中国机械工程

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2012, 23(24): 0.

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弹性复合圆柱滚子轴承结构设计研究

姚齐水1, 2, 杨文2, 余江鸿2, 张然2

2012, 23(24): 2899-2902.

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根据组合创新原理，通过对圆柱滚子轴承的结构进行创新研究,提出了一种在空心圆柱滚动体中嵌入聚四氟乙烯(PTFE)材料的弹性复合圆柱滚子轴承新结构的设计方法。为确定弹性复合圆柱滚动体的结构尺寸,定义滚动体的填充度K=d/D(D为滚动体直径,d为材料填充直径),用ANSYS软件对弹性复合圆柱滚子轴承进行有限元建模,分析了重载工况下弹性复合圆柱滚子轴承的接触应力、von Mises应力、弯曲应力以及变形量对滚动体结构尺寸的影响。结果表明,在重载工况下,弹性复合圆柱滚子轴承滚动体填充度最优值为55%，并通过试验验证了分析结果的正确性。所得结果为弹性复合圆柱滚子轴承的设计提供了基础性数据。

机械系统可监测性设计理论研究及典型应用

严新平1, 2, 张月雷1, 3

2012, 23(24): 2903-2907,2912.

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从状态监测技术和机械系统现代设计相结合的角度，提出了可监测性设计理论。在详细论述机械系统特点的基础上,给出了机械系统可监测性和可监测性设计的内涵;用系统和集成的观点对可监测性设计理论体系及其系统的组成进行了研究;在详细介绍可监测性设计内容及涉及的技术领域和关键因素的基础上,构建了可监测性设计系统理论框架。将可监测性设计理论体系的研究内容划分为4个方面：可监测性设计内涵的研究;可监测性设计方法研究;可监测性分配方法研究（监测点优化布置方法研究）;可监测性设计评价方法研究。最后以典型的船舶动力机械系统为研究对象，从船舶设计之初就充分考虑系统的可监测性问题，进行了可监测性设计的工程化应用。

DEPSO算法在永磁直线电机结构优化设计中的应用

林健, 黄家才, 汪木兰, 盛党红

2012, 23(24): 2908-2912.

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将传统优化算法应用于直线电机结构优化设计时,传统算法的易早熟与收敛速度慢的缺陷降低了优化效率，并且由于直线电机特有的磁场效应，无法用解析方法准确计算推力波动。为此，提出一种粒子群和差分进化的混合优化算法(DEPSO算法)。该算法在粒子进化过程中，利用差分进化的变异、交叉和选择操作产生新的个体最优位置，优化粒子进化方向。将该算法与有限元数值分析相结合，对直线电机结构参数进行了优化。具体实例的试验结果表明，优化后磁阻力峰值显著下降,证明了DEPSO算法对解决此类问题的有效性。

板料多点渐进成形力多通道数据采集装置设计

蔡改贫, 邢聪文, 罗小燕, 姜志宏

2012, 23(24): 2913-2917.

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针对渐进成形过程中成形力采集时间长、数据量大的特点,设计了一种基于AT89S51单片机的多路分时数据采集装置,介绍了成形力检测的工作原理，开发了检测装置的硬件电路和软件程序;通过渐进成形实验,获得了成形力随时间变化的曲线,表明该检测装置符合渐进成形过程对数据长时间、不间断、连续采集的要求。

剪式机构线性阵列可展结构的动力学特性研究

孙远涛, 王三民, 刘霞

2012, 23(24): 2917-2919,2925.

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基于笛卡儿坐标系建立了剪式机构线性阵列组成的可展结构动力学模型,利用运动副等约束条件建立了剪式可展结构的运动约束方程。采用Runge-Kutta法进行数值计算，获得了该种机构式结构运动过程中的速度和加速度等规律，绘制了阵列组合机构的运动曲线,为该种结构的应用奠定了基础。结果表明,剪式机构线性阵列在展开过程中具有不一致的水平速度。
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永磁直线同步电机一阶速度抗扰动控制

陈冰1, 闫光亚2, 艾武1

2012, 23(24): 2920-2925.

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永磁直线同步电机(PMLSM)采用直接驱动方式,其动子上存在包括负载力、摩擦力和磁阻力在内的多重扰动力，这些直接作用在动子上的扰动严重地影响到直线电机的速度稳定性。提出了一种PMLSM抗扰动速度控制策略，基于扩张状态观测器(ESO)观测出多重扰动力对PMLSM的速度动态过程的扰动作用,引入跟踪微分器（TD）和非线性状态误差反馈（NLSEF）对这个扰动作用进行补偿，进而实现PMLSM一阶速度抗扰动控制。
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钢丝绳吊重提升系统的动载分析

浦汉军1, 谢小鹏1, 牛高产1, 梁广炽2

2012, 23(24): 2926-2929.

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建立了钢丝绳吊重提升系统的动力学模型,将精细积分法用于该模型的动载分析,研究了索具刚度对起升动载系数的影响,较真实地反映了钢丝绳吊重离地起升过程中的动态特性。实验表明,该方法计算量小,精度高,易于分析系统在不同起升速度下的动载荷。
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双转臂式差动偏心齿轮系分插机构的优化设计

尹建军1, 武传宇2, 刘艳1

2012, 23(24): 2930-2935.

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针对超级稻大株距稀植要求，提出了一种双转臂式差动偏心齿轮系分插机构。基于不等分模型求解了齿轮盒围绕中心轮两侧的各级偏心齿轮传动关系，以齿侧法向间隙为非负最小和顶隙大于零为目标，优化了偏心齿轮传动的中心距。以秧爪取秧角和推秧角最小为优化目标，利用人机交互的可视化设计方法优化了二杆插秧机械手参数，使秧爪基本上顺着秧苗方向进出秧门，栽插直立度非常理想。利用反转法建立了行星轮非匀速输出转角驱动下推秧机构的运动学模型，优化了推秧机构的结构参数，得到了准确的凸轮轮廓和推秧动作关系，同时使凸轮机构具有合适的压力角，理论上克服了拨叉动作时产生的较大冲击。运动模拟表明，优化的参数正确，分插机构运转良好，适合株距200~280mm苗高小于352mm的秧苗栽插，特别适合超级稻稀植。 
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基于点匹配的变壁厚CAD模型中间面生成

陈志杨1, 喻谷鸣1, 张引2

2012, 23(24): 2936-2941,2967.

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提出一种针对变壁厚模型的中间面生成方法。该方法包括运用基于样条链(环)的CAD模型过渡特征识别与抑制算法对初始CAD模型(B-Rep模型)的预处理、pair对生成以及基于等（变）壁厚模型的中间面生成算法。鉴于目前变壁厚模型处理中主要针对只有变壁厚平面pair对的变壁厚模型，研究了包含样条曲面变壁厚等各种情况，提出了基于surface点匹配和基于face点匹配的变壁厚模型中间面生成算法。模型测试结果表明所提出的算法具有较好普适性。
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基于三维形状检索的电极成组分类算法研究与应用

王华昌, 李建军, 李志刚

2012, 23(24): 2942-2946.

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针对型腔模具电火花成形加工生产中电极数控编程历史知识和经验的重用问题，根据成组技术的原理，提出了基于三维形状检索的电极分类和检索解决方法。其原理是基于电极的三维模型，通过建立在三维极半径曲面矩上的形状特征提取算法，获取电极的形状特征向量，定义闵可夫斯基距离相似性度量算子，自动进行电极类别的划分，进而获取电极标准加工工艺模板。采用形状检索技术来进行电极数控加工工艺分类和检索，可避免人的主观性和片面性，计算速度快，并可获得较高的分类质量和准确的检索结果。
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一种基于多项式和Newton插值法的机械手轨迹规划方法

胡小平, 彭涛, 左富勇

2012, 23(24): 2946-2949.

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针对机械手多工位多节点的作业任务，提出了在关节空间中采用多项式插值和Newton插值相结合的轨迹规划方法。该方法在起始段和终止段采用五次多项式插值，中间段采用Newton插值。将该方法用于一类四自由度平面关节机械手的轨迹规划中，实验结果表明，在给定的6个路径点的轨迹规划中，利用该规划方法可以获得连续的轨迹，满足机械手多工位操作的需要。

切削奥氏体不锈钢0Cr18Ni9加工硬化的试验研究

王志光, 杨文玉, 闫琳

2012, 23(24): 2950-2955.

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针对难加工材料不锈钢0Cr18Ni9的特点，设计了合理的正交切削试验方案，从显微硬度与微观结构两方面研究加工硬化现象。借助维氏硬度计测量了车削加工后硬化层的硬度沿层深的分布，同时建立了利用硬度预测屈服强度的经验公式，再利用扫描电镜观察硬化层的微观结构。结果表明，硬化层的硬化程度在150%以上，切削影响层厚度在100μm以上，加工硬化现象严重，硬化层的屈服强度沿层深分布与硬度沿层深分布的趋势相同;金相观察发现，硬化层分为热力耦合影响层、力影响层，其中热力耦合影响层存在缺陷，很容易剥落。这些结果说明，车削表面在切削高温与力的作用下发生了很大的变化，采用合理的切削参数减小切削力、降低切削温度是减轻加工硬化程度的有效途径。
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机电集成超环面传动系统三重内共振

郝秀红, 许立忠

2012, 23(24): 2955-2961.

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机电集成超环面传动系统是集机、电、控制于一体的新型广义复合机电耦合系统。
针对派生系统多阶固有频率之间接近倍数关系时系统存在内共振现象的问题，建立了包含多重内共振的非线性振动微分方程组。采用多尺度法得到了系统自由振动时域响应曲线，研究了外加激励频率接近派生系统固有频率时的系统振动特性。研究结果表明：内共振的存在使得能量在各模态间相互传递，与不存在内共振的系统相比，各零部件的振幅瞬态衰减速度减缓;当外加激励频率接近派生系统固有频率时，系统各零部件的振动幅值较大，且存在振动中心的偏移。内共振使得系统非线性行为更加复杂，存在更多的共振区域，在系统参数设计时应避免存在内共振。
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基于宽容分层序列法的飞机装配公差稳健设计技术

谭昌柏, 袁军, 周来水

2012, 23(24): 2962-2967.

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飞机制造中由于工序能力指数和公差等设计变量存在变差,可能导致无法满足飞机装配质量要求以及制造成本波动较大的问题。运用稳健设计方法建立了飞机装配公差的可行稳健性和敏感稳健性两类设计模型。可行稳健设计考虑了公差等设计变量对装配可行性的影响，使其变差不影响装配功能的实现;敏感稳健性设计则考虑了公差等设计变量对制造成本和装配质量的影响，在目标成本较小的前提下使得目标成本和装配质量受设计变量变差的影响最小。提出了针对飞机装配公差可行敏感稳健设计的多目标优化问题的宽容分层序列求解算法。将公差设计中制造成本、装配质量波动、制造成本波动多个设计目标按照重要性依次排序。首先求解成本最小情况下的公差一般优化解，然后在成本最小值的宽容约束下，求得具有装配质量波动最小值的公差，最后在上述两个优化目标的宽容约束下，求得成本波动最小的最优公差。应用实例和分析结果表明了方法的有效性。
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基于表面贴合的不同视点传感器点云拼合方法研究

陈天凡1, 2, 高诚辉1, 何炳蔚1

2012, 23(24): 2968-2971.

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针对视觉传感器对物体表面点云数据采集的离散性，提出基于表面贴合的点云精确拼合方法。先对不同视点传感器获得的点云进行初始配准拼合,再以包容球方法选取点云重合表面区域的三处局部表面，用三维二次曲面方程拟合;旋转变换采用四元数法，经非线性最小二乘优化得到精确拼合的平移和旋转参数。该方法具有较快的收敛速度和较高的拼合精度,实例验证了所提方法的可行性。
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球面滚子的热弹流研究

孙浩洋1, 张艳平1, 华同曙2

2012, 23(24): 2972-2975.

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采用有限长弹流润滑模型分析研究了球面滚子的润滑问题。研究表明：当实际接触长度小于名义接触长度时，球面滚子的润滑具有点接触弹流特征;随椭圆比或载荷的增大，球面滚子的润滑状态由点接触润滑状态向线接触润滑状态转变，出现端部压力升高和端部膜厚减小的现象,并且边缘效应的出现总是与端部膜
形闭合效应的消失相对应,得出了设计此类接触副时应保证足够的名义接触长度的结论。
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自适应线调频基原子分解方法研究

吴雪明, 于德介, 陈向民

2012, 23(24): 2976-2983.

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提出了一种新的多分量非平稳信号分解方法——自适应线调频基原子分解方法。该方法能自适应地将一个复杂信号分解为若干个具有一定物理意义的PF分量,其中每个PF分量为一个包络信号和一个纯调频信号的乘积。与经验模式分解、局部均值分解和Wigner-Ville分布对仿真信号分析结果进行对比,结果表明,该方法具有良好的时频聚集性和较高的抗噪性能与分析精度，不存在二次型时频分布干扰，非常适用于非平稳振动信号的分解。对齿轮箱振动信号的分析结果验证了该方法在工程应用中的有效性。
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考虑位移约束的结构布局优化方法

易继军1, 2, 李艳梅3, 荣见华2, 曾韬1

2012, 23(24): 2984-2990.

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研究了一种同时考虑拓扑优化和尺寸优化的连续体结构优化方法。在提出的方法里，结合材料属性的有理近似模型，采用归一化处理方法将两类变量的组合优化问题转化成\[0，1\]区间的连续变量优化问题。基于对偶优化方法，提出了一套优化模型的求解算法。利用该方法能对拓扑设计空间进行调整，并调整尺寸变量。提出的方法具有较好的收敛性，能够获得具有较好0-1分布的拓扑结构。
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双电机驱动系统消隙特性研究

房立金, 孙龙飞

2012, 23(24): 2991-2996.

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针对双电机驱动系统动态消隙过程中的啮合状态及典型运行模式，建立了系统在满足分担载荷及实现消隙作用条件下的力矩关系。分析结果表明:当系统处于异侧齿面啮合状态时,电机需要同时提供拖动负载的驱动力矩以及消除间隙的补偿力矩;为使系统维持异侧齿面啮合的消隙状态，每台电机的输出力矩需为单电机系统电机力矩的1倍以上;系统所处的运行状态不同，所需的消隙补偿力矩也不相同;若要求系统同时实现分担负载及消除间隙的作用，需要对两台电机的输出力矩实施动态控制。
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整体硬质合金旋转刀具的激光字符标识技术研究

庞存辰, 徐锋, 左敦稳, 吴小军, 户海峰

2012, 23(24): 2997-3001.

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提出了一种在整体硬质合金旋转刀具表面采用激光直接标刻数字字符的标识方法,该方法具有标刻面积要求小、标识字符形象直观的特点。首先研究了激光对硬质合金材料的刻蚀规律,然后采用单因素试验得到了激光直接标刻数字字符的最佳工作电流、重复频率和标刻速度;针对激光标刻字符容易发生笔画粘连的问题,对数码管字体的部分笔画进行适当的加粗处理;在传统特征向量算法中引入突变位置和线宽的信息,提出了一种基于综合特征向量的模板匹配算法对改进数码管字体进行字符识别。
试验表明,该识别算法的识别准确率超过95%,可以满足企业在数控刀具全寿命周期管理中对刀具编码识别的要求。
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薄型流场对燃料电池性能影响的交流阻抗谱法研究

钱铮, 杨代军, 刘金玲, 史惟澄, 马建新

2012, 23(24): 3002-3006.

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利用交流阻抗测试法对采用薄型流场板的氢气/空气质子交换膜燃料电池单电池进行了表征。实验结果表明,阴极侧流场深度的减小对燃料电池性能的影响几乎可以忽略，而阳极侧流场深度对燃料电池性能的影响则相对较大。对具备不同形式与深度的阳极流场的单电池进行交流阻抗测试和分析,并辅以极化曲线测试,发现阳极侧流场深度从1.0mm的单路蛇形流场降低至0.4mm后,燃料电池在大电流密度下的性能受到影响;当电流密度大于1200mA/cm2时,电池的浓差极化进一步加剧，导致电池的最大输出功率略有下降。尽管如此，由于极板总体厚度的减小，电池的体积比功率密度仍得到很大程度的提高。
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基于Kriging近似模型的某轿车前悬架不确定性优化

李伟平, 张宝珍, 王磊, 谢锋

2012, 23(24): 3006-3012.

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针对前悬架确定性优化没有考虑参数不确定性时存在的问题，提出了一种考虑不确定性因素的前悬架不确定性优化方法。应用ADAMS/Car建立了某轿车麦弗逊式前悬架模型,在ADAMS/Insight中进行了悬架设计硬点参数的灵敏度分析，针对灵敏度较大的设计硬点参数和所考虑的不确定性量，建立了车轮定位参数在车轮跳动过程中的Kriging近似模型，简化了优化过程。针对该近似模型进行了动力学分析,运用经过改进的非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)和隔代遗传算法(IP-GA)进行了多目标不确定性优化求解。优化结果表明,该不确定性优化方法具有较高的有效性和精确性。与确定性优化结果的对比表明,不确定性优化具有更好的鲁棒性。
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基于H2/H∞控制的汽车主动悬架最优鲁棒容错控制

杨柳青1, 2, 陈无畏1, 汪洪波1

2012, 23(24): 3013-3019.

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为提高汽车主动悬架控制可靠性和控制效果，针对悬架参数摄动和作动器故障，提出一种基于H2/H∞的最优鲁棒容错控制方法。考虑作动器常见故障、悬架刚度与阻尼系数摄动，建立故障悬架模型。基于H2/H∞状态反馈控制,利用有界实引定理推导出悬架最优鲁棒容错控制器设计条件。运用LMI工具箱离线设计控制器，并在MATLAB/Simulink环境下进行大量仿真计算。结果表明,设计的最优鲁棒容错控制器能改善汽车主动悬架乘坐舒适性，亦能改善故障悬架乘坐舒适性,且在控制效果上均优于完好无故障状态下设计的控制器。

汽车动力学稳定性控制系统开发平台研究

皮大伟1, 游辉敏2, 张丙军3, 钟国华1, 3

2012, 23(24): 3020-3023.

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以硬件在环仿真和道路性能试验两个典型阶段为例,基于AUTOBOX组件设计了汽车动力学稳定性控制（VDSC）系统开发平台,
以TMS320F2812为核心,针对系统功能需求采用模块化方法设计VDSC系统的控制单元，
并依据VDSC系统的各个开发阶段的不同目标制定硬件配置方案。试验结果表明，基于所设计的开发平台能够很好地实现VDSC系统各开发阶段的不同目标。研究结果为VDSC系统研究提供了一种开放可行的开发方法。
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2012, 23(24): 3025.

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