中国机械工程

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2016, 27(10): 0.

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超音速火焰喷涂WC-17Co涂层的高速磨削机理试验研究

郭力, 江志顺, 尚振涛

2016, 27(10): 1279-1286.

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针对超音速火焰喷涂WC-17Co高硬涂层的加工难题，对WC-17Co涂层进行了高速/超高速磨削试验。通过考察不同金刚石砂轮和磨削工艺参数对磨削力、磨削温度和表面残余应力、表面/亚表面微观形貌和表面粗糙度的影响，讨论了最大未变形切屑厚度与比磨削能的内在关系，分析了磨削温度对表面残余应力的作用规律，探讨了法向磨削力对涂层亚表面损伤的作用规律。结果表明：WC-17Co涂层磨削去除是脆性和延性去除并存；提高砂轮线速度将使磨削力先快速减小后缓慢增大，磨削温度持续升高，涂层磨削从脆性去除转为延性去除的趋势也逐渐增强，表面残余应力由压应力逐渐转变为拉应力，而磨削高温引起涂层热塑性变形是表面残余应力状态转变的根本原因。涂层亚表面磨削损伤层平均深度随法向磨削力的增大而变大。提高砂轮线速度、降低工作台速度和减小磨削深度均能增大涂层磨削塑性去除的比例。

单级放大机电集成压电谐波电机设计与仿真分析

高立超, 许立忠, 李冲

2016, 27(10): 1287-1293.

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设计了一种单级放大机电集成压电谐波电机，阐述了该种电机的工作原理，给出了其设计方法、连续传动条件及参数选择原则。针对电机中容易发生失效的区域，推导了最大应力公式，通过有限元仿真对比验证了理论公式的正确性。分析了电机的固有频率和振型以及电机在简谐激励下的位移和应力响应。结果表明：电机理论最大应力为45.54MPa，与仿真最大应力相差4.04%；激励作用下，活齿振动位移最大，活齿架应力集中最严重。

切入式外圆磨削接触刚度与固有频率研究

迟玉伦, 李郝林

2016, 27(10): 1294-1298,1326.

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基于外圆切入磨削系统动力学简化模型，对磨削材料去除率模型的时间常数进行研究，提出了切入式外圆磨削接触刚度的有效测量方法，并建立了磨削接触刚度与系统固有频率的关系模型。通过大量磨削实验，验证了不同磨削工艺参数与接触刚度、系统固有频率及颤振频率的变化规律。研究结果为后续避免或抑制磨削颤振以及磨削工艺参数优化研究提供了实验基础和理论依据。

双向气动快速开关阀动态特性分析

王成刚, 何凡, 刘俊, 晏芙蓉

2016, 27(10): 1299-1303.

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基于ADAMS对双向气动快速开关阀启闭过程进行动力学仿真，同时使用AMESim模拟气动缓冲装置的最佳安装位置，设计出以自主研发的双向冲击气缸为动力的双向快速开关阀。分析结果表明，在0.7MPa气源压力下，双向气动快速开关阀开启、关闭时间一致，均为0.038s；将气动缓冲装置安装在活塞杆前端距动力转换装置初始点20.5mm处可有效避免因冲击过快导致的阀板撞击阀座而引起的部件破坏；阀轴在开关启闭过程中转速过快，轴向存在位移，设计阀门时需注意这一点。研究结果为易燃易爆介质场合使用的垂直板式蝶阀的设计提供了参考。

非定常气动重锤震源系统的动态特性研究

蒋发光, 刘晓宁, 李进付, 梁政,

2016, 27(10): 1303-1307.

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基于气体动力学理论，采用连续过程离散化方法，建立了气动系统动态数值模型，得到了冲击时刻冲击锤的速度，提出了基于动态过程研究的冲击能量计算方法。分别研究了气管管径、冲击锤行程与冲击能量的关系。研究结果表明，冲击能量随管径的增大先增大后减小，随冲击锤行程的增大线性增大。该方法可为计算重锤震源冲击能量、优选气管管径、确定冲击锤行程提供参考。

基于音圈电机作动器的主轴振动LQG控制研究

史中权, , 叶文华

2016, 27(10): 1308-1314.

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为克服被动动力吸振器偏离最优状态时抑振效果严重降低的不足，针对动刚度较低的铣削加工机床的主轴振动控制，设计了一种混合动力吸振器的主动振动控制系统。该吸振器以音圈电机为作动器，以位移和速度作为状态反馈信号，直接对铣削刀具施加控制力，从而达到抑制主轴振动的目的。在分析音圈电机驱动特性的基础上，建立了两自由度的铣刀与主轴振动力学模型，推导出系统的状态方程，并采用线性二次高斯控制（LQG）最优控制方法对振动控制模型进行了仿真，最后在实际的数控雕铣机床上进行了相关的铣削主轴振动控制实验。结果表明，该方法能有效降低主轴切削振动，基于振动位移反馈的抑振效果优于基于振动速度反馈的抑振效果，但基于振动速度反馈能更有效地抑制高频的共振峰值，实际系统应根据振动反馈信号实时调整主动控制参数。

基于时间序列差分特性的LMD端点效应处理方法

杜冬梅, 张昭, 何青, 李红

2016, 27(10): 1314-1319.

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局部均值分解方法在计算过程中会使信号在端部产生端点效应，为减弱LMD中存在的端点效应，提出了一种基于信号时间序列差分特性的端点延拓方法。将信号曲线看作一段离散函数，利用该函数段末端的一阶差分和二阶差分的符号判断曲线的特征和发展趋势，根据具体情况判定所延拓极值点的值。使用该方法对仿真信号和实验轴承外圈故障和内圈故障信号进行了分解，并将其结果与镜像延拓改进的LMD方法分解的结果进行了对比。该方法在分解中的良好表现验证了其在信号分析中的有效性。

基于全生命周期的数控机床轴承数据模型研究

杨晓英, 徐严冬, 隋新, 马伟

2016, 27(10): 1320-1326.

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针对数控机床轴承的全生命周期数据管理缺少统一模型的问题，分析了数控机床轴承全生命周期数据关系和集成管理需求，建立了全生命周期数据管理模式；应用多维度建模方法，从数据属性、数据结构、组织约束和操作机制等方面构建了轴承集成设计、制造和运行维护三个阶段的多维度数据模型，并结合实例应用，设计了数控机床轴承全生命数据管理系统，实现了预期效果，为实现数控机床轴承全生命周期数据集成管理系统研发奠定了理论基础。

求解物流Web服务组合问题的两阶段多目标蚁群算法

方清华, 倪丽萍, 李一鸣

2016, 27(10): 1327-1336.

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针对基于QoS的物流Web服务组合优化问题，提出了两阶段多目标蚁群优化(TMACO)算法。首先，针对原始数据集中存在被支配候选服务而增加算法求解时间的问题，提出了基于Pareto支配的预优化策略；其次，针对属性权重难以确定的问题，提出了不依赖权重的信息素更新策略和启发信息策略；最后，针对基础蚁群算法容易陷入局部最优的问题，提出了懒蚂蚁策略。实验结果表明，TMACO算法具有良好性能，相对于基础蚁群算法、利用解与理想解距离来更新信息素的改进蚁群算法、遗传算法以及用支配程度作为解的个体评价的改进遗传算法，TMACO算法有更高的寻优能力，能够找到更多更优的非劣解。

基于维修时间窗的柔性作业车间调度优化研究

朱传军 , 宋文家, 张超勇, 曹静 , 朱孟周

2016, 27(10): 1337-1343.

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针对柔性作业车间调度和预防性维护的单目标集成优化问题，以最大完工时间为优化指标，建立了基于维修时间窗的集成优化模型，设计了混合“教与学”优化（HTLBO）算法求解该模型。提出一种“基于工序加工时间最短”的机器序列初始化策略，对部分初始种群进行初始优化，以提高部分初始解的质量，使得算法能够以较短的时间收敛。对文献中柔性作业车间调度的基准问题进行求解并比较其计算结果，初步证明该混合算法的可行性；针对集成维修时间窗的柔性作业车间调度优化模型，借鉴文献中的数据生成实例进行求解，并与其他算法进行比较，证明该混合算法的有效性。

基于功能截面分解的大型横梁拓扑优化

吴凤和, 史红亮, 许晓鹏, 范俊伟

2016, 27(10): 1344-1352.

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针对复杂载荷工况下横梁等大型三维结构件拓扑优化结果可读性差、无法对结构优化提供有效指导的问题，提出基于功能截面分解的拓扑优化方法。基于力的分解与等效原理，将三维实体分解为三个平面内的二维功能截面，根据各功能截面的受力方式确定其抗弯或抗扭属性；在此基础上，分别对两个主要承载的功能截面进行二维拓扑优化分析，并综合二维功能截面分析结果完成三维实体的整体拓扑优化，实现了将三维实体拓扑优化问题转化为二维功能截面的拓扑优化问题。以CXK5463车铣加工中心横梁为例，对结构拓扑优化效果进行了验证，仿真实验结果表明，功能截面分解方法可以得到清晰的应力传递路径，在保证横梁静动态特性基本稳定的基础上，横梁减重12.67%，优化效果较为明显。提出的方法可为大型、重型复杂结构件的拓扑优化研究提供借鉴与参考。

平底立铣刀在多刃切削时的切削力变化规律研究

刘璨, 吴敬权, 刘焕牢, 谭光宇

2016, 27(10): 1352-1357.

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为揭示平底立铣刀在多刃铣削时的切削力变化规律，理论推导了多刃切削的水平方向公称切削力的数学表达式，发现这些公称切削力是旋转角的简谐函数，其常数项与同时参与切削的刃数成正比。将切削力表达式的系数做归一化处理，采用仿真方法，得到各常用齿数平底立铣刀在单刃、多刃连续切削时的公称切削力量纲一均值和刀齿频率幅值，结果表明：切削宽度方向的公称切削力均值在多刃切削时显著增大，而其刀齿频率幅值在多刃切削时有时增大，有时减小。开展了4齿平底立铣刀的切削测力试验，试验结果与理论推导和仿真结果相符。研究结果表明：与单刃连续切削相比，多刃切削的切削宽度方向的静态切削力显著增大；多刃切削在水平方向存在着更平稳和更不平稳两种可能；偶数齿铣刀的多刃切削最平稳。研究结论可为铣削加工中优选浸入角参数提供参考。

薄板结构低噪声仿生拓扑优化方法

滕晓艳, 江旭东, 史冬岩

2016, 27(10): 1358-1364.

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针对薄板结构的低噪声设计问题，以结构声辐射功率最小化为优化目标，借鉴植物脉序分枝结构的构型特征，提出了薄板结构加强筋布局的仿生拓扑优化方法。以结构应变能最小和释放局部最大剪应力作为加强筋主脉和次脉的生长准则，以广义Murray准则作为加强筋脉序的分歧准则，构造了具有脉序分级特征的加强筋自适应生长算法。以固支薄板结构的横向弯曲振动及声辐射问题为典型算例，对比分析了仿脉序分布加筋板结构的声辐射功率和振动功率流的分布特性。数值结果表明，与相同体积约束下的正交加筋布局方式相比，仿脉序分布加筋方法使薄板结构具有更优的声振特性，进而验证了薄板结构加强筋仿生布局降噪方法的有效性与可靠性。

基于电场和流场耦合的微坑电解加工数值研究

何亚峰, , 卢文壮, 干为民, 尹飞鸿, 吴小锋

2016, 27(10): 1365-1370.

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表面织构技术能够有效降低摩擦副表面摩擦和磨损。以方形微坑电解加工为对象，充分考虑加工中电场与流场相互关系建立了耦合场理论模型，采用数值计算方法得到了耦合场电势分布、电流密度分布和体积分数分布等，探讨了入口压力与出口最大氢气体积分数的影响关系，研究结果可为方形微坑电解加工提供一定的参考。最后开展了方形微坑电解加工实验，得到了方形微坑实验件。

自遮挡物体线激光测量视点规划

陈天凡, 高诚辉, 何炳蔚

2016, 27(10): 1370-1376.

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针对未知自遮挡物体的测量和三维重建问题，提出利用Kinect Fusion技术快速重建和线激光精密测量相结合的视点规划新方法。应用Kinect Fusion技术快速获取未知自遮挡物体表面的深度信息模型，研究提出轮廓表面的截面特征信息提取方法，在此基础上分析轮廓表面的截面形状特征，根据五自由度线激光测量系统的左右方向和上下方向测量可视性判断，在最佳测量范围内进行线激光测量全局视点规划，准确、快速消除自遮挡和点云孔洞，最后获得重建精度高的三维物体表面。经过自遮挡物体重建实验，验证了所提方法的可行性及有效性。

新型完全各向同性3T并联机构及其特性分析

曹浩峰, 曹毅, , 秦友蕾, 丁锐

2016, 27(10): 1377-1381.

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针对并联机构耦合带来运动学分析与控制困难的问题，提出了一种新型完全各向同性的三维移动并联机构，该并联机构动平台和静平台之间由3条支链连接，3条支链的第一个移动副在空间中呈正交分布，使得该机构的动平台具有3个移动自由度，且输入输出一一对应。这种机构最突出的优点是运动副简单，三维移动解耦，运动学分析简单，便于该机构运动控制设计。采用螺旋理论分析了该机构的自由度及性质，确定了机构的主动副，给出了机构的位置和速度正反解，分析了机构工作空间及运动性能。根据机构输入输出关系，求得机构雅可比矩阵，验证了机构具有完全各向同性。研究结果对该机构的进一步应用具有理论指导意义。

一种摆线针轮传动多齿啮合接触特性分析方法

许立新, 杨玉虎

2016, 27(10): 1382-1388.

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为有效地揭示齿廓修形、弹性接触及负载变化对摆线针轮传动多齿啮合接触动态特性的影响规律，基于多体动力学和弹性接触理论提出了一种可精确预估摆线针齿动态啮合对数、确定接触点位置并获取接触载荷的动力学分析方法。首先，建立了摆线针轮系统刚体多体动力学模型；其次，在数值计算的任一时刻，循环判断摆线齿廓的离散点与各个针齿之间是否满足接触条件，确定最大接触深度并计算法向接触载荷；最后，将摆线针齿接触载荷等效为系统广义力，建立了含多齿啮合接触关系的摆线针轮传动系统动力学方程。在此基础上，以某一针摆传动系统为算例，分析齿廓修形、弹性接触及负载变化对摆线针轮传动多齿啮合接触动态特性的影响。研究结果表明，摆线针轮传动的实际传力针齿数由齿廓修形和负载特性决定。该方法对于具有不同传动比的摆线针轮传动系统，均能高效准确地完成齿廓修形和负载变化条件下的传力针齿数预估和接触载荷计算。

铝合金型材融合口材料疲劳极限测定

白鑫, 谢里阳, 佟安时, 李铭, 谭秀峰

2016, 27(10): 1388-1392.

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为了测试口形铝合金型材融合口处材料的疲劳极限，针对型材尺寸、形状和融合口位置的特殊性——不能设计成符合现有规范的标准疲劳试样形状，设计了L形缺口试样及其疲劳试验夹具。通过有限元模拟试验载荷、仿真试样应力分布，应用数值回归的方法求解出最大应力值，确立了试验载荷与L形缺口试样疲劳应力之间的函数关系。利用设计的试样和夹具进行升降法试验，测得了一种口形铝合金型材融合口处材料的疲劳极限，并对试样进行了断口分析。

一种基于熵增理论的疲劳-蠕变交互作用损伤模型及试验验证

陈凌, 张贤明, 刘飞, 欧阳平, 刘先斌

2016, 27(10): 1393-1398.

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根据经典热力学理论，材料疲劳-蠕变交互作用下的损伤过程可视为系统熵增的累积，当熵增积累到临界值时，材料发生失效断裂。按此理论，并基于连续损伤力学和能量守恒定律，以系统熵增的变化来描述材料损伤，建立了一种疲劳-蠕变交互作用的损伤模型。为验证该模型，进行了540℃和520℃环境下1.25Cr-0.5Mo钢应力控制的梯形波加载试验，以材料的残余应变反映熵增积累，选取残余应变的变化作为损伤变量，用上述损伤模型进行了材料疲劳-蠕变交互作用的损伤演化描述，结果表明实测损伤点数据与该模型的损伤演化规律符合较好。

弧比变化对电火花沉积Ni201修复层界面行为的影响

赵运才, 刘宗阳, 杨雷雷

2016, 27(10): 1399-1403.

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再制造修复设备工艺参数选择是决定修复层质量的关键因素。利用电火花沉积技术，在Q235钢表面制备Ni201修复改性层，对比分析弧比取不同值时对修复层质量的影响，并利用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射(XRD)等检测方法，研究了修复层与基体结合界面的微观结构、元素分布及相组成。结果表明：弧比取值在35%～45%之间时，修复层组织均匀致密，基体元素与修复层元素相互扩散形成冶金结合，修复层主要由Fe19Ni、Co3Fe7、Fe0.9Si0.1和C0.055Fe1.945相组成。

基于力矩反馈-位置差型线控液压转向系统控制

刁秀永, 鲁植雄, 姜春霞, 钟文军, 张培友

2016, 27(10): 1404-1407,1419.

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针对轮式农业机械的线控液压转向系统的控制包括转向轮转角控制与路感模拟控制两部分，系统控制的协调性非常重要。分析了两部分控制间的耦合关系以及双向控制理论；提出一种融合位置与力矩信息的力矩反馈-位置差型控制方法，根据转向轮的目标转角（转向轮的目标转角由转向盘转角与角传动比理论计算得到）与转向轮实际转角的差值控制路感电机，同时根据驾驶员的作用力矩控制电液比例伺服以驱动转向，并完成了台架试验。结果表明：转向盘在不同初始角度下的回正时间约为0.5s，转向阶跃响应稳态误差为0.231°，响应时间为2.265s，正弦跟随误差不大于1.401°，随机输入下的跟随误差不大于4.492°，但在转向盘转向改变时，误差达12.376°，持续时间约0.15s。

机械弹性车轮径向刚度和阻尼模型的分析

王强, 赵又群, 杜现斌, 付宏勋

2016, 27(10): 1408-1413.

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针对新型机械弹性车轮刚度特性，利用曲梁理论建立了弹性基础封闭圆环曲梁模型，对车轮刚度与輮轮抗弯刚度、铰链组弹性基础刚度及激振频率之间的关系进行了分析。结合车轮静态和动态试验分析结果，验证了根据曲梁理论所建模型的正确性，并分析了车轮刚度与车轮变形量、变形速率及激振频率之间的解析关系。根据分析结果建立了车轮刚度和阻尼的非线性解析模型，该模型反映了车轮变形量和激振频率对车轮刚度的影响，以及车轮变形速率和激振频率对车轮阻尼的影响，从而为车轮结构振动的进一步研究提供指导。

基于动态滑模算法的AMT选换挡电机控制

何雄, 张农, 孔国玲

2016, 27(10): 1414-1419.

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针对电动机械式自动变速器换挡时间较长的特点，对电动AMT选换挡电机进行分析和建模；基于动态滑模理论，提出了一种换挡电机动态滑模控制方法，并将它应用于电动AMT汽车选换挡执行机构的位置跟踪控制。仿真与试验结果都表明，与常规的PID控制器和滑模控制器相比，动态滑模控制器响应速度快、鲁棒性好、跟踪精度高，能有效地改善AMT的换挡品质。

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2016, 27(10): 1420.

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