多头锥螺杆-衬套副的曲面建模与设计方法

为提高螺杆泵的承载能力,增加螺杆泵流量的平稳性,解决由于油气泄漏产生的气穴现象,基于多头柱螺杆和单头锥螺杆的理论研究提出了一种多头锥螺杆的曲面成形方法.通过空间啮合理论,建立了锥螺杆-衬套副的曲面方程;依据锥螺杆-衬套副截面方程及其变化规律,建立了多头锥螺杆-衬套副的流量方程,并确定了给定流量下螺杆泵的结构尺寸计算方法;对多头锥螺杆-衬套副进行了运动学分析,建立了多头锥螺杆-衬套副的运动学方程,得出了多头锥螺杆-衬套副的运动规律.基于锥螺杆-衬套副三维模型与3D打印技术,完成了多头锥螺杆与锥衬套的实体加工,验证了多头锥螺杆-衬套副曲面方程的正确性,并基于Pro/Mechanisn对多头锥螺杆-衬套副进行了仿真分析,验证了其运动学规律.     

双锥对置锥螺杆海水液压泵的运动学分析

为了研究双锥对置锥螺杆海水液压泵的运动特性,建立了锥螺杆球断面中心点及其外表面上点的位移方程及速度方程,并对锥螺杆-衬套副的运动学特性进行了仿真分析.结果表明:锥螺杆基锥半锥角越小,其球断面中心点的运动轨迹越趋于一条直线;锥螺杆外表面上不同点的运动轨迹为大小不同的"球面椭圆";锥螺杆球断面中心点及外表面上点的位移、速度沿各坐标轴方向的分量均呈周期变化,沿x、y轴方向的变化周期为锥螺杆运动一周的时间,沿z轴方向的变化周期为锥螺杆运动半周的时间;当锥螺杆球断面中心点及其外表面上点的位移幅值最小时,其运动速度达到最大,反之最小.     

空间圆弧逼近法加工螺旋曲面的参数优化

螺旋机械的核心部件——螺杆转子的螺旋曲面成形复杂、加工难度大，国内外较多采用成形车削方法加工，此法在加工精度、加工效率及螺杆表面质量上存在不足，为了获得更好的螺旋表面加工质量，提出了外切圆弧母线逼近加工方法.依据圆弧逼近原理，建立了螺杆转子空间螺旋曲面的铣削模型，确定了刀具空间逼近圆弧的基本结构参数，求解了逼近圆弧的加工误差，实现了刀具逼近圆弧参数的优化设计，并给出了相应的计算实例.计算结果表明，提出的刀具参数优化方法具有可行性.     

螺旋曲面成型抛光用千叶轮的廓型设计及修整方法

为了提高螺杆转子螺旋曲面的加工效率和表面加工质量,提出了一种采用砂带千叶轮成型抛光螺杆螺旋曲面的新型工艺方法.砂带千叶轮是一种具有抛光质量好、寿命长、效率高、成本低等优点的异型涂附磨具,为获得千叶轮的几何形状,研究了千叶轮成型抛光运动的原理,建立了千叶轮与螺杆螺旋曲面的数学模型,确定了空间啮合接触线,设计了千叶轮的廓型,给出了千叶轮廓型数据的计算实例,利用三维软件进行了啮合模拟仿真,搭建了简易修整试验装置并完成了对千叶轮的修整加工试验.结果表明:利用砂带千叶轮成型抛光螺杆螺旋曲面具有可行性.     

柱形棒铣刀铣削锥形螺杆的切削形面产生机理

为了采用柱形棒铣刀实现几何形状较复杂部件螺杆挤出副的高精度铣削加工,根据刀具与工件的空间几何关系,利用柱形刀具截面与工件的实际切削点建立数学模型.经过理论分析推导出在开槽和精加工时由柱形棒铣刀所铣削的实际螺旋形面,说明了其为近似倒锥形而非圆柱形,进而提出了由反求计算校正铣刀摆角的方法,并通过实际试切实验验证了理论分析的正确性.该方法可用于实际切削加工前的计算,以正确确定刀具摆角,有效提高锥形螺杆曲面的加工精度和效率.     

螺杆钻具等壁厚衬套性能分析

螺杆钻具以其独特的优势在定向钻井生产中得到青睐,但仍不能广泛应用于深井、高密度泥浆井以及小曲率半径的水平井.目前.常规螺杆钻具衬套的内表面是螺旋曲面,橡胶衬套厚薄不均,衬套抗变形能力低,单级承压小,泄漏沿程长,机械特性软,热膨胀不均、磨损速度快,故导致效率持续降低.因此.长度短、大功率、高压降、低转速螺杆钻具的开发与应用,已成为提高钻井效率、节约钻井成本的重要环节.为此,进行了螺杆钻具橡胶衬套力学性能实验,建立了螺杆钻具等壁厚衬套和常规衬套的力学计算模型.结果表明,在相同压力下,等壁厚衬套比常规衬套有更好的抗形变能力;在相同的过盈量下,等壁厚衬套有更好的密封能力.在同等扭矩下,等壁厚定子螺杆钻具的定子长度可以得到缩短.     

锥形双螺杆挤出机螺杆转子的数控制造技术研究

一对相互啮合的锥形螺杆转子是锥双螺杆挤出机的核心部件，其加工精度直接影响到挤出机性能.传统加工方法的加工精度和加工效率都较低，所加工螺杆转子的啮合特性和互换性都较差.为了提高挤出机的性能水平，在深入研究锥双螺杆几何特征的基础上，提出了一种利用柱形棒铣刀的五轴联动数控铣削螺杆转子的新型数控铣削制造方法，设计制造了五轴联动螺旋槽专用数控铣床，并且设计开发了与其相配套的螺杆数控加工自动编程系统.该项研究成果提高了锥双螺杆的加工水平，具有显著的工程意义.     

六轴联动数控齿轮加工机床加工点啮合齿面的包络逼近原理

提出了一种在六轴联动数控机床上加工点啮合齿面的新加工方法。该方法源于微分几何中通过空间曲线的Darboux-Frenet标架沿设计（理论）齿面上的一条指定接触迹线运动来描述曲面微分结构的思想,所展成的齿面与设计（理论）齿面沿指定的接触迹线有二阶切触且在接触迹线以外的区域与设计（理论）齿面之间具有指定（最小）误差,能完全控制齿面上每一个啮合点的啮合特性。利用六轴联动数控齿轮加工机床的万能运动功能,按被加工齿面预定的啮合特性确定刀具相对工件的运动。实例验证了方法的精确性和可行性。     

复杂螺旋曲面成形磨砂轮廓形数值仿真方法

针对复杂螺旋曲面成形磨砂轮廓形设计中数学理论较为复杂的问题,提出了一种新的数值仿真方法进行复杂螺旋面磨削加工的砂轮廓形设计,其基本原理是通过坐标转换将工件与砂轮的坐标系进行整合,离散处理工件与砂轮面模型,通过数值迭代算法求得砂轮与工件的空间接触迹线3维离散点坐标,进一步通过坐标转换求得砂轮廓形.该方法数学原理简单,易于编程实现,通过与解析方法的计算结果对比,表明其数据精度满足产品设计要求,具有很好的工程应用价值.同时该方法也适用于任意复杂曲面成形磨的砂轮廓形设计.     

准双导程锥蜗杆传动研究

提出和建立了准双导程锥蜗杆传动的概念与方法。蜗轮蜗杆构成的传动仍然建立在空间相错轴螺旋齿轮传动原理基础上。蜗杆的两侧齿面是两个螺旋角不等的阿基米德螺旋面,是一种等导程锥螺杆。蜗轮蜗杆传动啮合状态等效于双导程锥蜗杆传动,它在两个基圆柱公切面内形成近似直线接触。准双导程锥蜗杆传动,蜗杆可以在车床上采用类似于切削锥螺纹的方法完成加工,配对的锥蜗轮利用标准模数齿轮滚刀实施切齿加工,使工程实施更为简便。分析了阿基米德螺旋面替代渐开螺旋面的误差及其影响因素,推导了蜗杆与蜗轮相关几何参数计算公式。在已经建立的传动副设计方法基础上,完成样件加工和初步传动试验。     

盖封密封磨损-热-应力耦合模拟与优化设计

在无油润滑工况下,密封面磨损是导致密封件性能降低及寿命丧失的关键因素. 结合有限元技术,基于修正的Archard磨损模型,建立盖封（CL）密封过程中密封件和活塞杆间的磨损-热-应力耦合数值模拟方法,分析磨损过程中密封件性能与寿命的变化规律及介质压力对密封特性的影响;基于所建立的仿真模型,采用正交试验设计法,以密封件密封面上最大接触压力降幅最小及密封件寿命最长作为优化目标,对CL密封中C形密封圈关键结构参数进行优化设计,得到最优组合方案;利用斯特林发动机活塞杆密封性能试验平台对数值模拟方法进行验证,并对磨损后CL密封接触面磨损状况进行测量,检测结果与仿真模拟结果较为一致,优化后密封件密封性能及使用寿命得到了提高.     

基于齿面发生线的弧齿锥齿轮铣削加工仿真分析

基于球面渐开线弧齿锥齿轮的齿面生成原理,对齿面的发生线形成理论进行了研究,并提出了一种以齿面发生线作为铣削刀刃,通过三轴联动的方式加工出弧齿锥齿轮齿面的加工方法。建立了锥齿轮加工机床的三维模型,进行了锥齿轮的加工仿真,并对仿真生成的锥齿轮进行了齿面接触迹线分析。研究表明,基于该理论进行弧齿锥齿轮的铣削加工,运动和控制简单,且加工出来的锥齿轮能实现大倾角线接触传动。     

双主密封特殊螺纹油管接头密封性能研究

针对超深油气井中对密封性能的严格要求,基于特殊螺纹密封机理,设计一种由锥面对锥面和柱面对球面组成的双主密封特殊螺纹接头结构。采用数值模拟方法分析接头在拉伸、压缩、拉伸和内压、拉伸和内外压4种工况下,双主密封面接触应力、接触长度的变化情况,并对螺纹接头在极限载荷下的密封性能进行研究,得到接头密封能力随不同载荷的变化规律。最后对接头试样进行全尺寸试验,结果表明该双主密封特殊螺纹接头的密封性能满足使用要求。     

Dynamics Analysis of Square Unit and its Combined Mechanism with Joint Clearance

考虑运动副间隙的正方形单元及其组合机构的动力学分析

李剑锋,王三民,李博,智常建,彭麒安

（西北工业大学 机电学院,西安 710072）

创新点说明：

1.为精确研究正方形单元及其组合机构的动力学性能,通过考虑间隙转动副元素之间的运动规律建立了该运动副的运动学模型。

2.在Floures接触力模型和LuGre摩擦力模型的基础上建立了考虑运动副间隙的正方形组合机构的动力学分析方法,并采用Baumgarte提出的稳定约束法来解决积分过程中的约束违约现象。

3.采用具体算例验证了本文方法的有效性。该方法简化了正方形单元及其组合结构动力学分析过程,拓展了其应用范围,具有较高的实际应用价值。

研究目的：

为精确研究该机构的动力学性能,通过考虑间隙转动副元素之间的运动规律建立了该运动副的运动学模型,分析运动副间隙对正方形单元及其组合机构动力学的影响。

研究方法：

通过考虑间隙转动副元素之间的运动规律建立了该运动副的运动学模型;其次,在Floures接触力模型和LuGre摩擦力模型的基础上得到了考虑间隙转动副元素之间的切向和法向接触力;最后,建立了考虑运动副间隙的正方形组合机构的动力学分析方法,并采用Baumgarte提出的稳定约束法来解决积分过程中的约束违约现象,运用Matlab对具体算例计算和分析。

结果：

结果发现正方形单元及其组合结构转动副随着间隙值的增加,正方形可展机构动态曲线的变化范围更大,波动幅值较大,预测随着间隙值的继续增加,碰撞过程会更加严重,直至机构失效。表明运动副间隙对正方形组合机构动力学性能的影响不可忽视。

结论：

1.基于接触-分离-碰撞过程,成功地将运动副间隙效应引入到正方形可展机构的动力学模型中,分别采用Floures模型和修正的Coulomb摩擦力模型计算接触碰撞力,并使用Baumgarte稳定约束法有效的避免了积分过程中产生的约束违约现象。

2.含间隙正方形可展机构动力学特性的研究表明：机构动力学行为的计算需要考虑运动副间隙效应对的影响。

3.通过对间隙值分别为0.25mm和0.5mm的分析可知：随着间隙值的增加,正方形可展机构动态曲线的变化范围更大,波动幅值较大,随着间隙值的继续增加,碰撞过程会更加严重,直至机构失效。

关键词：正方形单元及其组合机构,间隙,Floures接触力模型,动力学

     

钛合金梁式管接头密封性能的结构优化设计

为优化具有椭圆弧凹槽的航空钛合金梁式管接头,基于ABAQUS软件建立了梁式管接头弹塑性接触有限元模型,得到了阴、阳接头两道密封处的接触应力分布与接触带宽。综合考虑梁式管接头宏观几何结构与接触面微观形貌,以S指数为密封性能评价指标,利用Isight软件和多岛遗传算法得到了密封性能最优的阴接头几何构型。对最优结构的有限元数值模拟表明,优化结构的S指数比原型和数据库最大值结构分别提高102.2%和53.1%,其最大接触应力与接触带宽明显增大,优化结构的密封性能显著提高。最优结构的S指数与优化方法的预测值吻合良好,从而验证了优化方法的有效性和结构优化设计的准确性。采用的S指数密封评价准则相比于传统单纯以接触应力或接触带宽评价密封性能的方法更全面考虑了密封结构的宏观与微观特征,为梁式管接头密封结构优化设计提供了可量化的密封性能目标函数。应用Isight软件与多岛遗传算法可提高计算效率与优化精度。     

HGT准双曲面齿轮精确建模和加载接触分析

包含工作齿面和齿根过渡曲面的齿轮完整的三维几何模型是进行有限元分析等的基础。论文以加工方法HGT为研究对象,根据格里森HGT准双曲面齿轮的加工方法和加工原理,并以摇台机床为基础,推导了理论工作齿面方程和齿根过渡曲面方程,在此基础上建立了三维几何仿真模型,并对齿轮副进行了轮齿加载接触分析,得到齿轮副在拟真实工况下的齿面印痕、传动误差曲线和载荷分配系数。最后通过切齿试验验证了理论推导的正确性。仿真和试验结果表明：1) 齿轮重合度大,传动平稳;2) 当大轮加载扭矩超过一定值（文中为500N.m）时,轮齿会出现边缘接触。该研究为齿轮的强度和振动分析等提供了可靠的前提条件。     

深海带电插拔连接器力学特性分析

以水下7 000 m工况的深海带电插拔连接器为研究对象,旨在获得湿插拔连接器在深海双重高压下的受力特性和插拔过程中的动密封性能。介绍连接器的插头结构与压力补偿技术;推导压力补偿器工作容积的计算公式;运用Ansys Workbench建立插头内壳体组件与插孔组件的动密封有限元模型,对内壳体、压力平衡膜及内胆进行强度计算;分析由连接器插拔引起的平衡膜内外瞬时压差对膜的应力分布及变形情况;讨论密封件径向压缩量、密封接触面摩擦因数、插拔速度对插拔过程中动密封性能的影响。结果表明:插头插合时,平衡膜外表面应力基本不变,其变形减小;拔出时,平衡膜外表面的应力及变形都逐渐增大。密封件之间的接触压力受密封接触面过盈配合量的影响明显,增大过盈配合量可显著提高动密封区域的接触压力及密封性能,同时也会加剧密封件失效的可能性,密封接触面的摩擦因数、插拔速度对接触压力的影响则较小。     

深海带电插拔连接器力学特性分析

以水下7 000 m工况的深海带电插拔连接器为研究对象,旨在获得湿插拔连接器在深海双重高压下的受力特性和插拔过程中的动密封性能。介绍连接器的插头结构与压力补偿技术;推导压力补偿器工作容积的计算公式;运用Ansys Workbench建立插头内壳体组件与插孔组件的动密封有限元模型,对内壳体、压力平衡膜及内胆进行强度计算;分析由连接器插拔引起的平衡膜内外瞬时压差对膜的应力分布及变形情况;讨论密封件径向压缩量、密封接触面摩擦因数、插拔速度对插拔过程中动密封性能的影响。结果表明:插头插合时,平衡膜外表面应力基本不变,其变形减小;拔出时,平衡膜外表面的应力及变形都逐渐增大。密封件之间的接触压力受密封接触面过盈配合量的影响明显,增大过盈配合量可显著提高动密封区域的接触压力及密封性能,同时也会加剧密封件失效的可能性,密封接触面的摩擦因数、插拔速度对接触压力的影响则较小。