机械工程学报

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机械工程学报. 2023, 59(10): 0-0.

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一种基于脉冲光时钟同步的自动旋转激光经纬仪系统

贾康, 苏文军, 党锦龙, 石卫江, 刘志刚, 洪军

机械工程学报. 2023, 59(10): 1-8. https://doi.org/10.3901/JME.2023.10.001

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旋转自动激光经纬仪(Rotary-laser automatic theodolite, R-LATs)作为一种离散式大尺寸空间测量系统,在大型装备的制造与智能制造场景中有着广阔的应用前景。在分析传统R-LATs系统测量原理的基础上,指出其无法保证整个测量场中多个传感器之间计数时钟的统一,限制其面向动态测量任务的多传感器并行测量能力。为此,设计出基于脉冲光时钟同步的R-LATs架构与测量数学模型,通过向全测量场发射具有可辨识时间戳的同步基准脉冲光,基于对齐具有相同时钟戳的光脉冲实现全部传感器计数时钟的传播与同步。进而为确保同步基准脉冲光机制的简洁可靠,设计出基于等差数列循环编码的同步基准脉冲光工作编码与解码算法。最后通过R-LATs的测量试验的传感器时序脉冲数据分析,证明了基于脉冲光时钟同步R-LATs的有效性。

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有线时钟同步的超宽带3D室内定位

王远西, 张浩, 房宏, 赵荣泳, 王俊

机械工程学报. 2023, 59(10): 9-16. https://doi.org/10.3901/JME.2023.10.009

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针对三维室内超宽带定位过程中非视距目标定位的静态和动态误差问题,提出一种基于自适应卡尔曼滤波的有线时钟同步3D室内定位测量方法。采用基于到达时间定位原理的非视距(Non line of sight, NLOS)误差模型和基站有线时钟同步技术,搭建立体基站空间布局和系统架构。在自适应卡尔曼滤波过程中,通过自适应因子修正增益矩阵,达到在三维空间上减小定位误差。经行业权威机构测试,在室内工业环境下,超宽带3D定位算法水平定位精度优于100 mm,高程定位精度小于200 mm,且漂移小稳定性高,进一步提高车间移动作业定位的精度。

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基于科赫差测量平面涡流传感器的裂纹检测性能研究

陈国龙, 曹政, 张帅帅, 靳伍银

机械工程学报. 2023, 59(10): 17-29. https://doi.org/10.3901/JME.2023.10.017

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柔性平面涡流传感器被广泛应用于具有复杂形貌零部件表面、近表面裂纹的探测中。基于传统线圈结构设计的柔性平面涡流传感器对特殊方向短裂纹的探测存在漏检率高的问题。为了提升柔性平面涡流传感器对各方向裂纹的检测灵敏度并抑制检测过程中的提离噪声,将差测量思想与分形几何相结合,提出一种科赫差测量平面涡流传感器。通过有限元分析,研究新型传感器与同尺寸的圆形差测量传感器对不同方向、长度、宽度和深度裂纹的检测性能,并对比分析二者的差异。有限元分析结果表明,对于90°方向5 mm长裂纹的检测,科赫传感器输出信号峰峰值比圆形的大71.8%;对于长度为3 mm裂纹的检测,科赫传感器信号峰峰值比圆形传感器大41.0%;在检测宽度为0.1 mm的裂纹时,科赫传感器输出信号峰峰值比圆形传感器大142.6%;科赫传感器在检测深度大于0.8 mm的裂纹时,其输出信号峰峰值是圆形传感器的1.5倍以上。有限元分析与试验结果表明,与圆形线圈相比,科赫线圈设计的平面涡流传感器在短裂纹探测方面具有更显著的优势。

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基于线阵和环阵换能器的CFRP层压板超声成像特性研究分析

王俊, 周正干, 王进, 刘雨生

机械工程学报. 2023, 59(10): 30-39. https://doi.org/10.3901/JME.2023.10.030

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针对碳纤维增强树脂基复合材料层压板结构超声检测中存在的信噪比差、检测效率低等问题,设计基于线性阵列和环形阵列换能器的超声检测方法和工艺,研究分析这两种换能器对复合材料层压板的检测效果。首先,制备预置有不同埋深分层缺陷的复合材料梯度平板试样,并基于有限差分仿真模型探究了复合材料平板结构中的超声传播特性。然后,依据材料的声学各向异性特征,对采用线阵和环阵换能器的超声检测成像算法进行修正,并制订检测工艺。最后,利用线阵和环阵换能器对试样进行C扫描超声检测成像,并结合声场特征,定性和定量地分析其检测结果。试验结果表明,采用线阵换能器可在具有较高信噪比的同时,对厚度较小(≤ 10 mm)的复合材料平板试样实现高效率检测,而环阵换能器对厚度较大的平板试样具有更高的检测精度以及更小的成像畸变。研究成果可为复合材料检测的声学表征提供理论依据,并为阵列超声检测的工艺方法设计提供有效参考和指导。

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CFRP层板低能冲击损伤的非线性兰姆波特征成像

许国琛, 陈振华, 李承庚, 卢超

机械工程学报. 2023, 59(10): 40-47. https://doi.org/10.3901/JME.2023.10.040

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针对碳纤维复合材料板低能量冲击损伤的线性超声响应特征很弱、难以用于检测该类损伤的问题,提出碳纤维复合材料层板低能量冲击损伤的非线性兰姆波成像检测技术。搭建检测平台并制备冲击损伤程度各异的检测试样;分析碳纤维增强树脂基复合材料层板中兰姆波的各向异性传播特性和模态结构,激发满足非线性超声检测要求的兰姆波模态,并分析相对非线性系数对低能冲击损伤的表征能力;提出基于损伤因子的非线性超声兰姆波成像算法和成像扫描方法,并通过优化成像算法提高成像效果。研究结果表明,相对非线性系数对低能量冲击损伤有很高的检测灵敏度,基于损伤因子的非线性Lamb波成像方法可实现对复合材料低能冲击损伤的直观成像检测。

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AgCu28-B₂O₃钎料空气反应钎焊连接Al₂O₃陶瓷工艺及机理研究

李昕悦, 李健, 张健康, 林盼盼, 林铁松, 何鹏

机械工程学报. 2023, 59(10): 48-55. https://doi.org/10.3901/JME.2023.10.048

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为了以低成本获得性能良好的Al₂O₃陶瓷连接接头,开发AgCu28-20B₂O₃钎料,将其应用于空气反应钎焊连接Al₂O₃陶瓷。B₂O₃可以有效改善AgCu28钎料对Al₂O₃陶瓷表面的润湿性。钎焊过程中Cu粉被氧化成CuO,并进一步与Al₂O₃、B₂O₃发生反应,生成Cu₂Al₆B₄O₁₇晶须,进而获得性能优异的可靠接头。当保温时间为60 min,连接温度高于950℃时,可以实现Al₂O₃陶瓷接头的有效连接,钎缝中心区主要为Ag,靠近界面处为CuO与Cu₃B₂O₆的混合相及棒状Cu₂Al₆B₄O₁₇晶须,接头抗剪强度随温度升高而升高。当连接温度高于1 100℃后,晶须在高温下分解成无定型颗粒状产物,接头抗剪强度下降。最佳工艺参数为T=1 050℃,t=60 min,接头的抗剪强度达到了70.9 MPa,断裂发生在焊缝中靠近Al₂O₃母材处。开发一种用于Al₂O₃连接的复合钎料,并在接头中合成了新型硼酸铜铝晶须,提高了接头的性能。

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真空浸渗水玻璃对粘接剂喷射砂型性能的影响

王富, 李成伟, 杨强, 崔晓涵, 李涤尘

机械工程学报. 2023, 59(10): 56-65. https://doi.org/10.3901/JME.2023.10.056

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粘接剂喷射增材制造工艺(3DP)具有成形效率高、成型件尺寸大、无残余热应力以及设备成本和维护成本低等优点,在砂型铸造方面拥有广阔的应用前景,然而3DP工艺难以兼顾砂型强度和发气量,制约其在高性能砂型铸造方面的应用。针对这一问题,提出水玻璃真空浸渗的后处理方法,通过系统研究了浸渗时间、浸渗浓度、后固化温度、后固化时间等因素对砂型强度和铸造发气量的影响规律,确定最佳浸渗工艺,并利用COMSOL数值模拟与微观组织分析进一步探究水玻璃浸渗对砂型性能的影响机理。研究结果表明,在经过浓度为100 wt%的水玻璃溶液浸渗20 h以及150℃后固化2.5 h后,砂型的抗拉强度可提升至5.07 MPa,发气量降至11.425 mL/g。这是因为在真空水玻璃浸渗过程中,水玻璃会附着在树脂粘接桥上或砂粒表面,填补砂粒之间的孔隙并且形成新的粘接桥,增加了粘接桥的数量,进而提高砂型的强度。

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金属拉深旋压成形时损伤破裂预测研究

夏琴香, 张义龙, 肖刚锋, 晏畅

机械工程学报. 2023, 59(10): 66-75. https://doi.org/10.3901/JME.2023.10.066

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破裂是金属拉深旋压成形最主要缺陷之一,通过分析拉深旋压时的破裂形式、受力特征及裂纹形成过程,提出构建适用于金属拉深旋压的韧性断裂准则,以实现对拉深旋压破裂缺陷的准确预测与控制。以Haynes230镍基高温合金为研究对象,通过分析拉深旋压应力特征,指出最大主应力是导致筒壁中部轴向破裂、最大切应力是导致口部切向破裂的主要原因,并构建出考虑拉深旋压两种破裂形式的修正Lou准则。设计不同应力三轴度的单向拉伸试验,标定韧性断裂准则损伤参数;基于拉深旋压试验,验证适用于拉深旋压的韧性断裂准则,预测镍基高温合金拉深旋压时的损伤破裂。结果表明,由于Lou准则仅考虑了最大切应力的影响,导致工件提前形成轴向破裂。修正的Lou准则同时考虑最大主/切应力的影响,能准确预测拉深旋压破裂的形成位置与形成时刻,其破裂时刻预测的相对误差仅为7%。拉深旋压时当出现口部鼓包缺陷后,损伤在沿鼓包区迅速积累,导致裂纹从鼓包区沿轴向扩展形成轴向破裂。由于旋轮接触区材料在外表面受压应力、内表面受拉应力,使得筒壁中部的内表面更易形成切向破裂。

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不同流道布置的平板式固体氧化物燃料电池蠕变损伤研究

宋明, 马帅, 杜传胜, 蒋文春, 王炳英

机械工程学报. 2023, 59(10): 76-84. https://doi.org/10.3901/JME.2023.10.076

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固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell,SOFC)长期在高温下运行,蠕变不可避免,蠕变变形会导致损伤,产生裂纹,不同流道布置对平板式SOFC蠕变损伤会产生显著的影响。建立平板式SOFC多物理场模型,将COMSOL多物理场数值模型计算得到的不均匀温度场作为热载荷施加到ABAQUS模型中,再基于Wen-Tu蠕变延性耗竭模型开发了蠕变损伤子程序,研究平板式SOFC同流、逆流、交叉流道设计下的蠕变行为。结果表明,平板式SOFC在同流、逆流、交叉流道设计下分别运行19 800 h、24 000 h、78 500 h后达到蠕变损伤临界值,裂纹萌生均位于上连接体处;运行50 000 h后同流条件下出现两处裂纹,逆流条件下出现四处裂纹,交叉流道布置下未出现裂纹;采用交叉流道布置可最大化平板式SOFC工作寿命。结论可为实现长期、高效、稳定运行的平板式SOFC优化设计提供理论依据。

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面向极大尺度环件径-轴向稳定轧制的环件匀速长大状态精准闭环控制方法

钱东升, 田汉, 邓加东

机械工程学报. 2023, 59(10): 85-95. https://doi.org/10.3901/JME.2023.10.085

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环件径-轴向轧制是极大尺度无缝环件整体塑性成形的不可替代技术,主轧阶段环件匀速长大是径-轴向稳定轧制的一种理想状态,如何通过合理的控制策略获得逼近理想设计的环件匀速长大状态,是极大尺度环件径-轴向轧制过程稳定性控制的关键问题。为解决这样的问题,提出一种面向实际轧制过程的设计驱动下环件外径长大速度理论控制方法。首先提出轧制过程中环件实时尺寸的测量方法实现对长大速度的实时监控;其次在ABAQUS平台中通过用户子程序VUAMP进行二次开发建立一种设计驱动下环件长大速度控制方法(理想状态控制方法),此方法需要的参数由等效尺寸模型计算以消除环件几何不规则引起的误差(尺寸修正控制方法),最后通过误差实时反馈调控策略消除动态缺陷引起的小幅误差使得长大速度精确逼近目标值,形成一种过程与设计相结合的主轧阶段外径匀速长大理想状态的精准闭环控制模型(基于尺寸修正的闭环控制方法)。结果表明,稳定的长大速度能够降低主轧阶段环件的偏心程度同时改善最终环件的椭圆度,为实际极大尺度环件轧制过程稳健控制提供了可靠手段。

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肌腱的生物力学模型构建与试验分析

田国富, 赵瑞祥, 于灏, 王婷

机械工程学报. 2023, 59(10): 96-105. https://doi.org/10.3901/JME.2023.10.096

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为了测试肌腱的生物力学特性,并评估本构模型所描述软组织材料力学特性的能力,对猪趾伸屈肌腱进行力学性能拉伸试验,得到肌腱拉伸载荷与位移之间的关系,根据材料大变形不可压缩的特性运用新的数据处理方法得到材料的应力-应变关系曲线,应用非线性最小二乘法求解肌腱本构模型的材料参数。然后利用有限元分析软件对单轴拉伸进行仿真计算,并对比相应试验数据,以验证材料参数的可靠性。最后基于已验证的本构模型,建立两切口半切肌腱仿真模型,并进行试验验证。研究结果表明,采用的力学性能试验和选用的本构模型能够表征肌腱在拉伸过程中的材料力学行为并且应用到有限元仿真中,具有适用性强、准确性较高的特点,为预测肌腱延长术中肌腱组织的力学行为提供了一种新的方法和试验基础。

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基于幂级数与椭圆方程的金属丝网橡胶组合减振器动态迟滞模型

邹广平, 柳天增, 吴松阳, 张冰, 唱忠良, 王宣

机械工程学报. 2023, 59(10): 106-116. https://doi.org/10.3901/JME.2023.10.106

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金属丝网橡胶材料具有复杂的非线性迟滞特性,目前相关材料的动态力学特性还难以准确描述。弹簧-金属丝网橡胶组合减振器是一种全金属减振器,具有刚度与阻尼可设计的特点。通过在金属丝网橡胶静态力学理论基础上,提出含预紧量参数的等效刚度系数和等效阻尼系数,并使用以幂级数表示的弹性恢复力与以椭圆方程表示的阻尼力推导出一种弹簧-金属丝网橡胶组合减振器的动态迟滞模型。通过对组合减振器进行不同加载频率下的动态迟滞试验,对其在不同金属丝网橡胶相对密度以及加载频率条件下动态迟滞特性与减振耗能评价参数的变化规律进行对比分析。结合减振器动态迟滞试验数据与动态迟滞模型进行参数拟合,计算动态迟滞理论值并进行误差分析,验证动态迟滞力学模型的准确性。

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铝合金冲压件疲劳损伤规律的试验研究

周迅, 张振涛, 高云, 尉朋, 潘骏, 陈文华

机械工程学报. 2023, 59(10): 117-123. https://doi.org/10.3901/JME.2023.10.117

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为研究冲压工艺对铝合金薄板疲劳寿命的影响,开展冲压成形试验及成形件的疲劳试验。以试验结果为基础并结合有限元仿真,分析不同成形条件下铝合金冲压件的应变率、厚度减薄率和残余应力对疲劳损伤产生的影响。一方面,利用疲劳极限统计法对试验数据进行分析,结果显示冲压成形试样的疲劳极限的中值高于对照组直接弯曲成形试样,但分散性更大。另一方面,利用有限元仿真得到试样在含不同长度裂纹时疲劳试验系统的共振频率,将其与疲劳试验过程中所记录的疲劳试验系统的共振频率变化历程对应,建立各组试样的疲劳损伤累积曲线。结果显示,相比对照组,冲压成形试样的损伤累积曲线在开始阶段更平缓,而末尾阶段更陡峭,拐点更靠后,且冲压高度越大则此特征越明显。此特征意味着冲压件的疲劳寿命对加载条件更为敏感。

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焊接残余应力对超声冲击处理焊接接头疲劳寿命的影响

张海, 王东坡, 高志伟

机械工程学报. 2023, 59(10): 124-133. https://doi.org/10.3901/JME.2023.10.124

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国际焊接学会(IIW)于2016年发布超声冲击改善焊接接头疲劳性能的推荐规范,该规范的制定主要基于轴向加载的小尺寸焊接接头的疲劳试验,没有充分考虑实际焊接结构中存在的高值焊接残余应力对疲劳延寿效果的影响。采用试验和有限元相结合的方法研究焊接残余应力对超声冲击处理焊接接头疲劳寿命的影响,结果表明,焊接残余拉应力的存在使超声冲击形成的有益残余压缩应力在疲劳服役过程中发生明显释放,进而降低超声冲击处理焊接接头的疲劳延寿效果;试件厚度方向的焊接残余应力平均值越大并且焊接残余应力在超声冲击形成的平衡拉应力区(表面向下1.5~4 mm)的值越大,残余压缩应力越容易发生释放。研究充分证实焊接残余拉应力对超声冲击疲劳延寿效果产生不利影响,并揭示其影响因素,对超声冲击处理规范的制定和疲劳评估具有指导意义。

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动力电池云端管理关键技术研究综述

杨世春, 周思达, 周新岸, 李强伟, 陈飞, 曹耀光

机械工程学报. 2023, 59(10): 134-151. https://doi.org/10.3901/JME.2023.10.134

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发展新能源汽车是我国应对国家能源战略、实现碳中和目标的重大战略选择。动力电池是新能源汽车能源系统的核心,电池管理系统实现了动力电池状态估计、一致性管理、热管理、热失控监控等关键功能。动力电池全生命周期性能演变具有微观模糊性、演化复杂性、实际多变性的特点,基于嵌入式系统的电池管理系统受硬件条件限制,存储空间不足,使用简化模型,难以实现精确管理,车云融合的动力电池云端管理是目前电池管理的重要研究方向。围绕动力电池云端管控方法,系统分析电池云端模型构建方法、电池寿命及安全管理策略,并针对先进电子电气架构下的云端管理技术融合进行分析。通过对比分析当前电池管理技术综合优缺点,阐述面向云端管理的可行方案,为动力电池云端管控技术提供理论参考。

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城轨交通弓网系统异常磨损现状分析与防治技术研究

邹栋, 钟舜聪, 耿妍, 程尧, 莫志刚, 徐可佳, 宋兵, 程斌, 张士宇, 王志城, 华路捷, 张亚楠

机械工程学报. 2023, 59(10): 152-178. https://doi.org/10.3901/JME.2023.10.152

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针对国内城市轨道交通近年来频繁出现的弓网系统异常磨耗现象,从接触副结构特征、故障现象及其时空属性、处理措施等方面梳理了近10条地铁线路弓网接触副异常磨耗事件。分析当前国内外关于法向载荷、电流、电弧等因素影响弓网系统磨耗的主要研究成果;论述弓网系统磨损机制的研究进展;介绍国外研究团队关于弓网系统磨损模型的研究历程。基于工程和科研现状分析结果,参考弓网系统磨损模型制定了弓网系统异常磨耗现象的根因分析方法;从地面试验、线路试验和仿真分析、数据处理技术等角度梳理异常磨耗致因的验证和确认手段,并介绍刚性接触网关节和跨内数据分割处理方法,同时针对异常磨耗的关注热点,利用仿真分析技术实现了滑板凹槽磨耗和接触线拉出值布置影响系统性能的量化评估;结合弓网系统相关标准的梳理,介绍抑制异常磨耗相关的运用维保措施。最终提出包括异常磨耗定义和评估、根因分析、验证与确认、维保控制四个阶段的弓网接触副异常磨耗问题应对方案。并基于调研分析结果和异常磨耗问题防治框架,展望了科学和工程问题的潜在探索空间。研究结果可为城市轨道交通相关单位应对弓网系统异常磨耗事件提供技术和管理参考。

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复杂轮轨摩擦条件下的重载机车防滑控制研究

陈清华, 杨云帆, 凌亮, 张涛, 王开云

机械工程学报. 2023, 59(10): 179-186. https://doi.org/10.3901/JME.2023.10.179

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轮轨黏着利用对重载列车的牵引和制动至关重要,尤其是在轮轨低黏着接触条件下。为解决重载列车运行中受复杂轮轨摩擦条件以及牵引载荷等因素影响的轮轨黏着利用和防滑控制问题,建立重载列车-轨道耦合动力学模型,主要包括重载列车子模型、轨道子模型、轮轨动态相互作用模型和考虑最优轮轨黏着利用的防滑控制模型,基于该模型分析了复杂轮轨摩擦条件下重载机车的轮轨滚动接触特性,系统地对比分析不同防滑控制模型对机车轮轨黏着利用的影响。仿真结果表明,牵引工况下,轮轨摩擦条件对轮轨动态相互作用的影响显著;相比定蠕滑率阈值的防滑控制,采用最优控制阈值PID防滑控制策略能够提高轮轨黏着利用率。

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低温条件对板式高速铁路轮轨滚动噪声的影响研究

成功, 陈宗平, 肖新标, 韩健, 圣小珍

机械工程学报. 2023, 59(10): 187-196. https://doi.org/10.3901/JME.2023.10.187

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中国高铁运营跨越多个气候带,且面临着向更高纬度国家输出高铁设备的契机,低温对滚动噪声的影响有必要进行系统的预测与研究。针对国内应用较广的300-1型和WJ-8型扣件,对其在不同低温时的装配动刚度和损失因子进行试验,基于试验结果和建立的板式轨道高速铁路滚动噪声预测模型,对低温条件下高速铁路滚动噪声开展研究。研究表明,随着环境温度的下降,滚动噪声对标准点等效连续A声级的贡献值也会变小,当温度达到轨垫板材料的玻璃化温度后,温度的下降对贡献值的影响变小,甚至会使滚动噪声小幅上升。对300-1型扣件和WJ-8扣件来说,和10℃的滚动噪声相比,350 km/h运行速度下滚动噪声贡献值的最大降幅分别可以达到4.0 dB(A)和3.1 dB(A);这个降幅主要来自于钢轨贡献的变化,如果列车运行速度更低,总的A声级将对温度更为敏感;从三分之一倍频的分频上看,在2 000 Hz以下的频率,有必要考虑空气参数随温度的变化。

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摩擦因数自适应的双离合器自动变速器起步智能控制

刘永刚, 张静晨, 王鑫, 张学勇, 吕豪, 秦大同

机械工程学报. 2023, 59(10): 197-209. https://doi.org/10.3901/JME.2023.10.197

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离合器转矩精确控制直接决定了双离合器自动变速器控制性能,离合器转矩主要受到离合器老化、温升变化等导致摩擦因数变化的影响。针对双离合器自动变速器离合器摩擦因数变化后起步控制适应性差的问题,融合基于模型的控制与数据驱动控制的特点,提出一种摩擦因数自适应的起步过程智能控制方法。首先建立双离合器自动变速器系统动力学模型,基于伪谱法优化起步过程离合器参考转速;然后制定起步过程转速闭环自适应控制策略,利用BP神经网络在线调用离合器参考转速;设计起步过程自适应滑模控制器,采用径向基神经网络估计离合器转矩,实现离合器转速闭环控制;最后通过仿真和实车测试验证所提方法。结果表明,所提方法在变意图、未知摩擦因数变化规律且存在扰动下均具有良好的起步性能,相较于不依赖机理模型的控制器具有更高的自适应能力和鲁棒性,实现了离合器摩擦因数自适应的整车起步智能控制。

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轮对非线性随机动力学模型稳定性及分岔研究

王鹏, 杨绍普, 刘永强, 刘鹏飞, 赵义伟, 张兴

机械工程学报. 2023, 59(10): 210-225. https://doi.org/10.3901/JME.2023.10.210

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针对轮对系统的随机动力学问题,综合考虑等效锥度和悬挂刚度的随机因素影响,建立含有陀螺效应的非线性轮轨接触关系的轮对模型,研究轮对系统随机稳定性和随机Hopf分岔。利用随机平均法将轮对系统转化为一维扩散过程,通过判定奇异边界的性态,得到轮对系统随机失稳条件和失稳临界速度。理论推导求得平稳概率密度和联合概率密度函数,分析概率密度函数拓扑结构演化,确定轮对系统随机Hopf分岔类型。探究随机因素对失稳临界速度和Hopf分岔域的影响,仿真结果验证了理论分析的正确性。结果表明,扩散过程的边界性态决定了轮对系统的随机稳定性,左边界特征标值c_L=1是随机失稳的临界状态。考虑随机因素后,轮对系统的稳态概率密度函数随着分岔参数增加发生两次定性性态改变,分别对应轮对系统的随机D分岔和随机P分岔,且两种随机分岔的临界速度均随着随机参激强度的增大而减小。

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基于YOLO网络的车辆四点标定测距研究

梁忠超, 黄茁, 胡兴, 陈杰

机械工程学报. 2023, 59(10): 226-235. https://doi.org/10.3901/JME.2023.10.226

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精准且快速的车距测量是车辆实现自动驾驶和避障控制中不可或缺的数据依据之一,同时也是智能车辆安全行驶的必要环节之一。基于相机成像原理和Yolo only look once (YOLO)深度神经网络,提出一种快速且有效的单目相机测距方法,即四点标定测距算法。这种方法将深度神经网络和测距算法结合,能够实现快速识别目标车辆并计算与本车的相对距离信息。在车辆目标识别方面,基于Common objects in context(COCO)数据集和YOLO网络模型下的训练权重,完成对与车辆检测框的提取。在相对距离信息获取方面,基于相机小孔成像原理建立动态的纵、横向相机测距模型;同时,建立YOLO网络检测框中像素坐标系与实际测距中世界坐标系的解析方程,提出一种快速四点标定测距法。最后,进行四点标定测距法和内参数标定测距法的实车对比试验,试验结果表明,相较于内参数标定测距方法,提出的四点标定测距法能够省去繁琐的内参数标定步骤,同时测量误差在25 m范围内降低了1%左右,保持了较高的测距精度。

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超导电动磁悬浮列车次级悬挂混合阻尼半主动减振控制研究

马光同, 曾靖淞, 冯丕极, 闫兆盈, 张伟海

机械工程学报. 2023, 59(10): 236-249. https://doi.org/10.3901/JME.2023.10.236

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超导电动磁悬浮列车是下一代高速轨道交通的主要发展方向之一,而动力学问题是影响其应用性能的一个重要方面。为了提高超导电动磁悬浮列车的运行安全性和乘坐舒适性,提出基于天棚-地棚混合阻尼的超导电动磁悬浮列车半主动减振控制方法。基于动态电路理论计算了磁轨间的电磁力,利用SIMPACK和Simulink平台进行电磁力计算、动力学和控制方法的联合仿真,确定控制方法的最优最大阻尼系数和比例系数,对比分析被动悬挂与混合阻尼半主动悬挂的车体和悬浮架的振动控制效果。研究结果表明,被动悬挂下,超导电动磁悬浮列车的横向动力学性能劣于垂向;垂向混合阻尼比例系数为1时,铰接式悬浮架和非铰接悬浮架的横向混合阻尼比例系数分别为1和0.4时减振效果最佳。相比于被动悬挂,混合阻尼半主动悬挂下头车垂向和横向Sperling平稳性指标分别降低了20.9%和8.8%,横向平稳性等级由良好升为优级;中间车垂向和横向平稳性指标分别降低了7.4%和17.3%。铰接式悬浮架和非铰接悬浮架的横向加速度方均根值分别降低了12.5%和15.9%。从频域上看,车体和悬浮架小于5 Hz的低频振动得到有效抑制。以上研究结果验证了混合阻尼半主动控制能有效提高超导电动磁悬浮列车的运行安全性和乘坐舒适性。

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考虑乘坐舒适性的纯电动公交车辆稳定性控制

赵治国, 陈晓蓉, 梁凯冲, 郭潇然, 李涛

机械工程学报. 2023, 59(10): 250-262. https://doi.org/10.3901/JME.2023.10.250

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为提高纯电动公交车辆驱动转弯工况下的乘坐舒适性和操纵稳定性,研究相平面内的乘坐舒适性表征,提出一种兼顾乘坐舒适性和稳定性的车辆状态判别方法和控制策略。首先,建立三自由度非线性车辆模型,采用扩展卡尔曼滤波对车辆质心侧偏角进行实时估计;其次,构建不同行驶条件下的车辆质心侧偏角-质心侧偏角速度(

)相平面稳定区域边界参数数据库,并利用BP神经网络对该数据库进行拟合;之后,将相平面的稳定区域进一步划分为舒适区域和两级非舒适区域,通过设计实车乘坐舒适性试验,利用接受者操作特征曲线(Receiver operating characteristic curve,ROC)分析法确定各区域边界阈值,基于车辆状态判别结果设计稳定性控制策略,对驱动电机输出转矩进行限制;最后,通过TruckSim/Simulink软件联合仿真和实车道路测试对所设计的稳定性控制方法进行验证。结果表明,该稳定性控制算法能够同时监测车辆的乘坐舒适性和稳定性,在车辆失稳前能根据乘坐舒适性等级提前进行驱动转矩控制,在保证公交车辆横向稳定性的同时提升其乘坐舒适性。

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基于实际行驶数据的电动汽车能耗分析与预测

赵敬玉, 徐铖, 李晓宇

机械工程学报. 2023, 59(10): 263-274. https://doi.org/10.3901/JME.2023.10.263

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相比于传统燃油汽车,较短的行驶里程和较长的充电时间是电动汽车的两大技术难点,因此准确地能耗预测对于缓解驾驶者的"里程焦虑"具有重要意义。以天津市实车运行数据为样本,将车辆行驶数据划分为若干运动学片段,分析电动汽车行驶过程中对能耗影响的相关因素,包括行驶状态、运行工况对能耗的影响和制动能量回收对续驶里程的影响;以提高能耗预测模型的精度为目标,提出一种基于行驶工况类别的能耗预测方法,首先通过马尔科夫蒙特卡洛算法实现未来行驶工况曲线预测,融合神经网络算法识别出拥堵工况、城市工况和高速工况三种类别,从三类行驶工况提取出特征参数,分别输入到相应的XGBoost算法中构建能耗预测模型实现对未来行驶能耗的精准预测;该方法与传统能耗预测方法结果进行对比,结果表明所提出的方法在实际行驶条件下可以有效提高能耗预测精度。

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基于侧倾能量分级的平衡重式叉车防侧翻控制研究

夏光, 李嘉诚, 唐希雯, 张洋, 陈无畏

机械工程学报. 2023, 59(10): 275-289. https://doi.org/10.3901/JME.2023.10.275

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针对传统车辆稳定指标LTR等难以准确判断平衡重式叉车稳定性状态的问题,提出适用于平衡重式叉车的侧倾能量稳定性指标;在分析平衡重式叉车结构、车身与后桥接触关系的基础上,建立后桥与车身接触和未接触的两阶段动力学模型,推导出叉车侧翻过程中不同状态下的实时侧倾能量。提出基于侧倾能量分级的平衡重式叉车防侧翻控制策略,根据不同的稳定性状态下选取对应的侧倾能量稳定性指标计算公式,进行侧倾能量分级,采用防侧翻油缸和后轮主动转向作为防侧翻控制执行机构,并基于模型预测控制进行防侧翻控制。最后进行基于欧洲标准工况仿真与实车试验验证,结果表明基于侧倾能量分级的平衡重式叉车防侧翻控制策略可以有效降低叉车侧翻危险,提高平衡重式叉车的稳定性和主动安全。

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计入应力偶效应的滑动轴承热流体混合润滑研究

郑良焱, 朱汉华, 范世东, 熊庭, 马晶宁, 吴洁, 江攀

机械工程学报. 2023, 59(10): 290-300. https://doi.org/10.3901/JME.2023.10.290

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考虑含添加剂润滑油的应力偶效应,以倾斜轴承为研究对象,建立动载荷轴承热流体混合润滑模型,探讨倾斜角、表面粗糙度及应力偶效应等参数的耦合作用对轴承润滑性能以及润滑状态的影响规律。结果表明,应力偶效应减弱了热流体润滑轴承最大油膜压力增加的现象,且随着应力偶效应的增强,最大油膜压力的减小幅度逐渐增大;与牛顿流体相对,应力偶流体润滑下轴承的油膜温度降低,高温区域的油膜面积减小,轴颈附近油膜温度下降;增大轴颈倾斜角,流体内部的最大油膜温度增加;当应力偶参数较大时,倾斜角对油膜最大温度以及节点应力偶参数值的影响逐渐减弱;当应力偶参数较小时,增大表面粗糙度,混合润滑与流体动力润滑状态转变的临界转速增加,对应的最小摩擦因数增大。

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轨道曲率预瞄算法及空间几何滞后机理分析

肖春昱, 田师峤, 罗湘萍, 宫岛, 周劲松

机械工程学报. 2023, 59(10): 301-310. https://doi.org/10.3901/JME.2023.10.301

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实时获取轨道线路的曲率可为诸多轨道车辆主动控制技术提供关键输入参量。通过相机获取前方轨道线路的图像从而预瞄曲率,是解决信号滞后问题的有效途径。为此,首先基于既有的机器视觉技术进行合理假设,进而提出一种通过轨道线路中心线横向偏移量映射线路曲率的预瞄算法。随后,重点阐述探测曲率相对于预瞄点处曲率的滞后机理,研究结果表明由预瞄点形成的虚拟车体引入了几何惯性。在此基础上,给出探测曲率与车辆所处位置实际曲率之间的空间位置修正公式。最后,通过Simpack和Matlab仿真验证了上述结论。上述研究结果可为视觉技术应用于轨道曲率测量领域提供一定的理论参考。

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两种中低速磁浮车辆动力学性能仿真对比分析

胡帛茹, 赵春发, 蔡文锋, 龚俊虎, 冯洋

机械工程学报. 2023, 59(10): 311-322. https://doi.org/10.3901/JME.2023.10.311

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针对采用空簧端置式悬浮架的传统中低速磁浮车辆和采用空簧中置式悬浮架的新型中低速磁浮车辆,建立考虑主动悬浮控制的车辆动力学模型,仿真分析两种磁浮车辆直线运行和平面曲线通过时的动力学响应。结果表明,新型磁浮车辆直线运行的动力学性能优于传统磁浮车辆,在时速160 km以内新型磁浮车辆的运行平稳性均为优秀;速度大于120 km/h以后,传统磁浮车辆直线运行的动力学性能明显恶化,横向平稳性达不到优秀级。通过半径300 m及以上平面曲线时,两种磁浮车辆的动力学响应差别不大;在半径50 m无超高平面曲线上,传统磁浮车辆发生了磁轨横向机械碰撞,而新型磁浮车辆可无接触通过;在半径100 m有超高平面曲线上,新型磁浮车辆的动力学性能劣于传统磁浮车辆,主要表现为缓和曲线段悬浮间隙波动和电磁铁横移量更大,磁轨间发生横向碰撞的风险较大。

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不同线路条件下高速列车轮轨力的试验研究

张一喆, 张志超, 杜瑞涛, 祖宏林, 储高峰

机械工程学报. 2023, 59(10): 323-332. https://doi.org/10.3901/JME.2023.10.323

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轮轨作用力是考量高速列车运行安全性和平稳性最关键的参数。随着运行速度的不断提高,高速列车动力学性能和走行部可靠性问题不断增多,开展高速状态下轮轨载荷特征、分布规律和安全性的研究显得愈发重要。采用连续测量测力轮对测量某高速列车在不同线路状况、运用速度下的轮轨作用力,分析研究直线、曲线、不同型号道岔等工况下的轮轨力时频特性、统计分布规律。结果表明,有砟轨道的轮轨力频响范围部分大于无砟轨道。轮轨力样本普遍呈正态分布,垂向力分布离散程度与速度正相关,而曲线工况下,横、垂两向力的分布均值取决于曲线的欠超高量。脱轨系数和轮重减载率最大值均出现在侧向过岔时,18号、42号道岔脱轨系数分别为0.49、0.37,两种型号道岔轮重减载率分别为0.20和0.23,满足安全要求。上述结论为轮轨动力学试验提供了参考,也为高速铁路设计给出建议。

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矿用大功率柱塞泵研究现状及绿色化发展趋势与展望

刘银水, 董婕, 韦文术, 赵申诞, 李然, 刘昊, 叶健, 吴德发

机械工程学报. 2023, 59(10): 333-345. https://doi.org/10.3901/JME.2023.10.333

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柱塞泵具有结构简单、耐冲击力强、易于实现高压等优势,是矿用液压支架的心脏。柱塞泵的水平不仅反映一个国家工业发展水平,而且我国高端矿用泵长期依赖进口,因此也是卡脖子技术之一。随着煤矿开采朝着高产高效和安全绿色化的方向发展,矿用柱塞泵面临两大发展趋势:以水为工作介质取代传动润滑液以实现绿色化;高压大流量高功率。介绍矿用柱塞泵的发展历程,在总结国内外矿用高压大功率水压柱塞泵产品现状的基础上,重点分析水压柱塞泵在矿用领域面临的核心技术难题和挑战,并提出应对措施,最后展望矿用高压大功率柱塞泵的绿色化发展趋势。

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螺纹紧固件咬死失效的热力学分析和试验研究

张忠伟, 刘检华, 巩浩, 邓新建, 刘晓玉

机械工程学报. 2023, 59(10): 346-356. https://doi.org/10.3901/JME.2023.10.346

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螺纹紧固件咬死失效是螺纹拧紧过程中的一种典型失效形式,针对当前缺少螺纹表面微观形貌在旋合过程中摩擦生热的热力学模型,导致咬死失效的机理不清楚,以及缺少咬死失效定量评价指标的现状,首先研究构建螺纹面微凸体模型,基于HERTZ接触理论建立螺纹紧固件在拧紧过程中的热量累积和温升模型,从理论层面揭示咬死失效机理;接着通过扭拉试验机对螺纹紧固件进行重复拧紧试验,研究螺纹紧固件发生咬死失效时各种紧固参数的变化规律,提出评估咬死失效的指标体系,即转角-扭矩曲线的齿形波动、螺纹扭矩系数和螺纹摩擦因数增长率超过50%;通过记录螺纹紧固件出现咬死失效的拧紧次数,提出了定量评价螺纹紧固件防咬死性能的试验方法和指标,并系统获得了螺母材料、螺栓/螺母配合间隙、配合螺纹表面硬度差和螺纹摩擦因数等因素对螺纹紧固件防咬死性能的影响规律。

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基于神经网络的机电作动器滑模输出反馈控制

曹萌萌, 胡健, 周海波, 姚建勇, 赵杰彦, 王俊龙

机械工程学报. 2023, 59(10): 357-365. https://doi.org/10.3901/JME.2023.10.357

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机电作动系统广泛应用于工业生产和军事领域,但机电作动系统存在的模型不确定性会使得基于模型的非线性控制器精度下降,同时由于安装空间、成本的限制,系统往往无法安装速度传感器。针对上述问题,提出一种基于神经网络的滑模输出反馈控制策略。针对系统中存在的常值扰动以及参数不确定性,用扩张状态观测器(Extended state observer, ESO)加以估计;针对系统中存在的时变扰动,利用径向基函数神经网络的万能逼近特性进行估计,然后通过前馈补偿技术对前者进行补偿;同时利用ESO观测的系统速度值设计控制量,从而实现输出反馈控制。利用Lyapunov稳定性定理证明了所设计的控制器可以实现系统的有界稳定。大量的仿真和试验结果证明了所设计的控制器相对于传统的PID以及非线性控制器控制精度可以提高一个数量级。

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针对比例风险退化系统健康评估的迭代算法

郑锐, 周一帆

机械工程学报. 2023, 59(10): 366-373. https://doi.org/10.3901/JME.2023.10.366

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系统的健康状态评估是故障预测和健康管理的关键环节,其前提是对故障机理的准确刻画。比例风险模型在可靠性工程中广泛用于描述寿命和协变量对故障时间的影响。工程实际中的协变量过程大多具有随机性,给评估比例风险退化系统的健康状态带来极大的挑战。针对协变量过程具有马尔可夫性质的比例风险模型,提出一种迭代算法近似评估系统的健康状态。该方法首先基于离散化思想构建寿命和协变量状态在单位时间内的联合一步转移概率矩阵,然后通过相邻单位时间的状态转移规律推导条件可靠性和平均剩余寿命等关键健康指标的迭代计算公式。通过两个实际案例验证该迭代算法的有效性:案例一通过与解析法的对比表明迭代算法的评估结果随着离散化水平的提高不断趋于解析值,并由此给出离散化水平的设置准则;案例二通过与转移矩阵近似法的对比表明迭代算法具有计算速度快和内存需求小等优点。

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两类高度截尾数据及其参数估计问题

蒋仁言

机械工程学报. 2023, 59(10): 374-382. https://doi.org/10.3901/JME.2023.10.374

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可靠性数据分析常常会遇到两类高度截尾数据。一类是高度随机截尾数据,另一类是由预防维修活动产生的截尾数据。如何基于这两类数据建立可靠性模型是一个极具挑战性的问题。通过数值仿真和对比分析,介绍高度随机截尾数据的生成背景和最新的参数估计方法,例证经典方法的不适用性和最新方法的有效性。针对预防维修截尾数据,指出现有研究的不足,着重分析两种典型的数据生成机制,提出采用独立竞争风险模型、比例剩余寿命模型和混合假定模型进行参数估计的新方法,通过采用仿真数例和实例充分例证了选择恰当的建模假定的极端重要性。主要的结论是现有面向高度随机截尾数据所开发的参数估计方法是相对地精确的;所提出的面向预防维修截尾数据的参数估计方法是有效的,估计方法的选择依赖于对数据生成机制的理解或数据特征分析。

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刊出日期：2023-05-20

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