中国机械工程

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2016, 27(15): 0.

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海上作业起重机主动升沉补偿系统的设计与分析

吴金波, 宋宇宸

2016, 27(15): 1989-1996.

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为补偿船用起重机在海上作业时的升沉运动，构造了基于二次调节静液传动技术的绞车液压驱动系统。首先，建立了升沉补偿系统的完整数学模型，提出了包含二次单元变量油缸位置环、二次单元马达速度环及二次单元马达位置环的三闭环控制结构。然后，给出了三闭环控制器的设计方法，为了得到起重机货物的位移，利用钢丝绳张力设计了状态观测器。最后，给出了一个设计实例，通过数字仿真从频域角度分析了升沉补偿系统的动态特性，为控制策略的研究打下基础。

旋转尺蠖压电电机驱动机构自由振动分析

邢继春, 张楠, 李冲

2016, 27(15): 1996-2002.

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提出了一种新型旋转尺蠖压电电机。考虑旋转尺蠖压电电机驱动机构为连续系统，建立了驱动机构动力学模型；利用该动力学模型求解了样机驱动机构的固有频率和模态函数。分析了系统参数对驱动机构固有频率的影响规律，为旋转尺蠖压电电机的设计打下了理论基础。

变位非正交面齿轮副小轮齿向修形轮齿接触分析

周镇宇, 唐进元, 丁撼

2016, 27(15): 2003-2009.

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建立了变位非正交面齿轮的加工坐标系和啮合坐标系，推导了变位小轮及变位非正交面齿轮的齿面方程，计算得到了面齿轮数值齿面，分析了变位对非正交面齿轮齿宽的影响。在变位的基础上研究了对小轮进行齿向鼓形修形，而面齿轮不修形的修形方式。分别对未变位、变位、变位加小轮齿向修形的三种非正交面齿轮传动形式进行考虑安装误差的轮齿接触分析。研究表明：随着变位系数增大，非正交面齿轮最小内半径、最大外半径及极限齿宽均减小；变位不影响非正交面齿轮副的接触规律；小轮齿向修形能降低接触轨迹对安装误差的敏感性，会引起幅值较小的直线型传动误差。

基于广义预测相邻耦合理论的多点顶推系统同步控制策略

黄康, 巩淼, 钟华勇, 王开来

2016, 27(15): 2009-2014.

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针对多点顶推系统的同步控制问题，提出了一种广义预测相邻耦合同步控制策略。根据多变量广义预测理论，建立了多缸电液伺服系统的CARIMA模型。结合相邻耦合控制理论，构造了同步误差观测器，预测了同步误差。对广义预测控制算法进行了改进，在性能指标中嵌入跟踪误差与同步误差及其差分量，确保同步误差与跟踪误差在全局范围内并渐进收敛于零。实验表明该策略较之主从式PID控制策略，具有更好的跟踪性能和同步性能。

挤压油膜阻尼器油膜阻尼系数识别及分析

周海仑, 冯国全, 张明, 艾延廷

2016, 27(15): 2015-2020.

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为了进行挤压油膜阻尼器油膜阻尼系数识别的实验研究，首先,利用信号发生器和功率放大器对双向激励实验器进行激振；然后，借助阻抗头获得激励和响应数据；最后，基于机械阻抗原理，通过最小二乘法拟合，得到挤压油膜阻尼器的油膜阻尼系数。通过改变油膜宽度和油膜间隙，研究不同挤压油膜阻尼器参数对油膜阻尼的影响。研究结果表明，随着油膜宽度的线性增大，油膜阻尼呈现非线性增大的趋势。可以通过增大油膜宽度和油膜阻尼，来提高阻尼器的减振性能。随着油膜间隙的线性增大，油膜阻尼呈现非线性减小的趋势，减振性能下降。

柔性臂杆、柔性关节空间机械臂TS模糊轨迹跟踪及双柔振动并行综合控制

洪昭斌, 陈力, 李文望

2016, 27(15): 2020-2026.

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针对存在参数不确定和外界干扰的柔性臂杆、柔性关节空间机械臂追踪期望运动的问题，设计了基于TS模糊模型的滑模鲁棒控制方案和双柔性振动并行控制方案。首先，设计了关节柔性补偿器以提高系统的等效关节刚度。其次，利用反馈线性化技术建立了系统追踪期望轨迹的误差动力学方程，通过对系统Lyapunov稳定性证明来选择滑模控制参数；简化并改进TS模糊推理规则，提出了模糊滑模鲁棒控制方法，可解决滑模控制的抖振问题并具有计算量少、控制力矩小的优点。再次，提出了柔性臂杆振动模态的直接反馈控制方案，解决了双柔性并行综合控制的问题。最后，运用逐步仿真的方法，对比仿真结果，证实了所设计轨迹跟踪、双柔性并行综合控制方案的有效性和稳定性。

基于改进模拟植物生长算法的多层可重构设施布局方法

丁祥海

2016, 27(15): 2027-2034.

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在对模拟植物生长算法进行改进的基础上，建立了一种多层可重构设施布局方法。该方法引入了空间填充曲线来表征布局方案，可以实现任意两个设施之间的互换，确保设施不被分割；考虑了柔性面积需求、设施形状约束系数、电梯能力约束等因素，使获得的方案更加接近实际情况；建立了以物流成本和重构成本为绩效评价目标的多层可重构设施布局模型；对模拟植物生长算法进行了改进，在此基础上设计了多层可重构设施布局寻优改善算法，该算法具有设置参数简单、全局寻优、搜索速度较快等特点。最后用算例说明了该方法的有效性。

基于物料运动特性的旋回破碎机生产率分析

李强, 巩亚东, 宋伟刚

2016, 27(15): 2034-2039.

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为研究旋回破碎机动锥低速运转状态下对散体物料的破碎性能并改善破碎腔型，结合物料在破碎腔内的运动和力学特性，提出了破碎机生产率计算方法。从分层破碎原理出发，基于破碎腔几何结构，研究物料在排料和挤压半周期的运动形式，并对运动轨迹进行绘制；再根据物料在阻塞层的上拱速度和排料速度对生产率进行求解，并以PXF6089旋回破碎机为算例，进行离散元方法和实际生产验证。仿真及物理实验证明该计算方法可行。

ARTIS刀具监控系统在航空结构件铣削加工中的应用

朱绍维, 李卫东, 汤立民, 杜丽

2016, 27(15): 2040-2043.

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针对ARTIS刀具监控系统在航空结构件数控铣削加工应用中存在的问题，分析了航空结构件典型特征铣削加工过程中ARTIS监控信号的变化规律，提出了一套减少监控误报警的应用方案。实际应用结果表明，按照该方案进行监控，误报率明显降低，从而提高了监控准确性。

全冠义齿网格过渡算法研究与应用

闫国栋, 贾丙辉, 林晓华, 贾文华, 柯广云

2016, 27(15): 2044-2047.

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针对全冠义齿数字化设计时外冠和内冠过渡融合的问题，提出了一种新的网格过渡算法。首先提取外冠和内冠网格边界进行桥接形成封闭孔洞；然后根据定义的三角片插入规则插入新的三角片填充孔洞，构造初始过渡网格；最后投影到由边界顶点插值得到的隐式曲面上，投影点构成新的过渡网格，将其与外冠和内冠拓扑合并形成完整的全冠义齿修复体。用过渡算法得到的网格面片分布均匀，三角片质量较好，而且过渡边界光顺自然，具有较好的连续性。

复合层次模糊熵及其在滚动轴承故障诊断中的应用

郑近德, 潘海洋, 戚晓利, 潘紫微

2016, 27(15): 2048-2055.

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针对样本熵和多尺度熵中相似性度量函数的突变问题，及它们在分析时间序列复杂性时捕捉不到高频组分信息的局限，提出了一种新的时间序列的复杂性度量方法——复合层次模糊熵(CHFE)。为了有效地提取滚动轴承早期故障特征，提出了一种基于CHFE、拉普拉斯分值和支持向量机的滚动轴承故障诊断方法。首先，提取振动信号的CHFE值；其次，采用拉普拉斯分值对特征向量进行降维优化；再次，建立基于支持向量机的多故障分类器，实现滚动轴承的故障诊断；最后，将该方法应用于实验数据分析，结果验证了方法的有效性。

一种聚类优化融合故障诊断方法及其应用

蒋玲莉, 莫志军, 陈安华, 李学军

2016, 27(15): 2055-2059.

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针对单一聚类诊断方法难以准确、全面识别不同故障状态的问题，提出了一种聚类优化融合故障诊断方法。分别利用社团聚类、K均值聚类及粒子群聚类三种方法对故障进行识别，得出三种聚类方法对应的故障识别准确率，在此基础上构建初始权值矩阵，并通过遗传算法对初始判断矩阵与三种聚类方法进行优化，得到最优权值矩阵与优化的聚类模型，用于融合诊断。轴承故障诊断实例结果表明，该聚类融合诊断方法能够有效提高故障识别准确率。

泵缸复合结构新型动态流量计

刘涛, 宋涛, 姚辉,

2016, 27(15): 2060-2063,2068.

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针对目前复杂类型的高频动态流量精确测量的难题，采用泵缸复合结构,设计了一种新型动、静态流量综合测量流量计。该流量计的无载液压缸部分动态性能好，负责高频流量成分的测量；计量泵部分可连续往复计量，负责低频稳态流量的计量。计量泵用伺服电机驱动，通过对计量泵的角速度控制，来使无载缸的平衡位置归零。通过对无载缸速度以及计量泵角速度的测量，可以综合得到被测复杂动态流量。在流量计三维设计的基础上，利用AMESim构建流量计物理模型，利用MATLAB完成流量计控制系统的模块化设计，然后进行联合仿真，对复合结构动态流量计的动态性能以及设计参数的合理性进行了验证。

基于均匀设计理论的非矩形试验区域恒加寿命试验优化设计方法

陈文华, 朱志鹏, 高亮, 潘骏, 孔祥泽

2016, 27(15): 2064-2068.

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针对基于Escobar和Meeker设计思想的非矩形试验区域最优试验方案设计，当边界较为复杂时失效概率最大点难以求得的问题，以正常应力下寿命估计值的渐近方差最小为目标，在非矩形区域内选择两个应力水平点分别作为最高和最低应力水平点，以最高、最低应力水平以及各试验样本分配比例为设计变量，提出了一种基于均匀设计理论的非矩形试验区域恒加寿命试验方案优化设计方法。模拟计算结果表明，与基于Escobar和Meeker设计思想的最优试验方案相比较，所提出的设计方法具有相同的估计精度，为非矩形试验区域加速寿命试验方案设计提供了一种简便的方法。

基于固体润滑剂与原位反应双机制自润滑陶瓷刀具

刘景文, 周后明, 周文, 邓建新, 张高峰, 周友行

2016, 27(15): 2069-2074.

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采用真空热压烧结工艺，以Al2O3/TiB2为基体、CaF2为添加剂制备了Al2O3/TiB2/CaF2(ABF)自润滑陶瓷刀具，并对其进行了摩擦磨损试验和淬硬钢干切削试验。在摩擦磨损试验过程中，测定了4种不同CaF2含量的ABF陶瓷材料样品。摩擦磨损试验结果表明，ABF材料的平均摩擦因数随着CaF2含量的增加而减小，这是因为固体润滑剂CaF2在磨损过程中生成的润滑膜起到了一定的减摩作用。将ABF刀具和普通陶瓷刀具(AG2)在120 m/min切削速度下对45淬硬钢进行干切削试验，切削试验结果表明，ABF前刀面的平均摩擦因数比AG2陶瓷刀具前刀面的平均摩擦因数要显著偏小，主要原因是ABF自润滑陶瓷刀具在高速切削时，固体润滑剂CaF2和自身TiB2的原位反应同时生成了润滑膜，这种双重机制下生成的润滑膜具有极佳的润滑性能，其润滑效果随温度和切削速度的增加而显著提高。

基于SAFT的单晶硅内部缺陷时域检测成像方法

乌伟, 邱宗明, 黄秋红

2016, 27(15): 2075-2079,2084.

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为了提高单晶硅内部缺陷的测量精确度和空间分辨率，针对单晶硅材料提出了合成孔径聚焦技术直接时域重建的方法，将多个A超扫描测量结果连续叠加，合并样本点的相位信息,根据TOF算法实现数据映射和同相求和。基于6 dB-drop的概念，提出了可描述缺陷边界特征的测量方法，进而推测缺陷的范围、位置、形状及特征，为单晶硅切片工序的计算提供更多信息。流时域重建方法可用于处理实验数据，进而描绘缺陷的特征，简单有效地提高空间分辨率。实验结果表明，该方法可清楚辨别出两个间隔小且直径为0.8mm的孔洞，且天然缺陷的尺寸和方位的量化非常接近于实际测量出的切割试样。

CuSnNiCr真空钎焊金刚石界面微结构分析

卢金斌, 贺亚勋, 张旺玺, 穆云超, 丁文锋, 钟素娟, 马佳

2016, 27(15): 2080-2084.

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为降低钎焊金刚石的热损伤和制造成本，采用CuSnNiCr单质金属粉作为钎料，对金刚石磨粒进行了钎焊实验。采用SEM、EDS及XRD对金刚石焊后界面微结构、钎料组织进行了分析。结果表明：适合钎焊金刚石的活性成分为Cu75Sn15Ni5Cr5，该钎料能与金刚石实现化学冶金结合，熔点适中，润湿性较好。金刚石焊后形貌完整，表面基本光滑，表面生成了连续片状（Cr，Fe）7C3。钎料凝固过程先结晶出αCu枝晶，经包晶转变和共析转变，形成了αCu枝晶、Cu5.6Sn和共析αCu，钎料的显微硬度大约为200～250HV0.2。

三辊非对称滚弯成形的数值仿真及试验验证

王艳, 胡捷飞, 许光辉, 李曙生, 熊巍

2016, 27(15): 2085-2090.

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基于有限元法对三辊非对称滚弯成形工艺进行了研究，对比分析了三辊非对称滚弯成形和三辊对称滚弯成形过程中，变形区应力场、板材上表面的塑形应变场及卷制力的变化规律。仿真结果表明：侧辊位移进给量相同的工况下，三辊非对称滚弯成形的卷制力大于三辊对称滚弯成形的卷制力；三辊非对称滚弯变形区的纵向应力和径向应力均大于三辊对称滚弯成形的纵向应力和径向应力；三辊非对称滚弯成形板材压弯段的成形质量高于三辊对称滚弯成形的成形质量。最后，经三辊非对称滚弯试验验证，有限元模型的成形误差为6.8%，有较高的精度。

基于VOF模型与动网格技术的油气悬架气液两相流数值模拟

张沙, 谷正气, 赵敬凯, 徐亚, 伍文广

2016, 27(15): 2091-2099,2016.

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针对某型大吨位矿用自卸车油气悬架为油气两相相互接触的特点，拟从多相流数值仿真的角度对其非线性刚度阻尼特性进行分析。首先，在探讨了现有多相流建模方法适用性、湍流模型适用性的基础上，结合VOF模型和动网格技术，在Fluent软件中建立悬架的气液两相流模型，并采用UDF方法对两相流模型的边界运动形式进行预定义。其次，模拟了悬架拉伸和压缩状态下的内部瞬态流场特性，得到不同时刻相应流道中的速度和压力云图，提取出气室内压力的变化以及悬架内因阀系结构而产生的压力差的变化，进而计算得到其刚度和阻尼特性曲线。再次，将所求力学特性曲线通过Spline函数导入ADAMS/View中，建立了某型矿用自卸车的多体动力学模型，开展了随机道路平顺性仿真分析，并借助实车道路振动测试验证了仿真结果的准确性。最后，通过两相流仿真分析了阻尼孔倒圆大小、开孔角度、不同单向阀开度对悬架阻尼特性的影响。

汽车换挡杆操纵力反馈舒适度测评方法

刘明周, 张淼, 扈静, 刘正琼, 陈子昂

2016, 27(15): 2100-2106.

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基于汽车换挡杆的操纵力反馈特性，提出主客观结合的换挡杆操控舒适性测评方法，以弥补主观评价的不足。分析汽车换挡杆操纵力反馈随操纵位移的变化特征以及驾驶者的个体差异，分别针对选挡、进挡和退挡过程提取相对力反馈极值和相对操纵刚度作为客观测评指标；利用粒子群优化算法(PSO)对前向反馈(BP)神经网络进行改进，从而建立面向换挡杆操纵力反馈舒适性的PSO-BP神经网络测评模型，用以表征客观指标集与主观评分之间的映射关系；最后，以普通轿车上应用较多的手动变速器为例，利用在操控试验中获取的48组样本数据对模型进行训练和检验。结果表明，应用该方法取得了较为准确、稳定的测评效果，能够为汽车变速器操控舒适性优化设计提供指导。

汽车排气系统悬挂点位置的优化改进

黄泽好, 郑风云, 姜广志, 袁光亮

2016, 27(15): 2107-2111.

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为了探究排气系统更优的挂钩位置，对简化模型进行数值分析及理论研究。首先，对挂钩位置的确定进行理论分析并以某乘用车排气系统为研究对象建立有限元模型；其次，分别用平均驱动自由度方法和改进方法确定挂钩位置；最后，将两种方法确定的挂钩位置分别进行动力响应分析并得出结论。改进方法的计算及建模过程耗时更少，工作效率更高；同时，确定的挂钩位置更准确，使得挂钩的力响应更小，传递到车身的振动和结构噪声更不明显。

车辆电动静液压作动器的半主动悬架时滞补偿控制

寇发荣, 范养强, 张传伟, 杜嘉峰, 王哲

2016, 27(15): 2111-2117.

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为了改善车辆行驶的平顺性和操纵稳定性，设计了一种基于电动静液压作动器（EHA）的车辆半主动悬架结构。进行了EHA作动器的性能试验分析，建立了EHA半主动悬架的键合图模型，计算了EHA半主动悬架系统的临界时滞，分析了时滞对EHA半主动悬架幅频特性和减振性能的影响，设计了Smith预估时滞补偿控制器，进行了EHA模糊控制半主动悬架的时滞补偿仿真分析。结果表明，EHA半主动悬架具有较好的阻尼可控性；然而随着时滞的增大，悬架系统会出现“轮跳”现象；在Smith时滞预估补偿控制下，EHA半主动悬架的簧载质量加速度减小约30%，轮胎动载荷减小约20%。

漂浮基空间机械臂动力学问题研究进展

谷勇霞, 张玉玲, 赵杰亮, 阎绍泽

2016, 27(15): 2118-2129.

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空间机械臂的载体处于自由漂浮状态，载体与机械臂之间存在运动学与动力学耦合行为，导致其运动学、动力学分析与控制比地面机械臂复杂得多，而建立精确的动力学模型和高效的控制策略是空间机械臂研究的重点与难点。对空间机械臂动力学建模方法及精细动力学建模进行了详细综述；总结了姿态调整运动规划、非完整路径规划及避奇异位形路径规划等运动规划方法；概述了空间机械臂捕获目标过程的碰撞动力学建模和控制策略研究。在此基础上指出了当前空间机械臂在动力学建模与控制方面存在的问题与不足，并对有待于进一步研究的若干问题进行了展望。

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2016, 27(15): 2130.

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