机械工程学报

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熊安斌, 丁其川, 赵新刚, 韩建达, 刘光军

机械工程学报. 2016, 52(7): 6-13. https://doi.org/10.3901/JME.2016.07.006

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表面肌电信号(Surface electromyography,sEMG)已广泛应用于手部动作识别。为提高动作识别精度,研究者往往需要采集多个通道sEMG信号,从而增加应用复杂性,针对这一情况,提出一种基于单通道sEMG分解的手部动作识别方法。使用单通道电极采集人体上臂肌肉sEMG,将其分解为6个运动单元动作电位序列,过程包括：二阶差分滤波、阈值计算、尖峰检测、分层聚类;然后,提取绝对值积分、最大值、非零中值、半窗能量等特征,并采用主元分析法降维;最后,利用支持向量机分类识别5种不同手部动作,精度达到80.4%。而采用未融合sEMG分解的传统方法,动作识别精度仅有约70%。

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采煤机截割部机电传动系统动力学特性分析

刘长钊, 秦大同, 廖映华

机械工程学报. 2016, 52(7): 14-22. https://doi.org/10.3901/JME.2016.07.014

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针对采煤机截割机电传动系统动载荷大易于损坏的特点,提出一个行星齿轮变速过程扭转动力学模型,建立包含电动机、齿轮传动系统和滚筒的采煤机截割机电传动系统动力学模型,并对冲击载荷下采煤机截割机电传动系统的动力学特性进行仿真,研究电动机-齿轮传动系统的连接刚度和阻尼以及齿轮啮合刚度对采煤机截割机电传动系统动力学特性的影响,最后提出了减小采煤机截割部机电传动系统的动态啮合力冲击的方法,以减少采煤机截割传动系统的破坏。啮合冲击力可以分成两类：时变啮合刚度引起的啮合冲击力和冲击负载引起的啮合冲击力。可以通过减少啮合刚度的变化(比如采用人字齿轮)来降低时变啮合刚度引起的动态啮合力冲击;选取合适的电动机-齿轮传动系统连接阻尼和较小的电动机-齿轮传动系统连接刚度来减小冲击负载引起的动态啮合力冲击。

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基于量子粒子群优化算法的机器人运动学标定方法

房立金, 党鹏飞

机械工程学报. 2016, 52(7): 23-30. https://doi.org/10.3901/JME.2016.07.023

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基于量子粒子群优化算法,提出一种同样适用于串联机器人和并联机器人的运动学标定方法。利用闭环矢量链方法和Denavit-Hartenberg矩阵法,分别建立并联机器人和串联机器人的运动学误差模型,将运动学误差模型内的几何误差源作为相应的机构参数修正量。由于机器人运动学误差模型表现有较强的非线性,因此确定模型内的机构参数修正量为优化变量,将机器人运动学参数标定问题转化为非线性系统的优化问题。采用量子粒子群优化算法对优化问题进行求解,利用优化获得的参数修正量更新运动学模型,以达到提高机器人运动精度的目的。以五轴并联机床的平面约束机构为研究对象,通过试验验证该标定方法的标定效果,并与模糊插值标定方法进行比较分析,结果表明在较大的工作空间内基于量子粒子群优化的运动学标定方法更为有效。

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多自由度运动链驱动件的自动识别

王英, 李瑞琴, 张艳岗, 王利民

机械工程学报. 2016, 52(7): 31-37. https://doi.org/10.3901/JME.2016.07.031

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对于一个给定的运动链,选取不同的驱动件,会产生不同的机构,实现不同的功能和运动轨迹,有时也可能使机构丧失运动的能力,因此对于一个给定的运动链进行驱动件的识别,是机构型综合的重要一部分。根据运动链可动因子的概念,结合多环运动链各个环路之间相互运动的特点,提出多自由度运动链驱动件的识别方法,并验证此方法的正确性和有效性。采用数学描述的方法分析实例,利用计算机软件实现了运动链驱动件的自动识别。该方法可实现平面运动链的驱动件的识别,为运动链的进一步研究分析打下了基础。

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刮板升运带式膜上覆土装置覆土特性

孙伟, 刘小龙, 石林榕, 张华, 刘全威, 吴建民

机械工程学报. 2016, 52(7): 38-45. https://doi.org/10.3901/JME.2016.07.038

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为解决全膜覆土种植模式膜上覆土量不足造成的风力破坏、穴孔错位、烧苗等问题,设计一种适用于全膜覆盖铺膜机的膜上覆土装置,即刮板升运带式膜上覆土装置。对其覆土特性进行理论分析,建立理论输土量模型,基于EDEM离散单元法对覆土宽度进行模拟试验,借助Design-Expert软件建立覆土宽度的二次回归模型。在此基础上,进行覆土性能田间试验。结果表明：带速与机组前进速度比由1.38增至2.56,覆土量均值减小;刮板高度由40 mm增至60 mm,覆土量均值增加,取土、输送效率降低;刮板间距、升运带倾角分别由100 mm增至140 mm、35°增至55°,覆土量均值减小,取土、输送效率降低。参数限制区间内,最优参数组合为带速与机组前进速度比1.38,刮板高度60 mm,刮板间距100 mm,升运带倾角35°;覆土宽度模拟值接近田间测试均值,表明EDEM离散单元法模拟覆土宽度可行。该研究可为刮板升运带式膜上覆土装置的改进及优化提供参考。

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行星传动系统振动信号数学模型及特征频率分析

黄奕宏, 丁康, 何国林

机械工程学报. 2016, 52(7): 46-53. https://doi.org/10.3901/JME.2016.07.046

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在行星传动系统振动信号频谱中,存在类似于定轴齿轮传动系统故障信号的调制边带。为了研究行星齿轮传动系统的振动机理,深入研究行星齿轮啮合过程振动信号的传递特点,通过试验与仿真,分析验证了齿圈固定式行星齿轮箱振动信号受传递路径影响的变化规律,结合行星齿轮啮合过程中啮合力的周期性变化影响,推导了行星齿轮传动系统振动信号数学模型。通过仿真分析了两种不同结构类型行星齿轮传动系统振动信号的频谱特性,并分析了啮合频率周围调制边带产生的原因。最后进行了风电齿轮箱的现场测试,通过分析实测振动信号验证了所建立数学模型计算结果的正确性。

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永磁轴承承载能力分子电流模型的积分定义求解方法

张海波, 邱玉江, 蒋书运

机械工程学报. 2016, 52(7): 54-59. https://doi.org/10.3901/JME.2016.07.054

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分子电流理论是一种计算永磁轴承力学特性的经典理论,利用此理论分析计算永磁轴承承载力时一般采用蒙特卡罗法或椭圆积分法等求解四重积分,蒙特卡罗法数值稳定性差,椭圆积分法求解析解过程中,有时会出现奇异值。为了简化计算,提出了永磁轴承承载力方程的积分定义求解方法,该方法将被积函数的积分域分割成有限个微域,对于每个微域,以被积函数的微域中心值与微域体积的乘积作为被积函数的积分值,将所有微域的积分和值近似作为函数积分值;基于双丝杠导轨副与3维力传感器,研制了永磁轴承力学性能的测试装置,完成永磁轴承承载力的试验验证;较为系统地对比分析了积分定义法与蒙特卡罗法、有限元法数值解的计算结果。研究结果表明：积分定义法计算过程简单,易于编写计算程序,相对误差较小。

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陀螺框架轴承摩擦力矩分析

姜绍娜, 陈晓阳, 顾家铭, 张涛

机械工程学报. 2016, 52(7): 60-68. https://doi.org/10.3901/JME.2016.07.060

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针对陀螺框架轴承要求启动摩擦力矩小而稳定的苛刻要求,建立轴承摩擦力矩分析模型,在已有的球与内外圈弹性滞后、差动、自旋、润滑影响因素引起的摩擦力矩分析基础上,重点考虑浪形及冠型保持架引起的摩擦力矩。求得的轴承启动、动态摩擦力矩与YZC-II测试仪测试结果吻合较好。分析表明,浪形保持架整体优于冠型保持架,保持架与球作用引起的摩擦力矩比例随轴向载荷减小而增大,该比重在启动过程中较大,在动态过程明显降低;通过对4种型号框架轴承不同转速的摩擦力矩分析,当转速低于2 r/min时,轴承摩擦力矩受转速影响不大,随着速度增大,启动速度对轴承启动摩擦力矩值、动态摩擦力矩波动范围影响突显出来。

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复局部均值分解全矢包络技术及其在转子故障特征提取中的应用

黄传金, 孟雅俊, 雷文平, 韩捷

机械工程学报. 2016, 52(7): 69-78. https://doi.org/10.3901/JME.2016.07.069

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为更全面提取转子故障特征,将全矢谱和复局部均值分解(Complex local mean decomposition, CLMD)相结合,提出二元的全矢包络技术——CLMD全矢包络技术。采用正交采样技术获取转子同一截面上互相垂直方向上的振动信号,并将其组成一个复数信号;运用CLMD将复数信号按能量从高到低的顺序依次分离出系列复乘积函数(Complex product function, CPF),并解调出CPF的复包络;由于故障特征主要在能量较高的CPF分量中,通过全矢谱技术融合前几阶CPF分量的包络信号,得到相应的全矢包络谱。仿真的调幅-调频信号分析结果表面,较之Hilbert解调,CLMD全矢包络技术可提取隐含的调频信息,而且不存在虚假的低频谱线。转子试验台模拟的基座松动信号、碰摩信号分析结果表明,较之单源信息的包络谱,CLMD全矢包络技术提取的谱线特征更清晰、全面,而且根据全矢包络谱可有效区分基座松动引起的碰摩和单一碰摩故障。

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基于向后差分法求解多体系统动力学微分-代数方程组的双循环隐式积分方法

张乐, 章定国

机械工程学报. 2016, 52(7): 79-87. https://doi.org/10.3901/JME.2016.07.079

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在利用坐标缩并方法求解多体系统动力学指标3的微分-代数方程组的过程中,由隐式积分方法进行积分时需要进行迭代求解,采用牛顿法进行迭代时需要利用数值微分求得雅可比矩阵。通过引入固定点迭代以避免用于计算雅可比矩阵的数值微分。非线性代数约束方程组的求解也需要进行迭代,两组迭代一起构成一种双循环的格式。双循环中隐式积分方法的数值精度影响外层循环的迭代次数。将向后差分法引入双循环隐式积分方法中作为积分方法,并针对向后差分法的特点提出新的迭代求解策略,构造一种新的双循环隐式积分方法。这一新的双循环隐式积分方法中外层循环的迭代次数减少,计算效率得到了显著提高。这一方法能够很好地解决指标3的多体系统动力学微分-代数方程组,具有良好的通用性。给出了数值算例。

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空间环境回转-直线往复复合运动密珠轴系力载特性分析

古乐, 聂重阳, 郑德志, 姜生元, 孙京, 王国欣, 尹忠旺, 殷参, 赖小明, 王冬

机械工程学报. 2016, 52(7): 88-96. https://doi.org/10.3901/JME.2016.07.088

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空间机构需要实现回转与直线往复的复合运动功能,在真空、大温差等空间环境下的大间隙密珠轴系内部弯矩载荷与转矩载荷的施加顺序和载荷与间隙协调关系对轴系接触状态和润滑可靠性产生重要影响。针对环境工况参数建立空间轴系及其各组成轴承单元工作时的内部接触载荷与间隙数学模型,通过力载与变形协调关系联立平衡方程组,采用阻尼牛顿迭代法获得全轴系的应力与变形解。由分析计算可知,外部载荷的施加顺序和环境温度引起轴系内部各轴承间隙改变,最终影响其内部接触状态。结果表明,当轴承内部间隙在外载荷作用下消除后,不同的载荷施加顺序对轴系的力载分布状态和轴承内部接触应力的影响很大：轴系先承受扭矩载荷后承受径向力状态下的内部最大接触应力水平远大于先承受径向力后承受扭矩载荷,相应增加比例约60%。分析模型可针对航天工程领域环境与工况因素影响下空间轴系的力载特性进行摩擦学分析与设计。

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考虑反向器影响的滚珠丝杠副摩擦力矩计算模型

王恒, 张俊杰, 王永泉, 陈花玲

机械工程学报. 2016, 52(7): 97-103. https://doi.org/10.3901/JME.2016.07.097

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基于赫兹接触和弹性碰撞理论,分别对滚珠丝杠副反向器入口和出口处滚珠的微观动态行为和受力平衡状态进行分析,揭示滚珠进出反向器时的碰撞和预紧受压对摩擦力矩的影响机理,建立同时考虑反向器入口及出口处影响的滚珠丝杠副摩擦力矩计算模型,并对某型丝杠进行了不同工况下的试验测试。对比分析表明,滚珠进出反向器产生的摩擦力矩是丝杠副摩擦力矩的重要组成部分,计入反向器的影响可以大幅提高摩擦力矩计算精度;其中反向器入口处因滚珠的连环碰撞使得其对摩擦力矩影响较大,而出口处的影响则相对较小。利用模型计算所得摩擦力矩,在不同转速及轴向载荷下均与实测值吻合良好,表明模型具有较高的计算精度。

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基于栅格渗漏模型的静密封界面状态演变特性研究

史建成, 刘检华, 杨志猛, 巩浩

机械工程学报. 2016, 52(7): 104-113. https://doi.org/10.3901/JME.2016.07.104

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由于密封界面微观形貌的复杂性,静密封机理及其状态演变一直以来是个难题。在对密封界面进行离散和近似的基础上,提出一种基于栅格渗漏模型的静密封界面渗漏状态预测模型。给出栅格渗漏模型的构建方法,在此基础上通过大量数值试验对密封-渗漏状态演变特性进行了分析,进而建立了静密封界面状态演变曲线的数学模型,发现渗漏发生的概率在与系统相关的阈值附近呈现急转的规律,同时研究表明静密封界面的接触面积、表面纹理方向等对密封界面的状态演变特性有显著影响。结合逾渗理论和试验数据,讨论所提出模型及所发现规律的通用性。

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考虑摩擦因素的两圆柱体表面接触承载能力的分形模型研究

陈奇, 黄守武, 张振, 邱明明

机械工程学报. 2016, 52(7): 114-121. https://doi.org/10.3901/JME.2016.07.114

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为了建立更为准确的两圆柱表面接触承载能力分析的分形接触模型,以M-B模型为基础,利用存在摩擦时的弹塑性变形临界接触面积的计算理论,并结合前期获得的两圆柱体接触面积分布公式,推导考虑摩擦因素的圆柱体表面接触承载能力的分形模型。通过Matlab仿真,获得模型中主要参数对分形接触模型影响的预测分析,结果表明：减小摩擦因数,降低粗糙度幅值以及提高材料的特性参数,有利于提高接触承载能力,并改善接触面间的力学特性;分形维数对接触承载能力的影响,不是一个简单线性关系,而是存在一个分形维数的最优值。该模型的研究为后续进行齿轮等相关产品的接触承载分析提供新的理论参考。

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裂纹止裂愈合技术发展现状及展望

邓德伟, 于静, 刘倩倩, 于涛, 张洪潮

机械工程学报. 2016, 52(7): 122-132. https://doi.org/10.3901/JME.2016.07.122

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裂纹是机械产品的主要失效形式之一,阻止宏观裂纹扩展或使微观裂纹愈合,不但可以确保机械产品的安全运行,还能够延长其使用寿命。综述了裂纹止裂愈合技术的国内外研究和发展现状及介绍了脉冲电流技术在材料制备加工中的应用,着重介绍了利用高强度脉冲电流瞬态能量输入进行裂纹止裂愈合的一种新途径。结合再制造产品的特点,提出脉冲电流裂纹止裂愈合在带有裂纹的零部件的再制造过程中的应用。依据近四十年来,裂纹止裂愈合研究方向的文献发表情况,以再制造为背景,提出裂纹止裂愈合技术的发展趋势和发展策略建议。

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现代产品主动再制造理论与设计方法

宋守许, 刘明, 刘光复, 柯庆镝

机械工程学报. 2016, 52(7): 133-141. https://doi.org/10.3901/JME.2016.07.133

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再制造是再循环的最佳形式,但被动再制造毛坯数量和质量上的不确定阻碍了再制造工程的产业化。针对目前研究中仍存在的问题,提出主动再制造的概念,在分析产品再制造与其寿命周期的关系基础上,阐述主动再制造理论,介绍主动再制造中的相关概念,归纳主动再制造的主要特征。同时为了更加合理地实现主动再制造,针对产品中零部件间的关系,进行主动再制造设计的探讨,建立主动再制造设计理论与设计方法框架,阐述主动再制造设计的基础理论和基本流程,并且对应于主动再制造设计中的产品级设计、零部件级设计和结构级设计分别提出了寿命匹配、结构功能梯度和冗余强度,并进行了综合分析。以发动机曲轴-连杆系统为例,进行了主动再制造设计,结果表明,提出的设计理论与设计方法是有效、可行的。

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剪切增稠抛光的材料去除数学模型

李敏, 吕冰海, 袁巨龙, 董晨晨, 戴伟涛

机械工程学报. 2016, 52(7): 142-151. https://doi.org/10.3901/JME.2016.07.142

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提出一种基于非牛顿幂律流体剪切增稠效应的新型抛光方法——剪切增稠抛光(Shear thickening polishing,STP),通过对剪切弹性层理论的研究,推导出剪切增稠抛光中非牛顿幂律流体与工件之间的剪切弹性层最小厚度方程。在此基础上,根据Preston方程,建立加工过程中的材料去除数学模型。当流速U一定时,非牛顿剪切增稠幂律流体相对于牛顿流体或剪切稀化流体能够使得加工获得更高的材料去除率(Material removal rate,MRR),随着黏性指数n的不断增加,MRR会进一步增大。当黏性指数n和稠度系数K分别为2和0.32时,随着U的增大,MRR呈现幂函数增长趋势,说明增大流速,有利于提高加工效率。在STP加工系统上进行ϕ20 mm的GCr15轴承钢圆柱工件的加工试验,经过90 min的STP后,表面粗糙度由R_a 105.95 nm降至R_a 5.99 nm,MRR达到2.1 μm/h。MRR理论值与试验值之间的相对误差仅为6.12%,试验结果证明所建MRR模型具有一定的有效性。

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复杂零件结构设计的概念单元方法

王德伦, 申会鹏, 孙元, 董惠敏, 马雅丽

机械工程学报. 2016, 52(7): 152-163. https://doi.org/10.3901/JME.2016.07.152

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提出复杂零件结构设计的概念单元方法,即几何与物理模型、概念构型与单元、强度与刚度、工艺与造型四部分。分析了复杂零件的应用场合和结构特点,建立几何实体与物理模型,包含联接与安装部位,设置工况载荷与约束,定义设计区域与非设计区域;采用结构拓扑优化方法获得在若干工况下零件实体内部的传力路线,综合多工况下传力路线和相关因素,构造出复杂零件结构的概念模型,并结合零件的载荷形式,综合考虑制造工艺性,选择合适的零件结构单元;依据零件的强度或刚度要求,使零件壁板和结构单元具有满足性能要求的尺度;同时,兼顾零件结构工艺性和视觉美学效果等因素,对零件结构形状和尺度进行工艺和造型再设计;以加工中心立柱和三级齿轮减速器箱体为例展示了结构设计过程,通过合理布置零件内部筋板、单元的结构形式和尺寸,为复杂零件的轻量化和科学合理结构设计提供有效方法。

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多管火箭炮射击精度总体设计方法研究

芮筱亭, 王国平, 顾俊杰, 赵有利, 付昌旭

机械工程学报. 2016, 52(7): 164-177. https://doi.org/10.3901/JME.2016.07.164

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多管火箭炮射击精度设计方法是获得多管火箭系统高射击精度的关键技术。为解决长期制约多管火箭系统发展的射击精度设计方法国际难题,从准确快速描述多管火箭系统动力学规律入手,通过理论、计算、试验三大方面连续20多年的系统深入研究,引入多体系统传递矩阵法这一多体系统动力学新方法,结合现代计算机技术,构建了多管火箭系统动力学可视化仿真与设计软件和多管火箭系统射击精度数据库,据此首次制定了我国首个多管火箭炮射击精度总体设计方法兵器行业标准和国家军用标准,包括：多管火箭炮射击精度设计原理与流程、模型设计、动力学仿真与优化、虚拟样机总体设计方案及其虚拟试验结果、虚拟试验结果的物理试验验证、多管火箭炮射击精度总体设计方案。这些为多管火箭系统射击精度设计提供了理论依据、技术手段与技术标准,为其他武器系统和其他复杂机械系统动力学设计提供了借鉴。给出了本方法用于我国兵器、船舶、航空、航天工业行业多种多管火箭系统射击精度设计重大工程实践,大幅提升多管火箭炮射击精度设计水平从而大幅提高多种多管火箭系统射击精度的部分实例。

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快速成型中粗糙STL模型细分算法

张争艳, 陈萍, 杨丽, 胡吉全, 陈定方

机械工程学报. 2016, 52(7): 178-186. https://doi.org/10.3901/JME.2016.07.178

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快速成型过程中STL模型精度直接影响成型零件的成型精度,当面对粗糙的STL模型并且没有原始模型进行重新生成或者生成精度不高时,以及逆向工程三维重建得到的STL模型精度不能满足要求时,需要对STL模型进行细分以提高其表面精度,进而提高成型零件精度。为此,提出一种新的STL模型面边点拓扑信息结构,解决了两三角形面片共享边空间插值两次带来的精度误差问题;在此基础上,应用Hermite空间插值方法近似表示三角形面片三边所对应的空间曲线段,之后依据设定的规律连接空间曲线段的中点,实现对粗糙STL模型三角形面片的细分。试验结果表明：细分算法适用于形面较为复杂以及大尺寸多三角面片的STL模型,其效率可达4ⁿ(n是细分次数),可以快速提高给定STL三维网格模型的表面精度。

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基于RTCP功能的五轴数控机床动态误差溯源方法

姜忠, 丁杰雄, 王伟, 邓梦, 杜丽, 宋智勇

机械工程学报. 2016, 52(7): 187-195. https://doi.org/10.3901/JME.2016.07.187

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RTCP(Rotation tool center point)功能作为目前高档数控机床必备的功能之一,可以大幅减小由于旋转轴运动带来的非线性误差,有效提高机床加工精度。根据刀具刀尖点相对于加工工件相对静止的特点,设定刀具刀尖点不动,规划了有利于研究机床伺服系统动态性能的RTCP轨迹,并进行伺服系统仿真研究,得到刀尖点误差轨迹与机床伺服系统动态性能影响因素的对应关系,并依据此对应关系提出动态误差溯源方法,为数控机床伺服系统参数调整提供理论支持。

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基于遗传算法的快速多极基本解法的源点分布优化分析

陈长征, 张士伟, 周勃

机械工程学报. 2016, 52(7): 196-204. https://doi.org/10.3901/JME.2016.07.196

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快速多极基本解法的计算精度主要由源点数和源点分布决定,针对源点的布置具有一定盲目性的问题,提出了基于遗传算法的快速多极基本解法。给出了基于遗传算法的快速多极基本解法的理论公式,并用于预测发动机表面辐射声场。结果表明,利用遗传算法优化后的源点分布,在保证计算精度的基础上,可实现减少源点数和配置点数的目的,从而提高计算效率。源点和配置点之间的距离过小时,计算误差变大;反之,计算误差变小,同时会导致源点分布越来越密集,使矩阵呈现病态。基于遗传算法的快速多极基本解法用于发动机表面辐射声场的预测,计算结果与试验值吻合较好,表明该方法的可行性和正确性,同时也为该方法在工程中进一步应用提供了借鉴。

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螺栓结合面微观接触模型

李玲, 蔡安江, 蔡力钢, 阮晓光

机械工程学报. 2016, 52(7): 205-210. https://doi.org/10.3901/JME.2016.07.205

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针对螺栓结合面弹塑性区域内的接触机理难以确定问题,根据在变形状态转变的临界点处微凸体真实接触面积与接触载荷转化均满足连续和光滑条件,构造新的多项式函数来描述接触变形与接触面积之间的关系。利用统计学方法建立螺栓结合面真实接触面、接触载荷与接触刚度模型。理论计算结果表明：随着平均表面距离的减少,接触载荷、接触面积和接触刚度随之增加;接触面积和接触刚度,随着接触载荷的增加而增加,当接触载荷增加一定程度后接触刚度和接触面积值分别趋于理想接触刚度和名义接触面积值;当螺栓结合面处于弹性和弹塑性接触状态时,塑性指数越大,接触面积越大,而平均接触距离和接触刚度就越小,当处于完全塑性状态时,塑性指数越大,刚度和平均接触距离就越大,而真实接触面积影响较小。

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2016年, 第52卷, 第7期　
刊出日期：2016-04-05

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