2022年, 第33卷, 第18期　
刊出日期：2022-09-25

  

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机械基础工程
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  轴承沟道表面完整性研究进展

  王东峰, 袁巨龙, 王燕霜, 程勇杰, 吕冰海

  中国机械工程. 2022, 33(18): 2143-2160. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.18.001

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  改善沟道工作表面完整性是解决轴承可靠性寿命低、摩擦功耗高、振动噪声不稳定等技术难题的有效手段。在综合调研国内外学者对广义表面完整性研究的基础上，提出了轴承沟道表面完整性特征参数的定义和内涵，阐述了特征参数的意义及对轴承性能影响的机理，简述了轴承沟道表面加工技术的发展现状，详细分析了锻造、车削、热处理、磨削、超精加工等不同加工工艺对轴承沟道表面特征参数的影响规律，给出了相应的控制措施。最后，介绍了提高轴承工作表面完整性的新技术、新工艺、新方法，并对提高轴承沟道工作表面完整性技术进行了总结和展望。
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  液氮射流冲击冷却聚二甲基硅氧烷的温度场仿真和实验研究

  刘旭, 孙玉利, 张桂冠, 钱炳坤, 高航, 左敦稳

  中国机械工程. 2022, 33(18): 2161-2171. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.18.002

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  为探究低温微磨料气射流加工聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流道过程中PDMS试样受液氮射流冲击冷却的温度变化和分布，提出了测温实验Beck反求算法拟合APDL温度场仿真的系统研究方法，仿真结果与测温结果的误差仅1.735%。仿真发现，表面到达明显脆化温度-147 ℃需要5.747 s，说明PDMS无法在接触液氮的瞬间就达到可加工的脆化状态，有必要重视加工前的预冷却时间；又通过仿真数据拟合了PDMS冷却至-147 ℃的冷却速度，以冷却速度为参考预测了实际加工中所需的预冷却时间。对比冷却速度发现，距PDMS试样表面0~100 μm深度范围内的冷却速度比0~1500 μm深度范围内冷却速度快22.054%，PDMS试样放置在铝合金工作台上的冷却速度比绝热工作台上快22.311%。
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  基于颗粒阻尼的变频空调压缩机管路减振设计

  张鸿权, 肖望强

  中国机械工程. 2022, 33(18): 2172-2182，2189. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.18.003

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  为解决变频空调压缩机管路振动问题，利用有限元法对管路进行动力学分析，在测点位置进行35～72 Hz变频试验测试。建立管路颗粒阻尼的能耗模型，通过离散元法确定颗粒材质、粒径和填充率等最优设计参数，并搭建管路减振试验台。振动试验结果表明：采用颗粒材质为铁基合金、颗粒粒径为2 mm、阻尼器填充率为90%的设计参数，当进气管采用B型阻尼器和45°布置方式，3个测点位置的加速度最大减幅分别为36.57%，30.15%，45.79%，当排气管采用A型阻尼器和水平方式时，3个测点位置的加速度最大减幅分别为40.87%，62.04%，50.42%。最后将试验的加速度响应变化趋势与耗能模型分析结果进行对比，验证了管路颗粒阻尼耗能模型的可行性。
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  一种基于工具坐标系的机器人运动学参数标定方法

  高文斌, 褚亚杰, 余晓流,

  中国机械工程. 2022, 33(18): 2183-2189. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.18.004

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  机器人末端执行器位姿误差在基础坐标系中表示时，误差模型中包含姿态误差与位置矢量的乘积项，影响了参数标定识别精度。以工具坐标系为参考系，给出一种基于指数积公式包含关节约束条件的机器人位姿误差标定模型，避免了姿态误差与位置矢量的乘积项对参数标定识别精度的影响。以UR5机器人为标定对象，采用LeciaAT960-MR激光跟踪仪为测量设备，进行参数标定试验。试验结果表明，经参数标定后UR5机器人位置误差模和姿态误差模的平均值分别减小了91.07%和89.16%。
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  弱刚性构件磁流变抛光变形机理与抑制技术研究

  潘博, 康仁科, 贺增旭, 李凯隆, 张云飞, 黄文, 郭江

  中国机械工程. 2022, 33(18): 2190-2196. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.18.005

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  弱刚性平面构件对应力极其敏感，加工后平面度难以保证，为解决该问题，提出通过磁流变抛光工艺改善工件的平面度。通过有限元仿真，阐明弱刚性构件磁流变抛光变形的机理，提出残余应力的不对称释放是造成工件变形的主要原因，并建立加工过程中工件变形预测模型。仿真结果表明，采用单面加工时，变形为9.5 μm；采用翻面加工时，变形为0.7 μm。根据仿真中工件变形的情况，提出了翻面加工的策略，并通过实验进行验证。实验结果表明，单面加工时，工件变形严重，而采用翻面加工时，变形会产生回复现象，从而使得工件平面度得到有效收敛。进而，提出了弱刚性构件磁流变修形抑制技术，即通过翻面等量材料去除实现工件表面残余应力的对称释放，并在200 mm、厚2 mm的纯铜弱刚性平面构件上应用该技术，两个面的平面度PV值分别从4.6 μm和5.9 μm降低到2.0 μm。
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  内燃机曲轴扭转疲劳强度试验研究与分析

  丛建臣, 倪培相, 孙军, 吕世杰

  中国机械工程. 2022, 33(18): 2197-2204. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.18.006

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  通过对内燃机曲轴进行扭转疲劳试验研究，分析了影响曲轴扭转疲劳强度的因素以及导致曲轴扭转失效的原因，并提出了相应的改进措施。分析指出，随内燃机爆发压力的提高，曲轴所承受的扭矩会相应增大，由此导致的曲轴扭转疲劳失效不断增加。曲轴扭转失效位置主要在连杆颈油孔、曲柄臂和连杆颈下止点，失效原因涉及结构设计、原材料、机加工、热处理等多个因素。连杆颈油孔是扭转疲劳失效最常见部位，裂纹源一般在油孔内壁距轴颈表面约8～10 mm位置，轴颈表面感应淬火对扭转疲劳强度影响较大，表面感应淬火使曲轴的扭转疲劳强度降低约30%，油孔内壁抛磨可使轴颈表面淬火曲轴的扭转疲劳强度提高25%以上。
可持续制造
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  多壁碳纳米管/油酸复合物纳米流体车削GCr15钢的性能研究

  关集俱, 高超, 徐正亚, 丁云鹏, 李特, 许雪峰

  中国机械工程. 2022, 33(18): 2205-2214，2226. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.18.007

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  针对切削液不易渗入到切削区起润滑作用的问题，提出利用内部填充油酸（OA）的多壁碳纳米管（MWCNTs）复合物为添加剂制备纳米流体，该纳米流体更易渗入到切削区，且复合物可在切削时释放油酸起增强润滑的作用。首先测试了纳米流体的热物理性能，考察了它在微量润滑（MQL）条件下车削GCr15钢的性能，然后研究了切削过程中复合物的冷却润滑特性。结果表明：与普通MWCNTs相比，复合物能更好地提高纳米流体的分散稳定性、传热性和润湿性；与普通乳化液相比，复合物纳米流体车削时的切削力减小约15%，切削温度降低约25%，工件表面粗糙度值减小16%，刀具耐用度提高了22%。
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  基于支持向量回归的熔丝制造3D打印能效优化模型

  鲍宏, 杨靖, 柯庆镝, 李红真, 么永政,

  中国机械工程. 2022, 33(18): 2215-2226. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.18.008

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  基于响应面法和支持向量回归模型对熔丝制造3D打印能效进行预测与优化。首先，利用田口方法设计六因素三水平正交试验，通过响应面法分析得出对加工能效影响较为显著的3个因素即层高、打印速度和热床温度；然后，通过支持向量回归方法建立加工能效预测模型，并与BP神经网络方法进行对比，结果表明支持向量回归方法建模预测性能更优；最后，建立以加工时间和能效为目标的优化模型，利用NSGA-Ⅱ、MOEA/D、SPEA2和MOPSO 4种算法分别对模型进行求解，分析比较4种算法的Pareto前沿，结果表明NSGA-Ⅱ算法在求解此问题时综合表现最佳，对比NGSA-Ⅱ算法求得的优化结果与试验结果可知，NSGA-Ⅱ算法具有有效性和合理性。
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  集成能量再生模块的全液压转向系统分析

  周鑫, 李阁强, 雷贤卿, 许增健

  中国机械工程. 2022, 33(18): 2227-2233. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.18.009

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  采用全液压转向系统的重载运输车辆在颠簸、急转弯工况下，系统负载会发生突然变化，此时系统会出现压力冲击、液压能异常损失，严重时会导致液压元件损坏和系统崩溃，针对该实际问题，提出一种集成于全液压转向系统的液压能量再生模块，以实现回收并利用冲击能量、减缓转向系统压力冲击的目的。基于AMESim分别对含有能量再生模块的有负载反馈全液压转向系统和无负载反馈全液压转向系统建立数学模型，研究能量再生模块的动态特性，并对含有该模块的试验样车开展了不同路况下的路面试验。仿真和试验结果均表明：能量再生模块能量再生效果好，在重载运输过程中能有效吸收压力冲击，且能量再生模块释放液压能平稳有效。
先进材料加工工程
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  易解理氧化镓晶体微尺度力学行为试验研究

  徐亚萌, 周海, 张杰群, 任相璞, 张春伟

  中国机械工程. 2022, 33(18): 2234-2240. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.18.010

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  为了探寻单晶氧化镓晶体超精密加工的易切削方向以及临界切削深度，将单晶氧化镓晶体(100)晶面和(010)晶面等角度划分成24等份，对每个方向上用Berkovich金刚石压头进行纳米压痕试验、用Cube金刚石压头进行纳米压痕和划痕试验。试验结果表明，在(100)晶面120°方向上脆塑转变临界切深最大，为623 nm左右，此时脆塑转变临界载荷为29.4 mN；在(010)晶面105°方向上脆塑转变临界切深最大，为686 nm左右，此时脆塑转变临界载荷为20.0 mN。氧化镓晶体存在强烈的各向异性，其中(010)面各向异性较为强烈。对比硬度、弹性模量、断裂韧度和相对脆塑转变临界切深随方向的变化趋势，结合各方向的划痕试验结果可以看出，氧化镓晶体(010)面为易加工晶面，105°方向为易加工方向。
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  7075铝板弹性模量退化行为研究及回弹预测

  杨卓云, 樊博成, 李萧逸, 张子路, 董国疆,

  中国机械工程. 2022, 33(18): 2241-2248. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.18.011

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  金属板材的弹性模量随塑性变形发生衰退，这一现象对板材成形中的回弹预测影响巨大。为研究7075高强铝板的弹性模量衰退规律，采用传统的循环加载试验进行弹性模量测试，同时借助DIC应变测量系统设计弯曲卸载试验进行测试。试验结果表明：弹性模量随塑性变形发生明显退化且衰退规律受材料变形所处的应力状态影响。将两种试验所得衰退规律用于C形梁成形过程中的有限元回弹仿真，仿真与试验的对比结果表明：弯曲卸载试验所得弹性模量衰退规律对C形梁回弹分析的结果明显优于循环加载试验所得规律的结果，四个回弹角的预测精度分别提高了42%、7%、40%和200%。
工程前沿
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  航空发动机套齿连接结构刚度特性仿真分析及试验研究

  李伦绪, 陈果, 杨默晗

  中国机械工程. 2022, 33(18): 2249-2257. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.18.012

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  以航空发动机低压转子套齿连接结构为研究对象，分析了套齿连接结构弯曲刚度非线性特征及其产生机理，建立了考虑齿面接触的套齿连接结构实体有限元模型，进行了套齿连接结构静刚度试验，通过仿真和试验研究了套齿连接结构刚度非线性变化规律，讨论了配合间隙、拧紧力矩和扭矩对弯曲刚度的影响规律。研究结果表明，由于定位面的接触状态和受力情况不同，套齿连接结构的弯曲刚度变化主要分为两个阶段，具有分段非线性特征;套齿连接结构弯曲刚度对定位面的配合间隙较为敏感，减小定位面配合间隙可以有效提高结构的弯曲刚度；拧紧力矩对弯曲刚度的影响较小；在小载荷状态下，扭矩对弯曲刚度的影响十分明显。
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  在轨替换单元杆锥式三维碰撞动力学行为

  游斌弟, 曹芊, 于香杰, 刘朝旭, 刘育强, 刘小猛, 赵阳

  中国机械工程. 2022, 33(18): 2258-2267. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.18.013

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  为研究在轨替换单元与目标航天器定位导向过程中的接触碰撞动力学行为，以配备有杆锥式定位导向结构的目标航天器与在轨替换单元（ORU）为研究对象，考虑定位导向机构的结构特点与实际定位过程的位姿状况，建立了航天器与ORU定位导向过程的三维碰撞动力学模型（NE-CR-LN三维接触动力学模型）,并推导了三维空间中锥杆间碰撞检测方程。该模型应用矢量分析方法，考虑锥杆导向系统的自身特点将其划分出四种不同的接触工况。通过将模型数值结果同LS-DYNA仿真结果及文献模型进行对比分析，验证了NE-CR-LN动力学模型的正确性。针对ORU的定位要求，进行典型定位导向工况下的接触碰撞仿真及试验分析，导向仿真过程和动态分析结果表明，NE-CR-LN三维接触动力学模型可以在一定条件下模拟实际接触碰撞过程。