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2017年  36卷  第4期

机械动力学
精密微调器实现二轴联动系统精度增长的研究
许吉敏, 张飞, 卫洋洋, 陈润霖, 袁小阳
2017, 36(4): 493-497. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0401
摘要:
控制系统的改进和摩擦副优化设计对先进二轴联动系统精度的提升效果有限。提出通过引入精密微调器与已有的二轴系统实现功能并联,在不干扰已有系统可靠性和大范围运动功能的前提下,实现小范围内运动精度的成倍增长。针对两轴垂直和两轴平行的两类二轴联动系统,分别提出了压电晶体型角度微调器以实现角度精度的增长、电磁液型位移微调器以实现位移精度的增长,分析了它们的工作原理和作用效果。结果表明,提出的精度增长方法能够满足工程预期目标。
轴向偏心交变载荷作用下螺纹副滑移研究
何竞飞, 汪成生, 汤涛
2017, 36(4): 498-503. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0402
摘要:
通过对轴向交变载荷作用下的螺栓联接进行分析,建立螺栓螺纹副滑移角度与载荷变化之间的关系方程。考虑偏心载荷作用下拉杆螺栓螺纹载荷的分布规律,引入偏心载荷系数,建立螺纹副滑移角度与轴向偏心交变载荷之间关系的理论模型。针对M16×2螺栓联接,在具体载荷下运用所建的理论模型进行计算,并与同条件下Izumi的有限元研究成果相对比,结果相一致。运用螺栓联接振动试验台,在轴向交变载荷作用下对螺栓连接进行滑移实验,测量滑移量并与理论计算结果进行对比,验证理论推导的正确性,为研究拉杆螺栓自松弛机理提供一种理论分析方法。
高速齿轮动态传动误差的希尔伯特-黄变换分析
刘洋, 唐进元, 钱露露
2017, 36(4): 504-511. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0403
摘要:
高速齿轮传动误差测量与分析是一个急需解决的难题。通过构建动态传动误差测量系统,测得高速齿轮动态传动误差曲线,并将希尔伯特-黄变换(HHT)应用于高速齿轮动态传动误差信号分析,自适应得到高速齿轮动态传动误差信号不同频率成分的固有模态函数,分离出轴频分量和齿频分量,获得动态传动误差希尔伯特谱。为了验证HHT的可行性与正确性,利用快速傅立叶变换(FFT)对相同的传动误差信号进行频谱分析。结果表明:HHT在高速齿轮动态传动误差信号的分频、滤波方面都具有优越性;相比FFT,希尔伯特-黄变换能够很好的提取信号的高频特征,将传动误差信号各成分分离,分析结果更加精确。
考虑关节柔性误差的机器人参数辨识方法研究
齐飞, 平雪良, 刘洁, 蒋毅
2017, 36(4): 512-518. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0404
摘要:
考虑到工业机器人绝对定位精度较低,无法满足高精度加工的需要,故提出了一种综合型误差补偿方法。以改进的D-H模型为基础,建立机器人末端工具中心点的距离误差模型,同时对主要受力关节2和3由于自重或者外加负载产生的柔性变形误差进行了研究,建立了柔性误差模型,最后以激光跟踪仪作为测量设备,利用最小二乘法对模型进行求解,通过修正控制器参数补偿误差提高机器人定位精度。经过补偿,自主研发的机器人定位精度有明显的提高,从之前的3.548 mm降至0.939 mm。
改进质量损失函数的多响应稳健优化设计
伍建军, 谢周伟, 黄裕林, 吴小明
2017, 36(4): 519-526. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0405
摘要:
针对传统的多响应优化方法很少同时考虑到优化结果的最优性与稳健性以及容易忽视各个响应质量损失的问题,通过引入双响应曲面法的思想,提出了一种基于改进质量损失函数的多响应稳健优化设计新方法。通过双响应曲面法与多变量质量损失函数的相互结合,同时考虑了各个响应的均值和方差,首先通过拟合各个响应的均值回归方程和方差回归方程并将其结合到多变量质量损失函数中,然后通过主客观权重法科学设置各响应均值和方差质量损失的权重,最后将多响应的稳健优化问题转化为求解综合质量损失最小值的问题。以细胞注射3自由度柔顺并联微动平台中的双曲柔性铰链为研究对象进行研究,结果表明,该方法能够有效地解决具有多个响应问题的稳健优化,为多响应稳健优化设计提供新的思路。
液压机械无级变速器换挡控制策略研究
朱镇, 高翔, 潘道远, 曹磊磊, 韩顺, 朱彧
2017, 36(4): 527-534. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0406
摘要:
针对一种液压机械无级变速器建立换挡仿真模型。以输出轴的速度降幅度、动载荷系数、最大冲击度和换挡时间作为换挡品质评价指标,以发动机转速、负载转矩、主油路压力和调速阀流量作为影响因素。建立L9(34)正交表,采用极差法确定影响因素各水平的主次和优劣,并预测最佳方案。使用统计学方法分析试验数据,验证仿真结果的正确性。结果表明:采用较低的发动机转速,较小的负载转矩,较小的主油路压力,以及较大的调速阀流量可有效提升变速器器换挡品质。
利用时域参数联合统计钻井泵振动特征提取的研究
吕苗荣, 金育琦, 林伟旺
2017, 36(4): 535-541. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0407
摘要:
开展机械设备振动信号时域统计参数信息挖掘的研究,为检测、诊断设备故障,预测设备的工作状态服务,是一项很有意义的工作。以钻井泵为研究对象,对振动信号进行基元分段处理,统计基元分段后振动信号的时域参数;采用一种新的框架-时域参数联合统计分布,在时域参数联合坐标系下详细考察振动信号时域统计参数的分布特征与量化规律。研究表明,在不同工况下时域参数散点的分布具有很强的规律性与空间区域特征,能够在时域波形信号、参数分布特征和分布区域,以及设备故障之间建立很好的对应关系。
双树复小波滤波器构造及其在机械故障诊断中的应用
邱爱中, 张海泉, 崔晓, 邱大为
2017, 36(4): 542-546. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0408
摘要:
为了减少能量泄露,提高双树复小波对机械故障非平稳信号的时频分析能力,从滤波器的构造入手,首先改进滤波器传递函数,保证滤波器正交性,增强对称性;优化分层滤波器算法,加强滤波器紧支性,提高重构精度;最后对尺度函数滤波器初始冲击响应向量进行时频域优化。根据复小波实部和虚部互为hilbert变换的关系和Q-移位的思想,给出了滤波器设计计算的基本要求和原则。将该法构造的小波滤波器引入能量泄露和信号降噪仿真实验,并在实践中诊断滚动轴承的机械故障。实验表明:该法构造的双树复小波对能量泄露有明显的抑制作用,信号降噪可以获得比常规双树复小波、离散小波更高的信噪比,能更好地提取隐含在强噪声中故障信息。说明该双树复小波滤波器算法的有效性和可行性。
主轴弹性对摩擦提升系统纵向振动特性影响的研究
刘义, 陈国定, 李济顺
2017, 36(4): 547-552. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0409
摘要:
根据高速重载摩擦提升机结构的特点 ,在合理简化的基础上,建立了主轴为弹性构件的摩擦提升机5自由度纵向振动动力学模型 ,并结合摩擦提升机的设计参数进行了仿真。通过与传统的4自由度系统计算结果进行对比的方法,得到了在设计高速重载摩擦提升机时,主轴弹性对设计结果的影响。
一种新的描述和分析变胞机构的拓展全息矩阵
白平, 孙亮波, 梁刚
2017, 36(4): 553-559. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0410
摘要:
论述了描述变胞机构构态变换的矩阵表达方法,提出一种能描述变胞机构构态所有结构信息的拓展全息矩阵。通过检索该矩阵,可获得机构中运动副数、构件数、多元构件、多元复绞、多元构件结构尺寸、构件间的连接关系等所有运动链结构信息,增加拓展列表达机构的原动件及机架等运动学参数。分析了3种典型构态变换公式(构件数目增加、减少及运动副类型改变),通过一个案例论证了该矩阵和构态变换公式的正确性。提出了一种新的表达机构所有结构和运动学信息的矩阵,基于此实现了变胞机构变胞和运动学分析的程序化设计。
精密制造与加工
一种新型齿轮冷滚打工艺分析
杨明顺, 孔祥健, 李言, 李玉玺, 魏凡智
2017, 36(4): 560-566. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0411
摘要:
提出了一种基于展成原理的齿轮冷滚打方法,并对其进行运动学分析,得到了滚打轮与齿坯之间的传动比关系。为了避免冷滚打过程中打轮与齿坯的干涉问题,给出了安装角的计算方法;根据塑性成形中的体积不变原则,对渐开线齿轮冷滚打加工时的毛坯直径进行计算。参照滚刀的设计方法,完成了打轮结构的初步设计,给出了打轮有效齿数的计算方法;进行了齿轮冷滚打试验,初步验证了该工艺的可行性。
单晶硅成型加工刀具损耗建模分析与实验研究
辛彬, 李淑娟
2017, 36(4): 567-573. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0412
摘要:
放电成型加工中的刀具损耗直接影响着加工精度,在单晶Si放电加工可行性的基础上,分析了峰值电流、脉冲宽度以及脉冲间隔对刀具损耗的影响。采用RSM中的中心组合设计实验,建立了与峰值电流、脉冲宽度、脉冲间隔等工艺参数相关的刀具损耗预测模型,用Design-Expert 8.0对刀具损耗与工艺参数的2阶响应曲面进行了分析。方差分析结果表明,预测模型具有较好的拟合程度和适应性。采用满意度函数(DFA)获得了单晶Si放电加工刀具损耗的最佳工艺参数组合,最佳工艺参数下的实验结果与模型预测结果平均相对误差为5.1%。验证实验表明,该模型对刀具损耗的预测是准确的,并且能实现相应的半导体材料的放电成型加工过程中的刀具损耗预测。
阀控液压缸系统匹配特性模拟与试验研究
赵洪伟
2017, 36(4): 574-578. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0413
摘要:
大型飞机结构强度试验中,通过流量估计和载荷估算选取阀控液压缸系统,可能导致阀控缸系统匹配性较差,造成其工作能力不足,影响结构试验加载系统的加载性能。为此,基于AMESim软件,建立阀控液压缸系统的模型,对其匹配性进行仿真分析,给出了阀控缸系统比例增益的边界值,并对该方法进行物理试验验证。结果表明:本文方法有效,使得结构试验加载设备工作性能有较大提升,为大型飞机结构试验的阀控缸系统的选型和设计,同时为后续阀控缸系统匹配性数据库的建立提供了理论参考。
集成本体和CBR的数据挖掘建模技术及其在工艺规划中应用研究
郭渊, 周敬勇
2017, 36(4): 579-585. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0414
摘要:
利用数据挖掘技术解决智能CAPP系统知识获取问题时面临着应用门槛高的严重问题。为了克服该问题,使数据挖掘技术能方便地被普通用户应用,提出了集成本体和CBR技术进行数据挖掘建模从而控制数据挖掘自动化进行的方法。首先建立了基于本体语义的工艺规划数据挖掘事例库,然后确立了本体语义理解型推理机制和相应的概念相似度算法,并初步探讨了数据挖掘事例的综合评价方法及修改技术。最后,以典型的机加工零件为应用实例对建议方法进行验证。试验证明本文建议的方法通过智能化建模控制数据挖掘过程自动化进行,克服了传统数据挖掘建模需要领域专家和知识工程师协作的局限,显著降低了数据挖掘技术的使用门槛。
采用BP神经网络预测碳纤维增强树脂基复合材料的钻削力
刘洋, 李鹏南, 陈明, 唐思文, 邱新义
2017, 36(4): 586-591. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0415
摘要:
采用双锋角钻头对碳纤维复合材料进行钻削试验,基于反向传播算法的人工神经网络建立钻削轴向力与主轴转速、进给速度之间的非线性关系模型,对比分析三种不同第二主切削刃与第一主切削刃之比的双锋角钻头在试验加工参数下钻削轴向力变化规律。结果表明:与多元线性回归预测模型对比,在相同试验数据为基础的预测计算下,BP神经网络预测值相对误差明显减小,网络预测值误差均在3%之内,而多元线性回归模型最大误差值达到了12.46%,BP神经网络能建立更精准轴向力预测模型。从降低钻削轴向力的角度分析,应采用第二主切削刃与第一主切削刃之比为1的双锋角钻头进行钻削加工。
激光超声复合加工硬质合金的切削特性研究
段鹏, 焦锋, 牛赢, 赵波
2017, 36(4): 592-597. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0416
摘要:
研究了激光加热与超声椭圆振动复合切削条件下,使用CBN(立方氮化硼)刀具对硬质合金材料进行精密加工的切削特性。利用有限元仿真,分析硬质合金材料在普通切削、一维超声振动切削、超声椭圆振动切削与激光超声复合切削4种切削方式下的切削力变化特征。采用超精密车床与YAG激光器、自主研发的超声振动装置等辅助设备,实验研究了激光超声复合精密加工硬质合金的切削特性。通过一系列的对比实验,分析切削参数,如切削速度、切削厚度,对切削力的影响规律。仿真与实验结果表明,由于加工材料的软化和断续切削,激光超声复合辅助加工显著地降低了切削力,硬质合金的切削加工性能得到显著改善,通过工艺参数的优化,可以实现硬质合金的精密加工。
仪器、仪表科学与技术
行星滚柱丝杠副承载特性研究进展
刘更, 张文杰, 马尚君, 佟瑞庭
2017, 36(4): 598-604. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0417
摘要:
行星滚柱丝杠副具有承载能力大、环境适应性好、寿命长等优点。行星滚柱丝杠副的承载特性主要包括各啮合传力零件的受力分析、轴向变形、螺纹牙载荷分布、滚柱间载荷分配及摩擦磨损特性等。它既是揭示其服役过程中载荷传递、结构变形以及摩擦磨损等机理的重要途径,也是进一步提高行星滚柱丝杠副传动性能和使用寿命的理论基础。首先介绍了行星滚柱丝杠副承载原理,在此基础上说明承载特性各项研究的主要内容及意义,并对目前研究成果进行了总结与分析。最后,对行星滚柱丝杠副承载特性的未来研究方向进行了展望。
基于改进型粒子群PID算法线切割电极丝恒张紧力控制系统
上官同英, 刘继军, 陈志
2017, 36(4): 605-609. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0418
摘要:
在慢走丝线切割走丝系统中,电极丝容易受到外界干扰和自身控制系统影响下,电极丝的张紧力会发生一定程度的波动,最大波动幅值可达50%,将导致导轮之间电极丝发生较大的挠曲变形和振动,严重影响加工工件的形位精度和表面质量。对电极丝进行受力分析,介绍改进型闭环控制电极丝走丝系统,设计恒张紧力闭环控制系统,运用改进型粒子群PID算法对电极丝进行在线恒张紧力控制。实验结果表明:本次设计的控制系统,具有高精度和实时性,电极丝张紧力波动控制在5%之内,对外界冲击载荷的修正时间约为4 s,且电极丝横向振动减少接近50%。
运载工程
应用多目标粒子群的驾驶室悬置参数联合仿真优化
姚昱儒, 毕凤荣, 景亚兵, 齐彬, 田赛龙, 田从丰
2017, 36(4): 610-615. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0419
摘要:
为简化悬置系统开发流程、缩短周期,以某型装载机驾驶室悬置系统为对象,在ADAMS中建立虚拟样机模型,采用试验测试信号作为激励,并在MATLAB中编写了优化算法程序,通过ADAMS和MATLAB联合仿真的方法,解决了驾驶室悬置隔振性能的多目标优化问题。以振动总量值最小化和解耦率最大化作为优化目标,分别采用了多目标粒子群算法(MOPSO)与非支配排序遗传算(NSGA-Ⅱ)法,结果表明前者能找到更好的帕累托前沿,仿真分析验证了该方法的可行性和有效性。
AUV动力舱段简化建模及振动传递特性研究
韩飞, 王敏庆
2017, 36(4): 616-620. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0420
摘要:
提出了一种隔振圈结构等效建模方法,并使用ANSYS建立了包含动力装置、隔振圈及动力舱壳体在内的动力舱段振动分析模型。计算与试验对比表明,本文模型能够较好地反映出动力舱段的结构振动传递特性。利用本文模型开展参数影响分析,结果表明:动力装置的简化程度过大会引起舱段壳振动响应计算结果的较大误差;减小隔振圈径向刚度、增大壳体阻尼有助于降低壳体较高频段的振动响应,但对抑制低频振动无显著效果。
履带车辆冲坡过程悬挂击穿研究
李和言, 曹毅, 孙涛, 杨硕
2017, 36(4): 621-625. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0421
摘要:
运用多体动力学方法,建立了6对负重轮履带车辆21自由度带动力传动悬置系统的整车模型。并结合简化坡道模型,仿真研究了该型车辆在不同冲坡工况下发生悬挂击穿的规律。研究发现:在不同纵向偏驶角下,发生悬挂击穿的临界车速呈"W"型,且悬挂击穿都最先发生在第一对轮的先上坡侧。同时,随着坡角的增加,最小悬挂击穿临界车速迅速减小,发生击穿对应的纵向偏驶角则增大;悬挂击穿发生后,车体前部所受的冲击迅速增大。
虚拟激励法的汽车气动噪声研究
朱远征, 左言言, 华敏相, 朱晨曦, 郑铭垠
2017, 36(4): 626-631. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0422
摘要:
采用分离涡模拟(DES)方法对车外流场进行瞬态计算得到车身表面脉动压力,将虚拟激励法应用于求解汽车内部的气动噪声场,利用声振耦合法得到车内场点的声压级频谱。对不同车速不同位置的噪声特性进行了对比分析和道路实验验证。结果表明:汽车气动噪声为宽频谱,在某一特征频率处达到峰值后呈指数型下降;噪声截止频率和峰值频率随着车速的提高向高频移动;声压级大小与脉动压力强度以及辐射面积有关;将虚拟激励法应用于气动噪声求解是可行的。
FSAE赛车底盘尾流扩散器仿真分析与设计
杨勇, 尹欢, 彭婧
2017, 36(4): 632-636. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0423
摘要:
研究了地面效应对底盘尾流扩散器形态的影响。并在满足FSAE赛车设计规则要求的前提下,对FSAE赛车底盘尾流扩散器进行设计。利用CDF数值仿真技术对所设计的扩散器进行流场模拟、分析及优化以进一步提高扩散器工作效率,从而为赛车提供更多下压力,使赛车的操控稳定性和安全性有所提升。分析测得设计底盘扩散器后的赛车气动升力系数CL从原车的0.391下降到-0.371,气动阻力系数CD由0.589变为0.583。
采用RKF轮胎力估计的4WID电动汽车纵向速度估计研究
叶浩, 刘国海, 张多, 王洋
2017, 36(4): 637-642. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0424
摘要:
车辆纵向速度、轮胎力的准确获取是车辆主动安全控制的前提和基础,由于直接测量纵向速度和轮胎力的车载传感器价格极其昂贵,提出了采用随机卡尔曼(RKF)轮胎力估计的纵向车速估计。利用普通车载传感器直接测量的车辆状态参数结合车辆七自由度模型,采用RKF算法估计轮胎侧向力;其次,根据估计的轮胎力,运用卡尔曼滤波(KF)技术实现纵向车速估计。CarSim与MATLAB/Simulink联合仿真结果验证了该方法的有效性。
材料科学
利用声电类比法对微穿孔板阵列吸声性能的研究
吴波波, 王高沂, 李海霞, 韩西明
2017, 36(4): 643-647. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0425
摘要:
针对声学有限元算法计算微孔板阵列吸声系数计算复杂、难以实现这一问题,提出了利用声电类比法计算具有不同吸声带宽的微孔板结构并联构成的微孔板阵列的吸声系数,利用该方法对声波垂直入射、按一定角度斜入射和从各个角度漫入射时的吸声系数进行理论计算,并利用阻抗管法进行垂直入射时吸声系数测试实验。结果表明,通过调节微穿孔板阵列的不同单元的深度,可以使其吸声系数在3个倍频程范围内达到0.6以上,得到较为理想的吸声结构,理论与实验结果吻合较好。
航空、宇航工程
新型航空测量耙振动应力测量方案设计
陶冶, 田琳, 马双员
2017, 36(4): 648-652. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0426
摘要:
研究了配装某型飞机发动机的新型复合结构航空测量耙的组成结构,使用ANSYS软件对其进行了模拟分析。基于有限元分析结果,对新型航空测量耙振动应力测量方案进行了设计,并对方案的有效性进行了评估分析。分析结果表明:方案设计拟定的各振动应力测点的最大拉压应力较对应截面的最大拉压应力的误差不超过2.5%,低于工程可接受的误差要求,说明新型航空测量耙振动应力测量方案设计合理有效。
三环驱动轴对称矢量喷管喉道逆运动学建模
李建鹏, 赵志刚, 李有德, 孟佳东
2017, 36(4): 653-656. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0427
摘要:
三环驱动推力矢量喷管是一种收-扩式轴对称推力矢量喷管,针对某三环驱动轴对称推力矢量喷管,利用拆杆法和相对转角法建立了轴对称矢量喷管喉道面积调节结构运动学模型,运用CATIA软件完成了轴对称矢量喷管各零件的建模和虚拟装配,并将装配体导入到ADAMS软件中进行仿真,验证了结构设计的合理性和所建模型用于喉道面积控制的有效性。对三环驱动轴对称推力矢量喷管的优化设计及控制器的设计与应用提供了一定的理论基础。