茶叶抖筛机的机理分析与参数优化
这是一篇关于物理特性,多体动力学仿真,模态分析,离散元法,正交试验的论文, 主要内容为在农业生产中,筛分是茶叶精制过程中必不可少的环节。茶叶抖筛机是农业物料筛分装置的重要组成部分,其工作性能的好坏决定着筛分装备的作业性能。为解决茶叶在抖筛作业过程中筛净率较低,误筛率较高的问题,本文以茶叶抖筛机为研究对象,基于ADAMS软件建立茶叶抖筛机振动机构模型,通过仿真分析得到筛面加速度和位移变化趋势;然后对不同工作参数(振动频率﹑振动幅度﹑筛面倾角等)下颗粒物料在筛网的运动进行了模拟研究,运用EDEM软件分析茶叶颗粒筛分过程的受力情况与运动规律,并对抖筛机关键参数进行仿真模拟,获取不同工作参数对筛净率、误筛率的影响规律。设计单因素验证试验与二次旋转正交参数优化试验,以期获得有利于茶叶抖筛机进行茶叶筛分工序的最佳工作参数组合,为提高茶叶抖筛机筛分质量提供理论依据。本文的主要工作如下:(1)对所研究茶叶的含水率、休止角、密度、静摩擦角、动摩擦系数等物理特性进行测定,取得茶叶的含水率为5.5%、休止角为30.7°、密度为532.4 kg/m3、静摩擦角为30.3°。并分析了单颗茶叶颗粒的透筛概率理论,为后续的茶叶抖筛机研究提供理论依据及数据支撑。(2)通过Solid Works软件对茶叶抖筛机的结构进行设计,对抖筛机传动机构进行设计分析并对弹簧支撑板进行稳定校核、正应力强度校核以及许用应力校核,确保弹簧支撑板的设计参数符合设计生产要求。运用ANSYS Workbench软件对茶叶抖筛机进行模态分析,研究抖筛机底座的固有频率特性。以茶叶颗粒为研究对象,分析茶叶在筛面上的受力情况与运动规律,根据茶叶需要持续与筛面产生相对运动且不作抛体运动的工艺条件,求出茶叶抖筛机转速的最佳取值范围。(3)建立茶叶抖筛机三维模型将其导入ADAMS中,利用ADAMS软件对茶叶抖筛机进行虚拟样机建模和多体动力学仿真,获得振动筛在稳定状态下完整周期内的位移、加速度的变化规律,分析不同弹簧支撑板长度对茶叶颗粒运动加速度影响的变化规律,探明茶叶抖筛机最优筛分性能下的弹簧支撑板长度大小,后在ADAMS中选择汉宁窗口对最优状态下的加速度进行分析,验证了抖筛机筛体结构设计的合理性。(4)分析对散粒体物料的研究手段,运用EDEM软件中自有的球体拟合工具建立筛上茶叶颗粒模型与茶叶碎片、茶末、茶梗等筛下茶叶颗粒,对茶叶抖筛机筛分过程进行数值化仿真模拟,获取各阶段茶叶颗粒的分离机理。设置不同参数的筛分仿真试验,结合平均速度-时间、颗粒间相互挤压力-时间的运动学及动力学曲线对茶叶颗粒的运动情况与受力大小进行量化,分析不同参数对抖筛机筛净率与误筛率等筛分性能指标的影响规律。(5)以振动频率、振动幅度、筛面倾角为影响因素,茶叶颗粒的筛净率、误筛率为评价指标,设计单因素试验验证仿真结果,并运用Design-Expert软件设计3因素3水平的二次正交旋转组合试验,结合响应曲面分析各因素之间的交互作用和对筛分性能影响的显著性次序。试验结果表明:自变量因素之间的交互作用均显著,对筛净率的影响次序为振动频率、振动幅度、筛面倾角;对误筛率的影响次序为筛面倾角、振动幅度、振动频率。以筛净率最高、误筛率最低为参数优化目标,设置约束条件方程进行优化试验,得到最优参数组合为为振动频率4.1Hz,振动幅度26mm,筛面倾角2.8°,此时筛净率、误筛率分别为94.8%、4.7%。对优化得到的结构参数设计筛分验证试验,得到实际茶叶抖筛机的筛净率、误筛率分别为93.9%、4.82%,验证试验结果与优化结果基本一致。
机电一体化自动垂直钻井工具性能研究
这是一篇关于机电一体化,自动垂直钻井工具,正交试验,敏感性分析的论文, 主要内容为随着油气田勘探开发的不断深入,垂直钻井作业时遇到的地层构造也越来越复杂,特别是在高陡构造地层的“防斜打直”问题更是成为钻井作业的难点和重点。因此,研究一种能够自主调整井眼轨迹的闭环垂直钻井工具,使之能够钻出期望的井眼,是十分有必要的。为此,本文提出了一种机电结合的具有纠斜和打直两种功能的自动垂直钻井工具。本文分析了垂直钻井工具的工作原理,提出了一种机电一体化自动垂直钻井工具(本文以下简称:垂钻工具),进行了垂钻工具电机驱动的方案设计和垂钻工具的结构设计;对垂钻工具稳定平台的纠斜工作进行了静力学分析,研究了偏心机构支撑轴承回转摩擦力矩以及盘阀间的摩擦力矩对偏心机构偏转角的影响,探究了稳定平台主要设计参数对偏心机构偏转角的影响,利用正交试验法对偏心机构的设计参数对偏转角的影响进行了敏感性分析,确定了偏心机构的最佳设计参数为:偏心机构的长度l=2000mm、内半径1r=34mm和外半径2r=62mm;利用ANSYS软件对垂钻工具偏心机构进行了有限元建模以及强度分析,对含垂钻工具的下部钻具组合(BHA)进行了模态分析;对垂钻工具稳定平台进行受力分析,建立了稳定平台动力学方程,结合Solid Works与ADAMS软件,对垂钻工具稳定平台的工作进行了仿真模拟,得到了垂钻工具在纠斜、打直工作时的偏心机构运动仿真曲线,证明了工具的纠斜及打直功能。通过以上分析工作,说明了垂钻工具的优势,为垂钻工具的研究与开发提供参考。
森林地下余火检测及清理装备的设计研究
这是一篇关于森林火灾,森林消防装备,余火检测装置,正交试验,PLC控制系统的论文, 主要内容为森林火灾在摧毁森林资源的同时,释放大量的二氧化碳,不仅破坏森林生态的平衡,而且加剧全球的温室效应。有关森林火灾造成人员伤亡、财产损失的报道不计其数,甚至专业的森林消防人员在森林大火扑救中牺牲的情况还时有发生。森林大火的扑救消耗大量的人力物力,火灾扑灭后火场中依然存在大量的余火点。当前因余火清理不彻底导致森林二次燃烧的案例不胜枚举。针对森林土壤层中阴燃木炭等余火难以清理这一问题,设计一种森林地下余火检测及清理机器人,帮助森林消防人员主动检测并清理隐蔽的地下余火。收集近15年内国内外的森林火灾案例,分析得到发生余火复燃的案例数占比较高,结合相关文献研究,整理当前余火清理技术和装备在森林地下隐蔽余火清理中的不足,分析森林地下余火检测及清理机器人的设计意义与目的,将检测装置设计、机器人总体设计、清理装置钻头参数优化以及机器人控制系统设计等作为主要研究内容。依据气体扩散原理,从CO浓度检测的角度切入,利用多个CO传感器采集阴燃木炭正上方等间隔位置的CO浓度值,分析测量数据得到土壤中阴燃木炭地面上方CO气体浓度的变化规律,应用此规律设计森林地下余火检测及清理机器人的检测装置,并基于Pyrosim软件分析检测装置内部CO气体的流通性;在检测装置的基础上,根据环境及功能要求制定机器人的设计参数,依据机械设计相关知识对机器人进行总体设计,包括钻头机架、履带总成等关键部件的校核,底盘爬坡性能的分析,水箱的设计及基于Fluent流体仿真的水箱抗波动性分析,机械手、电机、发电机等重要部件的选型等,证实森林地下余火检测及清理机器人的可行性;执行机构的效率影响了机器人整体的效率,在EDEM软件中,通过离散元仿真的方式,模拟钻头切削土壤的过程,对森林地下余火检测及清理机器人的钻头进行设计,包括标定土壤样本的JKR参数、钻头螺纹数的选择,进一步进行虚拟正交试验,研究进给速度、转速、螺纹倾角与出土量、钻头最大扭矩之间的关系,在Design-Expert软件中求解得到钻头最优的参数取值;机器人的控制实现及余火检测装置在机器人上的控制移动检测过程是本研究的关键一环,分析森林地下余火检测及清理机器人的硬件系统,编写机器人的PLC控制系统,设计检测装置移动检测试验,验证检测装置的可靠性,为森林地下余火检测及清理机器人能够依据检测装置完成森林地下隐蔽余火的检测提供依据。本研究设计的森林地下余火检测及清理机器人,能够实现对森林土壤层中阴燃木炭等余火的主动清理,改变了以往消防人员留守火场的被动清理模式,降低了消防人员的工作强度,节约了森林灭火的宝贵时间,保障了灭火人员的生命安全,有效阻止过火林地中隐蔽余火复燃,为其它类火灾预防中隐蔽火源的检测提供了新的方法。
自升式海洋平台桩腿疲劳寿命研究
这是一篇关于自升式平台,管节点,正交试验,线性累积,裂纹扩展的论文, 主要内容为自升式海洋平台其所处的工作环境极其恶劣,一旦出现安全性问题,往往造成巨大经济的损失,所以很有必要对平台进行疲劳寿命分析。本文以Super M2自升式平台为研究对象,结合波浪理论及相关环境载荷公式对其进行静力强度分析;然后,针对平台桩腿薄弱处即管节点位置,分析了该管节点在轴力作用下的沿焊缝周围的应力分布规律及其各几何参数对应力的敏感性;最后,基于两种疲劳理论对平台桩腿关键点进行平台的疲劳寿命分析并对其结果进行对比讨论。其具体的研究内容如下:(1)本文以Super M2自升式平台为研究对象,探讨了相关疲劳理论及环境载荷理论。通过合理的简化建立了平台的有限元模型,其中采用弹簧单元模拟平台与桩腿之间的连接关系,通过在定义的质量点上施加重力场的方式来模拟平台重物的分布。另外,考虑到桩靴与土壤连接的复杂性,采用Abaqus中有的线弹性模型进行处理,从而提高了自升式平台模拟分析的准确度。(2)设置合理的环境变量,采用斯托克斯5阶波波浪理论及Morision公式,并且考虑了波浪的动压力与静水压力所造成的浮力效应,分析计算了自升式平台在预压和风暴自存工况下的应力分布情况。并依据CCS规范进行强度校核,结果满足强度要求。(3)针对平台桩腿薄弱处即管节点位置,分析了该处在轴力作用下的沿焊缝周围的应力分布规律。然后结合正交试验理论,分析了管节点各几何参数对其应力影响的敏感性。(4)采用谱分析法对平台关键节点剩余寿命进行疲劳寿命分析,首先利用stokes fifth-order波浪理论来分析计算了不同浪向角及波浪频率下典型节点的热点应力传递函数,再结合中国南海波浪散布图以及疲劳理论,完成对桩腿各典型节点的疲劳强度评估。得出桩腿疲劳寿命为41.3年,其位于水面附近即为桩腿的飞溅区。(5)对裂纹尖端进行数值模拟分析,得出了其附近的应力场和位移场的分布情况。依据ABS设计规范,基于断裂力学对海洋平台桩腿危险点进行疲劳寿命计算,最终获得桩腿的使用寿命为33.2年,满足平台服役年限的要求。相比S-N曲线的疲劳设计的计算方法,裂纹扩展的计算方法考虑了结构件本身存在的焊接缺陷,因而使得其计算的疲劳寿命要短,更为保守。
柑橘农药自动化喷洒系统的研发及其应用研究
这是一篇关于装置,喷洒系统,自动控制,脉宽调制,正交试验的论文, 主要内容为柑橘在我国南部地区是种植面积最大、社会经济地位最高的水果品种,从改革开放1978年17.8万hm2的种植面积发展到2019年的261.7万hm2,增加了近十五倍,总产量从1978年的38.3万吨发展到2020年5121.9万吨,增加了约一百三十二倍。柑橘种植面积的持续增加,加重柑橘黄龙病等疾病发生和发展的风险。柑橘黄龙病的防控是一项十分艰巨的任务,日常农药喷洒依然是柑橘病害防控主要措施之一。因我国南部地区柑橘果园大多在丘陵山区,大型喷药机械无法进入果园内开展作业。为了提高柑橘果树农药喷洒效率、降低人工劳动强度、提升柑橘喷药的机械自动化水平,本文针对标准化种植的柑橘果园,研发出一种以履带式移动底盘为载体的柑橘农药自动化喷洒系统,以实现柑橘农药的自动化喷洒。本文主要研究内容如下:1、确定系统组成,具体为:首先根据标准化种植柑橘果园的实地环境确定整机基本尺寸,其次根据柑橘果树高度和冠层宽度确定喷杆形状和长度,并设计基座系统,接着根据作业要求设计喷洒系统,对控制箱外形进行设计,然后运用NX10.0绘制柑橘农药自动化喷洒系统三维模型,对其关键零部件进行材料选择,最后搭建柑橘农药自动化喷洒系统的样机。2、设计农药自动化喷洒控制的硬件电路,并对自动化喷洒控制的软件程序进行方案设计与编写。硬件电路主要由运动控制器、86步进电机及MA860C驱动器、常闭电磁阀与中间继电器、直流变压模块和48V锂电池组成。控制程序采用G代码编写,对喷杆水平和垂直两个方向调节进行了方案设计,根据系统双边和单边自动喷洒进行控制程序设计,有效实现系统的农药自动化喷洒。3、实施喷头参数测试,对水平射程、喷幅和流量等参数进行测定,试验结果表明:在额定工作压力4MPa下,四分外丝圆形喷头平均水平射程为2.49m,平均喷幅为1.02m,单个喷头的流量为0.805L/min,达到农药自动化喷洒系统设计的要求。4、开展柑橘农药自动化喷洒系统样机的应用研究,以目标株距、喷洒时间和喷洒压力为参数,借助正交试验设计法,采用雾滴覆盖率和药液沉积量为评价指标,探讨室内单边、室外双边自然风和室外逆风三类情形下样机的性能,以及实现样机最优农药自动化喷洒的参数组合。试验结果表明:(ⅰ)室内单边自动化喷洒试验:喷洒时间对平均覆盖率和药液沉积量影响最为显著,其次是目标株距,喷洒压力在三个因素中影响最小,最优工作组合为A2B1C1,即系统喷洒时间为1.5s、目标株距为0.85m、喷洒压力为2MPa。(ⅱ)室外双边自然风应用试验:由于自然风的影响,两边柑橘果树的喷洒效果存在较小差异,左边柑橘果树在垂直前层正面、垂直前层反面、垂直中层正面的雾滴覆盖率和药液沉积量分别为:89.3%和0.64μg/cm2、35.7%和0.35μg/cm2、47.3%和0.52μg/cm2,右边柑橘果树在垂直前层正面、垂直前层反面、垂直中层正面的雾滴覆盖率和药液沉积量分别为:85.5%和0.62μg/cm2、33.9%和0.26μg/cm2、49.5%和0.44μg/cm2,各层的雾滴平均覆盖率均达到的果园喷药防护的要求。(ⅲ)室外逆风应用试验:逆风风速为0.7m/s下,影响因素顺序为喷洒时间、目标株距、喷洒压力,最优工作组合为喷洒时间为1.5s、目标株距为0.85m、喷洒压力为4MPa;逆风风速为1.9m/s和3.2m/s下,影响因素顺序为喷洒时间、喷洒压力、目标株距,最优工作组合喷洒时间为3.5s、目标株距为0.85m、喷洒压力为4MPa;柑橘农药自动化喷洒系统在室外逆风环境下,喷洒效果会受到不同风速的影响,其中喷洒时间对喷洒效果影响最大;当逆风风速越大时,喷洒压力对喷洒效果的影响程度也逐渐增加。因此,柑橘农药自动化喷洒系统进行实际喷洒作业时,需根据实际作业环境调整相关参数,从而达到良好的喷洒效果。
家庭厨余垃圾降解装置的设计和仿真分析
这是一篇关于厨余垃圾,降解装置,正交试验,仿真分析的论文, 主要内容为厨余垃圾含有极高的水分与有机物,很容易腐坏,产生恶臭。其在收集、运输和处理环节易腐烂,滋生病菌,具有传播疾病的潜在风险。在城市厨余垃圾处理中,由于垃圾分类不彻底,许多可回收的垃圾被混合在一起处理,导致资源浪费。在传统的城市垃圾处理中,厨余垃圾通常被填埋在垃圾填埋场中,这种处理方式不但浪费资源,还会污染土地和地下水。厨余垃圾中含有大量的有机物质,如果能得到有效的处理,通过生物发酵等方式转化成有机肥料,有利于实现资源的再利用和循环利用,厨余垃圾的处理对资源利用、垃圾减量化和绿色生活等方面都有着重要意义。因此,根据家庭厨余垃圾的特性,以及有机质资源化处理的要求,设计一种家庭厨余垃圾降解装置,并对其进行了分析研究,本文主要研究内容如下:(1)对厨余垃圾处理工艺进行对比分析,设计家庭厨余垃圾降解装置的工艺流程图。根据工艺流程图,对家庭厨余垃圾降解装置进行方案设计,采用叶片式搅拌机构将厨余垃圾与发酵菌种混合均匀,在发酵桶外侧包裹硅胶加热带后包裹保温棉的方式来进行恒温发酵。对整体装置进行三维建模,阐述了家庭厨余垃圾降解装置的工作原理。(2)为了确保装置的设计能够满足实际工作需求,对搅拌装置和发酵桶进行结构设计。通过对搅拌装置进行载荷分析以满足使用要求,基于响应面法对搅拌叶片进行了参数优化,对搅拌叶片进行灵敏度分析,综合考虑选择四个搅拌叶片尺寸参数作为本次优化设计的参数,以搅拌叶片质量为优化目标函数,利用ANSYS对优化模型进行求解,质量较优化前减少了13%。对搅拌装置进行模态分析,改进后的搅拌装置的固有频率是安全的,搅拌装置的设计满足设计要求。对发酵桶进行结构设计,并对其进行静力学分析,得出设计满足要求。计算保温层厚度为3mm,可有效保证厨余垃圾恒温发酵。对空气净化装置进行结构设计,计算得到家庭厨余垃圾降解装置内的通风量。(3)采用离散元法对影响离散系数的充盈率、搅拌轴转速和正反转圈数三因素分别进行了单因素试验和三因素三水平的正交试验。通过设计单因素实验,得到各个因素的参数变化对实验结果的影响规律。通过设计三因素三水平正交试验,得到了充盈率、搅拌轴转速和正反转圈数在共同作用下对离散系数的影响程度,对所得到的实验结果进行极差与方差分析,结果表明正反转圈数对离散系数影响最大,充盈率影响最小,最优方案为充盈率为0.4,搅拌轴转速为8r/min,正反转圈数为1。为了确保发酵桶的设计能够满足实际生产需求,利用Fluent软件建立发酵桶热对流稳态湍流数学模型,对发酵桶内的速度场和温度场进行模拟分析研究,对比分析发现在发酵桶内部设置进风口与出风口位置相邻时可以提高散热效果。(4)设计家庭厨余垃圾降解装置的控制系统。采用Arduino控制板对整机进行控制;对控制系统核心硬件温湿度传感器、红外线传感器、继电器与舵机进行选型;对开盖模块、搅拌-空气净化模块和控制系统界面进行程序设计;为了确保编写程序与硬件能够正常运行,对系统子系统分别进行系统测试,各系统正常运行。(5)为了验证上述结构设计与仿真试验得到的最优结构组合参数,对其进行了样机制作与试验,根据样机试验结果得出降解率为78.2%,降解过程比传统降解周期缩短,适用于家庭处理厨余垃圾,因此,得出结构设计与仿真分析结果符合设计预期。
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