学模型,然后对建立的数学模型进行具体分析,选择合适的优化算法;最后根据选定的优化算法,编写计算程序进行求解。用Matlab6.5优化工具箱解决实际问题可概括为以下三个步骤: (1) 根据所提出的最优化问题,建立最优化问题的数学模型,确定变量,列出约束条件和目标函数(指标函数和性能函数); (2) 对所建立的模型

进行具体分析和研究,选择合适的最优化求解方法; (3) 根据最优化方法的算法,列出程序框图、选择优化函数和编写语言程序,用计算机求出最优解。

8.2、应用研究

李力在模拟梁进行加载实验,获取起重机梁人工裂纹的声发射信号扩展过程[15]。 利用声发射检测频谱分析对起重机梁不同载荷和裂纹扩展情况进行分析。实验的结 果看出:起重机梁活性缺陷信号为突发型声发射信号,每个声发射事件所包含的频 率成分复杂,一般起重机梁裂纹萌发时的声发射信号频率较低,随着裂纹的过程中, 声发射信号的频率会逐渐增高,并起重机缺陷活性的频率范围为25kHz-160kHz。此 结果为声发射检测起重机活性缺陷提供理论的基础。 吴占稳对钢材拉伸过程中的声发射特征信号进行了研究,利用人工神经网络和 小波变换对特征声发射信号进行研究,并对起重机的声发射源进行模式识别[16]。对 起重机常用的钢材(Q345钢Q235钢)拉伸过程的声发射特性进行了实验研究,其次获 取了起重机主要结构件和工作过程的典型声发射源的特性,分析典型源的宽频带波 形信号,提出了基于小波分析起重机声发射波形信号特征提取方法,该论文的研究 成果为制定”桥/门式起重机声发射检测及结果评价方法”标准奠定了基础。 吴占稳对起重机箱形梁结构表面裂纹的扩展进行了实验研究[17]。对起重机箱形 梁进行三次加载,观察声发射信号主要参数可以看出随着载荷的增加,裂纹数量和 长度也会不断增加。采用声发射线性定位方法,可以对起重机箱形梁结构表面的裂 纹进行准确定位,但存在一定误差。缺陷在弹性变形阶段,声发射信号的能量增加 比较缓慢,当缺陷发生永久变形后,声发射信号的能量迅速增大。 田建军利用声发射检测技术对汽车起重机臂梁进行检测[18]。在实验检测中,汽 车起重机臂上一个共布置7个声发射传感器:全伸臂布置2个传感器,中长臂布置2个 传感器,基本臂上布置3个传感器。三组声发射传感器形成线形定位阵列。利用”时 间VS 外变量”关联图分析方法对声发射检测的结果进行分析。这篇文章对整个声发 射检测过程进行了比较全面的理论论证,并在实际测试实验中摸索拟订出了汽车起 重机臂梁声发射检验流程,对未来声

发射检测技术在起重机检测评定的运用中有一 定借鉴的作用。 孙德平利用声发射检测技术对起重机梁进行检测[19]。首先利用一些常规的检测 方法检测起重机梁上是否存在裂纹,如果起重机梁上没有裂纹存在,在表面做一个 人工裂纹,然后对起重机梁进行加载并采集声发射信号。通过声发射的线定位方法 可以来确定缺陷所在的位置。利用特征参数分析对起重机梁的声发射信号进行分析, 评价起重机梁裂纹的危险等级。 3

8.3、球面五杆机构的应用

4.1 概述4.1 概述 球面二自由度五杆并联机构是一种特殊的球面五杆机构,由于其在各个领域的具有 广泛的用途,近年来,研究球面二自由度并联机构的学者也越来越多,不断有新的工程 应用以及新的机构构型提出。1999 年,Clément M. Gosselin,Charlesbourg 等提出了一 种新球面二自由度五杆机构构型[](如图4.1a所示)。2009年,Maillard, Patrick, Lausanne (CH)等提出了一种类似的新的球面二自由度五杆并联机构构型[65]如图 4.1b 所示)。 Stephane CARO, Raza UR-REHMAN, Damien CHABLAT 和 Philippe WENGER[55]等提 出了一种用于高速运转情况下的球面五杆机构机械手(如图 4.1c 所示),研究了其速度、 加速度、扭矩、性能等,进行了轨迹测试、并且也通过 Newton-Euler 法对其进行了动 力学分析。2006 年,河北工业大学李为民等人发明了一种二自由度球面并联机构[66](如 图 4.1d 所示)。 (a) (b) (c) (d) 图 4.1 球面二自由度五杆并联机构示例 Fig.4.1 Examples of the 2-DOF spherical parallel five-bar linkage mechanism 31

8.4、软件在QUY350 履带起重机起升机构设计中的应用

进入系统主窗口,即进入履带起重机的机构设计工作,点击一项菜单,系 49 吉林大学硕士学位论文 统就会弹出相应的对话框,提示设计人员输入相应的参数,系统同时对输入参 数的有效性进行校验,对于不合理的参数程序会自动给出相应的提示。 履带起重机的技术

参数表示了起重机的规格和主要技术性能,一般是根据 技术任务书的规定及要求,或参考同类型机种的性能参数来确定。履带起重机 的性能参数包括最大起重量,相应的幅度和倍率、部件外形尺寸、主副臂参数, 最大工作仰角等。这些参数将作为起重机械各部件的设计依据。 软件设计考虑到在起重机机构设计时,并不能将所有的履带起重机的技术 参数都确定好,一般都是先确定一些主要的技术参数,在进一步的设计中,通 过运用主要的技术参数得出计算结果,然后再让设计人员通过分析所得结果, 进一步确定设计所需要的技术参数,进行下一步的设计计算。 (1)机构选择 软件的主界面包括了履带起重机各个主要机构的设计计算如图 5.2,点击”起 升机构”的选项,即可进行起升机构的设计计算,本菜单下包含起升机构完整 的设计计算及相应的部件选型过程。 图 5.2 机构计算主界面 (2)钢丝绳及卷筒选型计算 按照参数界面要求输入钢丝绳及卷筒计算所需的参数如图 5.3,点击”计算 结果按钮”程序将进行自动计算,并将相应的计算结果和选型输出。如果设计 人员对钢丝绳选型结果不满意,可点击”修改”按钮,进入人工选型对话框。 该对话框中包含钢丝绳的所有数据库,设计人员可根据计算结果数值选定合适 的型号,如图 5.4。 50 第 5 章 软件界面介绍及应用实例 图 5.3 起升机构钢丝绳及卷筒选型界面 图 5.4 钢丝绳人工选型界面 (3)起升绳长的计算 起升绳长的计算主要是为了确定在相应主臂工况下能正常工作的最短钢丝 绳长。由于满载起升的钢丝绳密度较大,所以起升钢丝绳长的计算是否准确, 对臂架整体受力会有较大的影响,计算界面如图 5.5 所示。 图 5.5 起升绳长计算界面 (4)减速器及液压马达的选取 减速器及液压马达的选型界面如图 5.6,输入相关的参数后,点击”计算结 果”按钮,程序进行计算并完成液压马达的自动选型。如果设计人员对液压马 51 吉林大学硕士学位论文 达的自动选择型号不满意,可以点击”修改”按钮,进入液压马达数据库如图 5.7 所示,进行人工选型。 图 5.6 减速器及液压马达选型界面 图 5.7 液压马达人工选型界面 (5)液压泵的选取 液压泵的选型计算是在液压马达选型的基础上进行的,按相应的提示输入 参数如图 5.8,计算后得到相应的计算结果和选型结果,设计人员对自动选型结 果不满意,也可点击修改按钮进行液压泵数据库进行人工选型如图 5.9。 图 5.8 液压泵选型界面 图 5.9 液压泵人工选型界面 (6)计算参数及结果查询 通过点击主界面的”计算结

果及查询”菜单如图 5.10 所示,即可查看相应 52 第 5 章 软件界面介绍及应用实例 的参数一览表如图 5.11、计算结果一览表如图 5.12 和机构选型一览表如图 5.13。 各参数一览表中记录着相应机构整个计算过程输入的参数名称以及对应的参数 数值;各结果一览表中则记录着相应机构计算的结果(包括中间结果)。如果在 设计计算过程中设计人员发现计算结果的数值与理想数值相差很大,可以通过 这两个表格查看参数输入是否有错误。机构选型一览表则记录了各个机构的部 件选型数据。设计人员可点击相应的”保存”按钮将各机构的参数一览表、结 果一览表以及机构选型一览表以 Word 格式保存起来如图 5.14,便于日后存档及 查阅。 图 5.10 计算参数及结果查询界面 图 5.11 起升机构参数一览表界面 图 5.12 起升机构结果一览表界面 53 吉林大学硕士学位论文 图 5.13 机构选型结果一览表界面 图 5.14 Word 文档保存界面 在钢丝绳、液压马达和液压泵计算过程中,进入人工选型界面以后,选型 结果如果与计算结果不匹配,程序会弹出对话框,提示设计人员是否确定。一 旦点击”确定”按钮,系统将以选定结果为准进行后续计算,如图 5.4。以上是 以起升机构的设计计算为例,简要的介绍了一下软件的使用,其它机构的设计 计算过程与起升机构的大体相同。主变幅机构由于在结构上有三种形式,所以 在计算卷筒缠绕量时,要先做出结构选型。在方案中选择相应的选项,后续设 计中,相应参数输入窗口和选项就会做出相应的更改。

8.5、声发射检测技术的特点及其应用

声发射检测技术和其他的检测技术方法相比:连续性、动态性、整体性和具有 实时性等特点[32]。声发射检测技术检测缺陷本身发出的信息,不用通过外部输入对 缺陷进行检查[33],可以检测到动态缺陷。声发射检测技术在承压设备上的研究较为 成熟[34],但是在动态设备检测上还处于研究阶段,主要用在轴承、高速轴等的状态 监测[35],在低速轴承上的应用较少。 声发射检测技术是一种新兴的无损检测方法[36],声发射检测技术已经广泛应用 到交通运输、航空和航天、电力工业、金属加工、土木和矿山工程、材料试验、石 5 油化

工等领域。 在交通运输业中,利用声发射检测技术对铁路和公路罐车以及船舶进行检测, 并对缺陷进行定位。隧道和桥梁结构的完整性检测,铁路结构和材料的裂纹检测, 汽车和火车的轴颈轴承以及滚珠轴承的状态检测,火车的轴承和车轮的断裂检测。 在航空和航天中,利用声发射检测技术对航空器的主要构件和壳体进行检测, 并对航空器结构的完整性进行评价。声发射检测技术对航空器的疲劳检测和在线实 时检测等。首先研究各种裂纹缺陷与声发射信号的参数之间关系,对数据进行处理, 建立声发射信号的参数和裂纹缺陷之间的关系,再利用频谱和波形分析对声发射信 号进行分析和处理[37]。从而获得声发射信号与裂纹缺陷之间的信息,对声发射信号 与噪声进行处理,就可以完成对航天器关键结构的声发射疲劳检测。 在电力工业中,利用声发射检测技术对阀门和管道进行检测,对变压器局部放 电的检测、对汽轮机轴承运行情况的检测和汽轮机叶片的检测[38]。 在金属加工中,利用声发射检测技术对工具磨损和断裂进行检测。对工件的焊 接、锻压、振动、加工进行检测。近些年来,因为声发射检测技术具有高敏感度和 高响应速度,因此被广泛应用于在金属加工行业中[39]。 在土木、矿山工程中,利用声发射检测技术对隧道、大坝、水泥结构、桥梁、 进行检测。首先利用声发射定位技术对混凝土和岩石的断裂区域进行确定,通过对 声发射事件的发展趋势可以看出混凝土和岩石内部断裂的过程,由此对混凝土和岩 石结构进行安全评价。因此,可以利用声发射检测技术对矿岩的局部裂纹和矿柱的 突然失稳事故进行检测和预报。 在材料试验中,由于声发射检测技术对缺陷的扩展具有敏感性,对动态检测和 寿命评估具有独特的功能,声发射检测技术广泛的应用在材料的摩擦测试、性能测 试、疲劳测试、腐蚀测试和断裂测试等方面。利用声发射检测技术检测玻璃纤维和 碳纤维丝束的断裂情况与断裂时载荷的分布,评价玻璃纤维和丝束的质量。声发射 检测技术还可以区分复合材料的断裂情况,例如纤维丝断裂、纤维和树脂界面开裂、 裂纹层间扩展合基体开裂等[40]。 在石油化工工业中,利用各种材料形变释放出来的弹性波来检测材料结构特性。 采用参数分析和波形分析的方法对声发射特征信号进行研究,能够有效判断复合材 料中损坏的情况。利用声发射定位法来确定声源的位置,对每个通道的声发射信号 进行比较和分析,就得到声发射参数和压力的曲线。对各种海洋石油平台、压力管 道和压力容器的进行检测并把缺陷

划分级别[41]。

8.6、应用举例

1. Hewlett-Packard 公司的 Paul Poorman 用 ALGOR 中的机械事件仿真模 块 MES 来预测磁带在工作时的应力分布,并以此来决定如何减少磁 带中的应力。 2. Triple Eight Race Engineering 的工程师们使用 ALGOR 对他们的赛车 Vauxhall Astra Coupe race cars 的各部件在不同载荷下的受力情况进 行分析并改进,使驾驶员和制造商受益匪浅。此赛车在第二年(2002 年)的 British Touring Car 锦标赛中取胜。 3. Hi-TestLaboratories, Inc.用 ALGOR 模拟美国海军水下爆破测试,以其 28 代替实际爆破试验,节约了大量时间和价值$50, 000 的设备。 4. ALGOR 的其他应用还有很多,例如:通用汽车公司利用 MES 来分析 所有汽车传动模型的密封系统;Goodyear Tire & Rubber 公司采用 ALGOR 对其轮胎进行设计验证;Alberta 大学和 ALGOR 公司合作运 用 MEMS 的仿真功能来进行虚拟试验,研究作用于汽车样机上面微 气体传感器上的热应力。 大约 60 个国家的 20000 个用户利用 ALGOR 公司的软件和服务来进行喷 气飞机发动机、街道、热交换分析、电路板、大型望远镜、铺设管路、MEMS 和生物医学设备等的设计,在此不再一一列举。 29

8.7、有限元法的发展概况及应用

有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方 法[18-35]。它是 20 世纪 50 年代首先在连续体力学领域—飞机结构静、动态特性 分析中应用的一种有效的数值分析方法,现在己经广泛应用到力学、热学、 电磁学等各个学科,主要分析工作环境下物体的线性和非线性静动态特性等 性能,并在气象、地球物理、医学等领域得到应用和发展。50 年代中期至 60 年代末,有限元法出现并迅猛发展,由于当时理论尚处于初

级阶段,计算机 的硬件及软件也无法满足需求,有限元法和有限元程序无法在工程上普及。 到 60 年代末 70 年代初出现了大型通用有限元程序,它们以功能强、用户使 用方便、计算结果可靠和效率高而逐渐形成新的技术商品,成为结构工程强 有力的分析工具。目前,有限元法在现代结构力学、热力学、流体力学和电 磁学等许多领域都发挥着重要作用。当前,在我国工程界比较流行,并被广 泛使用的大型有限元分析软件有美国国家宇航局(NASA)在 1965 年委托美国 计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的 NASTRAN 有限元分析系统。德国 的 ASKA、英国的 PAFEC、法国的 SYSTUS、美国的 ABQUS、ADINA、ANSYS、 BERSAFE、BOSOR、ELAS、MARC 和 STARNYNE 等公司[36]的产品。目前 的有限元程序不但分析功能几乎覆盖了所有的工程领域,其程序使用也非常 16 方便,这就是它能被迅速推广的主要原因之一。 在工程实践中,有限元分析软件与以 CAD 系统的集成应用使设计水平发 生了质的飞跃,主要表现在以下几个方面: 增加设计功能,减少设计成本; 缩短设计和分析的循环周期; 增加产品和工程的可靠性; 采用优化设计,降低材料的消耗或成本; 在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题; 模拟各种试验方案,减少试验时间和经费; 进行机械事故分析,查找事故原因。 当今国际上有限元分析方法和软件发展呈现出以下一些趋势特征: 1. 从单纯的结构力学计算发展到求解许多物理场问题。有限元分析方法 最早是从结构化矩阵分析发展而来,逐步推广到板、壳和实体等连 续体固体力学分析,实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。 而且从理论上也已经证明,只要用于离散求解对象的单元足够小, 所得的解就可以足够逼近于精确值。所以近年来有限元方法已发展 到流体力学、温度场、电传导、磁场、渗流和声场等问题的求解计 算。 2. 由求解线性工程问题进展到分析非线性问题。随着科学技术的发展, 线性理论己经远远不能满足设计的要求,例如建筑行业中的高层建 17 筑和大跨度悬索桥的出现,就要求考虑结构的大位移和大应变等几 何非线性问题;航天和动力工程的高温部件存在热变形和热应力, 也要考虑材料的非线性问题;诸如塑料、橡胶和复合材料等各种新 材料的出现,仅靠线性计算理论就不足以解决遇到的问题,只有采 用非线性有限元算法才能解决。 3. 增强可视化的前置建模和后置数据处理功能。早期有限元分析软件的 研究重点在于推导新的高效率求解方法和高精

度的单元。目前几乎 所有的商业化有限元程序系统都有功能很强的前置建模和后置数据 处理模块。 4. 与 CAD 软件的无缝集成。当今有限元分析系统的另一个特点是与通 用 CAD 软件的集成使用,即在用 CAD 软件完成部件和零件的造型 设计后,自动生成有限元网格并进行计算,如果分析的结果不符合 设计要求则重新进行造型和计算,直到满意为止,从而极大地提高 了设计水平和效率。当今所有的商业化有限元系统商都开发了和著 名的 CAD 软件(例如 Pro/ENG 工 NEER、Un1graphics、SolidEdge、 SolidworkS、IDEAS、Bentley 和 AutoCAD 等)的接口。 5. 在 Windows 平台上的发展。早期的有限元分析软件基本上都是在大 中型计算机(主要是 Mainframe)上开发和运行的,后来又发展到以工 程工作站(EWS,Engineering Workstation)为平台,它们的共同特点都 是采用 UNIX 操作系统。Microsoft Windows 操作系统和 Intel Pentium 处理器的推出为将PC机用于有限元分析提供了必需的软件和硬件支 18 撑平台。因此当前国际上著名的有限元程序研究和发展机构都纷纷 将他们的软件移植到 Wintel 平台上。有限元分析在国内的发展情况 和前景是:1979 年美国的 SAPS 线性结构静、动力分析程序向国内 引进移植成功,掀起了应用有限元程序来分析计算工程问题的高潮。 这个高潮一直持续到 1981 年 ADINA 非线性结构分析程序引进,一 时间许多一直无法解决的工程难题都迎刃而解了。大家也都开始认 识到有限元分析程序的确是工程师应用计算机进行分析计算的重要 工具。在国内开发比较成功并拥有较多用户的有限元分析系统有大 连理工大学工程力学系的 FIFEX95、北京大学力学与科学工程系的 SAP84、中国农机科学研究院的 MASS.O 和杭州自动化技术研究院 的 MFEP4.0 等。 对国内有限元分析程序开发者来说,应该从下面几方面加以努力: 1. 研究开发求解非固体力学和交叉学科的有限元分析程序。经过几十年 的研究和发展,用于求解固体力学的有限元方法和软件已经比较成 熟,现在研究的前沿问题是流体动力学、可压缩和不可压缩流体的 流动等非固体力学和交叉学科的问题。 2. 开发具有中国特色的自动建模技术和 GUI。开发建模技术和 GUI 可 以大大提高有限元分析软件的性能和用户接受程度,从而起到事半 功倍的效果。Windows 中提供了 OpenGL 图形标准,为在 PC 机上应 用可视化图形技术开发 GUI 提供了强有力的工具。杭州自动化技术 研究院

1997-1999年采用OpenGL图形标准和相应的Visua1 C++等编 19 程工具,在 PC 机上成功地开发了一套可视化有限元程序包。它能直 观地通过对”菜单”、”窗口”、”对话框”和”图标”等可视图形画 面和符号的操作,自动建立有限元分析模型,并以交互方法式实现 计算结果的可视化处理,因而可大大提高有限元分析的效率和精确 性,也便于用户学习和掌握。 3. 与具有我国自主版权的 CAD 软件集成。和 CAD 软件的无缝集成是有 限元方法的一个重要特点。因为有限元分析主要用于形状比较复杂 的零部件,所以要和具有三维造型功能和以 CAD 软件集成,使设计 和分析紧密结合、融为一体。我国自行开发的有限元分析程序,首 先要考虑和我国自主版权的 CAD 软件集成。 2.2 有限元分析软件 ALGOR ALGOR[37-40]作为中高档 CAE 分析工具的代表之一,在汽车、电子、航 空航天、医学、日用品生产、军事、电力系统、石油、大型建筑以及微电子 机械系统等诸多领域中均有广泛应用。工程师们通过使用 ALGOR 进行设计、 虚拟测试和性能分析,缩短了产品投入市场的时间,并能以较低的成本制造 出优质可靠的产品。自从单机版有限元分析程序的问世以及 CAD 界面系统的 出现,ALGOR 软件发展壮大成为计算机辅助设计类工程软件领域内的重要一 员。目前,全球有超过 20000 名工程师选择使用 ALGOR 软件。 2004 年初,ALGOR 公司推出了以多物理场耦合分析为特色的最新版本 V14。它所引入的耦合多学科分析功能可以用来模拟自然的、受迫的或者混合 的对流,支持对非牛顿流体的分析,还增加了一种新的刚性单元,同时也针 20 对客户的反馈进行了其他修改。新版本可以使用户着眼于工程中非常重要的 一些热与流体直接相互作用的应用,如电子仪器的冷却,还可以包括变粘度 流体或非牛顿流体。 ALGOR 软件在能够满足大多数有限元分析功能的基础上,最大的特点就 是易学易用、界面友好、操作简单,这可以极大得提高软件应用者在工程实 际中的效率[41-44]。ALGOR 软件在分析上的功能十分强大,不仅可以进行一般 性质的线性应力分析、非线性应力分析、线性和非线性的动力分析、瞬态和 稳态的热传导分析、二维和三维的稳态和非稳态的流体流动分析、电场分析、 非线性机械运动分析等,还可以进行多场的耦合分析。V14 版本引入的多物 理场耦合分析功能拓展了 ALGOR 软件的应用广度和深度。 多物理场耦合分析软件 ALGORV14 的机械运动仿真模块将大规模的机 械

运动和惯性的影响引入有限元方程中进行计算,在各个有限元软件中首屈 一指。用户如果想要知道物体能够承受多大的冲击载荷,只要输入相关的参 数,ALGOR 会自动计算出结果。 ALGOR 的管道系统分析和压力容器设计模块用于组织管道系统设计和 分析,是一个很容易上手且便捷的工具[45-48]。另外它的混合网格划分不但会 缩短求解的时间,而且会提高在临界点上的应力求解效果。无论使用 ALGOR 软件进行何种功能的计算,它的用户使用界面都是相同的,并不随着分析功 能模块的改变而变化。ALGOR 中的 InCAD软件模块提供了与所有主要CAD 软件之间的相关联系。通过 ALGOR 软件的导入导出功能可以很方便地实现 和 CAD 软件,如 CADKEY、 Mechanical Desktop、Pro/ENGINEER, 21 SolidWorks 和 SolidEdge 之间的文件数据转换。ALGOR 软件也支持普遍 的 CAD 文件格式,如 STEP、IGES、STL 和 ACIS 等。

8.8、虚拟实验教学的机构创新设计模式应用

虚拟实验机构装置依据所提出的基于 TRIZ 理论与颜氏创造性设计方法的机构创新 设计新模式。下面以设计一款适宜于机械原理课程中机构装置组成与功能原理教学演 示的物流传输装置为例,详细阐述机构创新设计新模式在本文中的应用。 5.2.1 应用 TRIZ 理论设计初始机构 依据前述所提出的机构创新设计流程图 2.1 首先提出机构设计任务:设计一款机构 装置能够实现将装配夹具上的如下图 5.2 所示类型工件夹持、运装到传送带上,然后由 传送带输送到物流仓库。要求机构具有简单紧凑、,制造方便、易操作、易安装等特 点。 图 5.2 工件运送过程 根据机构创新设计流程图,首先认真分析机构设计的任务,然后将任务中机构设 计任务中要求的运动分解为多个基本动作:抓放、平移和升降。根据机构设计专门知 识,考虑用多个机构完成多个动作。比如可以采取平面机构中曲柄滑块机构实现平移 动作、采用滑块四杆机构完成抓放动作。最后,由多个机构联合作业共同完成要求动 作。但是机构数量的增加必然会导致自动化程度降低、占用空间过大和不易安装等缺 点。 要想减少机构数目,比如设想用一个机构可以完成所有动作。那么机构本身设计 将非常复杂,

单个机构功能越多装置也将越复杂。运用 TRIZ 理论中的冲突矩阵来指导 解决此问题。在这里,优化参数就是事物的数量(Amount of Substance),而恶化参数 装置的复杂性(Complexity of a Device)。在冲突矩阵表中,可知道物质或事物(机构) 的数量和装置的复杂性分别是 26 和 36 号参数。在两数据交叉点找到 3,13,27,10 四个数,对应的就是 40 条发明原理中的局部质量原理(Local Quality)、反过来做原理 (Do It in Reverse)、一次性用品原理(Dispose)、预处理原理(Prior Active)。以上四 条原理的描述和在本机构中的应用如下表 3 所示。认真分析研究此四条原理及其在本 设计中的应用,设计出来的工件自动装卸装置初始机构如下图 5.3 所示。 42 表 3 原理描述及应用 编号 原理名称 原理描述 原理应用(在此机构中) 3 局部质量原理 将物体或外部环境(动作)的 同类结构转变成异类结构;物 体的不同部分实现不同的功 能;物体的每个部分应放在最 利于其运行的条件下 任务中多个机构实现多个动作, 减少机构数量,把一个机构装置 考虑为一个物体,其不同部分放 在在最有利的条件下实现不同的 功能。因此可以将基本机构串联 或并联(组合)成一个机构完成 连续的动作 13 反过来做原理 不直接实施问题指出的动作, 而是实施一个相反的动作;使 物体或外部环境移动的部分静 止,或者使静止的部分移动; 把物体上下颠倒 任务中要实现机构装置的抓放、 平移和升降。考虑让机构装置静 止而物体移动,从而简化机构 27 一次用品原理 用廉价物品代替昂贵物品,在 某些属性上作出妥协(例如寿 命) 考虑机构装置加工中采用最常规 的铝合金等代替钢材 10 预处理原理 事先对物体完全或部分实施必 要的改变;事先把物体放在最 方便的位置,以便能立即投入 使用 设计过程中,考虑将工件夹具处 理成最有利于夹持的形状,将机 构装置放在与工件同一水平线上 等 图 5.3 工件自动装卸机构模型 5.2.2 应用颜氏创造性设计法设计新机构 根据颜鸿森定义的一般化原则,并通过以下程序,将该工件自动装卸装置一般化 为与其对应的一般化链,如图 5.4 所示。 步骤一 将固定杆(构件 1)释放并一般化为三副杆 1; 43 步骤二 曲柄 2(构件 2)一般化为二副杆 2; 步骤三 连杆 3(构件 3)一般化为二副杆 3; 步骤四 滑杆 4(构件 4)一般化为四副杆 4; 步骤五 动爪 5(构件 5)一般化为三副杆 5; 步骤六 弹簧(构件 6)在此装置中起到拉紧和伸缩的功能,因其所在的机械装置 是作为机构来使用的,故

以一对附随于同一个转动副 h 的一般化二副杆 6 和 7 来代 替; 步骤七 直接接触 q,其功能等同于一个凸轮副,转化为两端有一般化转动副 i 和 j 的二副杆 8。 图 5.4 自动装卸装置的一般化链 因此,此装置是一个具有 8 个一般化连杆和 10 个一般化运动副的一般化链。 根据一般化链的数综合,查颜氏图谱可知,(8,10)一般化链共有 36 个,如下图 5.5 所示。 在获得一般化链图谱之后,根据设计要求与约束,找出全部可能的特定化链。认 真分析设计任务可以得出,在一般化链图谱中确认机架、曲柄、连杆、滑杆、定爪、 弹簧和直接接触时,必须遵守以下设计要求与约束: 固定杆:固定杆至少为三副杆,其中一个必须与一个直接接触邻接,一个必须与 曲柄邻接并作为机架,另一个必须作为滑杆导轨并支撑滑杆。 曲柄:必须有一个二副杆作为周转杆,可以与电机相连为整个装置提供动力。 滑杆:滑杆必须为多副杆,并与导轨、摇杆和动爪邻接。 动爪:动爪必须随滑杆一起运动,即定爪的一个运动副必须与滑杆邻接。 弹簧:必须有一个弹簧,即必须有一对二副杆,且弹簧不能附随于直接接触。 直接接触:必须有一个直接接触,即一个二副杆,且直接接触必须附随于动爪。 44 图 5.5(8,10)一般化链的图谱 对于图 5.5 中 20 个(8,10)一般化链,首先根据多幅杆数目要求寻找,必须有一 个 4 副杆和两个三副杆,因此确认固定杆、滑杆和动爪的装置有十四个一般化链能够 用来做特定化,如图 5.6 中 a1、a2、a3、b2、b3、c2、c3、d2、d3、e2、e3、f2、f3 和 f4。由于机构必须实现同一个平面上的平行移动,滑杆必须与地面及机架直接相邻, 故排除掉四幅杆和任何三副杆均无直接相邻的 f4 图。考虑动力机构必须由两个相邻的 二副杆组成,且此二副杆与滑杆即四幅杆直接相邻并与作为机架的三副杆相邻,故可 排除掉含多个二副杆相连的 a1、a2、d2、e2、e3 和 f2 链图和无二副杆与固定杆相邻的 b3、c3 和 f3 链图。剔除以上非可行特定化链图后,共综合得到四个自动装卸装置链图 a3、b2、c2 和 d3,通过逆序运用一般化规则,将每一个可行特定化链具体化,分别如 图 5.6 中 m1、m2、m3 和 m4 所示。 研究四种不同的机构简图知道:虽然四种均可实现平移和抓取,但 m1、m3 和 m4 均为在平行移动中逐渐加紧或放松,m2 可实现平移中间歇加紧或放缩。故可根据实际 工况不同将四种不同的自动装卸应用于不同场合。四种方案的运动动作描述见下表 4。 机构传动部分为曲柄滑块机构,根据已知参数,运用对其进行机构运动分

析综合,以 45 期得出优化尺寸。 m1) m2) m3) m4) 图 5.6 自动装卸装置图谱 表 4 自动装卸装置方案描述 名称 运动描述 适用场合 m1 滑杆向左平移过程中定爪逐渐夹紧工 件,回程时逐渐放松 工件材料为弹性、形程不大的场合 m2 滑杆向左平移过程中定爪脱离顶部挡 板,定爪完全脱离挡板后夹紧工件, 回程时定爪遇到挡板再次松开工件 工件材料为刚性或弹性、形程较大的场合 m3 滑杆向左平移过程中定爪逐渐放松工 件,回程时逐渐夹紧 工件材料为弹性、形程不大的场合 m4 滑杆向左平移过程中定爪逐渐放松工 件,回程时逐渐夹紧 工件材料为刚性或弹性、形程不大的场合 5.2.3 尺度最优综合 根据任务要求假定工件平移长度为 300mm,即滑杆冲程为 H=300mm;要求工作 行程中有急回,但应运动平稳,初设行程速比系数 K 在 1.20~1.30 之间。由于设计过程 中将机构的升降运动转移为工件靠自身重力和运行中阻力的自降运动,故装配夹具平 台应与传送带有一定的高度差,因此初设机构的偏距 e=50mm。由已知条件反求曲柄 滑块机构,如下图 5.7 所示为本机构设计的原理图。 46 图 5.7 曲柄滑块机构设计原理图 其 中 θ 为 极 位 夹 角 , θ =180 ° (K-1)/(K+1) , 作 _______ C 1 C2 =H , 作 ∠OC2 C1 = ∠O C 1C 2 =90°-θ,以交点 O 点圆心,过 C1、C2 作圆。则曲柄的轴心 A 应在 圆弧 C1 AC 2 上。再作一直线与 C1C2 平行,距离等于偏距 e,则此直线与圆弧C 1 AC 2 的 交点即为曲柄轴心 A 的位置。上述工作完全可由计算机软件代替。根据曲柄滑块分综 合软件设定 K 的值分别取 1.20、1.25、1.30 反求机构。不同 K 值所求机构及运动分析 曲线如下图 5.8~5.10 所示(各杆件尺寸均缩小 10 倍)。 图 5.8 K=1.2 时机构尺寸及曲线图 47 图 5.9 K=1.25 时机构尺寸及曲线图 图 5.10 K=1.3 时机构尺寸及曲线图 图 5.11 自动装卸装置动力机构函数综合 48 观察图示曲线及数据可知随着 K 值的增大曲柄长度和连杆长度均逐渐变短,最小 传动角先减小后增大。由于机构传动过程中,传动角γ的值愈大愈好,理想的情况是 γ=90°,最坏的情况是γ=0°。一般机械中,推荐[γ]=30°~60° [1] 。另外,观察其 从动件曲柄位置和速度曲线,发现 K=1.2 时运动最为平稳,综上,选择方案一的数据 进行优化,即曲柄 AB=143.20mm,连杆 BC=225.24mm,偏距 e 为 50mm,滑块与水平 位置夹角β=0°。输入理想传动角为γ=50°进行综合得到各杆件的优化尺寸,如图 5.11 所示。故最终确定曲柄

AB=150mm,连杆 BC=260mm,偏距 e 为 77mm。

8.9、机构创新设计的虚拟实验教学平台实现及应用

虚拟实验教学平台的实现主要利用了平台开发的两种结构:C/S 结构和 B/S 结构。 虚拟实验平台包括三层次的系统管理、数据管理及报告管理平台和三维虚拟场景交互 平台。学生可以在客户端窗口上输入个人信息及课程学习进度等,提交后保存入数据 库,并可以实时更新。用 HTML 结合 Flash、Cult3D、Pro/E、3DS MAX、AutoCAD 等 技术,通过网络平台实现各模块的无缝链接。 本研究内容已经应用于华中科技大学机械原理网络精品课教学平台中,图 5.12 为 虚拟实验教学平台总功能界面。如图 5.13 所示为机械原理精品课交互实验界面。从系 统的界面上可以观察到上面说明的各功能模块已经包含在系统中,每个模块包含各自 相应内容,各模块之间通过链接及下拉表单方式呈现各自关系。 图 5.12 机械原理精品课虚拟实验教学平台总功能界面 49 图 5.13 机械原理精品课虚拟实验交互实验界面 经过课程学习模块之后点击交互实验的响应按钮即可进入到虚拟实验交互实验场 景中来。图 5.14~5.17 给出了几种机构创新设计的虚拟实验虚拟爆炸场景,分别是物流 机械手虚拟爆炸场景、连杆举升虚拟爆炸场景、四杆机构机械马虚拟爆炸场景和八杆 机构机械马虚拟爆炸场景。整个虚拟实验拆解和装配模块顺序规划采用干涉矩阵分析 得到的装配顺序算法规划。初始状态下,按钮拆解、左旋转、右旋转、控制块和运动 处于激活状态,按钮复位和装配处于非激活状态。学生在试验过程中根据系统提示可 完成实验操作。 图 5.14 物流机械手虚拟爆炸场景 图 5.15 连杆举升虚拟爆炸场景 50 图 5.16 四杆机构机械马虚拟爆炸场景 图 5.17 八杆机构机械马虚拟爆炸场景 点击运动键可以随时浏览机构动画,如图 5.18 和 5.19 所示分别为点击连杆举升实验 和八杆机械马运动按钮页面跳转进入动画播放的场景;点击左下角图像可以放大浏览 机构实物造型。 图 5.18 虚拟实验连杆举升动画仿真 5.19 虚拟实验八杆机械马动画仿真 虚拟实验教学平台也支持基于特征的变尺寸实验设计,如图 5.20~5.21 所示为曲柄 滑块机构几种不同的曲柄长

度虚拟实验场景。固定滑块和连杆,改变曲柄长度可以控 制滑块行程的大小。 图 5.20 短曲柄滑块虚拟场景 图 5.21 长曲柄滑块虚拟场景 机械原理课程学习要求熟练掌握平面机构的设计及功能原理,包括平面连杆机 51 构、凸轮机构、齿轮机构、齿轮系等。图 5.22~5.25 给出了齿轮机构虚拟实验设计。 图 5.22 锥齿轮虚拟实验 图 5.23 斜齿轮虚拟实验 图 5.24 行星齿轮虚拟实验 图 5.25 人字齿轮虚拟实验

8.10、应用系统不足

机构实名制编制管理系统,界面友好、简洁、一目了然,操作简单方便。应 用本系统软件,给机构编制管理者带来了科学高效的信息管理。但它不是万能的, 因为系统是有人来操作的;联网所需的光缆费用较高,且光缆比较容易出现数据 丢包;数据库的数据存取结构设计比较复杂,数据的保密性和安全性不易掌控。 在保护数据的保密性、安全性方面通信网络本身也存在不足,因此数据很容 易泄密。 管理系统本身的复杂性设计也极易导致运行故障和数据库存取故障的发生。 故障发生后系统恢复和数据还原也比较复杂。