2021年, 第32卷, 第10期　
刊出日期：2021-05-25

  

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机械基础工程
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  电机散热系统的研究现状与发展趋势

  汤勇, 孙亚隆, 郭志军, 张仕伟, 袁伟, 唐恒, 梁富业

  中国机械工程. 2021, 32(10): 1135-1150. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.10.001

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  高效率的散热系统是抑制电机温升、提高电机运行稳定性和延长电机寿命的重要基础。详细介绍了风冷、液冷和蒸发冷却三种电机常用散热系统的发展现状；分析讨论了各类电机散热系统的优缺点和适用范围，重点综述了目前国内外在提高电机散热系统冷却效率方面的研究进展。结合额外热路增强型电机散热方案和相变散热技术提出了以相变传热器件来提高电机散热效率的新方案，最后对电机散热系统的发展趋势进行了科学预测与展望。
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  复合材料预制体多针多向协同织造路径生成方法研究

  陈哲, 刘丰, 吴晓川, 杜悟迪

  中国机械工程. 2021, 32(10): 1151-1156. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.10.002

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  针对凸多边形复杂截面预制体x、y方向纤维束多针多向铺纱干涉问题，提出了一种多针多向协同织造路径生成方法。采用几何抽象方法，分析了预制体截面轮廓的形状特点。通过划分截面轮廓区域，分析了子区域的铺放方向组合方式，得到了截面轮廓生成无干涉织造路径的条件。运用该方法进行典型预制体织造实验，发现不同方向的纤维束没有产生干涉，预制体内部纤维束完整且没有交叠，实验表明该路径生成方法合理有效。
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  一种脊线提取方法在轴承故障诊断中的应用

  陈剑, 杨斌, 黄凯旋, 蔡坤奇, 刘圆圆, 刘幸福,

  中国机械工程. 2021, 32(10): 1157-1163. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.10.003

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  针对Crazy Climber算法脊线识别能力低、提取脊线与实际脊线有差距等问题，通过对该算法中Climber的移动规则和局部最优峰值提取方法进行改进，提出了一种改进的Crazy Climber算法。首先对时域信号进行短时傅里叶变换获取时频矩阵，再用改进的Crazy Climber算法对时频矩阵进行脊线提取，最终获得可以反映频率随时间变化的时频脊线。仿真信号分析结果证明了该算法优于原始的Crazy Climber算法。将该算法用于轴承的故障诊断中，可准确提取故障阶次。
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  负载不平衡下小样本数据的轴承故障诊断

  何强, 唐向红, 李传江, 陆见光, 陈家兑

  中国机械工程. 2021, 32(10): 1164-1171,1180. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.10.004

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  针对轴承振动信号易受负载不平衡干扰以及轴承故障样本量少的问题，提出了一种基于梯度惩罚Wasserstein距离生成对抗网络（WGAN-GP）和自注意力卷积神经网络（SeCNN）的轴承故障诊断方法。对轴承振动信号进行短时傅里叶变换，得到易于WGAN-GP处理的时频谱样本，分为训练集、验证集、测试集；将训练集输入到WGAN-GP中进行对抗训练，生成与训练样本分布相似的新样本，并添加到训练集中以扩充训练集；将扩充后的训练集输入到SeCNN中进行学习，并将训练好的模型应用于测试集，输出故障识别结果。对CUT-2平台负载不平衡轴承数据集进行分析，实验结果表明，所提方法能够准确有效地对轴承故障进行分类。
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  超声辅助内圆磨削40Cr15Mo2VN轴承套圈的试验研究#br#

  尹龙, 赵波, 郭星晨, 赵重阳

  中国机械工程. 2021, 32(10): 1172-1180. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.10.005

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  针对传统加工方式难以获得轴承套圈较小的表面粗糙度和表面波纹度的问题，采用超声辅助内圆磨削的加工方法来改善轴承套圈的表面质量。基于超声内圆磨削单颗磨粒运动轨迹分析，建立了表面粗糙度的理论模型，通过对轴承套圈进行超声内圆磨削试验，研究了各个加工参数对轴承表面质量的影响。研究结果表明：超声内圆磨削加工方法可明显改善轴承的表面质量；增大超声振幅可减小表面粗糙度而表面波纹度会先减小后增大；随着砂轮转速的增大，表面粗糙度及表面波纹度会先减小后增大；磨削深度和进给速度的增大会使表面粗糙度及表面波纹度增大，但超声内圆磨削可减小它们的增加量。
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  几何误差和倾覆力矩对双螺母滚珠丝杠副载荷分布的影响#br#

  席静谣, 周长光, 冯虎田, 张鲁超

  中国机械工程. 2021, 32(10): 1181-1190. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.10.006

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  建立了一种考虑几何误差（滚珠尺寸误差、丝杠导程误差和滚道齿形误差）和倾覆力矩的双螺母滚珠丝杠副载荷分布模型；通过试验测得4010型滚珠丝杠副的力与位移变形曲线，验证了理论模型的正确性；通过仿真分析研究了轴向外载荷、几何误差和倾覆力矩对双螺母滚珠丝杠副载荷分布的影响。研究结果表明：轴向外载荷一定时，倾覆力矩会导致双螺母滚珠丝杠副的载荷分布迅速变差；滚珠尺寸误差和滚道齿形误差会使双螺母滚珠丝杠副中滚珠的受载显著增大或减小；由于丝杠轴向误差累计的作用，导程误差会使双螺母滚珠丝杠副中一侧螺母受载增大，另一侧螺母受载减小；在误差大小一定的情况下，导程误差对载荷分布的影响程度大于尺寸误差和齿形误差，即双螺母滚珠丝杠副的载荷分布对导程误差的敏感度更高。
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  非一致曲率表面下的气压砂轮磨粒剪胀及加工试验研究#br#

  石梦, 李卓, 曾晰, 计时鸣, 黄鹏程, 郑倩倩

  中国机械工程. 2021, 32(10): 1191-1199. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.10.007

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  针对软固结磨粒气压砂轮在加工异形曲面时，工件所受的切削力以及接触区内磨粒速度因工件曲率发生变化，导致工件不同曲率处材料去除量不均匀的问题， 基于修正的Rowe剪胀理论建立砂轮切削力模型，提出了非一致曲率表面下修正的气压砂轮材料去除模型。通过EDEM软件建立了软固结磨粒气压砂轮模型，分析了砂轮下压量为1.5 mm时工件曲率对接触力以及接触区内磨粒速度的影响。搭建气压砂轮加工试验平台，通过光整加工试验验证修正的材料去除模型。研究结果表明：修正的材料去除模型平均绝对值误差为0.095，而原始的材料去除模型平均绝对值误差为0.291，说明修正的材料去除模型可以用于气压砂轮抛光过程中的定量分析，且工件加工表面划痕明显减少。
智能制造
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  基于激光雷达的火箭推进剂加注机器人姿态估计研究

  陆煜, 蒋赞, 洪刚, 顿向明

  中国机械工程. 2021, 32(10): 1200-1204. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.10.008

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  针对运载火箭发射中燃料推进剂加注环节中的自动对接需求，提出了一种基于单线激光雷达识别人工信标的姿态估计算法。通过电机带动二维激光雷达旋转，采集环境三维点云信息，通过所提算法从中识别出具有特殊几何形状的目标板来确定加注机器人与箭体活门之间的相对姿态，并实现机器人基于人工信标的姿态估计。最后通过实验验证了所提算法的可靠性与准确性。
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  基于特征融合的双模态低辨识度目标识别

  吴愿, 薛培林, 殷国栋, 黄文涵, 耿可可, 邹伟

  中国机械工程. 2021, 32(10): 1205-1212,1221. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.10.009

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  针对单一彩色相机对低辨识度目标识别准确率低的问题，提出了一种利用彩色相机和红外热成像仪同时检测自动驾驶目标的方案。为了同时提取彩色图像的颜色特征与红外图像的温度特征，在单模态YOLOv3网络基础上改进网络结构得到双模态YOLOv3神经网络，并设计四种特征融合对比实验以确定最佳融合方案;建立双模态数据集同步采集系统，采集彩色图像与红外图像对并用于双模态网络的训练与测试；使用未经网络训练的验证集得到4种双模态特征融合模型的平均精度值与损失值。实验结果表明，在训练30次后，该双模态网络模型的平均精度值最高可达59.42%。
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  求解资源受限多项目调度的改进遗传规划算法

  陈浩杰, 丁国富, 张剑, 阎开印

  中国机械工程. 2021, 32(10): 1213-1221. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.10.010

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  针对优先级规则调度不具备优化能力的缺陷，提出了一种应用于资源受限多项目调度的改进超启发式遗传规划算法以进化出更理想的优先级规则。通过分析现有优先级规则构建出适用多项目调度的归一化属性集和顶层判别编码方式，并结合NSGA-Ⅱ虚拟适应度分配方法对种群进行评估以实现多目标优化。设计了一种多样性种群更新方式，以避免传统遗传规划易陷入局部最优的缺陷和提高搜索能力。通过基于标准数据集PSPLIB所构造的算例和飞机总装装配线的生产实例验证了该方法的有效性和可行性。
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  基于组合优化算法的6R机器人逆运动学求解

  吉阳珍, 侯力, 罗岚, 罗培, 刘旭槟, 梁爽

  中国机械工程. 2021, 32(10): 1222-1232. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.10.011

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  针对逆运动学求解存在的多解、精度低及通用性差等问题，提出了一种适用于各类6R工业机器人求逆解的组合优化算法。根据经典D-H法建立了机器人运动学模型，以最小化位姿误差为目标，结合运动平稳性原则构造了逆解问题的目标函数，以线性加权和法设计了适应度函数。通过混沌映射初始化种群、收敛因子非线性更新、自适应惯性权重位置调整及引入模拟退火策略等4种措施得到了一种改进的鲸鱼优化算法，并用于逆运动学求解。组合算法将鲸鱼算法求解的结果作为初始值，再利用Newton-Raphson数值法迭代出满足精度要求的运动学逆解。仿真试验结果表明：改进后的鲸鱼算法求解性能得到了较大提高,相比于直接利用鲸鱼算法进行逆运动学求解，组合优化算法具有求解速度快、稳定性好、精度高的特点，证明了该算法求逆的可行性与有效性。
先进材料加工工程
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  TNTZ钛合金流变行为及物理基本构模型

  钟明君, 王克鲁, 程静, 欧阳德来, 崔霞, 李鑫

  中国机械工程. 2021, 32(10): 1233-1239. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.10.012

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  借助Gleeble-3500热模拟机对Ti-29Nb-13Ta-4.5Zr(TNTZ)钛合金进行了变形温度为700~900 ℃、应变速率为0.001~1 s-1的等温恒应变速率压缩实验，分析了应变速率和变形温度对TNTZ钛合金流变应力的影响。根据实验数据，计算了不同变形条件下的温升值，分析了变形热产生的规律。综合考虑温度对材料自扩散系数和弹性模量的影响以及应变对合金流变应力的影响，通过多元线性回归拟合材料参数与应变之间的函数关系，构建了基于应变补偿的物理基本构模型。研究结果表明：TNTZ钛合金的流变应力随应变速率的增大而增大，随变形温度的升高而减小；变形热效应引起的温升与应变速率正相关，与变形温度负相关。通过应变补偿建立的物理基本构模型预测精度较高，模型相关系数R达0.964，平均相对误差为10.63%。
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  大型钛合金构件等温局部加载过程晶粒尺寸演变规律#br#

  马庆, 魏科, 刘志强

  中国机械工程. 2021, 32(10): 1240-1247. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.10.013

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  为研究大型钛合金构件等温局部加载过程中的微观组织演变规律，基于TA15钛合金内变量法微观组织模型，模拟分析了大型钛合金筋板构件等温局部加载过程的初生α相晶粒尺寸变化规律，并与变换局部加载顺序及整体加载两种方式进行了对比。结果表明：过渡区因受到加载区材料跨区转移的影响，两个加载步后的初生α相晶粒尺寸均有所减小，使得该区域的初生α相晶粒尺寸小于远离过渡区区域的晶粒尺寸；先后加载顺序的转变会改变材料的跨区转移量，以致模具分区两侧的晶粒尺寸产生差异；与整体加载方式相比，局部加载过渡区的晶粒尺寸较小；在三种加载方式下，远离过渡区晶粒尺寸的差异不大。
工程前沿
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  基于多源数据融合的采煤机截割载荷预测方法

  于宁, 孙业新, 陈洪月

  中国机械工程. 2021, 32(10): 1247-1253,1259. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.10.014

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  为解决单一传感信息对采煤机截割载荷预测精度低的问题，提高采煤机运行安全状态的感知能力，在应用深度信念网络（DBN）的基础上，引入贝叶斯正则化（BR）方法和粒子群优化（PSO）算法，提出了一种基于多传感器的采煤机滚筒载荷辨识与预测方法。构建BR-PSO-DBN预测模型，以惰轮轴传感器、连接架销轴传感器和摇臂应变传感器监测的22组测试数据为输入样本，预测滚筒截割三向载荷与扭矩。依托截割载荷实验系统进行现场测试，并将实测结果与预测结果进行对比分析，结果表明：实测曲线与预测曲线变化规律基本相同，峰值点相对应，模型对滚筒三向截割载荷的预测精度达到83%以上，其中对滚筒扭矩预测精度达到95%，说明预测模型具有较高的预测精度，能够为现场应用指导安全生产提供参考。
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  冷冻砂型高精高效制备过程研究

  杨浩秦, , 单忠德, 刘丰, 王怡飞,

  中国机械工程. 2021, 32(10): 1254-1259. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.10.015

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  对采用数字化无模铸造精密成形技术制备铸造用冷冻砂型的高精高效成形过程进行了研究，基于砂型尺寸精度控制和局部瞬态热场分析对冷冻砂型的切削加工参数进行联合约束，优化得到适于冷冻砂型加工制造过程的工艺参数，在切削刀具进给速度100 mm/s、主轴转速4000 r/min、切削深度4 mm、切削宽度12.8 mm条件下，通过数字化无模成形技术制备出的冷冻砂型尺寸精度较高，冷冻砂型切削区域局部瞬态温度较低，该切削参数适用于冷冻砂型的长时稳定低温制备加工过程，可实现冷冻砂型的高精高效制造。