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2019年  38卷  第11期

机械动力学
高速人字齿轮副喷油润滑分析
王琳, 展业青, 刘露露
2019, 38(11): 1641-1646. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190034
摘要(346) HTML (232) PDF 1181KB(48)
摘要:
喷油润滑的设计直接影响齿面润滑油膜分布,而齿面润滑油膜沉积铺展分析是喷油润滑设计的重要内容。本文基于计算流体动力学方法建立了人字齿轮的喷油润滑分析模型,计算了在不同啮合角度下特征齿面的油膜沉积铺展情况。结果表明:特征齿面上位于喷油口下方的区域润滑油的体积比较高,油膜厚度也较大;润滑油喷到特征齿面的油路受到周围轮齿的干涉后齿面润滑油的体积比出现明显下降;不同啮合角度下铺展形成齿面润滑油膜的分布和面积存在一定差异;啮合轮齿处于1.5°啮合角度时,啮入侧两个喷油口才会同时喷射润滑油到同一齿面,此时润滑油膜的面积较大。
节点刚度和惯质对减振器及轨道车辆悬挂性能的影响
陈文韬, 陈政清, 封周权, 樊友权
2019, 38(11): 1647-1653. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190187
摘要(208) HTML (221) PDF 1000KB(33)
摘要:
为了研究节点刚度和惯质对减振器阻尼性能及悬挂减振性能的影响,基于等效原理和强迫振动原理,首次建立了统一的等效"质量-弹簧-阻尼"(MSD)模型和基于节点刚度和惯质的垂向动力学模型。数值分析结果表明:等效阻尼与原阻尼成比例关系,比例因子为刚度比、质量比、阻尼比和频率比的函数;等效MSD模型的振动特性与不考虑节点刚度时的趋势一致,但放大因子有所增加;节点刚度和惯质对减振器和悬挂系统特性的影响效果相反,但综合考虑节点刚度和惯质可以得到合理的悬挂设计。该结果为悬挂结构优化设计提供了一种新的思路和方法。
面向知识推送的设计情境建模及推理
王克勤, 梁孟孟, 李靖, 张新卫, 同淑荣
2019, 38(11): 1654-1662. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190067
摘要(366) HTML (203) PDF 1146KB(17)
摘要:
产品设计领域的知识推送致力于在正确的时机将正确的知识推送给正确的设计人员,当下存在的推送时机不准确、推送内容质量较低且存在滞后性等问题大多是由于对设计情境的刻画不够准确。借鉴情境感知原理,提出一种全面识别设计情境并进行建模和推理的方法。采用分类方法抽取设计情境要素,利用本体构建设计情境模型,进而基于本体模型全面感知获得低层设计情境数据,并对其过滤、融合,以此触发设计情境推理规则,得到高级设计情境信息。最后,以某型号飞机垂尾的设计过程为对象进行演示,验证了模型及方法的可行性及有效性,可为准确、适时、高效的设计知识推送提供支持。
有限元和拓扑联合优化方法及其在机器人结构轻量化设计中的应用
李锦忠, 唐宇存, 陆秋龙, 张建法, 匡绍龙
2019, 38(11): 1663-1668. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190048
摘要(409) HTML (310) PDF 1037KB(40)
摘要:
针对协作机器人轻量化和动态特性的问题,本文提出了一种联合整体有限元分析和局部拓扑优化的机器人轻量化方法,并将其应用于设计一款六自由度协作机器人。该方法通过对整体进行有限元分析得到要优化部件的载荷及边界条件,从而基于上述条件对该部件进行拓扑优化,得到优化结构。优化结果表明优化后结构相对于初始结构整体减重4.83 kg,仿真结果为末端位移减小至2.57 mm,实测为2.88 mm,均达到目标要求,同时将整机六阶固有频率提高11.30%左右,高于当前文献所采用的拓扑优化所提高的1.69%。最后面向交叉韧带定位实验证明了该方法的有效性。
一种三角化解耦1T2R并联机构的型综合与运动学分析
何延, 刘宏昭
2019, 38(11): 1669-1675. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190038
摘要(294) HTML (144) PDF 962KB(48)
摘要:
对一种三角化解耦1T2R并联机构进行型综合,通过分析三角化解耦机构Jacobian矩阵特点,得到其支链驱动副与动平台自由度之间的解耦关系。结合牵连运动与转动自由度条件,得到机构支链自由度。进而以螺旋理论为基础进行型综合。对PU+PRU+PUS机构进行自由度计算,推导出机构位置正反解,分析速度与加速度性能,同时求出正逆Jacobian矩阵,使用ADAMS软件进行建模仿真,验证机构运动学正确性,最后对该机构工作空间进行求解。
运动链同构判别的最少步数序列法研究
刘炀, 许河山, 王艳玲
2019, 38(11): 1676-1681. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190043
摘要(351) HTML (133) PDF 953KB(12)
摘要:
提出用素数刻画机构构件间的运动副,并得到运动链的素数权值矩阵。在此基础上用改进的Floyd算法得到任意两个顶点间走最少步数的最小权值连乘积矩阵,并按一定规则排序。由此映射关系反映了唯一的机构运动链的相互关系,给出两个机构运动链同构的充分必要条件,建立了运动链同构判别的新方法。该方法也适用于一般的无向图的同构判别。最后通过判别实例表明该方法准确、简单且易于在计算机实现,同构判别的解决为机构综合与分析奠定了基础。
三缸内燃式空气压缩机多工况可输出功率分析及动力学仿真
刘玉, 张继忠, 梁竞文
2019, 38(11): 1682-1688. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190221
摘要(508) HTML (127) PDF 1029KB(13)
摘要:
针对传统内燃机驱动的活塞式空气压缩机工作过程中效率低的问题,设计了三缸内燃式空气压缩机原理方案,使其在输出气体压力能和驱动内燃机附属系统工作的基础上可额外提供一定的功率以带动机器外部的其他工作载荷。采用理论分析计算与仿真计算相结合的方法,研究得到了在不同油门开度和不同输出气压的工况下空气压缩机可输出功率的变化情况。基于虚拟样机技术建立了内燃式空气压缩机主体部分的动力学仿真模型,对其进行了动力学仿真分析,研究得到了特定工况下仿真模型运动特性和受力情况的数据,分析了计算结果和仿真结果的误差。
仿生爪刺对抓式履带爬壁机器人设计与分析
刘彦伟, 王李梦, 刘三娃, 李鹏阳, 梅涛, 李言
2019, 38(11): 1689-1694. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190220
摘要(265) HTML (142) PDF 1179KB(96)
摘要:
针对粗糙壁面和天花板上爬行的应用需求,基于毛虫腹足趾钩阵列对抓机理,提出了一种仿生爪刺对抓式履带爬壁机器人。该机器人履带由数十个仿生爪刺对抓足通过链条结构连接构成,仿生爪刺对抓足与机器人本体构成凸轮机构,模仿毛虫爬行过程中腹足趾钩的抓附、脱附动作,能够实现在粗糙天花板和壁面上稳定爬行。建立了毛虫腹足趾钩阵列对抓机理模型,仿生设计了爪刺对抓式履带爬壁机器人,分析了机器人爬行过程中仿生爪刺对抓足的抓附、脱附动作,并在粗糙天花板和壁面上对机器人样机开展了爬行实验。
离合器参数对HMCVT换段品质的影响规律研究
陆凯, 鲁植雄, 程准, 郑诗强
2019, 38(11): 1695-1701. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190027
摘要:
为了提高HMCVT的换段品质,通过仿真与试验相接合的方法对离合器充油流量和压强与换段品质之间的关系进行了研究。分析了滑摩阶段离合器从动端转速和离合器传递转矩的变化规律,同时使用SimulationX建立了变速器模型,并在一定条件下对该模型进行了试验验证。基于模型研究了离合器充油流量与压强对换段品质的影响,阐述了其影响规律。建立了换段品质总评价函数,基于AHP确定了函数中各评价指标权重值,并得出了换段品质最优时的充油流量与压强组合。在试验条件范围内:增大离合器的充油流量可以减小速度降、最大滑摩功率、滑摩功;增大充油流量对动载荷系数没有影响,增大充油压强会使动载荷系数增大。在充油流量和压强组合为6 L/min,5 MPa时,可以获得最佳的换段品质。
弹性磨具曲面磨抛多目标工艺参数优化研究
张凤勇, 吴晓君, 舒骁, 张露, 杨洋
2019, 38(11): 1702-1711. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190047
摘要(241) HTML (155) PDF 1338KB(12)
摘要:
硬质合金曲面工件磨抛加工时,影响因素较多且存在耦合,磨抛效率低且质量不稳定。为在工件表面实现高效磨抛,同时降低磨具磨损,以M300钢为研究对象,通过分析其与弹性磨具的接触区域特征来建立曲面磨抛的材料去除函数模型,并通过实验验证模型的可靠性。通过单因素实验方法研究磨具的转速、切入深度、进给速度、粒度工艺参数对材料去除率、磨具磨损和工件表面粗糙度的影响规律。利用正交实验和灵敏度分析法确定各个评价目标的优化参数组合和多目标的优化参数区间。实验结果表明,利用该优化参数区间,工件表面质量有所改善,磨具磨损有所减轻。
精密制造与加工
薄煤层采煤机强力螺旋滚筒设计研究
赵丽娟, 王雅东, 刘旭南
2019, 38(11): 1712-1719. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190053
摘要(654) HTML (128) PDF 1086KB(15)
摘要:
为提高夹矸煤岩开采效率,运用理论计算和离散元数值模拟的方法对采煤机螺旋滚筒进行设计研究。利用PRO/E、EDEM构建离散元仿真煤壁模型,导入螺旋滚筒三维实体模型进行耦合模拟截割、破碎含夹矸煤岩过程;以MATLAB为基础利用正交试验法研究夹矸坚固性系数、滚筒螺旋升角、截齿排列方式对滚筒载荷的影响,根据实际工况进行模拟仿真。研究表明:利用正交试验法得出对滚筒受载影响由大到小的顺序为:夹矸坚固性系数、截齿排列方式、螺旋升角;对滚筒载荷波动影响顺序为:截齿排列方式的影响最大、夹矸坚固性系数的影响略次之、螺旋升角的影响要小得多;通过对仿真结果的分析,得到不同煤层赋存条件下螺旋滚筒最优的结构参数,截割夹矸坚固性系数在6.8以上恶劣工况时,相对比于利用交叉式滚筒波动系数最大降低了39.2%;利用设计的强力滚筒对8种典型工况进行模拟仿真试验,验证滚筒设计的可靠性。
工程机械驾驶室隔声量仿真预测
刘杰, 王欢, 汪三龙
2019, 38(11): 1720-1725. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190033
摘要(189) HTML (142) PDF 1022KB(11)
摘要:
本文建立了某工程机械驾驶室的声固耦合有限元模型,通过求解振动-声场耦合控制方程,得到驾驶室各板件的隔声量,为验证声学仿真结果,在半消声室内进行了隔声量测试,并选择合适的隔声垫优化隔声性能,预测隔声优化效果。结果表明:仿真和试验所得隔声量吻合较好,验证了理论方法和仿真模型的准确性,可用于驾驶室隔声性能评估;采用此仿真模型可找出隔声薄弱环节,并辅助选择优化方案,预测改进效果;基于声固耦合的隔声量仿真可用于驾驶室设计阶段的隔声量预测,指导低噪声驾驶室设计。
DBN与PSO-SVM的滚动轴承故障诊断
熊景鸣, 潘林, 朱昇, 孟宗
2019, 38(11): 1726-1731. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190040
摘要(457) HTML (169) PDF 938KB(20)
摘要:
针对如何提高轴承故障诊断的准确率和算法训练的效率问题,提出了一种深度信念网络(DBN)与粒子群优化支持向量机(PSO-SVM)的滚动轴承故障诊断方法。首先,求出信号的时频特征统计量,其次,利用DBN对时频特征统计量进行特征提取,最后,利用PSO-SVM进行分类。实验结果表明:相比于直接用PSO-SVM进行分类,该方法不仅准确率更高,而且算法训练的时间大大缩短了,提高了滚动轴承故障诊断的准确率和效率。
Inconel625镍合金高效精密磨削工艺试验研究
关佳亮, 刘书君, 杨洋, 张龙月
2019, 38(11): 1732-1737. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190035
摘要(207) HTML (119) PDF 893KB(14)
摘要:
采用ELID磨削技术对Inconel625镍合金进行高效、精密加工实验。用正交试验设计和灰色系统理论相结合的实验方法,以表面粗糙度为评价指标,对工艺参数的影响作用进行分析研究,获得了优化参数组合,加工出表面粗糙度为48 nm的样件。实验结果表明,在加工Inconel625镍合金实验中,ELID磨削技术可以有效解决Inconel625镍合金传统加工中刀刃磨钝、崩角开裂等加工难题,实现了对Inconel625镍合金的高效、精密加工。
平面三自由度柔顺机构构型设计与性能分析
占旺虎
2019, 38(11): 1738-1744. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190044
摘要(286) HTML (161) PDF 1109KB(26)
摘要:
采用并联原型机构微分雅克比矩阵与实体各向同性材料惩罚函数法(Solid isotropic material with penalization,SIMP)相结合的拓扑优化方法,以柔度最小和低阶模态频率最大为多设计目标,建立平面三自由度柔顺机构拓扑优化模型实现拓扑优化。以拓扑优化得到的模型边界为形状优化为设计变量,对拓扑优化模型应力与末端位移约束为优化目标进行二次优化。采用增材制造方法3D打印技术对平面三自由度柔顺机构拓扑构型进行加工,并采用雷尼绍双频激光干涉仪进行测量与数据采集。实验与有限元仿真对比结果表明:采用多目标拓扑优化和形状优化组合形成二次优化,运用二次优化方法设计得到的平面三自由度柔顺并联机构,在满足机构具有很好的整体刚度要求下,拥有很高的低阶模态频率实现振动拟制,而且能够实现微纳尺度位移运动特性。
仪器、仪表科学与技术
螺旋锥齿轮齿面测量点分布新方法研究
张婧, 胡海波, 郑惠江, 汪文津, 赵坚
2019, 38(11): 1745-1751. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190030
摘要(293) HTML (117) PDF 990KB(10)
摘要:
针对现有螺旋锥齿轮齿面检测方法不能全面反映齿面的结构特性以及测量数据量过大、测量设备成本高、测量路径复杂、测量点布局没有考虑制造质量特征的影响等问题,提出了螺旋锥齿轮齿面测量点的自适应分布方法,建立了螺旋锥齿轮齿面几何特征和制造质量特征的云模型,研究了螺旋锥齿轮齿面测量点分布算法。并以螺旋锥齿轮副中的小齿轮为例进行了算法验证,结果表明:使用该方法得到的螺旋锥齿轮齿面测量点分布反映了齿面的几何特征和制造质量特征,分布测量点相对较少,基本符合测量点分布预期。
大型船用螺旋桨自适应加工方法研究
张明德, 马帅, 谢乐, 罗静
2019, 38(11): 1752-1759. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190050
摘要(344) HTML (123) PDF 1235KB(15)
摘要:
针对具有自由曲面的大型船用螺旋桨铸造毛坯表面体积大,加工余量大,加工耗时长的问题,结合五轴铣磨复合加工机床提出了一种基于三维扫描的螺旋桨余量自适应加工方法。首先,利用三维扫描仪获得螺旋桨扫描数据,并利用算法进行理论模型与扫描数据的对比;然后,对匹配后的模型进行余量提取,依据模型余量规划螺旋桨加工轨迹线,并应用于螺旋桨叶片铣磨复合加工算法;最后,依据加工理论进行了螺旋桨加工实验并进行了检验。
光纤激光微加工钕铁硼工艺特性研究
仝志宏, 刘国东, 祝锡晶, 黎相孟, 任宁
2019, 38(11): 1760-1765. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190171
摘要:
为寻求一种新型高效的钕铁硼微加工手段,探究了光纤激光刻蚀1.5 mm厚的钕铁硼工艺实验,分析了各工艺参数对刻蚀深度、沟槽表面形貌和热影响区的影响规律。结果表明,刻蚀深度随激光功率的增大而增大,当激光功率为12 W时,深度增加到120.1 μm,随后其增长趋势逐渐趋于平缓。较低的激光频率,能获得较大的刻蚀沟槽深度,最大可达149.3 μm,但沟槽边缘形貌变差。适宜的低速刻蚀,不仅能获得较深的沟槽,而且还能保证材料去蚀量的同时,获得较好的边缘形貌和较小的热影响区。扫描次数增大到6次时,激光深度增大到139.5 μm,此时的沟槽槽壁挂渣最少,边缘形貌最佳。
运载工程
AISI 304不锈钢高速铣孔测温实验研究
尹凝霞, 李广慧, 谭光宇, 温丽宏
2019, 38(11): 1766-1770. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190037
摘要(125) HTML (132) PDF 938KB(11)
摘要:
为揭示立铣刀磨损、破损机理,本文采用课题组自主研发的嵌入式刀柄系统,对难加工金属AISI 304不锈钢进行了不同冷却方式、铣刀转速和铣刀直径等变切削参数的测温实验研究,结果表明:主轴转速10 000 r/min时,由干式切削变为湿式切削最高切削温度可下降246℃;在相同刀孔比(1:1.5)干式铣削时,Ø12 mm铣刀比Ø20 mm铣刀测温点最高温度高500℃;湿式切削加工质量较高,圆柱度均小于0.02 mm,尤其是在深孔铣削加工时,内冷铣削优势更趋明显,为高速内冷铣削方式的推广应用提供参考。
材料科学
面向装配序列规划的模因算法研究
张金敏, 胡晓宇
2019, 38(11): 1771-1777. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190041
摘要(284) HTML (121) PDF 1021KB(17)
摘要:
针对遗传算法在求解装配序列规划问题中收敛速度慢、产生重复解等问题,提出一种基于模因算法的装配序列规划方法。将模因算法中全局搜索与局部搜索相结合动态更新种群的策略引入,采用装配优先约束矩阵和干涉矩阵建立装配规划模型,并以装配单元之间的相异性之和构建适应度函数。在非干涉解空间中进行全局搜索,获得装配规划方案,再通过二叉树中序遍历调序算法将较优方案转化为可行解。通过交叉操作和变异操作后,在可行解空间内进行局部搜索,获得较优解。通过典型柱塞油泵装配规划验证了该算法的可行性和可靠性;并将其与遗传算法进行比较,证明其更有效。
航空、宇航工程
贝叶斯回归的多核ESN在站立姿态下的操纵舒适性预测研究
赵川, 余隋怀, 寸文哲, 陈晨, 王龙
2019, 38(11): 1778-1783. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190046
摘要(238) HTML (146) PDF 1029KB(13)
摘要:
操纵舒适性是人机系统研究的重要内容之一。针对操纵舒适性评价的不确定性和模糊性,构建基于贝叶斯的多核回声状态网络(Echo state network,ESN)模型,对站立姿态下的操纵舒适性进行评价。通过实验,收集不同操纵位置对用户的舒适性影响。15名被试者参与了本次实验,每个被试者需要完成100个操纵任务,实验过程中被试者的操纵姿势、目标位置、脚底压力、被试人体尺寸和主观舒适性的数据将被记录下来。选取了10%的实验数据对所提出的方法进行了验证,并与BP神经网络预测模型进行比较,结果表明T-S FNN模型具有较小的均方根误差。最后随机选取了10组操纵任务与快速上肢评估方法(RULA)进行比较,结果表明该方法和实际值相关性系数为0.97(p < 0.05),与RULA结果的相关性为0.66(p < 0.05),说明该方法能够较好地反应真实结果。
运用光线追迹算法的非均匀温度梯度成像畸变校正
吴军, 徐海涛, 王志军, 陶永奎, 郑建文
2019, 38(11): 1784-1789. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190039
摘要(206) HTML (166) PDF 1015KB(10)
摘要:
针对视觉测量原理应用于高温度梯度环境所产生的成像畸变问题,本文研究了将空间点发出的光抽象为光线,通过修正光线的传播路径,来研究光学系统成像的光线追迹算法,并运用该算法对图像畸变进行校正,与角点检测方法得到的实际误差进行了对比验证。实验结果显示,运用光线追迹算法对热源干扰下造成畸变图像进行校正的方法是可行的,实现了对图像畸变的误差补偿,并能得到较准确的校正后图像。
强降雨条件下高速列车气动特性分析
李海庆, 于梦阁, 李田
2019, 38(11): 1790-1796. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190036
摘要(248) HTML (167) PDF 1201KB(12)
摘要:
基于标准κ-ε双方程湍流模型和拉格朗日离散相模型,研究强降雨条件下列车前端计算区域长度的取值。在此基础上,分析不同车速、不同降雨强度下的高速列车气动特性,并与无雨条件下的计算结果进行比较。研究表明,列车前端计算区域长度应达到雨滴运动水平距离的1.5倍。降雨强度增加,列车周围雨滴浓度整体上增大。雨滴越靠近尾车,浓度越大。车速越大,雨滴飞溅程度越大,飞溅的距离越远。在强降雨条件下,列车的整车阻力、头车阻力、中车阻力均随降雨强度和车速的增加逐渐增大;尾车阻力随降雨强度增加而减小,随车速增加而增大。气动阻力变化的百分比随着降雨强度的增加而增大,随着车速的增加而减小。
低孔隙率碳纤维复合材料的时频模型和局部孔隙检测
杨勇, 黄蔚, 曾祥
2019, 38(11): 1797-1804. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190028
摘要:
本文研究了孔隙率不高于1%的低孔隙率碳纤维复合材料(CFRP)的时频模型和局部孔隙检测方法。将现有的超声波在CFRP内传播的频域模型扩展到时频模型,通过仿真验证了共振结构噪声的存在,研究了共振结构噪声和局部孔隙形成的缺陷回波的频率差异。在此基础上,提出应用变分模态分解分离高频随机噪声和共振结构噪声,提取包含缺陷回波的低频成分进行局部孔隙检测。提出能量函数和瞬时增益的概念,以克服由于声波能量随传播距离降低而造成的近表面信号对远表面信号的遮蔽效果。对低孔隙率CFRP试块的实验表明,基于变分模态分解和瞬时增益的方法能够有效抑制噪声干扰、克服遮蔽效应,实现局部孔隙的准确检测。