机械设计

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张寒冰, 楫骏, 王刚

机械设计. 2018, 35(2): 1-5.

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为了研究TBM推进系统的同步控制性能，结合机电液耦合系统的特征，应用AMESim软件搭建了推进系统的仿真模型。将灰色预测模型应用到传统PID控制中，并提出一种新型的步长调整机制，很好地解决了传统PID控制策略下难以获得理想同步控制精度的问题。通过与传统PID控制策略进行仿真和试验对比，结果表明，变步长灰色预测PID控制策略提高了TBM推进系统的同步控制精度，位置同步误差由0.3 mm减小到0.15 mm，并减小了支路压力的波动。

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过盈配合的轴-轴套拆解仿真研究

王伏林, 张帅, 闫顺, 陶琪

机械设计. 2018, 35(2): 6-11.

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拆解力的确定是过盈连接零部件顺利拆解的关键因素之一，也是拆解装置设计的重要依据。以轴-轴套典型过盈配合为例，开展有限元拆解仿真研究，采用静力分析和瞬态动力学分析相结合的方法，对配合面接触应力和静动摩擦力进行研究，揭示了拆解力在拆解过程中的变化规律及轴的拉压受力状态对拆解力的影响。考虑轴弯曲变形因素，探究配合面接触应力分布、拆解力及零件塑性变形随轴弯曲度变化的规律；通过对多组拆解仿真数据的回归分析，建立关于过盈量和轴弯曲度的拆解力二元非线性回归方程，以定量预测轴-轴套过盈配合的拆解力，为后续轴孔过盈配合的无损拆解及专用拆解装置的参数设计提供理论依据。

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多凸轮连杆系统的动力学分析

梅菊, 黄松和, 朱鹏飞

机械设计. 2018, 35(2): 12-15.

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单个凸轮做高速不平衡回转运动时，会对系统产生一定的振动，而由多个凸轮连杆组成的系统对凸轮轴的变形影响又尤其明显（各凸轮之间的动作不协调、不对称），该变形会引起系统的振动。以糖果包装机械中常用到的凸轮系统为研究对象，对单个凸轮连杆建立弹簧-质量系统，以执行构件的设计要求为输入信号，在MATLAB/SIMULINK下求得凸轮的响应曲线，再以凸轮的响应曲线作为凸轮轴的输入曲线，求得多凸轮轴的响应，以此求得该轴的最大变形量。为验证凸轮系统的设计是否满足要求提供了一种方法。结果证明在考虑自身阻尼的情况下，高速运转的多个凸轮对凸轮轴的变形和执行构件的精度有较大影响，但能满足一般工况要求。

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变载荷激励下故障半直驱风电行星齿轮传动系统的动力学特性

郇立荣, 肖正明, 陈甫, 张恒, 吴利荣

机械设计. 2018, 35(2): 16-22.

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半直驱风力发电机凭借良好的综合性能，已得到较广泛的技术推广，前景广阔，其关键机械部件——传动系统的动力学问题依然突出。文中针对半直驱风力发电齿轮传动系统，在考虑时变外部激励、齿根裂纹、啮合误差等条件下，运用集中参数法建立了含故障的半直驱风电行星齿轮传动系统动力学模型，计算得到了齿轮传动系统的固有频率及振型。针对随机风场中，风速变化复杂的特点，采用线性滤波AR模型，模拟了脉动风速时程曲线，获得了半直驱风电行星齿轮传动系统的外部激励；利用改进能量法对含裂纹齿轮的啮合刚度进行了数值模拟，获得故障齿轮的时变啮合刚度；引入随机风载及故障动态参数激励，仿真分析了系统的动态响应，研究了时变载荷激励下含故障的行星齿轮系统的动力学特性，为风电齿轮传动系统的故障分析、诊断提供了理论依据。

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基于单元应力选择的BESO算法及其应用研究

冯鹏升, 薄瑞峰, 鲁岩, 沈兴全

机械设计. 2018, 35(2): 23-27.

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针对变密度法和渐进结构优化法的缺点，提出了一种基于单元应力选择的双向渐进结构优化法。利用APDL语言对ANSYS单元的删除和添加功能进行二次开发，通过删除和添加单元，得到满足目标体积的拓扑结构，在此基础上，按照应变能水平高低，在保证体积不变的前提下，进一步恢复和删除单元，得到最优的拓扑结构。该方法综合考虑了结构体积的变化和单元的应力水平，避免了经验计算和振荡现象，有效提高了优化质量和计算效率。文中给出了算法的基本原理和步骤，并以TBT-ML500深孔钻床刀杆箱为研究对象，对其进行了拓扑优化和重构设计。结果表明，优化后刀杆箱的应力和变形量均降低，同时整体质量减少了9.26%，实现了刀杆箱的刚度最大化，同时也验证了该算法的有效性。

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柔顺杆件固定-导向1P2R伪刚体模型

刘凯, 曹毅, 葛姝翌, 丁锐

机械设计. 2018, 35(2): 28-33.

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针对固定-导向模式的伪刚体模型模拟柔顺杆件末端位置精度不高且无法表现轴向变形的问题，基于伪刚体模型的原理提出了一种高精度的固定-导向1P2R伪刚体模型。首先综合考虑柔顺杆件各个方向的变形，构建了包含两个转动副和一个移动副的固定-导向1P2R伪刚体模型；其次建立了该模型的运动学方程，并根据优化算法求解了伪刚体模型的最优特征半径系数，利用一元线性回归方法得到了该模型的弹簧和扭簧刚度系数；最后通过数值算例模拟固定-导向1P2R模型末端的动作路径，并将其与固定-导向伪刚体模型及柔顺杆件的末端路径进行对比。结果表明，固定-导向1P2R伪刚体模型完全能够模拟相应柔顺杆件的末端动作过程，且模拟精度高于固定-导向伪刚体模型。研究证明了该模型的优越性，对柔顺机构的变形分析亦有重要参考意义。

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面向全生命周期的产品可回收度评价研究

简小刚, 蔡帅博, 陈前锋

机械设计. 2018, 35(2): 34-41.

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对产品进行可回收性评价，是优化产品设计方案、提升产品品质的重要手段。文中在现有的国内外研究基础上，结合实际需求提出了产品可回收度的概念及内涵；基于产品全生命周期理论，构建了产品可回收度综合评价指标体系；同时，结合多种综合评价方法建立计算模型。运用模糊层次分析法计算指标权重，分析各项指标的影响因素，建立了一整套规范化的评分细则，最后通过案例验证了模型的正确性和有效性，为产品设计方案优化提供依据。文中的评价过程清晰规范，实际操作简单易行，可为企业在实际应用中进行对应的改进措施提供参考，具有良好的推广价值。

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直线变圆弧角度调整机构误差分析与标定

庞智, 宋代平, 吴小勇, 刘双龙

机械设计. 2018, 35(2): 42-47.

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为满足风洞试验高精度要求，采用了一种连续蚁群算法对直线变圆弧角度调整机构误差进行标定。基于该机构运动学的正逆解，利用解析法建立了误差模型，从而明确了其主要误差源，并通过控制变量法分析了各误差源对俯仰角精度的影响。根据误差模型将误差补偿转化为误差源组合优化问题，运用连续蚁群算法进行求解。文中以直线变圆弧角度调整机构为例进行仿真分析，证明了该算法具有较好的全局优化能力，俯仰角精度由10^-2级提高到10^-5级，有效地提高了该机构的精度。

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拖拉机前桥油气悬架系统振动响应特性试验研究

袁加奇, 朱思洪, 周永清, 鲁植雄, 马佳富, 邓晓亭

机械设计. 2018, 35(2): 48-55.

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以常发CF700型拖拉机为研究对象，对拖拉机前桥油气悬架进行了研究。建立前桥悬架拖拉机3自由度振动模型，运用MATLAB/SIMULINK仿真研究前桥悬架参数对拖拉机振动特性的影响，综合考虑选取前桥悬架刚度系数120~160 kN/m，阻尼系数8~10 kN·s/m。根据拖拉机前桥悬架的参数要求，设计了刚度和阻尼均可调的油气弹簧悬架系统。建立了1/4拖拉机振动模型，模拟拖拉机前桥悬架的实际工况载荷，对自行设计的油气弹簧进行了1/4车体试验，试验研究了悬架位移传递率及簧上质量的振动加速度响应特性。试验结果表明：位移传递率随激振频率的增高而减小，并没有出现共振的现象，整个振动过程呈现过阻尼的状态；振动加速度均方根值随激振频率的增高而增大，而簧上质量的响应振动加速度都明显小于激振台的振动加速度，轮胎动载荷响应随着正弦激振频率的增大而逐渐增加。所设计的油气弹簧有效地抑制了振动，能够提高拖拉机的行驶平顺性和乘坐舒适性。该研究为后期开发前桥悬架半主动油气弹簧系统提供了重要的理论依据。

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数控两级式气动发动机进排气管路系统设计与试验

李玉龙, 宋宇, 蒋峰, 朱德泉, 焦俊, 朱烨

机械设计. 2018, 35(2): 56-61.

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数控两级式气动发动机是以压缩空气等为动力源，通过其膨胀做功，将压力能转化成机械能的动力装置。进排气管路系统是两级式气动发动机的重要组成部分，直接影响到两级式气动发动机的工作性能及气体消耗率。文中通过某一数控两级式气动发动机进排气管路系统的设计和试验，介绍了该两级式气动发动机的结构特点，分析了最高转速为1 000 r/min时对一、二级汽缸进气管道口径大小的影响，讨论了高频电磁阀最小流通截面和工作频率的要求等，从而确保了对进气量的精准控制，降低了气体消耗率，使两级式气动发动机能够稳定运转，并给出了气动发动机进排气管路系统设计的一般要求、方法和应考虑的问题。

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卧式振动离心机筛篮的设计与研究

任兰柱, 徐洪, 闫维忠, 李键, 王永嘉

机械设计. 2018, 35(2): 62-66.

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在对VM1400卧式振动离心机关键部件分析研究的基础上，设计了核心振动部件——筛篮。通过三维实体建模、有限元分析和实际工况采样试验等方法，得到了该筛篮在工作过程中的一系列动力学特性响应。综合有限元分析结果及对采样数据的计算，得出如下结论：在离心机稳态运行时，初级振动体受到较小激振力，由筛篮、主轴等组成的二级振动体可以获得较大的激振力，这是一个振动放大的过程，振动频率接近于工作频率，是非常理想的工作状态。

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小子样高速电主轴的Bayes可靠性分析

邱荣华, 张敏, 王锦, 刘宏昭

机械设计. 2018, 35(2): 67-71.

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针对高速电主轴可靠性分析存在的问题，应用Bayes理论提出小子样高速电主轴性能退化可靠性试验分析方法，推导了小子样高速电主轴可靠性参数的验前、验后分布及置信限表达式，据此评定高速电主轴可靠性指标。对两根170MD18Y16型高速电主轴进行可靠性试验，利用性能退化量试验数据分析了Weibull寿命分布模型参数，并利用170MD18Y16型高速电主轴轴端跳动量测试数据，应用Bayes方法评定了该型高速电主轴可靠性指标，分析结果与电主轴实际工况使用值一致，表明Bayes理论可用于小子样高速电主轴可靠性分析。

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基于B样条转速函数的凸轮机构运动优化

肖海文, 葛荣雨, 王进, 陈英雷, 孙凯

机械设计. 2018, 35(2): 72-76.

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改变凸轮转速函数，而不改变凸轮轮廓，可以调整出合适的凸轮机构输出特性。B样条曲线作为通用的数学描述形式，具有灵活的调整性。文中首先推导出变速凸轮机构的传递函数，提出以非均匀B样条曲线作为凸轮转速函数，讨论了节点矢量的确定方法。构建了凸轮机构的运动优化模型，并确定了约束条件。最后，通过两个优化实例证明了该方法的有效性。

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静电驱动MEMS柔性结构的变形分析与试验验证

刘庆玲, 王梓翰, 于常娟

机械设计. 2018, 35(2): 77-81.

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针对静电驱动MEMS柔性梁的变形特性进行分析，依据静电场理论及伪刚体理论，考虑静电力非均匀分布载荷的基本特征、静电力与柔性梁变形之间的耦合作用及可能存在的边缘电场对静电力的影响，建立不同电压下求解柔性梁变形的数学模型，同时给出静电吸合电压的计算式。设计并加工了MEMS柔性梁，采用文中所建模型计算了柔性梁的变形，同时搭建试验测试系统测试柔性梁的变形及静电吸合电压，与理论计算结果具有较好的一致性，验证了文中建立的数学模型的正确性。

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仿蝼蛄前爪趾形新型仿生截齿的设计与研究

王春华, 安达, 李鸿键

机械设计. 2018, 35(2): 82-86.

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采用仿生学设计理念，根据蝼蛄的前爪趾构形，提出一种新型仿生截齿结构方案，通过对蝼蛄前爪趾和普通镐型截齿轮廓的投影曲线拟合，构造出仿生截齿轮廓，获得仿生截齿结构，对仿生截齿和普通镐型截齿进行截割煤岩的仿真和试验分析，结果表明：相比于普通镐型截齿，仿生截齿自身质量减小9.7%，仿真截割三向分力均值及合力均值分别增加5.4%，6.5%，10.2%和6.1%，试验截割合力均值增加23.5%，仿生截齿在力学性能方面有所提高，但不具备普通镐型截齿在齿座中的可回转性。

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基于正交试验法的某燃油箱设计

尹辉俊, 张雯, 刘赟, 汪洋, 田丽雯

机械设计. 2018, 35(2): 87-93.

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针对金属燃油箱在设计阶段存在试验次数多、周期长等问题，文中提出了一种基于正交试验的设计方法来解决此类问题。该方法选取燃油箱的下箱体、隔板和上箱体3个因素，其中下箱体取8个水平，隔板及上箱体各取2个水平，按照L₁₆（8×2²）正交表设计了16种试验方案。通过结合有限元分析得到该结构的固有频率及通过极差分析研究各因素对燃油箱固有频率的影响，从而找出影响金属燃油箱固有频率的主要因素并确定其油箱设计的优选方案。结果表明，该方案的试验次数明显减少，设计周期缩短，验证了该方法的可行性。

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双曲型法向圆弧齿轮传动的滑动特性分析

陈厚军, 张玲玲, 颜光稳, 张小萍

机械设计. 2018, 35(2): 94-97.

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双曲型法向圆弧齿轮是圆弧齿形在交错轴齿轮传动中的最新应用。根据双曲型法向圆弧齿轮啮合原理，推导出了基于齿面准线的滑动率公式；通过数值计算，绘制出了滑动率随设计参数和工作位置变化的规律曲线，探讨了双曲型法向圆弧齿轮副的滑动特性。这一研究为双曲型圆弧齿轮传动的参数优化设计和磨损分析等提供了理论依据。

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基于有限元法的固体充填液压支架底座结构参数优化

田立勇, 隋然, 宋振铎, 王启铭, 孙聚涛

机械设计. 2018, 35(2): 98-104.

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为提高固体充填液压支架底座的强度和可靠性，以ZZC8800/20/38型六柱支撑式固体充填液压支架底座为研究对象，在满足强度要求的前提下，以减小底座质量和变形位移为优化目标，利用三维建模软件建立了底座的有限元模型，采用有限元法，在ANSYS Workbench软件中进行有限元分析，通过观察应力云图，选择液压支架底板厚度、外侧主筋板厚度、内侧主筋板I厚度、内侧主筋板Ⅱ厚度为变量，对液压支架底座结构参数进行优化。结果表明，优化前后底座应力集中区的应力和变形位移变化不大，但是底座的质量明显减小，其质量减小了334.7 kg，也同时改善了底座的强度分布不均现象。

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动力式老年人助行器人机工程设计

石元伍, 江书圯

机械设计. 2018, 35(2): 105-108.

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通过结合传统助行器的推行功能和电动轮椅的载行功能而设计一款新型动力式老年人助行器。采用姿势评价确定助行器推行的最佳姿势；在最佳姿势条件下，利用JACK软件对助行器的推行和载行过程进行人机工程仿真，得到人体第4节和第5节腰椎（L4/L5）的受力。通过比较两组L4/L5的受力值得出助行器的最佳尺寸区间，使新型动力式老年人助行器在尺寸设计上更加合理。

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面向产品服务系统的用户体验可拓评价方法研究

胡飞, 周坤, 麦永治

机械设计. 2018, 35(2): 109-114.

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为系统、客观地解决产品服务系统中的用户体验评价问题，基于可拓学拓展分析法和优度评价法，结合用户研究中的非参与式观察法及访谈法等，以有轨电车的产品服务系统为例，建构用户体验的优度评价模型，提出具有针对性的设计改进方案。所提出的基于可拓学的评价模型可有效评价产品服务系统的用户体验，也可拓展评价其他复杂系统的用户体验。

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产品设计中基于思维自适应模型的用户认知研究

刘霁虹, 支锦亦, 支宇

机械设计. 2018, 35(2): 115-118.

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用户选择和评价产品的过程判断受到认知加工的主动性影响，以用户认知的表征结构和表征方式为研究对象，通过问卷调查法，研究其对用户决策判断的影响。使用语义差分法进行问卷调查，在对调查数据进行统计分析的基础上，建立了产品造型联想的思维自适应（ACT）模型。通过该模型可对产品造型在用户认知过程中的联想激活模式进行分析，且能够从认知行为的角度为用户的感性评价结果提供解释，为构建产品识别时的心智模型和完善用户心理分析提供一种新的研究路径。

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基于舒适时长指标的工业设计参数优化研究

陈永超, 李晓娇, 杨爱慧

机械设计. 2018, 35(2): 119-123.

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以舒适时长作为衡量舒适度的指标，根据人机工程学原则，提出工业设计参数优化方法。基于对象样本，采用回归分析法，分别构建单因素工业设计参数与舒适时长的回归关系；以平方和构建目标函数，运用序列二次规划算法，得出工业设计参数的最优解。根据15款办公椅样本，得出办公椅座面高、靠背倾角和扶手高的优化参数。结果表明：舒适时长可作为衡量舒适度的有效指标，可为工业设计与人机工程学研究提供参考。

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儿童产品造型语义模糊评价

吴剑斌, 陈香, 张凌浩

机械设计. 2018, 35(2): 124-128.

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基于产品造型语义特征在儿童清洁用具设计中的内涵，建立产品语义模糊评价的儿童产品表征方法，并以儿童清洁用具为例，运用模糊评价方法对其方案在造型、颜色、可操作性、人机关系4个角度进行评估，进而将抽象语义转化为数值。通过综合性评价，验证该评价模型可有效针对不同儿童产品造型设计方案，为儿童产品的造型设计评估提供可量化和参考的依据。

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2018年, 第35卷, 第2期　
刊出日期：2018-02-20

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