机械工程学报

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乔严程, 解社娟, 仝宗飞, 唐敬达, 许盼盼, 李骥, 李丽娟, 陈振茂

机械工程学报. 2020, 56(18): 1-6. https://doi.org/10.3901/JME.2020.18.001

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磁性水凝胶是具有磁性纳米粒子的水凝胶，具有独特的磁响应特性，被广泛应用于组织工程支架、生物工程细胞分离、药物载体和环境工程等方面。磁性水凝胶的磁性纳米粒子的分布对其磁响应有着决定性的作用，因此，对于磁性水凝胶的磁性均匀性分析是十分必要的。目前，对于磁性水凝胶的无损检测手段基本空白，鲜见文献报道。磁性水凝胶中磁性纳米粒子在交变磁场作用下由于弛豫作用会产生热量。基于以上研究背景，研究针对磁性水凝胶材料开发一种新型无损检测手段：基于交变磁场的红外热成像检测方法。通过对磁性水凝胶和铜粉硅胶板的检测，验证磁性水凝胶在交变磁场作用下的发热原理；通过对不同浓度磁性水凝胶的检测，验证利用交变磁场的红外热成像对磁性水凝胶中磁性纳米粒子均匀性分析的可行性，并对磁性水凝胶中磁性粒子分布不均、气泡缺陷分别进行检测，结果显示均能较好地检出；基于理论分析得出磁性水凝胶在交变磁场作用下的表面温升速率与其磁性纳米粒子浓度存在线性关系的猜想，通过对不同浓度水凝胶的检测得到的数据进行拟合，证实磁性水凝胶中磁性纳米粒子的浓度与其表面温升速率存在线性关系。

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数据驱动的聚类分析故障识别方法研究

王庆锋, 刘家赫, 卫炳坤, 张程

机械工程学报. 2020, 56(18): 7-14. https://doi.org/10.3901/JME.2020.18.007

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设备故障预测与健康管理已经进入了智能化时代，从设备状态监测数据中分析、提取故障特征信息，实现故障自动识别与分类是实现故障自愈调控的前提。以离心压缩机为研究对象，基于K-means聚类分析和数据驱动方法，构建K-means聚类故障模式识别模型，筛选故障识别灵敏度高的故障特征参数作为模型输入参数，基于监测数据训练得到不同故障的聚类中心，探索数据驱动的基于聚类中心距离判据的离心压缩机故障识别方法。应用中石油某公司离心压缩机正常和喘振、碰摩、不对中故障案例数据进行模型验证，结果表明：监测数据驱动的聚类分析故障识别方法能够实现离心压缩机多故障模式自动识别；与支持向量机故障识别方法相比，K-means聚类分析故障识别模型准确性更高；数据驱动方法计算实时监测数据聚类中心，利用直观距离判据实现故障模式自动识别，能够实现故障诊断和智能决策实现，为开展自愈调控提供技术支撑。

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检测机械手轨迹突变点识别方法

赵新玉, 温欣, 段晓敏

机械工程学报. 2020, 56(18): 15-21. https://doi.org/10.3901/JME.2020.18.015

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结合六轴机械手和超声无损检测技术实现自动检测，是检测自动化领域重要发展方向。超声检测要遵循运动平稳原则，检测轨迹中姿态变化较大会导致机械手速度突变，造成超声耦合不佳影响检测结果。针对上述问题，提出一种基于特殊欧几里得群信息几何结构的轨迹突变点识别方法，以轨迹当前点和前后若干点的黎曼均值差异为突变点检测依据，来预先识别出轨迹突变点，进而在这些突变点附近进行速度平滑处理。利用六轴机械手运动学反解方法验证了基于黎曼均值方法识别轨迹突变点的有效性。进一步，开展了机械手平台运动实验，识别突变点并降低邻近三点速度，使机械手各轴检测运动更加平稳。

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铀及铀合金材料塑性变形机理及轧制技术研究进展

刘泾源, 崔晓磊

机械工程学报. 2020, 56(18): 22-34,42. https://doi.org/10.3901/JME.2020.18.022

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铀及铀合金以其优良的机械性能和核性能作为结构材料和功能材料广泛应用在能源和核工程领域中。低温下金属铀特殊的正交晶体结构导致其塑性变形性能与常规材料有着很大的不同，α-U形变机制以孪生为主，因此材料低温塑性成形性能较差，高温下的γ-U具有体心立方结构，滑移系多，易于塑性变形，因此以往铀材料板材轧制通常在高温下（750~1 000℃）完成。由于放射性材料高温加工会引起严重的气溶胶污染，给环境及人员防护工作带来巨大困难，近年来，铀材料低温（<500℃）轧制技术的研发不断推进，通过理论的深入不断指导工艺的修正，使得α-U的轧制逐渐趋于成熟，目前低温轧制已获得了金属铀、U-Nb合金、U-Mo合金等多种板材，也为板料后续成形（拉深、旋压、胀形、冲裁等）技术的优化奠定基础。

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基于高保压与开模发泡的微孔发泡注塑产品发泡行为控制与泡孔结构改善

董桂伟, 赵国群, 武欢, 王桂龙

机械工程学报. 2020, 56(18): 35-42. https://doi.org/10.3901/JME.2020.18.035

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针对微孔发泡注塑技术存在的工艺和产品质量问题，构建高保压和开模发泡微孔发泡注塑系统，试验研究不同工艺条件下微孔发泡注塑co-PP的熔体发泡行为和产品泡孔结构演变。结果表明，高保压和开模发泡能够良好调控微孔发泡注塑熔体的发泡行为，改善产品泡孔结构。在高保压压力和长保压时间作用下，微孔发泡注塑熔体填充过程中形成的泡孔进一步变形并重新溶回到熔体中，同时填充结束后发泡的熔体保持不发泡，使型腔中的熔体整体回复到一个较稳定的未发泡状态。开模发泡时，模具打开一定距离，给予熔体一个充足的发泡空间，使型腔中的未发泡熔体压力迅速下降，泡孔稳定长大，最终得到具有高发泡倍率和良好泡孔结构的微孔发泡注塑产品。微孔发泡注塑熔体发泡行为及其对应产品泡孔结构的调控与改善，关键在于对其填充过程中发泡的控制和填充结束后发泡的促进两方面。

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热轧高强带钢纵切后侧弯缺陷及其内应力重分布

周兵营, 邵健, 何安瑞, 司小明, 崔宇轩, 闻成才

机械工程学报. 2020, 56(18): 43-50. https://doi.org/10.3901/JME.2020.18.043

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控轧控冷技术已经普遍应用于高强钢的生产过程当中。由于细晶强化的需求，高强钢冷却速率快，横向温度的不均和冷却不同步明显，使得轧制和冷却过程中沿带钢横向分布的内应力差异控制难度大，在后续的纵切分条过程中易导致侧弯缺陷，这是高强钢生产中存在的共性难题。利用有限元软件ABAQUS结合FORTRAN子程序，建立热轧高强带钢纵切过程的有限元模型，并通过解析模型进行反向验证，研究带钢纵切后侧弯缺陷及其内应力重分布。结果表明，纵切后各分条侧弯与带钢内应力重分布紧密相关，纵切打破带钢初始内应力的平衡状态，各分条内应力重新分布并达到二次平衡状态，同时产生侧弯缺陷。结合研究结论，对某热轧厂高强钢平整过程进行工艺优化，解决了汽车大梁钢M510L纵切后第一、第四分条向外侧弯问题，验证了研究过程和结果的正确性。针对带钢纵切过程中内应力重分布的研究，可为今后纵切缺陷的预防提供理论指导。

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C/C编织复合材料双剪连接结构的挤压强度

唐玉玲, 陈浩, 周振功, 张琰, 郭颖

机械工程学报. 2020, 56(18): 51-60. https://doi.org/10.3901/JME.2020.18.051

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对碳/碳（C/C）编织复合材料双剪螺栓连接结构进行试验与数值研究。在拉伸载荷下对C/C编织复合材料螺栓连接结构的挤压接强度进行测试，分析堆叠顺序、开孔直径和预紧力对失效模式和挤压强度的影响，得到C/C编织复合材料双剪螺栓连接结构的失效模式，给出结构的失效机制。采用ABAQUS建立连接结构的非线性接触模型，利用垫片升温法实现螺栓预紧力，采用VUMAT子程序建立基于应变的Hashin破坏模型，该模型可效预报C/C编织复合材料双剪螺栓连接结构的渐进损伤、失效模式及挤压强度。利用该分析模型，给出C/C编织复合材料双剪螺栓连接结构的铺层方式和几何尺寸设计参考值，并绘制了该类材料双剪螺栓连接结构的破坏包线图。

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液氮冷却低温切削镍基合金Inconel 718的试验与仿真

李建明, 王相宇, 乔阳, 付秀丽, 郭培全

机械工程学报. 2020, 56(18): 61-72. https://doi.org/10.3901/JME.2020.18.061

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低温切削加工技术可以有效改善高温合金加工过程中存在的切削温度高、加工质量差等问题。对镍基合金Inconel 718进行低温条件下的静态拉伸试验和Hopkinson压杆试验，测试Inconel 718合金低温力学性能，构建合金低温本构模型，采用单因素切削试验与有限元仿真相结合的方法，研究低温切削加工Inconel 718合金的切屑形貌、切削温度场和应力场。试验结果表明，在低温条件下，Inconel 718合金的强度提高，延伸率和塑性降低；修正后的Johnson-Cook本构模型可以准确地描述Inconel 718合金在低温条件下的动态力学性能；低温切削试验表明低温冷却导致切屑的锯齿化程度增大；仿真结果表明低温切削有效降低了切削区域的温度，改善了切削变形区的应力分布。与传统切削加工方式相比，低温切削技术对高温合金的切削加工性有很明显的改善。

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B439铁素体不锈钢凝固过程中TiN析出热力学分析

董旭光, 付俊伟

机械工程学报. 2020, 56(18): 73-80. https://doi.org/10.3901/JME.2020.18.073

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虽然TiN析出热力学已有较为广泛的研究，但TiN异质形核热力学报道较少。TiN热力学计算表明，TiN不会在熔炼过程中析出，凝固过程中Ti和N元素被逐渐排到固、液界面，和初始成分相比，凝固末期液相中Ti和N的浓度分别提高了7.4和3.2倍。依据析出热力学以及钢中MgO及Al₂O₃的能谱分析可知，钢液冷却时首先析出镁铝尖晶石（MgO·Al₂O₃），TiN以这些氧化物为核心进行异质形核。Ti、Nb稳定的B439M铁素体不锈钢中观察到存在复合型夹杂：TiN以氧化物为核心形核，TiN被外层的NbC包裹住，形成复合型夹杂，试验结果和热力学计算一致。试验结果证明，Ti优先和N结合形成TiN，而Nb倾向和C结合形成NbC。

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6061-T651铝合金动态力学性能及断裂准则修正

邓云飞, 张永, 曾宪智, 杨永刚

机械工程学报. 2020, 56(18): 81-91. https://doi.org/10.3901/JME.2020.18.081

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为研究应力三轴度、Lode角、温度和应变率对6061-T651铝合金材料断裂特性的影响，利用万能材料试验机，分别进行不同应力状态、温度和应变率下的材料力学性能测试试验。首先，通过测试试验发现，6061-T651铝合金材料的断裂应变随应力三轴度的增加而减小，并且在低应力三轴度范围内，Lode角对材料断裂应变影响十分明显。当材料温度低于250℃时，温度对材料流动应力有显著影响，断裂应变基本不受温度影响；当材料温度高于250℃时，温度对材料的流动应力和断裂应变都具有显著影响。此外，应变率对6061-T651铝合金材料的断裂应变无显著影响。其次，基于力学性能试验结果，修正Johnson-Cook（J-C）断裂准则得到Modified Johnson-Cook（MJC）准则，标定MJC和Modified Mohr-Coulomb（MMC）断裂准则的各项参数。最后，采用一级气炮进行球形弹体撞击6061-T651铝合金板试验，得到靶板的弹道极限速度和失效模式。采用ABAQUS/Explicit有限元软件建立相应的弹体撞击靶板三维模型，进行数值模拟计算。通过对比试验与数值模拟结果，验证模型及其参数的有效性。相对于Lode角无关的MJC断裂准则，Lode角相关的MMC断裂准预测结果更接近于试验。

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汽车转矩定向分配驱动技术发展现状综述

王军年, 杨斌, 王庆年, 倪健土

机械工程学报. 2020, 56(18): 92-104. https://doi.org/10.3901/JME.2020.18.092

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直接横摆力偶矩控制被广泛用于维持汽车稳定性，但是存在着降低车速、额外能量消耗的缺点，影响驾驶体验。近年来出现了采用差动驱动的转向定向分配（Torque vectoring，TV）新技术，该技术在控制车辆稳定性的同时减少了动力消耗，兼顾了车辆操纵稳定性和驾驶乐趣的双重需求。为全面了解TV技术发展现状，明确未来技术走向，首先介绍TV技术基本概念和研究热点问题，全面回顾关键总成转矩定向分配差速器的技术发展脉络。接着分析几种现有应用于传统汽车上的代表性转矩定向分配差速器的工作原理和技术特点。最后针对电动汽车，提出一种新型电动转矩定向分配驱动桥的自有专利技术，论证了其力学特性和工作原理。研究可见，TV技术能够一定程度上解决车辆稳定性控制与驾驶乐趣的矛盾；提出的无离合器摩擦元件的新型电动转矩定向分配驱动桥，其灵活自由的轮间转矩分配的特性将会在电动汽车综合动力学性能提升方面发挥重要作用。TV技术将成为未来电动汽车向高性能、高端化方向发展的重要研究方向。

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基于新型改进遗传算法的混合动力客车高效制动能量回收预测控制策略研究

张渊博, 王伟达, 张华, 杨超, 项昌乐, 李亮

机械工程学报. 2020, 56(18): 105-115. https://doi.org/10.3901/JME.2020.18.105

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制动能量回收是提升混合动力客车燃油经济性的核心技术之一。然而基于传统客车机械制动系统与制动能量回收系统集成的混合制动系统，在多种复杂市区、郊区甚至极限工况下，如何通过合理分配再生制动力矩和摩擦机械制动力矩，保证整车稳定性和经济性均衡最优，仍为新能源汽车领域亟待解决的难题。为此，提出一种基于新型改进遗传算法的混合动力客车高效制动能量回收控制策略。结合混合制动系统结构与动力学特性，搭建7自由度整车纵向动力学模型；考虑轮胎在临界稳定区域的高度非线性以及制动过程中稳定性、经济性等性能要求的多目标特性，采用遗传算法对有限时域内的前后轴机械制动力矩及电机制动力矩的最优分配问题进行预测求解，并采取滚动优化策略实现整个制动过程的最优控制，同时为了防止在预测域内收敛于局部最优解，设计多子种群各自迭代并组合优化的方法对遗传算法进行改进；基于多维表格和最近点的方法对该控制策略进行实时化处理，并完成仿真与硬件在环试验。试验结果表明提出策略在保证整车稳定性的同时，较实车控制器中采用的规则式控制策略，提升15%的制动能量回收率。

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形态学滤波方法在车轮非圆化信号降噪中的应用

陶功权, 谢清林, 刘晓龙, 任德祥, 温泽峰

机械工程学报. 2020, 56(18): 116-122. https://doi.org/10.3901/JME.2020.18.116

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铁道车辆车轮踏面通常存在麻坑等缺陷，在车轮非圆化测试信号中往往包含这些干扰信号，其尺寸小于轮轨接触斑尺寸。采用形态学滤波方法对车轮非圆化信号进行降噪处理。研究不同尺度和不同形状结构元素对车轮非圆化信号的降噪效果。针对形态学滤波在信号"细节刻画"上较为粗糙的缺点，构建形态学滤波+三次样条平滑的降噪方法，并且对比新方法与传统的车轮非圆化信号降噪方法的降噪效果。以不同降噪方法得到的车轮非圆化信号作为输入，研究车轮非圆化对轮轨动力相互作用的影响。结果表明，采用幅值为1 mm宽度为4 mm的三角形结构元素进行形态学滤波+三次样条平滑的降噪方法能更好地滤除车轮非圆化信号中的噪声信号，滤波效果优于传统的车轮非圆化信号处理方法，并且能够保留原始信号特征。

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考虑复杂激励条件的分布式驱动电动汽车路面附着系数自适应估计方法

熊璐, 金达, 冷搏, 余卓平, 杨兴

机械工程学报. 2020, 56(18): 123-133. https://doi.org/10.3901/JME.2020.18.123

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路面峰值附着系数是实现车辆高品质运动控制的关键参数，参数估计的精度与实时性会极大地影响控制的效果，而多数动力学估计算法受限于车辆的激励条件，难以达到满意的估计效果。设计一种模糊自适应路面附着系数融合估计方法，充分利用车辆纵侧向激励，以实现算法对车辆不同行驶工况的估计适应能力。分别设计不同激励条件下的路面附着系数估计方法，通过车辆状态参数判断满足的激励条件，模糊推理出当前纵侧向轮胎力所能达到的极限，并据此设计融合观测器进行估计结果融合。多工况仿真和实车试验的结果表明，融合观测器在高低附路面下和不同轮胎力激励时能快速估计出路面的峰值附着系数，估计精度较高，同时对轮胎力纵侧耦合的工况具有一定的鲁棒自适应性。

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地铁转向架构架台架试验载荷谱编制方法

张子璠, 杨广雪, 李强, 刘汉文

机械工程学报. 2020, 56(18): 134-142. https://doi.org/10.3901/JME.2020.18.134

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采用国际通用的台架试验规范对地铁转向架构架进行疲劳评估时，会出现无法完全覆盖线路实际工况的情况。为更准确地评价构架的疲劳可靠性，在综合分析构架寿命评估要求和试验台控制方案的基础上，给出载荷相位关系及加载频率的确定方法，根据频域疲劳理论和损伤一致性原则，提出基于构架载荷和应力的线路实测数据的适用于不同相位多通道加载的加速程序载荷谱编制方法。损伤计算结果表明，基于实测数据的载荷谱计算损伤速率已覆盖实测损伤速率，校准后的损伤比值范围在1.04~6.47。将频域法损伤结果与基于时域内准静态叠加法得到的结果进行对比，结果表明，频域法和时域法的误差带在8.33%~18.60%，表明采用提出的试验台多通道加载方案，可以准确反映载荷耦合作用下结构的应力响应。该研究成果为基于实测数据的地铁转向架构架台架谱的建立提供了新思路。

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基于车辆行驶安全边界的换道控制

王慧然, 王其东, 陈无畏, 赵林峰, 魏振亚, 蔡必鑫

机械工程学报. 2020, 56(18): 143-153. https://doi.org/10.3901/JME.2020.18.143

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针对大多数换道控制研究中存在的换道环境不同致使换道安全性难以保证的问题，提出一种基于车辆行驶安全边界的换道控制方法。首先，根据自车与周围关联车辆之间的换道空间和碰撞时距，设计换道状态决策方法。其次，基于车-路位置关系和车辆安全矩形区域建立车辆位置安全边界；同时基于换道行驶稳定性限制和不同换道状态下的横摆角速度要求，建立与换道状态相对应的车辆运动状态安全边界。将车辆位置安全边界和车辆行驶安全边界作为车辆换道行驶状态参数的约束，以目标车道中心线为参考轨迹，设计模型预测控制器决定车辆换道的期望前轮转角。最后，进行自动换道仿真，并基于Carsim/Labview的硬件在环试验台上进行硬件在环试验，仿真和试验结果表明，提出的换道控制方法可以充分地利用换道空间，能使车辆更好地应对不同换道环境，提高了车辆换道的安全性和舒适性。

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基于电池组模型和聚类算法的锂离子电池组SOC不一致估计

向兆军, 胡凤玲, 罗明华, 方崇全, 胡晓松

机械工程学报. 2020, 56(18): 154-163. https://doi.org/10.3901/JME.2020.18.154

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限于单体的功率和能量，电池组必须由成百上千的单体串并联而成，同时依赖于有效的电池管理技术，从而保证车辆行驶的动力性和经济性。然而制造误差和使用环境的不同导致电池单体存在不一致性，这使得准确估计所有单体电池荷电状态（State of charge，SOC）变得困难，从而导致电池发生过充和过放。因此，融合电池组模型和聚类算法，提出一种新的锂离子电池组SOC不一致估计方法，在保证精度的同时极大地降低计算复杂度。基于充电数据特征利用二分k-means算法将众多单体分为不同等级，减小需要考虑的对象；建立考虑参数不一致的电池组模型，用于估计单体SOC；从仿真数据和实车数据两方面验证估计结果的精度和计算复杂度，并与现有模型对比，结果表明所提方法单体SOC估计的误差在0.03以内，计算效率提高3~6倍。

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电子器件轴流冷却风扇气动噪声周向模态试验

孙宗翰, 田杰, 郑浩轩, 俞泽安, 欧阳华

机械工程学报. 2020, 56(18): 164-171. https://doi.org/10.3901/JME.2020.18.164

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包含进口不规则形状的电子器件轴流冷却风扇的周向声模态尚不明确，需要对其噪声特性有更加深入的认识。对电子器件散热领域常用的一款变速轴流风扇的气动噪声特性开展试验研究。首先分析了风扇远场噪声频谱特征和指向性，进风一侧一阶叶片通过频率噪声幅值最大，出风一侧三阶叶片通过频率噪声幅值最大，显示进出风口具有不同的离散单音影响因素。风扇驱动电机电源线在静叶支撑上的排线方式对总声压级和噪声指向性有明显的影响。然后基于18和8两种均布测点的模态校正方法，准确识别了冷却风扇进出口前三阶叶片通过频率下的周向声模态分布，在计及风扇进口导流罩非轴对称形状的基础上，对传统的TYLER-SOFRIN动静干涉模态计算公式进行修正，并通过试验证实其有效性。

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NACA翼型叶顶对低展弦比向心涡轮影响特性

王星, 朱阳历, 李文, 左志涛, 陈海生

机械工程学报. 2020, 56(18): 172-179. https://doi.org/10.3901/JME.2020.18.172

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针对压缩空气储能向心涡轮叶片展弦比低、叶顶间隙泄漏损失大的问题，将NACA0004翼型引入叶片顶部厚度分布以改善气动性能。采用ANSYS CFX软件对向心涡轮三维流场进行数值求解，分析0.5%~8%叶顶间隙范围内NACA0004翼型叶顶对间隙泄漏流结构和损失特征的影响。结果表明，NACA0004翼型叶顶对向心涡轮等熵效率的影响随叶顶间隙而变化。当叶顶间隙为0.5%时，NACA0004翼型叶顶使向心涡轮等熵效率降低0.3%；当叶顶间隙由1%增加至8%时，NACA0004翼型叶顶对等熵效率提升值由0.4%增加到1.9%。不同叶顶间隙下NACA0004翼型叶顶对间隙泄漏流损失特影响机理存在差异，当叶顶间隙为0.5%时，NACA0004翼型叶顶使泄漏流集中在叶片吸力面附近，并在叶轮出口区域产生更多泄漏流，增加叶片吸力面附近流动损失；当叶顶间隙为1%~8%时，NACA0004翼型叶顶能够降低叶片前缘和尾缘附近叶片压力面和吸力面压差，减小叶顶间隙泄漏流速度，降低与主流掺混强度，抑制流动损失。与此同时，叶轮强度也满足要求。研究成果可为同类向心涡轮叶顶间隙泄漏损失的控制提供参考。

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波浪能捕获液压系统的特性研究

高红, 梁睿智

机械工程学报. 2020, 56(18): 180-187. https://doi.org/10.11985/2020.18.180

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为研究波浪能捕获液压系统在真实海况中的运行情况，建立随机波浪力作用下液压系统能量转化模型，模拟有效波高范围在1~4 m和能量周期范围在4~11 s的随机波浪力，获得随机波浪力作用下的液压波浪能捕获系统能量转化特性，探究有效波高和能量周期对波浪能捕获系统特性的影响规律。结果表明，该系统的液压缸平均位移随着有效波高增大而呈线性增加，随能量周期从4 s到7 s显著增加而7 s到11 s区间内逐渐趋于平稳；液压缸平均输出力、液压缸平均捕获功率、高压蓄能器压力、液压马达平均转速以及液压马达平均输出功率均随有效波高的增大而增大，随能量周期的增加迅速增大后逐渐减小，最佳能量周期在5~6 s。计算波浪能捕获系统的液压缸捕获功率矩阵、马达输出功率矩阵、液压系统转换效率矩阵。在有效波高为4 m，能量周期为5.5 s的海况下，液压缸平均捕获功率为62.44 kW，马达平均输出功率为47.52 kW，液压系统能量转换效率为76%，不同海况下液压系统的能量转换效率在74%~80%。结合南海海域15个点的全年海况统计数据，计算该波浪能捕获系统在15个观测点的全年捕获能量，单浮子在P11点全年能够捕获106.82 MW·h的能量，为波浪能捕获系统的设计以及选址提供理论依据。

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波浪能捕获液压系统的特性研究

高红, 梁睿智

机械工程学报. 2020, 56(18): 180-187. https://doi.org/10.3901/JME.2020.18.180

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为研究波浪能捕获液压系统在真实海况中的运行情况，建立随机波浪力作用下液压系统能量转化模型，模拟有效波高范围在1~4 m和能量周期范围在4~11 s的随机波浪力，获得随机波浪力作用下的液压波浪能捕获系统能量转化特性，探究有效波高和能量周期对波浪能捕获系统特性的影响规律。结果表明，该系统的液压缸平均位移随着有效波高增大而呈线性增加，随能量周期从4 s到7 s显著增加而7 s到11 s区间内逐渐趋于平稳；液压缸平均输出力、液压缸平均捕获功率、高压蓄能器压力、液压马达平均转速以及液压马达平均输出功率均随有效波高的增大而增大，随能量周期的增加迅速增大后逐渐减小，最佳能量周期在5~6 s。计算波浪能捕获系统的液压缸捕获功率矩阵、马达输出功率矩阵、液压系统转换效率矩阵。在有效波高为4 m，能量周期为5.5 s的海况下，液压缸平均捕获功率为62.44 kW，马达平均输出功率为47.52 kW，液压系统能量转换效率为76%，不同海况下液压系统的能量转换效率在74%~80%。结合南海海域15个点的全年海况统计数据，计算该波浪能捕获系统在15个观测点的全年捕获能量，单浮子在P11点全年能够捕获106.82 MW·h的能量，为波浪能捕获系统的设计以及选址提供理论依据。

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基于反时限方法的抽水蓄能机组振动保护模型

张飞, 潘伟峰, 江献玉, 孙尔军

机械工程学报. 2020, 56(18): 188-196. https://doi.org/10.3901/JME.2020.18.188

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稳定性监测与保护系统是保障抽水蓄能机组安全稳定运行的重要手段。受限于运行水头、有功功率等因素，振动保护系统跳机逻辑呈现日益复杂的趋势，不能实现机组运行异常或故障的可靠跳机。为解决这一问题，考虑材料疲劳曲线，引入电气工程广泛应用的反时限方法并应用到振动保护系统中。介绍反时限方法，在研究并总结抽水蓄能机组典型非稳态过程振动峰峰值特性基础上，提出振动保护的反时限定值整定方法及流程，采用具体电站实际事故验证了反时限方法的有效性。研究表明：按躲过正常过渡过程中出现的最大振动累积量并考虑1.5~2.0的可靠系数能够实现反时限保护的有效整定；基于反时限法的振动保护跳机逻辑简单可靠，能够解决目前振动保护系统逻辑复杂、可靠性差等问题；同时，该方法对于其他类型旋转机械具有参考价值。

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改进型BBO算法抑制电主轴转矩脉动

吴玉厚, 潘振宁, 张丽秀

机械工程学报. 2020, 56(18): 197-204. https://doi.org/10.3901/JME.2020.18.197

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电主轴输出转矩脉动强弱对其控制性能有重要的影响。当定子电阻的辨识结果有偏差时，定子磁链轨迹就会发生畸变，会使电主轴输出转矩脉动，因此研究如何抑制电主轴转矩脉动是非常有必要的。通过对电主轴转矩脉动分析，提出了直接转矩控制中生物地理学优化算法（Biogeography optimization，BBO）的应用策略。通过优化算法中算子、概率以及初始值改进BBO算法，改进型BBO算法增强了其开发能力和探索能力。结合非线性约束方程，将改进型BBO算法应用于电主轴转矩脉动的抑制。针对定子电阻辨识问题，提出了基于改进型BBO算法提高定子电阻在线辨识精度的方法，减小定子磁链轨迹畸变，达到了抑制电主轴转矩脉动的效果。针对调制波形中电压矢量作用时间细分的问题，提出了基于TRMPWM模型使用改进型BBO算法优化电压矢量作用时间，在不改变定子磁链轨迹的情况下，频率10 Hz稳态时电主轴转矩脉动降低了66%。仿真表明：基于改进型BBO算法提高定子电阻在线辨识的精准度和优化TRMPWM中电压矢量的作用时间，实现了抑制电主轴转矩脉动的目的。

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具有确保安全距离的A*路径优化方法

段书用, 王启帆, 韩旭, 刘桂荣

机械工程学报. 2020, 56(18): 205-215. https://doi.org/10.3901/JME.2020.18.205

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机器人或机械臂在工作空间中，路径的合理规划是提高搜索效率、减小搜索距离、确保作业安全的关键。现有的路径规划算法搜索过程复杂，在减小搜索距离的同时牺牲了对安全性的高可靠度考量。因此，本文提出一种改进的A*路径规划算法，在保证搜索效率的同时，确保沿着路径执行任务时的安全性。通过4邻域搜索A*算法与多邻域搜索A*算法的搜索时间、搜索距离、转折点个数对比，选择搜索时间较短，转折点个数较少的4邻域搜索作为搜索方式；在标准A*算法中加入安全距离矩阵，并改进其启发函数。提出针对不同环境条件下保证路径安全性要求的具体方法；提出基于不同环境工况条件下可确保安全距离的轨迹优化方法。研究结果表明本研究提出的改进A*算法的路径转折点少，搜索时间短，后处理简便，且能确保沿着路径执行任务时的安全性。

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电液比例伺服力加载自抗扰控制

王立新, 赵丁选, 刘福才, 孟凡亮, 刘谦

机械工程学报. 2020, 56(18): 216-225. https://doi.org/10.3901/JME.2020.18.216

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针对电液比例加载系统中力控制精度较低这一问题，提出一种由死区逆补偿与线性自抗扰器构成的串联控制器。所设计的串联控制器充分考虑了比例阀死区非线性、液压参数摄动、外部未知扰动等因素。首先，在分析电液比例力加载系统模型机理基础上，根据系统相对阶次，设计二阶线性自抗扰控制器，通过扩张状态观测器对系统"总扰动"进行实时估计，并采用线性误差反馈控制律给予主动补偿。此外，为解决比例阀死区引起的系统响应滞后与稳态误差过大等问题，建立光滑死区逆模型，以消除死区带来的不利影响。大量对比试验表明，提出的串联控制器有效地改善了系统动静特性，可达到更高的力控制精度，具有较强的鲁棒性和抗干扰性，为工程应用提供了参考。

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大流量压电式高速开关阀设计与仿真测试

俞军涛, 焦宗夏, 吴帅

机械工程学报. 2020, 56(18): 226-234. https://doi.org/10.3901/JME.2020.18.226

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针对目前高速开关阀快速性的不足及大流量的需求，利用压电晶体响应快速的特点，设计一种压电直动式高速开关阀，采用压电执行器直接驱动锥阀式阀芯结构，控制开关阀开启和关闭。设计桥式位移放大结构，放大压电执行器的输出位移，提高开关阀的控制流量。为补偿锥阀式阀芯结构开启、关闭过程中的液动力波动，提出锥阀+滑阀的组合式阀芯结构，建立其液动力模型，分析开关阀启闭过程中的负载力变化。建立压电直动式高速开关阀的数学模型，结合AMESim仿真软件分析、优化影响其性能的设计参数。搭建压电高速开关阀静态流量及动态启闭特性的试验测试平台，测试开关阀流量特性、启闭时间等性能指标，分析PWM控制载波频率及占空比与开关阀静态、动态流量之间的关系。基于设计参数仿真和实物样机试验测试结果表明，设计的压电式开关阀在压力10 MPa下，输出流量17.4 L/min，开启时间1.05 ms，关闭时间0.85 ms，实现大流量与快速性的要求。研究工作可为高速开关阀精确流量控制提供理论基础，对于拓展数字液压技术的应用具有重要意义。

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分腔独立变转速泵控电液伺服系统特性研究

王波, 郝云晓, 权龙, 王翔宇, 葛磊, 赵斌

机械工程学报. 2020, 56(18): 235-243. https://doi.org/10.3901/JME.2020.18.235

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阀控伺服系统动态响应快、控制精度高，但始终存在大的节流损失。泵控差动缸系统消除了节流损失，需要解决差动缸面积差造成的不对称流量问题。其中，单泵控差动缸系统，结构简单，使用辅助油源平衡不对称流量，但存在压力控制难、系统刚度差等问题；双泵控差动缸系统，匹配双泵排量比和缸两腔面积比平衡不对称流量，需要设计双液压泵协同控制算法。针对上述问题，提出了分腔独立变转速泵控差动缸电液伺服系统，采用两台变转速开式泵分别驱动差动缸两腔，自动适应差动缸不对称流量，不需要额外辅助油源和节流元件。借鉴阀控系统的静压平衡特性，设计了双泵协同控制的总压力策略，使液压缸在动、静态时两腔压力和保持定值，实现系统的预压紧和泄漏补偿，提高了系统刚度。为提高位置阻尼比和稳定性，进一步引入了加速度反馈对系统校正。理论分析和试验结果表明，系统具有好的动、静态特性，在四个象限内具有相同的速度增益，能够四象限驱动负载，仅采用简单的比例控制就能获得高的定位精度，控制特性与阀控系统类似，适用于液压电梯、压力机、注塑成型机等大功率工业设备。

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新型矿用高速抢险泵的设计与性能分析

柏宇星, 孔繁余, 赵飞, 徐振法

机械工程学报. 2020, 56(18): 244-253. https://doi.org/10.3901/JME.2020.18.244

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煤矿透水事故时有发生，现有抢险泵难以快速下井排水。为实现快速救援目标，提出一种新型体积小、流量大和扬程高的矿用高速抢险泵。机组设计采用上机下泵、机泵一体、独立冷却润滑回路、高速推力轴承机构以及水仓湿定子潜水电动机密封等关键技术。在同等流量、扬程的情况下，和现有产品相比，设计开发的矿用高速抢险泵在长度上减少了31%，重量减少了51.2%。以GFQ200-300型样机为例，通过数值模拟计算方法得出矿用高速抢险泵在6 000 r/min下，不同叶轮和导叶叶片数匹配模式下，最大扬程为304.56 m，最高效率为64.32%。样机试验结果表明：矿用高速抢险泵结构和水力设计合理，满足性能要求；数值模拟计算方法准确可靠，且采用SST k-ω模型最为贴近试验结果。样机整体机组结构和水力模型方案为后续大功率高速泵机组的设计提供了重要理论指导和技术积累。

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智能起重机货物装卸顺序优化与自动生成技术

李国杰, 丁晓红

机械工程学报. 2020, 56(18): 254-264. https://doi.org/10.3901/JME.2020.18.254

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起重机货物装载和卸载顺序优化和自动生成技术是实现起重机自动化、智能化作业，提升起重机作业效率的关键技术。建立起重机搬运作业分析模型，定义起重机搬运作业环境和货物状态，进一步构建起重机搬运货物三维位置信息数据库；通过将起重机装载和卸载顺序问题定式化，并根据起重机实际作业要求，限定最短搬运距离计算中搜索对象货物的数量，提出新的搜索和优化计算方法，由此建立一种有效的起重机卸载顺序生成规则、装载顺序优化及起重机装、卸作业顺序自动生成方法。通过起重机仿真分析平台对装载、卸载顺序优化和自动生成技术进行了验证。研究结果表明，提出的方法可以快速、自动生成起重机货物装卸顺序指令，实现起重机大批量货物的连续自动搬运作业，为起重机智能化装卸作业提供了关键技术支撑。

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刊出日期：2020-09-20

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