中国机械工程

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中国机械工程. 2017, 28(16): 0.

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于频响函数分析的主轴-刀柄-刀具结合面轴向分布参数辨识

朱坚民;何丹丹

中国机械工程. 2017, 28(16): 1891-1898.

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针对主轴-刀柄-刀具结合面轴向分布参数的精确辨识问题,提出了一种基于频响函数分析的主轴-刀柄、刀柄-刀具结合面建模及参数辨识的方法。该方法根据主轴系统中各零部件之间的连接关系,将轴承-主轴结合面简化为集中的弹性支撑,建立主轴-刀柄、刀柄-刀具结合面参数沿主轴轴向呈离散分布的结合面模型,并通过Cuckoo search算法辨识结合面参数,确定其在轴向上的分布情况。以4刃铣刀为例,基于所辨识的结合面参数,在ANSYS中建立主轴系统的动力学模型,计算刀尖点频响函数,并与实测值进行比较。结果表明：主轴-刀柄、刀柄-刀具结合面参数在轴向上呈现非线性分布,由其确定的刀尖点频响函数计算值和实测值之间的相对误差在4%以内,达到了较高的建模精度。

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装载机液力变矩器闭锁过程动态分析

惠记庄;程顺鹏;武琳琳;张金龙

中国机械工程. 2017, 28(16): 1899-1905,1913.

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为了减小装载机液力变矩器闭锁过程中产生的振动冲击对零部件使用寿命的影响,提高闭锁品质,根据装载机闭锁离合器工作原理对液力变矩器闭锁过程和接合参数进行了分析,并设计了闭锁充油液压控制系统及充油控制曲线,同时对装载机传动系统进行了简化,建立了闭锁过程的数学模型；基于该模型运用Simulink软件进行了建模仿真,分别分析了闭锁充油时间和充油压力对动态闭锁过程的影响,分析结果表明：闭锁充油时间在0.2s、充油压力在1.2MPa时闭锁效果最佳。验证了所设计的闭锁充油控制曲线是正确的,达到了减小闭锁过程中的动载荷并提高车辆运动平稳性的目的,为其他工程车辆闭锁过程动态分析研究提供了参考。

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高温合金高速精铣表面完整性建模及切削参数优化研究

孙涛1,2;梁晋1;李登万2;魏斌1;郭楠1

中国机械工程. 2017, 28(16): 1906-1913.

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基于均匀设计法设计了含定性因素混合水平的高速精铣试验方案,用最优回归子集法建立了切削力、切削温度、表面完整性的多元二次回归模型,回归效果显著；重点分析了切削条件对表面完整性的影响规律；基于回归模型建立了高温合金高速精铣切削参数多目标优化模型,验证结果显示模型具有较高的预测精度。研究结果对高温长寿命工作下的试件表面质量控制和切削参数优化具有指导性意义。

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脉动血流发生器非圆齿轮-曲柄滑块式驱动机构设计与分析

陶德华1;王英1;陈建能2;荣权升1;周贤1;束学道1

中国机械工程. 2017, 28(16): 1914-1920,1927.

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为使脉动血流发生器产生稳定的脉动性血流,提出了一种新型非圆齿轮-曲柄滑块式驱动机构,运用非圆齿轮副和曲柄滑块机构的组合传动来实现血流的脉动。在满足人体血流脉动前提下,为使设计的机构运行平稳,采用2段三次Hermite插值多项式来对该机构输出构件的加速度曲线进行拟合,再由加速度曲线方程及其边界条件推导出速度、位移和跃度曲线方程,运用拟合得到的输出构件运动学曲线方程推导出非圆齿轮副节曲线反求模型。根据实例求解分析得到的机构参数进行三维建模和虚拟样机实验,对比虚拟仿真实验和理论分析结果,发现所设计机构能够按照预期规律实现脉动血流,且该机构具有良好的运动学特性,同时验证了所构建的运动学曲线方程及所建立的运动学分析模型的正确性。

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遥感相机姿态控制轴的动平衡结构设计与验证

刘丙友1,2;竺长安2;郭杰2;金一2

中国机械工程. 2017, 28(16): 1921-1927.

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多个遥感相机固定在一颗遥感卫星上,调整其中一个遥感相机工作姿态的反作用力产生的角动量会改变遥感卫星的姿态,进而影响其他遥感相机的工作姿态。为了在遥感相机姿态控制轴内自平衡该角动量,减小影响,设计了一种遥感相机姿态控制轴动平衡机械机构。该机构主要由一个驱动电机、一个主轴、一个传动齿轮系、一个增速器及一个角动量平衡轮组成。机构工作时,电机转子驱动主轴带动遥感相机姿态控制轴调整相机姿态,同时,电机定子的反作用力通过传动齿轮系、增速器逐级传递,驱动角动量平衡轮旋转。通过调整角动量平衡轮的质量放大比或者增速器的增速比可得适当量值的平衡轮角动量,实现机构内部动平衡。基于角动量守恒定律和理论力学基本原理,证明了机构设计的正确性。最后,建立了遥感相机姿态控制动平衡机构的三维动态仿真模型,根据机构的实际参数,设定了机构的仿真参数,在给定负载的条件下进行了仿真验证和结果分析,进一步验证了设计的可行性。

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新型磁流变液多间隙双质量飞轮研究

李斌;李华;姚进

中国机械工程. 2017, 28(16): 1928-1936.

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针对目前磁流变液双质量飞轮装置中普遍存在的刚度突变和可传递阻尼力矩较小的问题,提出了一种具有多工作间隙及可获得良好多级非线性扭转刚度的新型多间隙磁流变液双质量飞轮。通过对其磁感应强度及阻尼力矩进行理论分析,并对其结构设计进行优化,得到优化后结构的磁感应强度分布并实现了阻尼力矩的最大化,进而将磁感应强度和阻尼力矩的计算值与仿真值分别进行对比,最后对其固有特性及受迫振动进行分析。结果表明：新型多间隙磁流变液双质量飞轮有利于改善车辆动力传动系减振效果,不同工况下提供相匹配的输入电流可使减振效果达到最佳,可传递的阻尼力矩远大于普通磁流变液双质量飞轮。研究成果可为新型多间隙磁流变液双质量飞轮的设计提供理论参考。

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基于拓扑优化方法的大型液压挖掘机斗杆新型结构

宁晓斌1;刘亚冉1;李颉2;李光3;李佳林3

中国机械工程. 2017, 28(16): 1936-1942.

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以斗杆结构强度为基准,采用结构优化的方法,设计了大型液压挖掘机正铲工作装置斗杆新结构。采用离散元方法,构建矿山岩石模型,获得铲斗挖掘阻力；采用多体动力学方法,搭建大型液压挖掘机正铲工作装置刚柔耦合动力学模型,获得挖掘机斗杆挖掘工况斗杆动态载荷,并对斗杆进行动态结构强度分析；采用SIMP插值函数的变密度拓扑优化方法,在有限元中对斗杆结构进行拓扑优化设计,获得大型液压挖掘机正铲工作装置新型斗杆结构；对新型斗杆结构进行动态结构强度分析,斗杆结构强度保持原有水平。研究结果表明,通过拓扑优化后得到的新型斗杆,结构强度与类比设计一致,但质量减小。

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热连轧机工作辊水平-垂直非线性振动特性及抑制

凌启辉;赵前程;王宪;康煜华

中国机械工程. 2017, 28(16): 1943-1950,2007.

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基于振动情况下轧制界面水平-垂直方向摩擦力模型和动态轧制力模型,考虑轧机的结构和工作辊轴承座与牌坊立柱间的摩擦力等因素的影响,建立了热连轧机工作辊水平-垂直系统的非线性振动模型。运用平均法求解得到幅频特性方程,分析外扰力和非线性参数等因素对系统幅频特性的影响,为抑制轧机工作辊水平-垂直振动提供理论指导。通过分析李雅普诺夫指数和位移分岔图,发现系统随外扰力幅值变化表现出周期、倍周期和混沌等不同运动状态。最后,通过分析工作辊轴承座与牌坊立柱间有无衬板间隙这两种情况下的幅频特性及衬板间隙对系统振动的影响规律,提出一种抑制工作辊水平振动和垂直振动的方法,仿真和实验结果均表明该方法有效。

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冷滚打成形力及金属变形的有限元数值模拟

李龙;李言;崔莅沐;黄赓;杨明顺

中国机械工程. 2017, 28(16): 1951-1959.

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为了得到能够准确高效计算冷滚打成形实体零件外齿形的成形力和整体金属塑性变形情况的数值模拟方法,根据冷滚打成形的基本原理,建立了能够表征冷滚打成形实体零件外齿形特点的典型有限元模型,并参照实验条件进行了实例计算。所得计算结果与实验相比较,证明了该计算模型和方法能够有效反映出稳定成形时主成形力的平均峰值。同时金属塑性变形的计算结果能有效反映冷滚打成形齿形时的金属变形情况,能够预测和解释外沿飞边和纵向的弓形缺陷的发生。在此基础上研究了提高数值计算效率的方法,得出质量缩放因子取60 000、最小单元格长度0.25mm时可获得较高的计算效率。

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一类非完整机械手的链式变换特性及其运动规划方法

李亮1;刘一方2;谭跃刚3

中国机械工程. 2017, 28(16): 1959-1964.

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针对一类非完整三关节机械手提出了规避链式逆变换奇异位形的运动规划方法。根据非完整机械手的结构特点分离出广义坐标向量中的自由变量,将其边界值作为控制输入中的待定系数进行求解。对于非完整机械手在链式逆变换过程中出现的奇异性问题,提出令链式空间中一条轨迹向关节空间映射有解的不等式约束条件,利用增加附加位形约束的方法来规避非完整机械手的链式逆变换奇异位形。仿真与实验结果证明了运动规划算法的可行性与有效性。

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穿戴式机器人的协调控制方法及其运动辅助机理

张霞1;钱蕾1;罗天洪1;陈仁祥1;桥本稔2

中国机械工程. 2017, 28(16): 1965-1971.

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为改善穿戴式机器人在运动辅助过程中的人机交互柔顺性,提出了一种以中枢模式发生器(CPG)为核心的协调控制方法,利用CPG自激行为和对外交流的特性获得理想的主/从关节目标轨迹,规避了运动学和动力学逆解算。结合仿真分析和物理实验研究,阐明了所提控制方法及其运动辅助机理、停止再运动等柔性运动产生机理。结果表明,该协调控制方法具有运动辅助效果,CPG自激行为和对外交流的特性可以获得理想的主/从关节目标轨迹,且CPG的衰减停振特性能够方便地生成停止再运动等柔性运动,极大地改善了机器人的人机交互柔顺性。

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新型PURU+RR+S球面并联人形机器人踝关节机构动力学性能分析

徐奕柳1;杨龙2,3;杨中原2;肖超2;周玉林2

中国机械工程. 2017, 28(16): 1971-1976.

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提出了一种新型PURU+RR+S球面并联人形机器人踝关节机构,根据机构的几何约束关系和速度合成定理,建立包括各个构件位姿、速度的机构运动学模型。在此基础上,考虑各构件惯性力的影响,基于虚功原理和拉格朗日方程,建立了机构动力学模型。通过实验测量,得到一组人体踝关节的运动学数据,利用傅里叶公式进行拟合,得到人体踝关节的位姿函数。将此位姿函数分别作为理论模型、踝关节虚拟样机的输出,得到踝关节机构输入的数值解、仿真数据,验证了运动学和动力学模型的正确性。研究结果为该人形机器人踝关节机构在工程中的结构设计与应用提供了动力学理论基础和依据。

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面向高空幕墙安装的力反馈遥操作系统研究

颜晗;董跃巍;李铁军

中国机械工程. 2017, 28(16): 1977-1986,1993.

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建立了一种能够用于高空幕墙安装的遥操作系统。为改善幕墙安装机器人的操控性和稳定性,在视觉反馈的基础上加入力反馈,使操作者获得良好的临场感。根据结构不对称的主从机器人系统建立了主从机器人工作空间映射关系,确立了两者的工作空间转换关系。确立了机器人的轨迹规划算法,应用MATLAB进行仿真验证。设计了用于轨迹矫正的模糊PID控制器,能够很好地调节轨迹的偏移。针对系统的各项功能进行了实验,实验表明此系统既能保证安装的位置精度,又能根据从手的受力情况,降低碰撞冲击造成的风险。

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基于模型定义的产品信息移动Web轻量化实现

简琤峰;孙畅

中国机械工程. 2017, 28(16): 1987-1993.

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针对STEP AP242提出了多视图语义模型,在此基础上进行语义本体化实现对产品几何与非几何语义信息的统一；然后提出了一种基于边界特征的轻量化算法,该算法在保留产品非几何信息的前提下,裁剪产品模型,简化三角面片,降低数据复杂度；最后给出了实验数据分析以证明该算法的可行性。

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面向复杂梯度材料模具等离子熔积制造的建模与轨迹规划

王湘平1;张海鸥1;王桂兰2

中国机械工程. 2017, 28(16): 1994-1999.

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为满足复杂功能梯度材料（FGM）模具设计和制造的需求,提出了基于非均匀梯度源的体素建模和双数据模型驱动的轨迹规划新方法。双数据模型中的STL模型用于梯度源设计和几何轨迹生成,体素模型用于材料分布设计和FGM表征建立。通过几何轨迹离散和材料信息检索与融合,生成了熔积成形轨迹。新方法不仅具备多个局部复杂参考特征同时描述的能力,还使得成形轨迹兼具几何精确快速和材料分布复杂的特点。最后通过汽车翼子板模具实例验证了算法的有效性。

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不同腐蚀环境下高强铝合金腐蚀行为

周松;许良;回丽;王磊;马少华;韩放

中国机械工程. 2017, 28(16): 2000-2007.

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针对航空铝合金材料在服役过程中因恶劣环境而导致材料腐蚀的问题,通过分析腐蚀形貌、腐蚀坑开口面积、腐蚀深度、点腐蚀坑数量、pH值、腐蚀产物等变化,研究2xxx航空铝合金在不同腐蚀环境(3.5%NaCl水溶液、模拟油箱积水溶液和潮湿空气)中的腐蚀行为和机理。结果表明,在3.5%NaCl水溶液中,铝合金试样表面腐蚀坑的产生主要发生在前24h内,其最大腐蚀坑深约为45μm,而在72~120h,
随预腐蚀时间的延长,腐蚀坑深度、个数的增加并不明显；铝合金试样在模拟油箱积水环境中的腐蚀规律与在3.5%NaCl水溶液中的相似,但腐蚀坑最大开口面积和腐蚀坑的个数明显减少；与前两种环境相比,试样在潮湿空气环境中的腐蚀程度明显减小,腐蚀坑总体个数最少,最大腐蚀坑深约在20μm以内,最大开口面积约在5000μm²左右,且随着腐蚀时间的增长,腐蚀坑之间的深度差距越来越小。

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加压内冷却方法在高温合金磨削中的应用

彭锐涛1;李仲平1;黄晓芳1;唐新姿1;胡云波2

中国机械工程. 2017, 28(16): 2008-2015.

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针对镍基高温合金在磨削加工中大量磨削热的冷却问题,提出采用加压内冷却与断续磨削结合的冷却方法,实现磨削过程中充分冷却磨削弧区高温的目的。设计制备磨粒有序排布的加压内冷却砂轮,采用Fluent有限元软件建立砂轮磨削GH4169高温合金的温度场模型,模拟分析砂轮转速和冷却液压力对砂轮散热性能的影响。开展加压内冷却砂轮磨削GH4169实验研究,分别对磨削温度、表面粗糙度以及表面微观形貌进行对比和分析。结果表明：在相同的磨削参数条件下,相对外冷却方式,内冷却方式能获得更优良的加工表面质量,磨削温度和表面粗糙度均明显降低；在其他磨削参数相同时,冷却液压力越大,磨削温度越低且表面粗糙度越小,表面形貌更加规则、完整。

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中国机械工程. 2017, 28(16): 2016.

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2017年, 第28卷, 第16期　
刊出日期：2017-08-25

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