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2020年  39卷  第2期

机械动力学
MED与GMCP稀疏增强信号分解在滚动轴承故障诊断中的应用
肖凌俊, 吕勇, 袁锐
2020, 39(2): 165-173. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190111
摘要:
提出了基于最小熵解卷积(MED)和广义极大极小凹惩罚(GMCP)稀疏增强信号分解的滚动轴承故障诊断的方法。首先引入均方根误差(RMSE)对GMCP能有效保留周期冲击的优势进行定量分析,然后将MED能突出冲击的优势与GMCP结合起来应用到滚动轴承的故障诊断中,该方法能够有效地将设备振动信号的噪声和干扰频率从中分离出来,较完整地保留周期冲击频率,对滚动轴承的故障诊断非常有效,而且在故障特征频谱的识别上同样具有优势。仿真和实验证明了该方法在滚动轴承故障诊断领域的竞争力。
用于受限空间下的前列腺针刺手术机器人
王富刚, 时运来, 林瑜阳, 张军
2020, 39(2): 174-179. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190097
摘要:
为了能够在核磁环境下进行前列腺针刺手术,在满足临床需求的基础上,运用多种类型的超声电机,设计了一种新型针刺手术机器人结构。首先基于RCM原理对针刺模块做了相关改进,增加了压电减摩装置可以减小针刺过程的摩擦阻力;然后通过D-H参数法求解了正逆运动学方程,并用蒙特卡洛法求解了机器人的工作空间;最后通过MATLAB软件对所求得的运动学方程进行了验证,对机器人关节运动性能进行了仿真。通过分析与验证,该机器人满足核磁环境下的设计需求。
间隙-频率参数平面内单级直齿轮系统动力特性综合分析
田亚平, 徐璐, 宋佩颉, 褚衍东
2020, 39(2): 180-186. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190120
摘要:
为揭示含间隙的齿轮系统分岔、啮合冲击、脱啮和动载系数间的耦合关系,在间隙与频率参数平面内以单级齿轮系统的动力学模型为研究对象,用CPNF法求解其周期/冲击、脱啮占空比、齿背啮合比、动载系数伪彩图。研究表明:间隙和频率耦合下系统表现出复杂的综合动力特性,随频率和间隙变化系统经倍化、Hopf、激变、擦切、鞍结分岔由周期运动通向混沌;分岔和啮合冲击突变导致脱啮占空比、齿背啮合比、动载系数阶跃性增大;在系统共振频率和小间隙范围内因混沌、拟周期运动和双边冲击的影响其脱啮、齿背接触、动载系数达到极值。
粗糙齿面啮合弹塑性接触分析
周炜, 唐进元, 温昱钦
2020, 39(2): 187-193. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190123
摘要:
为研究粗糙齿面啮合过程中弹塑性接触行为,从粗糙曲面弹性接触算法出发,结合ZMC弹塑性接触模型,得到适于齿轮传动啮合计算的粗糙曲面弹塑性接触算法。同时,为减小粗糙齿面接触建模过程中采样间隔影响,利用微观形貌拟合方法作几何预处理,计算得到相对稳定的微凸体分布参数。针对实测粗糙齿面形貌,基于所提方法开展齿轮啮合过程弹塑性接触计算,对比分析不同条件下粗糙齿面弹性与弹塑性模型接触参数变化规律。研究表明:不考虑塑性变形将使得粗糙齿面接触行为预测产生偏差,且这种偏差与塑性指数、粗糙度有关。
欠约束绳牵引并联机构刚度性能分析与优化设计
洪振宇, 徐嘉骏, 张志旭, 彭松伟
2020, 39(2): 194-200. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190119
摘要:
为了提高欠约束绳牵引并联机构的刚度性能,研究了一种以刚度为基础的优化方法。首先,通过静力学方程对机构进行受力分析,通过引入线矢量和微分变换公式推导出机构的静态刚度模型;其次,定义两个设计变量,以机构的工作空间、刚度的全域均值、刚度的全域波动性为优化目标,研究其变化规律;最后,使用理想点法对多个目标进行优化并对目标函数进行归一化处理,得到了最优的结构参数。
融合SCADA数据的风电机组齿轮箱状态评估
王炜超, 袁逸萍, 孙文磊, 赵琴, 樊盼盼, 贾依达尔·热孜别克
2020, 39(2): 201-206. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190112
摘要:
为对风机齿轮箱状态进行准确评估,提出一种基于核主成分(KPCA)与最小二乘支持向量机(LS-SVM)结合的齿轮箱数据融合故障预测模型。鉴于SCADA系统中数据信息质量的不确定性和冗余性,该模型首先对监测数据预处理(4分位法剔除异常数据等),对齿轮箱特征因素进行相关性分析,利用该预测方法对齿轮箱典型状态特征(振动、温度特征等)进行预测,利用统计过程控制原理(SPC)分析残差,以实现齿轮箱异常状态的预测。最后,以齿轮箱油温预测为例,验证了该模型的准确性和有效性。
主动后轮转向及分布式驱动车辆协同控制研究
彭文正, 敖银辉, 邹晨祺, 林子鹏, 翁思贤
2020, 39(2): 207-213. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190101
摘要:
为有效地改善车辆操纵稳定性,设计了主动后轮转向系统(ARS)与基于直接横摆力矩控制(DYC)的双电机分布式驱动系统协同控制方法,并将其应用于FSAE赛车。首先建立ARS及DYC车辆的二自由度模型;基于滑模变结构控制方法,提出协同控制模型,通过ASR控制器控制后轮转向角,减小车辆质心侧偏角,以及直接横摆力矩控制器(DYC)对两个后驱动轮的牵引力矩进行协调分配,实现横摆角速度的有效控制;最后,通过双移线测试仿真验证本文所提出的控制算法能够有效提高赛车弯道行驶的稳定性。
再生制动优先作用的电动汽车ABS控制策略
赵国柱, 唐惊幽, 孙琼琼, 李亮, 招晓荷
2020, 39(2): 214-220. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190118
摘要:
为使电动汽车的驱动轮在紧急制动时,既能防抱死,又能回收制动能,提出了再生制动力矩优先作用的机电协同防抱死制动控制策略。即在任何制动工况下,只要再生制动力矩有效,均优先使用再生制动力矩来防止驱动轮抱死。分析了再生ABS优先作用的工作模式及其制动力分配原则,给出了相应的控制逻辑;然后以1/4车辆模型为例,建立了再生ABS优先作用的动力学模型,设计了基于车轮滑移率的PID控制律。在此基础上,建立了该策略的MATLAB/SIMULINK仿真模型。仿真结果表明:随着路面附着系数的提高,制动模式将由纯再生ABS转为再生制动优先作用的机电复合再生ABS,机械制动力矩也将相应增大;其次,与传统液压ABS的对比仿真试验表明,采用该策略能使制动系统的反应速度至少提高21.8%,车辆制动距离缩短4.9%。
风电机组偏航制动缸疲劳寿命分析
杨书仪, 赵康康, 覃凌云
2020, 39(2): 221-227. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190125
摘要:
针对风电机组偏航制动缸疲劳开裂问题,基于湖南某风场SCADA实测运行监测数据,分析24台风电机组全年偏航运行与偏航制动次数关系,运用非参数估计法,获得偏航运行周期;基于ABAQUS建立偏航制动系统有限元模型,制定偏航制动缸运行载荷谱;根据GL规范,开展偏航制动缸强度校核;基于nCode Design-Life开展偏航制动缸疲劳寿命计算,分析偏航制动缸相邻两缸壁厚度对疲劳寿命的影响。结果表明:缸壁厚度对其疲劳寿命具有显著性影响,通过优化缸壁厚度可延长制动缸的疲劳寿命。
高速列车盘形制动系统摩擦振动行为动力学分析
张康智, 毕永强
2020, 39(2): 228-234. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190115
摘要:
针对高速列车盘形制动系统振动噪声问题,建立起具有实际尺寸的高速列车制动系统有限元模型,对比分析了复特征值分析法和瞬时动态分析法在预测其制动振动行为的可靠性和准确性。结果表明,复特征值分析法在求解制动振动噪声问题中会出现明显的"过度预测"现象,相比之下瞬时动态分析法有利于直观观测到制动系统振动演变行为,具有更重要的应用价值。采用瞬时动态分析法对系统参数和制动动力学行为关系进行研究。结果表明,制动夹钳弹性模量的降低有利于降低制动系统摩擦振动幅值,抑制系统的振动主频。闸片托的弹性模量并不会对系统的法向振动特性产生重要影响,但是制动过程产生的切向振动幅值随闸片托弹性模量的降低而逐渐减弱。通过对制动闸片表面进行加工沟槽处理后,能够有效降低制动系统振动强度,同时减弱了振动信号在主频处的能量,但是可能会带来局部区域应力过大和局部磨损的问题。
精密制造与加工
圆度误差不确定度的PDF优化估计评定
张珂, 成果, 阎卫增
2020, 39(2): 235-240. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190116
摘要:
针对现有工件圆度误差的不确定度评定国标方法不能兼顾简化计算和避免分布假设的问题,对以圆度误差评定为基础的不确定度评定新方法进行研究。首先,基于最小二乘拟合圆法进行误差评定。然后,利用最大熵原理结合粒子群算法求解圆度误差概率密度函数(PDF)的优化估值。最后,利用数值积分对圆度误差不确定度进行评定,并与测量不确定度表示指南(GUM)和蒙特卡罗法(MCM)进行对比验证。结果表明,PDF估计法可实现小样本数据、无分布假设下的圆度误差不确定度评定,算法收敛性好、估值稳定。
一种求解柔性作业车间调度问题的鲸鱼群优化算法
栾飞, 吴书强, 李富康, 杨嘉, 蔡宗琰
2020, 39(2): 241-246. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190114
摘要:
针对最小化最大完工时间的柔性作业车间调度问题(Flexible job shop scheduling problem,FJSP),提出了一种新型元启发式算法,鲸鱼群算法(Whale swarm optimization algorithm,WSA),该算法以"较优且最近"的鲸鱼引导和利用超声波强度来控制鲸鱼个体移动范围的迭代方式,在求解各类标准函数时显示出了其在全局搜索能力和维持种群多样性方面的优越性。采用两段式编码方法将FJSP描述为机器选择和工序排序两个子问题;引入转换机制实现FJSP的离散调度解与连续的鲸鱼个体位置向量之间的相互转换,然后利用WSA完成种群的迭代更新和寻优。最后,通过实验数据验证了WSA在求解FJSP方面的有效性。
MOMEDA结合数学形态滤波的齿轮故障特征提取
赵修平, 齐嘉兴, 崔伟成, 曾庆松
2020, 39(2): 247-252. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190122
摘要:
为了实现齿轮故障特征的有效提取,针对齿轮早期故障振动信号非线性、非平稳且信噪比低的特点,提出了一种基于多点最优最小熵反卷积(MOMEDA)和数学形态滤波的齿轮故障特征提取方法。首先利用MOMEDA恢复信号中的周期性故障特征并实现信号的降噪,再运用形态差值滤波器对解卷积后的信号进行滤波以增强信号中的冲击特征,最后对滤波结果求取频谱以进行故障特征提取;通过对仿真结果和实验数据的分析验证了该方法的可行性和有效性。结果表明,该方法具有抑制噪声和提取周期性故障冲击特征的能力,能够实现齿轮故障特征的提取。
氯化石蜡基支载型离子液体在极压抗磨剂中的应用
王中立, 胡先海, 程从亮, 谢金刚, 江照雯
2020, 39(2): 253-257. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190336
摘要:
通过分子结构设计,将甲基咪唑引入氯化石蜡(CP)分子链中,合成氯化石蜡基支载型离子液体(CP-mimCl),并通过与基础油复配应用于极压抗磨领域。结果表明,热稳定性方面,最大分解温度CP-mimCl提高24 ℃,最大分解速率降低3.2%/min,并且表现出分解速率较低的特点;极压抗磨性能方面,不同载荷下CP-mimCl复合混合液的平均磨斑直径较CP复合混合液降低6.8%、7.7%、7.3%,摩擦系数降低36.2%,平均pB值增大15.7%;SEM结果表明,CP-mimCl复合混合液的磨斑形貌较CP复合混合液更为致密和细腻。
仪器、仪表科学与技术
一种新型DSCNN-GRU结构的减速机轴承故障诊断方法
汪洋, 郭利进
2020, 39(2): 258-266. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190113
摘要:
结合深度学习理论,将一维卷积神经网络运用于振动信号故障诊断,相较于传统方法,提取特征简单且高效。为进一步优化一维卷积结构,弥补其在信号所有位置的寻找模式,联系周期内的故障特征,提出一种新型DSCNN-GRU网络。该模型融合了深度可分离卷积的轻量快捷,降低了一维卷积结构参数;加入门控机制,可记忆分析故障点的信号特征,联系周期内的信号关系,更好地捕捉信号故障特征,提升对时间序列的敏感性。提出一种跟踪梯度优化Adam算法,解决模型随时间窗振荡问题。通过采集的减速机滚动轴承数据研究表明,该算法平均故障识别率可达94%以上,分类效果明显,泛化能力强。
磁流变阻尼器阻尼通道结构参数对响应时间的影响研究
姚东东, 刘建勋, 马秋成, 涂奉臣
2020, 39(2): 267-272. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190117
摘要:
通过ANSYS软件进行磁场仿真得出了不同磁流体通道间隙,磁极长度,磁极形状以及磁回路厚度下磁流变阻尼器磁感应强度随时间变化的曲线图。通过分析磁场仿真结果得出:随着磁流体通道间隙的增加,其响应时间呈上升趋势;随着磁极长度的增加,其响应时间减小;磁极表面有不同形状,当磁极表面形状为平面且有圆弧倒角时其响应时间最短;活塞磁场未饱和时,随着磁回路的厚度的增加其响应时间增大,当活塞磁场饱和时,磁回路的厚度对磁流变阻尼器的响应时间不会产生影响。
运载工程
人工蜂群优化BP神经网络在汽车座椅舒适性中的应用
龙江, 郭鹏程, 陈梓铭, 陈翼华, 李落星
2020, 39(2): 273-281. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190129
摘要:
汽车座椅舒适性的主观评价和客观评价之间的关系存在复杂性和高非线性的特点。传统的BP神经网络(反向传播神经网络)对初值敏感且容易陷入局部最优解,因此无法建立精确的座椅舒适度预测模型。针对该问题,提出利用人工蜂群算法优化后的BP神经网络(ABC-BP)来预测座椅的舒适性的方法。通过开展体压试验得到了176组压力分布样本数据,其中89%的数据作为模型的训练部分,11%的数据作为模型验证,将预测结果与真实值相比较,ABC-BP预测模型的均方误差MSE为0.0019,确定性系数R2为0.946,比传统BP神经网络预测模型得到的MSE降低了84.68%,R2提高了42.5%。结果表明,利用人工蜂群算法优化后的BP神经网络所建立的汽车座椅舒适性预测模型稳定性更强、预测效果更加精准。
粒子群优化的SVM提升钢丝绳故障诊断
黄帅, 吴娟, 李琳琳, 李鑫鑫
2020, 39(2): 282-287. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190121
摘要:
为了加强多绳摩擦提升系统的提升钢丝绳故障与提升钢丝绳张力之间的联系,提出了基于支持向量机(SVM)以及最小二乘支持向量机(LSSVM)的诊断模型。在MATLAB中应用粒子群优化算法(PSO)对模型参数进行优化,得到具有最优参数的支持向量机诊断模型;在某矿的提升系统进行三种故障及正常状态试验,利用东方所INV3060S采集仪获得的钢丝绳故障及正常状态数据对PSO-SVM以及PSO-LSSVM进行训练以及预测,结果显示PSO-SVM的运算结果的误差及均方误差较小,PSO-LSSVM的运算速度较快,且两种算法都能有较好的故障诊断能力。
超磁致伸缩致动器输出位移信号降噪方法研究
李一宁, 张培林, 何忠波, 薛光明, 吴定海, 李胜
2020, 39(2): 288-294. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190103
摘要:
为了去除超磁致伸缩致动器输出位移信号夹杂的噪声,运用形态分量分析理论对输出位移信号进行降噪处理。针对形态分量分析算法中阈值处理的潜在缺点,通过构造模糊阈值函数,提出了模糊形态分量分析算法。仿真与实验结果表明:从降噪后信号对比看,模糊形态分量分析算法得到的致动器输出位移信号噪声基本被去除干净;从仿真评价指标比较,模糊形态分量分析算法的信噪比最高、均方根误差最小、相似系数最大。因此模糊形态分量分析算法显示出了在超磁致伸缩致动器输出位移信号降噪方面有着独特优势。
材料科学
考虑铣削残余应力的压弯成形仿真计算方法
张敏, 田锡天, 李波
2020, 39(2): 295-302. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190106
摘要:
针对铣削加工引起的残余应力影响工件压弯成形过程中弹塑性应力分布并最终影响成形工件形状精度的问题,提出考虑铣削残余应力的压弯成形仿真计算方法。首先基于弹塑性理论推导了压弯成形应力计算公式,然后建立了考虑铣削残余应力的压弯成形有限元模型,研究了铣削残余应力对压弯成形应力应变分布及回弹的影响规律,采用数值方法建立了考虑铣削残余应力的压弯成形应力计算公式。结果表明:该有限元模型可以用于研究压弯成形应力应变变化规律,低速铣削产生的残余压应力对压弯成形卸载前的应力分布和压弯卸载后上下表面的切向应变影响最大,高速铣削引起的铣削残余应力使得试件压弯卸载后弯曲角度最小,变形程度最大。
航空、宇航工程
共轴双旋翼气动特性数值仿真研究
杨海涛, 夏巍, 刘悦, 胡淑玲
2020, 39(2): 303-308. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190096
摘要:
对悬停和前飞状态下共轴双旋翼的气动特性开展数值仿真研究。首先,分别对悬停状态的旋翼标模和前飞状态的试验模型计算旋翼拉力系数,数值仿真结果与试验结果符合良好。然后,基于多重参考系法建立共轴双旋翼CFD数值模型,分析共轴双旋翼上、下旋翼气动特性变化规律。结果表明,悬停状态下,共轴双旋翼每个旋翼的拉力系数均低于单旋翼拉力系数,本文算例中,双旋翼/单旋翼拉力比可达1.844,且随转速增加而降低。前飞状态下,从避免风车效应的角度考虑,共轴双旋翼优于单旋翼,旋翼间距近的共轴双旋翼优于旋翼间距远的共轴双旋翼。
一种Kriging模型和改进子集模拟的多响应系统可靠性分析方法研究
周成宁, 张培培, 张冕, 王慧敏
2020, 39(2): 309-314. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190128
摘要:
在结构可靠性分析中,一个重要的挑战是减少对功能函数的调用。而在实际工程中的失效问题往往是小概率、多响应,并且相关的功能函数通常是隐式的情况,需要复杂的有限元计算,因此减少对功能函数的调用尤为重要。为了构建精准的代理模型,针对系统中的多个响应,分别构建了Kriging代理模型,采用拉丁超立方抽样提高其有效性,采用主动学习方式提升了Kriging模型的精度,同时减少了样本量。为了提升多响应模式下子集模拟的计算效率,采用了改进的子集模拟方法。为了解决小概率失效问题以及减少对功能函数的调用,结合Kriging模型和改进的子集模拟建立了AK-GSS模型。算例分析表明该模型为多响应模式下相关的结构可靠性分析提供新方法。
主法向方向单调自由曲面简易骨架图生成算法
王洪申, 赵红红, UwimbabaziAngelique
2020, 39(2): 315-320. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190100
摘要:
利用骨架图进行三维模型的相似性比较研究在工程中有着重要的应用,可以有效地解决检索与重用等问题。本文给出了一种用简易骨架图描述主法向方向单调自由曲面(沿曲面的主法向方向的任一直线与该曲面最多只有一个交点)的方法。首先,求自由曲面的总法向量,按照总法向量的反方向将自由曲面投影到二维平面上,得到投影曲面;然后,求取投影曲面的骨架点和骨架线;最后,将投影曲面的骨架线按照自由曲面的总法向量方向进行柱面拉伸与自由曲面产生交线,该交线就是自由曲面的简易骨架图。并将本文算法与MATLAB中求骨架算法进行比较,实验表明,本文所得的简易骨架图可以更好地描述主法向方向单调自由曲面的几何与拓扑特征,为比较自由曲面的相似性提供了理论技术基础。
飞机电传油门台的优化设计与分析
郭丽丽, 凌钢, 喻彪, 宋桀, 李刚, 邢天天, 曹梦雨, 刘雷
2020, 39(2): 321-328. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190286
摘要(123) HTML (37) PDF 961KB(22)
摘要:
为了满足我国油门控制系统的发展需求,提出了一种符合人机工学的新型电传油门台。首先,为便于实现不同运动形式之间的转换,油门台采用基于连杆传动+齿轮传动的平推式设计方案。其次,基于偏差最小理论对油门台传动机构进行优化设计,利用MATLAB优化工具箱中的fmincon函数得到传动机构的基本尺寸。然后,通过微分法和"有效杆长理论"对油门台系统精度进行分析。得出结论:最大传动误差发生在停车位;连杆3比连杆2对传动精度的影响大,且二者影响趋势相反;在B点应选择轴承内圈与连杆3相连的连接方式,减小转动副间隙对传动精度的影响。通过原理样机试验验证结果表明:试验结果与设计结果相符,该油门台设计方案正确可行。