2018年, 第29卷, 第11期　
刊出日期：2018-06-10

  

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  中国机械工程. 2018, 29(11): 0.

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机械基础工程
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  考虑定位力及波纹力的电磁悬架作动器波动力抑制方法

  杨超, 李以农, 胡一明, 钟银辉

  中国机械工程. 2018, 29(11): 1261-1267. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2018.11.001

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  针对轮边驱动电动汽车设计了一种直驱式的电磁悬架作动器。针对作动器存在的电磁力波动大的问题，提出了从空载定位力及负载波纹力两方面进行抑制的方法。建立作动器的磁场理论计算模型，通过对绕组磁链及感应电动势进行解析，验证了有限元模型的正确性。空载情况下基于有限元模型参数化分析了端部齿长度对定位力的影响，改进了定子长度。以感应电动势总谐波畸变率THD值作为评价指标，考虑了负载情况下的波纹力，通过改进槽口的宽度，以减小THD值及电磁力的波动。结果表明：当定子长度为182 mm时，定位力最小为24.0N，减小了75.6N；当槽口宽度为4.5 mm时，感应电动势THD值最小为4.5%，波纹力减小了3.2N。改进后作动器电磁力波动值仅为20.8N，降幅为80.1%，有效解决了波动力大的问题。
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  超声点聚焦探头在球体中的声束发散与聚焦

  濮海明, 王哲, 康宜华

  中国机械工程. 2018, 29(11): 1268-1273. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2018.11.002

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  探究了点聚焦探头焦点相对于球体在不同位置时的声束传播路径，讨论了进入工件内部的超声波束的聚焦与发散情况；分析计算出点聚焦探头在球体内实际焦距的表达公式，得到实际焦距与水层厚度等参数之间的关系；利用有限元分析软件建立点聚焦探头在球体内焦距变化的瞬态仿真模型，仿真结果与理论公式计算得到的结果基本一致；最后，通过实际焦距表达式确定了检测不同半径钢球的点聚焦探头的选型和水层厚度，实验现象验证了结果的可靠性。
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  二自由度超声波电机惯性驱动研究

  王剑, 白洋, 郭吉丰

  中国机械工程. 2018, 29(11): 1273-1278. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2018.11.003

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  设计了采用单相电源驱动旋转和直线两种运动的新型单定子二自由度超声波电机，提出了一种近谐振点平稳惯性冲击的电机驱动方法。基于电机构造机理和驱动原理，建立了电机惯性驱动模型，定量分析了方波信号参数对电机性能的影响。算例分析表明，电机在近谐振点采用非对称方波激励，定子端面可输出符合惯性驱动要求的锯齿波。给出了最佳的方波驱动频率与占空比。该驱动方法简洁高效，完全消除了相位差对多自由度电机性能的影响。
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  球面聚焦超声辅助汽雾冷却系统换热特性研究

  曹洋, 李华, 任坤, 刘素娟, 王中旺

  中国机械工程. 2018, 29(11): 1279-1284. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2018.11.004

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  基于超声雾化理论和超声聚焦理论，提出了一种应用于精密磨削加工中的球面聚焦超声汽雾冷却系统，在使用超声雾化作为冷却方式的同时，利用聚焦超声将汽雾汇聚到指定的换热位置，以提高汽雾的利用率。利用Fluent软件数值模拟和平面热源条件下稳态换热试验分析了聚焦汽雾和聚焦超声对聚焦超声汽雾冷却系统换热特性的影响。结果表明，当试件位于汽雾焦区时，聚焦汽雾的换热性能最佳，试件表面温度最低；同时，聚焦超声有助于强化中心区汽雾换热，进一步提高聚焦超声汽雾冷却系统的换热能力。
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  一种新型导流式油气润滑喷嘴

  刘牧原, 郭峰, 焦一航, 彭淑玲, 王希

  中国机械工程. 2018, 29(11): 1284-1288. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2018.11.005

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  设计了一种新型导流式油气润滑喷嘴，测试并比较了该类型喷嘴与普通针型喷嘴的气相参数、射流形态和产生的油滴尺寸及分布。试验结果表明，导流式喷嘴相对于针型喷嘴供油效率高，在保证润滑效果的同时，油气润滑系统的供油量可减少40%左右，压缩空气的消耗量可减少28%左右，降低了能耗，节约了成本。
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  电控机械式自动变速器时序重叠换挡系统设计与研究

  周英超, 常思勤, 李波

  中国机械工程. 2018, 29(11): 1289-1296. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2018.11.006

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  为解决电控机械式自动变速器（AMT）动力中断时间过长的问题，研制了一种基于电磁直线执行器的时序重叠换挡系统。介绍了关键部件电磁直线执行器的结构和工作原理，建立了机、电、磁耦合的系统模型，并通过实验进行了性能分析。提出了时序重叠换挡的控制策略，基于二自由度控制原理设计了位置复合控制器。仿真和实验结果表明，提出的位置复合控制器具有较好的系统响应和扰动抑制特性；在转速差为500 r/min、被同步惯量为0.01 kg·m²条件下，采用时序重叠换挡方式由2挡换至3挡的换挡时间约为130 ms，时序重叠控制减少时间约20 ms，换挡时间缩短15%以上。
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  牵引电机扭矩激扰的机车齿轮传动系统非线性特性

  王俊国, 肖遥, 杨旭峰, 赵永翔, 方修洋

  中国机械工程. 2018, 29(11): 1296-1302. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2018.11.007

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  考虑牵引电机扭矩变化和轮轨黏着力波动等外部激励，以及齿侧间隙、时变啮合刚度和传递误差等内部激扰，采用集中质量法建立了某和谐号机车直齿齿轮传动系统的动力学模型。利用数值方法求解了电机扭矩变化时齿轮传动系统的动力学响应。结合分岔图、相平面图、庞加莱截面图、时间历程图、频谱图，分析了电机扭矩变化对系统非线性特性的影响规律，揭示了系统由单周期、多周期到混沌运动的非线性动力学演化机理。
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  精确直线可展机构及其动力学分析

  畅博彦, 李文启, 金国光, 宋艳艳

  中国机械工程. 2018, 29(11): 1303-1309,1315. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2018.11.008

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  将Hart直线机构和剪叉机构相结合，提出一种仅含转动副的直线可展单元，并设计得到一种精确直线可展机构。根据机构结构学分析理论，阐述可展机构的模块化组成原理，将机构的组成分解为底部模块、中部模块和顶部模块，3种模块均由直线可展单元构成；对单个直线可展单元进行运动学建模，结合机构的模块化组成原理，推导得到任意模块间的运动学递推关系，求解得到多层模块条件下机构的整体运动学模型，运用Lagrange方程构建机构的整体动力学模型；以3层可展机构为例，对其进行动力学数值计算和虚拟仿真，验证所建运动学和动力学模型的正确性和有效性。通过给定末端执行器的输出运动规律，求解得到机构所需的驱动力矩，结果表明：末端执行器为正弦加速度曲线时，机构在整个工作周期内无冲击，运动稳定性好。
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  在线电解修整磨削与化学机械抛光相结合的蓝宝石基片组合加工技术

  徐志强, 尹韶辉, 姜胜强, 朱科军

  中国机械工程. 2018, 29(11): 1310-1315. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2018.11.009

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  通过分析ELID磨削和CMP抛光两种加工技术的原理和特点，充分结合两种技术的优点，对蓝宝石基片进行超光滑纳米级精度的组合加工。从理论上分析和计算了蓝宝石的临界切削深度，以及在不同粒度砂轮下的脆性和延性磨削方式；采用不同粒度的砂轮对蓝宝石基片进行超精密ELID磨削实验，快速地获得高质量的加工表面，同时采用磁流变斑点法对加工面的亚表面损伤进行测量；利用CMP抛光技术对磨削加工后的表面进行光整，以减少磨削时产生的加工缺陷，使工件的表面质量得到进一步改善与提高，最终获得亚纳米级的表面粗糙度。
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  引入悬架K&C特性参数的汽车操纵稳定性数学模型

  李广, 刘芳, 檀润华, 李雪鹏, 王天禹

  中国机械工程. 2018, 29(11): 1316-1323. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2018.11.010

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  基于经典操纵稳定性二自由度线性数学模型研究方法，通过力学分析建立了包含悬架K&C特性参数的汽车操纵稳定性线性数学模型，并建立其MATLAB模型。将经典操纵稳定性二自由度数学模型和引入悬架K&C特性参数的操纵稳定性数学模型对整车不足转向度及横摆角速度的影响进行对比分析，研究悬架K&C特性参数与操纵稳定性的关系。依据三种小型SUV的悬架K&C数据及整车阶跃试验数据，对两种操纵稳定性数学模型进行计算，并与试验结果进行了对比，验证了引入悬架K&C特性参数的操纵稳定性数学模型的准确性。
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  磁力光整加工铝镁合金永磁极研究

  张鹏, 张桂香, 梁伟, 秦璞, 姜林志

  中国机械工程. 2018, 29(11): 1324-1328. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2018.11.011

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  以主轴改造后的XK7136C数控铣床为平台，以AZ31系镁合金与7075-T651铝合金为研究对象，通过理论计算与磁场仿真，设计出适用于加工铝镁合金结构材料平面的强永磁材料磁极，并采用雾化快凝球形磁性磨粒进行试验，以验证该种光整加工方法的可行性及球形磨粒性能。使用"米字槽"与"田字槽"两种磁极分别对两种材料进行研磨实验。实验结果表明：两种端面开槽方式均可防止磨料的局部堆积，保证磨料的流动性，并使端面磁通密度增大，磁场强度梯度增大，提高研磨效率。两种磁极所研磨表面粗糙度分别为0.126 μm和0.148 μm，端面拥有更大磁通密度的"田字槽"磁极前期研磨效率更佳。
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  织构拉刀的拉削负载特性建模与验证

  倪敬, 舒央, 孟青新, 吕俊杰, 王书赢, 胡春美

  中国机械工程. 2018, 29(11): 1329-1335,1341. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2018.11.012

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  针对传统圆孔拉削加工负载建模过程不够清晰，负载特性预测误差较大的问题，将拉刀刀齿上的槽定义成一种表面织构槽，综合考虑刀齿上的织构槽参数、拉削面积圆孔效应和拉削过程多齿接触周期特性，建立了较详细的织构拉刀拉削负载计算模型。基于经典刀齿切削负载理论，提出了具有织构槽拉刀的单齿拉削负载模型；考虑工件圆弧孔形状对拉削面积的影响，进一步优化单齿拉削负载模型；考虑由工件长度引起的多齿接触周期特性，得到一般性的织构拉刀拉削负载计算模型。仿真与实验结果表明，提出的模型能较好地预测实际拉削负载。同时也指出，在拉刀刀齿上开设织构槽可以降低拉削负载，但是开设的织构槽数量并非越多越好，而是存在一个最优值。
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  电机-飞轮-油泵液压动力单元实验研究

  罗琬先, 陈柏金, 颜笑鹏

  中国机械工程. 2018, 29(11): 1336-1341. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2018.11.013

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  针对锻造液压机装机功率大、能量损失严重的问题，设计出一种节能型液压动力单元，通过变频器控制异步电机带动飞轮驱动油泵。控制器控制飞轮能量的储存与释放，低负载阶段时，电机带动飞轮储存能量；高负载做功时，电机与飞轮同时释放能量。对动力单元进行了理论与实验研究，得到不同转速下，成形能量、电机功率、电机转速与时间的关系。实验结果表明：较普通液压动力系统，该动力系统装机功率至少降低30%，且对液压机的动作影响不大。
可持续制造
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  基于随机模型预测控制的四驱混合动力汽车能量管理

  钱立军, 荆红娟, 邱利宏

  中国机械工程. 2018, 29(11): 1342-1348. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2018.11.014

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  基于随机模型预测控制基本原理，研究了四驱混合动力汽车的能量优化管理。采用马尔可夫模型预测加速度变化过程，通过计算得到混合动力汽车未来需求转矩。在保证电池荷电状态平衡的前提下，以燃油经济性最优为目标，建立混合动力汽车能量管理优化模型。针对建立的非线性优化模型，采用动态规划算法进行有限时域内的滚动求解。将提出的控制策略在dSPACE中进行软件在环仿真试验。研究结果表明，随机模型预测控制策略可以实现四驱混合动力汽车基本的能量管理，可在保证各动力部件良好工作状况的前提下，提升燃油经济性。与基于恒值模型的预测控制策略相比，随机模型预测控制策略下的平均燃油经济性提升了8.30%，优化结果接近有先验知识的预测控制策略。
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  基于多岛遗传算法的漂浮式风力机稳定性多重调谐质量阻尼器优化控制

  黄致谦, 丁勤卫, 李春, 汤金桦

  中国机械工程. 2018, 29(11): 1349-1356. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2018.11.015

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  将多重调谐质量阻尼器（MTMD）引入漂浮式风力机控制领域以提高漂浮式风力机的稳定性。以NREL 5MW风力机及ITI Barge平台为研究对象，提出在漂浮式风力机机舱和塔架中配置2个参数不同的调谐质量阻尼器（TMD），并基于多岛遗传算法，算出MTMD系统最优参数。通过对3种典型工况下、有无配置MTMD的漂浮式风力机进行模拟计算，研究了最优MTMD的控制效果。结果表明：多岛遗传算法能够有效优化MTMD参数；MTMD控制优于单一TMD控制；经参数优化后，MTMD对漂浮式风力机振动的控制效果更好，塔顶纵向位移和平台横摇角标准差抑制率分别提升了80.4%和83.8%；MTMD对漂浮式风力机不同部位的控制效果不同，控制效果最好的为塔顶纵向位移、塔根横向弯矩及平台横摇角；不同环境工况下，MTMD对漂浮式风力机都有着明显的控制效果，其中纵向载荷和位移的标准差抑制率分别为10.3%~12.1%和76.1%~78.3%，横向载荷和位移的标准差抑制率分别为75%~77.7%和8.9%~10.8%。
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  一种馈能型混合悬架的多模式协调控制

  寇发荣, 魏冬冬, 梁津, 田蕾

  中国机械工程. 2018, 29(11): 1356-1363. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2018.11.016

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  为了有效控制车辆悬架振动及回收振动能量，提出了一种基于滚珠丝杠式作动器和磁流变减振器的车辆馈能型混合悬架结构。建立了1/4车辆2自由度混合悬架动力学模型，分析了混合悬架的主动控制模式和具有电磁阻尼力反馈调节的半主动控制模式，设计了混合悬架多模式协调控制器，并利用MATLAB/Simulink软件对混合悬架多模式协调控制的动态性能、悬架系统的自供能进行了仿真分析，开展了混合悬架台架试验研究。仿真和试验结果表明：与被动悬架相比，随机路面谱输入条件下混合悬架的簧载质量加速度均方根减小了30%以上，混合悬架减振效果显著。
先进材料加工工程
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  包覆对称组坯热轧制备高铬铸铁/低碳钢耐磨复合板

  李艳威, 王效岗, 李玉贵, 韩培盛

  中国机械工程. 2018, 29(11): 1364-1368,1374. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2018.11.017

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  通过对碳钢板和高铬铸铁板进行六层对称包覆组坯，在1 200℃下分别采用30%和60%压下率多道次热轧制备了耐磨复合板。使用扫描电镜对试样的微观组织和界面结合情况进行了观察。试验结果表明：热轧后板形表现平直无翘曲现象；热轧过程中较软碳钢层的协调变形和应力释放作用使得高铬铸铁热变形裂纹敏感度降低，脆性高铬铸铁层实现了一定程度的热变形；两种材质界面结合质量良好，无可辨别的沿界面的夹层和空隙等缺陷；通过EDS能谱检测发现在高铬铸铁侧有无碳化物的过渡区，界面两侧的硬度值连续变化，证明两种材料实现了冶金结合。
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  基于应变梯度塑性理论的纪念币压印成形数值模拟

  易国锋, 李巧敏, 钟文, 柳玉起

  中国机械工程. 2018, 29(11): 1369-1374. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2018.11.018

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  为了准确体现纪念币压印成形工艺中由于精细浮雕导致的尺寸效应，从Taylor位错模型出发，基于应变梯度塑性理论，建立了压印成形的本构方程。采用纳米压痕试验，获得了Ag999的材料内禀尺寸以及统计存储位错密度和几何必须位错密度的非线性耦合关系。将建立的本构方程用于计算某钥匙纪念币压印成形过程中的压印力变化曲线，并与试验结果进行对比，结果表明，建立的本构方程能够体现压印成形工艺中的尺寸效应，可有效改善压印力的预测精度。
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  带壁厚偏差的无缝钢管推压-拉拔复合缩径

  刘超, 王连东, 刘恒, 高缘, 王志鹏

  中国机械工程. 2018, 29(11): 1375-1379,1385. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2018.11.019

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  通过测量、分析某载重6.5 t胀压成形汽车桥壳用钢管的轴向及周向的壁厚，建立了带壁厚偏差管坯的几何模型及推压-拉拔复合缩径的力学模型，分析了薄壁侧、厚壁侧管坯的受力及变形差异；通过对不同壁厚偏差管坯两侧的推压-拉拔复合缩径进行数值模拟，揭示了壁厚偏差对传力区应力及管坯壁厚的影响规律，并基于传力区不失稳条件给出了初始管坯的周向壁厚偏差的最大值；在专用缩径设备上成功试制出缩径样件，试验结果与有限元模拟所得规律一致。
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  关于“Metal Cutting Theory-NewPerspective and New Approaches”一书

  师汉民

  中国机械工程. 2018, 29(11): 1380-1385.

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  中国机械工程. 2018, 29(11): 1386.

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