2019年, 第30卷, 第16期　
刊出日期：2019-08-25

  

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机械基础工程
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  冷水机组机架减振效果分析

  么宇辉, 丁亮, 王箫剑, 李志深, 李鸿光

  中国机械工程. 2019, 30(16): 1891-1895. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.16.001

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  根据冷水机组结构特性设计了一种减振机架，并利用ANSYS对其固有频率和模态进行了计算；提出了一种利用频响函数法对冷水机组机架的减振效果进行评估的方法，通过ANSYS仿真得到了其频响函数，最后通过实验验证了该方法的可行性。结果表明，该机架具有明显的减振效果，频响函数法可以有效地评估机组或部件的减振效果。
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  工件质量和位置对单面立式平衡机测量误差的影响

  王秋晓, 王德全, 谭健, 付晓艳, 张光艳

  中国机械工程. 2019, 30(16): 1896-1903. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.16.002

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  针对永久标定式单面立式动平衡机对不同质量、不同高度的工件存在较大测量误差的问题，提出了一种用摆架扭摆效应分析误差来源的方法。将摆架系统处理成二自由度振动系统，根据力学原理建立了振动系统的运动方程；推导了系统振动中心的变化规律公式，分析了转速、工件位置和质量对振动中心的影响；推导了簧板绕振动中心的扭转刚度公式，同时分析了扭转刚度与振动中心位置间的关系。通过实验验证了扭转效应随工件质量、位置的变化规律，证明了簧板扭转刚度公式的正确性，分析了永久标定产生的误差，最大误差率为34.41%，说明了永久标定算法的不合理性，为优化测量算法提供了参考。
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  金属低周疲劳过程热力学熵特征分析及寿命预测模型

  朱达荣, 徐德军, 刘涛, 汪方斌, 储朱涛

  中国机械工程. 2019, 30(16): 1904-1910. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.16.003

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  选取Q235钢试样开展低周疲劳试验，通过改变加载幅值、加载频率等条件，研究分析了低周疲劳过程热力学熵产率与累积熵产变化特征。结果表明，熵产率随加载幅值的增大而升高且在同一载荷下熵产率近似恒定。低周疲劳过程中热力学熵的累积是一个准线性累加过程。试样最终疲劳断裂熵随加载幅值的增大而减小，与加载频率无明显关系。在此基础上建立了基于热力学熵的金属低周疲劳寿命预测模型，该模型可用于金属构件疲劳损伤的实时评估。
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  快速压缩机液压制动活塞回弹现象的优化

  韩义勇, 商艺宝, 廖升友, 罗浩锋, 陈炜烽, 潘家营, 卫海桥

  中国机械工程. 2019, 30(16): 1911-1915. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.16.004

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  为解决当前快速压缩机采用气压驱动、液压制动方式时普遍存在的活塞回弹问题，对一台快速压缩机的高压驱动系统和液压缓冲系统进行了结构优化设计。研究结果表明：通过增加排气口数量来减小高压驱动活塞阻力、强化驱动汽缸活塞被驱动侧的放气过程，可以一定程度上缓解活塞反弹现象；同时，液压缓冲系统中被驱动侧液压油压力的迅速建立和释放是影响制动活塞反弹问题的关键，通过协同优化液压制动活塞结构和出油孔泄油量，提高液压制动活塞对实验条件的适应性，可从根本上解决快速压缩机液压制动活塞的回弹问题。
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  遗传编程的机构运动链进化设计

  华尔天, 周猛, 李生辉, 鹿浩

  中国机械工程. 2019, 30(16): 1916-1924. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.16.005

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  针对再生运动链法存在的新机构与原机构具有相同构件数和运动副数的局限，提出采用遗传编程替代数综合，保留了再生运动链法的一般化和具体化过程，分析确定原机构的必备构件，保证新机构满足原机构的功能特性，实现新机构与原机构不同构件数和运动副数的进化设计；基于公理设计中信息公理的内容设计适应度评价函数，以构件总数和多副杆数作为适应度衡量因子，得到具有最小信息量的可行解。通过实例验证，证明了基于遗传编程的机构运动链进化设计方法的有效性。
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  基于小波分析的脉冲涡流/电磁超声复合无损检测方法

  田明明, 解社娟, 韩捷, 李鹏, 裴翠祥, 陈振茂

  中国机械工程. 2019, 30(16): 1925-1930. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.16.006

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  为了有效利用电磁超声中的脉冲涡流信号，实现电磁超声、脉冲涡流检测方法对缺陷检测的优缺互补，提出了一种基于小波分析的脉冲涡流/电磁超声复合无损检测方法，并结合数值仿真和实验验证了所提方法的有效性。
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  应用扰动广义微分求积法的复合材料层合板剪切屈曲分析与优化

  孙士平, 张冰, 胡政

  中国机械工程. 2019, 30(16): 1931-1939,1949. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.16.007

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  广义微分求积（GDQ）法求解复合材料层合板剪切屈曲时存在计算精度差、计算振荡不收敛问题，研究发现该现象源于载荷矩阵存在奇异，为此，提出扰动GDQ法，通过扰动主对角线权重系数以改善载荷矩阵的奇异性来消除计算振荡。数值算例验证了扰动策略的有效性，实现复合材料层合板剪切屈曲问题的高效稳定求解。在此基础上，结合直接搜索模拟退火算法，开展了含剪切载荷的复合材料层合板铺层顺序优化。结果表明：剪切工况时对称复合材料层合板的优化铺层不受铺层数和铺设形式影响，优化铺层角随长宽比增大而趋于60°；而剪切与轴压组合工况下较小的剪切力能改善层合板屈曲性能，随着剪切力的增大，优化屈曲性能逐渐降低，优化铺层趋同于剪切工况。研究结果为复合材料层合板的剪切屈曲性能设计提供了参考。
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  地震及多风况下风力机塔架动力响应

  邹锦华, 杨阳, 李春, 王渊博, 刘中胜

  中国机械工程. 2019, 30(16): 1940-1949. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.16.008

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  为分析不同风速的湍流风与地震联合作用下大型风力机塔架动力学响应，以美国可再生能源实验室（NREL）5 MW风力机为研究对象，基于考虑土-构耦合效应的Wolf理论，利用动态入流理论及Prandtl理论修正的叶素动量理论计算气动力，基于FAST软件预留数据接口开发了地震载荷计算模块，建立了湍流风与地震联合作用下的风力机仿真模型；计算了5组风速与30种强度地震耦合共150种工况下的风力机塔架动力学响应。结果显示：额定风速下，塔顶位移响应受地震激励影响明显；低风速下地震作用对塔架加速度响应影响较大，高风速的湍流风会加剧塔架剪切力和弯矩响应；湍流风与地震联合作用时，塔顶位移及剪切力和塔基剪切力及弯矩的临界地面加速度峰值随风速的增大先增大再减小，塔顶加速度的临界地面加速度峰值在高风速下随风速增大而增大。
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  基于元动作链理论的数控机床故障分析

  张根保, 王扬

  中国机械工程. 2019, 30(16): 1950-1958,1966. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.16.009

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  利用所提出的元动作链方法建立宏观系统可靠度变化与微观元动作运行失效原因之间的联系，对数控机床运行过程中的运行故障进行了分析。以蜗轮齿面磨损失效为例，分析了微观失效原因与故障发生概率的联系，并综合所得到的故障底事件发生概率曲线，融合成系统可靠性曲线，从而实现系统结构信息、系统运行信息、微观失效原因信息、宏观可靠性模型的高度集成。算例表明，所提出的元动作链模型能够对机床的状态变换进行准确描述，有助于精确分析机电系统所有的故障模式，消除了传统可靠性建模过程中的不确定性。
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  单晶铜纳米压印亚表层晶体结构演变机理

  王全龙, 张超锋, 武美萍, 陈家轩

  中国机械工程. 2019, 30(16): 1959-1966. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.16.010

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  为研究纳米压印中单晶铜亚表层晶体结构演变机理，采用分子动力学方法构建纳米压印仿真模型并模拟单晶铜纳米压印过程。采用改进的中心对称参数法分析单晶铜试件位错形核过程及缺陷演化机理，发现纳米压印时位错缺陷在压头下方形核并沿{1 1 1}滑移系向试件内部扩展形成堆垛层错，试件表面有原子台阶残留，试件亚表面损伤层存在V形位错等典型缺陷。针对位错形核区域及位错扩展区域材料晶体结构状态的识别，采用球谐函数法对模拟结果进行分析。由分析结果可知：位错形核区域材料晶体结构由FCC转变为排列更为紧密的HCP和ICO结构；位错扩展区域材料主要转变为DFCC结构。
智能制造
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  球面二自由度冗余驱动并联机器人系统动力学参数辨识及控制

  李永泉, 吴鹏涛, 张阳, 张立杰

  中国机械工程. 2019, 30(16): 1967-1975. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.16.011

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  以伺服电机驱动的球面2-DOF冗余驱动并联机器人为研究对象，首先，建立了机构惯性参数辨识模型，并规划了惯性参数辨识轨迹；其次，建立了机构运动副摩擦参数辨识模型和驱动系统的摩擦参数辨识模型，分别分析了二者的辨识原理，并规划了摩擦参数辨识轨迹；再次，通过辨识实验得到了机构惯性参数、机构转动副摩擦参数和驱动系统摩擦参数的辨识结果，利用辨识结果对原机构参数进行修正，获得了更为准确的机器人系统动力学模型，并通过轨迹测试实验，对辨识结果进行了验证；最后，制定了基于机器人系统动力学模型的前馈控制策略，与传统的机构运动学闭环控制策略进行实验对比，验证了该控制策略的可行性。
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  掘支锚联合机组支撑油缸多目标优化设计

  谢苗, 李晓婧

  中国机械工程. 2019, 30(16): 1976-1981. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.16.012

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  研发了一种适用于综掘巷道的掘支锚联合机组。为提高掘支锚联合机组支护机构的安全性与稳定性，根据参数化建模和分析方法研究了支护结构支撑油缸刚度对结构频响特性的影响，以各支撑油缸的刚度为设计变量，结构的最大位移振幅最小及最大应力振幅最小为优化目标函数，对支撑油缸刚度进行优化设计，确定了各弹簧的最佳刚度，并进行了实验验证。结果表明：优化后模型在3个轴向的最大应力响应比优化前分别减小了96.72%、95.87%、96.65%；优化后模型的最大位移响应在Z轴方向虽然比之前略有增大，但X轴和Y轴方向分别减小了98.17%和74.61%；实验结果与仿真结果的固有频率最大误差为8.6%，且频响曲线变化规律基本一致，证明了优化设计的有效性。
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  一种少自由度并联机构误差特性分析方法

  曾达幸, 樊明洲, 张庆武, 王娟娟, 杨彦东, 侯雨雷

  中国机械工程. 2019, 30(16): 1982-1988,2002. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.16.013

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  应用螺旋理论分析机构螺旋系及分支螺旋系，从机构不可控自由度和可控自由度两方面，通过虚设运动副，形成适用于少自由度并联机构的通用性误差特性分析方法（简称自由度法），该方法无需误差建模，可单独分析特定误差对动平台输出的影响。以3-CUR并联机构为例，应用该方法进行误差分析，得到其误差特性规律。利用矢量法建立3-CUR机构的误差模型，并经仿真分析验证前述规律，根据此规律设计和加工样机，通过样机试验验证自由度法的正确性。
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  交流伺服系统分数阶PID改进型自抗扰控制

  王荣林, 陆宝春, 侯润民, 高强, 张唯, 朱云, 戴炼

  中国机械工程. 2019, 30(16): 1989-1995. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.16.014

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  针对采用永磁同步电机驱动的火箭炮交流伺服系统存在摩擦、惯性力矩、变负载及不同工况下内外扰动等复杂非线性问题，考虑到自抗扰控制（ADRC）抗内外干扰能力强和分数阶PID控制动态性能好，设计了一种分数阶PID改进型自抗扰控制器（FOPID-IADRC）。为了取得良好的动态性能和减少参数计算量，采用分数阶PID控制器取代非线性状态误差反馈器；引入粒子群优化算法，对FOPID控制器的5个控制参数进行实时在线自整定。仿真和半实物台架实验结果表明：该控制策略能够有效抑制位置扰动，具有良好的动态性能和较强的抗干扰能力。
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  考虑工作空间与力传递效率的新型五自由度混联机器人设计与分析

  许允斗, 徐郑和, 杨帆, 赵云, 梅有恩, 周玉林, 姚建涛, 赵永生

  中国机械工程. 2019, 30(16): 1996-2002. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.16.015

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  提出了一款构型为R（2RPR）R/SP+RR的新型五自由度混联机器人，对其性能进行分析，并依据工作空间与力传递效率性能指标进行尺寸优化，获得了关键设计尺寸；在此基础上，进行混联机器人本体结构设计与刚度分析，并与其他同类典型机器人刚度进行了对比；最后分析了混联机器人工作空间，提出一种工作空间搜索方法，分析了机器人在不同布局情况下工作空间是否满足预期。
工程前沿
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  大容量远距离声表面波标签研究

  贾浩, 陈智军, 徐海林, 李亚飞

  中国机械工程. 2019, 30(16): 2003-2009. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.16.016

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  在脉冲幅度、脉冲位置编码的基础上，设计了相位步进脉冲位置编码方案，通过数字正交解调方法提取时隙和相位信息，其编码容量接近300万，可满足大多数应用场合的需求。通过理论推导和仿真分析对比研究了单通道与双通道声表面波标签的回波幅值与反射栅反射率之间的关系，结果表明，对于反射栅数量相同的两种标签，双通道标签可以选取更高的反射栅反射率，从而具有更远的识别距离。实际制作了相应的声表面波标签并进行了测试，测试结果验证了采用相位步进脉冲位置编码双通道标签的大容量和远距离特点。
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  一种正交夹持的钢球螺旋全展开方法与机构

  濮海明, 王哲, 康宜华

  中国机械工程. 2019, 30(16): 2010-2015. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.16.017

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  分析了实现钢球表面全部展开的运动条件，根据运动学关系建立了钢球表面螺旋全展开的数学模型，通过坐标变换求解出展开轨迹线的方程；利用MATLAB分析了钢球表面螺旋全展开的过程，探讨了展开运动轨迹线密度的影响因素；最后设计了一种正交夹持的钢球表面螺旋全展开机构，并成功应用于钢球自动化超声探伤设备中。