2019年, 第30卷, 第8期　
刊出日期：2019-04-25

  

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机械基础工程
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  基于超声无损评价的表面粗糙度测量方法

  韩晓芹, 宋永锋, 刘雨, 李雄兵

  中国机械工程. 2019, 30(8): 883-889. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.08.001

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  选用不同线切割工艺制备各种表面粗糙度的304不锈钢试块。基于超声波入射到粗糙表面的自由应力边界条件，采用表面回波的幅值均值、离差率和平均功率同时表征粗糙度，根据主成分分析法建立粗糙度的多参数评价模型。实验结果表明，和触针法相比，超声评价法误差最大为3.09%，且其不确定度更低，将该模型用于含粗糙表面试块的晶粒尺寸评价中，评价误差小于5%，可见该方法能有效实现表面粗糙度及材料微观结构的一体化评价，可提高超声自动化评价系统的实用性。
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  水介质下打磨磨痕对钢轨疲劳损伤的影响

  郭帅, 赵相吉, 何成刚, 刘启跃, 郭俊, 王文健

  中国机械工程. 2019, 30(8): 889-895. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.08.002

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  采用棕刚玉砂纸在钢轨试样表面处理得到不同角度打磨磨痕，利用MMS-2A轮轨摩擦磨损试验机研究了水介质下不同角度打磨磨痕对钢轨疲劳裂纹扩展的影响。结果表明：水介质条件下打磨磨痕与运行方向夹角在0°~45°范围内时，钢轨表面粗糙度略高，高于夹角为70°、90°打磨磨痕区域表面粗糙度；相比没有打磨磨痕的光滑区域，0°~45°打磨磨痕将加速钢轨接触疲劳裂纹的扩展，20°磨痕区域的裂纹扩展尤为严重，出现了许多分支裂纹；而70°、90°的打磨磨痕一定程度上会减缓疲劳裂纹的生长，90°打磨磨痕区域基本只存在表层裂纹；打磨磨痕角度由0°向90°增大时，裂纹扩展深度先变大后变小，而裂纹扩展角度呈现出逐渐减小的趋势。
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  高速冷轧机辊系非线性动力学模型及控制参数优化

  王桥医, 朱媛, 过山, 张秋波

  中国机械工程. 2019, 30(8): 896-901. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.08.003

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  综合运用轧制过程动态轧制力模型、轧机系统分段非线性弹性力模型和分段非线性摩擦力模型，建立了考虑非线性因素耦合的高速冷轧机辊系动力学模型，采用平均法求解幅频响应方程，研究了轧机系统主要参数对轧机垂直振动的影响。分析结果表明：动态轧制力一次项刚度越小，轧机系统固有频率越大；动态轧制力三次项刚度不为零时，轧机系统出现明显跳跃现象；非线性弹性力起主导作用时，易发生跳跃现象；非线性摩擦力越大，轧机系统振动幅值越小，分段特性减弱；外扰力幅值越大，振动幅值越大，振动越剧烈；线性阻尼越大，振动幅值越小且减小幅度越缓慢。
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  基于深度卷积网络和在线学习跟踪的驾驶员打哈欠检测

  张伟伟, 糜泽阳, 肖凌云, 钱宇彬

  中国机械工程. 2019, 30(8): 902-911. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.08.004

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  提出了一种基于多信息融合的驾驶员打哈欠检测方法。首先，建立驾驶员面部图像数据库并训练深度卷积神经网络来依次检测驾驶员的面部和鼻子；然后，采用局部二比特特征和随机森林分类器训练生成在线鼻子检测器，以此来校正光流跟踪器在鼻子跟踪过程中产生的漂移误差等参数；最后，分析鼻子下方嘴部区域的边界梯度变化情况，并结合鼻子跟踪器置信度、面部横向运动等信息来判断驾驶员是否打哈欠。实验结果表明，深度卷积网络相对于其他面部分类方法，可以获得更好的分类检测效果；基于在线学习的跟踪方法可以很好地减小光流跟踪引起的漂移误差；整个算法可以在多种驾驶环境下以较高准确率检测驾驶员打哈欠事件的发生。
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  基于振动监测的应急柴油机启动性能分析方法

  江志农, 茆志伟, 王子嘉, 包彬彬, 张进杰

  中国机械工程. 2019, 30(8): 912-918,925. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.08.005

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  提出了一种基于振动监测的应急柴油机启动性能分析方法，弥补当前仅基于热工参数进行分析的不足。基于键相和瞬时转速实现振动信号的准确整周期角域转化。提出了一种光滑程度可调的瞬态振动信号包络线提取方法，在应急柴油机启动过程的连续工作周期中，获得能够表征点火燃烧状态、高压启动空气冲气工作状态的特征参数，为分析机组启动特性与工作状态打下基础，并采用灰色评价法对单次启动中单缸做功能力进行了监测评估。核电现场实际测试结果验证了该方法对应急柴油机启动性能分析的有效性及推广应用的实用价值。
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  高扬程全平衡卷扬式垂直升船机系统稳定性分析

  程熊豪, 石端伟, 李红享, 夏热, 张阳, 周吉

  中国机械工程. 2019, 30(8): 919-925. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.08.006

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  通过理论分析，推导了一种使全平衡卷扬式垂直升船机系统保持稳定的临界吊点中心距的理论计算公式，依据该公式研究了高扬程对系统稳定性的影响规律。根据第二类拉格朗日方程建立了一个七自由度的卷扬式垂直升船机系统的动力学模型，该模型考虑了承船厢、提升钢丝绳、重力平衡重、卷扬机、同步轴以及承船厢中的水体。基于笛卡儿法则推导了临界吊点中心距的理论计算公式，分析了升船机扬程对升船机系统稳定性的影响规律。运用四阶变步长Runge-Kutta法对全平衡卷扬式垂直升船机系统进行动力学仿真，模拟出不同临界吊点中心距下系统各自由度的位移响应，通过响应的收敛性来判定系统的临界吊点中心距。将推导出的理论计算公式的计算结果与系统动力学仿真的计算结果进行对比，得出误差为9.02%，从而验证了理论计算公式的准确性。该公式可以用来设计吊点中心距、提升钢丝绳刚度、卷扬机卷筒半径、同步轴刚度，判断高扬程全平衡卷扬式垂直升船机系统的稳定性。
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  不确定性环境下轨道自动导引车动态调度

  李国民, 高亮, 李新宇

  中国机械工程. 2019, 30(8): 926-931. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.08.007

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  为优化不确定性环境下轨道自动导引车（RGV）调度问题，提出了一种基于完全遍历路径规划（CCPP）的调度规则。以某智能车间RGV调度系统为研究对象，考虑刀具更换、机器故障等一系列不确定性因素导致的计算机数字控制机台停机问题，运用CCPP调度规则对RGV的上下料顺序进行实时调度优化，并与车间现行的就近调度规则进行对比分析。实验结果表明，CCPP调度规则能够有效提高智能车间产能，减少RGV行走距离。
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  基于LuGre模型的转子压缩机滑片-滑槽运动副摩擦力测试

  韦为, 耿葵花, 耿爱农, 王少伟, 李辛沫

  中国机械工程. 2019, 30(8): 932-938. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.08.008

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  为研究转子压缩机滑片-滑槽运动副的摩擦特性，根据LuGre摩擦模型的建模方法和该运动副的运行特点及工况特点，设计并搭建了滑片-滑槽等效摩擦力测试系统，分析了该系统的摩擦力跃动现象、数据采集区域和摩擦力测量的重复性问题，并进行了摩擦力测试实验。结果表明：该摩擦力测试系统可以根据压缩机的实际工况，对滑片均匀加载相应的正压力F_H，并能实现不同匀速直线运动下的摩擦力测量；可以有效消除低速润滑不均匀导致的摩擦力跃动现象；通过润滑初始化可以较准确地获得基于滑片速度变化的摩擦力表达曲线。实验结果与数值计算结果吻合，从而为正确辨识LuGre摩擦模型的参数提供了实验依据。
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  船舶余热利用sCO₂布雷顿循环发电技术综述

  严新平, 王佳伟, 孙玉伟, 袁成清, 汤旭晶, 耿海鹏

  中国机械工程. 2019, 30(8): 939-946. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.08.009

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  在船舶动力系统能量转换和利用过程中，实现烟气余热的最大效率回收是降低船舶能效设计指数（EEDI）的有效途径。超临界二氧化碳（sCO₂）发电系统在船舶余热循环利用方面所具有的技术优势已引起全球船舶行业的高度关注，而如何将其与船舶动力系统有机集成并实现高效、稳定联合循环运行发电，正是当前制约该新型技术实船应用的瓶颈。概述了sCO₂布雷顿循环发电的基本原理、典型技术特点及循环结构，分析了国内外研究机构针对sCO₂发电系统在船舶余热循环利用方面的研究现状，探讨了现阶段面向船舶主机余热发电工程化应用所存在的关键技术问题，从而为推进sCO₂布雷顿循环发电技术在船舶烟气余热回收利用领域的基础理论研究和工程方案设计提供理论参考。
智能制造
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  空间机器人执行器部分失效故障的终端滑模容错控制

  雷荣华, 陈力

  中国机械工程. 2019, 30(8): 947-953. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.08.010

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  针对空间机器人在太空作业时执行器发生部分失效故障的问题，设计了一种基于非奇异终端滑模的分散容错控制方法。根据线动量守恒定律与拉格朗日法建立了系统的动力学方程，然后基于载体和关节的局部信息将系统进行分散，从而得到子系统的动力学方程；将子系统动力学方程中表示执行器故障程度的有效因子进行变量分离，再利用自适应分散神经网络对分离后的变量进行实时估计，根据估计结果在线设计控制律以消除执行器故障对系统稳定性的影响，保证良好的轨迹跟踪性能。通过Lyapunov函数法证明了该控制方案能保证整个闭环系统的渐进稳定性。仿真结果验证了控制方法的有效性。
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  冗余驱动闭链弓形五连杆动力学建模与优化

  余联庆, 王占坤, 李红军, 蒙运红

  中国机械工程. 2019, 30(8): 954-960. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.08.011

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  研究了冗余驱动闭链弓形五连杆动态翻滚过程中驱动力矩协调分配的问题。建立了闭链弓形五连杆运动学分析模型，分别对驱动杆件和约束杆件的速度、加速度进行分析，得到各杆件的加速度矩阵和角加速度矩阵，进而得到各杆件的合力及力矩，从而获得该机构的牛顿-欧拉动力学方程。采用伪逆法对各驱动力矩进行协调分配，使瞬时驱动力矩2范数最小。给定机构动态翻滚过程的关节轨迹，分别计算非冗余驱动和冗余驱动方式下的驱动力矩，计算结果表明，冗余驱动方式可以显著减小最大瞬时驱动力矩。
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  一种单自由度3T1R并联机构的拓扑设计及其运动学

  沈惠平, 吕蒙, 朱小蓉, 李云峰

  中国机械工程. 2019, 30(8): 961-968. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.08.012

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  根据基于方位特征方程的并联机构拓扑设计理论和拓扑降耦设计方法，设计了一种新的少输入-多输出（Fi-Mo）型单自由度三平移一转动（3T1R）输出的并联机构，对其拓扑特性进行了分析，给出了该机构的方位特征集、自由度及耦合度κ；根据基于序单开链的运动学建模原理，给出了该机构的位置正解求解方法及其数值解；同时导出了其位置反解求解公式及机构的速度与加速度公式，并进行了速度与加速度的仿真。最后给出了该机构可用作并联振动筛的3D虚拟样机设计。研究结果为该类单自由度3T1R型并联振动筛机构的尺寸优化设计、样机研制打下了基础。
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  基于支持向量机决策树的航空发动机轴心轨迹识别方法

  何刘海, 吴桂娇, 王平

  中国机械工程. 2019, 30(8): 969-974. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.08.013

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  针对航空发动机转子轴心轨迹难以准确自动识别的问题，提出了基于二维形状不变矩和支持向量机（SVM）决策树的识别方法。对信号滤波降噪和倍频提纯，形成比较清晰的轴心轨迹；利用二维形状不变矩提取轴心轨迹的图形特征，得到不变矩特征向量，进而构造特征故障的训练和测试样本；采用SVM进行训练和学习，构造SVM决策树，识别故障类别，分类正确率达93.3%以上。应用实测弹支振动应力信号对该方法的准确性进行了验证，结果表明，该方法有效地解决了航空发动机转子轴心轨迹自动识别准确率低和小样本问题。
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  双层过道布置问题的混合整数非线性规划模型及两阶段改进模拟退火算法

  管超, 张则强, 朱立夏, 毛丽丽

  中国机械工程. 2019, 30(8): 975-983. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.08.014

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  结合实际布局活动中，设施在多层空间布置的实际情况，提出了双层过道布置问题，并构建了该问题的混合整数非线性规划（MINLP）模型。针对问题特征，提出了一种改进模拟退火算法，通过采用两阶段改进策略，对退火过程及抽样过程进行改进。该算法以自适应搜索策略替代马氏链搜索长度，并引入记忆功能、回火操作以提高求解质量，通过设置双阈值来提高求解效率。应用所提算法对24个基准算例进行测试，并将其与原模拟退火算法和GUROBI精确方法作对比，验证了所提算法的有效性。
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  基于朴素贝叶斯分类器的公共自行车系统故障诊断方法

  时中朝, 郝伟娜, 董红召

  中国机械工程. 2019, 30(8): 983-987. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.08.015

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  针对公共自行车没有安装车载检测传感器、流动及停放区域较大、管理部门无法及时发现自行车故障等问题，提出了基于朴素贝叶斯分类器的自行车故障诊断方法。通过分析公共自行车系统（PBS）租用记录、维修记录和用户评价，选取15个状态分类特征作为自行车故障检测的特征向量；根据朴素贝叶斯分类器后验概率，获取每个状态分类特征对类的贡献率；以召回率作为评价指标来预测诊断故障自行车。采用杭州市PBS 2016年的相关数据对模型进行实践验证，通过预测模型输入特征值的优化，测试样本的召回率达85.79%，精度较为理想。
先进材料加工工程
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  软包锂电池电芯封装铝塑膜外壳拉深工艺

  关玉明, 赵越, 崔佳, 于盼, 李朝, 商鹏

  中国机械工程. 2019, 30(8): 988-993. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.08.016

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  通过拉深试验对铝塑膜材料特性进行分析，在DYNAFORM软件中定义铝塑膜材料属性并进行仿真试验。结合单因素试验和正交试验对影响铝塑膜拉深成形性能的各工艺参数进行显著性分析，采用响应曲面法、拉丁超立方试验设计和多目标粒子群优化算法相结合的方法对影响铝塑膜成形性能显著的参数（如压边力、模具圆角半径、摩擦因数和拉深速度）进行优化，优化后的铝塑膜拉深成形时，其壳体最薄处厚度为55 μm。试验验证了铝塑膜拉深成形工艺优化的结果可行。
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  冷轧制备碳纤维-铝合金层板及其弯曲力学性能

  王健, 张亮亮, 于跃, 付昌云

  中国机械工程. 2019, 30(8): 994-1001. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.08.017

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  为研究铝合金/碳纤维预浸料轧制制备层板的可行性及力学性能，基于铝板不同表面处理工艺和轧制压下量，制备了碳纤维增强铝合金层板。结合三点弯曲试验分析了表面处理工艺和压下量对层板弯曲力学性能的影响。结果表明：铝合金表面处理工艺和轧制压下量对层板力学性能影响显著，经阳极氧化工艺处理后所得层板弯曲性能改善最为明显，弯曲强度和模量分别为573 MPa和80.9 GPa，相比表面未处理试样分别增加了65.9%和39.1%，界面结合性能明显优于化学清洗法和机械打磨法，层板破坏形式由纤维整体断裂和分层失效转变为纤维屈曲变形；当压下量为6.5%时，铝合金/纤维树脂界面整洁平齐，层板弯曲性能最优，表明适当的轧制压力有利于树脂流动浸润纤维，压实层间孔隙，促进树脂与铝合金表面形成稳定的机械咬合结构。
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  智能制造 调度为先——《制造系统智能调度方法与云服务》导读

  张洁, 秦威

  中国机械工程. 2019, 30(8): 1002-1007. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.08.018

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  随着越来越多小微型企业对制造车间"万物感知、万物互联、万物智能"的需求，结合大数据和云计算技术，针对制造资源和生产任务，构建多种制造类型下的调度算法库，提供智能调度方案，是实现制造系统高效运行的关键。为了探讨智能调度的原理、方法和云端化实现路径，笔者撰写了《制造系统智能调度方法与云服务》一书，全面介绍了制造系统中多种复杂调度问题，重点介绍了各类调度问题对应的调度方法，结合云服务框架介绍了不同调度方法的云端化技术与实现方式，搭建了基于云计算的制造车间智能调度算法库及服务系统。本书为推动我国制造业的智能化发展和企业应用提供参考，对提升我国制造业的核心竞争力具有重要意义。