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基于回声状态网络的风电机组运行状态监测

仪器仪表学报 2025年

作者：金晓航喻轩昂关汉林浙江工业大学机械工程学院

“双碳”目标引领下，风能作为一种清洁可再生能源得到了广泛的利用。风电机组作为将风能转化为电能的重要装备，累计装机容量持续增长。然而，风电机组工作环境恶劣，运行工况多变，故障频发。为保障风电机组安全高效运行，亟需故障诊... 详细信息

“双碳”目标引领下，风能作为一种清洁可再生能源得到了广泛的利用。风电机组作为将风能转化为电能的重要装备，累计装机容量持续增长。然而，风电机组工作环境恶劣，运行工况多变，故障频发。为保障风电机组安全高效运行，亟需故障诊断与智能运维技术。针对风电机组运行工况复杂多变以及循环神经网络在时间序列学习过程中存在梯度消失和爆炸等问题，提出一种融合运行工况识别与回声状态网络的风电机组运行状态监测方法。首先，采用最大互信息系数对数据采集与监控系统(SCADA)采集的多维数据进行特征选择，筛选出与风电机组运行状态相关性高的特征。其次，利用K-means聚类算法构建机组的工况识别模型，对不同运行工况进行有效划分。然后，利用差分进化算法优化不同工况下的回声状态网络模型，增强其对复杂运行工况的适应能力，以此开展不同工况下风电机组有功功率预测。继而，结合功率预测残差分析确定相应的健康阈值，用于评判机组运行状态。最后，通过两个实际风电机组的案例分析表明，所提方法可有效监测机组的运行状态，当故障发生时，比SCADA系统提前发现机组运行状态的异常，可实现故障的早期预警。

关键词：风电机组状态监测回声状态网络

锂离子电池荷电状态和内部缺陷的超声透射特性仿真研究

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北京工业大学学报 2025年第3期51卷 258-268页

作者：张斌鹏吕炎宋国荣高杰李永春何存富北京工业大学材料与制造学部北京100124 北京工业大学信息学部北京100124 台湾成功大学机械工程系中国台湾台南701

采用有限元法分别对锂离子电池的荷电状态(state of charge,SOC)、内部缺陷(气泡缺陷、析锂缺陷和浸润不完全缺陷)与超声透射特性之间的影响规律进行了仿真分析。首先,利用Voronoi多边形建立了锂离子电池内部的多层多孔结构;其次,在仿... 详细信息

采用有限元法分别对锂离子电池的荷电状态(state of charge,SOC)、内部缺陷(气泡缺陷、析锂缺陷和浸润不完全缺陷)与超声透射特性之间的影响规律进行了仿真分析。首先,利用Voronoi多边形建立了锂离子电池内部的多层多孔结构;其次,在仿真过程中,通过改变正负极材料的力学参数(杨氏模量和密度)实现了锂离子电池不同荷电状态下超声透射特性的提取。仿真结果表明,随着荷电状态的增加,快纵波的声强幅值和慢纵波的声强幅值均呈现线性增加的规律,慢纵波的渡越时间呈现线性减小的规律。随后,对锂离子电池内部不同缺陷形式进行仿真分析。通过对比正常电池和缺陷电池的声透射信息可以发现:当锂离子电池底部存在气泡缺陷时,透射信号的声强幅值显著衰减,且随着气泡厚度的增加,声强幅值的衰减也在增加;此外,随着气泡位置的改变,透射信号的声强幅值也呈现规律性变化;当锂离子电池内部存在析锂缺陷时,透射信号的声强幅值和渡越时间均随着析锂厚度的增加而逐渐减小;当锂离子电池内部存在浸润不完全缺陷时,仿真模型将退化为单相多孔介质,频域中也只存在一个频率成分,且声强幅值存在衰减。研究内容解决了用有限元法对锂离子电池荷电状态、内部缺陷进行模拟处理的问题,且慢纵波波速的仿真结果与理论结果吻合良好。

关键词：锂离子电池 Voronoi多边形缺陷荷电状态超声透射有限元仿真

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精梳机钳板机构接触碰撞动力学建模与仿真

纺织学报 2025年第1期46卷 179-186页

作者：畅博彦韩芳孝周杨关鑫天津工业大学机械工程学院天津300387 天津工业大学天津市现代机电装备技术重点实验室天津300387

高速、高产、优质是新一代国产棉纺精梳机的发展目标,而当前精梳机存在的主要问题之一是高速运行时钳板机构产生的冲击严重限制了精梳机转速的提升,针对该问题进行动力学研究以提升钳板机构稳定性,达到推进精梳机高速化的目的。首先,以... 详细信息

高速、高产、优质是新一代国产棉纺精梳机的发展目标,而当前精梳机存在的主要问题之一是高速运行时钳板机构产生的冲击严重限制了精梳机转速的提升,针对该问题进行动力学研究以提升钳板机构稳定性,达到推进精梳机高速化的目的。首先,以中支点式钳板机构为研究对象,基于接触碰撞理论建立钳板在接触和分离瞬时的冲击力计算模型,结合Lagrange方程对钳板机构进行接触碰撞动力学建模。其次,运用MatLab对所建动力学模型进行数值计算仿真,结合三维虚拟样机仿真验证模型的正确性和有效性。最后,分析钳板机构工况参数和加压弹簧刚度对冲击运动和冲击接触应力的影响规律。结果表明:钳口与牵吊杆处的最大接触应力远大于稳定接触应力,且回弹量和回弹时间会随锡林轴转速的提高而增大,随加压弹簧刚度的增大而减小。

关键词：精梳机钳板机构接触碰撞力 Lagrange方程动力学

仿贝壳ZrB2/Al-Cu层状复合材料的组织与力学性能

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中国有色金属学报 2025年

作者：班生涛成桃李杰宇朱劲松肖华强林波贵州大学机械工程学院新加坡国立大学机械工程系

采用冷冻铸造和压力浸渗工艺制备了仿贝壳ZrB2/Al-Cu层状复合材料，研究了复合材料的微观组织、力学性能和断裂机理。实验结果表明：随ZrB2体积分数的增加，准静态的抗压强度与抗弯强度增大，但裂纹萌生韧性(KIC)和裂纹扩展韧性(KJC)降... 详细信息

采用冷冻铸造和压力浸渗工艺制备了仿贝壳ZrB2/Al-Cu层状复合材料，研究了复合材料的微观组织、力学性能和断裂机理。实验结果表明：随ZrB2体积分数的增加，准静态的抗压强度与抗弯强度增大，但裂纹萌生韧性(KIC)和裂纹扩展韧性(KJC)降低。30vol%ZrB2/Al-Cu复合材料的抗压强度和抗弯强度分别为524MPa、499MPa ，均高于20vol%（494MPa、 417MPa），但其KIC和KJC(11.0 MPa·m1/2、 16.1 MPa·m1/2)均低于20vol%(12.9 MPa·m1/2、 23.9 MPa·m1/2)；在应变率为500s-1的动态压缩下，30vol%ZrB2/Al-Cu复合材料的最大抗压强度为432MPa 高于20vol%的408MPa。所得复合材料的强度和韧性均高于大多数仿贝壳陶瓷/Al复合材料，这主要归因于ZrB2与Al界面结合良好以及裂纹的偏转和钝化、金属层的撕裂和金属-陶瓷层协同塑性变形等增韧机制。

关键词：冷冻铸造压力浸渗仿贝壳ZrB /Al-Cu层状复合材料断裂行为动态加载

仿变形虫可重构履带机器人设计与避障性能分析

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工程设计学报 2025年第1期32卷 62-71页

作者：张明路刘宗厚王经天高强许志凡曹刘猛河北工业大学机械工程学院天津300401

针对现有移动机器人在复杂狭窄环境下通过性和灵活性不足的问题,受变形虫重组变形机理的启发,提出了一种模块化可重构履带机器人。模拟变形虫胞质颗粒的刚柔转换特性,融合俯仰关节与偏航关节,设计了基于闩锁结构的可锁定履带模块。将多... 详细信息

针对现有移动机器人在复杂狭窄环境下通过性和灵活性不足的问题,受变形虫重组变形机理的启发,提出了一种模块化可重构履带机器人。模拟变形虫胞质颗粒的刚柔转换特性,融合俯仰关节与偏航关节,设计了基于闩锁结构的可锁定履带模块。将多个履带模块串联组成闭环单链以构成机器人的外部结构,在内部柔性机体的驱动下,履带链能够实现连续滚动。通过机体头部逐个调整前端履带模块的偏航关节角并锁定,同时机体尾部对后端履带模块依次解锁,机器人可在前进过程中主动改变自身几何形态。随后,基于关节角描述的相邻履带模块之间的位置关系,获得机器人的形态矩阵,并通过对关节角序列的迭代分析建立了机器人的运动学模型。最后,通过仿真分析了机器人的形态变化范围,以准确评估其运动灵活性,并通过制作机器人样机和开展一系列测试实验来验证其运动性能。实验结果表明,机器人的最小转弯半径为17.7cm,可通过连续改变偏航方向来实现在狭小约束空间中的灵活避障;配合俯仰关节的被动适应,机器人可穿越各类崎岖地形,由此验证了机器人的灵活性和通过性。研究结果可为移动机器人的仿生结构设计提供新思路。

关键词：仿变形虫机器人可重构履带运动学建模形态分析灵活避障

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凝胶基柔性离子热电材料研究进展

功能材料 2025年第1期56卷 1050-1063页

作者：刘凯阳李国显胡永鹏孟垂舟郭士杰河北工业大学机械工程学院天津300130

近年来,具有超高离子塞贝克系数的离子热电器件(ionic thermoelectric,iTE)受到广泛关注。与电子型热电器件不同,iTE以离子作为电荷载体,其中离子导电凝胶因其出色的TE特性和柔性可拉伸性,展现出巨大的发展潜力。综述了凝胶基iTE材料的... 详细信息

近年来,具有超高离子塞贝克系数的离子热电器件(ionic thermoelectric,iTE)受到广泛关注。与电子型热电器件不同,iTE以离子作为电荷载体,其中离子导电凝胶因其出色的TE特性和柔性可拉伸性,展现出巨大的发展潜力。综述了凝胶基iTE材料的研究现状。通过考察iTE的两种主要的工作机理,即离子扩散效应和温差电池效应,对影响凝胶基iTE材料热电性能的因素进行了深入分析。介绍了目前凝胶基离子热电材料的性能调控策略,同时对凝胶基离子热电材料的应用方式进行了阐述,探讨了离子热电材料进一步发展所面临的挑战。通过关注离子热电材料的最新创新成果,期望能为凝胶基离子热电材料的未来发展提供有价值的参考。

关键词：离子热电材料凝胶热扩散效应热原电池效应低品位热能

非平坦环境下履带机器人多目标路径规划方法研究

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中国机械工程 2025年第2期36卷 305-314页

作者：张道德卢子健赵坤杨智勇湖北工业大学机械工程学院武汉430068

为实现非平坦环境下履带机器人路径规划高效、安全、节能等运行目标,提出了一种改进的快速精英多目标遗传算法(NSGA-Ⅱ)多目标路径规划方法。首先综合分析非平坦环境下履带机器人的作业需求,建立2.5D栅格环境模型简化复杂的环境地图;然... 详细信息

为实现非平坦环境下履带机器人路径规划高效、安全、节能等运行目标,提出了一种改进的快速精英多目标遗传算法(NSGA-Ⅱ)多目标路径规划方法。首先综合分析非平坦环境下履带机器人的作业需求,建立2.5D栅格环境模型简化复杂的环境地图;然后选取路径长度短、能量消耗低和安全性高作为机器人路径规划子目标指标;最后通过8邻域曼哈顿防碰撞算法改进栅格选择方式避免机器人与障碍物栅格顶点碰撞,并在NSGA-Ⅱ算法中引入精英替换策略扩大种群规模,防止优良路径基因流失,加速算法收敛。相较于多目标可变邻域搜索(MOVNS)算法,所提方法规划出的路径在路径长度上平均缩短9.02%、能耗上平均节省18.36%、危险率上平均降低7.28%,有助于提高非平坦环境下的路径规划质量。

关键词：路径规划非平坦环境能量消耗防碰撞多目标优化

超高压高速斜盘式轴向柱塞变量泵配流副油膜抗倾覆润滑承载特性研究

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机械工程学报 2025年第2期61卷 358-370页

作者：胡敏丘天祥吴喆刘睿曾亿山刘常海合肥工业大学机械工程学院合肥230009

超高压化是液压技术的必然发展趋势与要求,然而超高压工况增大了轴向柱塞泵的缸体受到的倾覆力矩,加剧了缸体倾覆,更易于造成配流副偏磨失效、泄漏加大问题,对配流副油膜摩擦润滑与密封承载性能提出了更高的要求。为此,建立起耦合结构... 详细信息

超高压化是液压技术的必然发展趋势与要求,然而超高压工况增大了轴向柱塞泵的缸体受到的倾覆力矩,加剧了缸体倾覆,更易于造成配流副偏磨失效、泄漏加大问题,对配流副油膜摩擦润滑与密封承载性能提出了更高的要求。为此,建立起耦合结构参数、工况参数和油液介质性能参数等与配流副油膜摩擦润滑、密封承载特性映射关系的数值解析模型。基于该模型,通过数值解析研究设计出一种适应超高压63 MPa工况的具有平面辅助支承结构的配流盘,对该配流副油膜特性的数值解析结果表明,在超高压63 MPa工况下,平面辅助支承结构可以使得缸体在由于倾斜而将与配流盘发生接触的位置处的油膜产生额外的承载能力,从而可以进一步地平衡缸体所受的负载倾覆力矩,增强了配流副油膜的抗倾覆能力。将该配流盘应用于研发的国内首台额定压力能达到63 MPa的超高压高速斜盘摆动变量式轴向柱塞联体泵马达物理样机中,通过试验测试验证了配流副的良好工作性能。研究结果可为高性能配流副的研发提供先进的设计方法与指导。

关键词：轴向柱塞泵轴向柱塞马达超高压辅助支承配流副润滑油膜

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磁流变液环境下密封副非线性磨损行为研究

中国机械工程 2025年

作者：李姗姗孙兴伟杨恒乔赫廷沈阳工业大学机械工程学院沈阳工业大学信息科学与工程学院

为研究磁流变液摩擦动力学行为对密封副磨损机理的影响，建立表面粗糙度与铁粉耦合效应下的动态密封磨损模型，利用ANSYS对其进行微观接触力学仿真分析；并通过自制往复式动态密封磨损试验装置，测试不同表面粗糙度活塞杆样本在两种介... 详细信息

为研究磁流变液摩擦动力学行为对密封副磨损机理的影响，建立表面粗糙度与铁粉耦合效应下的动态密封磨损模型，利用ANSYS对其进行微观接触力学仿真分析；并通过自制往复式动态密封磨损试验装置，测试不同表面粗糙度活塞杆样本在两种介质下的摩擦磨损性能。结果表明，粗糙纹理与铁粉瞬时接触不仅能够缓解O形圈在微凸体交变剪切作用下表面出现疲劳裂纹，还有助于削弱铁粉对活塞杆产生的微切割效应，使密封副在磁流变液工况展现出良好的摩擦学性能；铁粉介于抛光样本与O形圈之间长期承受微观纹理施加的横向剪切力及纵向挤压力，迫使大量铁粉嵌入O形圈内部，并在往复运动的活塞杆表面产生明显的犁沟式磨痕，导致系统因两体磨粒磨损而过早引发密封失效。

关键词：磁流变液表面粗糙度磨损特性摩擦动力学行为磨粒磨损