2017年, 第28卷, 第10期　
刊出日期：2017-05-25

  

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  中国机械工程. 2017, 28(10): 0.

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机械科学
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  某双阀芯电液比例多路阀主阀进口节流流场及阀口压降特性研究

  张晋1,2,3;朱汉银3;姚静1,2,3;李建斌3;李艳鹏3;孔祥东1,2,3

  中国机械工程. 2017, 28(10): 1135-1143.

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  以某系列双阀芯电液比例多路阀为研究对象,采用CFD流场仿真技术和PIV可视化测速技术对不同阀口开度和流量下的主阀沿进口流道、节流口、阀腔的流场进行了流体仿真和试验可视化研究。应用Fluent软件仿真研究了主阀进口节流流场分布并得出阀口压降特性；采用PIV试验研究的手段对流场分析结果加以验证,应用2D-PIV技术获得主阀腔内部一个截面上的流场分布,并通过相似理论计算得出阀口压降特性。CFD流场仿真和PIV试验结果表明：该双阀芯电液比例多路阀主阀出油环形腔内会形成较大旋涡,且阀口开度和流量对主阀进口节流内部流场结构和阀口压降特性有重要的影响。研究结果对定性分析双阀芯电液比例多路阀主阀内能量损失和噪声、主阀的结构和流道的设计以及优化具有重要实际意义,为CFD技术和PIV技术在双阀芯多路阀领域的应用研究提供了参考。
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  全断面隧道掘进机刀盘裂纹尖端应力强度因子收敛性分析

  凌静秀1;孙伟2;杨晓静1;童昕1

  中国机械工程. 2017, 28(10): 1143-1148.

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  针对全断面隧道掘进机刀盘裂纹损伤及寿命预测等工程问题,提出了基于子模型技术的应力强度因子求解方法,并用含裂纹的矩形钢板对该方法进行了验证,分析了裂纹网格参数对刀盘裂纹尖端应力强度因子的收敛性影响。结果表明,钢板的应力强度因子数值和理论计算结果最大相对误差为3.6%。同时得到了保证刀盘应力强度因子求解精度和效率的裂纹单元网格参数,为结构的裂纹扩展寿命预测提供了参考。
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  滚珠丝杠-螺母副结合部轴向动态特性参数测试与分析

  黄俊;汪振华;袁军堂;边伟

  中国机械工程. 2017, 28(10): 1149-1155.

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  为了获得滚珠丝杠-螺母副结合面轴向动态特性参数,建立了滚珠丝杠-螺母副滚动结合面轴向动力学参数识别模型并研发了测试平台,分析了不同丝杠结构尺寸参数对丝杠轴向动态刚度的影响规律。实验结果表明,丝杠直径、导程、螺旋升角、工作圈数的增大均可提高其轴向动态刚度,而丝杠装配过程中的预拉伸所产生的轴向应变量会减小丝杠结合面轴向动态刚度。最后建立了滚珠丝杠-螺母副结合面轴向动态刚度神经网络预测模型,预测结果表明计算刚度与实测值相差不超过8%。
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  力反馈主操作手附加力的补偿策略研究

  贠今天1,2;刘阳阳1;杨全利3;桑宏强1,2

  中国机械工程. 2017, 28(10): 1156-1162.

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  针对力反馈主操作手的连杆重力、关节摩擦力以及惯性力影响医生真实感知反馈力信息的问题,建立了一套完整的动力学模型。基于力反馈主操作手动力学模型,分别建立了主操作手的重力补偿模型、摩擦力补偿模型以及惯性力补偿模型。通过力补偿控制策略来消除力反馈主操作手本身所具有的重力、关节摩擦力以及惯性力伴随关节运动对反馈作用力造成的干扰,实现了医生的真实力觉感知,从而提高了微创手术的精度。
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  基于结构降耦的一类低耦合度新型3T1R并联机构的拓扑设计

  沈惠平;强恒存;曾氢菲;孟庆梅;杨廷力

  中国机械工程. 2017, 28(10): 1163-1171.

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  四自由度的可实现SCARA型（三平移一转动）输出运动的并联机构,与三自由度的Delta机构相比,因其本身的拓扑结构复杂,导致运动学正解以及动力学计算复杂,从而使其新机型的研究和开发应用相对困难;而降低这些机构的耦合度（简称结构降耦）可直接降低机构运动学、动力学求解的难度。根据笔者提出的机构结构降耦方法,对笔者最近提出的一类5个耦合度值κ为2且具有较好实用价值的SCARA型新型并联机构进行了结构降耦优化,得到了耦合度较低（降为κ=1）但自由度和动平台输出运动类型均保持不变的10个SCARA新机型,而这10个低耦合度（κ=1）机构的运动学正解及动力学正反解,可用一维搜索法方便求得数值解,或从易导出的1个一元高次代数方程求得封闭解,为其进一步构型拓扑优化、设计及应用研究奠定了基础。
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  发动机进气系统结构参数优化设计与试验

  李强1,2;俞小莉2

  中国机械工程. 2017, 28(10): 1172-1177,1182.

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  为研究进气系统结构参数对发动机动力性的影响,对进气系统的流场分布和流动特性进行了多物理场耦合数值模拟分析。分析了限流阀的进气锥角和扩散锥角对出口处平均速度和平均压力等指标的影响规律；对稳压腔的结构参数进行正交优化设计,据此获得其对各缸流速均匀性的影响规律。结果表明,稳压腔的腔体直径对各缸流速均匀性的影响最明显,而腔体长度的影响相对最小；限流阀对发动机低速工况充气效率的影响较小,而对中高速工况变化趋势的影响较大。对优化后的进气系统进行了发动机台架试验,验证了MOTEC ECU修正的电喷控制策略能有效改善发动机动力性。
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  圆锥滚子轴承在径向力、轴向力和力矩载荷作用下的整体接触应力分析

  陈强1,2;兰箭1,2;华林1,2

  中国机械工程. 2017, 28(10): 1178-1182.

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  对单个圆锥滚子轴承在承受径向、轴向和弯矩载荷作用下的平衡方程进行了推导,根据变形协调和力平衡条件,初步建立了整体接触分析的数学模型,圆锥滚子轴承的整体平衡方程最终归结为求解一组非线性方程组;通过MATLAB编制数值求解程序,通过迭代的方法完成了对整体平衡方程的求解,并举例进行了验证。
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  传热结构摄动敏度分析及动态拓扑优化

  邹中妃;何林;李家春;陈跃威

  中国机械工程. 2017, 28(10): 1183-1190.

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  针对传热强化拓扑优化过程中新形成的孔洞边界对拓扑优化影响的问题,研究了考虑孔洞影响的拓扑导数分析技术,并提出了优化过程中对新形成孔洞边界进行处理的自适应动态边界处理方法。应用Lebesgue微分理论,基于域摄动敏度分析和局部极限定律,推导了Poisson方程控制系统在三类边界条件下不同目标函数的拓扑导数计算公式；最后通过数值分析实例验证了采用该方法直接设计高效换热器的可行性和有效性。
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  高性能张力腿平台的优化设计与性能分析

  陈博;喻志勇;李骁健;吕勇

  中国机械工程. 2017, 28(10): 1190-1194.

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  针对现有钻井张力腿平台的不足,设计了性能更优异的TLP平台,为TLP平台的设计选型提供参考。基于第六代半潜式钻井平台结构设计方法,结合垂荡板与TLP平台自身结构的优缺点进行了分析设计,并采用水动力分析软件进行综合评价。在单位波高作用下,TLP平台的垂荡响应受入射波的频率影响较大,受浪向的影响较小,新平台可有效抑制最大垂荡响应；垂荡板结构使平台的垂荡固有周期减小；新平台较原平台的垂向阻力增大约1.769倍；新平台垂荡时间历程响应降幅值为7.247m,垂荡响应缩减比例达60.74%。结果表明,TLP平台优化设计方法合理,新平台较原平台表现出了优秀的综合垂荡水动力性能,具有一定的应用前景。
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  涡轮叶片冷却孔电火花加工管电极的铜电铸层制备及其抗电蚀性

  李志永;李丽;郑光明

  中国机械工程. 2017, 28(10): 1195-1201,1214.

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  以降低高温镍基合金涡轮叶片冷却孔电火花加工电极损耗率为目标,基于精密电铸工艺,优化了铸液工艺参数,在添加纳米La2O3条件下制备了铜管电极的铜电铸层,并将其与未添加La2O3所制备的铜电铸层进行了材料性能对比分析。以Inconel 718镍基合金叶片冷却孔为加工对象,利用所制备的带有纯铜电铸层的管电极进行了抗电蚀性能对比研究。试验结果表明：铸液中La2O3的添加量为1.2g/L时,铜电铸层晶粒最细,晶粒平均直径为15.9μm,表面粗糙度降至0.140μm,显微硬度可达98.2HV；用其制成的铜管电极损耗率较普通紫铜管电极和未添加纳米La2O3的铜管电极损耗率分别降低了13.29%和7.26%。
信息技术
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  基于总体局域均值分解及稀疏表示分类的天然气管道泄漏孔径识别

  孙洁娣1;彭志涛1;温江涛2;王飞3

  中国机械工程. 2017, 28(10): 1202-1209.

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  针对天然气管道泄漏受孔径、传感器距离、管道内压力等多种因素影响,特征提取及识别算法较为复杂的问题,提出了基于总体局域均值分解-相对熵的特征提取算法并结合稀疏表示分类的泄漏孔径识别新方法。该方法采用总体局域均值分解方法对泄漏信号进行自适应分解,得到不同孔径泄漏信号的特征信息,并根据KL散度选择包含主要泄漏信息的PF分量,在此基础上提取多种时频特征参数,获取全面准确表征泄漏信号的特征向量；针对小样本复杂信号的分类,提出稀疏表示分类器实现泄漏孔径准确分类。该分类器采用过完备字典求得测试信号的最稀疏解,并以此解作为测试信号的稀疏重构系数,以获取测试信号在不同类别中的重构信号,最终通过判断测试信号与重构信号的残差值大小完成泄漏孔径分类。实验结果表明,所提出的算法比传统的SVM及BP分类算法识别准确率高。
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  基于几何特征的整体叶轮三维测量模型与CAD模型对齐方法

  邢晓红1;郭明森2;黄金昌3

  中国机械工程. 2017, 28(10): 1210-1214.

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  提出了基于几何特征的模型对齐方法,并应用于整体叶轮三维模型。提取了测量模型的质心。根据整体叶轮对称性,采用最小二乘法对其轴线进行了估算,并采用加工精度高的轴位置数据对轴线进行了修正,从而将测量模型的质心、轴线与CAD模型的质心及轴线对齐。根据整体叶轮的制造精度特征,采用加权最小二乘法,实现了叶片区域测量模型与CAD模型的对齐。经计算,采用上述方法的最大对齐误差为0.2mm。
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  变分模态分解消噪与核模糊C均值聚类相结合的滚动轴承故障识别方法

  姜万录1,2;王浩楠1,2;朱勇1,2;王振威3;董克岩1,2

  中国机械工程. 2017, 28(10): 1215-1220,1226.

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  提出了一种变分模态分解消噪与核模糊C均值聚类相结合的滚动轴承故障识别方法。首先,对实测振动信号进行处理,得到VMD的参数；然后,对信号进行VMD分解,得到一系列限带内禀模态函数(BIMF)分量,筛选并叠加组成重构信号；第三步,计算重构信号的样本熵和均方根值作为特征向量,从而得到训练样本和测试样本的特征向量集；第四步,通过KFCM聚类方法对训练样本特征向量集进行聚类分析,得到四种类型信号的聚类中心；最后根据测试样本特征向量与训练样本聚类中心欧式距离最小的原则识别故障类型。此外,将振动信号用经验模态分解(EMD)方法进行消噪,再用KFCM聚类进行分类识别,将两种方法的识别效果进行对比,结果表明所提方法的故障识别效果要优于EMD消噪和KFCM聚类相结合方法的识别效果。
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  改进型BP-PID的舵机控制系统研究

  易军;蔡恒;张东;张道德

  中国机械工程. 2017, 28(10): 1221-1226.

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  针对机械式负载模拟器体积大、成本高及电液式负载模拟器污染大、维修困难等问题,设计了一款电动式直线电机加载测试台。通过Simulink仿真对比了二自由度PID和改进型BP-PID两种控制系统的控制效果。结果表明,改进型BP-PID控制系统不依赖于参数整定,而是通过神经网络多次训练样本自整定出所需参数,稳定性更高、跟踪性更好,完全满足加载测试系统指标要求。
材料工程
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  压扭成形关键工艺参数对铝合金杯形件性能的影响

  丁永根;薛克敏;王久林;李萍;王薄笑天

  中国机械工程. 2017, 28(10): 1221-1226.

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  采用压扭复合成形工艺实现某型号Al-Zn-Mg-Cu合金杯形件成形,采用金相观察、拉伸试验和扫描电镜等分析测试手段,研究了不同工艺参数对Al-Zn-Mg-Cu合金杯形件微观组织、力学性能和断裂方式的影响。结果表明,Al-Zn-Mg-Cu合金杯形件压扭成形最佳温度为400℃,此时微观组织几乎全部由细小等轴晶组成,材料抗拉强度最高为430MPa,强度提高了49.8%；当变形温度高于300℃时,Al-Zn-Mg-Cu合金压扭变形后其断裂方式为塑性断裂,而当成形温度低于300℃时,其断裂方式呈现一定程度的脆性断裂；Al-Zn-Mg-Cu合金杯形件压扭成形扭转圈数不宜过大（不大于5圈）,当扭转圈数较小（不大于5圈）时,Al-Zn-Mg-Cu合金压扭变形后其断裂方式为塑性断裂,且随着扭转圈数的增大,微观断口表面韧窝数量增加,韧窝深度加深；当扭转圈数较大（大于5圈）时,其断裂方式呈现一定程度的脆性断裂。
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  基于高温蠕变特性的连铸坯新矫直技术

  张兴中;郭龙;冯常喜

  中国机械工程. 2017, 28(10): 1232-1237.

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  基于目前工厂常用的连铸坯矫直技术,考虑连铸坯在高温下的蠕变特性,提出利用高温蠕变对连铸坯进行蠕变矫直的新观点。针对某钢厂R9300连铸机设计了一条新型的曲率变化满足正弦规律且弯曲段和矫直段弧长显著延长的矫直曲线,通过数值模拟计算和对比分析,新矫直曲线的应变速率更低,矫直过程中可以充分利用材料的高温蠕变性能。通过在Gleeble-3800型热/力模拟试验机上对Q460E钢进行热塑性试验和蠕变拉伸试验,确定了该钢种的相关热物性参数和蠕变本构方程。由于新曲线矫直区的应变速率接近最小蠕变应变速率,连铸坯主要依靠高温蠕变变形进行矫直,降低了应变速率,可以避免连铸坯内部裂纹缺陷,有利于提高连铸坯的质量。
  A new straightening technology where the continuous casting slabs might be straightened by full using of high-temperature creep properties was proposed based on the straightening technologies that widely used currently. The new straightening curves were designed herein where the curvatures were changed as sine law. The arc lengths of straightening segments and bending segments were extended significantly. The strain rate in the new curve was less than creep strain rate so that high-temperature creep behavior might be used fully in the straightening processes by finite element method. The parameters of thermo-physical property were confirmed and the creep constitutive equation was derived through the uniaxial tensile tests of Q460E steels on the Gleeble-3800 machine. Strain rates in the new curve were close to the minimum creep strain rates, thus the slabs might be straightened by creep deformations mainly. Due to the lower strain rates, internal cracks caused by bending and straightening might be effectively avoided, and the quality of the slabs was improved.
  continuous casting slab; creep straightening; strain rate; straightening curve
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  模具参数对闭开联合轧制汽车油泵轴力能参数的影响

  魏伊伦1;束学道1,2;王雨1;田端阳1;殷安民1,2;姬开宇1

  中国机械工程. 2017, 28(10): 1238-1244.

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  采用DEFORM有限元软件建立了楔横轧汽车油泵轴的三维刚塑性有限元模型,分析了闭式展宽角、闭式成形角、开式展宽角和开式成形角等模具参数对汽车油泵轴力能参数的影响规律,发现：闭式展宽角的增大会使得各力能参数变化速率加快；闭式成形角的增大会使得各力能参数随之增大；开式展宽角的增大会使得径向力增大；开式成形角的增大会使得轴向力增大。进行了1∶1闭开联合轧制汽车油泵轴实验,实测轧制力矩相对误差在10%以内,验证了有限元模型的正确性。
车辆工程
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  车联网环境下车辆最优车速闭环快速模型预测控制

  邱利宏1,2;钱立军1;杜志远2;王金波1

  中国机械工程. 2017, 28(10): 1245-1252.

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  为解决智能交通系统中多辆车的最优车速预测问题,提高车辆燃油经济性及控制算法的执行效率,提出一种基于交通信号灯正时（SPAT）的方法来计算目标车速范围,避免车辆红灯停车；提出基于最优巡航车速和最优加速度跟随的模型预测控制建模方法；提出考虑效率反馈的闭环车速预测控制方法并采用快速模型预测求解最优目标车速。基于云计算的软件在环仿真结果表明,提出的控制方法可以避免车辆红灯怠速以及发生碰撞；相比于基准方法1和基准方法2,平均燃油经济性分别提高6.44%和37.1%；相比于基准方法1,系统平均驱动效率提高7.13%；快速模型预测程序执行效率为模型预测的13倍,且每一步长的实际计算时间小于计算步长,可以实现实时控制。
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  基于无级变速器的混合动力汽车动态模式切换研究

  王建德;周云山;阳辉勇;贾杰锋;李泉

  中国机械工程. 2017, 28(10): 1253-236.

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  对基于无级变速器的混合动力系统的结构及其工作模式进行分析,建立了动力学模型。针对伴随发动机启动的混合动力模式切换问题,提出了一种模糊推理与最优控制理论相接合的综合控制策略。首先基于驾驶意图采用模糊控制得到离合器接合时长,然后基于动力学模型采用动态规划得到离合器的最优传递转矩和发动机的最优目标转矩,再根据离合器最优传递转矩利用电机的快速响应性来实时调整电机输出转矩。通过试验对上述模式切换控制策略进行了验证。试验结果表明：该策略能够优化离合器滑摩时间,体现驾驶意图,实现模式切换的平顺性。