中国机械工程

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2023, 34(22): 0.

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无人帆船翼帆桅杆根部应力影响因素及其影响规律研究

牛温超, 孙朝阳, 盛忠起, 俞建成, 赵宝德, 赵文涛,

2023, 34(22): 2647-2658. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.22.001

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为研究翼帆桅杆根部应力的影响因素及其影响规律，基于等效原理提出了桅杆根部应力的数值计算模型，并通过有限元计算验证了所提模型的准确性。基于所建模型推导发现，对桅杆根部应力造成影响的参数共包含4个外部参数（无人帆船横摇周期、横摇幅值、横摇角度、翼帆偏转角度）和3个翼帆本体参数(翼帆重心高度、翼帆质量、偏心距离)。基于所建模型分析了上述因素对桅杆根部应力的影响规律，发现应力值与横摇周期成递减的负二次幂函数关系，与横摇幅值、翼帆重心高度、偏心距离和翼帆质量成正比，应力值随偏转角度的变化曲线与正弦曲线相吻合，并且在一个横摇周期内应力值曲线呈现正弦波形。最后，针对应力集中于桅杆根部的情况，提出了一种设置加强筋以优化结构的方法，并通过有限元计算和转台晃动实验分析的方法进行了验证，发现所提方法可以有效减小翼帆桅杆工作过程中根部的应力值。

考虑载荷交互影响的非均匀损伤累积模型

吴志峯, 高建雄, 徐蓉霞, 朱鹏年

2023, 34(22): 2659-2664，2673. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.22.002

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为研究金属构件的疲劳损伤演化规律，建立了考虑载荷交互影响的非均匀损伤累积模型及寿命预测理论。首先，提出一种恒幅载荷下基于剩余寿命的非均匀疲劳损伤模型。其次，阐述了载荷加载次序效应，并证明该非均匀损伤模型可考虑载荷加载次序效应。再次，验证了载荷间的相互作用，提出相邻两级载荷存在相互影响，定义并引入了载荷交互影响因子，建立了等效损伤新模型。最后，将非均匀损伤模型与等效损伤新模型结合，构造了多级变幅载荷下的非均匀损伤模型。以30NiCrMoV12钢和Al-2024-T45合金的两级载荷加载试验数据进行寿命预测，通过与多种模型进行对比，验证了所提模型可较好地预测疲劳寿命。所提模型对金属的损伤演化规律有一定参考价值。

综合传动系统时变工况动力学建模与求解方法研究

张丁戈, 王立勇, 李乐, 张金乐

2023, 34(22): 2665-2673. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.22.003

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为满足特种车辆综合传动系统在实际复杂工况下负载特性实时监测与健康管理的需求，采用行星变速机构矩阵分析方法和数值求解方法，以实车传感器数据作为输入，建立了可实现时变工况下快速连续求解传动输出转速和扭矩的综合传动系统动力学模型，构建了行星变速机构运动学矩阵、运动微分方程与力矩平衡方程，提出了时变工况下动力学模型的快速连续求解方法以及在道路负载信息缺失的条件下进行道路负载求解的方法，并将计算所得的传动输出转速和扭矩在起步、换挡和加速三种典型工况下与台架试验结果进行了对比分析。结果表明，构建的动力学模型在道路负载信息缺失的条件下，可实现对综合传动输出特性的动态仿真计算，为特种车辆综合传动系统服役状态实时监测、动态控制和智能运维提供了支撑。

叶片前后缘识别及百叶轮抛磨工艺研究

琚春, 刘佳, 杨胜强, 张晶晶, 赵旭辉,

2023, 34(22): 2674-2683，2692. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.22.004

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针对叶片前后缘厚度小、曲率变化急剧的结构难点，利用最小二乘法对叶片截面前后缘和部分叶身处的离散点进行椭圆拟合，通过设置平均距离、最大距离和斜率差三个误差约束条件来确定前后缘与叶盆叶背临界点，精确识别叶片前后缘；选取适合抛磨前后缘的弹性抛磨工具百叶轮，简化百叶轮抛磨模型，从单颗磨粒抛磨出发，探究抛磨过程中百叶轮压缩量与抛磨力的关系，并基于Hertz接触理论和改进的等弦高误差法确定步长行距。最后通过机器人夹持叶片、百叶轮抛磨的方式进行横抛、纵抛实验。两种抛磨方式横抛后表面粗糙度均小于0.4 μm，轮廓度误差小于0.08 mm，均能满足叶片的尺寸精度和表面质量要求。

聚晶金刚石的混铁粉电火花加工方法研究

贾志新, 张凯悦, 王津

2023, 34(22): 2684-2692. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.22.005

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电火花加工以其独特的优势成为加工聚晶金刚石（PCD）的重要手段，但该方法存在加工效率低的问题。初步探究了混铁粉电火花加工PCD的材料去除方式，进而提出了在煤油工作液中混入铁粉以促进火花放电形成的方法，通过实验研究了铁粉浓度、峰值电流、脉宽、脉间和伺服电压对工件材料去除率（MRR）和加工表面粗糙度的影响规律，并分析了其原因。实验结果表明，煤油中混入一定浓度的铁粉能够提高电火花加工PCD的MRR值，MRR值随着峰值电流的增大而提高，随着脉宽的增大先提高后降低，随脉间的增加先增大后减小，并且随着伺服电压的增大而减小，电火花加工PCD的表面粗糙度受铁粉浓度、峰值电流、脉宽、脉间和伺服电压的影响较小，主要取决于金刚石颗粒的粒度，通过正交试验得到电参数优化组合为：峰值电流20 A,脉宽125 μs,脉间75 μs,伺服电压27.5 V。

高线速状态湿式离合器带排转矩特性研究

李杰, 马超, 王晓燕

2023, 34(22): 2693-2703，2710. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.22.006

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为研究湿式离合器空载状态下摩擦片高线速工况带排转矩产生回升变化的机理与规律，基于流体动力学模型，考虑润滑油膜表面张力与高线速油气两相流的影响，建立了带排转矩数学模型和带排间隙油膜VOF两相流仿真模型，对油膜的变化进行分析验证。对模型进行分析获知，摩擦片高线速下油气两相流产生部分带排转矩是带排转矩回升的主要原因。在摩擦元件高速带排试验系统中进行了带排转矩试验，分析了旋转方向、润滑油温度、流量、带排间隙、摩擦片尺寸对湿式离合器带排转矩的影响规律。

采用圆渐开线的非对称等壁厚涡旋型线设计与性能研究

侯才生, 李金虎, 刘宇, 马辉

2023, 34(22): 2704-2710. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.22.007

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针对现有等壁厚型线压缩比小、行程容积小，变壁厚型线气体作用力变化幅度大、加工测量困难等问题，提出了一种采用基圆渐开线构建非对称等壁厚型线的设计方法。利用所提方法建立了一种全啮合的非对称等壁厚涡旋齿，并推导出工作腔容积计算公式，得到了作用在动涡旋齿上的轴向、切向及径向气体力随主轴转角的动态变化历程。研究结果表明：新构建的非对称等壁厚型线与传统的等壁厚型线及变壁厚型线相比，其行程容积分别提高了25.99%和7.82%，压缩比分别提高了19.70%和2.04%；而轴向气体力、切向气体力和径向气体力的变化幅度却显著减小，这也证明新构建的非对称等壁厚型线能更好地兼顾传统型线的优点，在容积性能和动力学性能方面更具优势。

结构化砂轮磨削加工工件表面形貌建模与实验研究

易军, 易涛, 陈冰, 邓辉, 周炜,

2023, 34(22): 2711-2720. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.22.008

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通过对砂轮表面进行实际测量，利用粗糙表面建模方法，考虑砂轮结构化特征参数对砂轮表面连续性的影响，建立了直槽结构化砂轮表面形貌模型；在此基础上，根据砂轮工件运动学关系以及切削刃的轨迹方程，建立了磨削后工件表面微观形貌的预测模型。开展了直槽结构化电镀CBN砂轮和直槽结构化钎焊CBN砂轮磨削实验，结果表明，磨削后工件轮廓高度算术平均值Ra预测结果与实验结果的相对误差均不超过10%，工件最大轮廓高度Rz预测结果与实验结果的相对误差均不超过12%，验证了预测模型的正确性。研究了不同结构化特征参数对工件表面形貌的影响规律，发现当砂轮开槽宽度相同时，砂轮断续比增大会导致工件表面粗糙度增大；而断续比相同时，因槽宽变化而引起的工件表面粗糙度波动较小。此外，砂轮本身的粗糙程度也是决定磨削后工件表面粗糙度的重要因素，涉及的砂轮表面形貌三个表征参数中，砂轮表面高度的偏态对磨削后工件表面粗糙度的影响程度最大。

面向多模式多元未知分布的协方差过程监控

赵宇, 李艳婷, 吴振宇, 周笛, 胡洁

2023, 34(22): 2721-2736，2757. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.22.009

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针对工业过程数据的多模式、高维性和非正态性等挑战，设计了一种考虑模式过渡约束的基于协方差检验的多模式在线监测方法。首先利用交叉验证的线性收缩估计方法对待监测数据的协方差矩阵进行估计，然后基于估计的协方差矩阵计算稀疏主特征值检验统计量，进而基于稀疏主特征值检验统计量设计具有滑动窗口的指数加权移动平均（EWMA）控制图——MSPEWMA控制图，结合模式过渡约束得到最终的检验统计量。通过Monte Carlo模拟研究了MSPEWMA控制图在不同条件（变量维度、漂移大小、可控样本大小、过渡约束参数和观测数据分布）下的性能，结果表明，与基于协方差检验的其他控制图相比，新提出的控制图在大漂移和非正态条件下具有更好的监测效果。最后利用风力发电机组真实SCADA数据证明了所提方法的有效性。

基于轮内加速度的乘用车胎面磨损程度分类试验

陶亮, 唐钰, 戚文杰, 张大山, 鲁瑞, 张小龙,

2023, 34(22): 2737-2745. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.22.010

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围绕乘用车轮胎花纹深度浅、常规的基于加速度时域信号辨识磨损特征不明显的问题，研究了基于胎内加速度频域特征的胎面磨损程度分类估算问题。首先通过自主开发的专用轮辋总成和数据采集器等搭建智能轮胎测试系统，并在轮胎气密层布置1个三轴加速计，采用有线方式获取加速度值，采样频率50 kHz。其次基于搭建的测试系统在Flat Trac台架上进行典型轮胎纯滚动试验，分析用于明确分类算法的参数并构建数据集。试验轮胎包括新胎、半磨胎和全磨胎，数据分析发现不同磨损程度轮胎周向加速度Ax和径向加速度Az在频域5 kHz内区别度明显。故以间隔10 Hz提取Ax和Az频域5 kHz内振动幅值作为特征点，连同垂直载荷、速度和胎压，分别建立频域数据集FDAx、FDAz。最后利用随机森林算法对这2个数据集分别进行训练与预测，优化参数决策树数目和最小叶子数均为20时模型分类效果最优。结果表明，频域数据集FDAz分类准确度平均值为95.1543%，高于数据集FDAx。与相同试验数据提取Ax和Az时域特征构建的时域数据集TDAx、TDAz对比，分类准确度分别提高了16.18%和10.08%。同时优化数据集FDAz的特征取值后发现，特征频段和特征点个数分别为1000 Hz内和100时模型分类准确度和实时性最优。研究结果表明，基于胎内加速度的频域信号进行轮胎磨损程度辨识是可行的，为乘用车胎磨损程度辨识提供了有效手段。

基于逆向法的变轨距列车踏面优化设计

张笑, 池茂儒, 谢雨辰, 王欢声, 蔡吴斌, 代亮成

2023, 34(22): 2746-2757. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.22.011

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通过研究中俄变轨距列车动力学问题发现，一种车轮踏面可能无法适配多种轨道，可能造成低锥度晃车、临界速度降低、磨耗性能变差等问题。为此，基于轮轨接触关系、车辆动力学理论、车轮型面逆向设计递推算法，提出了匹配多种钢轨的均良化踏面设计方法，并在此基础上对LMA踏面进行优化，得到LMAopt踏面，LMAopt踏面匹配P65钢轨等效锥度从0.026提高至0.04，匹配CHN60钢轨等效锥度维持在0.038，保留了匹配两种钢轨交错的接触区，有利于减轻凹磨。LMAopt踏面与俄罗斯P65钢轨匹配时，低锥度晃车现象得到有效抑制，横向平稳性指标明显得到改善，车辆临界速度提高22%；LMAopt踏面与中国标准CHN60钢轨匹配时，其动力学性能与LMA踏面处于同一水平。在两种钢轨共同作用下，LMAopt的磨耗性能也有所改善，可以确保车辆服役周期内的动力学性能。综上，LMAopt踏面是更适合变轨距列车应用的优化踏面。

管道封堵机器人的卡瓦承压性能与管壁损伤特性仿真与试验研究

唐洋, 张吴镝, 张玉林, 王远,

2023, 34(22): 2758-2771. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.22.012

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管道封堵机器人卡瓦在减速与坐封过程中易出现坐封失效和管壁损伤等问题。针对卡瓦在减速与坐封过程中出现的犁沟效应和硬接触现象，分析了卡瓦减速与坐封受力情况和管壁损伤因素；建立了卡瓦减速与坐封过程的有限元仿真模型，分析了卡瓦牙顶角、牙倾角、牙齿数等结构参数变化对其承压性能和管壁损伤特性的影响规律；采用多因素正交试验分析方法，获得了牙顶角、牙倾角、牙齿数关键结构参数组合最优的4种卡瓦；设计并搭建了卡瓦减速与坐封过程模拟实验，加工了4种最优组合结构参数卡瓦实物，完成了卡瓦减速坐封过程中与管壁摩擦的实验测试。通过仿真与实验所得卡瓦承压性能和管壁损伤程度结果对比分析，优选出卡瓦的最优结构参数组合为：牙顶角θ=65°，牙倾角γ=60°，牙齿数m=18。

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2023, 34(22): 2772.

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