《机械学院科研进展简报》2015年第2期（总第12期）
编辑：科研管理科 日期：2015年4月1日
1．立项背景与总体思路
大型重载机电装备广泛应用于能源、电力、交通、港口、矿山等行业，国务院《装备制造业调整和振兴规划》（2009）和工信部《高端装备制造业“十二五”发展规划》都将其列为重大装备发展战略中的重点。大型重载机电装备也是欧美再工业化战略中重新回归实体经济、重塑制造业的重点。
装备通过机械运动实现能量流到物质流的传递、转换和演变，需要“结构-功能-性能”一体化设计。然而，目前大型重载机电装备设计主要基于模块化思想，将系统按照功能结构分为不同单元或子系统，注重单元或子系统的自身性能。这种系统静态设计和单元结构有限元分析相结合的方法，无法顾及装备中真实的复杂界面行为特性、系统运动和动力传递与耦合，制约了大型重载机电装备功能和性能。正如《机械行业(重型机械行业)两化融合发展水平评估报告》（2011）所述，目前我国重型机械装备制造的自主创新能力薄弱，严重制约了我国重型机械行业的发展。
随着大型重载机电装备作业空间、过程、能力等需求不断突破其原有尺度和服役条件的极限，如千吨级起吊、近万米钻井、兆瓦级风力发电等，装备的重载结构动强度、大尺度构件轻量化以及高承载接触运动副可靠性已成为其运行安全性和制造经济性的瓶颈，迫切需要系统动态设计理论与技术。动态设计的关键在于动力学建模、大规模计算、试验与动力修改等。然而，大型重载机电装备的高动力传递极易造成机械界面行为畸变、电-液-固耦合加剧、大尺寸构件柔性化等。这种多场-多过程-多界面问题是对可信的系统动力学建模、准确的复杂振动计算与测试的巨大挑战，其难点主要体现在：界面动力学行为的定量描述，多场耦合及刚柔结构动力学建模，多性能多参数动态仿真与优化，大构件结构动态性能试验等方面。
为此，本项目突破传统设计思想，从全局和系统的视角，通过对大型重载机电装备中多运动过程、多场耦合、多界面奇异等现象的认识，研究机电装备的结构动态特性与系统动力学参数的关联关系，分析系统的振动响应和结构动强度时空演变规律，探讨载荷、工况、运行环境和系统结构动力学参数的匹配，研发大型重载机电装备动态特性分析与仿真系统，建立大型重载机电装备结构性能综合试验平台，实现大型重载机电装备动态设计关键技术的突破。
2．技术创新
创新一：揭示了机械连接界面动力学行为机理
机械连接界面是实现装备功能的必须，同时也是装备性能奇异和故障的主要来源。重载装备中承载超过数千千牛的铰链副总是处于重复启停的非连续运动状态，易造成接触区润滑膜破裂和弹塑性变形等非线性力学行为。而且，大型重载装备中的伸缩导向机构及滑动轴承，由于偏载、间隙、变形、运动不连续等，常出现润滑失效、偏摩、爬行、振动等动力学行为畸变。此外，兆瓦级功率齿轮在传递重载动力时，轮齿啮合出现的动态变形、偏载、附加动载等对系统动态特性影响显著，极易造成齿轮振动与疲劳破坏等故障。认识这些摩擦和啮合界面非线性动力学行为及其变化规律，辨识其动力学参数和动态载荷特征，是建立装备整体结构动力学模型的基础，是减少界面聚集效应、提高其动态性能的关键。
1）揭示了接触界面摩擦非线性动力学特征。针对重载机电装备中铰链、伸缩导向机构中的接触界面摩擦问题，考虑运行工况下的不同摩擦接触方式，研究了重载条件下干摩擦、边界润滑摩擦、完全液体润滑摩擦等多种摩擦状态的产生条件（图１）。基于LuGre、Tustin等不同摩擦模型的分析，揭示了非线性摩擦在低速下的力特性和高速下的粘性阻尼特性（图２）。采用描述函数法和双继电反馈原理，将重载下摩擦模型在工作区间内等效为四参数摩擦模型，阐明了摩擦特性与刚度、阻尼及动态载荷之间的对应关系，建立了非线性摩擦的等效动力学建模，提出了摩擦界面刚度、阻尼和激励载荷等动力学参数辨识方法。
2）阐明了齿轮啮合界面动态响应及其动载荷的演变规律。针对齿轮啮合刚度时变问题，通过考虑轮齿弯曲和齿面接触变形，提出了齿轮啮合变刚度计算方法，建立了齿轮啮合传动横-扭耦合动力学模型（如图３），实现了齿轮啮合界面振动响应的定量计算。在此基础上，建立了电机-传动轴-多级齿轮减速机-传动轴-被驱动装置的6自由度-多支链-橫/扭耦合动力学模型。通过考虑电机脉动、工作负载、齿轮啮合时变刚度等激励，提出了基于付氏系数法的齿轮传统系统动力学响应及其齿面附加动载荷的计算方法（图４），阐明了齿轮传统动态特性随结构和运动参数变化的规律，进而提出了大型重载机电装备中齿轮啮合刚度、阻尼和动态激励载荷的参数辨识方法。
创新二：提出了多场耦合结构动力学建模与参数辨识方法
大型重载机电装备多存在大功率电液驱动，并常具有大尺寸绳/臂/架的执行机构，是一种典型的刚柔一体化机电液多场耦合系统。由于服役过程中多工况切换频繁、载荷变化大，造成系统振动和变形大，局部应力集中，结构强度和运行稳定性问题突出。加之，这类绳-臂/架-电液系统多场耦合程度高，工作过程中结构拓扑和动力学参数时变，采用传统单元和流固分离建模分析的方法无法描述系统的动力学行为。因此，刚-柔-液耦合动力学建模和参数辨识，是实现装备整体动力学建模与分析的关键。
1）提出了大型重载机电装备液-固耦合动力学建模与参数辨识方法。针对高压下的液固耦合问题，提出管道容积弹性模量的概念及考虑液固耦合效应的液压刚度计算方法（图5），阐明了结构与流体的弹性耦合对液压刚度和阻尼的影响规律。进一步考虑液体泄漏的影响，提出了液固耦合等效动力学建模及参数辨识方法，建立了包含管路-液压缸-驱动结构的液-固耦合动力学模型。以35MPa压力、Ф420缸径、3.8米行程的液压缸结构为例，考虑液固耦合效应前后液压刚度计算结果相差30%以上，系统一阶振动固有频率计算值与实验结果误差也由原来的35%降低到8%，振幅误差也由原来的60%降低到15%以内。
2）提出了机电液组成的驱动-执行整体刚柔结构一体化建模方法。针对重载条件下构件结构柔性化问题，提出基于6维弹簧-阻尼-约束单元的刚柔结构建模与参数辨识方法，将连续柔性结构拟合为由组合约束副连接的多自由度质量-弹簧-阻尼系统（图6），将钢丝绳模拟为拉伸刚度和阻尼随绳长变化的变刚度单元，根据几何尺寸和材料属性直接计算柔性结构离散单元和钢丝绳的等效刚度和阻尼参数。基于上述连续柔性结构、钢丝绳及液固耦合单元的建模和参数辨识，将多场和多体耦合、多运动过程的连续复杂驱动-执行结构系统，离散成具有变拓扑结构的多体动力学系统，从而提出了这类复杂结构的动力学建模方法。以图7所示“底盘驱动-多级液压伸缩臂-钢丝绳-载荷”系统为例，所建的绳-架/臂-电液刚柔一体化动力学模型，振动模态计算与实验结果相比，误差小于10%。
创新三：提出了大型重载机电装备动态特性时空演变及多参数灵敏度分析方法
由于结构和运动过程复杂多变，大型重载机电装备工作过程中结构强度、振动等机械性能随结构运动拓扑变化而变化，是传统瞬态结构振动计算所无法描述的。另一方面，这类多场-多过程-多界面结构动力学模型复杂、规模庞大，导致快速、准确的动态响应计算极其困难。要准确描述装备机械性能的时空变化，分析机械性能随多过程、多参数变化的规律，必须从大规模复杂模型的动力学高效计算方法以及多性能、多参数灵敏度分析手段入手，搭建系统动力学性能仿真与分析平台，实现装备设计从单元建模分析到系统动态建模分析的跨越。
1）阐明了装备结构动力学响应及其时空演变规律。针对大规模、变拓扑多体结构动力学模型，建立了任意刚体之间弹簧-阻尼-约束-力流作用的空间矩阵表达，导出了动力学模型拓扑变化的空间变换矩阵，避免了复杂且耗时的高次约束方程消元、矩阵求导以及运动微分方程的线性化，提出了一种基于空间拓扑矩阵变换的动力学方程构建与快速计算新方法，实现了大规模变拓扑结构动态响应、振动强度演变分析（图8）。经中国软件评测中心认证，振动计算效率与现有商用软件相比提高5倍以上，振动响应峰值精度高且不随频率采样点数减少而降低。
2）提出了装备结构多性能、多参数灵敏度分析方法。突破传统模态坐标下特征值关于中间变量的灵敏度计算方法，构建了装备在运动过程中结构质量-尺寸-构件位姿-力流路径的映射关系，提出了装备中不同构件、不同结构位置的振动频率、位移、速度、加速度等性能指标对机械结构质量、尺寸、位姿、连接作用力等多参数灵敏度的计算方法（图9）。这种多参数灵敏度分析方法填补了现有商用软件的空白，解决了复杂机电装备数百自由度动力学模型多性能、多参数灵敏度分析难题，为大型重载机电装备结构动态优化设计提供了理论基础。
3）研发了复杂机电装备动力学性能仿真与分析平台。该平台具有动力学参数化建模、振动模态计算、传递特性分析、多参数动态响应计算、性能薄弱结构及其对多过程多参数的敏感性分析、系统动态性能演变三维可视化仿真等功能（图10）。大型重载机电装备驱动-执行机构结构动态性能仿真平台，可提供系统总体方案设计、多工况模拟、动力学参数辨识、动载荷计算、可靠性测试、硬件在环测试、结构轻量化设计等功能，使大型重载机电装备动态设计分析效率大幅度提高。例如，基于仿真使起重机底盘试验验证工况由原100个减少为8个，试验时间由3个月缩减到3天，结构性能试验与测试工作量减少90%以上。
创新四：发明了大型重载机电装备结构动力修改与动态性能测试技术
大型重载机电装备动态设计的核心是结构动强度增强、低振动和轻量化。服役过程中，大型重载机电装备局部结构稳态应力常达数百兆帕、瞬态应力甚至接近上千兆帕，几近材料强度极限。另一方面，结构轻量化，不仅可降低装备制造及运行成本，而且可减小工作状态下的结构应力。然而，结构轻量化易导致系统柔性加剧，如果处理不当则振动和/或变形加剧，与动强度增强互为矛盾。传统基于经验的静强度设计不能准确掌握装备在运行过程中的动态特性，难以在动强度增强、结构轻量化和低振动之间实现优化匹配，设计过程与测试验证难以相辅相成、互为指导。因此，结构动强度增强-低振动-轻量化的动力修改及动态性能综合测试技术，是实现大型重载机电装备动态设计的具体体现。
1）发明了大型重载机电装备结构动强度增强-低振动-轻量化的动力修改技术。建立了装备在动载荷作用下，工作频域内结构的振动频率、幅值、应力与变形等动态响应性能综合评价指标体系。通过仿真分析，确定高应力区域和大振幅部位。通过多参数灵敏度分析，提出了多工况、变载荷、多约束下的动强度增强、低振动、轻量化的优化分析方法。发明了具有超起装置的起重机伸缩臂结构、起重机起吊速度控制装置、石油钻机井架的平滑抑振稳定对接技术、高强度抗冲击的流体充填液压支架、搅拌车高强度轻质一体化车架、工程机械稳定性控制系统等18项专有技术，实现了大吨位汽车起重机、超深井石油钻机、大负载液压支架、大方量搅拌车的结构动强度增强、低振动和轻量化的动态优化设计。
2）研制了大型构件结构动态性能综合测试试验平台。针对大型重载机电装备动态性能关键和薄弱结构特点，设计研制了大型构件结构动态测试试验平台（图11）。起重机转台测试台最大激励达5000 kN、激励频率0.01-2Hz，实现了结构件多工况动态载荷模拟和动态特性测试，为结构动态特性分析和优化提供了测试验证手段，进一步缩短了动态优化设计周期，已成功应用于生产实际。
3）建立了大型重载机电装备结构动态优化与性能测试系列标准与规范。提出了大型重载机电装备动力学建模—计算—灵敏分析—结构重修改—试验—结构优化的分析流程，建立了装备动力学性能匹配—环境工况仿真模拟—总体性能校验的动态设计流程，制/修订了汽车起重机、石油钻机、煤矿液压支架、混凝土搅拌车等机电装备结构优化与试验分析的系列标准与规范，如：《起重机转台设计规范》、《起重机转台分析规范 》、《石油钻机和修井机》、《超大采高液压支架设计规范》、《高可靠性液压支架安全性测试要求》、《混凝土搅拌运输车行驶平顺性试验规范》、《搅拌车前悬架模板和转向系统模板建模规范》等（图12）。
3．技术应用效果
本技术系统应用于汽车起重机、超深井石油钻机、煤矿液压支架、混凝土搅拌车等6类、16个系列、133种大型重载机电装备的设计制造。实现了国内首台1200吨全地面起重机（图13）、全球首台4000米车载钻机（图14）和7.2米煤矿液压支架（图15）、国内最大22方混凝土搅拌车（图16）和9000米海洋钻机井架等的研制，满足了上海世博园、海洋钻井平台、高铁等国家重大工程建设需求。同时，本技术还在大型球磨机、车辆底盘、大型风电装备等机电装备制造中应用，具有广泛的应用效果。
解决了汽车起重机起重臂、底盘、车架的动强度增强、振动抑制和结构轻量化等关键技术难题，形成了7项企业标准，成功研制了我国首台千吨级全地面起重机，支撑了6个系列汽车起重机的研发。其中，我国首款5桥220吨全地面汽车起重机与原6桥设计相比起重臂截面抗弯模量提高15%、摆动幅度降低46%、伸缩振动幅度降低82%、稳态响应时间缩短57%，转台悬架减重15%；全路面多路况下底盘振动衰减率>33%；25–220吨系列起重机车架减重900-1300千克。
解决了超深井钻机转盘、底座、井架的振动抑制和结构轻量化等关键技术难题，制订/修订了4项国家和行业标准，支撑了4个系列31种石油钻机的研发。成功研制了全球首台4000米车装钻机，实现钻机动态性能优化和结构轻量化，如7000米橇装钻机井架起升过程动载降低90%、振动下降80%，底座和井架分别减重10%和14%。
解决了大采高煤矿液压支架结构的动态位移和负载波动问题，其中最薄弱的顶梁铰链在千吨载荷下的疲劳寿命达90000次，远超国标17000次和欧标30000次的标准，形成了6项企业标准。支撑了4个系列21种液压支架的研发，成功研制了全球最大的7.2m采高放顶煤支架，动态优化设计使顶梁的水平动态位移减小90%，显著减小了液压支架工作时的附加剪切阻力，支架的结构强度显著提高。
解决了大方量搅拌车动刚度增强和振动抑制问题，形成了多项企业标准，研制出国内最大的22方混凝土搅拌车，经动态设计的应力均化一体化车架与原设计相比强度提高50%、寿命提高30倍，通过动力学建模、测试和优化改进使整车振动幅度降低50%。
本项目技术成果的应用极大提升了我国相关产品的国际市场竞争力，实现了相关产品从主要依赖进口到大量出口海外的根本性转变，多款产品的出口位居国内同行第一。
提升了三一重工股份有限公司汽车起重机研发的技术创新能力及其产品的国际竞争力，近3年出口销售的平均年增长率达140%。特别是，作为主流产品、国内唯一的5桥220吨全地面起重机SAC2200和1200吨全地面起重机SAC12000的市场投放，改变了国内汽车起重机的市场格局，市场占有率由之前的6.45%跃升到现在的29.4%，而且产品售后维修成本降低75%。
南阳二机石油装备(集团)有限公司的4000米全球最大钻深车装钻机引领着车装钻机的制造技术，国际市场占有率为55%，居第一；超深井石油钻机设计制造技术的突破，拓展了橇装钻机的国内市场份额，目前占有率达到30%；此外，近3年石油钻机海外订单保持在10%的年增长率。
郑州煤矿机械集团股份有限公司的液压支架在国内市场的占有率达30%，全球最大采高的7.2米液压支架和最大工作阻力的21000kN液压支架的成功研制，使该公司6米以上的系列大采高液压支架一直保持着世界纪录，市场占有率一直保持在60%以上，稳居行业之首。
三一重工、南阳二机、郑煤机三个企业的上述产品近三年实现销售收入313.99亿元、利润33.10亿元、税收14.01亿元、出口创汇9.40亿美元。
该项目是华中科技大学联合三一重工、南阳二机石油装备(集团）、郑州煤矿机械集团等行业大型企业共同完成，主要成果荣获2014年度全国商业科技进步特等奖和2014年度教育部高等学校科学技术进步一等奖。该项目由陈学东教授负责，主要完成人还包括华中科技大学罗欣教授、姜伟博士、李小清副教授、曾理湛副教授、金建新教授、徐振高教授、韩斌博士等。
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