机械工程学报

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朱可, 霍彦文, 武通海, 陈志雄

机械工程学报. 2021, 57(10): 1-9. https://doi.org/10.3901/JME.2021.10.001

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基于图像的表面微观磨损形貌分析在磨损机理及状态分析中具有重要的地位，三维显微成像技术的应用已经将二维磨损形貌图像分析拓展到更丰富的三维分析领域。然而，从设备维护及故障监测的角度，在机或原位测量显然比上述先进测量更具吸引力，并且复杂、昂贵的先进表面测量技术至今无法打破其在机或原位测量的壁垒。针对现场检测与三维分析的需求，将光度立体视觉原理引入至微观磨损形貌的原位测量，借助便携式平面图像采集系统进行光学设计，提出一种采用多阴影平面图像的三维表面重构方法。首先，通过张正友标定法实现空间点由图像坐标系到相机坐标系的转换；然后，基于成像系统建立近场点光源模型，并由光度立体视觉算法求解表面法向量；最后，基于FC算法计算表面深度与高度信息，完成磨损表面微观形貌三维重构。基于上述方法，研制便携式图像采集与三维重构系统，分别对平面和曲面两类表面进行检测试验，并与共聚焦显微镜测量结果进行对比。测量与对比结果表明，截面曲线上特征点之间的高度差误差小于4.2%，截面二维参数误差小于10.9%，三维表面参数误差小于12.9%。上述工作表明，所提出的方法为机械设备部件磨损表面原位测量与分析提供有效的技术手段。

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频率添加奇异值分解算法及其在故障特征提取中的应用

赵学智, 叶邦彦, 陈统坚

机械工程学报. 2021, 57(10): 10-20. https://doi.org/10.3901/JME.2021.10.010

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针对奇异值分解（Singular value decomposition，SVD）的频率分离问题，研究了SVD对单个频率的分离条件，发现SVD分离单个频率的效果取决于各频率的幅值差异。若不同频率的幅值很接近，则SVD就不能分离这些频率，由此提出一种频率添加SVD算法。为了提取原信号中的特征频率，先对原信号添加该频率的理想正弦信号，使原信号中该频率成分和其他频率的幅值产生差异，从而实现对该频率成分的提取，从理论上证明此算法的可行性。仿真信号处理实例表明，即使对于频率值非常接近的两个频率，频率添加SVD算法亦可将它们准确分离，分离结果波形误差小，克服了原来SVD频率分离算法的缺陷。将此算法应用某转子系统的振动特征提取，准确地提取到振动的高阶倍频，发现高阶倍频振幅的周期性波动特征，并分析这种振幅周期性波动的原因。

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高温下金属材料厚度的激光超声检测研究

郑凯, 武兴, 李俊燕, 倪辰荫, 沈中华, 马向东, 俞燕萍, 何君华

机械工程学报. 2021, 57(10): 21-27. https://doi.org/10.3901/JME.2021.10.021

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针对高温条件下金属材料厚度测量的问题，使用激光超声技术，首先利用一束脉冲激光在金属材料中扫描激发超声，并使用激光测振仪在固定点探测，获得了从金属样品底面反射的体纵波脉冲信号的渡越时间，随后通过线性拟合获得了样品厚度及体纵波波速，并在室温到480℃的温度范围内实现了多块20号合金钢样品的厚度测量。多温度下、不同厚度的多样品测量结果显示，这一方法的测厚相对误差小于1.5%（样品厚度>10 mm），检测结果较为可靠。这一厚度测量方法与传统基于脉冲回波法的区别在于，这一方法不依赖于纵波声速测量，因此不需要考虑材料内部温度升高时所引起的声速变化。本研究成果可为高温下材料厚度的非接触式高精度测量提供新的解决方案和理论支持。

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基于碰撞风险评估的智能汽车局部路径规划方法研究

王明强, 王震坡, 张雷

机械工程学报. 2021, 57(10): 28-41. https://doi.org/10.3901/JME.2021.10.028

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针对结构化道路环境下智能汽车的动态路径规划问题，提出了一种基于碰撞风险评估的局部路径规划算法。利用三次样条曲线参数化表达全局路径，获取道路基准线；综合考虑车辆行驶安全性、规划路径平滑性等性能指标生成候选路径，通过归一化加权代价函数评估生成的候选路径；在全局路径信息引导下，获得当前状态下的局部最优路径。针对性能代价函数，引入风险场的概念，建立了符合行车风险客观规律的静态与移动障碍物风险模型，并结合高斯卷积建立了安全性代价函数；考虑候选路径曲率变化及全局路径追踪能力，设计了路径平滑性及偏移代价函数。仿真结果表明，提出的局部路径规划算法能够实时生成平滑、无碰撞路径，且在多种道路场景中实现对静态和移动障碍物的有效规避，满足实时性的要求。

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基于环境识别的电动工程机械无人驾驶行走方法

林添良, 姚瑜, 许文杰, 付胜杰, 任好玲, 陈其怀

机械工程学报. 2021, 57(10): 42-49. https://doi.org/10.3901/JME.2021.10.042

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无人驾驶技术是指车辆在任意环境和道路条件下，由无人驾驶系统控制车辆完成行驶任务的技术。工程机械作业环境恶劣，部分作业任务具有高度重复性，工程机械无人驾驶可有效降低驾驶员作业的风险，节约劳动力成本，提高作业效率。为实现电动工程机械的无人驾驶，针对电动工程机械的控制特性，采用基于摄像头的端到端决策系统。考虑到工程机械作业场景的特殊性，提出一种新型语义分割网络，该网络可实时融合由摄像头获取的空间特征，缩短图像处理时间，减少系统内存占用。通过在Udacity模拟器中测试发现，该系统可平稳完成模拟驾驶任务。搭建电动履带挖掘机无人驾驶综合试验平台，在非结构化道路上进行无人驾驶试验，试验结果表明，试验车可安全完成直线行驶、转弯任务，在小角度回正中具有较好的控制特性，为后续基于多摄像头的工程机械复杂工况识别与决策系统奠定基础。

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计及间隙和摩擦非线性的汽车传动系统瞬态振动冲击研究

杨亮, 夏元烽, 庞剑, 褚志刚

机械工程学报. 2021, 57(10): 50-64. https://doi.org/10.3901/JME.2021.10.050

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由于汽车传动链存在间隙，在离合快速接合过程中，轮齿之间的瞬态冲击容易产生严重的振动噪声问题，降低了整车声品质。为了分析由离合快速接合引起的传动系统瞬态振动冲击，针对后驱车传动系统，基于间隙和摩擦非线性理论，建立了包含分段线性的间隙单元和非线性摩擦单元的9自由度集中参数动力学模型。数值模拟了离合器在快速结合过程中，传动链产生的瞬态振动冲击现象。平面相位图揭示了在每次瞬态冲击时，齿轮间隙单元内的多次碰撞反弹现象，并且剖析了轮齿相对接触位移和相对运动速度之间的关系。和驱动桥间隙单元相比，变速器间隙单元产生的瞬态冲击力和弹性势能最大。在飞轮和离合器转速同步过程中，分析不同正压力条件下飞轮和离合器从动盘之间的摩擦转矩和摩擦Stick-Slip现象。和广泛使用的Karnoop摩擦模型相比，在离合器接合过程中，所建立的数值摩擦模型更好地仿真飞轮和离合器从动盘之间的摩擦转矩变化和摩擦同步产生的传动链瞬态振动冲击。上述数值分析结果得到了整车试验验证。

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连续多桥墩沉降与高速列车动态特性间的定量关系研究

陈兆玮, 翟婉明

机械工程学报. 2021, 57(10): 65-76. https://doi.org/10.3901/JME.2021.10.065

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高速铁路桥梁施工及运营过程中难免出现桥墩沉降，可能会导致列车通过时的异常振动。针对高速铁路连续桥墩沉降这一实际问题，探讨多桥墩沉降条件下轨道结构变形过程，并推导连续多桥墩沉降下钢轨变形方程。基于车辆-轨道耦合动力学，建立考虑多桥墩沉降的高速列车-轨道-桥梁动力学模型，并研究连续多桥墩沉降下高速列车的动态特性，探明列车动态特性变化情况与多桥墩沉降量之间的定量数学关系式。研究表明，连续多桥墩沉降会增大列车的振动；连续多桥墩沉降引起的钢轨附加变形对里程的二阶导数与车辆动态特性之间存在线性关系，该关系可用于简化传统车轨桥研究中的相关计算过程；基于列车运行安全平稳性指标，桥墩不均匀沉降应控制在26.3 mm以内，表明我国高速铁路中5 mm的桥墩沉降标准具有较高的安全余量。

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随机道路载荷下轮毂轴承服役寿命预测方法研究

赵礼辉, 李其宸, 冯金芝, 郑松林, 刘新荣

机械工程学报. 2021, 57(10): 77-86. https://doi.org/10.3901/JME.2021.10.077

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针对当前轴承寿命评价主要基于定值载荷工况，对于径向力、轴向力及弯矩动态耦合效应考虑较少，导致轴承实际服役寿命与理论寿命存在较大差异的问题，提出一种随机道路载荷下轮毂轴承的服役寿命预测方法。以试验场实测轮心六分力载荷数据为基础，通过联合分布计数确定多轴载荷间耦合频次关系，以确定损伤载荷作用次数；根据轴承滚子-滚道间的变形协调关系，并考虑弯矩作用下滚子角位移及滚道错位对载荷传递的影响，建立圆锥滚子轴承的外滚道-滚子-内滚道瞬时接触载荷计算模型；综合多轴载荷联合分布计数结果与接触载荷计算模型，采用Newton-Raphson迭代算法求解得到轴承周向接触载荷序列，并与Romax仿真结果对比验证结果的有效性；基于修正的L-P理论得到多轴载荷对应下的轴承当量动载荷，综合联合分布计数结果、线性损伤累积准则，完成试验场随机道路载荷下轮毂轴承寿命计算，并通过台架试验验证结果的准确性和方法的合理性。由此，可为轮毂轴承的设计选型及寿命预测提供参考依据。

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考虑齿间滑动影响的高速列车传动齿轮动态接触特性分析

肖乾, 王丹红, 陈道云, 朱海燕

机械工程学报. 2021, 57(10): 87-94. https://doi.org/10.3901/JME.2021.10.087

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为研究高速列车传动齿轮在啮合过程中因接触表面各啮合点处滑差不一致对动态接触特性的影响。以CRH3型动车组转向架传动齿轮为研究对象，基于齿轮接触相关理论及轮齿摩擦关系，引入考虑轮齿表面滑差、动力黏度及载荷等因素下的EHL时变摩擦模型，利用ABAQUS/Standard提供的隐式直接积分法对低速重载工况下的传动齿轮进行动态分析。通过对比无摩擦、常摩擦因数及变摩擦下的仿真结果分析齿轮间滑差及摩擦因数大小对齿轮副动态接触特性的影响。结果表明，表面啮合节点摩擦因数不一致对齿轮接触合力、接触斑面积、Mises、接触应力最大值及其分布影响很小；在啮合过程中，考虑滑差影响的齿面摩擦力波动更平缓，均值较常摩擦增加了40%；摩擦剪应力分布比采用常摩擦得到的结果更贴合实际。而常摩擦因数数值的增加对应力分布影响不大，但会使得接触面应力值相应增加，加剧系统的周期性振动。

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动车组车体异常振动问题分析及治理研究

宫岛, 刘广宇, 周劲松, 孙煜, 尤泰文

机械工程学报. 2021, 57(10): 95-105,117. https://doi.org/10.3901/JME.2021.10.095

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对某型高速动车组车辆进行长期跟踪测试，发现当车轮镟修后车辆运行18万km以上时，车体异常抖振现象时有发生，且抖振时，车体横向及垂向振动在10 Hz频率附近均出现异常放大现象。结合车轮踏面测试分析、车体和构架振动测试分析以及车体试验模态分析，对车体异常抖振机理进行研究。结果表明，当车轮镟修后车辆运行18万km以上时，车轮等效锥度增加至0.501以上，且车轮踏面出现凹磨，轮轨接触位置较分散，存在跳跃现象；当车辆运行过程中受到较大的线路横向激扰时，车轮产生较大横移量，轮轨接触位置发生突变，并导致转向架蛇行运动频率陡升至与车体菱形模态频率接近而引发二者同步运动，致使菱形模态振动放大，是车体发生异常抖振的原因。为治理该问题，以提高车辆运行稳定性及运行平稳性为目标，提出基于正交试验的多目标车辆系统悬挂参数优化方法，对一系横向、纵向定位刚度和抗蛇行减振器节点刚度及阻尼系数进行同步优化，仿真计算结果表明，悬挂参数优化后，车辆在不同踏面磨耗状态下的临界速度、运行安全性及运行平稳性均得到明显提高。对悬挂参数优化方案进行在线试验验证，结果表明，采用优化的悬挂参数后，车体抖振处能量明显下降，抖振问题得到明显改善。

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考虑一系悬挂局部细化的车辆垂向系统振动传递特性研究

徐宁, 李强, 任尊松, 查浩

机械工程学报. 2021, 57(10): 106-117. https://doi.org/10.3901/JME.2021.10.106

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基于车辆-板式无砟轨道垂向耦合动力学模型，考虑两种不同的一系悬挂作用形式，比较了不同模型下车辆主要部件的位移幅频传递特性和各垂向作用力幅频传递特征的差异，分析了一系各力作用点位置的变化对转臂和车轴等部件的位移传递特征以及各悬挂力频域传递特性的影响程度，探讨了一系悬挂参数和惯性参数的随机性对一系力及轮轨力响应特征统计规律的影响。结果显示，相比于细化模型，采用基本模型，在高频范围，一系各部件的加速度特征和作用力特征的准确性会受到一定影响。转臂重心与转臂套圈中心间距离调整时，对一系各力传递特性的影响均较为明显，其他位置参数变化时，与该位置参数相邻的作用力传递函数受到较大程度影响，远离该位置参数的作用力传递特征受到的影响较小。

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地铁车辆制动管路动应力分析及结构优化

谢晨希, 陶功权, 温泽峰

机械工程学报. 2021, 57(10): 118-125. https://doi.org/10.3901/JME.2021.10.118

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地铁车辆转向架上制动管路是空气制动系统中的关键部件，制动管路的可靠性对列车制动安全至关重要。针对我国某条地铁线路制动管路断裂问题，通过试验和数值模态分析、振动和动应力测试，分析制动管路断裂的原因。提出增加管路壁厚、采用弹性管卡和增加管卡数量等三种方案对制动管路结构进行优化。采用频域结合时域的动应力分析方法对制动管路各优化方案进行动应力仿真。结果表明，制动管路一阶横弯振动（73.2 Hz）和构架侧梁八字横弯振动（71.8 Hz）耦合共振是制动管路断裂的主要原因；在制动管路两管卡中间位置处增加一个管卡，相比于增加管路壁厚（从1.5 mm增加至3 mm）与降低管卡刚度（从0.85 GPa降低至0.15 GPa），降低管路动应力水平的效果最为显著。为车辆转向架制动管路结构优化改进设计提供了理论依据。

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航空发动机陶瓷基高温封严涂层研究进展

程涛涛, 王志平, 戴士杰, 丁坤英, 马祥

机械工程学报. 2021, 57(10): 126-136,147. https://doi.org/10.3901/JME.2021.10.126

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高温封严涂层应用在航空发动机高压压气机和涡轮等气路封严部位，可以减少转子和静子之间的间隙，提高发动机效率、降低油耗，是当前研究的热点。从金属基高温封严涂层和陶瓷基高温封严涂层两个方面分别进行分析，总结国内、外高温封严涂层的发展及研究现状，指出我国在陶瓷基高温封严涂层研究和应用领域存在的差距；分析YSZ陶瓷基封严涂层失效的主要原因，并且分别从陶瓷涂层显微形态优化和显微组织优化两个角度进行展开，分析当前提高YSZ陶瓷基封严涂层热循环寿命的研究成果和存在的问题；探索了基于贝壳仿生结构设计和晶须增韧机理分别对涂层显微形态优化和显微组织优化的新思路，以及新技术面临的问题。在此基础上，展望了新型陶瓷基高温封严涂层的发展方向。

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TA2薄板电弧辅助激光高速焊接的焊缝成形稳定性

孔谅, 周洋, 王敏, 李芳, 华学明

机械工程学报. 2021, 57(10): 137-147. https://doi.org/10.3901/JME.2021.10.137

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针对0.5 mm纯钛TA2薄板的电弧辅助激光焊高速焊接（Arc-assisted laser welding，AALW），建立自熔焊在全熔透条件下两种热源模式激光引导（Laser lading，LL）和电弧引导（Arc leading，AL），焊接参数变量与焊缝成形指标的较高精度非线性回归模型，分析AALW焊接参数变量对焊缝成形稳定性的影响。结果表明，在AALW高速焊接条件下，由于LL模式后置TIG电弧对熔池的扰动和铺展作用，LL模式的正面熔宽大于AL模式约13.5%，正面余高低于AL模式约7.5%。AL模式下，4个焊接主效应变量（激光功率P、焊接速度v、焊接电流I、热源间距D）单独变化对焊缝成形指标的影响较小，而v×D、I×D和P×D交互作用的变化对焊缝成形指标影响较大；LL模式下，焊缝成形指标受单个主效应变量的影响显著，而焊接参数变量之间交互作用的影响极不显著。结合实际工程应用，以最大背正比R_bw、最小正面熔宽W和最小背面余高H₂作为优化目标，分析两种热源模式下优化的焊接参数范围；在优化的焊缝成形指标条件下，AL模式的背正比系数高于LL模式约12%，AL模式的优化焊接参数窗口范围的宽泛度比LL模式大7%。

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大型直缝焊管三辊连续复合矫形工艺的辊形设计及过程仿真

黄学颖, 于高潮, 翟瑞雪, 马瑞, 周超, 高才良, 赵军

机械工程学报. 2021, 57(10): 148-159. https://doi.org/10.3901/JME.2021.10.148

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现有的矫直、矫圆工艺均是分工独立完成的。为了在一个工序中同时完成矫直和矫圆工艺和解决大型直缝焊管成形后椭圆度和直线度的超标问题，提出一种新型的大型直缝焊管三辊连续复合矫形工艺。并以矫后管材的椭圆度、直线度和残余应力最小为设计目标，对该工艺进行过程仿真。结果表明，采用“五段式”的辊形设计并且辊轴各段的设计比例为1∶2∶4∶2∶1有更好的矫圆和矫直效果。此外，管材的椭圆度、直线度以及残余应力均与弹区比有关。当弹区比较小时，管壁截面出现失稳现象。对于同种材料，弹区比越小，管材的变形程度和矫后的残余应力越大。当弹区比分别为0.6和0.8时，均能获得良好的成形效果。矫形段辊形曲线的设计为双曲线的形式，所得到的管材直线度可以达到0.12%，椭圆度可以达到0.06%，满足大型直缝焊管的工业要求。该工艺可实现大型直缝焊管直线度和椭圆度的协同调控，从而缩短生产工艺流程，提高矫形效率。

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焊缝金属的屈服强度和材料的加工硬化对Q345钢焊接残余应力与变形计算精度的影响

张超华, 王晓霞, 常茂椿, 王虎, 叶延洪, 邓德安

机械工程学报. 2021, 57(10): 160-168. https://doi.org/10.3901/JME.2021.10.160

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建立合适的材料模型是有限元法准确预测焊接残余应力与变形的关键。基于有限元软件ABAQUS，采用热-弹-塑性有限元方法模拟Q345低合金高强钢平板对接接头的焊接残余应力与变形，探讨焊缝金属的屈服强度和材料的加工硬化对焊接残余应力和变形的影响。数值模拟结果表明，与理想弹塑性模型预测的结果相比，材料模型区分考虑母材和焊缝金属的屈服强度会明显增加焊缝及其附近区域的纵向残余应力，材料模型考虑材料的加工硬化及退火软化效应会显著增加焊接接头下表面的纵向和横向残余应力，材料模型考虑焊缝金属的屈服强度和材料的加工硬化及退火软化效应对平板对接接头角变形的影响较小。比较计算结果与试验结果可知，为准确地预测Q345钢接头焊接残余应力与变形，材料模型要区分考虑母材与焊缝金属的屈服强度、材料的加工硬化及退火软化效应。提出的材料模型为采用数值模拟方法高精度地获得Q345低合金高强钢接头或结构的残余应力与变形奠定了理论基础。

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不同冷速对单向热压35CrMo钢连接界面上孔隙愈合的影响

曾真, 张坤, 郭正洪, 顾剑锋

机械工程学报. 2021, 57(10): 169-177. https://doi.org/10.3901/JME.2021.10.169

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采用35CrMo锻件用钢为载体研究了模拟构筑成形时连接界面的微观特征。在形变奥氏体动态再结晶基础上，基于固态相变机制，以孔隙率变化为衡量标准，对比单向热压模拟试验过程中不同冷速与试样连接界面上孔隙愈合程度的关系，明确了慢冷时形成的铁素体-珠光体，可通过扩散性方式跨越连接界面生长，形成晶格连续性，增强愈合作用；而快冷时形成的马氏体，其生长基于切变过程，无法跨越连接界面，对愈合没有贡献。相变热力学及动力学的初步计算表明，铁素体在生长初期的生长速率与奥氏体再结晶相近，但较低的驱动力导致低的形核率及逐渐降低的生长速率，可能是扩散型固态相变对连接界面附近的孔隙愈合能力不如奥氏体再结晶的原因之一。

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小冲杆试验评价平板式固体氧化物燃料电池钎焊密封接头力学性能研究

宋明, 马帅, 蒋文春, 杜传胜, 王炳英

机械工程学报. 2021, 57(10): 178-186. https://doi.org/10.3901/JME.2021.10.178

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如何获得钎焊接头钎缝的力学性能一直以来是一个难题。通过小冲杆试验获得了平板式固体氧化燃料电池304不锈钢密封钎焊接头三明治结构弹塑性力学性能，并建立了含有Gurson-Tvergaard-Needleman （GTN）损伤参数的钎焊接头小冲杆试样有限元模型，采用试验与有限元分析结合的方法，利用逆向求解法获得了使用常规试验方法无法得到的接头钎缝的屈服强度、抗拉强度及损伤参数，并通过不同厚度的钎焊焊缝小冲杆试验验证了有限元模型的正确性。同时研究了304不锈钢钎焊接头的断裂行为，结果表明钎缝的强度较母材差，钎缝厚度的增加会使得接头整体的承载能力减小。研究结果能够为平板式固体氧化物燃料电池钎焊自适应密封结构强度研究提供可行的试验方法和数据。

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对流和辐射换热对金属高周疲劳能量耗散估计的影响

杨文平, 郭杏林, 赵延广

机械工程学报. 2021, 57(10): 187-195. https://doi.org/10.3901/JME.2021.10.187

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疲劳断裂是引起工程结构和构件失效的主要原因。传统疲劳性能预测方法存在周期长和经济成本高等缺点，基于红外热像法的金属高周疲劳性能快速评估受到广泛关注。在金属高周疲劳试验中，引起试样温升的不可逆能量耗散作为红外热像法中的关键指标，其估计值的精度决定了疲劳性能评估的准确性。基于红外热像法提出一种金属高周疲劳过程中的能量耗散估计方法，根据传热学理论引入自然对流和辐射热阻，并通过数值模拟和试验来验证方法的正确性和精度。研究发现，在高周疲劳试验过程中进行能量耗散估计时，自然对流和辐射造成的热损失占比较大，均不可直接忽略。与文献中同样考虑了对流和辐射效应的温降方法进行对比发现，温降方法适用于局部能量耗散的估计，且对时间非常敏感，估计结果不够稳定；而所提方法更适用于光滑平板试样的疲劳试验，且流程简单，结果稳定可靠，便于工程实际中的应用。

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面向智能制造的刀具全生命周期智能管控技术

刘献礼, 李雪冰, 丁明娜, 岳彩旭, 王力翚, 梁月昇, 张博闻

机械工程学报. 2021, 57(10): 196-219. https://doi.org/10.3901/JME.2021.10.196

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智能制造是未来制造业的主攻方向，以航空航天、汽车领域为代表的高端制造装备关乎国防安全和国家经济命脉。复杂多样化的零部件加工对刀具管控提出了更高的要求。刀具作为切削过程中最活跃、状态变化最多的要素，其性能直接影响加工精度和生产效率。大数据时代的到来引领刀具管理模式的变革，制造商、供应商、应用企业对刀具全生命周期数据的需求与日俱增。通过分析刀具管控现状可知，设计制造精准性、寿命预测准确性、刀具管控科学性是亟待解决的核心问题。提出刀具全生命周期智能管控的内涵及关键技术，综述国内外学者在刀具设计制造智能优化、刀具切削过程状态监测和刀具多源数据管理共享方面的研究成果，最后结合刀具管控技术的应用情况对未来的研究方向进行展望。随着智能制造的不断深入，以人工智能、大数据、数字孪生、云计算等现代信息技术为依托的刀具全生命周期智能管控技术，必将推动刀具产业链转型升级。

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考虑设备预维护的柔性作业车间调度节能优化方法

李聪波, 王睿, 寇阳, 吕岩, 赵希坤

机械工程学报. 2021, 57(10): 220-230. https://doi.org/10.3901/JME.2021.10.220

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随着能源成本的飙升和环境日益恶化，实现节能生产的策略越来越受到制造企业的关注。在车间实际生产调度过程中，机床设备的故障与维护会影响车间调度方案的顺利执行，进而导致出现车间加工资源冲突、能耗增大和完工时间延长等问题。为减少实际柔性作业车间加工过程中出现由于机床故障而导致加工中断的情况，提出一种考虑设备预维护的柔性作业车间调度节能优化方法。分析考虑设备预维护的柔性作业车间能耗特性，建立考虑设备预维护的柔性作业车间调度节能优化模型，设计机床预维护策略，并在此基础上提出一种启发式框架下的调度算法对节能优化模型进行求解，通过不同方案的对比分析，验证所提方法的有效性。

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连续时间多维T-S动态故障树分析方法

陈东宁, 许敬宇, 姚成玉, 潘昊洋, 胡彦龙

机械工程学报. 2021, 57(10): 231-244. https://doi.org/10.3901/JME.2021.10.231

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复杂系统的可靠性往往受工作时间、应力冲击、工作温度等多因素影响，仅考虑工作时间单一因素的故障树分析方法存在局限性，提出考虑工作时间、应力冲击、工作温度等多因素影响的连续时间多维T-S动态故障树分析（Continuous-time multi-dimensional T-S dynamic fault tree analysis，CM-TSdFTA）方法。构造多因素影响下的下级事件故障概率密度函数，基于下级事件的顺序规则及上级事件的输出规则提出T-S动态门及其事件顺序描述规则构建方法，给出基于规则执行可能性、上级事件发生可能性的上级事件故障概率分布函数计算方法。CM-TSdFTA不仅可以描述事件间静、动态失效行为，还能对多因素影响下的系统可靠性进行分析。通过与空间故障树、Dugan动态故障树、离散时间T-S动态故障树分析方法进行对比，验证了所提CM-TSdFTA的可行性。最后，给出了所提方法的工程分析案例。

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密集仓储环境下多AGV/RGV调度方法研究

周亚勤, 汪俊亮, 吕志军, 项前, 丁扬, 张洁

机械工程学报. 2021, 57(10): 245-256. https://doi.org/10.3901/JME.2021.10.245

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针对密集仓储环境下，出库作业时，有轨车（Rail guided vehicle，RGV）在不同货架间运送货物的换乘需要借助穿梭车（Automated guided vehicle，AGV）实现，入库作业时，货物先由穿梭车从输送带送达货架口，再由有轨车完成入库操作等特征，构建密集仓储环境下考虑多出入库任务的多AGV/RGV作业调度模型，包括穿梭车任务分配模型、协同有轨车选择模型和出入库完工时间数学模型。为实现密集仓储环境下的多AGV/RGV调度，提出适应不同出入库货位分布的穿梭车任务分配规则，实现考虑执行任务均衡的穿梭车任务分配；利用遗传算法实现多AGV/RGV出入库协同调度，对遗传算法关键解码算子进行详细设计，解码确定各穿梭车与有轨车执行出入库任务的顺序、任务的起始时间和结束时间，使得所有出入库任务的总完工时间最短。最后，通过某物流仓储企业实际案例进行测试，测试结果表明，提出的启发式规则能实现穿梭车任务的均衡分配，基于遗传算法的协同调度方法能有效地产生多AGV/RGV协同调度方案，减少出入库作业总时间，提高了仓储作业整体效率。

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电连接器接触件振动可靠性试验评估

潘骏, 张雯, 张利彬, 贺青川, 钱萍, 陈文华

机械工程学报. 2021, 57(10): 257-266. https://doi.org/10.3901/JME.2021.10.257

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针对振动环境下电连接器接触件可靠性的快速评估问题，建立考虑接触件在电连接器内部的安装情况和插头插座连接情况的振动模型，利用ABAQUS软件进行正弦和随机振动仿真，得到了插孔和插针间的相对位移和插孔簧片根部应力的变化规律；建立随机振动应力作用下，接触电阻基于Wiener过程的退化模型，考虑漂移系数和扩散系数的随机性，结合加速因子不变原则建立漂移系数和扩散系数的加速模型；给出基于上述模型的步进应力加速退化试验数据统计分析方法；制定振动环境下接触件步进应力加速退化试验方案并开展试验，通过对接触件插拔力的研究和对接触表面的微观分析验证了失效机理，对试验数据的统计分析验证了所建模型的正确性，给出接触件寿命和振动量级间的关系，实现振动环境下电连接器接触件可靠性的快速评估。

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基于模糊PI的波浪能液压转化系统平稳控制研究

高红, 肖杰

机械工程学报. 2021, 57(10): 267-276. https://doi.org/10.3901/JME.2021.10.267

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在不规则波条件下对振荡浮子波浪能捕获液压转化系统进行模糊PI控制的研究，建立浮体的非线性动力学模型及非线性液压动力输出系统数学模型，建立基于转速误差信号反馈的马达排量模糊PI控制模型，对不同海况条件进行系统的数值模拟，研究模糊PI控制下波浪能转化系统马达稳定输出的特性，探究有效波高和能量周期对系统稳定输出的影响，模拟东海近岸水域不同观测点该波浪能捕获系统的全年捕获能量及马达输出能量。结果表明采用模糊PI控制器能够使马达输出功率、转速及转矩的不规则瞬变得到控制，马达转速基本保持稳定，功率平稳输出。马达转速及输出功率随有效波高增加而增大，马达排量的调节范围增大。马达转速及输出功率随能量周期增加而增大且增幅逐渐减小，马达排量的调节范围由大逐渐减小。基于东海海况数据对东海近岸9个观测点进行模拟，该波浪能捕获系统的年捕获能量及马达输出能量随着离岸距离增加而增大，舟山岛南部及东南部海域该系统年捕获能量及马达输出能量较高。

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锻造液压机锻件变形量精准补偿控制研究

姚静, 王佩, 宋英哲, 杨帅, 赵桂春

机械工程学报. 2021, 57(10): 277-285. https://doi.org/10.3901/JME.2021.10.277

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锻造液压机锻件变形量是通过液压缸位移来间接推算，忽略了机架变形等因素的影响，造成锻件变形量描述不准确。针对这一问题，提出一种对锻件变形量的二次补偿控制算法。分析锻造液压机机架变形等因素对锻件尺寸精度的影响，利用拉格朗日函数建立锻造液压机机架变形的弹性动力学模型，通过几何分析计算得到机架变形量、实际锻件尺寸、传感器测量尺寸之间的数学函数关系，基于机架变形量提出一次补偿控制。在此基础上，结合锻造液压机工作过程中主缸压力变化的工况，分析不同升压速率对锻件变形量的影响，并将其引入，进行二次补偿控制。基于0.6 MN锻造液压机试验台，通过对比采用补偿控制算法前后的试验，分析基于机架变形量和由升压速率引起变形量的补偿控制对锻件变形量精准控制的效果，验证锻件变形量补偿控制算法的有效性。试验结果表明，锻件变形量补偿控制算法有效克服了机架变形及主缸压力变化对锻件变形量影响，实现了锻件变形量直接控制，提高了锻件尺寸精度，为实现锻件变形量精准控制提供了一种新方法。

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波浪能发电半物理仿真试验技术研究

刘常海, 胡敏, 杨庆俊, 冯伟, 包钢, 曾亿山

机械工程学报. 2021, 57(10): 286-296. https://doi.org/10.3901/JME.2021.10.286

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波浪能发电装置下海部署前评估其发电系统性能对装置的研发至关重要。目前评估方式主要有计算机仿真和实验室水池试验或者海试。计算机仿真依赖于精确的数学模型，实验室水池测试和海试耗资大，且小模型物理试验有时难以准确反映原型的实际情况。为了解决这一问题，研究一套能模拟波浪作用的半物理仿真试验平台，通过在仿真回路中接入真实的发电系统，并设计一套液压驱动系统实时复现波浪作用下浮子的运动，无需实验室水池或者海试便可实现装置下海部署前对其发电系统性能进行测试。为验证半物理仿真试验方案的可行性，以中国典型海况为例，以筏式波浪能发电装置为研究对象，设计制造出半物理仿真试验平台。在此基础上，研究液压驱动系统的跟踪性能和发电系统的性能。结果表明，所设计的液压驱动系统能很好地复现波浪作用下两筏体间的相对纵摇运动，半物理仿真试验平台的测试结果能较好地反映发电系统的性能。研究成果为模拟波浪能发电和评估其发电系统性能提供一种相对廉价又有效的试验方式。

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2021年, 第57卷, 第10期　
刊出日期：2021-05-20

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