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2019年  38卷  第7期

综述
振动能量收集技术的研究现状与展望
张允, 王战江, 蒋淑兰, 王茜
2019, 38(7): 985-1018. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2019.20180279
摘要(711) HTML (465) PDF 2563KB(123)
摘要:
气候变暖、海平面上升、冰川消融等自然环境变化对人类社会的发展构成巨大挑战,迫使人们加速绿色能源技术的开发。微纳米技术、机械与材料工程的迅速发展使得振动能量的收集与应用成为可能,其主要部分为通过电磁转换、静电转换、压电转换、磁致伸缩转换、磁电转换、摩擦纳米发电以及它们的复合形式将振动能量转化为电能。其中摩擦纳米发电是最新的研究热点之一。本文回顾了振动能量收集技术原理、材料、结构等方面的研究现状,重点综述了国内外学者的主要研究成果,详细阐述了多种收集方式的原理、特点和电学输出性能,总结了目前该技术存在的关乎耦合性能、频带、收集效率、集成性和寿命等有待进一步解决的关键问题,并由此展望振动能量收集技术的研究发展趋势,希望为集能设计研究领域的工作者提供有价值的参考。
机械动力学
模糊分数阶滑模控制的主动横向稳定杆算法
郭存涵, 苏小平, 缪小冬
2019, 38(7): 1019-1023. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2019.20180271
摘要(263) HTML (126) PDF 885KB(14)
摘要:
汽车转向出现横向侧倾时,主动横向稳定杆能够实时计算并输出相应的力矩,抑制悬架弹簧变形,从而使车辆拥有良好的侧倾运动性能。基于滑模变结构控制理论的主动横向稳定杆相较于PID算法及模糊控制算法拥有更好降低车辆横向倾斜的能力,但是在系统状态到达滑模面时总伴随着抖振现象。对此,在控制器滑模面定义过程中引入了分数阶微积分理论,利用模糊规则实现对切换增益参数的自适应调整。通过进行Carsim-Simulink联合仿真,验证了该算法对汽车侧倾角有较好的控制效果,并抑制了抖振现象。
LLTSA特征降维与ELM模型在单向阀故障诊断中的应用
张朝林, 范玉刚
2019, 38(7): 1024-1028. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2019.20180296
摘要(135) HTML (50) PDF 875KB(13)
摘要:
信号的单一特征难以全面反映设备运行状态,而利用多域特征表征设备运行状态时,随着特征维数增加,将引发维数灾难,导致分类器性能退化,降低状态监测模型的辨识性能。针对这一问题,提出线性局部切空间排列(Linear local tangent space alignment,LLTSA)特征降维与极限学习机(Extreme learning machine,ELM)模型的故障诊断方法,利用LLTSA从高维特征空间提取低维流形,实现信号特征的维数约简,保证模型分类性能。该方法首先利用完备总体经验模态分解(Complementary ensemble empirical mode decomposition,CEEMD)对振动信号进行分解,采用相关系数与峭度准则筛选分量,重构得到降噪后的振动信号;然后,计算重构信号的多域特征,并利用LLTSA进行特征维数约简;最后,利用其低维本质特征建立ELM故障诊断模型,监测设备运行状态。高压隔膜泵单向阀运行状态监测实验表明,对振动信号进行特征维数约简,降低特征间的冗余性,可提高ELM模型的故障识别精度。
激光修复TC4钛合金材料动态力学性能
王涛, 乔伟林, 李战, 王盛, 王宁, 王浩
2019, 38(7): 1029-1034. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2019.20180268
摘要(153) HTML (246) PDF 977KB(14)
摘要:
本文针对激光修复TC4钛合金和商用TC4钛合金基材两种试验材料,利用分离式Hopkinson压杆(SHPB)装置,在室温下对两种材料进行动态压缩试验,得到了两种试样材料的真实应力-应变曲线。结果表明:SHPB试验后,两种试样都有明显的墩粗,并且部分试样破碎;两种试样材料都具有明显的应变率强化效应;另外,通过对比分析两种材料相同应变率下的应力-应变曲线,发现激光修复TC4钛合金的动态力学性能略优于商用TC4钛合金基材。
(2-SPS+PU)&R混联式踝关节康复机器人及运动学性能分析
樊晓琴, 李瑞琴, 李庠, 郭旺旺, 王秀娇
2019, 38(7): 1035-1040. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2019.20180277
摘要(451) HTML (137) PDF 966KB(22)
摘要:
基于踝关节康复机理及中医牵引疗法,提出一种(2-SPS+PU)&R混联式踝关节康复机器人。该机器人不仅能实现踝关节的三维转动康复,还能实现踝关节沿小腿方向的牵伸运动。基于螺旋理论对2-SPS+PU并联机构自由度进行计算。采用闭环矢量法对其位置逆解及速度雅可比矩阵求解。使用ADAMS软件对(2-SPS+PU)&R混联机构进行运动学仿真。仿真结果表明:该机构能够较好地达到踝关节康复所需的运动范围,即趾屈、背伸运动时的最大值分别为25°和20°;内收、外展运动时的最大值均为30°;内翻、外翻运动时的最大值均为20°;牵伸运动时的最大值为25 mm,满足受损踝关节的康复需求。
复杂煤层赋存条件下螺旋滚筒力学行为研究
田震, 赵丽娟, 张建军, 高珊
2019, 38(7): 1041-1047. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2019.20180283
摘要:
为研究复杂煤层赋存条件下螺旋滚筒的力学行为,基于Drucker-Prager屈服准则构建出煤岩材料的本构模型。通过对螺旋滚筒截割过程进行了数值模拟,得到了煤岩体的应力分布、截齿以及螺旋滚筒的受力变化规律。在0°~12°范围内,随着倾斜角的增加,截齿受力均值增大了30.9%。牵引速度增大使得与截齿接触的煤岩体所积聚的弹性能量和脆性增加,煤、岩体应力最大增幅分别为40.1%和9.3%;螺旋滚筒转速降低使得与截齿接触的煤岩体应力有所降低,煤、岩体应力最大降幅分别为27.0%和7.5%。牵引速度增大及螺旋滚筒转速的降低使得三向力中牵引阻力的增幅最大,其最大增幅为91.73%。螺旋滚筒载荷大小及波动随截割对象性质不同而出现明显的变化。
精密制造与加工
机床直线进给系统性能测试平台的测控系统设计
黄敏凯, 梁睿君, 邵伟业, 宋丹, 李伟
2019, 38(7): 1048-1054. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2019.20180282
摘要:
为了研究机床直线进给系统的性能,设计了一种测试平台。其控制系统包括电机驱动、随动加载电机控制和气动控制,测量系统包括传感器布局和测量软件开发。设计了控制电路和控制器,以控制被测进给单元和随动加载单元的同步直线进给运动;采用气压缸模拟切削力,对被测进给单元在三个方向上施加随动力;合理布局温度、位移、加速度、扭矩、光栅传感器,以实现对被测进给单元各项性能参数的测试;开发了测量软件,用于采集传感器信号和分析被测进给单元的性能参数。应用设计的测控系统,测试并分析了切削力对直线进给系统温升和热误差的影响。结果表明:所设计的测试平台及其测控系统可以用于测试机床直线进给系统的各项性能。
圆渐开线涡旋压缩机控制系数的研究
侯才生, 刘涛
2019, 38(7): 1055-1060. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2019.20180278
摘要(200) HTML (108) PDF 933KB(14)
摘要:
在涡旋型线设计研究中,针对型线表达形式各异、缺乏简洁有效的型线通用模型这一弊端,本文运用矢函数和微分几何理论建立了集成涡旋型线函数方程,该方程打破了传统型线研究中一种型线对应一种模型的局面,不但能涵盖圆弧型线、基圆渐开线和变径基圆渐开线等典型型线,而且还能构造出新型高效的涡旋型线;通过研究该函数方程中的控制系数变化规律,得到了控制系数与动、静涡旋型线几何性能的映射关系;总结出了控制系数的优选策略,利用这些优选策略能挑选出一系列符合要求的涡旋型线,可根据涡旋压缩机的设计需求从中选出某一种性能良好的涡旋型线。
超高强度钢高速铣削表面完整性实验研究
杨振朝, 杨福杰, 袁启龙, 徐瑾, 李言
2019, 38(7): 1061-1066. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2019.20180280
摘要(205) HTML (123) PDF 938KB(10)
摘要:
为了研究超高强度钢高速铣削过程中铣削参数对表面完整性的影响,本文基于正交实验法,采用涂层硬质合金刀片对16Co14Ni10Cr2Mo超高强度钢进行了高速铣削实验。分析了铣削速度、每齿进给量和铣削深度对三维表面粗糙度、表面残余应力和表面显微硬度的影响规律,并对铣削参数进行了优化。结果表明:三维表面粗糙度随铣削速度和每齿进给量增大而增大,随铣削深度的增大,呈现出先增大后降低的趋势;两个方向表面残余应力随铣削速度和铣削深度的增大而升高,垂直进给方向残余应力σy随每齿进给量的增大而升高,而沿进给方向残余应力σx呈现出先增大后降低的趋势;表面显微硬度随铣削速度υc的增大变化不大,随每齿进给量fz和铣削深度ap增大而降低;每齿进给量fz对表面完整性影响最大;兼顾表面完整性和加工效率,最优铣削参数组合为:υc为150.7 m/min,fz为0.02 mm/z,ap为1.0 mm。
复合机床动态耦合特性分析及优化
赵家黎, 黄利康, 吴丽媛, 胡赤兵
2019, 38(7): 1067-1073. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2019.20180281
摘要(168) HTML (160) PDF 1032KB(15)
摘要:
针对自主研制的复合机床多工况和多轴联动的特点,对机床在多轴联动下的动态耦合特性进行仿真分析,结果表明立柱为影响机床动态耦合性能的关键结构件;以立柱为优化目标,提出了一种BP神经网络近似模型与NSGA-Ⅱ算法相结合的优化设计方法;采用最佳填充空间试验设计,在设计空间抽取样本点进行网络训练,并构建神经网络近似模型;利用NSGA-Ⅱ算法对神经网络模型循环逼近优化,得到Patero前沿解。结果表明,优化后整机前两阶固有频率得到较大提升,机床在X、Y、Z方向上的共振峰值分别下降了41.0%,57.5%和39.7%。
仪器、仪表科学与技术
刚性摆起重机PID控制防摇研究及实验验证
梁成, 刘放, 薛齐豪, 徐航
2019, 38(7): 1074-1078. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2019.20180275
摘要:
针对实际工程需求,对刚性摆起重机防摇特性进行研究,建立了刚性摆起重机摆动的数学模型及其状态方程。利用MATLAB研究在相同单位冲击下,自由系统停止摆动所需的时间和施加PID控制的系统停止摆动所需的时间。以停摆时间作为判断标准,PID控制能明显地减小起重机停止时的摆动,具有很好的控制效果。以STM32f103为下位机,LABVIEW为上位机建立刚性摆起重机的仿真实验平台。经过实验验证,刚性摆起重机的PID控制能够满足实际的工程需要,能明显减小刚性起重机停摆时间和最大停摆角度,极大地提高了刚性摆起重机的工作效率。
融合EHF-TCDs与SVM的旋转机械轴心轨迹识别方法
孙国栋, 徐亮, 徐昀, 高媛
2019, 38(7): 1079-1086. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2019.20180274
摘要(293) HTML (152) PDF 1057KB(12)
摘要:
针对运用轴心轨迹进行旋转机械故障诊断时,存在提取特征困难和识别率低等问题,在精确型高度函数EHF1(Extract height function 1)和TCDs(Triangular centroid cistances)描述子的基础上提出了一种EHF-TCDs描述子,并使用平滑化和傅里叶变换对其进行降维,该描述子具有起始点不变性、相似变换不变性、抗噪性、低维度等特点,并能充分表征轴心轨迹,再使用SVM对提取的EHF-TCDs描述子特征进行训练与测试,进而提出了一种新的旋转机械故障快速诊断方法。通过一个无噪声和4个有噪声的模拟轴心轨迹库和一个实测轴心轨迹库验证了该方法的有效性,其识别率都在99.57%以上,单个样本平均测试时间不超过0.021 ms。
油浸式变压器温度场的可控发热模拟装置研究
李洋, 赵振刚, 许晓平, 李川, 李英娜
2019, 38(7): 1087-1092. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2019.20180276
摘要(228) HTML (131) PDF 1008KB(10)
摘要:
通过研究油浸式电力变压器的热生成与热传导机理,研制了一种内部热源的可控发热变压器模拟装置。利用热电偶传感器对内部热源的变压器进行多点测温,并把内部热源变压器绕组温度数据与油浸式变压器绕组温度进行分析和比较。结果表明,研制的变压器在额定功率工作条件下,顶层油温81.7℃,底层油温57.7℃,顶层绕组88.5℃,底层绕组72.9℃,顶层油温及关键节点温度和大型油浸式电力变压器绕组温度基本吻合,额定功率下最大温度偏差为0.5℃,1.3倍额定功率下最大温度偏差为0.6℃。
ADMOW方法及其在滚动轴承状态识别中的应用
潘海洋, 张建, 郑近德, 潘紫微
2019, 38(7): 1093-1100. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2019.20180285
摘要(194) HTML (111) PDF 1164KB(10)
摘要:
针对滚动轴承振动信号的状态特征及特征数据中存在"异常值"的现象,提出了基于优化加权代理判别模型(Agent discriminate model based optimization weighted,ADMOW)的模式识别方法。该方法首先通过计算样本特征值的类相似度对特征值进行评价,并依据评价结果对特征值赋予权值,以此弱化"异常值"导致模型出现偏差的问题;然后利用粒子群优化(Particle swarm optimization,PSO)算法对所建立的模型参数进行优化,得到更加准确可靠的分类模型;最后采用建立的优化加权代理预测模型对待测样本进行识别。滚动轴承实验结果表明,与以往的模式识别方法相比,该方法能有效地提高识别准确率。
扰动观测器在列车速度预见跟踪控制中的应用
米根锁, 李相儒
2019, 38(7): 1101-1108. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2019.20180270
摘要:
针对高速列车在运行中牵引和制动系统必然出现的损耗现象以及车体受到外界环境的干扰是时刻变化的,导致建立的模型参数出现偏差,设计了一种用最优预见控制算法实现的控制器。该算法以列车动力学为基础,确定列车模型传递函数,进行极点配置之后使控制系统稳定;将建立的列车模型作为该算法的被控对象,线路附加阻力和基本阻力作为该算法的扰动输入,并在其基础上加入扰动观测器,进一步提升该控制系统的稳定性能,从而实现列车速度的自动预见控制。仿真结果表明,加入扰动观测器的最优预见算法控制列车按目标速度自动跟踪运行具有良好的抗干扰和自适应性,能在约束范围内使列车运行达到期望状态,且运动轨迹能很好地跟随目标轨迹。
运载工程
活塞环表面织构对缸套-活塞环摩擦学性能的影响
麻凯, 郭智威, 缪晨炜, 袁成清
2019, 38(7): 1109-1117. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2019.20190042
摘要(352) HTML (172) PDF 1153KB(13)
摘要:
为了改善缸套-活塞环的摩擦性能,通过激光刻蚀技术在活塞环工作面加工出不同形状的表面织构。在同一转速、不同载荷下通过微机控制的往复式摩擦磨损试验机研究不同表面织构活塞环对缸套-活塞环摩擦学性能的影响。试验结果表明:在载荷为400 N工况下,活塞环的椭圆、圆形、方形织构摩擦系数分别可以降低1.1%、18.3%、14.1%;载荷600 N工况下,3种织构分别可以降低35.3%、35.3%、19.1%;综合分析摩擦系数、表面形貌、接触电阻,圆形凹坑织构的活塞环在降低摩擦系数、提高油膜润滑状态等方面效果最优。
船舶柴油机排气管道热电转换系统设计及其性能分析
牛牛, 杨祥国
2019, 38(7): 1118-1125. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2019.20190051
摘要(204) HTML (129) PDF 1179KB(13)
摘要:
提出了一种应用于船舶柴油机排气管道上的嵌入式鳍片热电转换系统,并对其结构进行了新型设计;建立排气管道热电转换系统三维模型,分析废气管道中嵌入式热电模组在不同条件下的流场、温度场以及电场分布特性;搭建排气管道热电转换系统模拟试验装置,验证数值计算结果准确性。结果表明:数值计算结果与实验结果相吻合,最大发电功率误差均在5%以内,嵌入式鳍片模组的发电功率比无嵌入式鳍片模组的发电功率提升了约3.2倍;系统设计过程中,需同时考虑鳍片高度、鳍片数量与流场特性、泵功率、净发电功率之间的关系,使其达到最大发电量,该装置通过鳍片增加传热面积,降低热阻,进而提升热电模组发电性能。
材料科学
先进高强度热镀锌钢板DP600镀层本构模型研究
李贵, 龙小裕, 崔赛赛
2019, 38(7): 1126-1131. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2019.20180273
摘要(204) HTML (119) PDF 1100KB(11)
摘要:
镀锌层是镀锌钢板冲压成形中一种易被忽略的微观对象,但对板料的成形性能有一定影响。因此,本文基于纳米压痕实验和杯突实验对先进高强度热镀锌钢板DP600镀锌层的力学性能进行了研究。依据纳米压痕实验获得镀锌层的载荷-位移曲线和弹性模量;结合ABAQUS有限元数值模拟纳米压痕过程,以及应用Π定理对纳米压痕进行量纲分析,推导出镀锌层的本构模型;将该镀锌层本构模型应用到杯突实验数值模拟中,并与拉深实验结果进行对比。结果表明,考虑镀层的数值模拟结果相比未考虑镀层的数值模拟结果与杯突实验结果更为接近。
航空、宇航工程
双正交RSSR副翼差分机构运动分析与优化
宋春雨, 张涛, 彭波, 马尚君
2019, 38(7): 1132-1137. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2019.20180272
摘要:
以RSSR空间机构为基础构型设计了双正交RSSR副翼差分机构,建立了差分机构分析模型,采用D-H方法进行了开式运动链坐标变换,利用杆长法推导了差分机构的运动分析表达式,得到了不同杆长条件下差分机构的运动特性,确定了符合副翼控制精度要求的杆长条件,并在多体动力学软件ADAMS中建立了仿真分析模型,对理论分析进行了验证。结果表明双正交RSSR副翼差分驱动机构可实现左、右副翼在同一驱动舵机作用下反向运动、偏转角度相等的差分驱动目的,通过特定杆长配置可实现传动比近似为1的等速传递。
EM算法下飞机IDG删失数据的可靠性分析
孔祥芬, 张利寒, 蔡峻青
2019, 38(7): 1138-1142. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2019.20190061
摘要(205) HTML (118) PDF 877KB(16)
摘要:
为了更为精确地分析随机删失情况下故障数据的可靠性,本文以统计学理论为支撑,提出将期望-极大值(Exception maximization,EM)算法应用于随机删失数据的还原处理过程中。采集B737NG飞机IDG部件故障数据,利用K-M估计法及MATLAB软件确定其寿命分布类型为两参数威布尔分布;利用EM算法估计随机删失情况下威布尔分布的未知参数;进行可靠性及维修性分析。实证分析结果表明,威布尔分布下考虑删失数据时的可靠性分析精度更高,并根据该结论对B737NG飞机IDG部件维修计划的制定提出具体建议。
高升力系统十字轴万向节自润滑技术试验研究
张辉辉, 孙军帅, 张光炯, 李杰
2019, 38(7): 1143-1148. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2019.20190104
摘要(307) HTML (119) PDF 1034KB(12)
摘要:
十字轴万向节广泛应用于飞机高升力系统的传动子系统,针对S82、B23及自润滑涂层3种不同材料的十字轴万向节,本文设计了试验并测试了十字轴万向节的传动效率和磨损量,试验结果表明自润滑材料的十字轴万向节的传动效率最高,且磨损量最小。此外,本文提出了十字轴万向节传动效率和磨损量的计算方法,可根据机上的安装角度计算十字万向节传动效率和寿命末期的磨损量。