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2020年 第31卷 第05期    刊出日期：2020-03-10
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2020, 31(05):  0. 
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机械基础工程
考虑滚子位置变化的圆柱滚子轴承非线性刚度特性分析
刘光辉1;洪军1;孙岩辉1;吴文武2
2020, 31(05):  505-512. 
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以圆柱滚子轴承为研究对象，考虑轴承运转过程中滚子周向位置分布的周期性变化，对经典圆柱滚子轴承载荷分布理论进行改进，并对由此引起的轴承刚度时变特性进行分析，同时研究圆柱滚子轴承平均刚度及平均接触滚子数随径向力的非线性变化规律。为了对改进理论算法进行验证，采用有限元接触分析方法对圆柱滚子轴承刚度及滚子接触状态进行分析。研究结果表明，改进理论算法和有限元接触法均能准确预测轴承瞬时刚度的时变特性及平均刚度随径向力的非线性变化特性，同时证明轴承平均接触滚子数的改变是轴承刚度变化的根源。基于改进理论算法进而分析轴承初始径向游隙、径向力、滚子设计数量等关键参数对圆柱滚子轴承性能的定量影响规律。
垂直式超硬砂轮圆弧修整器设计与砂轮修整
李颂华1,2;韩涛1;王维东1;孙健1;韩光田1
2020, 31(05):  513-518,526. 
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针对圆弧形超硬砂轮修整难度大、修整精度低的问题，对树脂结合剂圆弧形金刚石砂轮进行了精密修整研究。设计制造了一种垂直式超硬砂轮圆弧修整器，通过修整试验研究了不同粒度的圆弧形砂轮在修整前后表面粗糙度、弧形精度、圆度、表面形貌的变化情况。砂轮修整前后对氮化硅陶瓷轴承套圈沟道进行了磨削，并测量了磨削后的轴承套圈沟形精度。研究结果表明：相比修整前，修整后砂轮表面粗糙度平均值由1.731 8 μm减小至0.772 4 μm，减小了55.4%；弧形精度平均值由33.604 7 μm减小至8.527 6 μm，减小了74.6%，修整后4个砂轮的弧形精度更加稳定，且随着砂轮粒度的减小，弧形精度略有减小趋势；砂轮圆度平均值由43.721 μm减小至18.002 μm，减小了58.8%，修整使大量新的磨粒露出。所设计的垂直式超硬砂轮圆弧形修整器可对圆弧砂轮进行精密修整，可改善圆弧形砂轮的弧形精度及圆度，修整后砂轮磨削的轴承套圈沟形精度得到了大幅提高。
机器人恒压球形公自转磨头抛光技术研究
黄智1;吴湘1,2;刘海涛2;万勇建2;郑晓2;陈祥1
2020, 31(05):  519-526. 
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采用工业机器人进行大口径光学元件的研抛过程中，机器人自身定位误差会导致研抛压力产生波动，进而影响去除函数稳定性，为此提出了一种机器人恒压球形公自转磨头抛光方法，并对其结构、工作原理、机器人定位特性以及研抛压力输出特性开展了研究。首先，基于Preston理论构建了材料去除模型，对去除函数形状进行了分析，对所设计抛光磨头的机械结构与工作原理进行了介绍。然后，对机器人定位误差以及磨头输出力响应性与稳定性进行了测量，验证了所提方法能够较好地适应机器人研抛压力波动而做出的力响应控制。最后，进行了定点抛光以及粗、精磨抛加工实验。实验结果表明：利用所提方法去除函数的稳定性强，通过10个周期的粗、精抛加工，面形收敛率分别为9095%、7261%，可获得较高的加工精度与面形质量。
半挂车紧急继动阀响应时间的计算方法
何仁;许畅
2020, 31(05):  527-534,542. 
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为确定半挂车紧急继动阀控制压力与响应时间之间的定量关系，并研究其结构参数对响应时间的影响，建立了紧急继动阀在不同制动阶段的AMESim仿真模型，分析了参数变化对制动响应时间的影响。根据理论推导,提出了一种紧急继动阀响应时间的计算方法。搭建了半挂车气制动试验台，基于LabVIEW 的数据采集系统对紧急继动阀的AMESim模型及计算方法进行了试验验证。研究结果表明：AMESim模型可较好地预测制动过程的压力变化；采用所提计算方法得到的计算值与试验值之间的相对误差不超过6.4%，验证了计算方法的可行性，且该计算方法可用于研究紧急继动阀内部结构参数对制动响应时间的影响以及后续半挂车制动系统响应时间的优化工作。
汽车独立悬架后桥悬置系统设计方法研究
刘晓昂1,2,3;焦湘和2,3;武一民1,2,3
2020, 31(05):  535-542. 
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基于汽车独立悬架后桥(ISRA)悬置系统6自由度振动分析模型，分别给出了其固有频率和能量分布的设计要求及其在零转动、静态转动和动态转动工况下的设计要求，并提出了ISRA悬置系统的优化设计方法。在绕扭矩轴的扭矩激励下，优化得到各悬置静刚度的设计值，分别计算了ISRA悬置系统的固有频率和能量分布，零转动工况下后桥质心、质心坐标系Ya轴上一点的位移及各悬置的垂向位移和垂向动反力，静态转动工况下后桥质心和扭矩轴上一点的位移。研究结果表明：利用所提方法设计的ISRA悬置系统可以满足设计要求，对后桥悬置系统设计具有参考作用。
汽车零部件疲劳分析载荷谱加速编辑法研究
董国疆1;韩杰1;颜峰1;郎玉玲2
2020, 31(05):  543-552. 
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以某试验场实车采集的轮心六分力信号和关键点监测信号为基础数据，分别采用伪损伤保留法、损伤保留法和峰谷值抽取法对实测信号加速编辑；从时间压缩比例、功率谱密度、统计参数、穿级计数和雨流计数等5个方面对加速谱进行了讨论分析；从疲劳仿真角度进一步探讨了不同加速编辑法分析零部件疲劳问题求解结果精度的差别，并对加速谱效率进行了评估。研究结果表明，3种加速编辑法分析得出的转向节疲劳寿命的相对误差差距较小，均在3.72%以内，但疲劳仿真效率较原始载荷谱有大幅提高。综合考虑多方面分析角度，损伤保留法可准确删除原始信号中的无损伤段，获取时间最短加速谱的同时功率谱密度吻合程度最好，分析零部件疲劳问题效率及分析结果的精度最高，损伤保留法相对伪损伤保留法和峰谷值抽取法更具优势。
功能性微结构可控参数建模技术研究
雷鹏福;戴宁;汪志鹏;陈为;黄仁凯
2020, 31(05):  553-560. 
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针对多孔结构功能一体化材料设计困难的问题，提出了一种由复合函数驱动的大规模微结构自动化建模技术。通过函数驱动生成三组平行于三轴方向的微结构基本单元，并借助集合论定义的交、并集操作对其进行组合，通过对生成的规则微结构进行仿射、弯曲算子操作，能使其获得一定的复杂曲面适形效果。对胞元节点处形成的自然圆角过渡进行了分析，相对于直接过渡、球体过渡这两种节点处理方式，自然圆角过渡的胞元力学性能分别提高了43.6%和27.9%。将3个变阶数圆形截面微结构填充于旋翼截面模型内部，通过计算3个变阶数旋翼模型在指定的10个采样点处的刚度值以得到模型的节点刚度曲线，研究结果表明：通过调控微结构的分布阶数可以改变模型的刚度分布。
ZNR2.4罗茨式机械增压器振动特性试验研究
刘厚根;范彩明
2020, 31(05):  561-566. 
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为研究ZNR2.4罗茨式机械增压器的振动特性，对样机进行了振动试验。运用LMS试验设备采集了不同压比、不同转速下ZNR2.4罗茨式机械增压器的振动信号；对各参数下均方值最大的信号进行了频谱分析；计算了气流脉动、回流均压振动及轴承、齿轮等的特征频率，并对转子进行了模态分析。研究结果表明：气流脉动与回流均压振动为主要振源；当转速为2 800 r/min时，齿轮的啮合频率与转轴基频的38倍频发生共振。最后针对各振源提出了减振降噪的方法，为设计和使用罗茨式机械增压器提供了一定的参考。
可持续制造
基于监测诊断的在役机床个性化再设计技术体系
杜彦斌1;曹华军2
2020, 31(05):  567-575. 
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在役机床再制造具有典型的个性化特征。在分析在役机床再制造个性化需求的基础上，提出了在役机床个性化再设计的概念，并分析了多重个性化内涵；从机床产品生命周期、机床整机及零部件性能演化与损伤等理论基础，运行状态数据采集与监测、数据存储与处理、状态诊断与决策分析、个性化再设计支持工具等支撑技术以及个性化匹配、可再制造性评价、质量提升再设计、智能化提升再设计、绿色化提升再设计等关键技术三个方面构建了基于监测诊断的在役机床个性化再设计技术体系；最后，结合某在役重型卧式车床再设计过程进行了案例分析。
分时电价下基于NSGA-Ⅱ的柔性作业车间绿色调度
刘彩洁;徐志涛;张钦;张力菠;姚坤
2020, 31(05):  576-585. 
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通过规划绿色生产调度实现了时间、经济和能耗三者的协同优化。以柔性作业车间为背景，结合分时电价政策，构建了设备不同工作状态下的设备能耗成本计算模型；同时兼顾碳排放与订单交付等绿色生产车间管理要求，建立了包括最小化碳排放、能耗成本和最大完工时间在内的柔性作业车间绿色调度多目标优化模型；为避免算法过早陷入“早熟”并保持种群多样性，采用基于动态控制参数和改进精英保留策略的快速非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)进行求解；最后，通过具体算例验证了所建立模型的可行性与改进算法的优越性。
压铸单元能效在线监测方法及监测系统
鄢佳豪;曹华军;陈二恒;宋丹丹;朱林全
2020, 31(05):  586-594. 
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针对压铸单元能效复杂多变、难以实时有效监测的难题，通过对压铸单元能耗的构成进行分析建立了在线监测指标体系，提出了基于功率信息进行数据分析的在线监测方法。该方法通过小波变换对实时测量的压铸单元功率信息进行分析，利用极值查找法在线识别了设备的运行状态和加工件数，从而获得压铸单元的能效信息。基于C#语言开发了压铸单元能效在线监测系统。通过实验验证了所提方法和监测系统的有效性和实用性。
增材制造
大倾斜角薄壁结构激光近净成形实验研究
余超1;苗秋玉1;石龙飞1;马广义1;吴东江1;邓德伟2
2020, 31(05):  595-602. 
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针对复杂装备零件的快速成形及修复问题，提出了一种在激光束与垂直方向之间设置预设夹角的方法，开展了不同预设夹角下无支撑倾斜薄壁结构的成形实验，研究了倾斜薄壁结构的大角度成形机理，给出了预设夹角范围的选择依据，以实现无支撑大倾斜角薄壁结构的成形。研究结果表明：成形过程中无支撑熔融粉末发生坍塌是导致最终成形结构形貌及角度成形精度不高的主要原因；当设定的预设夹角使得激光束与倾斜薄壁结构之间的夹角小于30°时，成形得到的无支撑倾斜薄壁结构形貌良好且实际倾斜角度与设计角度较吻合。给定工艺条件下，采用预设夹角的方式，最终成形得到了倾斜角度约为60°的倾斜薄壁结构，突破了激光近净成形方法成形无支撑倾斜薄壁结构的倾斜极限，成功获得了三元叶片样件。
面向软体机器人的3D打印硅胶软材料实验研究
陈尤旭1,2;王德山1;张伟1,2;金国庆1,2
2020, 31(05):  603-609,629. 
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基于自主搭建的直接喷墨打印式打印平台，以DC737硅胶为打印材料，分析了挤出系统的力学模型，以确定工艺参数的类型；采用单因素试验确定了适合打印的层厚、打印速度和驱动压力的参数范围；采用正交试验研究了各工艺参数对打印时间、尺寸误差的影响规律，并成功应用到软体机器人的本体打印上。研究结果表明：在一定范围内，打印速度对打印时间的影响最为显著，而对尺寸误差影响最大的是驱动压力，最优工艺参数为层厚0.4 mm、打印速度15 mm/s、驱动压力124 110 Pa(18 psi)。使用最优参数组合打印出了软体毛毛虫，并进行了动态性能实验，验证了高效、高精度3D打印软体机器人的可行性。
先进材料加工工程
2198-T3S铝锂合金组合工艺搅拌摩擦焊接头组织性能分析
贺地求1;王东曜2;胡雷2;王海军2
2020, 31(05):  610-615. 
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为探究搅拌摩擦焊（FSW）焊接铝锂合金板材的最佳工艺参数，采用圆柱形螺纹搅拌头，焊前对板材背面开槽，在保持焊接速度不变的情况下对2198-T3S铝锂合金板材进行不同转速下的焊接组合工艺实验，焊后对接头进行了微观组织分析与力学性能测试。研究结果表明：采用组合工艺后焊缝的根部未出现弱连接缺陷；随着转速的提高，焊缝内部的缺陷消失，焊核区的晶粒呈粗大化趋势，第二相回溶，使焊缝的力学性能呈现“先升后降”的趋势。在最优组合参数下接头的抗拉强度和屈服强度分别为359 MPa（母材的81.5%）和248 MPa（母材的77.5%）。同时，转速的提高使焊缝的断裂方式发生了改变，由脆性-韧性混合断裂向韧性断裂转变。
无缝钢管疲劳断裂分离新工艺及实验研究
赵仁峰1;郑建明1;郭磊1;王占军1;刘彦伟1;赵升吨2
2020, 31(05):  616-622. 
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针对传统的金属管材分离技术存在生产效率低、能耗高以及浪费原材料等问题，采用了一种新的管材分离方法，利用偏心加载工艺和应力集中效应促使管材表面环状V形槽底尖端处快速萌生疲劳裂纹并控制疲劳裂纹的稳定扩展。描述了管材的偏心循环加载疲劳断裂分离装置的工作原理，推导出了疲劳加载下管材V形槽根部裂纹是否起裂的判断公式。设计了线性递减、多层阶梯递减、1/4凸弧递减和1/4凹弧递减四种实验控制曲线，针对304不锈钢管材进行实验研究，实现了管材的精密分离。实验结果表明，利用V形槽的应力集中效应，在偏心加载力的持续作用下，加载频率采用多层阶梯递减控制曲线由高到低地逐渐降低加载频率，能够保证管材V形槽根部裂纹的快速萌生和稳定扩展，并可实现管材快速断裂，获得良好的断面质量。
表面形态对铝合金表面注射结合性能的影响
徐振宇1,2;徐东厚1;毛剑1;宫宁宁1;李熹平1
2020, 31(05):  623-629. 
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通过对铝合金表面进行阳极氧化和偶联剂处理，提出了一种注塑工艺直接成形铝合金聚酰胺复合构件的方法。利用激光共焦扫描显微镜和傅里叶红外(FTIR)光谱仪对经处理过的铝合金表面结构和成分进行了分析，结果表明：铝合金表面粗糙度和偶联剂固化时形成的Si—O—Al、C—N等化学键对界面结合力有重要影响。讨论了阳极氧化工艺参数和偶联剂固化条件对铝合金表面形貌、成分和注塑复合构件力学性能的影响规律，借助扫描电子显微镜(SEM)分析了复合构件拉伸剪切的破坏机理。
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2020, 31(05):  630. 
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