当期目录

    2020年 第31卷 第20期    刊出日期:2020-10-25
    版权页和目次
    2020, 31(20):  0. 
    摘要 ( )   PDF (368KB) ( )  
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    机械基础工程
    基于商用现货的高分辨卫星微振动抑制系统设计
    郭金生1;王峰1;岳程斐2
    2020, 31(20):  2395-2042,2411.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.20.001
    摘要 ( )   PDF (19408KB) ( )  
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    提出了通过合理选取和改进商用现货(COTS)的振动参数对振动部件安装位置进行优化的方法,以解决带有高分辨率光学载荷的小卫星微振动抑制问题。与其他隔振系统设计方法不同,所提方法不需对振动机理建模,而是直接通过振动部件微振动特性分析,选取合适的COTS隔振产品并对参数进行微调;利用Newmark法对蜂窝夹层结构进行动力学响应分析,得到了振动部件的合理安装位置,取得了较好的隔振效果。仿真、振动实验和飞行数据表明,振动部件在敏感频段的微振动抑制率达到90%,整星地面测量微振动引起的次镜角位移不超过0.04″,卫星在轨微振动环境能够满足相机使用要求。所提出的微振动抑制系统设计方法为后续工程实践提供了参考。
    考虑拓扑相关热载荷的散热结构多相材料拓扑优化设计
    赵清海1,2;张洪信2;蒋荣超2;华青松1,2;袁林2
    2020, 31(20):  2403-2411.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.20.002
    摘要 ( )   PDF (5969KB) ( )  
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    针对热传导拓扑优化设计过程中拓扑相关热载荷问题,以结构散热弱度为目标函数,体积分数为约束条件,构建了多相材料散热结构拓扑优化数学模型。采用一种基于变密度理论的有序固体各向同性微结构材料惩罚模型法构建多相材料插值模型,分别进行拓扑相关热载荷与拓扑独立热载荷作用下的灵敏度分析,借助优化准则法推导设计变量的迭代格式,引入偏微分方程过滤方法抑制优化过程中出现的数值不稳定现象。通过2D与3D数值模型计算,获得考虑拓扑相关热载荷、拓扑独立热载荷以及耦合拓扑独立/相关热载荷在不同边界条件下对拓扑优化结果的影响规律。结果证明了所提方法在解决拓扑相关热载荷作用下散热结构多相材料拓扑优化设计问题方面的有效性与可行性。
    全局力平衡PDC钻头布齿优化设计
    马亚超;张鹏;黄志强;邓嵘;喻洪梅
    2020, 31(20):  2412-2419,2428.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.20.003
    摘要 ( )   PDF (2025KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    针对聚晶金刚石复合片(PDC)钻头在钻井破岩过程中因受力不平衡,导致钻井倾斜、井径扩大、钻头产生横向振动和涡动,造成钻头早期失效的问题,基于已有PDC钻头切削力学知识,构建了PDC钻头弯曲力矩及全局力平衡布齿优化设计模型,并提出模型求解方法。布齿设计实例结果表明,采用全局力平衡布齿设计方法得到的布齿结构可使PDC钻头在不同进尺条件下均能保持全局力平衡状态,尤其低进尺(小于1 mm)时的力平衡状态得到极大改善,提高了PDC钻头的钻井稳定性,对于改善钻头受力、提升钻头使用寿命、提高钻井质量与效率具有重要意义。
    基于改进奇异值分解滤波和谱峭度的滚动轴承故障诊断
    孟宗;刘子涵;吕蒙
    2020, 31(20):  2420-2428.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.20.004
    摘要 ( )   PDF (9290KB) ( )  
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    针对含噪信号的有效奇异值个数难以确定的问题,提出了一种改进的奇异值分解降噪方法——奇异值累积法。该方法通过计算奇异值的实际下降值与奇异值平均下降速度累积量的差值,并取该差值最大值点的位置作为有效奇异值的分界点来确定有效奇异值的个数。在此基础上,提出了一种基于奇异值累积法与快速谱峭度的滚动轴承故障诊断方法。采用奇异值累积法对原信号进行降噪处理,然后利用快速谱峭度确定滤波器中心频率及带宽,通过分析频段包络谱中明显的频率成分来诊断故障。该方法可以有效去除信号中的噪声,使得到的峭度值所反映的故障冲击更接近实际情况。对含内圈、外圈故障的滚动轴承实验数据进行分析,实验结果表明,相比快速谱峭度的故障诊断方法,该方法具有更好的故障识别效果。
    超精密气体静压系统节流器法向随机微振动研究
    沈小燕;丁佳为;禹静;李东升
    2020, 31(20):  2429-2436.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.20.005
    摘要 ( )   PDF (9973KB) ( )  
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    以无气腔平面节流器为研究对象,对节流器流固耦合法向随机微振动进行了理论仿真和实验研究。受限于节流器厚度与气膜厚度尺寸的差异和输入初始边界条件,建立了节流器的COMSOL仿真简化模型,对节流器气膜微流场进行双向流固耦合数值模拟。仿真结果表明,节流器的法向随机微振动幅值关于节流器中心对称,且由中心向边缘逐渐增大;微振动幅值随气体入口流速的增大而增大。实验采用纳米级激光测振仪,依次测量供气压力为0.1,0.2,…,0.5 MPa时尺寸为75 mm×50 mm×14 mm的HEXAGON双环联结型节流器多个不同位置的法向振动,实验结果表明,法向随机微振动幅值分布特性与仿真结果一致,关于节流器中心对称,且由中心向边缘逐渐增大,验证了节流器法向微振动的“跷跷板”振动形式;在0.5 MPa供气压力下,边缘振动幅值超过1 nm。对实验数据进行功率谱密度分析,结果表明不同供气压力下法向随机微振动均在9.4 kHz和10.6 kHz处产生较大功率,可认为与节流器气膜流固耦合系统的固有频率有关。研究结果有效地揭示了节流器法向随机微振动的特性,为气体静压系统避开随机共振区、优化气体静压系统的设计提供了理论指导。
    不同石墨烯添加量下MoS2基复合涂层的摩擦磨损及耐腐蚀性能
    李迎春1,2;程蓓1;邱明1,2;谷守旭1;范恒华1
    2020, 31(20):  2437-2444.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.20.006
    摘要 ( )   PDF (13006KB) ( )  
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    为改善MoS2基固体润滑涂层的摩擦磨损性能和耐蚀性能,制备了不同石墨烯(GE)添加量的MoS2复合涂层,利用HSR-2M摩擦磨损试验机测试了复合涂层的摩擦磨损性能,并分析了其磨损机理,通过极化曲线、交流阻抗谱(EIS)研究了涂层在3.5%NaCl溶液中的电化学腐蚀行为。试验结果表明,0.8-GE/MoS2复合涂层的摩擦磨损和耐腐蚀性能最优,其平均摩擦因数和磨损率分别为0.232和2.379×10-13 m3/(N·m),较未添加石墨烯的MoS2涂层分别降低了49.56%和43%,腐蚀速率(1.96×10-8 A/cm2)较纯MoS2涂层(5.54×10-6 A/cm2)降低了近2个数量级。石墨烯的二维片状结构具有良好的自润滑性能,在涂层中均匀分布时能有效阻隔腐蚀介质的渗透,因此,石墨烯的添加提高了MoS2基复合涂层的摩擦学性能和耐腐蚀性能,石墨烯的最优添加量为0.8%(质量分数)。
    热管滚珠丝杠热性能仿真和实验
    胡冕;丁晓红
    2020, 31(20):  2445-2453.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.20.007
    摘要 ( )   PDF (5150KB) ( )  
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    针对传统液冷散热滚珠丝杠存在的丝杠表面温度梯度及温度波动性较大、达到热平衡时间较长等问题,设计了内置热管的新型滚珠丝杠。选择热管丝杠充液介质并计算其结构尺寸参数;为验证热管丝杠热性能,提出了含管壁层、冷凝回流层、蒸气腔层的热管丝杠分层等效模型并对其进行仿真;分析螺母位于不同位置时丝杠表面的温度分布,并与传统液冷丝杠散热性能进行对比分析;采用沸腾排气法制备热管丝杠,搭建实验台,测试热管丝杠表面温度并与仿真结果进行对比。研究结果表明,相对传统的液冷散热丝杠,热管丝杠表面具有较小的温度梯度,温度均匀性良好,且达到热平衡的时间短,仿真与实验结果一致,验证了仿真方法的有效性。
    智能制造
    基于并行多通道卷积长短时记忆网络的轴承寿命预测方法
    曾大懿1;杨基宏2;邹益胜1;张继冬1;宋小欣1
    2020, 31(20):  2454-2462,2471.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.20.008
    摘要 ( )   PDF (3129KB) ( )  
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    在预测轴承剩余使用寿命时,数据间的时序特性是一个可以利用的重要隐藏信息。为了更好地提取具有时序信息的特征用于预测,提出了一种基于并行多通道卷积长短时记忆网络(PMCCNN-LSTM)的剩余使用寿命预测模型。该模型主要由两部分组成:前端为并行多通道卷积网络(PMCCNN),提取信号特征,挖掘数据的时序特性,并采用逐层训练和微调的方式提升参数的收敛性;后端为长短时记忆(LSTM)网络,基于特征进行剩余使用寿命预测,并采用加权平均的方法对预测结果进行平滑处理。在一个轴承加速寿命实验的公开数据集上使用留一法验证了该模型的准确性,实验结果表明:所提模型的平均误差与最大误差分别比传统的卷积神经网络(CNN)低23.38%和15.84%,比传统的LSTM低24.14%和19.01%,比卷积长短时记忆网络(CNN-LSTM)低30.32%和23.09%。
    广义精细复合多尺度样本熵与流形学习相结合的滚动轴承故障诊断方法
    王振亚;姚立纲
    2020, 31(20):  2463-2471.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.20.009
    摘要 ( )   PDF (3888KB) ( )  
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    针对滚动轴承故障特征提取困难的问题,提出了一种广义精细复合多尺度样本熵(GRCMSE)与流形学习相结合的特征提取方法。利用GRCMSE提取滚动轴承故障特征信息;采用判别式扩散映射分析(DDMA)方法对高维特征进行降维处理;将低维故障特征输入粒子群优化支持向量机多故障分类器中进行故障识别。滚动轴承故障实验分析结果表明:GRCMSE特征提取效果优于多尺度样本熵(MSE)、精细复合多尺度样本熵(RCMSE)和广义多尺度样本熵(GMSE); DDMA降维效果优于等度规映射(Isomap)和局部切空间排列(LTSA)的降维效果;GRCMSE和DDMA相结合后的滚动轴承故障识别精度达到100%。
    多移动机器人协同模式及其倾翻稳定性研究
    谢冬福1;罗玉峰1,2;石志新1;刘燕德2
    2020, 31(20):  2472-2485.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.20.010
    摘要 ( )   PDF (10268KB) ( )  
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    针对山地果园单个移动机器人爬坡能力不足及稳定性差等问题,提出了一种多移动机器人协同操作的方法。在原有六足机器人结构的基础上增加了用于多机协同操作的连接件,得到了用于多机协同操作的机器人单体。将3个六足机器人单体通过协同操作得到了3种典型协同模式:串行模式、并行模式、三角模式。最后采用稳定锥法对足式移动机器人系统的单体模式及3种典型协同模式在6种典型地形情况下的静态、动态稳定性分别进行了分析。理论分析及仿真实验结果表明:3种典型协同模式间可进行两两切换;在6种典型地形情况下,通过多机协同操作及协同模式切换的方式可提高足式机器人系统的稳定性。
    工程前沿
    滚珠丝杠螺母副热态特性建模方法
    张耀满;暴凤旭;齐培宁
    2020, 31(20):  2486-2490,2496.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.20.011
    摘要 ( )   PDF (3424KB) ( )  
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    以某外循环滚珠丝杠螺母副为研究对象,对其热态特性及其建模方法进行研究。在分析滚珠丝杠进给系统的热源和边界条件的基础上,建立了丝杠稳态温度分布的数学模型,并通过软件编程求解得到丝杠温度场和滚道的存在对丝杠稳态温度的影响;建立了考虑滚道影响的滚珠丝杠进给系统有限元分析模型,获得了滚珠丝杠进给系统稳态和瞬态热特性分析结果;最后通过滚珠丝杠螺母副热特性试验,获得了滚珠丝杠进给系统关键点的温度及其变化情况。研究结果表明:所建立的滚珠丝杠螺母副热特性分析数学模型可以较准确地获得滚珠丝杠的温度场,忽略滚道会使滚珠丝杠螺母副的温度场仿真结果产生15%~20%的误差。
    基于激光扫描的环形锻件径向尺寸测量方法
    李群1;刘原西1;张玉存2;宁建1
    2020, 31(20):  2491-2496.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.20.012
    摘要 ( )   PDF (1306KB) ( )  
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    在环形锻件环轧成形过程中,径向截面尺寸数据在很大程度上影响着环形锻件的锻造精度。由于轧制环境的复杂性以及高强度的噪声干扰,扫描数据量很大,据此测量得到的径向尺寸精度较低,因此,提出了一种环形锻件径向截面尺寸测量新方法。对激光扫描数据建立信息空间集合,并以连续的同心圆划分信息空间;根据信息空间内各区域间的信息关系,引入一致连续性系数并结合梯度下降法来求解待定系数;根据扫描数据点密度设定精简比率,结合精简比率与待定系数来确定每一同心圆各部分需要保留的点数,删去其余点及两同心圆相交部分的重复点;重复上述方法遍历激光扫描数据,对环形锻件的径向截面激光扫描数据进行处理。将该测量方法应用在实验中,从处理后的激光扫描径向截面形线数据中提取径向截面各尺寸数据,将处理前后所测得的数据与真实值进行对比,发现处理后得到的数据精度更高,误差更小,证明了该方法的可行性。
    镍铝青铜合金仿生表面的砂带磨削及其降噪特性
    黄云;甲花索朗;肖贵坚
    2020, 31(20):  2497-2504,2511.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.20.013
    摘要 ( )   PDF (9838KB) ( )  
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    针对镍铝青铜合金材料难以加工出仿生沟槽表面从而提高其降噪性能的问题,利用金字塔砂带和空心球砂带在镍铝青铜合金材料表面上磨削出仿生沟槽,并搭建配套试验平台来对镍铝青铜合金材料表面进行仿生沟槽结构的磨削加工。提取了磨削表面的特征,据此进行流体噪声计算,对比分析了金字塔砂带磨削出的仿生表面和空心球砂带磨削出的仿生沟槽表面的噪声性能,结果显示:金字塔砂带磨削出的规则仿生沟槽表面声学能量等级的平均值为18.07 dB,空心球砂带磨削出的不规则仿生沟槽表面声学能量等级的平均值为37.6 dB。试验中,两种砂带磨削加工后的镍铝青铜合金表面均具有仿生沟槽结构,且金字塔砂带磨削出的规则仿生沟槽表面具有更好的水下降噪性能。
    低成本低噪声的驱动桥零部件精度优化方法
    焦东风;刘志峰
    2020, 31(20):  2505-2511.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.20.014
    摘要 ( )   PDF (4357KB) ( )  
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    为实现面向低成本低噪声的汽车驱动桥零部件精度多目标优化,构建了影响因素与啮合噪声相关度计算模型,以市场故障件影响因素检测数据结合生产过程不合格率统计结果,得到各影响因素与啮合噪声的相关度;采用正交试验法对影响因素进行多水平的台架噪声试验,得到噪声最低的因素水平组合,对噪声的影响因素进行了敏感性、交互作用分析;构建高性能、低成本的驱动桥噪声多目标优化函数,结合制造成本及正交试验结果,得到最优因素组合;采用整车噪声、振动与声振粗糙度(NVH)性能测试的方法,验证了优化结果的有效性。
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    知识工程是制造业创新的坚固基石和科学方法——《制造业知识工程》解读
    田锋1,2
    2020, 31(20):  2512-2519. 
    摘要 ( )   PDF (8997KB) ( )  
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    英文目次
    2020, 31(20):  2520. 
    摘要 ( )   PDF (104KB) ( )  
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