2021年, 第32卷, 第17期　
刊出日期：2021-09-10

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机械基础工程
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  屏蔽套形变对环形间隙轴向流阻的影响研究

  王升德, 姚振强, 沈洪

  中国机械工程. 2021, 32(17): 2017-2024. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.17.001

  摘要 ( 187 ) PDF全文 ( 14 )   可视化   收藏

  针对核主泵屏蔽电机中内冷回路上下支路流量分配的预测问题，研究了屏蔽电机定子屏蔽套变形规律及其对间隙环流轴向流阻的影响规律。采用有限元方法计算了内冷介质高压作用下定子屏蔽套轮廓的圆角沟槽状变形特征，并进行了实验验证。采用计算流体动力学方法研究了界面非圆轮廓形变对间隙流场的影响，通过变参数分析与数学拟合，建立了核主泵屏蔽电机定子屏蔽套形变后的间隙环流轴向流动阻力系数修正模型。该模型的计算结果表明，在屏蔽式核主泵的额定工作状态，驱动电机定子界面轮廓相较于理想状态存在11%的变形，这种变形会导致电机定转子间隙流动轴向沿程压降值下降到无形变间隙的83%左右。
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  基于光纤光栅传感器的机床主轴轴承热诱导预紧力研究#br#

  卢团良, 邱明, 董艳方, 张亚涛, 杜辉

  中国机械工程. 2021, 32(17): 2025-2031，2039. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.17.002

  摘要 ( 209 ) PDF全文 ( 721 )   可视化   收藏

  针对机床主轴轴承预紧力测试困难、测不准的难题，基于光纤光栅（FBG）传感器实现机床主轴轴承热诱导预紧力的在线监测。建立了考虑滚动体自旋摩擦生热及轴承内外圈与主轴和轴承座之间接触热阻的主轴单元热分析模型，搭建了主轴轴承热诱导预紧力测试系统。通过仿真和实验对比分析了不同转速下主轴单元关键组件温度分布及热诱导预紧力大小。研究结果表明，FBG传感器、热敏传感器所测温度与仿真温度预测结果是一致的，验证了所提出实时测量热诱导预紧力方法的准确性及可靠性。
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  面向元动作的机械传动系统可靠性分配方法

  陈一凡, 张根保, 冉琰, 李宇龙, 庾辉,

  中国机械工程. 2021, 32(17): 2032-2039. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.17.003

  摘要 ( 174 ) PDF全文 ( 430 )   可视化   收藏

  针对机械传动系统可靠性分配中存在的不确定性问题，提出了一种对不确定性进行量化的机械传动系统可靠性分配方法。利用“功能运动动作”的分解方法提取了传动系统中可靠性分配的最小粒度（即元动作）；根据元动作的可靠性数学模型，提出了一种基于低阶逼近的Sobol法的传动系统灵敏度计算方法，量化了传动系统中各个元动作的可靠性灵敏度，并甄别出影响传动系统可靠性的关键元动作；建立了元动作与系统整机可靠性的映射关系，并对映射结果进行了求解。应用结果表明，该方法具有较高的计算精度，为机械传动系统的可靠性分配提供了指导。
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  磁流变液与电热形状记忆合金联合传动性能研究

  熊洋, 黄金, 舒锐志

  中国机械工程. 2021, 32(17): 2040-2046. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.17.004

  摘要 ( 122 ) PDF全文 ( 582 )   可视化   收藏

  针对磁流变液装置所产生的转矩偏小的问题，提出了一种磁流变液与电热形状记忆合金(SMA)联合传动的方法，并介绍了传动装置的工作原理。基于电热SMA弹簧力学特性，推导了温度与摩擦转矩的关系；通过有限元软件对装置进行了磁场分析，得到了环形磁流变液工作间隙磁场强度与磁流变液剪切屈服应力之间的关系，并计算得出磁流变液传递的转矩。实验结果表明：由8个SMA弹簧产生的摩擦转矩最大为1.798 N·m,励磁线圈的电流为1 A、匝数为380时，磁流变液传递的转矩为1.41 N·m。相较于单一的磁流变液传动装置产生的转矩，磁流变液与电热SMA联合传动产生的转矩为3.15 N·m，传动性能提高了1.2倍。
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  润滑和载荷状态对聚甲醛齿轮服役性能的影响

  卢泽华, 刘怀举, 朱才朝, 余国达, 钟兵兵

  中国机械工程. 2021, 32(17): 2047-2054. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.17.005

  摘要 ( 251 ) PDF全文 ( 25 )   可视化   收藏

  基于齿轮耐久性能试验台开展了一系列干接触/油润滑下POM(聚甲醛)-POM齿轮副承载能力试验，并测量了服役过程中的轮齿温度、磨损量、齿廓精度和齿面形貌。试验发现，POM齿轮失效形式与载荷和润滑方式有关。通过对齿面微观形貌和磨屑表征，确认干接触下POM齿轮主要磨损模式为黏着磨损与磨粒磨损，而油润滑下POM齿轮失效形式为接触疲劳失效。由于润滑油减少了齿面摩擦，降低了运行温度，延缓了齿面劣化程度，因此POM齿轮在油润滑下的承载能力明显提高。
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  螺杆转子砂带磨削装置开发及材料去除率预测

  杨赫然, 何源, 孙兴伟, 董祉序, 乔赫廷

  中国机械工程. 2021, 32(17): 2055-2062. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.17.006

  摘要 ( 188 ) PDF全文 ( 721 )   可视化   收藏

  为实现螺杆转子表面磨削材料的均匀去除，开发了一种新型砂带磨削装置，该装置由接触轮式及自由式砂带磨削工具组成。针对磨削工具与工件的接触特点分别采用半解析法及几何近似法建立接触模型，获得接触区域内接触应力分布规律。提出了基于ThunderGBM算法的材料去除率预测模型，以接触应力及磨削工艺参数作为输入，对螺杆转子砂带磨削材料去除率进行了预测，然后针对五头螺杆转子设计并实施了磨削实验。实验数据与数值计算结果的对比表明提出的去除率预测模型具有较高的准确性与有效性。
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  异形截面孔磨粒流精密加工质量分析

  李俊烨, 朱志宝, 张心明, 石广丰, 赵伟宏, 苏宁宁

  中国机械工程. 2021, 32(17): 2063-2073. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.17.007

  摘要 ( 312 ) PDF全文 ( 15 )   可视化   收藏

  采用磨粒流精密加工技术对异形截面深孔进行数值模拟及实验研究，通过大涡模拟方法对钛合金异形截面孔零件进行数值分析，并进行相关实验研究以揭示磨粒流抛光异形曲面的表面创成机理。磨粒流精密加工数值分析揭示了磨粒流动态压力、速度、磨粒对壁面压力和壁面剪切力对壁面作用规律，获得了异形截面孔内流向截面的漩涡位置分布与漩涡产生原因以及漩涡与磨粒相互作用关系。经过磨粒流精密加工后，异形曲面的表面粗糙度由Ra=7.136 μm、Rz=40.103 μm减小到Ra=1.822 μm、Rz=8.964 μm，异形截面孔内表面凸起、球化现象去除，表面质量明显改善，漩涡使异形曲面的表面质量得到大幅改善。
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  硬质合金化学机械抛光工件-磨粒-抛光垫接触状态研究

  毛美姣, 许庆, 刘静莉, 袁巨龙, 李敏, 胡自化

  中国机械工程. 2021, 32(17): 2074-2081. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.17.008

  摘要 ( 177 ) PDF全文 ( 311 )   可视化   收藏

  基于弹塑性力学理论，对工件-磨粒-抛光垫间的接触状态进行理论分析，计算各状态下磨粒压入工件深度，建立接触状态临界条件的数学模型，并进行实验验证。研究结果表明：在硬质合金化学机械抛光过程中，工件-磨料-抛光垫间存在着非接触状态、部分接触状态和完全接触状态三种形式；不同接触状态下磨粒压入深度主要受抛光载荷、磨粒粒径以及工件表面软质层硬度影响，临界条件由抛光垫特性、磨粒质量分数以及抛光载荷共同决定。实验结果表明所建立的数学模型是可信的。
服务型制造
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  基于组合神经网络的风机轮毂处短期风速预测

  马军岩, 袁逸萍, 柴同, 赵琴

  中国机械工程. 2021, 32(17): 2082-2089. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.17.009

  摘要 ( 122 ) PDF全文 ( 581 )   可视化   收藏

  综合考虑风电机组轮毂处历史风速规律和近期数值气象预报风速变化，对时间尺度为6 h以内的风电机组轮毂处风速进行预测。为提高风速骤变情况下短期风速预测精度，提出一种新的组合神经网络。针对信号分解后的不同频率子序列特点，采用深度卷积神经网络和门控循环递归单元对趋势项子序列进行预测，用建立的Elman循环递归神经网络对细节项子序列进行预测。利用降尺度后的数值气象预报风速来判断风速骤变拐点，采用广义自回归条件异方差模型对非拐点风速预测值进行修正。最后，利用新疆某风电场实际风速数据进行实验，以平均绝对误差、均方误差及平均绝对百分比误差计算确定性预测精度，以覆盖率和区间宽度计算不确定性预测精度，结果验证了所提算法的有效性。
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  基于迁移学习的离心鼓风机故障预警方法

  李聪波, 王睿, 张友, 蒋立君, 孙皓

  中国机械工程. 2021, 32(17): 2090-2099,2107. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.17.010

  摘要 ( 272 ) PDF全文 ( 20 )   可视化   收藏

  工厂实际运行环境下，基于实验室数据的离心鼓风机故障预警模型常常失效，且实际运行数据难以支撑高精度预警模型的构建。提出一种基于自编码的迁移学习方法来快速构建适用于实际运行环境的故障预警模型。首先对实验室采集的离心鼓风机监测数据进行加窗重采样，建立融合稀疏限制的自编码模型；然后将工厂和实验室数据输入自编码网络得到低维特征，最小化两者低维特征的最大均值差异，进而采用较小学习率调整自编码模型完成模型迁移；最后，基于调整后的模型与预警指标制定故障预警策略，实现工厂实际环境下离心鼓风机故障的准确预警。在某型号离心鼓风机数据集上的实验结果表明，该方法与其他三种方法相比具有更高的故障预警精度。
先进材料加工工程
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  锥形端坯料辊切成形装置设计与实验

  张歆研, 王英, 胡鹏科, 汪锐, 束学道

  中国机械工程. 2021, 32(17): 2100-2107. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.17.011

  摘要 ( 183 ) PDF全文 ( 443 )   可视化   收藏

  为开发锥形端坯料辊切成形装备进而实现轧制无凹心成形，研究了辊刀结构参数对辊切成形质量的影响，并设计了辊切装置的主要结构。通过分析辊切成形过程中辊刀挡板间隙、基圆直径和展宽角三个结构参数对锥形端成形质量的影响规律，确定了辊刀最佳结构参数组合。进而提出了可实现辊刀绕坯料公转的同时逐步自转的差动轮系传动机构，并根据辊切成形工艺要求，确定了差动轮系合理的传动比分配。最后设计并制造了辊切成形装置，完成了锥形端坯料辊切实验。结果表明，通过辊切成形得到的锥形端成形质量较好，且实验辊切锥形端与仿真模拟锥形端尺寸基本一致，验证了锥形端坯料辊切成形工艺的可行性及辊切装置结构设计的合理性。
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  脉冲频率对激光熔覆层微观组织与性能的影响

  李云峰, 石岩,

  中国机械工程. 2021, 32(17): 2108-2117,2124. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.17.012

  摘要 ( 312 ) PDF全文 ( 17 )   可视化   收藏

  激光熔覆层内粗大的晶粒与硬质析出相会对涂层耐腐蚀性能与耐冲击性能产生不利影响。采用脉冲激光熔覆技术研究了脉冲频率对涂层微观组织及性能的影响。利用扫描电镜形貌表征涂层微观组织，采用高速摄像机与数值仿真方法分析熔池形貌与温度变化；使用显微硬度计、磨损试验机、夏比冲击试验机及电化学腐蚀仪分别对涂层进行硬度、耐磨性、耐冲击性及耐腐蚀性测试。结果表明，涂层组织随脉冲频率的增大而粗化，同时，脉冲激光会使涂层内部析出相数量先减后增；涂层耐磨性随脉冲频率增大而降低，频率为20 Hz时涂层组织细化且存在细小硬质析出相，耐磨性最佳；涂层耐冲击性与耐腐蚀性随脉冲频率增大会先升后降，频率为80 Hz时涂层硬质相数量明显减少，此时具有最佳的耐冲击性与耐腐蚀性。
工程前沿
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  微机电系统压电振动台迟滞补偿方法研究

  郝瑞, 彭倍, 周吴

  中国机械工程. 2021, 32(17): 2118-2124. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.17.013

  摘要 ( 179 ) PDF全文 ( 468 )   可视化   收藏

  微机电系统（MEMS）压电振动台作为加速度传感器现场标定平台的新秀，能够提供片上物理驱动环境，为加速度传感器的快速重新标定提供持续稳定的加速度信号，然而用于压电振动台驱动的压电材料具有明显的迟滞特性，严重影响平台振动信号的稳定性和连续性。基于上述振动台振动特性，建立基于多项式拟合的压电迟滞模型，采用前馈控制和反馈控制相结合的复合控制方法对压电振动台进行控制和加速度滞后补偿。实验结果表明，在10 V（317 Hz）正弦电压激励下，MEMS压电振动台提供的简谐振动信号的加速度最大误差从1.3g降到了0.05g。
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  基于人工蜂群支持向量机的电动汽车制动意图识别方法

  李向杰, 张向文,

  中国机械工程. 2021, 32(17): 2125-2135. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.17.014

  摘要 ( 183 ) PDF全文 ( 14 )   可视化   收藏

  在电动汽车再生制动系统中，根据驾驶员不同的制动意图制定对应的再生制动控制策略可以有效地提高汽车的制动安全性、舒适性和经济性，而准确并快速识别驾驶员制动意图是制定控制策略的基础。以准确并快速识别驾驶员的制动意图为主要目标，以搭载线控制动系统的电动汽车为研究对象，设计并实现了一种基于人工蜂群支持向量机（ABC-SVM）的驾驶员制动意图在线识别方法。首先对制动数据进行预处理，用近邻成分分析（NCA）特征选择算法选取有效特征，再用ABC-SVM算法建立制动意图识别模型，最后进行在线识别。离线验证和在线试验结果表明，NCA算法能有效筛选掉信号噪声导致的不相关特征；相比于模糊推理、反向传播（BP）算法、粒子群优化支持向量机（PSO-SVM）和遗传算法支持向量机（GA-SVM）识别算法，ABC-SVM算法能够更加准确、快速地识别驾驶员的制动意图。
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  蜗杆砂轮磨齿加工参数优化

  王利亭, 赵秀栩, 李娇

  中国机械工程. 2021, 32(17): 2136-2141. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.17.015

  摘要 ( 326 ) PDF全文 ( 97 )   可视化   收藏

  以蜗杆砂轮磨削加工20CrMnTi齿轮为研究对象，选择均匀设计试验法，研究磨削参数（砂轮线速度vs、砂轮沿齿轮轴向进给速度vw、磨削厚度ap）对齿面粗糙度的影响。采用二级逐步回归方法建立磨削参数与齿面粗糙度的回归模型，构建了以加工效率、齿面粗糙度为多目标的优化模型，采用粒子群优化算法对磨削参数进行了优化。试验结果表明，使用优化后的磨削参数加工可以提高加工效率、减小齿面粗糙度。