2019年, 第30卷, 第14期　
刊出日期：2019-07-25

  

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机械基础工程
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  单层钎焊金刚石砂轮表面磨粒全场快速测量

  崔长彩, 王克贤, 黄国钦, 黄辉

  中国机械工程. 2019, 30(14): 1639-1645. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.14.001

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  为了快速获取单层钎焊金刚石砂轮表面全场磨粒的二维分布信息，提出了一种基于线阵相机的快速测量方法。对检测系统的原理、清晰无运动失真图像的获取、图像处理关键算法等进行研究。首先给出了检测系统的硬件构成与检测系统的工作原理；使用8方向模板的Sobel算子和标准件，完成相机对焦和运动失真图像矫正，然后对预处理的图像采用改进的阈值分割法Otsu算子对图像进行分割，最后实现了磨粒坐标及等效面积等二维特征量的提取。对磨粒有序排布的单层钎焊砂轮（粒度号35/40）进行测量实验，实验结果表明，系统从拍摄砂轮全场磨粒图像到获取磨粒坐标及等效面积所用的时间为77.4 s，可满足对单层钎焊砂轮的全场磨粒快速测量的要求。
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  三种海上风力机支撑基础与船舶碰撞的动力响应分析

  刘宇航, 李春, 周红杰, 韩志伟

  中国机械工程. 2019, 30(14): 1646-1652. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.14.002

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  建立了5 MW海上风力机与船舶碰撞模型，采用非线性动力学理论，对比和分析3种海上风力机支撑基础在不同速度船舶撞击下结构的抗撞性能及塔顶的风力机响应特性。结果表明：相对于三角架基础和导管架基础，单柱基础海上风力机位移和加速度响应更加明显；碰撞过程中，不仅碰撞区域发生变形，而且管桩连接部位、斜撑杆交叉处也有较明显的应变产生，应在设计过程中对这些部位进行加固。由海上风力机支撑基础撞击深度和接触力可知，导管架基础的抗撞性能最好。
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  搅拌摩擦焊核心区温度在线检测方法

  张玉存, 崔妍, 付献斌, 孙世烜

  中国机械工程. 2019, 30(14): 1653-1657. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.14.003

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  提出了基于热图像的搅拌摩擦焊核心区温度检测方法，通过建立轴肩边缘焊材表面辐射度与电压的映射关系、热图像灰度与电压的映射关系，推导出轴肩边缘焊材表面温度与热图像灰度的关系。结合辐射热交换原理，得到了轴肩边缘焊材表面温度与核心区温度的关系，并求解得到搅拌摩擦焊核心区温度。实验对比验证了所建测温模型的正确性与可行性。
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  基于超声作用的磁流变液阻尼器设计与分析

  强鹭升, 王均山, 陈超, 王福飞

  中国机械工程. 2019, 30(14): 1658-1664,1672. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.14.004

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  为减小磁流变液阻尼器（MRD）零磁场时的角动量损耗，设计了一种基于超声场作用的磁流变液阻尼器。该阻尼器内置盘型超声振子辐射超声场，可以减小阻尼器零场阻尼力矩。采用有限元法进行了超声振子动力学分析和阻尼器磁路仿真，并通过实验验证了超声振子的输出性能。基于Bingham模型得到了阻尼器的力矩模型。在高速地面负载实验台上进行了阻尼器输出性能测试和超声场调节零场阻尼实验，结果证明超声场可明显减小该阻尼器零场阻尼。
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  摆线钢球行星传动十字槽等速输出机构的力学性能

  张悦, 安子军, 杨荣刚, 姜威, 刘子强

  中国机械工程. 2019, 30(14): 1665-1672. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.14.005

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  针对锥形或球形槽截面对十字槽等速输出机构啮合点力学性能的影响，提出等曲率半径双圆弧的十字槽结构。利用啮合点法向变形量与轴向微位移的几何关系，根据赫兹接触理论推导出轴向微位移计算公式。建立了十字槽四点接触力学模型；通过轴向力和力矩平衡方程，求得十字槽啮合点的法向力；分析了参数对法向力和接触区应力的影响规律。结果表明：十字槽啮合点的法向力呈周期性变化，钢球数对法向力的影响最大，输入轴偏心距对法向力的影响最小；增大钢球半径可减小接触区正应力以及切应力峰值，减小半径系数可减小接触区正应力以及切应力峰值。
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  一种耦合区间随机混合可靠性分析方法

  谢少军, 潘柏松, 罗路平, 项涌涌

  中国机械工程. 2019, 30(14): 1673-1678,1683. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.14.006

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  考虑区间变量的耦合性，基于多椭球模型提出了一种高效的耦合区间-随机混合可靠性分析方法。为解决耦合区间变量导致的可靠性分析计算效率低的问题，采用序列迭代分析方法，将混合可靠性分析的双层耦合循环分解为概率分析与区间分析，并结合多项式插值法提出了一种适用于极限状态函数关于耦合区间变量单调与非单调两种工况的高效区间分析算法。算例结果表明，所提的混合可靠性分析方法具有较好的计算精度与计算效率。
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  基于斜率差的激光雷达环境特征提取方法

  刘朋, 任工昌, 杨力鹏, 胡小龙

  中国机械工程. 2019, 30(14): 1679-1683. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.14.007

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  在利用激光雷达获取数据进行特征提取时，大多采用迭代计算的方法，且对阈值敏感，计算复杂度高，计算量较大。针对该问题，提出了一种通过计算相邻扫描点的斜率差进行直线段分割与特征点提取的算法。通过实验验证，该算法在直线段分割和特征点提取方面可以获得与手工分割相同的结果，而且对阈值不敏感。与实际测量结果的对比分析结果表明，该算法无论是提取特征线段的长度还是斜率均可获得较高的正确率。
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  腔室截面形状对扩张室液压脉动衰减器滤波特性的影响

  杨帆, 邓斌

  中国机械工程. 2019, 30(14): 1684-1687,1695. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.14.008

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  将气体消声器设计理论中的格林函数法扩展到计算和分析具有矩形、正方形截面的扩张室液压脉动衰减器的滤波特性，在平面波截止频率范围内，这两种截面型式脉动衰减器的插入损失理论曲线与实验测量结果吻合较好，证明了该方法同样可用于计算矩形和正方形截面的扩张室压力脉动衰减器的滤波特性。而针对圆形截面，为避免坐标系变换带来的麻烦，引入消声器声学特性研究中最常使用的一维解析法，其计算结果也与实验测量值吻合良好。通过对这三种不同截面扩张室脉动衰减器插入损失的比较，可以得出：控制扩张室腔体截面周长一定的前提下，在2 kHz测试频带内，圆形截面具有最优的滤波特性，正方形截面次之，而矩形截面脉动衰减性能最差。
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  基于矩阵回路的锻造操作机能量回收及控制参数的设计方法

  翟富刚, 赵桂春, 魏立忠, 姚静, 李冬明

  中国机械工程. 2019, 30(14): 1688-1695. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.14.009

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  针对阀控式锻造操作机液压系统能源利用效率低、能耗大的问题，基于液压矩阵回路，利用泵/马达能量传递单元以及矩阵阀组的灵活组合，设计了能量回收液压系统，结合恒定压差的伺服控制方法，实现了对锻造操作机大车行走、夹钳下降两种动作的能量回收，为验证节能特性，进行了仿真和模拟实验。结果表明：夹钳下降动作中，蓄能器回收了重力势能的39.2%；大车行走过程中，蓄能器回收了惯性势能的37.1%；采用能量回收系统后，泵源输出能量比原系统减少约13%。能量回收液压系统及恒定压差伺服控制方法实现了对锻造操作机两种动作的能量回收，为多执行器系统的节能发展提供了指导。
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  点接触弹流润滑条件下表面弹性变形研究

  沈锦龙, 薛正堂, 衡传富, 刘小君

  中国机械工程. 2019, 30(14): 1696-1702,1712. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.14.010

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  为研究弹流润滑条件下点接触表面变形及其对表面性能的影响，采用激光微织构法制备了一组不同形貌参数的滚动轴承滚道表面试件，基于表面频谱分析和弹流润滑快速算法（幅值缩减法）分析了试件在不同工况参数下的弹性变形。使用ISO 25178三维形貌参数体系对变形前后表面进行表征，研究了点接触弹流润滑状态下表面形貌的弹性变形与载荷、转速的关系。研究结果表明，弹流接触使表面形貌发生显著的弹性变形，载荷、转速等工况参数对变形量影响较大，表面弹性变形使得形貌参数发生显著变化。
智能制造
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  面向智能制造的真空注型工艺质量控制方法

  张壮雅, 李跃松, 段明德

  中国机械工程. 2019, 30(14): 1703-1712. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.14.011

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  针对真空注型（VC）产品质量依赖于工艺设计人员经验，造成VC装备自动化程度低、加工柔性差、产品质量难以控制等问题，基于计算机图形学和人工智能技术，建立一种面向VC工艺的质量控制模型。通过构建体素化模型，近似求解壁厚、均匀程度、体积等模具型腔几何特征参数；在此基础上，融合案例推理和神经网络推理技术，建立型腔几何特征参数与成形工艺间的关系模型，充分利用历史案例，实现初始工艺参数的智能推荐；利用基于规则的模糊逻辑推理方法，挖掘工艺设计人员经验，对试模后的产品缺陷进行智能修正。生产实例说明，基于上述思想方法和推理机制的质量控制模型有较好的推理和质量控制能力。
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  基于精细复合多尺度散布熵与支持向量机的滚动轴承故障诊断方法

  李从志, 郑近德, 潘海洋, 刘庆运

  中国机械工程. 2019, 30(14): 1713-1719,1726. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.14.012

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  为克服多尺度样本熵的不足，更精确地提取滚动轴承非线性故障特征，将一种新的非线性动力学分析方法——精细复合多尺度散布熵引入到滚动轴承的故障特征提取。在此基础上，提出了一种基于精细复合多尺度散布熵与支持向量机的滚动轴承故障诊断新方法。通过滚动轴承实验数据分析，将所提方法与基于多尺度样本熵和多尺度散布熵的故障诊断方法进行了对比，结果表明：所提方法不仅能精确地识别滚动轴承故障类型和故障程度，而且故障识别率高于另两种方法。
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  六轴运动平台几何误差与阵列光纤对准精度的映射关系

  唐皓, 唐果宁

  中国机械工程. 2019, 30(14): 1720-1726. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.14.013

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  针对光缆中阵列光纤与波导芯片精准对接问题，运用光电子封装系统六轴精密运动平台，研究了控制阵列光纤的位姿及对准精度。依据齐次坐标矩阵的几何误差模型，采用方差敏感性分析方法，辨识得出影响对准精度的重要误差项；分析了运动平台的搭建结构，探讨了运动平台几何误差与光纤对准精度的映射规律。实验结果表明，该方法可靠、有效，可为提高光纤封装效率与对准效率提供参考。
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  一种外LET柔顺半铰的动力学建模与分析

  李鹏飞, 曹博宇, 汪振宇, 赵晨, 赵荣昌

  中国机械工程. 2019, 30(14): 1727-1733. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.14.014

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  对一种外LET柔顺半铰进行建模与动力学特性分析。采用斜率不连续的绝对节点坐标法（ANCF）建立了该柔顺半铰系统动力学方程；对外力作用下半铰中心线和外轮廓的运动变形进行仿真，与实验结果对比，证明了绝对节点坐标法对柔顺半铰动力学建模的有效性；进一步分析了半铰外形尺寸变化对其变形规律的影响。
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  新型RR-RURU踝关节康复机器人机构的设计与分析

  张彦斌, 荆献领, 韩建海, 陈子豪

  中国机械工程. 2019, 30(14): 1734-1741. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.14.015

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  基于无耦合RR-RURU转动并联机构设计出一种新型踝关节康复机器人。利用螺旋理论对机构进行了运动输出特性分析和自由度计算；推导出机构动平台的姿态方程和角速度方程，讨论了机构满足运动学完全各向同性的结构条件；根据机构分支运动链的运动螺旋系的线性相关性，分析了机构的运动学奇异性并给出其奇异位形；研究了机构的工作空间，得到其可达工作空间的三维图形。绘制出新型踝关节康复机器人的CAD模型，利用临床医学步态分析数据（CGA）得到其输出角位移曲线，并对其动力学进行了虚拟样机仿真。研究结果为该新型踝关节康复机器人的样机试制提供了理论基础。
工程前沿
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  一种塑制汽车离合器泵的旋转摩擦焊接工艺参数的设计方法

  盛精, 解若愚

  中国机械工程. 2019, 30(14): 1742-1747. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.14.016

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  针对一种塑制汽车离合器总泵的上下泵体在旋转摩擦焊接工艺中焊接参数难以确定的问题，提出了一种基于旋转摩擦焊接温度的焊接参数设计方法。通过二次正交回归试验设计，采用响应曲面法，建立了由主轴主轴转速、熔接压力和旋转圈数3个焊接参数在旋转焊接时摩擦面温度的预测模型；运用差示扫描量热法获得离合器泵体材料的熔点；在分析摩擦面温度与3个焊接工艺参数的二阶响应曲面图的基础上，结合摩擦面温度的预测模型，建立了焊接参数的关联耦合模型；依据该模型即可设计合理的焊接工艺参数。通过对焊接件焊接强度的评价，验证了焊接参数设计方法的合理性。离合器泵焊接量产的合格率达95%以上，证明了该焊接参数设计方法的可行性。
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  2RPU-UPR并联机构在天线支撑中的应用

  许允斗, 仝少帅, 王贝, 鞠忠金, 姚建涛, 赵永生

  中国机械工程. 2019, 30(14): 1748-1755. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.14.017

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  为了解决现有天线支撑机构不能同时满足高承载能力与大工作空间的要求，采用并联机构2RPU-UPR作为天线支撑机构，并对机构进行设计与实验。分析了并联机构2RPU-UPR的受力特征并建立了静力平衡方程。提出了最大承载能力与驱动分支运动范围两个优化指标，采用统一目标函数法建立两个指标的综合评价函数，对支撑机构关键尺度进行了优化设计，得到了一组机构性能优异的结构尺寸；研制了天线支撑机构实验样机，并进行了实验，实验结果表明：提出的天线支撑机构不仅能够承受大载荷，而且能满足横摇±90°、纵摇±90°的大工作空间需求，具有良好的应用前景。
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  基于区域优化的等厚对接焊缝图像二值化方法

  王兴东, 杨雅伦, 孔建益, 施毅

  中国机械工程. 2019, 30(14): 1756-1763. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.14.018

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  坡口镜面反射、多层多道焊坡口形貌复杂和飞溅等现象，使图像存在灰度级多、灰度分布不均和随机噪声等问题，为此提出了一种基于区域优化的等厚对接焊缝图像二值化方法。提出自适应定义ROI算法以缩减图像；基于邻域灰度极差值的分布，将ROI图像分为平缓和剧烈两区域；进一步以高质量二值化图像为目标，建立了区域判定优化模型，由最优结果确定焊缝光带区域，将该区域灰度均值作为阈值，完成二值化处理。实验结果的主观和客观评价较优，满足多层多道焊和多厚度规格钢板的实时性焊接要求。