2021年, 第32卷, 第2期　
刊出日期：2021-01-15

  

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机械基础工程
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  钻杆内壁腐蚀的交直流复合磁化漏磁检测方法

  王荣彪, 康宜华, 邓永乐, 王碧瑶, 汪圣涵, 唐健

  中国机械工程. 2021, 32(2): 127-131,140. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.02.001

  摘要 ( 302 ) PDF全文 ( 179 )   可视化   收藏

  钻杆长期服役后内壁出现的腐蚀是造成钻杆断裂的主要原因，针对钻杆内壁腐蚀的检测，提出了一种基于复合磁化的漏磁检测方法。该方法通过阵列感应线圈拾取钻杆外壁交流磁场的变化，进而评价内壁腐蚀产生的壁厚减薄状态，规避了强背景磁场下用霍尔元件测量磁场时量程范围不足、灵敏度不够等问题。利用有限元仿真软件分析壁厚减薄上方的相对磁导率分布，对比了有、无壁厚减薄的磁感应强度变化率，仿真与实验结果表明该方法可以实现钻杆内壁壁厚减薄的检测。
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  多线往复摇摆线锯切割水晶玻璃的试验研究

  林志树, 黄辉

  中国机械工程. 2021, 32(2): 132-140. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.02.002

  摘要 ( 444 ) PDF全文 ( 16 )   可视化   收藏

  利用多线往复摇摆线锯对不同形状的水晶玻璃进行切割试验，测量了不同线速度、不同进给速比条件下的切片表面粗糙度，研究了加工工艺参数对切片表面粗糙度的影响规律。试验结果表明，摇摆运动会有效地降低切片的整体表面粗糙度，线速度的提高有利于减小切片整体表面粗糙度，进给速比的改变对加工表面不同位置的粗糙度影响较大。单位长度材料去除量与切片表面粗糙度之间有较好的对应关系，减小切割过程中单位长度材料去除量可有效地降低切片的表面粗糙度。利用单位长度材料去除量可有效归整多线往复摇摆线锯加工运动中的多个调控参量。
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  基于有限元的多股螺旋弹簧疲劳寿命预测

  刘志鹏, 周杰, 王时龙, 王四宝, 杨文翰

  中国机械工程. 2021, 32(2): 141-146. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.02.003

  摘要 ( 290 ) PDF全文 ( 13 )   可视化   收藏

  针对多股螺旋弹簧（多股簧）的疲劳失效问题，以阿联酋某企业使用的特种多股簧为研究对象，通过有限元仿真分析多股簧的应力应变历程并利用子模型技术进行了应力应变的精确计算，通过静态响应试验验证了有限元模型的正确性；进行了钢丝材料试验，结合Manson模型推导出多股簧材料的疲劳性能参数；结合多股簧的应变和疲劳寿命预测模型预测了多股簧的疲劳寿命，并进行试验验证。研究结果表明：多股簧承载时，弹簧端部承受的应力较大，最大应力点位于外层钢丝且外层钢丝主要承受弯曲应力，与弹簧端部位置处外层钢丝疲劳断裂现象吻合； 静态响应仿真与实测值误差不超过5%；由SWT准则预测得到的疲劳寿命与试验疲劳寿命较为吻合，且预测疲劳断裂区与实际断裂区一致。
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  广义复合多尺度加权排列熵与参数优化支持向量机的滚动轴承故障诊断

  丁嘉鑫, 王振亚, 姚立纲, 蔡永武

  中国机械工程. 2021, 32(2): 147-155. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.02.004

  摘要 ( 688 ) PDF全文 ( 28 )   可视化   收藏

  针对滚动轴承特征提取和故障识别两个关键环节，提出了一种广义复合多尺度加权排列熵（GCMWPE）与参数优化支持向量机相结合的故障诊断方法。利用GCMWPE全面表征滚动轴承故障特征信息，构建高维故障特征集。应用监督等度规映射（S-Isomap）算法进行有效的二次特征提取。采用天牛须搜索优化支持向量机（BAS-SVM）诊断识别故障类型。将所提方法应用于滚动轴承实验数据分析过程，结果表明：GCMWPE特征提取效果优于多尺度加权排列熵、复合多尺度加权排列熵和广义多尺度加权排列熵；GCMWPE与S-Isomap相结合的特征提取方法可在低维空间中有效区分滚动轴承不同故障类型；BAS-SVM的识别正确率和识别速度优于粒子群优化支持向量机、模拟退火优化支持向量机和人工鱼群优化支持向量机；所提方法能够有效、精准地识别出各故障类型。
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  体外磁控内置式尿道阀仿真与实验研究

  付青云, 李笑, 李树, 彭伟鸿, 关婷

  中国机械工程. 2021, 32(2): 156-162,170. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.02.005

  摘要 ( 273 ) PDF全文 ( 13 )   可视化   收藏

  为克服人工尿道括约肌长时间压闭尿道引起组织坏死等问题，设计了一种体外磁控内置式尿道阀。建立了流量-压差特性及磁驱动力数学模型，应用有限元法计算分析了流场分布、液阻和磁驱动力的影响因素。搭建了下尿路模拟实验平台，研究了尿流率-膀胱压特性、磁驱动力特性。结果表明：增大阀口开度和阀芯半锥角均能增加尿流率；增大外磁体厚度、减小气隙均能增大磁驱动力；最大尿流率可达28.7 mL/s，符合人体尿动力学规律。
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  动态格尼襟翼对垂直轴风力机性能的影响

  向斌, 缪维跑, 李春, 倪露露

  中国机械工程. 2021, 32(2): 163-170. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.02.006

  摘要 ( 399 ) PDF全文 ( 11 )   可视化   收藏

  针对垂直轴风力机运行时叶片攻角随相位角呈周期性变化所导致的强非稳定和非定常流动进而引发的气动效率问题，提出在叶片尾缘布置动态格尼襟翼的流动控制方法。以三叶片直线翼垂直轴风力机为研究对象，采用基于SST k-ω湍流模型的数值模拟方法，研究了格尼襟翼不同运动方式及伸出高度对垂直轴风力机气动性能的影响。结果表明：在叶片尾缘布置动态格尼襟翼可有效提高风能利用系数，当动态格尼襟翼始终保持在压力面时，整机最大风能利用率可提高27.9%，同时最佳尖速比降低，风力机运行稳定性提高；在低尖速比下，格尼襟翼能增大单叶片切向力，提高整机在低风速下的启动力矩；当格尼襟翼高度超出一定范围时，随尖速比增大，整机风能利用率提高效果逐渐减弱，同时叶片疲劳载荷增大。
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  500 m口径球面射电望远镜电液促动器系统空化影响的数值研究

  秦亚璐, 蔡伟, 王留根, 雷政, 赵静一, 王启明

  中国机械工程. 2021, 32(2): 171-179. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.02.007

  摘要 ( 231 ) PDF全文 ( 16 )   可视化   收藏

  针对FAST电液促动器可靠性增长试验过程中出现的振动和噪声问题，采用计算流体力学（CFD）的Mixture多相流模型等，建立FAST电液促动器液压系统油源内部流场和吸油管路模型，依据试验数据验证了模型的正确性，并对油源内的压力脉动、空化现象进行仿真试验。结果表明：系统的吸入压力低于130 kPa时，扩大吸油管路直径可显著减少系统空化；油源转速低于3500 r/min时，转速变化对系统空化现象的影响较小，转速高于3500 r/min时，系统内的空化现象随着转速的增大而加剧；在转速和工作压力不变的条件下，随着吸入压力的增大，系统油源内部流场空化现象减弱，系统压力脉动减小。对扩大吸油管路直径后的FAST电液促动器进行试验，未出现振动现象，且噪声等级降至60 dB以下。研究成果为合理判断系统内空化产生的原因和提高FAST促动器的可靠性打下了理论基础。
智能制造
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  面向不平地面的双足欠驱动步行稳定控制

  姚道金, 董文涛, 王晓明, 杨林

  中国机械工程. 2021, 32(2): 180-187,194. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.02.008

  摘要 ( 208 ) PDF全文 ( 12 )   可视化   收藏

  为实现双足机器人在不平地面上的欠驱动步行，提出一种基于质心运动状态的稳定步行控制策略。考虑地面柔性，使用柔性接触模型描述“机器人足部-地面”柔性接触，并通过解耦建模的方式建立了“机器人-地面”前向与侧向耦合动力学模型。根据人类变速步行特征，提出基于机器人质心速度控制的步行控制策略，将三维步行解耦为前向和侧向的主从控制，通过控制质心位移实现质心速度控制，进而实现稳定步行。搭建三维欠驱动双足步行机器人样机，在地面高度变化不大于0.032 m的不平地面上成功实现了平均步行速度0.216 m/s、步幅为0.31倍腿长的欠驱动步行。试验结果表明，所提控制策略可通过质心速度控制来实现不平地面上的欠驱动稳定步行。
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  基于改进粒子滤波的重型燃气轮机跳机故障预测

  滕伟, 韩琛, 赵立, 武鑫, 柳亦兵

  中国机械工程. 2021, 32(2): 188-194. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.02.009

  摘要 ( 207 ) PDF全文 ( 342 )   可视化   收藏

  重型燃气轮机是清洁发电的重要装备，其轴系的振动水平是机组运行状态的直观表征。跳机故障是由于振动加大而触发的非计划突然停机，会对燃气轮机的核心部件（如叶片、拉杆等）产生较大冲击，造成设备损伤。提出基于改进粒子滤波的重型燃气轮机振动趋势预测方法，通过对粒子滤波方法的分析，提出一种二次重采样策略，使得改进粒子滤波对粒子匮乏现象更具抵抗力，具有更好的适应性。所提方法在某300 MW重型燃气轮机的跳机故障中得到验证，能够准确预测跳机的故障时刻，为燃气轮机的控制策略调整提供指导。
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  基于改进阻抗控制的自适应曲面乳腺超声扫描方法

  沈运, 谢荣理, 赵艳娜, 付庄, 王尧, 张俊, 费健

  中国机械工程. 2021, 32(2): 195-203. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.02.010

  摘要 ( 427 ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  针对机器人辅助超声扫描中皮肤曲面贴合的问题，分析了扫描过程中超声探头和皮肤表面的相互作用，并根据其力学规律建立了一种基于改进阻抗控制的扫描算法，以保证探头和皮肤表面之间的法向接触力基本恒定，进而使得扫描过程中超声探头和皮肤表面始终保持法向垂直；根据超声探头的历史轨迹数据，提出了改进阻抗控制的扫描算法来加强曲面贴合的效果；通过乳腺体模和实际人体的测试实验，来验证所提控制算法在曲面自适应贴合问题上的表现性能以及自动扫描方法的完整性。实验结果表明：改进阻抗控制的扫描算法可以取得较佳的恒力控制效果，法向接触力偏差低于±0.2 N，且显著提高了探头转角的跟踪效果，平均转角跟踪误差从4.9°下降到2.2°。乳腺体模和人体活体实验佐证了所提控制算法的有效性和超声扫描的完整性。
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  基于激光雷达回波强度的反光板位置拟合方法

  方德浩, 许万, 陈幼平, 余磊涛, 朱力

  中国机械工程. 2021, 32(2): 204-211. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.02.011

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  针对目前激光雷达定位系统中的拟合算法存在拟合精度较低、数据容错能力较差等问题，设计了一种基于回波强度的反光板位置拟合方法。首先对原始扫描数据进行滤波，并结合回波强度分割法与基于点距离的分割法进行数据分割，对分割后数据结合回波强度进行反光板圆心拟合，以得到反光板实际位置。最后使用堆垛式叉车搭载激光雷达R2000进行实验，实验结果表明所提方法具有较高的拟合精度，并有效提高了数据容错能力。
先进材料加工工程
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  碳钢屑密度对不锈钢/碳钢屑复合板性能的影响

  梁煜, 王涛, 任忠凯, 韩建超, 贾燚, 黄庆学

  中国机械工程. 2021, 32(2): 212-219,226. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.02.012

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  利用室温压制、三道次真空热轧（压下率分别设置成40%、40%、50%）的方法制备了不锈钢/碳钢屑复合板，研究了室温下压制力和碳钢屑密度的关系，分析了碳钢屑轧制前相对密度分别为50%、60%、70%、80%的复合板力学性能以及微观组织。研究结果表明：碳钢屑轧制前相对密度为50%的复合板界面生成了脆性夹杂物而阻碍Cr元素的扩散，复合板未产生冶金结合，结合强度低于国家标准；其他相对密度情况下夹杂物被碾碎，复合板达到要求，并且碳钢屑的相对密度越大，碳钢屑层的脱碳层越厚，复合板冶金结合的效果越好，相对密度70%以上的复合板结合界面没有明显的夹杂物。相对密度70%的复合板抗拉强度最大，达589.97 MPa；相对密度为80%的复合板延伸率最佳，达56.51%。
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  铝合金板料电磁翻边全流程工艺研究

  谢冰鑫, 黄亮, 黄攀, 李建军, 苏红亮

  中国机械工程. 2021, 32(2): 220-226. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.02.013

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  航空航天用铝合金构件的服役条件日趋严苛，要求构件具备更高的强度和精度。基于铝合金电磁翻边与热处理工艺，通过规程控制优选出电磁翻边全流程工艺路线，以期获得服役性能更好的结构件。结果表明：全流程工艺下的成形件尺寸精度满足要求，周向均匀性良好，成形质量高；成形件的硬度显著提高且分布均匀，力学性能大幅度提升。获得最优的电磁翻边全流程工艺为：退火-固溶淬火-电磁翻边-人工时效。该全流程工艺可广泛应用于航空航天领域构件，如航天运载火箭的推进剂贮箱、局部特征结构的翻边成形。
工程前沿
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  磁阻式电磁蓄能无针注射系统的设计与实验研究

  倪玉吉, 王明娣, 陈添禹, 张晓, 倪超, 刘金聪

  中国机械工程. 2021, 32(2): 227-234. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.02.014

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  针对现有无针注射系统体积大、噪声大、注射效率低、驱动力小且难以调节的问题，设计了一种采用空行程蓄能的磁阻式电磁蓄能无针注射系统。对注射器电磁驱动部分和安瓿药液射流部分进行了仿真研究，通过搭建的实验平台验证了理论设计的正确性。该方案极大地缩小了无针注射系统的体积、扩大了驱动力的可调范围，并且安全稳定，可以完成注射，具备一定的实用性和可行性。
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  燃气轮机健康维护知识获取与表达推理的框架

  王仲, 顾煜炯, 韩旭东, 孙树民, 朱俊杰, 黄元平

  中国机械工程. 2021, 32(2): 235-241. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.02.015

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  针对当前燃气轮机健康维护工作中知识搜集不全面、知识可移植性差、知识推理效率低等诸多问题，提出了一个知识获取、表达与推理的系统性框架。首先借助故障模式及影响分析法与故障树分析法，从不同角度获取燃气轮机健康问题诊断必要的专家知识；然后基于本体建模对已获取的专家知识进行结构化表达和管理，采用本体公理和自定义规则相结合的方式对故障知识进行搜索与推理；最后，以某实用燃气轮机为对象说明该知识工程框架在燃气轮机健康维护系统中的应用。
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  基于机器视觉的智能车辆鲁棒车道线识别方法

  李茂月, 吕虹毓, 王飞, 贾冬开

  中国机械工程. 2021, 32(2): 242-251. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.02.016

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  针对目前传统车道线识别算法在复杂道路环境中识别困难的问题，提出了一种基于机器视觉的智能车辆鲁棒车道线识别方法。为消除噪声干扰以及提高特征检测效率，设计了一种自适应道路感兴趣区域（ROI）计算方法，针对不同情况的车道可自适应地将车道区域与非车道区域分离。对待检测目标采用改进划分角度的检测算子进行车道线特征检测，同时对车道图像有针对性地采用多色域阈值处理，以提高算法的环境适应性。对转换视角后的车道线采用DBSCAN聚类及NURBS曲线进行拟合，并利用随机抽样一致法优化车道线模型以滤除误匹配。实验结果表明，该算法可有效识别出各种道路工况下的车道线。