2021年, 第32卷, 第20期　
刊出日期：2021-10-25

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机械基础工程
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  整体双层盘式永磁涡流联轴器及其转矩特性分析

  郑红梅, 郑明睿, 陈科, 史洪扬, 殷磊,

  中国机械工程. 2021, 32(20): 2395-2402. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.20.001

  摘要 ( 285 ) PDF全文 ( 321 )   可视化   收藏

  基于对传统单层盘式永磁体涡流联轴器的磁路分析，设计了一种整体双层盘式永磁体涡流联轴器。该联轴器将两个单层盘式永磁涡流联轴器的永磁体以N-S对应的方式安装到一块背铁的正反面上，减小了背铁磁阻在磁路中带来的损耗,提高了永磁体的磁能利用率，增大了转矩。通过等效磁路法建立该结构的数学模型，并与有限元法仿真模型相结合，综合分析了其转矩特性。搭建了该永磁涡流联轴器的样机，通过实验验证了上述分析的可靠性。结果表明：所建数学模型准确，并且该联轴器的转矩相对于传统永磁涡流联轴器转矩有较大提高。
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  考虑连接性的三明治阻尼复合结构拓扑优化设计

  张横, 丁晓红, 沈磊, 徐世鹏

  中国机械工程. 2021, 32(20): 2403-2410. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.20.002

  摘要 ( 206 ) PDF全文 ( 369 )   可视化   收藏

  三明治阻尼复合结构的力学性能取决于阻尼层材料的性能，综合考虑该结构的阻尼性能和可制造性要求，提出了一种面向结构宏观性能并考虑连接性的三明治阻尼复合结构拓扑优化设计方法。以最大化结构模态阻尼比为目标，考虑微结构刚度相材料的连接性，通过组合强制性连接约束法和非线性扩散法，构建了连接性约束下的阻尼复合材料微结构的优化设计模型，并结合3D打印技术实现了三明治阻尼复合结构的制造。运用所提方法对典型结构进行优化设计，得到了刚度相保持连接的阻尼复合结构，且优化后的结构阻尼变大，结构的频率响应变小，实现了三明治阻尼复合结构材料结构设计制造协同优化设计。仿真和实验结果表明，在微结构上存在最优的阻尼材料体积分数使优化后的三明治结构频率响应最小。
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  在刀-屑界面持续润滑刀具切削45钢的性能及润滑机理

  曹同坤, 徐英涛, 谈庆瑶

  中国机械工程. 2021, 32(20): 2411-2417，. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.20.003

  摘要 ( 186 ) PDF全文 ( 20 )   可视化   收藏

  为提高刀具润滑性能，尽量减少切削液的使用，制备出在刀屑界面持续润滑的新型刀具，能够将切削液通过微通道直接输送到刀屑接触界面内部。采用该新型刀具与普通刀具在干切削和浇注切削液条件下分别进行切削45钢试验，测量了切削三向力，对刀具前刀面磨损面进行SEM微观形貌分析及元素检测，分析了刀具的摩擦磨损特性及润滑机理。试验结果表明，与普通刀具在干切削和浇注切削液条件下相比，刀屑界面持续润滑刀具能够有效减少切削过程中的摩擦磨损，而切削液用量只有传统浇注式切削的1/120。分析前刀面的元素可知，切削液能够更加深入到离主切削刃更近的区域，并能持续供给，这是该刀具具有更好的减摩抗磨效果的主要原因。尽管新型刀具的黏结情况大大缓解，但刀具的磨损机理仍然以黏结磨损和氧化磨损为主。
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  一种新型非对称五自由度混联机器人的尺度综合

  董成林, 刘海涛, 杨俊豪

  中国机械工程. 2021, 32(20): 2418-2426. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.20.004

  摘要 ( 272 ) PDF全文 ( 632 )   可视化   收藏

  提出一种新型非对称五自由度混联机器人，由三自由度1T2R位置型并联机构和二自由度A/C转头串接组成。为保证机器人具有近似面对称的性能，围绕其中的并联机构开展尺度综合研究。通过定义并联机构的参考位形，提出一种凝练独立尺度参数的方法，并定义出可评价工作空间、运动/力传递特性及其面对称程度的运动学性能指标。在此基础上，将机构尺度综合问题归结为一类有约束多目标优化问题，并采用范数理想点法，得到一组可使机构兼具优良的运动/力传递特性及大作业空间/机构占地比的尺度参数，同时运动/力传递特性在全域内具有近似面对称乃至轴对称分布。在相同尺度参数下与Exechon和TriMule机器人的对比分析表明，该机器人具有与二者近似的全域运动学性能。
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  行星离心式新型机械无级传动基本工作特性研究

  赵慧鹏, 周俊杰, 李晋, 范淑瑞, 钱昌贤

  中国机械工程. 2021, 32(20): 2427-2435. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.20.005

  摘要 ( 153 ) PDF全文 ( 580 )   可视化   收藏

  无级变速技术通过传动比的连续变化可以改善车辆的动力性和经济性，目前以金属带式无级变速器为主流形式。对无级变速传动装置进行创新设计，提出了一种新型的行星离心式机械无级传动方案，介绍了该传动方案的结构和工作原理，建立了动力学模型，获得了行星离心式新型无级传动机构的基本工作特性，同时对比分析了不同轨道曲线对工作特性的影响。研究结果为行星离心式机械传动的结构设计提供了依据，验证了行星离心式机械传动机构具有无级调速以及自适应输出转矩的特性。
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  砂轮修整技术研究现状与展望

  焦锋, 李成龙, 牛赢, 马晓三

  中国机械工程. 2021, 32(20): 2435-2448. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.20.006

  摘要 ( 599 ) PDF全文 ( 149 )   可视化   收藏

  砂轮修整在高速高效磨削、精密超精密磨削、成形磨削过程中具有至关重要的作用。磨削过程中主要是砂轮与工件表面相互作用，砂轮随着磨削的进行逐渐磨钝难以有效磨削。为了保证磨削质量和精度，需对砂轮定期修整。砂轮修整自提出以来，国内外学者对其不断改进和创新，取得大量开创性和突破性研究成果，但日益提高的高精度、高效率、高性能生产要求对砂轮修整技术提出挑战。为了推动砂轮修整技术的不断进步，总结分析了目前修整方法的发展现状、基本原理、主要特点以及发展瓶颈，概述了砂轮修整亟需解决的问题，并对砂轮修整探究方向进行了展望。
智能制造
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  基于时空映射的加工过程数据监测与可视化分析

  张莹, 张阳, 夏卫红, 吴宝海, 张定华,

  中国机械工程. 2021, 32(20): 2449-2457. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.20.007

  摘要 ( 273 ) PDF全文 ( 38 )   可视化   收藏

  研究了加工过程数据采集方法，并对加工工况进行了时域和空间离散，引入体元模型分别对零件空间和加工过程信号进行细分和标记，采用短时域处理方法将加工过程信号表征为对应的短时域信号特征，建立单位体元工况和加工过程信号的知识关联，从而建立了加工过程数据与零件加工位置对应的时空映射模型。最后，以叶片粗加工为例，通过基于过程信号的时空映射模型对主轴功率进行了可视化分析，生成了功率云图，清晰定位出叶片加工中功率超差区域，对加工状态进行评判，为工艺参数优化提供依据。
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  基于改进案例推理的智能车间扰动处理决策研究

  苑明海, 李亚东, 裴凤雀, 张理志, 顾文斌

  中国机械工程. 2021, 32(20): 2458-2467，2491. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.20.008

  摘要 ( 211 ) PDF全文 ( 322 )   可视化   收藏

  车间扰动事件一旦发生会严重影响车间的生产运作。为了快速高效地处理扰动事件，恢复车间正常运作，提出了一种基于改进案例推理的智能车间扰动处理决策方案。以智能制造环境下离散制造车间扰动处理为研究对象，利用三元法对车间扰动案例进行建模，分析了案例问题域的阶梯层次属性，设计了案例特征属性多维相似度匹配算法及对应的相似度计算公式；结合指标贡献率和核密度估计改进了序关系分析法，并计算最终案例属性权重值，提高了案例匹配的精确度，实现了扰动案例与历史案例的快速高效匹配，提供了应对车间扰动的具体解决方案。通过某模具智能制造车间扰动案例验证了所提方法的有效性和可行性。
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  一种频域特征提取自编码器及其在故障诊断中的应用研究

  赵志宏, 李乐豪, 杨绍普, 李晴

  中国机械工程. 2021, 32(20): 2468-2474. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.20.009

  摘要 ( 347 ) PDF全文 ( 340 )   可视化   收藏

  提出一种可以直接从振动信号中提取频域特征的非对称自编码器方法。与传统自编码器以重构振动信号作为目标输出不同，频域自编码器使用振动信号的频谱作为目标输出，这种非对称的自编码器可以学习振动信号与其频谱之间的映射关系，使得编码器可以输出频域特征。为了说明提出的频域自编码器的特征提取效果，在轴承数据集上进行特征提取和故障诊断实验，在没有引入标签信息的情况下，频域自编码器提取到的特征表现出较好的聚类效果，能够区分轴承的不同故障类型；进一步进行了泛化实验，训练分类器时使用1%的有标签样本，可以达到90%以上的故障分类准确率。实验结果表明，频域自编码器与传统自编码器相比，可以更好地提取振动信号的故障特征信息，具有一定的实用价值。
服务型制造
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  小样本下混合自注意力原型网络的风电齿轮箱故障诊断方法

  余浩帅, 汤宝平, 张楷, 谭骞, 魏静

  中国机械工程. 2021, 32(20): 2475-2481. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.20.010

  摘要 ( 546 ) PDF全文 ( 85 )   可视化   收藏

  针对部分风场因有标签故障样本数据稀少而导致风电齿轮箱故障诊断准确率不高的问题，提出了一种小样本下混合自注意力原型网络的故障诊断方法。首先，通过原型网络将振动信号映射到故障特征度量空间;然后采用位置自注意力机制和通道自注意力机制进行矩阵融合构建混合自注意力模块，建立原始振动信号的全局依赖关系，获取更具判别性的特征信息，学习风电齿轮箱各健康状态下的度量原型；最后通过度量分类器进行模式识别，实现小样本条件下风电齿轮箱的故障诊断。实验结果表明，所提出的混合自注意力原型网络故障诊断方法在不同小样本数据集上均能实现风电齿轮箱高精度故障诊断。
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  基于多源同步信号与深度学习的刀具磨损在线识别方法

  尹晨, 周世超, 何建樑, 孙宇昕, 王禹林

  中国机械工程. 2021, 32(20): 2482-2491. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.20.011

  摘要 ( 361 ) PDF全文 ( 23 )   可视化   收藏

  为提高刀具状态监测系统的实用性、避免实际加工过程中工序变换产生的信号干扰，提出一种基于多源同步信号与深度学习的刀具磨损在线识别方法。该方法利用自动触发的方式实现了机床运行在特定工序时的刀具振动、主轴功率、数控系统参数等多源信号的同步在线采集，保证信号同步性的同时有效避免了因工序变换而产生的信号波动干扰；进一步利用高频振动特征实现了 “切削过程”与“切削间隙”采集样本的准确划分，并基于皮尔逊积矩相关系数筛选出强关联特征，保证了多源监测信号融合样本的可用性；最后基于一维卷积神经网络建立了刀具磨损在线识别模型。实验结果表明，该方法无论从识别精度还是诊断效率，均能实现实际加工过程中刀具磨损状态的在线识别。
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  采用OPC统一架构的锻造车间能耗数据采集与监管系统

  焦瑀阳, 李丽, 聂华, 周丽, 陈行政, 李涛

  中国机械工程. 2021, 32(20): 2492-2500. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.20.012

  摘要 ( 253 ) PDF全文 ( 16 )   可视化   收藏

  针对锻造车间数据多源异构的特点，以及设备间存在信息孤岛且互联互通困难的现状，提出了一套面向锻造车间能耗数据的采集与监管系统。结合车间数据特点分析了系统具体需求，根据实地布局设计了数据感知、传输的网络架构，建立了基于过程控制统一对象模型的信息交互模型。最后以锻造车间为对象，实现了对锻造生产整个过程的能耗数据采集和信息统计监管。
工程前沿
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  航空自润滑关节轴承的内锥面滚铆工具设计

  王强, 陈继刚, 赵建华, 李雪, 胡占齐,

  中国机械工程. 2021, 32(20): 2501-2507,2519. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.20.013

  摘要 ( 228 ) PDF全文 ( 160 )   可视化   收藏

  依据航空标准的规定要求，研究了一种新型的翻边固定的滚铆工具，以实现滚轮纯滚动、表面质量好、对轴承启动力矩影响小的质量目标。根据速度合成定理研究了滚轮实现纯滚动的条件，设计了内锥面的滚轮；以滚铆MS14101-9关节轴承为例，研究了两种滚轮对轴承外圈座圈之间的贴合度、轴承内外圈等效应力、轴向推出力、翻边表面质量的影响；最后，通过虚拟正交试验，以航空标准规定的轴承启动力矩范围为约束，以翻边固定后的轴承内圈外球面位移变化量为优化指标，研究了内锥面滚轮的滚铆工具的翻边载荷和公转转速的参数优化。研究结果表明：内锥面滚轮的工具可实现良好的工艺质量；当翻边工具的翻边载荷4000 N、公转转速200 r/min时，可以保障翻边固定后工艺质量指标和轴承启动力矩在航空标准规定范围内。
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  现役导管架平台结构监测系统开发与数字孪生技术

  闫天红, 王维刚, 赵海峰, 周国强

  中国机械工程. 2021, 32(20): 2508-2513. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.20.014

  摘要 ( 330 ) PDF全文 ( 35 )   可视化   收藏

  目前我国海上有近1/3的导管架平台已超过或即将达到设计寿命，平台结构维护或修复延寿方面的需求比以往任何时候都更为迫切。传统的导管架水下结构损伤检测，测点少、难度大、费用高且无法预测平台结构的状态。开发了南海某导管架平台结构监测系统，该系统主要包括海上风浪的环境监测和平台结构振动、应变的响应监测。根据监测数据提出了基于双重有限元模型修正的现役导管架平台结构数字孪生，通过数字孪生技术修改平台结构安全评估及寿命预测模型，掌握海上导管架平台结构在整个服役周期内的结构行为，科学预测、预防性维护，以延长平台寿命。
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  横切机组矫直过程板形变化机理及其预报模型

  白振华, 崔熙颖, 王伟, 景群平, 张立更, 刘亚星, 张岩岩

  中国机械工程. 2021, 32(20): 2514-2519. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.20.015

  摘要 ( 185 ) PDF全文 ( 82 )   可视化   收藏

  充分考虑横切矫直机组设备和工艺特点，对矫直机组成品板形的变化机理进行了分析,并在此基础上进行了试验研究，探究矫直辊系对板形的影响，得出矫直机组的矫直过程是通过对带钢的多次弯曲拉直实现的；对试验数据分析处理后，进行带钢所受矫直辊的压应力和摩擦力求解，得出矫直过程板形变化数学模型，从而建立了一套完整的适合横切机组矫直过程的板形预报模型。在此基础上编制了相应的横切机组矫直过程板形预报软件，该软件能够快速求出矫直后带钢的板形分布。将软件应用到某1220横切机组的生产实践，可以明显地看出矫直后带钢的板形计算值和实测值几乎相等，板形预报结果符合现场生产实际。