摩擦学系统论文
摩擦学系统论文（精选9篇）
摩擦学系统论文 第1篇
复杂性科学将复杂性粗略地定义为对初始状态的敏感的依赖性以及与这种敏感依赖性相联系的每一事件, 或表征人们在描述或构造一个系统时所必需遵循的一组指令的长度。
摩擦磨损是一个复杂的过程。发生在摩擦学系统内的摩擦磨损行为所表现出的对初始条件的敏感依赖性、变化过程的不稳定随机性以及时间和空间的不规则性等, 都表明摩擦学系统是一个非常复杂的系统。谢友柏指出:摩擦学行为是系统依赖的;摩擦学元素的特性是时间依赖的;摩擦学行为是多个学科行为之间强耦合的结果。
二、摩擦学设计
《中国摩擦学工业应用调查报告》指出“1984年我国工矿企业在摩擦、磨损、润滑方面的节约潜力为176.4亿元”。可见, 人们如果能严格控制摩擦能耗, 防止、控制或转变危害性磨损, 无疑会获得惊人的经济效益。因此, 促使这门学科发展的主要原因是一方面人们看到了摩擦学设计原理和实践之间的密切关系, 另一方面看到了它的经济效果。在工程实践中, 摩擦学及摩擦学设计需要解减小动力设备摩擦功耗以增大有效输出功率、降低某些零件耐磨寿命使维修费用、要求采用特殊的表面涂层及润滑材料以满足特殊环境和工况要求、因零件的摩擦磨损引起振动和噪音、某些摩擦副的擦伤与胶合问题和提高产品性能要求等。通过上述可以看出, 学科交叉性、工程先导性和潜在的经济性是现代摩擦学及摩擦学设计研究的显著特点, 摩擦学及摩擦学设计是产品性能创新的主要支柱之一。
三、产品创新对摩擦学设计研究需要
摩擦学设计的依据有摩擦副的工况及运行环境、摩擦副的接触类型及运动方式、磨损类型及机理、配对副的精度及零件的重要性。设计研究的内容包括主要包括三个方面, 分别是零件的表面质量设计、工况参数和润滑理论以及摩擦副材料特别是零件表面及亚表面的显微组织结构、成分和理化性能设计。
1、表面质量设计
通常用摩擦副的表面粗糙度来表征。表面质量一般通过表面形貌来体现, 它由三个主要成分:即表面粗糙度、表面波度、形状误差。表面的形貌特征对研究摩擦、磨损、润滑是非常重要的。从统计学的观点看, 表面轮廓可视为随机型平稳过程, 在其几何形状的变化中常显示有周期变化和随机变化两部分。有很多表面的织构高度呈高斯正态分布。有些表面的织构显示出与高斯分布有一定的偏差, 因此须规定一些统计参数如:矩、偏态、峰态, 以便用于测量这种偏差以及研究其一些简单的分布。粗糙度是表面的微观不平状态即微凸体的高度及其分布的描述, 它直接影响着摩擦副的实际接触面积、接触应力、接触变形类型、表面持油能力及磨粒的嵌入特性等。粗糙度设计时经常是从用加工精度与粗糙度相对应的方式设计、与机械工况相适应的润滑模式设计以及在特殊的润滑情况下粗糙度及其纹理方向应特殊设计方面出发考虑。
2、润滑理论及选型
经典的弹流理论考虑了固体表在流体动压作用下的弹性变形、润滑剂的粘度和可压缩性, 其预测的油膜厚度不能满意地解释为什么牵引力的数值是随着滚动速度或滑动速度变化的。而边界润滑状态和薄膜润滑状态两种新理论的提出为这一问题的解决奠定了基础, 但这种润滑状态尚未被完全认知, 其计算方法和模型尚在研究中, 是目前摩擦学研究的主要问题。近年来多相流体润滑研究更加丰富和发展润滑理论, 为润滑系统滤清设计、固体添加剂设计以及润滑与磨损研究相结合提供了重要的理论指导。润滑选型设计一般从润滑剂类型选择和润滑方式两方面入手:润滑剂应根据其粘度来确定;常用的润滑方式有滴油、浴油、溅油、强迫润滑等, 根据摩擦副的运动速度来确定。
3、摩擦副表面层设计
磨损不仅消耗材料, 也影响机器的使用寿命。材料的磨损最终反应到能源的消耗上。摩擦副是机械和构件中产生相互接触的相对运动最频繁的部分, 在现代工业自动化、连续化的生产中, 某一摩擦副甚至零件的磨损失效, 就会影响全线的生产, 因此摩擦副表面层设计是摩擦学设计中至关重要的环节。
结论
摩擦学是一门古老而又处于发展完善过程中的科学, 许多问题还有待解决。随着科技与工业技术高速发展, 摩擦学设计遇到了更大的机遇, 同时也提出了新的挑战。摩擦学设计作为研究自然界普遍存在的摩擦、磨损和润滑现象为主要内容的学科, 在制造业具有不可替代的地位。特别是面对刚刚进入WTO不久的新中国具有非常重要的意义, 并为摩擦学赋予新的使命, 应努力在摩擦学科学理论和技术应用等方面取得进展。只有这样才能取得更多的具有自主知识产权的技术创新和知识创新的成果, 才能使我国摩擦学界在国际上不仅占有一席之地, 而且能产生更大的影响。
摘要：以摩擦学及其复杂系统为背景, 指出了提高生产效率和经济性是现代摩擦学及其设计研究的显著特点, 论述了为产品创新摩擦学设计应涉及的表面质量、润滑理论及选型和摩擦副材料三方面内容, 简介了摩擦学设计的发展趋势, 提出了摩擦学设计对我国今后长期发的重要性。
摩擦学的现状与前沿 第2篇
—— 机自09-8班姚安03091131
摩擦学作为一门实践性很强的技术基础科学，它的形成和发展与社会生产要求和科学技术的进步密切相关。它作为一门独立的学科受到世界各国普遍重视，摩擦学理论与应用研究进入了一个新的时期。研究现状与发展趋势
现代摩擦学研究的主要特征可以归纳为：
(1)在以往分学科研究的基础上，形成了一支掌握机械、材料和化学等相关知识的专业研究队伍，有利于对摩擦学现象进行多学科综合研究，推动了摩擦学机理研究的深入发展。
(2)由于摩擦学专业教育的发展和知识普及，以及摩擦学本身具有的实践性很强的特点，当今工业界有大量的工程科技人员结合工程实际开展研究，促使摩擦学应用研究取得巨大的经济效益。
(3)随着理论与应用的不断完善，摩擦学研究模式开始从以分析摩擦学现象为主逐步向着分析与控制相结合，甚至以控制性能为目标的研究模式发展。此外，摩擦学研究工作从以往的主要面向设备维修和改造逐步进入机械产品的创新设计领域。
（4）交叉学科的发展。摩擦学作为一门技术基础学科往往与其他学科相互交叉渗透从而形成新的研究领域，这是摩擦学发展的显著特点。主要的交叉学科如下:摩擦化学、生物摩擦学、生态摩擦学及微机械学等。
当今，相关科学技术特别是计算机科学、材料科学和纳米科技的发展对摩擦学研究起着重要的推动作用，主要表现在以下方面。
1.1 流体润滑理论
以数值解为基础的弹性流体动力润滑(简称弹流润滑)理论的建立是润滑理论的重大发展。现代计算机科学和数值分析技术的迅猛发展，对于许多复杂的摩擦学现象都可能进行精确的定量计算 目前薄膜润滑研究尚处于起步阶段，在理论和应用上都将成为今后润滑研究的新领域。
1.2 材料磨损与表面处理技术
现代材料磨损研究的领域已从以金属材料为主体扩展到非金属材料包括陶瓷、聚合物及复合材料的研究。表面处理技术或称表面改性是近20年来摩擦学研究中发展最为迅速的领域之一。它利用各种物理、化学或机械的方法使材料表面层获得特殊的成分、组织结构和性能，以适应综合性能的要求。就学科发展趋势而言，复合性材料的研究是材料科学的重点方向，而表面改性技术实质上就是研制表里具有不同材质的复合性材料，因而受到摩擦学者广泛的重视。
1.3 纳米摩擦学
滚动传动系统摩擦特性探讨 第3篇
滚动传动系统由于制造工艺较为成熟、方便安装与维护、使用可靠性高而在现代机械中广泛应用。典型的滚动传动系统部件有滚动轴承、滚珠丝杠、滚动导轨等, 都是借助滚动体将运动部件间的滑动摩擦转变为滚动摩擦, 显著提升了系统的传动效率, 但摩擦仍是系统的主要能量消耗途径, 对系统的伺服性能、传动精度以及使用寿命等造成严重影响。本文选择典型部件为研究对象, 综合考虑多方面因素, 对滚动传动系统摩擦特性进行了专门的分析和探讨, 希望有关论点能对其进一步深入的研究起到一定的积极作用。
1 分析
1.1 滚动轴承
滚动轴承的摩擦力矩是在其工作接触面间存在滚动、滑动现象而产生的阻碍轴承正常运转的阻力矩, 既包括因材料的弹性滞后引起的纯滚动, 也包括滚动体、保持架等运动部件在接触面上的各种滑动, 以及所添加的润滑剂产生的粘滞效应。若以 μ 为摩擦系数, F为轴承所受负荷, d为轴承内径, 则滚动轴承摩擦力矩M1一般计算式为:
可见, 摩擦阻力矩随着其滚动体尺寸的增大而变大, 另外也和所承受的载荷成正比例关系, 因而对于担负重载的大规格滚动轴承就有较大的摩擦损耗。
影响滚动轴承摩擦力矩的因素较多, 可按其来源大致分成2 部分:一个是外在条件, 主要指轴承的工作环境状况, 也指轴承的质量检测和维护保养情况;另一个是内在条件, 主要包括轴承的结构设计特征、部件加工精度和安装调试水平等, 各个因素之间相互联系、相互作用, 其中的内在影响因素决定了力矩大小和波动平均值, 外在因素对力矩的均匀性和波动大小影响较大。滚动轴承摩擦力矩具有非线性特性, 由于受众多非线性因素的影响, 是一个非平稳的周期性的随机过程, 具有不确定的强烈波动和趋势变化。
1.2 滚珠丝杠
滚珠丝杠副主要由丝杠、螺母、滚珠和反向器组成, 使传动和定位在同一个零件上实现, 既可把旋转的角位移转换成线位移, 也可把直线运动推力转化为旋转扭矩。由于滚道的特殊性, 滚珠在工作中的运动和受力状态较滚动轴承复杂些, 本质上也是滚动中伴随着滑动, 可视为滚动轴承在滑动丝杠上的“嫁接”, 其球形滚动体与螺旋形滚道的接触情况与滚动轴承比较相似, 在结构上最大的不同是滚珠丝杠副多了滚珠返向装置。滚珠丝杠副的摩擦力矩是指各类阻碍滚珠和丝杠工作运动的摩擦所形成的阻力矩, 其中主要包括:滚珠与丝杠及螺母上的内、外螺旋滚道之间的摩擦 (包括弹性) 以及滚珠之间的摩擦, 滚珠在返向器中的摩擦 (包括滚珠进出返向器的和滚珠在返向滚道中的摩擦) 以及润滑剂的粘滞作用等, 其中的阻碍运动形式有滞后滚动、差动滑动、自旋滑动及冲击碰撞等多种性质和类别。由于滚珠丝杠副中没有保持架, 工作中的滚珠之间难免会产生推挤作用, 这会使其摩擦力矩呈现出随机的波动性, 另外滚珠在返向器的出入口处的运动会发生较大变化, 也会影响到摩擦力矩的稳定性。
滚珠丝杠副摩擦力矩的影响因素多而复杂, 为对其进行有效控制, 首先, 要合理设计结构关系, 尤其是注意优化反向器滚道的空间曲线;再者, 要控制其制造工艺, 既要提高丝杠、螺母、滚珠、反向器等部件的尺寸和形状加工精度, 也要改善滚道和滚珠的表面粗糙度;另外, 应科学调整有关间隙, 确保安装质量;还有就是恰当的选用润滑剂并及时维护与保养。
1.3 滚动导轨
滚动直线导轨副是一种可以进行相对往复直线运动的滚动支承, 类似滚动轴承是以滑块和导轨间的滚动体 (钢球) 滚动来代替直接的滑动接触, 类似珠丝杠副其滚道内的钢球能借助反向器实现无限循环。
滚动直线导轨副的摩擦系数小, 产生的摩擦力不大, 其产生的机理也与前述差距不大。一般认为, 滚动体 (钢球) 在工作中与滚道面 (沟槽) 接触时因弹性形变而产生的纯滚动和差动滑动构成了主要摩擦, 另外就是钢球进出反向器时承载量的骤变而带来摩擦的不稳定。再者, 不应忽视钢球沿滚道滚动时发生的自旋现象, 还要注意润滑剂和一些辅助结构形成的阻滞效果。为尽量减小摩擦, 结构设计中宜尽量减少相对运动部件的接触面, 尽量增大曲率比。安装与使用过程中, 应使各部件保持足够精确的相对位置关系, 针对具体工作负载情况而调整相适应的预加载荷。
2 测量
静态力矩 (也称启动力矩) 是指从静止状态到开始相对运动的瞬间所需克服的摩擦阻力矩, 其大小及变化往往能够直接反映出系统许多重要的摩擦特性。这里选用某一具体的数控机床用半闭环进给传动系统, 测量其在空载条件下的启动力矩。
2.1 滚动导轨
在机械传动进给系统中, 滚动导轨直接承载着工作台和工件, 其运动性能直接影响工件的加工质量, 是系统的关键部件, 为研究其个性摩擦特征, 首先将其进行分离检测。通过改变滚动导轨上的紧定螺钉的旋紧量而使预紧力发生变化, 沿滚动导轨的运动方向选定间距相同的多个测量位置点, 依次测量其空载时在不同预紧力作用下的启动力量值, 整理有关数据如表1所示。由表中数据容易看出, 滚动导轨的启动力整体上随着预紧力的加大而增大, 当在整个工作长度上的预紧力一致时其启动力在中部和端部有较明显的变化。若减小端部或加大中部的预紧力, 仍选定原测量位置不变, 可得数据如表2 所示。可见, 采用“中间大, 两边小”的预紧方法, 即让紧定螺钉施加的预紧力从导轨的端部向中部依次递增, 能够较明显地降低导轨起动力, 也可缩减其量值的变动范围, 从而有利于提高导轨运动的灵敏性和平稳性。
2.2 传动系统
为了能探究整个机械传动进给系统的摩擦特性, 以整个滚动传动系统作为实验对象, 拆去工件、联轴器、编码盘及其他附件, 使被测系统主要由轴承、丝杠、导轨及工作台构成, 其中滚珠丝杠副的轴由专用滚动轴承按“固定—自由”式支撑, 其螺母借助螺栓固联到滚动导轨及工作台上。据前述结论使滚动导轨适当预紧的前提下, 测量工作台在不同的位置和不同的运动方向趋势时的启动力矩。在导轨的有效工作行程范围内, 均匀地设置足够多的测量位置点, 用测力计牵拉导轨, 使之断续地从一端的极限位置移动到另一端的极限位置, 依次经过各个设定的位置点, 再反向移动, 仍然倒序的依次经过各测量点, 从而在每个测量点获得2 个数据, 为区分其运动的方向趋势不同, 将其中一个放入括号中, 如表3 所示。若用T代表启动力矩, 则一般认为其包含有静摩擦力矩、预紧阻滞力矩及辅件摩阻力矩Tf等3 部分组成, 即存在经验公式:
式 (2) 中, μM是滚动导轨的最大静摩擦系数;m是工作台及导轨的质量;g是重力加速度;Fp是滚珠丝杠副的预紧力;η是传动效率;τ 是丝杠导程。
通过对所获测量数据的整理及分析可知:
(1) 实际测量到的数值普遍较理论计算结果大些; (2) 在导轨的工作行程中, 距离固定轴承位置较远的测量值偏大; (3) 对于同一测量位置点, 其在远离轴承的运动方向趋势的测量值大多小于接近轴承方向趋势; (4) 不同方向趋势的两组测量数据相比较, 接近轴承方向的测值波动变化幅度更大, 且位于中部的测值偏大; (5) 若相邻位置点测量的间隔时长差距较大, 往往也同样会获得差距明显的测量值; (6) 对同一测量位置点按同一测量方式进行多次重复测量却很难得到非常接近的值, 且首次测量值一般偏大。
(单位:千克力)
(单位:千克力)
（单位：×100㎏f·mm）
3 结语
滚动传动系统的各滚动部件和相配合件之间本质上是面接触状态, 其产生的摩擦是滚动摩擦与滑动摩擦的综合, 其特性不仅直接影响到各部件的工作质量和使用寿命, 更会叠加起来综合影响系统的运行质量和可靠性, 由于其成因表现出高度的随机性、非线性, 既与部件的结构设计、工艺过程、质量控制有关, 还与安装调试、工作状态、环境状况及保养维护等有着直接或间接的关联。为减少摩擦对系统功能发挥的不利影响, 充分挖掘应用潜力, 首先要进行科学的设计、制造与装配, 奠定良好的结构基础;其次就是合理的使用与维护, 尤其是适当的预紧、润滑和速度控制;再者要适时地结合作业环境和个性使用要求进行针对性的改进和完善。
参考文献
[1]刘晓慧, 宋现春.滚珠丝杠副摩擦力矩影响因素及测试方法研究[J].工具技术, 2006 (6) :59-61.
[2]张佐营.高速滚珠丝杠副动力学性能分析及其实验研究[D].济南:山东大学, 2008.
摩擦学系统论文 第4篇
硬脂酸修饰Sn纳米微粒的制备及摩擦学性能
为研究固体润滑剂软金属Sn作为润滑添加剂的摩擦学性能,采用原位表面修饰液相化学还原的方法制备了硬脂酸修饰Sn纳米微粒.通过XRD,TEM,FT-IR等分析手段对其形貌和结构进行了表征,在四球摩擦磨损试验机上考察了硬脂酸修饰Sn纳米微粒作为液体石蜡添加剂在不同添加量和不同施加载荷下的摩擦学性能.结果表明,所制备的纳米微粒具有四方晶型Sn的晶体结构,粒径细小,平均粒径5～10 nm,有机修饰层的存在能防止Sn纳米微粒被氧化.硬脂酸修饰Sn纳米微粒在中低负荷下作为润滑油添加剂具有良好的`减摩抗磨性能,并且能够提高基础油液体石蜡的承载力.
作 者：孙磊 郭文静 吴志申 张治军 Sun Lei Guo Wenjing Wu Zhishen Zhang Zhijun 作者单位：河南大学教育部特种功能材料重点实验室,河南开封,475004刊 名：润滑与密封 ISTIC PKU英文刊名：LUBRICATION ENGINEERING年，卷(期)：200732(11)分类号：O614关键词：Sn纳米微粒 表面修饰 摩擦学性能
深井多绳摩擦提升系统探讨 第5篇
伴随经济高速发展对矿产资源需求的迅猛增长,浅部、易开采、高品位易选的矿产资源储量已大幅减少或开发殆尽,开采更深部、难度大、低品位难选矿床变得迫切和重要。随着矿山开采深度逐渐加深,开采规模不断加大,竖井提升技术的发展经历了单绳单筒提升一单绳双筒提升—4绳摩擦提升—6绳摩擦提升的历程。目前,国内具有一定规模的矿山多采用4绳或6绳多绳摩擦提升。本文着重探讨随着地下开采井筒深度不断增加、规模增大,深井多绳摩擦提升系统所表现出的特点及存在的一些问题。
2 深井多绳摩擦提升主要特点
提升为矿山生产的咽喉所在,矿石提升系统安全、可靠、稳定的运行是保障生产任务完成的重中之重。由于井深增加、规模增大,提升系统主要参数相应增大,形成提升系统的基本特点为提升高度大,提升载重大,提升速度快,提升钢丝绳直径大、单位质量重、抗拉强度高,提升机卷筒直径大。
深井多绳摩擦提升系统由于以上基本特点,进而深井多绳摩擦提升的延伸特点表现为:①提升钢丝绳承载能力降低;②提升容器载重占提升钢丝绳终端负荷比例减小;③提升钢丝绳负载变化率增大。
3 深井提升系统影响分析
为了便于对多绳摩擦提升系统进行分析,本文中符号统一说明如表1。
为简化分析,对提升系统作如下假设:矿石提升系统采用等重双容器提升,矿石装载量与提升容器重量相等,提升首绳与尾绳保持平衡,即:
3.1 提升钢丝绳承载能力下降
对于某种结构的钢丝绳,钢丝绳重量系数为K,其单位重量可以表示为式(3)。钢丝绳最小破断拉力系数为K',其钢丝绳最小破断拉力可表示为式(4)。若以δ表示换算系数,钢丝绳全部钢丝破断拉力总和与钢丝绳最小破断力关系以式(5)表示[1]:
根据《金属非金属矿山安全规程》(GB16423-2006,以下简称安全规程),提升钢丝绳的安全系数为钢丝绳全部钢丝破断拉力总和与其所承受载荷之比,根据定义安全系数SA表示为式(6):
将式(1)～式(5)带入式(6),得到提升容器装载矿石重量Q的关系式(7):
其中系数:
一般取ΔH=80m。
在式(7)中,系数τ与钢丝绳结构型式有关,对于某种结构的钢丝绳,系数τ为一定值。以6×36WS结构的6股钢丝绳为例,系数τ≈11.164。根据安全规程,提升矿石安全系数最小取值SA=7。以提升高度范围取值800～2200m,对于4绳提升和6绳提升,选取钢丝绳直径分别为50mm和60mm钢丝绳,钢丝绳抗拉强度1 770MPa和1 860MPa,提升容器载重与提升高度关系如图1和图2所示。由图中可以看出,提升容器载重量随提升高度增加而下降。
以1 500m提升高度为基准,4绳提升容器载重在23～36.9t之间,6绳提升容器载重在34.5～55.4t。在相同提升高度下,6绳提升比4绳提升承载能力提高50%。同理,若采用更多根提升首绳和相同计算方法,比如采用8根首绳将在同等条件下比4绳提升承载能力提高1 00%,比6绳提升承载能力提高33%。对于超深井大规模提升,采用更多根首绳提升系统对提升能力增加明显。
表2列出了某深井提升系统6绳提升和8绳提升的计算案例。达到同样提升能力,8绳提升系统提升载重可以更大,首绳直径降低,设计提升速度可以留有更大余地。所以,对于我国特大型深井矿山提升采用8绳提升系统是可取的。
3.2 提升容器载重占提升钢丝绳终端负荷比例减小
对于多绳摩擦提升系统,深井提升钢丝绳承载能力下降,为了满足提升产能不得不增加提升载重,就需要选用直径更大、单位重量更重、抗拉强度更高的提升钢丝绳承载,同时平衡尾绳重量也相应增加。以ε表示提升容器载重占提升钢丝绳终端负荷的比例,同时将式(1)、式(7)带入可得式(10):
由式(10)可见,提升容器载重占比随提升深度增加而下降。图3以提升高度800～2 200m为区间,以安全系数取7为基准,计算了对应不同钢丝绳抗拉强度下提升载重占比。由图3可以看出,提升矿石载重占钢丝绳终端负荷比例随着提升深度增加而下降,提高使用钢丝绳抗拉强度可增加提升容器载重占比。对应1 770MPa强度钢丝绳,提升高度2 200m时,提升载重占比低于10%。同时,较高的安全系数要求对提高载荷占比有不利影响。
3.3 提升钢丝绳负载变化率大
在提升过程中,提升钢丝绳负载变化率(Static Load Range,以下简称SLR)为最大负载变化与钢丝绳最小破断力的比值,定义为式(11):
根据前述推导,将式(1)～(5),式(8)～(9)代入后,推导得出式(12):
SLR反映的是系统运行过程中,钢丝绳终端负载的变化范围。研究认为SLR值大小与钢丝绳使用寿命相关,一般推荐SLR≤1 1.5%[2]。取换算系数δ=1.176,以提升高度800～2 200m为区间,安全系数SA分别取7和8,带入式(12)计算可得图4。由图4可以看出,随着提升高度的增加,SLR值越大;在安全系数相同的前提下,钢丝绳强度越高,SLR值越小;提高安全系数可以降低SLR值,但提升能力会下降。
变换式(12)后可得式(13),以提升高度800～2 200m为区间可得出图5。由图5可以看出,当SLR=1 1.5%时,不同强度的钢丝绳对应不同提升高度下计算安全系数:
3.4 小结
钢丝绳承载的提升载重部分是每个提升循环过程中有效提升负荷,提升载重随提升高度的增加呈显著下降的趋势;采用更多根首绳提升时系统提升能力增加显著。同时,提升高度增加时提升载重占提升钢丝绳终端载荷的比例逐渐变小。SLR值反映了提升钢丝绳静态负载的变化率,不超过推荐值情况下能够较好地保障钢丝绳的经济使用寿命。
在深井多绳摩擦提升系统中,提升容器、矿石、钢丝绳自重、平衡尾绳重量均需要提升钢丝绳来承担,提升钢丝绳作为提升过程中载荷变化承载体,其运行安全性对提升系统影响最大。
4 钢丝绳选择
钢丝绳是提升系统的重要组成部分,除承受提升容器及提升载荷外,钢丝绳还承受其自重的作用。钢丝绳某处在提升高度范围内由于其位置的变化会引起其受力的交替变化,由此会引起的钢丝绳疲劳破坏以及由其他外界因素引起磨损和锈蚀会使得钢丝绳安全性能降低,进而报废不能使用。通常认为当提升高度超过800m时,钢丝绳扭转疲劳成为钢丝绳损坏的重要原因之一。合理选择适宜深井提升的钢丝绳,以适应由于深井提升高度增加、负载变化程度加大所带来的不利影响,对保障深井提升系统的安全、可靠运行至关重要。
国内矿石提升井超过1 200m井深基本处于空白。根据国外矿山深井提升钢丝绳的应用情况,一般倾向于使用具有抗旋转结构的钢丝绳。比如多层股抗旋转钢丝绳由外层股和内层股组成,外层股的捻向和内层股捻向相反,可以降低由于负载引起的扭转不平衡。目前国内新建深井多绳摩擦提升系统,可根据具体工程情况选择具有抗旋转结构的钢丝绳。
5 结语
深井多绳摩擦提升系统有其自身特点,随着提升深度的增加,提升钢丝绳的承载能力显著下降,提升载重占比钢丝绳终端负荷逐渐减小。钢丝绳作为载荷变化承载体,与提升系统安全运行息息相关。根据提升不同深度、不同载重需求选择合适钢丝绳来适应深井提升的特点,以保障提升系统安全运行需要。
参考文献
[1]吴兆宏.矿用钢丝绳安全系数计算基准探讨[J].煤矿安全,2009,(2).
摩擦焊机数据检测系统设计与研制 第6篇
该设备用于零件的同心度误差数据检测, 其在装卡找正过程中, 主要采用人工测量, 实时监视、人工记录数据的方法, 再以这些数据为依据, 对设备进行调整来找正。这种方式观测精度低、工作量大, 易受人为因素影响;测点少, 数据代表性差, 从而影响摩擦焊机的产品质量和生产效率。因此, 提供一种行之有效、先进的数据找正检测手段是目前所急需的。
为此, 我们研制了一种有线与无线传输相结合的可视化编程数据传输系统, 系统可以准确地检测、传输和显示同心度数据和角度数据, 取代以往人工检测、记录数据的方式, 节省了大量的人力, 同时提高了数据精度, 从而大大提高摩擦焊机的生产效率和产品质量。
1. 系统硬件组成
1.1 系统硬件组成
整个系统分为可视化编程接收、同心度误差数据检测和角度数据检测3部分。
(1) 可视化编程接收部分的计算机 (安装了数据处理软件系统的PC机) 是信息处理的核心, 通过工控机的两个RS232串口分别与无线数传接收模块PSI-WL-PLUG-RS232/BT和GP1312RL/CH变送输出仪表的转换器进行串口通信, 完成对数据的接收, 并由计算机对接收的采集数据进行处理和显示, 同时控制打印机打印输出。
(2) 同心度误差数据检测部分完成对主轴和轴承套的同心度数据检测和无线传输。
同心度误差数据检测部分包括S234数显杠杆表和一对无线数传模块。PSI-WL-RS232-RS485/BT发射模块通过RS232接口和S234数显杠杆表连接, 同时为S234数显表供电, 数显表采集的数据通过天线装置直接完成对数据的发送;PSI-WL-PLUG-RS232/BT无线接收模块直接与工控机串口连接, 完成对同心度误差数据的接收。该数据检测部分的仪器封装在控制箱里固定在连接主轴的三脚架上, 完成对同心度误差数据的无线检测。
(3) 角度检测部分完成对主轴旋转角度的测量。
角度检测部分以有线方式传输检测摩擦焊机主轴旋转的角度数据, 由RS232/RS485转换器、变送输出仪表、旋转编码器组成, 所检测的角度数据与同心度误差数据一一对应。ROC413型旋转编码器通过输出端SSI接口同GP1312RL/C变送仪表连接, 以RS485的方式输出, 再经RS232/RS485转换器和计算机进行串口通信。
1.2 系统硬件选型
(1) 无线传输模块
蓝牙是一种支持设备短距离通信的无线电技术, 本项目传输距离仅2m, 因此选用PHOENIXCONTAC公司生产的一对蓝牙无线数据传输模块完成同心度数据的传输。发射模块型号为PSI-WL-RS232-RS485/BT, 接收模块型号为PSI-WL-PLUG-RS232/BT, 体积小, 结构简单, 实现方便, 具有用于外部天线的MCX口, 集成通路诊断功能。在数据通信时, 只需保证无线传输模块的收发频率设置相同即可。
(2) 旋转编码器
旋转编码器选用海德汉ROC413绝对型。其内部装有精巧的光电码盘, 能将主轴角度位置信号变换成13位格雷码输出。不论主轴旋转多少圈, 主轴的任何一个绝对角度 (0~360°) 都有一个相应的格雷码与之对应, 从而可以准确地知道主轴在任何时刻的角度位置。
(3) 变送仪表
对于ROC413绝对型编码器为串行输出的SSI信号, 连接的模板很少。为此, 采用上海精浦机电有限公司专为其开发的GP1312/CH变送输出仪表, 此仪表可以对ROC413绝对型编码器输出的格雷码进行解码运算, 最后以角度进行显示, 同时无零点漂移、信号干扰丢失问题, 能确保长时间无故障运行。
2. 系统软件开发
本系统的控制软件采用VB6.0平台开发。通过MSCOM控件控制串行口, 完成对摩擦焊机角度数据和同心度无线数据的同步采集、显示, 同时实现数据的存储和打印功能, 系统开发界面如图1所示。
通过此操作界面, 可以进行测量方式的选择——端跳和径跳;数据接收方式的选择——自动接收和手动接收, 如果选择自动接收方式, 需要在左边的发送时间间隔的文本内输入时间间隔, 默认为2000ms。现场操作人员根据测量元件的工艺要求, 确定端跳或径跳检测之后, 点击接收按钮, 角度数据和同心度误差数据就会在界面中间的两个文本里以2s的时间间隔自动同步显示, 同时默认将数据存储到Excel表中, 便于查询和打印。数据的检测、记录、存储都是自动完成, 大大提高了数据检测效率。
结论
本项目采用可视化编程, 利用蓝牙无线传输技术, 在PC机上以有线和无线的两种方式同步的检测、传输、接收、显示传感器检测的角度数据和同心度误差数据, 同时并把检测的数据动态的同步存储到Excel表中, 利于现场人员随时查阅和打印。经过软件调试和现场设备联动调试, 已准确接收有线与无线传输的现场检测数据, 解决了现场人工检测、记录数据, 工作量大、效率低的问题。本系统的研制成功, 应用于摩擦焊机同心度检测可大大提高工作效率和产品的生产效率。
参考文献
[1]何志敏, 梅大成, 谭文学.一种基于无线传输的分布式数据采集和控制系统[J].现代电子技术, 2004 (19) :27-31.
矿井摩擦式提升机选型系统软件设计 第7篇
1系统工作原理及流程
1.1工作原理
利用计算机技术和数据库理论, 通过收集钢丝绳、提升机、电动机资料建立原始数据库, 根据数据间的关系和特点, 把数据以一定格式导入Excel表格中, 建立软件能够识别的数据库[2]。利用VB语言借助Windows平台把计算公式以合理的形式表达出来。通过Excel表格实现数据库和公式之间的有机联系, 从而实现设计过程的自动化。
1.2系统流程
基于系统需求分析, 设计了系统流程 (图1) 。①用户登录。保证系统的安全性, 可实现新用户注册和已注册用户登录系统的功能。②钢丝绳选择。根据系统提示输入原始数据, 通过软件计算得到钢丝绳的选型参数, 依据选型参数从数据库中选择合适的钢丝绳及尾绳并显示其信息。③提升机选择。根据所选钢丝绳参数计算出详细数据, 从数据库中选择合适的提升机, 窗口中显示所选提升机的重要参数。④提升机系统图的确定。根据所选提升机型号及提升容器尺寸, 结合工业场地的实际情况, 从提升机布置形式模块中选择合适的布置形式, 绘制提升系统图。⑤电动机选择。利用软件计算出提升系统的关键量, 从等效容量、额定转矩、过载能力3方面校核电动机, 并显示最终选型结果。⑥防滑计算表绘制。根据所选的钢丝绳、提升机、电动机以及提升容器等参数, 利用软件计算出提升系统的极限加、减速度, 根据计算结果, 在满足《煤矿安全规程》 (以下简称“规程”) 的情况下设定合适的制动力并绘制防滑计算表。⑦最大班作业时间表绘制。根据原始参数及选型过程中确定的中间量, 利用软件绘制最大班作业时间表。
2系统关键环节实现依据
收集钢丝绳、提升机、电动机原始数据, 利用数据某些特征, 按照一定格式排列建立数据库, 通过VLOOKUP () [3]方法将数据库参数和软件有机结合起来。
2.1钢丝绳选择依据
钢丝绳单位质量计算公式[4,5]如下:
undefined
式中, Pk为钢丝绳单位质量;Qd为绳端荷重, 根据不同提升内容分别计算, 取最大值;N为提升机中钢丝绳根数;Kz为钢丝绳综合系数;R0为钢丝绳抗拉强度;Hc为提升距离;ma为钢丝绳安全系数, 根据“规程”, 提升物料时钢丝绳安全系数的最小值为8.2～0.000 5Hc, 提升人员及混合提升时为9.2～0.000 5Hc。
根据计算出来的结果选择钢丝绳, 所选钢丝绳的单位质量应尽量接近并高于计算值。
2.2提升机选择依据
提升机摩擦轮最小直径计算:
D=KDk (2)
式中, D为摩擦轮直径;Dk为钢丝绳工程直径;K为提升装置的天轮、滚筒、摩擦轮、导向轮等的最小直径与钢丝绳直径的比值。根据“规程”, 落地式及有导向轮塔式摩擦提升装置的摩擦轮, 井上K≥90, 井下K≥80;无导向轮的塔式摩擦提升装置的摩擦轮, 井上K≥80, 井下K≥70[6]。
根据计算出的最小直径、提升系统的最大静张力和最大静张力差, 从数据库中选择合适的提升机, 并校核摩擦枕垫比压。
2.3电动机选择依据
根据提升载荷和提升速度, 初选电动机功率P为:
P=kFVρ/ (1 000η) (3)
式中, k为电动机富余系数, 取1.1;V为提升速度, 罐笼升降人员时, 不得超过undefined且不得大于12 m/s, 升降物料时, 提升容器最大速度不得大于undefined;F为最大静张力差;η为提升机与电动机连接装置的传动效率, 直联取0.98, 行星齿轮减速器取0.92, 平行轴减速器取0.85～0.90;ρ为提升系统运转加、减速时电动机发热及钢丝绳不平衡质量的影响系数, 对于强迫通风, 可取ρ=1。
2.4防滑计算表的绘制依据
防滑计算表绘制的关键问题是如何确定变位到摩擦轮表面的制动力。根据“规程”, 摩擦式提升机各种载荷和各种状态 (上提或下放重物) 下, 保险闸所能产生的制动减速度的计算值不能超过滑动极限;当井筒倾角大于30°时, 上提重载滑动极限减速度5 m/s2, 下放重载极限减速度≥1.5 m/s2。
提升重载、下放空容器减速度的计算公式[6]:
undefined
undefined
式中, Kj为重、轻侧静张力比;[A]S为上提重载极限减速度;[A]X为下放重载极限减速度。
根据“规程”导出制动力的确定公式:
undefined
式中, AS为上提重载制动减速度;AX为下放重载制动减速度。
通过计算制动力的范围, 确定液压站需要提供的制动力, 并绘制防滑计算表。
3系统功能的实现
以平煤股份五矿己四采区副井提升机选型为例, 介绍软件的功能。
输入密码进入系统后, 按照提示输入原始数据, 如宽、窄罐笼质量, 矿车吨位和数量 (图2) , 根据原始数据计算出的中间量, 从数据库中选择合适的设备, 最终选型结果汇总如图3所示。此外, 数据库留有扩容空间, 但用户只能按一定的格式输入数据, 软件才能自动识别。
4结语
该软件以“规程”和相关设计规范为前提, 应用煤矿机械知识、计算机和数据库技术开发而成。该软件开发以来, 在平煤股份五矿、十三矿等多个矿井得到应用, 系统设计流程合理, 操作界面简单, 运行稳定可靠。同时, 由于该软件包含大量的数据库信息, 可以为用户提供不同层次的选择。
摘要：针对目前矿井摩擦式提升机选型计算过程繁琐、计算任务量大的特点, 从实际出发, 结合矿山工程、计算机和数据库技术, 基于Visual Studio平台, 应用VB语言开发了矿井摩擦式提升机选型系统, 并通过实例验证了软件的可靠性和稳定性。该软件的应用, 提高了设计人员的工作效率和提升机选型的自动化程度。
关键词：摩擦式提升机,选型系统,数据库,VB语言
参考文献
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摩擦线技术在焊装WBS系统的应用 第8篇
白车身到达涂装生产线一般采用WBS(Weld⁃ing Body Storge)系统进行存储和输送,常用的WBS系统一般有积放链、摩擦线、滚床滑撬输送3种形式,其中,摩擦线输送技术利用摩擦力进行工件驱动,采用电机驱动非金属材质的摩擦轮,驱动工件前进。该输送方式已在很多场合中取代了积放链和滑撬系统等传统链式(带式)输送形式,在汽车生产的各个车间都有使用。本文围绕焊装车间3种输送形式的结构特点,阐述摩擦线输送方式的优势所在,并结合具体应用案例分析,为后期焊装车间输送方案规划提供了依据。
2 WBS系统概述
WBS系统不仅承担将焊装白车身输送至涂装生产线,同时满足白车身存储、倒库及排序功能。焊装车间工艺流程图如图1所示。
焊装车间由于焊装线刚性强,多品种车型的通用性差,每更新一种车型,均需重新制定焊接工艺方案,并对生产线进行较大变更,甚至新建生产线。因而焊装车间往往一次规划多条焊装线,根据产品实施时序分期实施,而涂装车间一般一条线就能满足前期规划所有产品需求,只需在线体方案设计时考虑最大通过性即可。因而出现多条焊装线对应一条涂装线,产能不匹配,且各焊装生产线实际产量受产品销量、排产影响,因而需要设置WBS系统来存储、排序车身匹配涂装生产。
3 WBS系统常用输送方式
3.1 积放链输送系统
积放链输送系统一般由动力系统、牵引直轨、牵引弯轨、承载直轨、承载弯轨、承载车组、合流道岔、分支道岔、停止器及电控系统等组成。积放车组一般由一个前小车、一个后小车及载荷梁组成。其可以在整条生产线正常运行的状态下使载荷分别停止或运行,且相互不会干涉,适用于各种生产、装配及整条生产线上各个工位间需要协调配合的生产过程。积放链输送系统如图2所示。
3.2 摩擦线输送系统
摩擦线输送系统利用摩擦力进行工件驱动,采用电机驱动非金属材质的摩擦轮,驱动工件前进,由摩擦驱动、承载轨道、道岔、停止器、小车、升降机及附属钢结构组成。具有工艺布置灵活、单元施工快捷、速度变化便利、节约能源消耗、满足环境保护、使用维护方便、综合成本不高等多种优势。
3.2.1 摩擦驱动
摩擦驱动装置按结构方式不同可分为直段摩擦驱动、弯段摩擦驱动、过渡段摩擦驱动和双摩擦驱动4种。摩擦驱动装置主要由摩擦轮、拉杆、固定支架、转动支架、驱动电机减速机等部件组成。摩擦轮由内层芯轮及外层胶轮组成,芯轮通过平键与电机减速机直联。拉杆系统中弹簧的弹力产生摩擦驱动所需的正压力,在摩擦轮磨损而外径变小时能够通过调节弹簧压缩量,保证摩擦轮与台车间的正压力不变。如图3所示。
3.2.2 承载轨道
承载轨道是工件承载小车运行的轨道,采用H型钢及括架板组焊而成,既能起到承载又能起到导向作用,通过杯脚固定于空中平台或螺栓钢结构辅梁上,如图4所示。
3.2.3 道岔
道岔主要由框架、活动轨、转盘及气缸组件等部件组成。活动轨与转盘固定在一起,随着转动盘的转动把活动轨与不同的固定轨连接在一起,完成换行功能,如图5所示。
3.2.4 停止器
停止器分为左型停止器和右型停止器两种,主要由底座、停止板、止退板、发号杆及气缸组件等几部分组成,通过连杆结构实现停止器的开闭。
3.2.5 小车
小车采用四车组,前小车、中小车和后小车组合成复合式台车。各种小车均由精密铸钢件的车体、整体轴承式车轮和无油润滑型导向轮等部件所组成。
3.2.6 升降机
升降机一般包含主机架、升降滑架、提升链条/皮带、驱动单元和配重。升降方式根据焊装线节拍来选取。
3.2.7 附属部件
安全网支撑网架一般采用600 mm×600 mm网格,上铺36 mm×100 mm×2.5 mm×6 mm菱形钢板网。四周行走通道铺设4 mm厚、800 mm宽的花纹钢板,安全网框架为[10和50角钢;所有平台两边有防护栏杆(高度为1 200 mm),下部有踢脚板;扶梯设计、制作和安装,均按照国标设计,安全网吊杆为∠63×5角钢。维修平台、电器柜放置位置、维修走台等有需要的位置,需铺设花纹钢板,其余铺设护网。两侧平台用走道连通,在维修平台靠厂房立柱处架设钢制带护圈的爬梯,便于上护网和维修走台。
在输送线维修道岔出口轨道两侧架设维修平台,平台内侧与轨道保持一定距离,保证不与吊具干涉,维修平台构架用槽钢[10和50角钢制作,平台平面用厚度为4 mm的花纹钢板,走台外侧架设高度为1 200 mm的护栏。护栏下设有100 mm高的踢脚板。
在输送线靠近滑触线一侧,架设600 mm宽的全线检修走台,便于检修,走台内侧与轨道保持一定距离,保证不与吊具干涉。走台构架用槽钢[10和50角钢制作,平面用厚度为4mm的花纹钢板,走台两侧架设高度为1 200 mm的护栏。护栏下设有100 mm高的踢脚板。
3.3 滚床滑撬输送系统
滑橇输送机是焊装车间应用范围最广泛的输送设备之一,可用于车身总成线工序间输送、调整线输送及焊装车间空中储运线车身储存输送。其特点是自动化程度高,适用于各种批量的生产线输送;可以在一条生产线上实现间歇、连续输送,易实现生产线联线输送;可以将下车身总成线、车身总成焊装线、调整线和车身储运线联系成一个整体,易实现一个车间多车型生产线联线;可以将各种车型的下车身总成线、车身主线独立布置,共同建立补焊线、调整线,易于实现生产线分期投入;输送速度快、定位精度高;与夹具关系密切,需进行非标设计,投资较大。
4 焊装摩擦线输送技术应用
4.1 项目概述
某重型载货汽车二期项目焊装车间车身调整线下线至涂装上线的WBS系统采用摩擦线技术,全年工作250天,双班生产,单班8小时,年产4万台,节拍10UPH,约5.4 min输送1台车;工件质量约400 kg,工件外形尺寸2 200 mm(L)×2 500 mm(W)×2 400 mm(H)。
4.2 项目方案
采用空中摩擦线输送技术,轨道采用HN200×100×5.5×8,小车采用四车组形式,单车积放间距S=3 200 mm,两车组挂运行降低成本,运行速度20m/min,电机功率0.25 k W。根据产能及工艺需要设置4条存储道,1条倒库通道,1条快速通道直接去涂装,快速通道中考虑小车返回路线,同时设置1个返修工位,存储量满足4 h,考虑流转需要,累计存放55台小车。具体如图6所示。
4.3 工艺节拍及小车数量确定
根据小车从调整线下线工位到涂装上线工位的工艺流程,下线工段、组挂工段1、直行工段、拆挂工段1、上线工段、组挂工段2、返回工段、拆挂工段2形成一个快速段的循环。其中升降速度5~30 m/min,平均速度20 m/min,行走速度2~20 m/min,平均速度12 m/min。
4.3.1 下线工段节拍(升降高度5.5 m)
下件时间4.5/20=0.225 min(工件快降4.5 m),快慢速切换时间1/5=0.2 min(工件2次慢降1 m),工艺时间0.2 min,考虑一个升降循环,下件工段节拍2×(0.225+0.2)+0.2=1.05 min。
4.3.2 组挂工段1节拍
前小车1运行至组挂工位,距离10 m,运行时间为10/12=0.83 min,后小车2运行至组挂工位,距离6.8 m,运行时间为6.8/12=0.57 min,调整线节拍为5.4 min,前小车1与后小车之间等待时间为5.4-0.83+1.05=5.62 min,组挂节拍为5.62+0.83+0.57=7.02 min。
4.3.3 直行、返回工段节拍
直行56 m,返回64 m,运行时间为(56+64)/12=10 min。
4.3.4上线工段节拍(升降高度5.5 m)
涂装上线工段工艺流程与焊装调整线下线流程相仿,唯一不同的是涂装采用滑撬输送,需人工辅助定位,上线工位节拍为1.05 min。
4.3.5 拆挂工段1至组挂工段2节拍
前车1行走4.5 m至上线段运行时间为4.5/12=0.375 min,等待上线工段接车后继续行走12.5 m至组挂工段2运行时间为12.5/12=1.04 min。后小车2运行时间为(4.5+12.5-3.2)/12=1.15 min。涂装前处理接车节拍为5.4 min,前小车1与后小车之间等待时间为5.4-0.375+1.05=6.075 min。拆挂工段1至组挂工段2节拍为6.075+0.375+1.04+1.15=8.65 min。
4.3.6 拆挂工段2至下件工段节拍
前车1行走16.3 m至下线工位时间为16.3/12=1.36 min,前车1接车后运行至组挂工位,后车2开始运行至下线工位等待下一台车身到位准备接车,进入下一轮节拍循环。
4.3.7 总节拍及车组数
小车1从调整线下线开始至小车1返回为一个工艺流程,总时间为29.13 min。小车存储按照4 h考虑,小车备用及流转按1 h,车组数量=(4×10+29.13/5.4)+1×10=55台。
4.4 摩擦线小车结构参数
四车型摩擦线小车结构如图7所示,双车组挂,积放间距为6 400 mm。吊具建议采用兜驾驶室内窗框,避免支撑门框,可以有效保证焊装调整后的门盖间隙面差,吊具托块采用聚氨酯形式。
4.5 能耗分析
本项目采用摩擦线输送方式,电机功率0.25 k W,总计78个电机,日常生产中一个节拍内电机运行时间为6.4/12=0.53 min,实际电机运行系数0.53/5.4=0.098。通过下表1中与重型载货汽车一期项目对比可以看出,采用摩擦线方式日能耗约为积放链输送方式的8.7%。
摘要：围绕WBS系统的常用方式,分别介绍了摩擦线、积放链及滚床滑撬输送系统。其中,摩擦线输送系统具有工艺布置灵活、单元施工快捷、速度变化便利、节约能源消耗、满足环境保护、使用维护方便、增容扩展容易、综合成本不高等多种优势。结合某重型载货汽车二期项目焊装车间车身调整线下线至涂装上线的WBS系统,具体分析了摩擦线技术,为后期焊装车间输送方案规划提供借鉴意义。
关键词：WBS,积放链,摩擦线,白车身
参考文献
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摩擦焊机液压施力系统故障率分析 第9篇
摩擦焊接技术是一种优质、高效、低耗、清洁的先进制造技术,近年来在国内汽车、石油、工具等行业中得到了广泛的推广与应用,摩擦焊机制造业也得到了蓬勃发展[1]。但是随着摩擦焊机的自动化程度、控制精度等要求越来越高,故障率也随之增高,故障诊断越来越复杂。
国外先进摩擦焊机厂商如美国MTI、德国KUKA、英国THOMPSON、加拿大TECHNAR等均已配置故障智能诊断系统。如MTI焊机,其故障诊断系统在焊机的运行过程中能实时判断电机、泵是否过载和阀、传感器及过滤器等是否故障,以及是严重故障还是轻微故障。若严重过载或发生严重故障,则焊接过程中即可终止焊接程序,退出焊接循环,显示故障信息并报警;若是轻微故障,则待本次焊接循环结束后给出故障信息,报警告知及时维修[2]。相比之下,国内摩擦焊机在故障诊断方面还有很大的差距。国内摩擦焊机现在还不具备在焊接过程当中对泵、阀、液压缸等故障的实时状态监测,而仍然处于“坏了再修”的时代。为了缩小与国外的差距,提高国内摩擦焊机的竞争力水平,摩擦焊机故障诊断系统研究与应用是非常有必要而迫切的。
目前,液压传动系统中的故障诊断主要有基于传递函数的故障诊断方法、基于人工智能(包括专家系统、神经网络两个分支)的故障诊断方法。前者由于需要建立系统控制过程的数学模型而遇到较大困难,后者又由于专家系统知识难以获取而难以推广应用[3]。模糊数学的引入解决了这一难题,它使液压设备故障诊断中的模糊现象的处理成为可能,为我们提供了一种新的故障诊断方法,即模糊故障树故障诊断方法[4,5]。
1 模糊故障诊断的数学基础
将液压系统中各元件发生故障的概率构成模糊数集合A。定义:模糊数集合A为实数域R上的正规凸模糊集,若其隶属函数满足
则称模糊数集合A为L-R型模糊数集,L(x)、R(x)称为模糊数的左、右参照函数[6,7]。式中:
L(x)为增函数,左连续,
R(x)为减函数,右连续,
隶属函数μA(x)是0到1之间的一个数,它表示元素x对模糊集A的隶属程度。工程中,模糊数隶属度为1的数通常只有一点,因此模糊数集合A可表示为A=(m,α,β)。其中,m为A的均值;α、β分别称为A的置信上下限。当α和β都等于0时,A集合元素就不是模糊数。α、β越大,A集合元素就越模糊[7]。
常用的L-R参照函数有线性、正态型、尖型(见图1)[7]。黄洪钟、华小洋[8]等认为利用正态型模糊隶属函数描述底事件的模糊概率比较合理,因此本文采用正态型参照函数,其左右参照函数为:
设模糊数集A1和A2分别用(m1,α1,β1)和(m2,α2,β2)表示,则其乘法运算法则为:
A1A2=(m1,α1,β1)(m2,α2,β2)=(m1m2,α1α2,β1β2)。
传统的故障树分析中,顶事件发生的概率可通过底事件的概率和隶属函数来唯一确定,模糊故障树亦是如此。在模糊乘法运算法则的基础上,定义或门模糊算子如下[9]:
根据式(3)所得到的或门结构模糊算子,根据底事件的概率和故障树的模糊隶属函数即可计算出系统顶事件发生的概率。
2 系统分析与模糊故障树的建立
无论采用哪种诊断方法,对诊断对象进行故障机理分析都是必不可少的。故障机理分析的主要任务就是剖析故障现象与故障原因之间的关系,并构建故障诊断系统的总体框架。故障机理正确分析的前提是对系统有全面而且必须正确的了解。总体上,摩擦焊机液压系统包括润滑系统、辅助系统和施力系统三大块,润滑系统承担摩擦焊机整个主轴箱的润滑任务,辅助系统包括移夹夹紧/松开油路、旋夹夹紧/松开油路、主轴离合/制动油路及为施力系统比例变量泵提供控制压力的供压控制油路,而施力系统则控制滑台前进、后退与停止。由于篇幅限制,这里只讨论摩擦焊机液压施力系统的故障诊断,其液压原理如图2所示。
1三相电动机,2比例变量泵,3单向阀,4高压过滤器,5电磁溢流阀,6压力表,7电磁换向阀,8先导式比例溢流阀,9先导式比例换向阀,10主推力缸,11比例变量泵供油控制油路,12油箱,13流量计,14压力传感器
2.1液压施力系统定性分析
施力系统通过泵、阀及液压缸控制滑台前进、后退与停止,压力闭环控制就是通过控制先导比例溢流阀8、先导式比例换向阀9和比例变量泵2来实现压力闭环稳定的。如施力系统接到“快进”信号,比例变量泵2以设定的快进流量输出,电磁溢流阀5得电建压,电磁换向阀7得电导通,同时计算机向先导比例换向阀9输出最大+10 V电压信号, P口与A口完全导通,压力油快速进入A腔,B口与T口导通,B腔泄油,推动滑台快速前进。
故障就是指令的输出期望响应与设备的实际响应不一致的外在表现。如计算机输出“快进”指令,当然是期望滑台能以工艺参数设置中的“快进速度”向前移动,但是实际响应是“滑台无动作”,这就说明施力系统出现了故障。可能是比例变量泵2内部配油盘因磨损严重导致泄漏大而输出流量小,或过滤器4堵塞导致压力油不能通过,或电磁溢流阀5或先导比例溢流阀8故障导致系统未建立压力,或电磁换向阀7或先导比例换向阀9的阀芯卡死而未能换向导通,或液压缸10的活塞环失效或活塞磨损严重致使泄漏增大,使液压缸前后腔无压力差而无法推动滑台。
2.2故障树的建立
对于摩擦焊机液压施力系统,由于各元件在系统中相对独立,因此可以把各个元件看作故障子系统,确定为中间事件,逐级向下建树。按照这种思路,下面以“施力系统故障导致按下焊接启动’按钮滑台不动作”故障为例进行故障树的搭建,所以顶事件T={施力系统故障},出现故障的各种具体原因为故障树的底事件,用X表示,包含多个具体原因的事件为中间事件,用E表示。图3给出了建立的摩擦焊机液压施力系统故障树结构。
E1施力系统故障,E2施力系统未建压,E3先导式比例换向阀,E4液压缸故障,E5比例变量泵,E6电磁溢流阀,E7电磁换向阀,E8先导比例溢流阀,E9先导比例换向阀先导阀,E10先导比例换向阀主阀,E11先导比例溢流阀先导阀,E12先导比例溢流阀主阀,X1过滤器堵塞,X2中心弹簧折断,X3泵磨损严重泄漏大,X4 密封件失效,X5 阀芯卡死,X6 阻尼孔堵塞,X7 电磁铁线圈烧坏,X8弹簧损坏,X9先导通道堵塞,X10活塞磨损
焊机液压施力系统故障树建立之后,再通过下行法求得该故障树的最小割集为:{X1}、{X2}、{X3}、{X4}、{X5}、{X6}、{X7}、{X8}、{X9}、{X10}。
3 模糊故障诊断分析
故障树中各事件发生的概率用故障数来表示,事件发生概率Pi的参照函数为正态对称型,其隶属函数如式(2)所示,且与均值mi相差±50%的点x的隶属度为0.08,则有式(4)。
则可计算出αi=βi= 0.315mi,各底事件的故障概率均值mi及左右分布αi、βi如表1所示。
由系统最小割集,根据公式(3),可得到相应的顶事件发生概率的模糊函数为:
由公式(5)可得中间事件的故障概率均值mi及左右分布αi、βi,如表2所示。
从表2中故障概率模糊数可以看出,施力系统主要故障是系统未建压,然后是先导比例换向阀故障,最不可能发生的就是液压缸故障。施力系统未建压又主要是因为先导比例溢流阀故障,然后是电磁溢流阀故障,再者是比例变量泵故障。因此在设计液压系统时应特别注意先导比例溢流阀、先导比例方向阀、电磁溢流阀及液压泵的选用、维护和保养。当然,当系统出现故障时,这些液压元件也是故障诊断的首要检测对象。所以,本文分析为设计、维护和保养摩擦焊机液压系统提供了良好的依据。
4 结论
(1) 采用模糊故障树分析法可以对摩擦焊机施力液压系统故障率进行定量分析。
(2) 摩擦焊机液压施力系统的主要故障是系统未建压及两个先导比例阀故障。
参考文献
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摩擦学系统论文
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