2023年, 第34卷, 第24期　
刊出日期：2023-12-25

  

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机械基础工程
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  地铁小半径曲线钢弹簧浮置板轨道钢轨波磨成因分析

  王志强, 雷震宇

  中国机械工程. 2023, 34(24): 2899-2908. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.24.001

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  为探究地铁小半径曲线钢弹簧浮置板轨道上的波磨成因，从轮轨黏滑振动层面阐释了钢轨波磨的形成过程。首先，依据线路基本情况建立了轮对浮置板轨道三维有限元模型；然后，利用上述模型分析了轮轨接触黏滑特征和钢轨纵向磨耗特性以量化波磨的发生趋势；最后，基于复模态理论，研究了轮轨系统的固有振动属性与波磨形成的关系。结果显示，在轮对运行过程中，内侧轮轨黏滑分布呈现周期性变化，说明内侧轮轨系统发生了周期性的黏滑振动，进而可能导致内轨出现周期性的波状磨耗，最终形成钢轨波磨；外侧轮轨黏滑分布总体上未有明显变化，说明外侧轮轨系统未出现黏滑振动，从而不易形成钢轨波磨。在钢轨纵向上，内轨滑移量明显大于外轨滑移量，表明内轨纵向磨耗程度更大；在钢轨横向上，内外侧钢轨滑移量相差不大，表明内外侧钢轨横向磨耗程度相近。内外侧钢轨纵横向滑移云图分布均表现出了一定程度的周期性，尤其是内轨纵向滑移云图，其波长28 mm与实测波磨波长25 mm相近，这与内侧轮轨界面接触黏滑状态的周期特性相呼应，从而进一步说明了内轨更容易发生严重的周期性磨耗，即钢轨波磨。综合轮轨接触黏滑与磨耗特征及轮轨系统振动特性分析结果，可以得出实测地铁小半径曲线浮置板轨道上的内轨波磨是由664.1 Hz和665.8 Hz对应的轮轨系统不稳定振型诱发的黏滑振动所致，且该不稳定振型均表现为内轮相对于轨道的弯曲振动。参数敏感性分析表明适当地增大扣件和钢弹簧的垂向刚度能够对波磨控制起到积极作用。
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  高压螺纹插装式溢流阀综合性能优化

  陈俊翔, 孔祥东, 许克龙, 艾超,

  中国机械工程. 2023, 34(24): 2909-2919,2926. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.24.002

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  针对影响高压螺纹插装式溢流阀不同性能间的结构参数存在耦合、难以进行综合性能优化的问题，提出一种多目标粒子群算法对其综合性能进行结构优化。基于高压螺纹插装式溢流阀的结构特征建立启闭特性、调压偏差和稳定性数学模型，基于一阶灵敏度分析结构参数对其动态响应的影响规律，根据结构与性能间映射关系，以开启率、调压偏差、稳定性、动态响应性性能提升为优化目标，以耦合结构参数为变量，建立综合性能优化模型，通过粒子群算法以Pareto集的形式得到耦合结构参数最优解。实验结果表明：优化后的高压螺纹插装式溢流阀压力振摆降低22.7%、开启率提高1.5%、压力流量梯度降低14.58%、阀前压力超调量降低14.1%、响应时间缩短9.52%。
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  刀具磨损对Allvac 718Plus高温合金铣削加工表面完整性及疲劳性能的影响

  勾睿杰, 张晓峰, 张鸿滨, 姚俊, 李勋

  中国机械工程. 2023, 34(24): 2920-2926. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.24.003

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  基于Allvac 718Plus高温合金铣削刀具磨损规律，研究了刀具磨损对铣削精加工表面完整性各指标的影响规律，并结合具体的试件疲劳性能测试实验分析了刀具磨损对试件疲劳性能的影响规律和作用机理，得出Allvac 718Plus材料精铣参数下刀具后刀面磨损量的控制范围不超过0.15 mm，获得了影响试件疲劳性能的主要影响因素。相关研究成果为控制Allvac 718Plus试件精加工的表面完整性和刀具磨损量提供了参考。
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  基于标称齿轮当量载荷的聚合物齿轮齿面承载能力评价方法

  胡新磊, 刘怀举, 魏沛堂, 卢泽华, 廖常军, 朱加赞

  中国机械工程. 2023, 34(24): 2927-2935. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.24.004

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  目前，聚合物齿轮主要沿用金属齿轮齿面承载能力评价方法，未能综合考虑聚合物齿轮材料属性、润滑状态和应力条件等多因素的影响，导致工程实际中聚合物齿轮材料选择、强度设计和齿面承载能力评估时严重依赖工程经验，限制了高承载精益设计。提出了基于标称齿轮当量载荷的聚合物齿轮齿面承载能力评价方法，获取了不同润滑状态、齿轮材料、加工方式等在内的共169组、6000余小时聚合物齿轮耐久试验数据。研究结果表明，油润滑可显著提高塑料齿轮的齿面承载能力，且油润滑下PEEK（聚醚醚酮）齿轮相比POM（聚甲醛）和PA66（聚酰胺）齿轮的齿面承载能力高30%以上，为聚合物齿轮主动设计和动力传递应用提供了评价方法和基础数据支撑。
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  基于硼酸溶液的电火花加工机理分析及实验研究

  郑倩, 张亚欧, 高强, 卢军成, 杨翔钧, 赵万生,

  中国机械工程. 2023, 34(24): 2936-2945. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.24.005

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  核电厂堆内零部件在线维修需要浸没在硼酸溶液中实施，为验证硼酸溶液中电火花加工（EDM）的可行性，以2200 mg/L的硼酸溶液为放电介质进行加工实验。采用实验设计（DOE）探究硼酸环境下工艺参数对材料去除率、通孔的入口直径、表面质量以及电极损耗的影响规律，在最优电参数下实现小孔成形加工，并分析小孔尺寸精度和再铸层分布规律。研究结果表明：硼酸溶液作为工作介质的放电过程剧烈且产生大量气泡，气泡辅助放电和促进排屑机理可以提高硼酸溶液中电火花加工的材料去除率；在峰值电流I=24 A、脉宽Ton=20 μs和脉间Toff=20 μs的最优参数下，小孔表面再铸层厚度较小且无裂纹；硼酸溶液适合作为电火花加工的工作介质。研究结果可为核电厂堆内零部件在线维修的电火花加工提供理论支撑。
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  一种仿蝗虫弹跳机器人的设计与制作

  王铠迪, 陈岁繁, 唐威, 秦可成, 李其朋, 杨展, 刘阳, 邹俊

  中国机械工程. 2023, 34(24): 2946-2951. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.24.006

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  为了提高小型机器人的机动性，增加运动步态的多样性，基于蝗虫的身体结构和运动机理设计了一款仿蝗虫弹跳的跳跃机器人，机身主体采用3D打印制作而成。为了复现蝗虫的弹跳动作机理，在机器人主体的连接处安装了扭转弹簧来模拟蝗虫的SLP机构（半月形储能机构），当机器人遇到障碍物时，扭转弹簧将储存的弹性势能释放，产生地面反作用力，实现机器人的弹跳从而越过障碍物。经实验验证，该机器人具有良好的跳跃性能，其跳跃距离可达100 cm，跳跃高度可达120 cm，约为自身身长的15倍。
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  考虑尺寸误差与径向载荷的双螺母滚珠丝杠静刚度分析

  陈光宇, 翁直威, 张松,

  中国机械工程. 2023, 34(24): 2952-2962. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.24.007

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  同时考虑尺寸误差和外部径向载荷，改进了一种预紧双螺母滚珠丝杠的轴向静刚度计算模型。首先，基于赫兹理论，考虑制造过程中的尺寸误差和因装配不当等因素引起的径向外部载荷，改进了滚珠载荷分布和轴向静刚度模型。其次，采用Newton-Raphson迭代法计算了双螺母滚珠丝杠的轴向静刚度，并在自行研制的加载试验台上进行了加载变形试验，验证了模型的正确性。最后，通过仿真分析，研究了外部轴向载荷、外部径向载荷和滚珠尺寸误差对双螺母滚珠丝杠轴向静刚度的影响。研究结果表明，所建立的双螺母滚珠丝杠静刚度模型对描述轴向变形位移和轴向静刚度有较好的效果，对指导预紧双螺母滚珠丝杠在静止或低速工况下的承载能力评估和精度设计有一定的参考意义。
可持续制造
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  融合集成模型与深度学习的机床能耗识别与预测方法

  谢阳, 戴逸群, 张超勇, 刘金锋

  中国机械工程. 2023, 34(24): 2963-2974. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.24.008

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  针对能耗过程识别方法存在的多源影响、高质量特征提取与选择以及复杂性和非线性等问题，提出了一种融合集成模型与深度学习的机床能耗识别与预测方法。以数控铣削加工为例，建立基于不同切削时段的能耗模型，并通过小波变换进行信号预处理。利用预处理信号对融合随机森林(RF)与长短时记忆(LSTM)神经网络的模型(RF-LSTM模型)进行训练和能耗预测，同时利用RF识别切削阶段，实现能耗分类预测。通过实际案例来证明所提方法的有效性和优越性，利用RF-LSTM模型对比其他四种方案，验证了该识别方法能够精准预测机床不同运行状态以及能量消耗。
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  高压低温CO2射流冷却条件下高速车削淬硬轴承钢的试验研究

  李小睿, 赵威, 李浩, 史卫奇, 何宁

  中国机械工程. 2023, 34(24): 2975-2985. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.24.009

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  针对高速硬车削淬硬轴承钢时刀具磨损快、切屑缠绕严重和已加工表面质量差等问题，以高压低温CO2射流为冷却介质，应用聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具进行了GCr15轴承套圈高速硬车削试验，并与高压乳化液冷却和高速干切削进行对比，分析了冷却条件和切削参数对刀具切削性能和加工表面质量的影响。研究结果表明：在一定的切削参数范围内，使用高压低温CO2射流辅助切削可以有效降低刀具磨损、改善切屑缠绕情况，但当刀具处于剧烈磨损阶段时，刀具更容易产生崩刃而失效；当切削速度较大时，高压低温CO2射流对工件表面质量的提升更为显著，有效降低了工件表面粗糙度、增大了残余压应力和表层显微硬度。
先进材料加工工程
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  钛合金型材多点三维热拉弯成形工艺及其微观组织演化

  高嵩, 孙荧力, 李奇涵, 盈亮, 郝兆朋, 张邦成

  中国机械工程. 2023, 34(24): 2986-2995,3014. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.24.010

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  为解决钛合金等难加工材料型材的三维弯曲成形问题，提出了多点三维热拉弯成形工艺并研制了成形装备。通过成形试验探索了预拉伸量、补拉伸量和成形温度等工艺参数对TC4钛合金L形截面型材的三维热拉弯成形规律，其中成形温度是影响回弹变形的最主要因素，当温度一定时，采用预拉伸量为100%εs、补拉伸量为20%εs时（εs为屈服应变参数），型材达到最佳的成形状态。基于成形试验和材料力学性能测试结果建立了预测多点三维热拉弯成形工艺成形过程和回弹过程的有限元仿真模型，回弹预测误差小于15%，验证了模型的有效性。此外，对成形前后的TC4钛合金进行了微观组织观测，研究结果表明，与初始未变形样件相比，三维热拉弯成形后的TC4钛合金产生了相变，（101-0）晶面织构强度显著提高，两相晶粒尺寸均有所减小，TC4钛合金成形件的塑性变形能力得到了提高，且几何必需位错密度有所增大。
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  三层异种不等厚钢电阻点焊多场耦合模拟与分析

  李坤航, 张思琦, 吴玮, 胡明卓, 孙娅铃, 熊鑫, 黄宏

  中国机械工程. 2023, 34(24): 2996-3003. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.24.011

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  针对厚度1.0 mm的DC01、厚度1.2 mm和1.5 mm的DP590样片组，建立了电阻点焊的有限元模型，采用热场、电场、力场多场耦合分析了点焊过程能量分布和应力应变。试验结果表明：焊核尺寸的数值模拟计算结果与试验结果吻合良好，电流密度峰值随时间减小，其分布区域与两层板不同，与中板相比，在上板和下板分布的区域明显更大，电势变化说明点焊初期主要通过接触电阻产热，后期变成体电阻，温度在异种不等厚板材上分布不均匀，优先在中板下部和 DP590/DP590接触面上形核，熔核形成后中部受到压应力，母材区受到熔核拉应力，应变最大值存在于 DP590/DP590处。
工程前沿
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  基于缸盖等效构件模型的热机疲劳寿命预测与优化设计方法

  杨文军, 庞建超, 康鑫, 王磊, 李思成, 张哲峰

  中国机械工程. 2023, 34(24): 3004-3014. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.24.012

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  为了更加高效、简便地预测内燃机缸盖的疲劳寿命并开展改进设计，基于缸盖等效构件模型提出了热机疲劳寿命预测与优化设计方法。依据火力面几何特征实现了缸盖模拟构件的数值建模，进一步利用Sehitoglu理论探究了服役载荷对缸盖热机疲劳损伤的影响，研究结果表明工作转速对缸盖热机疲劳寿命的影响最大，三种损伤类型中机械损伤占主导地位。最后，基于模拟构件和响应面试验设计方法开展了缸盖构件的优化设计，经优化后鼻梁区处最大应力降低了7%，疲劳寿命达到了6.7×104次循环，改善了缸盖构件的疲劳损伤特性，为服役工况下缸盖热机疲劳寿命预测与结构优化提供了理论依据。
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  RV减速机摆线齿轮接触应力数值分析方法与试验

  黄襄茂

  中国机械工程. 2023, 34(24): 3015-3023. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.24.013

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  计及摆线齿轮齿面弹性变形及侧隙计算了在特定载荷下摆线齿轮齿面的有效接触区域及其周向载荷分布，利用力平衡方程和变形协调方程建立了摆线齿轮齿宽方向的接触应力数学模型并给出计算步骤和流程图。该数学模型为非线性方程组，通过求解该非线性方程组完成了摆线齿轮齿宽方向的接触应力分布和接触宽度的计算。利用接触应力数学模型及计算步骤仿真分析了摆线齿轮理想状态和安装误差的接触齿宽及接触应力分布, 结合试验和仿真结果验证所提方法的正确性和可行性。