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2020年  39卷  第3期

机械动力学
分布式卷积神经网络在刀具磨损量预测中的应用
董靖川, 徐明达, 王太勇, 乔卉卉, 张兰, 李昊霖
2020, 39(3): 329-335. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190131
摘要(539) HTML (364) PDF 1112KB(119)
摘要:
刀具磨损量预测对提高设备运行的安全性和可靠性具有重大意义。为了提高刀具磨损量预测精度,本文提出了基于分布式卷积神经网络的刀具磨损量预测方法,该方法将原始高频信号样本作为输入,在模型中分为若干个子序列,利用分布式卷积-池化层作为局部特征提取器,从子序列中自适应提取特征,并对特征数据进行批标准化处理,最后经过非线性映射,对刀具磨损量进行预测。本文提出的模型与BPNN模型相比均方误差降低了51.3%,具有更高的预测精度。
湿式离合器钢片平行度对其热特性影响分析
张志刚, 梁美林, 陈瑶, 张本柱
2020, 39(3): 336-343. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190134
摘要(374) HTML (164) PDF 1144KB(45)
摘要:
针对湿式离合器开发过程中对偶钢片平行度的实际设计要求,运用ABAQUS有限元分析软件建立湿式离合器摩擦副三维有限元模型,研究对偶钢片平行度对其热特性的影响,为对偶钢片平行度的设计要求提供了理论依据。研究结果表明,对偶钢片平行度会改变摩擦副接合面接触压力分布状态,增加对偶钢片径向温度梯度和应力梯度,使其接合表面出现局部高温区;对偶钢片最高温度和最大应力随平行度的增大而增大,当平行度为0.1 mm时,对偶钢片最大等效应力超过其材料的屈服极限,材料会发生塑性变形。
匹配追踪在变转速齿轮故障诊断中的应用
荆双喜, 罗志鹏, 冷军发, 王志阳
2020, 39(3): 344-349. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190133
摘要(289) HTML (136) PDF 1128KB(27)
摘要:
针对变转速工况下低速级断齿齿轮产生的加速度信号含有冲击共振,且准平稳成分能量低的特点,通过最值搜索直接确定故障齿轮轴每转一圈出现的单个冲击响应峰值的时刻。基于相关滤波法根据峰值时刻右侧较短的时间序列获得模态参数估计(固有频率和阻尼比),减少了计算量。根据冲击字典,使用匹配追踪算法对时域冲击响应成分进行提取;再将去除冲击成分的余量转换到角域,根据稳态调制字典从角域余量中提取系统的平稳型故障特征。仿真与实验表明时域冲击和角域平稳型故障分量被很好的重构;利用阶次跟踪,实现了振动特征提取和齿轮箱的故障诊断。
滚动轴承接触疲劳内部裂纹扩展有限元分析
谢俊杰, 柳小勤, 伍星, 王之海
2020, 39(3): 350-355. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190132
摘要(979) HTML (281) PDF 1043KB(56)
摘要:
滚动轴承滚道在工作过程中承受较大的接触应力,接触疲劳是滚动轴承失效的主要形式。为了探究轴承的接触疲劳以及接触疲劳引起的内部裂纹,将损伤力学带入Voronoi有限元方法中,仿真轴承材料拓扑随机性和材料的劣化过程。建立轴承接触疲劳裂纹扩展模型,有效仿真出轴承内部裂纹的萌生、生长、相交、扩展至表面的过程,得到轴承表面裂纹出现的寿命和内部裂纹扩展路径。计算了裂纹扩展过程中所释放的能量,研究内容能够为轴承接触疲劳损伤研究提供新的思路和工具。
椭圆控制理论在轴承故障检测中的应用
周建民, 余加昌, 张龙, 李鹏
2020, 39(3): 356-360. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190151
摘要(469) HTML (173) PDF 977KB(27)
摘要:
本文将椭圆控制理论引入到轴承故障检测中,提出新的轴承故障检测方法。首先对轴承正常状态下的数据进行分段,以各段数据提取到的AR模型系数和残差为参考状态向量,然后将待测数据的AR系数和残差依次添加到参考状态向量中并计算其前两阶主成分,以得到的前两阶主成分构建控制椭圆,最后根据待测数据AR系数和残差的前两阶主成分在椭圆控制图中的分布来判断轴承是否发生故障。实验结果表明:该方法可有效地识别轴承是否出现故障。
阶次跟踪和双树复小波的轴承在非稳定运行时的故障诊断研究
邢义通, 周鸿博, 李志鹏, 张玉皓, 胡志芳
2020, 39(3): 361-366. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190149
摘要(311) HTML (159) PDF 1074KB(16)
摘要:
风力发电机、转炉等设备常工作于变速工况下,滚动轴承作为设备的重要零部件之一,在非稳定运行时,传统的FFT分析存在"频率混叠"现象,难以提取有效的故障特征信息,故提出阶次跟踪和双树复小波相结合的故障诊断方法。首先运用阶次跟踪将非平稳的时域振动信号转化为平稳的角域信号,再应用双树复小波降低角域信号的信噪比,最后进行阶次谱分析,从而实现对滚动轴承在非稳定运行时的故障特征识别。通过仿真和实验数据分析,验证了该方法的可行性和有效性。
考虑横向载荷转移的4WID-EVs侧向力及侧偏刚度估计
唐新华
2020, 39(3): 367-373. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190147
摘要(412) HTML (128) PDF 947KB(19)
摘要:
针对分布式电驱动汽车轮胎侧向力和侧偏刚度不易测量的问题,考虑到车辆横向载荷转移,结合无迹卡尔曼滤波和扩展卡尔曼滤波优点,设计了双卡尔曼滤波观测器分别估计轮胎侧向力和侧偏刚度。建立7自由度车辆模型,基于无迹卡尔曼滤波算法设计轮胎力观测器,并以此作为侧偏刚度观测器的输入;基于扩展卡尔曼滤波算法设计了轮胎侧偏刚度观测器;最后,在MATLAB/Simulink环境下仿真分析,结果表明在不同行驶工况下该观测器均能够有效估计出轮胎侧向力和侧偏刚度。
精密制造与加工
局部法评定铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳性能
牛亚辉, 孙国芹
2020, 39(3): 374-378. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190153
摘要(256) HTML (77) PDF 862KB(16)
摘要:
三种不同的局部法,临界距离法、应力平均法和等效应力强度因子法,用于评估Al6082-T6铝管搅拌摩擦焊焊接接头的疲劳性能。结果表明,3种疲劳评定方法都能对铝合金搅拌摩擦焊接头做出合理的评定。运用临界距离法时采用Peterson修正公式计算临界距离参数L,结果表明该方法能够精确预测出Al6082-T6铝管搅拌摩擦焊焊接接头的疲劳极限,预测误差仅4%,并能预测出接头疲劳薄弱区域;应力平均法的预测结果偏保守,预测结果较试验值低7.46%,其将焊趾视为尖锐缺口的做法具有工程应用价值。等效应力强度因子法通过将接头模拟成带标准裂纹的构件来计算焊接接头等效应力强度因子范围,并通过与接头裂纹扩展门槛值比较来判断焊接件是否发生疲劳失效,结果表明等效应力强度因子法能够对Al6082-T6搅拌摩擦焊接头做出合理的疲劳评定。
一种磨削表面微观形貌应力集中系数的计算方法
孙甲尧, 郭紫贵, 赵学清, 李秀兰, 罗静
2020, 39(3): 379-384. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190137
摘要(398) HTML (151) PDF 1019KB(10)
摘要:
针对一种磨削表面微观形貌的应力集中问题提出了一种应力集中系数的精确计算方法。通过实验观察磨削工件表面微观形貌在进给方向具有沟壑状形貌特征,采用缺口模型分析计算磨削表面微观形貌应力集中系数;提出基于二维表面轮廓数据的缺口表征参数计算方法,建立无限大平面缺口模型并采用迭代法对模型进行修正,并用有限元方法进行对比验证。针对磨削表面微观形貌的应力集中系数与缺口模型特征参数-缺口的宽度、深度和谷底半径的定量关系,提供了对应的经验公式。研究工作为磨削表面微观形貌与应力集中系数关联规律研究提供一种定量计算方法,对分析磨削工件表面微观形貌的疲劳性能具有基础作用。
五轴线性插补中非线性误差补偿方法
陈良骥, 睢英照, 王中州, 魏广西
2020, 39(3): 385-390. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190130
摘要(391) HTML (136) PDF 972KB(22)
摘要:
以A-C双摆头五轴数控机床为研究对象,通过对机床的运动学求解,分析了五轴数控机床在加工过程中非线性误差产生机理并建立了非线性误差的数学模型。通过齐次坐标变换的方法,推导出计算加工过程中刀尖点实际位置的数学表达式以及其反计算公式。针对五轴数控机床的旋转轴运动所产生的非线性误差,提出了一种反求插补点的补偿方法。从五轴数控加工旋转中心位置插补算法角度考虑降低非线性误差的方法,通过理论刀尖点位置来反求旋转中心的插补的位置,使实际刀尖点更多地落在理论插补路径上。利用MATLAB进行实际数据的仿真验证,结果表明所提出方法能将非线性误差有效控制在加工允差内,可显著提高五轴数控系统的轨迹控制精度,可见本文所提出方法具有较好的可行性和实际应用价值。
高速电机转子碳纤维圆度误差对风摩损耗的影响
刘湛, 熊万里, 吕浪, 陈庆波
2020, 39(3): 391-399. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190142
摘要(491) HTML (158) PDF 1221KB(26)
摘要:
永磁体碳纤维护套圆度误差对转子表面风摩损耗和电机温度场具有重要影响,进而影响永磁体的不可逆退磁和电机运行的安全性,但该问题目前尚未圆满解决。为此,本文建立永磁同步高速大功率电机计入碳纤维护套圆度误差的气隙三维不可压缩稳态湍流数学模型,基于CFD对模型进行求解,研究永磁体护套圆度误差、冷却参数、转速和温度边界对转子表面风摩损耗的影响规律,并通过与经验公式的计算结果进行比较对模型方法进行特例验证。研究结果表明:随着圆度误差幅值的增大,转子表面风摩损耗不断增加,定子内表面和转子外表面的散热量亦随之增加。
面向复杂工程项目型产品作业车间调度问题
黄伟, 阎春平, 王星荣, 许建平
2020, 39(3): 400-410. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190126
摘要(311) HTML (164) PDF 1121KB(15)
摘要:
针对复杂工程项目型产品作业车间调度问题(CEPP-JSP),在考虑产品生产过程具有成套性、并行性、分散性和高柔性等生产特点的基础上,构建了面向CEPP-JSP的基本生产任务分配和作业中心生产调度的多目标优化模型,提出了改进的非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对优化模型进行求解,从而得到了CEPP-JSP的Pareto综合最优解。最后,以某水轮机公司产品的作业车间调度为例,验证了提出模型和算法的可行性和有效性。
微细电解加工中空电极侧壁绝缘层的制备工艺研究
温杰超, 孔全存, 刘桂礼, 牛献礼, 田元波
2020, 39(3): 411-418. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190150
摘要(301) HTML (130) PDF 1121KB(14)
摘要:
针对孔径100~200 μm高深宽比微细孔电解加工中,电极侧壁绝缘层在电解液冲击和气泡撕裂中易损伤/脱落等问题,本文提出一种丙烯酸环氧树脂电泳法的中空电极侧壁绝缘制备工艺。通过优化工艺参数并开展加工实验,比较加工孔尺寸及形貌、加工后电极表面形态,结果表明丙烯酸环氧树脂电泳法制备的中空电极侧壁绝缘层,具有较高的致密性、均匀性、耐久性和一致性。最后,在500 μm厚304不锈钢片上加工出入口180.6 μm、出口173.8 μm、深宽比约为3的微细阵列孔,其锥度比非侧壁绝缘电极加工的孔减少了约70%以上,基本为直孔,可满足实际需求,进而验证了本方法的应用可行性。
随机森林算法的立铣刀磨损状态评估
李凡, 谢峰, 李楠
2020, 39(3): 419-424. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190135
摘要(317) HTML (110) PDF 906KB(29)
摘要:
制造业自动化水平的提高对数控机床的自我诊断能力提出了新的要求,而人工智能的发展为此开辟了新的解决方案。为了更高效、全面地对刀具磨损状态进行评估,通过采集立铣刀切削时的力和加速度信号,并对其时域、频域与小波能量特征的信号的特征值进行提取,建立了一种基于随机森林算法(Random forest)的刀具磨损状态评估模型。实验数据的对比验证中,随机森林模型对107组测试样本的刀具磨损状态评估准确率达到99.1%,且其建立模型的时间少于1 s。结果表明,随机森林算法具有高效与高准确度的特点,能为刀具磨损状态的在线监测系统的建立奠定基础。
采用磁流变阻尼器的三自由度半主动座椅悬架系统变论域模糊控制
胡国良, 林豪, 李刚
2020, 39(3): 425-432. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190127
摘要(281) HTML (165) PDF 1101KB(23)
摘要:
对座椅悬架系统用磁流变阻尼器进行阻尼特性试验,利用最小二乘法对双曲正切模型进行参数辨识。结合座椅悬架系统的动力学特性,建立三自由度半主动座椅悬架系统模型。针对采用传统模糊控制精度不高的问题,提出一种基于模糊推理的变论域模糊控制策略。以脉冲路面激励和随机路面激励为输入,分别对被动悬架、传统模糊控制半主动悬架系统及变论域模糊控制半主动悬架系统进行动力学仿真分析。仿真结果表明:采用最小二乘法辨识出的参数模型可满足后续计算。所设计的变论域模糊控制策略减振效果明显优于传统模糊控制,能有效隔离路面冲击干扰,使得座椅悬架系统的综合性能得到明显改善。
机械臂多任务协同建模与分配方法
吴仁杰, 阴艳超, 徐凯
2020, 39(3): 433-437. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190124
摘要(341) HTML (170) PDF 909KB(32)
摘要:
针对大型叶片精加工效率低的问题,提出了一种多机械臂协同加工大型叶片的方法,对机械臂多任务协同建模与分配方法进行了深入的研究及详细的阐述。首先构建了大型叶片多机械臂协同加工多任务分配模型,根据叶片的曲率云图将叶片划分为多个加工任务,然后以最短加工时间为目标,提出了一种基于贪婪算法协同加工多任务分配方法,并给出了方法流程和具体步骤,最后通过实例验证了本方法的有效性和可行性。
HOVF WC-10Co4Cr涂层磨削瞬态温度场及应力场数值模拟
易军, 金滩, 邓朝晖, 周炜
2020, 39(3): 438-445. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190139
摘要(336) HTML (113) PDF 1156KB(17)
摘要:
从经典热传导方程和热弹塑性力学出发,建立了磨削过程中移动热源作用超音速火焰喷涂WC-10Co4Cr涂层材料的二维传热模型和热应力模型;在考虑材料热物理参数随温度变化的基础上,利用有限元分析软件ANSYS来研究双层材料在磨削热-结构耦合作用下的瞬时温度场和应力场。数值研究结果表明,由于WC-10Co4Cr涂层热传导系数和比热容比300M钢基体大,所以温升主要停留在涂层内;磨削温度沿工件深度方向非连续分布,涂层基体结合面的温度梯度最大;由于涂层、基体材料热膨胀系数差异较大,在结合面处产生极大的热应力;磨削温度、涂层-基体结合面热应力随涂层厚度的降低而增大。开展了磨削温度测量实验,测量了不同涂层厚度时工件表面的磨削温度,对数值仿真结果进行了验证。
制造资源实时状态驱动的离散制造车间低碳调度研究
蔡酉勇, 吉卫喜, 张朝阳, 彭威, 仇永涛
2020, 39(3): 446-455. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190141
摘要(486) HTML (119) PDF 1132KB(13)
摘要:
针对离散制造车间低碳调度问题,考虑车间制造资源实时状态,构建实时数据驱动的车间状态监测框架,以机床能耗、刀具磨损和切削液损耗作为碳排放来源,结合最大完工时间,建立一个制造资源实时状态驱动的离散制造车间低碳调度模型,并提出一种融合Tent映射的多目标Jaya优化算法。首先使用Tent混沌序列初始化种群,然后引入基于邻域搜索和模拟退火算法的局部搜索方法,并使用严格的外部档案集保存搜索到的解。最后通过灌装设备生产车间的实例数据对算法和模型进行验证,结果表明所提出的算法和模型能够有效求解离散制造车间低碳调度问题,减少车间异常状态对生产计划的影响,降低车间碳排放量。
AZ31B镁合金差温成形温度优化
唐维, 雷静希, 丁超, 张飞
2020, 39(3): 456-460. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190138
摘要(254) HTML (71) PDF 953KB(14)
摘要:
为了获得更利于镁合金差温成形的模具温度与板料温度,采用量子遗传算法(QGA)和支持向量回归机(SVR)相结合的寻优方法用于温度优化。基于镁合金差温成形有限元模型,建立模具各部件、板料的温度与成形件目标区域厚度之间的SVR模型,通过量子遗传算法对建立的近似模型寻优以获得最适合镁合金AZ31B差温成形的温度参数。以NUMISHEET2011中的十字杯形件为研究对象,利用优化后的温度进行差温成形仿真并与试验数据值对比。结果表明,优化后的温度能够使得板料厚度分布更均匀。
仪器、仪表科学与技术
融合虚拟仿真与局部线性嵌入算法的变速箱振动测点优化研究
江鹏程, 杨大为, 冯辅周, 赵永东
2020, 39(3): 461-467. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190146
摘要(329) HTML (106) PDF 1010KB(11)
摘要:
为克服某型行星变速箱故障试验测点选择依赖经验导致有效信息遗失或信息冗余的弊端,论文提出了一种融合虚拟仿真技术与局部线性嵌入算法的振动测点优化方法。在ADAMS软件中建立行星变速箱齿轮-箱体刚柔耦合动力学模型,对不同齿轮状态下箱体表面振动信号进行了仿真;在箱体表面初选传感器测点的基础上,仿真分析了各测点振动信号的各项特征参数;采用局部线性嵌入算法对测点特征参数所构成的高维特征矩阵进行降维,获得了不同齿轮状态下的测点敏感度排序,最后采用加权计算方法得到了振动测点重要度综合排序。结果表明,变速箱各行星排正上方箱体表面和左侧轴承正上方竖直方向测点对太阳轮断齿、行星轮断齿和正常工况区分均具有较高敏感度,可重点采集分析这些测点振动信号来反映齿轮状态,为后续实测试验打下了基础。
运载工程
并联式HEV能量回收与整车稳定性的集成控制
游震洲, 许吉禅, 牛礼民
2020, 39(3): 468-476. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190143
摘要(360) HTML (139) PDF 1150KB(17)
摘要:
针对并联式混合动力汽车(Hybrid electric vehicle,HEV)能量回收过程会影响整车稳定性控制的问题,分析了带有半主动悬架系统(Semi-active suspension,SAS)和防抱死制动系统(Anti-lock braking system,ABS)车型的能量回收系统结构,提出了一种协调分配电-液制动力矩,协调SAS和ABS系统集成控制策略,最大限度地兼容并联HEV能量回收效率和整车稳定性。通过利用CarSim与Simulink平台联合搭建了并联式HEV能量回收系统仿真模型,对集成控制策略进行模拟分析,并与单独控制策略进行对比。结果表明:集成控制策略能够更好地维持行驶稳定性,并合理地分配能量回收比例,提高了车辆燃油经济性。
材料科学
铍青铜C17500应力松弛特性研究
王建平, 郭孟飞, 梁晓, 郝晨星, 朱牛顿
2020, 39(3): 477-483. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190140
摘要(353) HTML (121) PDF 973KB(11)
摘要:
铍青铜C17500作为超导材料用于电力连接器的弹簧触指。为了预防弹簧触指的应力松弛现象,从铍青铜材料本身应力松弛特性入手研究,建立基于Norton蠕变理论的单轴应力松弛模型,并结合Arrhenius理论进行模型改进。通过不同载荷和不同温度下的铍青铜应力松弛试验,拟合出改进的应力松弛本构方程,得出不同载荷和不同温度下模型参数的预测曲线,依据预测曲线实现对铍青铜材料在特定温度下不同应力水平的应力松弛特性分析。
航空、宇航工程
复合材料超声振动低损伤制孔技术研究
邱建平, 陈金祥, 郝浩杰
2020, 39(3): 484-492. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190145
摘要(331) HTML (138) PDF 1292KB(25)
摘要:
为了研究碳纤维复合材料超声振动加工机理,本文提出了直角切削三维细观有限元方法并开展了手持式超声制孔实验。首先,基于直角-斜角切削转换关系构建热力耦合有限元模型进行普通和超声振动直角切削仿真,实现对制孔损伤如纤维断裂、基体破坏及纤维-基体界面脱粘的预测,研究了振动频率如幅值和频率对切削力的影响规律;然后,基于四组特殊纤维方向角的有限元仿真结果,进行了能量分析以量化不同能量耗散机制在普通和超声振动直角切削下的百分比,结合切屑形貌对比,针对为何超声振动能减小钻削力及提高制孔质量进行了剖析。最后,基于仿真获取的振动参数影响规律开展了普通钻削及超声振动钻削的对比实验,并对钻削力与亚表面损伤情况进行了对比。结果表明,基于有限元仿真获取合理的振动参数,有助于实际加工应用中减小钻削力及提高加工质量。