机械工程学报

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王庆锋, 高金吉, 李中, 雷兴国

机械工程学报. 2018, 54(22): 1-7. https://doi.org/10.3901/JME.2018.22.001

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机电设备运行可靠是设计制造的目的，也是其发挥功效、创造价值的阶段。针对国内机电设备运行可靠性差、运行效率低、与生产过程不匹配且自适应调控差等现状，提出机电设备在役再制造工程概念，构建了包含适用对象、工程目标、设计基础、生命周期、工程价值五个方面内容的在役再制造理论框架。在役再制造性评价是机电设备在役再制造的前提，基于监测数据、可靠性数据、维修数据、分析化验数据，开展机电设备健康度评价、可靠性评价和能效水平评价，数据驱动决策开展在役再制造个性化再设计，构建在役再制造性评价指标体系和评价模型，量化在役再制造性评价指标。以某催化裂化装置主风机静叶可调执行机构阀位锁位或跑位故障率高、运行可靠性差为例，针对常规电液控制系统进行在役再制造，结果表明，在役再制造工程具有巨大的经济效益和社会效益。

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滚动轴承内圈温度无线监测技术

王方哲, 朱永生, 闫柯, 刘煜炜, 洪军

机械工程学报. 2018, 54(22): 8-14. https://doi.org/10.3901/JME.2018.22.008

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温度是反映滚动轴承运行状态的重要指标之一，高速运行中轴承旋转套圈的温度远高于静止套圈温度，实现轴承旋转套圈（通常为内圈）的实时温升监测对保证运行安全尤为重要。基于电气和机械设计技术的协同，提出一种滚动轴承内圈温度无线监测方案，将测试系统嵌入轴承锁紧螺母中，利用锁紧螺母与轴承接触配合实现对轴承内圈温度采集。设计研究集成温度测试、无线数据传输及无线电能供给电路。重点实现电能无线供给以满足轴承旋转套圈温度持续监测的电能需求。最后通过对32008圆锥滚子轴承温度采集，验证该方案的可行性。该方法在保障轴承完整性的条件下能实现轴承旋转套圈温度的监测，为轴承状态监测和热特性试验研究提供了新的技术手段，解决了实际工况下轴承旋转套圈测温难题。

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基于自回归谱外推方法的TOFD检测盲区抑制

孙旭, 金士杰, 张东辉, 刘丽丽, 杨会敏, 林莉

机械工程学报. 2018, 54(22): 15-20. https://doi.org/10.3901/JME.2018.22.015

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结合自回归谱外推方法与超声衍射时差法（Time of flight diffraction，TOFD），抑制直通波脉冲宽度造成的近表面检测盲区。建立碳钢试块模型，并设置上尖端埋深d依次为2.5 mm、3.0 mm、5.0 mm及7.0 mm的底面开口槽，模拟选用中心频率5 MHz、探头中心距34.0 mm的TOFD探头实施检测。利用自回归谱外推方法扩宽傅里叶变换后的混叠信号频带，压缩时域脉冲宽度，分离了混叠的直通波与衍射波，将TOFD检测盲区深度由8.3 mm抑制到2.5 mm以内，实现四个底面开口槽的同时检出与定位。针对碳钢试块中埋深3.0 mm底面开口槽进行试验验证，定位误差为0.30 mm。与常规TOFD和频谱分析方法相比，自回归谱外推方法以高信噪比频带为基础，外推有效频带外的高频与低频范围数据，提高时间分辨率，为TOFD检测盲区内缺陷定位提供了新思路。

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基于动态压力的高温陶瓷过滤器断裂在线故障诊断

刘龙飞, 姬忠礼, 栾鑫

机械工程学报. 2018, 54(22): 21-29. https://doi.org/10.3901/JME.2018.22.021

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壳牌煤气化以及催化裂化工艺中，高温陶瓷过滤器是保证系统长周期稳定运行的重要设备。但因系统开停车、脉冲反吹引起的振动、过滤管间粉尘架桥等原因，使得陶瓷过滤管存在断裂现象，因此对过滤管是否断裂进行在线诊断十分必要。常温常压下，在多管过滤性能试验装置上，使用高频动态压力传感器，测定脉冲反吹过程中不同泄漏孔径下过滤器内壁面不同位置处的动态压力，通过提取动态压力的特征值，并将特征值量纲一化后用一个加权值参数表示，建立了动态压力与泄漏孔径的关系模型，通过试验数据验证了模型的正确性；根据动态压力到达不同位置处传感器所测定的时间不同，使用量纲一化广义互相关函数，建立基于时间差的源信号定位模型，能精准判别陶瓷过滤管泄漏所在的位置。通过两个模型的相互耦合，能快速准确判断过滤器中是否有过滤管断裂以及断裂的位置和多少，为过滤器的稳定运行提供一定的技术支持。

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基于快速在线支持张量机的柴油机智能诊断方法

许小伟, 张楠, 严运兵, 秦丽

机械工程学报. 2018, 54(22): 30-37. https://doi.org/10.3901/JME.2018.22.030

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柴油机状态监测信号众多且多为非平稳信号，相互干扰较大且具有非线性和复杂耦合的特征，导致基于向量模式的故障诊断方法难以准确诊断其工作状态。提出一种张量模式下的柴油机智能诊断方法。首先，结合线性支持高阶张量机的学习框架和在线随机梯度下降法的思想，设计带核函数的快速在线支持张量机算法。然后，构建“信号类别×曲轴转角×转速”的三阶张量形式的柴油机状态样本，分别以在线支持向量机、线性支持高阶张量机和快速在线支持张量机三种算法，对某柴油机的失火样本进行故障诊断，以“测试精度”“学习时间”“存储空间”作为评价指标对三种算法进行对比分析。分析结果表明，所设计的快速在线支持张量机算法测试精度较高，学习时间显著降低，所需存储空间很小，解决了超大样本、非线性和高维数据的分类问题，满足了柴油机智能故障诊断的工程应用要求。

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基于电磁超声换能器阵列的管道螺旋导波传播规律研究

周进节, 郑阳, 张宗健, 谭继东

机械工程学报. 2018, 54(22): 38-46. https://doi.org/10.3901/JME.2018.22.038

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螺旋导波因在管道超声导波层析成像中的巨大应用价值，近年来受到研究者们的重视。阐述管道螺旋导波的激发/接收条件、传播路径和波前形状等规律。建立FE模型，研究由圆环波前S₀模态兰姆波在管道上形成螺旋导波的过程。组建了双环24阵元的电磁超声换能器阵列及试验系统，170 kHz下激发圆环波前S₀模态兰姆波在管道中产生螺旋导波，试验研究了激励源所在圆周及管段上的波动场信号特征。仿真和试验结果表明，管道螺旋导波实质上是兰姆波在曲面上的传播形态，可由管道某处点源激发兰姆波产生，主要存在于波动场的近场。由于管道结构的封闭性，兰姆波的波前在管道上反复交叉前行，形成了螺旋传播路径。从波源到管道上任意一点的螺旋导波传播路径有无数条，各阶螺旋角不连续。利用螺旋导波进行管段检测提供了缺陷的多角度入射信息，对缺陷高分辨率检测具有重要意义。

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304不锈钢棒气动式可控旋弯下料工艺及试验

钟斌, 李雪伍, 于正洋, 张传伟

机械工程学报. 2018, 54(22): 47-54. https://doi.org/10.3901/JME.2018.22.047

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针对金属棒料传统下料工艺存在断面质量差、材料利用率低、能耗高等问题，提出一种综合利用预制环状V型槽缺口效应、起裂微裂纹及扩展宏观裂纹裂尖应力集中效应的新型气动式棒料可控旋弯下料工艺，详细介绍了该下料工艺的工作原理。基于该工作原理研制了金属棒料气动式旋弯下料试验装置，利用材料力学强度理论与线弹性断裂力学理论，建立了弯矩载荷作用下金属棒料下料过程的力学模型，获得了环状“V”型槽根部微裂纹萌生载荷、扩展裂纹起裂载荷及瞬断载荷的理论计算公式。采用三种不同恒应力强度因子幅水平载荷控制曲线对φ30 mm直径的304不锈钢棒料进行下料试验研究，结合所提出的坯料断面评价方法及其评价指标，对下料所得坯料质量进行了量化评价。结果表明，保持裂尖处于恒应力强度因子幅水平，可以实现金属棒料的可控精密下料，断面质量和下料时间随幅值水平提高而降低，当裂尖处△K=0.7K_c时，坯料最终瞬断区最小。该下料工艺利用断裂力学理论建立旋弯下料机理，可以指导实际下料试验，为后续下料工艺数据库的建立提供理论支撑。

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高氮钢激光-电弧复合焊接熔池表面流动行为

刘佳, 白陈明, 石岩, 李忠, 张宏

机械工程学报. 2018, 54(22): 55-62. https://doi.org/10.3901/JME.2018.22.055

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焊接熔池流动行为是影响焊缝成形和接头质量的关键因素之一，其特征难以直接获取。试验采用ZrO₂颗粒作为示踪粒子，利用高速相机观察示踪粒子运动轨迹，开展高氮钢激光-电弧复合热源焊接熔池表面流动行为的研究。研究结果表明：单独激光焊接时，其熔池的流动主要受匙孔尺寸变化的影响；单独电弧焊接时，其熔池的流动则主要受电弧压力和熔滴进入熔池时所产生的冲击力的影响；而激光-电弧复合焊接时，其熔池的流动既受电弧压力和熔滴进入熔池时所产生的冲击力的影响，同时，匙孔的存在也会影响其熔池的流动。在激光-电弧复合焊接过程中，示踪粒子的直线移动距离随着焊接电流和电弧电压的增加而增加；而激光功率的改变对其直线移动距离的影响并不显著。研究结果揭示了不同焊接工艺及其参数对高氮钢焊接熔池表面流动行为的影响规律，为高氮钢焊接工艺的选择提供了理论依据。

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Ti-(SiC_f/Al₃Ti)层状复合材料在侵彻早期阶段基于NEIM的建模与仿真研究

刘净川, 姜风春, 王立权, 张蒙祺, 运飞宏

机械工程学报. 2018, 54(22): 63-77. https://doi.org/10.3901/JME.2018.22.063

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一种由连续SiC陶瓷纤维强化（CCFR）的新型金属间化合物基层状（MIL）复合材料Ti-（SiC_f/Al₃Ti）研制成功，其作为装甲防护材料在被侵彻过程中的微观变形机制、强化及失效机理有待研究。首先采用电镜扫描法（SEM）表征该材料的微观结构和界面特征，而后提出一种新的建模方法，基于高效的等效夹杂数值算法（NEIM），对刚性球侵彻靶体复合材料的早期接触过程进行建模，研究准静态加载下Ti-（SiC_f/Al₃Ti）复合材料的小变形弹塑性接触力学行为，并通过压痕试验验证该模型的精确性。结果表明，在球-面加载模式下，SiC纤维对CCFR-MIL复合材料的强度提高显著，而对延展性的强化却不如面-面加载模式下明显。此外，球-面加载模式下的最大塑性应变集中（MPSC）区出现在Al₃Ti层最接近中心SiC纤维上边界的位置，并随载荷的增大沿深度方向延伸，该区域是裂纹萌生并扩展的高发区。当相邻SiC纤维的中心距为四倍纤维直径，且Ti层体积分数为40%时，CCFR-MIL复合材料的综合力学性能最佳。更高效数值方法的运用，节约了计算成本，清晰透彻地揭示了新型CCFR-MIL复合材料在被侵彻过程中的微观变形机制、强化及失效机理，并使参数化研究更为全面，便于材料的微观结构优化。

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考虑成形方向的航空铝合金修正本构模型的构建

孟莹, 付秀丽, 潘永智, 徐念伟

机械工程学报. 2018, 54(22): 78-85. https://doi.org/10.3901/JME.2018.22.078

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为了能够准确地反映材料成形方向对其动态力学性能的影响，利用电子万能试验机及分离式霍普金森压杆（SHPB）装置，对航空铝合金7050-T7451板材沿不同成形方向（法向ND，横向TD，轧向RD）取样，并进行准静态加载试验和动态冲击剪切试验。结果表明：成形方向是影响材料准静态和动态力学性能的重要因素之一，在动态冲击剪切过程中，铝合金7050-T7451表现出一定的应变率敏感性和正应变率强化效应。基于材料的成形方向影响规律，构建包含应变率敏感函数项的修正的Johnson-Cook本构模型，并对比验证修正模型与试验数据的结果，证明了修正的、包含应变率函数项的材料本构模型更适用于描述不同成形方向下的材料动态力学性能，该模型能够为建立精确可靠的各向异性材料仿真模型提供数据支持。

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电弧增材成形单道两层熔积过程中的晶粒生长模拟

周祥曼, 田启华, 杜义贤, 柏兴旺, 张海鸥

机械工程学报. 2018, 54(22): 86-94. https://doi.org/10.3901/JME.2018.22.086

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晶粒生长的数值模拟是研究复杂微观组织演变的重要手段，现有的研究较少涉及电弧增材成形中晶粒生长的数值模拟。采用有限元和元胞自动机方法建立了碳钢电弧增材成形过程的宏观传热和微观组织演变的耦合模型，模拟单道第两层熔积的熔池凝固过程中晶粒动态演变过程。模拟结果显示，单道第一层熔积熔池凝固过程中晶粒从熔合线位置形核后向熔池中心生长，在温度梯度方向与枝晶臂优先生长方向的共同作用下，枝晶呈现竞争生长，晶粒优先生长方向与温度梯度方向一致的晶粒生长更快，部分晶粒生长被抑制，最终形成交错、完全粗大的柱状晶组织，枝晶之间出现溶质富集的现象；单道第二层熔积的晶粒在上一层粗大柱状晶基础上形核并生长，随后的生长过程与第一层类似，第二层熔积时熔池温度梯度方向的改变导致晶粒的主要生长方向与第一层之间有一定夹角。与模拟相同成形工艺的成形试样金相照片验证了模拟结果。研究结果可为电弧增材成形微观组织控制以及后续工艺规划提供依据和参考。

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铝-铜层状复合材料热辅助超声波増材制造方法

王波, 张洪涛, 朱训明, 王云峰, 金伟, 何鹏

机械工程学报. 2018, 54(22): 95-102. https://doi.org/10.3901/JME.2018.22.095

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为实现铝铜层状复合材料的优质固相増材制造，克服现有超声波功率器件和设备输出功率的限制，提出具有辅助热场的大功率超声波増材制造装备及方法，并分析热场对铝铜界面结合性能的影响。在不同辅热温度下使用T2铜箔和1060铝箔进行了多层叠加固结试验，对Al/Cu和Cu/Al两种界面形式进行了研究，剥离试验和断口形貌分析表明Cu/Al界面形式具有更高的剥离强度。采用SEM和EDS方法，分析了不同加热温度和压力下的铝-铜界面组织特征，结合金相分析和力学性能测试结果表明：Al/Cu界面力学强度随辅助加热温度的上升而提高，并在加热温度为100℃时铝铜界面在超声波作用下可以形成有效的固相连接接头，且最大力学强度达到26.23 N/mm，Al/Cu和Cu/Al两种焊接形式下界面处元素扩散层宽度均可达到4～6 μm；界面断口呈现准解理断裂的撕裂棱形貌特征。铝-铜复合材料超声増材制造过程中，辅助热场方式可明显提高铝-铜复合材料的加工质量和效率。

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考虑传感器与执行器故障的EPS主动容错控制

高振刚, 陈无畏, 谈东奎, 汪洪波, 杨柳青

机械工程学报. 2018, 54(22): 103-113. https://doi.org/10.3901/JME.2018.22.103

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针对传感器及执行器故障对EPS助力性能的影响，提出一种EPS主动容错控制方法。建立含参数不确定性、传感器与执行器故障的EPS系统模型，将系统不确定性转化为故障估计误差系统的扰动，基于未知输入观测器及线性矩阵不等式推导故障估计误差系统稳定并对扰动具有鲁棒性的充分条件，采用LMI区域极点配置法提升故障估计性能；在此基础上，针对执行器故障设计控制律补偿容错控制算法，针对传感器故障设计信号重构容错控制算法。Matlab/Simulink环境下的仿真结果表明，当传感器与执行器单独或同时发生故障时，设计的故障估计算法均可较为准确地估计故障幅值，故障估计的误差较小；针对不同故障对助力性能的影响，提出的容错控制方法均可使故障EPS系统的助力性能有所恢复。基于LabVIEW PXI的硬件在环试验进一步验证容错控制应用于EPS系统的有效性，提升汽车转向行驶的安全性及可靠性。

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轨道车辆车体磁流变弹性体吸振器的建模与仿真

文永蓬, 孙倩, 周伟浩, 尚慧琳, 郭林生

机械工程学报. 2018, 54(22): 114-127. https://doi.org/10.3901/JME.2018.22.114

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以降低城市轨道交通车辆车体的垂向振动、提高乘客舒适度为目的，根据动力吸振器理论及磁流变弹性体刚度可调的特性，设计一种并联安装在车体底部的半主动式磁流变吸振器。为保证磁流变吸振器工作性能稳定，分析磁流变吸振器的磁路结构，利用多元回归分析法拟合励磁电流对磁流变弹性体工作区磁场强度的影响关系，提出励磁电流对磁场强度的控制算法。针对城轨车辆工况变化频繁、车体振动特性复杂的特点，建立对车体宽频振动适应性强的磁流变吸振器系统，研究其对车体垂向减振特性的影响，并利用Sperling指标验证了磁流变吸振器系统的减振能力。结果表明，所设计的磁流变吸振器结构紧凑且安全性高，对车下剩余空间的利用具有合理性；所建立的磁流变吸振器系统振动频带宽，可与车体始终处于谐振状态，使车辆的运行品质时刻保持在优级。论文的工作为利用磁流变弹性体的轨道车辆车体半主动式吸振器的应用提供了参考依据。

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考虑PMSM转子偏心作用的EV动力传动系统非线性扭振特性分析

胡东海, 严炎智

机械工程学报. 2018, 54(22): 128-136. https://doi.org/10.3901/JME.2018.22.128

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针对在路面激励，系统阻尼以及惯性负载作用下，纯电动汽车（Electric vehicle，EV）动力传动系统呈现复杂的非线性扭转振动特性，造成EV动力传动系统失稳的问题，考虑永磁同步电机（Permanent magnet synchronous motor，PMSM）制造和安装引起的静态偏心和路面激励引起的动态偏心的影响，建立EV动力传动系统非线性扭振模型，求解并分析无扰动Hamilton系统的平衡点，采用控制变量法分别研究路面激励波动，系统阻尼渐变以及惯性负载跃变对EV动力传动系统非线性扭振特性的影响，得到EV动力传动系统失稳的具体途径和机理。研究表明：分别取路面激励f₁、系统阻尼μ₁及惯性负载m₁作为单一变量，当f₁ < 0.23，μ₁ > 0.2或0 < m₁ < 0.3时，EV动力传动系统表现为稳定的一周期运动；当0.23 < f₁ < 0.52，0 < μ₁ < 0.2或0.3 < m₁ < 0.5时，EV动力传动系统由倍周期分岔通往混沌运动；当0.52 < f₁ < 0.62或0.5 < m₁ < 0.6时，EV动力传动系统由混沌运动转变为三周期运动；随着路面激励f₁或惯性负载m₁的进一步增大，即0.62 < f₁ < 0.8或0.6 < m₁ < 0.85时，EV动力传动系统表现为倍周期运动与混沌运动交替的运动状态，而随着系统阻尼μ₁进一步增大，即μ₁ > 0.2时，系统始终表现为稳定的一周期运动。

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基于熵产的侧流道泵流动损失特性研究

张帆, 袁寿其, 魏雪园, 陈轲

机械工程学报. 2018, 54(22): 137-144. https://doi.org/10.3901/JME.2018.22.137

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侧流道泵是一种介于容积式泵和离心泵之间的径向式叶片泵。泵内流体以螺旋轨迹方式在叶轮和侧流道中反复运动，整个运动是一种典型的全三维、高湍流强度、空间非对称的湍流流动，因此不可避免地产生较大的流动损失。利用热力学第二定律，基于熵产的流动损失分析方法对一种单级侧流道泵模型湍流流动损失进行研究，主要通过理论和数值计算求解湍流流动过程中增加的熵产，定性分析侧流道泵流动损失出现的位置及分布特点。结果表明，侧流道泵内部流动损失主要与湍流流动增加的熵产有关，而热量交换产生的熵产相对较小，在侧流道泵的损失研究中可以忽略；叶轮流道和侧流道内的湍动耗散率均远远大于直接耗散率；叶轮流道内的损失主要出现在叶轮内缘至0.4 r处，在侧流道内，流动损失主要出现在流道进口、流道中间靠近内缘部分以及出口附近。

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空间充气展开绳网捕获系统动力学建模与分析

刘昊, 魏承, 田健, 谭春林, 赵阳

机械工程学报. 2018, 54(22): 145-152. https://doi.org/10.3901/JME.2018.22.145

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空间充气展开绳网系统在空间捕获中具有自身特殊的优势：占用体积小，展开后捕获范围大，且绳网由充气杆支撑，结构更加稳固，比空间飞网系统更加具有应用潜力。基于绝对节点坐标法（Absolute node coordinate method，ANCF）建立空间充气展开绳网捕获系统动力学模型，应用Hertz理论建立柔性体碰撞动力学模型，对系统进行动力学仿真分析。仿真表明，静力学和振动分析能够为机构力学参数选型提供参考，相比充气杆末端激励，绳网中部受到激励时对捕获机构振动影响更大；机构收口拉力随着充气杆刚度的增加而增大，对充气杆的放气处理可以降低其刚度，从而减小收口拉力，约为原来的10%，易于收口机构的设计。通过对期望目标的捕获仿真，分析了影响收口过程的关键指标，证明了捕获策略的合理性和动力学模型的准确性。研究结果能够对空间充气展开绳网捕获系统设计提供有效的依据。

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燃料电池有轨电车能量管理策略多目标优化

杨继斌, 徐晓惠, 张继业, 宋鹏云

机械工程学报. 2018, 54(22): 153-159. https://doi.org/10.3901/JME.2018.22.153

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为研究一类以质子交换膜燃料电池、超级电容和动力电池为动力源的混合动力有轨电车能量管理问题，首先介绍该类有轨电车的混合动力系统结构和工作特点，提出一种基于系统工作模式的逻辑门限式能量管理策略，工作模式的切换通过多个控制参数来实现。针对该能量管理策略中控制参数的不确定性，应用多目标遗传算法，将整车超级电容和动力电池的最小配置成本以及有轨电车运行的能耗、准时性、准地点停车作为优化目标，对影响列车动力性能的主要能量管理策略控制参数进行优化。以国内某规划线路为实例，在已通过实车试验数据验证的系统仿真模型中进行优化分析，优化结果表明，在保证列车动力性能的前提下，优化后列车的总牵引能耗减少了约12.5%，回收的再生制动能量增加了约14.5%，燃料电池的平均效率提高了约0.83%；同时通过优化得到了超级电容和动力电池的最小容量配置，为整车车载储能系统的冗余配置提供参考。

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全封闭扇冷式感应电动机通风结构方案

丁树业, 仵程程, 刘建峰, 李忠雨

机械工程学报. 2018, 54(22): 160-167. https://doi.org/10.3901/JME.2018.22.160

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为了揭示全封闭扇冷式（Total enclosed fan-cooled，TEFC）感应电动机底脚拉筋结构对电动机流场流变特性以及温升分布性能的影响，近而寻求拉筋结构最优化通风冷却性能，以一台TEFC感应电动机为例，在对该电动机进行温升试验测试及温度场数值分析研究的基础上，依据结构特征建立电动机轴向半域流体场以及温度场耦合求解模型，采用有限体积元法对多种拉筋结构方案下的电动机内流体场及温度场进行数值计算。通过对各方案下电动机定子铁心、定子绕组、机壳等部件温升特征以及电动机域内流变特性的比较分析，明确了电动机机壳拉筋对电动机内流体场以及温度场的影响规律，给出了机壳拉筋结构优化方案。

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节流配汽超超临界汽轮机调门特性与经济运行

黄喜军, 胥建群, 于忠平, 孙剑, 张浩峰, 陈晓欣

机械工程学报. 2018, 54(22): 168-176. https://doi.org/10.3901/JME.2018.22.168

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汽轮机主蒸汽流量是机组性能指标计算的关键参数之一，采用现有调门模型对其计算面临建模繁琐、模型复杂和计算过程参数难以获取等问题。针对有效面积变化的汽轮机高压调门，提出用椭圆公式对其建模，并用公开文献试验数据对其进行验证。结合阀门模型，以某660 MW节流配汽型超超临界汽轮机组为研究对象，对该机组进行变工况计算，研究不同负荷的不同运行策略下，高压缸效率和机组经济性的变化情况。结果表明，椭圆公式能够表现调门变工况特性，该方法建模过程简单，计算方便，在调门工作区域内计算精度高。机组高压缸效率随着高压调门开度的减小而减小，纯滑压运行方式下热耗率最低，但考虑到电网调频要求，建议机组变工况运行时调门开度控制在30%～45%为宜。所推荐的宽范围变工况运行策略在调门调节裕量满足电网调频的要求下，能够提高机组的经济性和深度调峰能力。研究结果可为同类型机组的运行优化策略提供参考。

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不同燃油温度下柴油机喷嘴空穴流动特性试验研究

何旭, 李彦凯, 石永昊, 侯兴和, 李向荣, 刘福水, 黎一锴

机械工程学报. 2018, 54(22): 177-183. https://doi.org/10.3901/JME.2018.22.177

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作为喷射系统的终端，喷油器内部的空穴流动对燃油雾化具有重要影响。采用比例放大透明喷嘴，研究不同燃油温度对喷嘴内空穴流动及其对近场喷雾的影响。引入无单位参数空穴数表征喷油器内燃油空化程度，研究发现燃油温度升高，其空穴初生时的压力减小，同一空穴数下，空穴程度更强烈。同时，试验观察到喷嘴内空穴区域的不对称性，喷孔管壁下壁面的空穴分布远大于上壁面的空穴分布；发生超空穴之后，随着空穴数的增加，试验结果中喷嘴内部的空穴流动变化不太明显，但仿真结果中看出喷孔出口流速减小。相同燃油温度下，随着空穴数增加，体积流量增加，流量系数减小，空穴相对面积增加，近场喷雾锥角增大；相同空穴数下，燃油温度增加使体积流量和流量系数都增加，空穴相对面积逐渐增大，近场雾化效果更好。

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高速铁路钢轨打磨技术的发展现状与展望

樊文刚, 刘月明, 李建勇

机械工程学报. 2018, 54(22): 184-193. https://doi.org/10.3901/JME.2018.22.184

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钢轨在服役过程中不可避免会产生波磨、裂纹、剥离、肥边等各种损伤和缺陷，严重影响其使用寿命和列车运行安全。钢轨打磨是当前国内外公认的去除表面损伤和缺陷、抑制滚动接触疲劳、改善轮轨匹配关系、延长钢轨使用寿命、提高列车运行平稳性、安全性以及乘客舒适度的有效和通用手段。概述预打磨、预防性打磨和修复性打磨三种钢轨打磨策略，然后将适用于高速铁路的钢轨打磨技术系统性的分为砂轮端面打磨技术、砂轮周面打磨技术、铣磨复合打磨技术、砂轮高速打磨技术和砂带打磨技术，并对每种打磨技术的原理、国内外相关研究及其对应的典型打磨装备发展现状进行详细评述，最后指出高速铁路钢轨打磨装备总体上呈现智能化、高效化、多样化和绿色化发展趋势，打磨技术将随着先进制造理念的不断渗透而发展进步，同时须研发我国自主化高端钢轨打磨装备，以全面提升我国高速铁路钢轨维护水平。

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生命周期大数据驱动的复杂产品智能制造服务新模式研究

任杉, 张映锋, 黄彬彬

机械工程学报. 2018, 54(22): 194-203. https://doi.org/10.3901/JME.2018.22.194

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在分析当前制造企业产品生命周期管理面临的挑战与现有制造服务模式不足的基础上，针对复杂产品生命周期数据呈现的大数据特性，提出一种生命周期大数据驱动的复杂产品智能制造服务新模式，并设计了一种体系构架。以产品生命周期为主线，提出并详细阐述了生命周期大数据驱动的智能制造服务新模式的关键技术体系与实现框架，包括制造和运维动态数据驱动的产品与服务设计、实时多源数据驱动的生产过程分析与优化、面向服务的运维数据故障演化分析与预测等。通过上述体系构架及关键技术的实施，可有效促进生命周期各阶段数据和知识的集成应用，进而构建一种产品设计闭环创新、生产过程实时优化、运维服务动态预测的产品生命周期管理与运作机制，以提升全制造流程和全生命周期管理的智能决策能力。所提体系和框架可为生命周期大数据驱动的智能制造服务研究和应用提供一种参考模型。

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超磁致伸缩谐波电机致动器设计方法与特性研究

朱林剑, 曹向峥, 陆玉前

机械工程学报. 2018, 54(22): 204-211. https://doi.org/10.3901/JME.2018.22.204

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针对普通谐波齿轮传动需由电机经波发生器输入运动和动力，空间利用率低、惯性大、高速响应差的问题，提出一种由超磁致伸缩材料驱动的有源谐波电机。致动器作为谐波电机动力源及换能装置，对其磁场强度、均匀性、漏磁及空间限制等均有严格要求，据此提出分段内置式永磁结构布局，充分利用空间并改善均匀性；通过对偏置磁场和驱动磁场强度及均匀性影响因素研究，优化致动器参数；随后利用有限元法建立致动器模型并对磁场特性仿真分析；根据优化结构研制出超磁致伸缩谐波电机致动器样机，并对其输出特性试验研究。理论分析与试验结果表明，分段内置式永磁结构漏磁极小，所提出的设计理论和方法，保证了磁场强度和均匀性的同时也保证了致动器工作在准线性范围内，输出规律符合啮合要求，易于实现精准控制，为超磁致伸缩谐波电机走向实际应用奠定了基础。

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基于Fuzzy-PID的大规格铸锭结晶器液位控制

郭成林, 蒋日鹏, 李晓谦, 李瑞卿, 张立华

机械工程学报. 2018, 54(22): 212-217. https://doi.org/10.3901/JME.2018.22.212

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大规格铸锭工艺过程复杂，其结晶器液位控制直接影响到铸锭的质量，针对液位控制的时变性和滞后性，建立液位控制系统的数学模型，采用模糊自适应PID控制策略，给出模糊控制规则并进行了控制器的设计，实现了PID参数的在线自整定，Matlab仿真结果表明该系统较常规PID控制具有更好的鲁棒性。在S7-300PLC的基础上改进液位闭环控制程序，加入模糊控制，通过软件WinCC flexible组态触摸屏监控画面，建立与PLC的连接，控制过程与Matlab仿真结果一致。

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考虑产品运行大数据的装载机变速箱优化设计

王少杰, 侯亮, 方奕凯, 林浩菁, 郭涛, 焦建新

机械工程学报. 2018, 54(22): 218-232. https://doi.org/10.3901/JME.2018.22.218

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准确获知产品运行大数据对于产品研发与创新具有重要意义。传感网、物联网和CPS等技术的发展使得越来越多的产品运行数据获取成为可能，在此基础上，提出基于运行大数据采集、分析和应用的装载机变速箱优化设计流程。首先选取原生土、铁矿石、细沙和煤渣四种作业对象的典型作业工况，设计采集方案并完成运行大数据采集；然后将获取的挡位信号转化为累积挡位利用率，液压泵压力信号转化为液压系统分流功率，并以此作为轮式装载机动力性和燃油经济性的建模优化因素；最后利用MOPSO和NSAG-Ⅱ两种优化算法权衡动力性、经济性及约束条件的多目标竞争与冲突关系，最终获得保证最优动力性基础上，实现最佳经济性的可行域解集。两种算法获得的最优解集相对于原始设计，在同等仿真条件下，分别使功率损失率降低8.83%、4.80%，工况油耗降低0.19%、0.34%。研究表明，将在役产品运行大数据反馈应用于产品研发前端的设计方法，是实现产品升级和创新设计的一个有效途径。

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2018年, 第54卷, 第22期　
刊出日期：2018-11-20

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