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2023年  42卷  第1期

机械动力学
滚动轴承剩余使用寿命预测综述
张金豹, 邹天刚, 王敏, 桂鹏, 戈红霞, 王成
2023, 42(1): 1-23. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200489
摘要(2631) HTML (1440) PDF 3390KB(346)
摘要:
滚动轴承作为旋转机械的关键零部件,其剩余使用寿命(RUL)预测对生产维修和人身安全具有重要意义。由于滚动轴承复杂多变的工作环境,使得同工况的参考样本少而变工况的参考样本较多,具有不平衡、不完整、无标签及噪声干扰等特性,增加了滚动轴承RUL预测的困难。随着大数据时代的来临和人工智能的发展,滚动轴承RUL预测方法也变得更加丰富。因此,在故障预测与健康管理(PHM)的框架下,对滚动轴承失效模式和故障数据特点进行阐述,对故障特征提取、降维和融合方法以及得到的性能退化指标分别进行了分类和对比分析。结合数据驱动算法,对滚动轴承RUL的预测方法、模型选择和评估标准进行了梳理和对比。最后对滚动轴承RUL预测未来的发展趋势进行了展望。
应用ICEEMDAN和SVM的行星齿轮箱故障诊断
王浩楠, 崔宝珍, 彭智慧, 任川
2023, 42(1): 24-30. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220020
摘要(140) HTML (152) PDF 4122KB(52)
摘要:
针对行星齿轮箱复合故障准确分类问题,应用了改进自适应噪声完备集合经验模态分解(ICEEMDAN)和支持向量机(SVM)相结合的故障诊断方法。首先,将行星齿轮箱的不同故障信号分别进行ICEEMDAN分解,得到各阶内禀模态函数(IMF); 其次,利用各阶IMF分量与原信号的相关性大小,剔除虚假的IMF分量; 最后,以优选IMF分量的多尺度模糊熵均值作为特征向量,输入到多分类SVM中进行故障分类,分类准确率高达100%,实验结果证明了该方法的可行性。
结合VMD符号熵与SVDD的滚动轴承性能退化评估
周建民, 熊文豪, 尹文豪, 李家辉, 高森
2023, 42(1): 31-37. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200562
摘要:
针对滚动轴承的早期故障难以检测的问题,提出了一种基于变模态分解(Variable mode decomposition, VMD)符号熵和支持向量数据描述(Support vector data description, SVDD)的滚动轴承性能退化评估模型。首先对振动信号进行VMD分解并提取各个分量符号熵,并采用双样本Z值对各个分量符号熵进行评价,选取双样本Z值最大的特征作为特征向量。特征提取完毕后,采用SVDD模型进行性能退化评估,使用全寿命数据进行模型的验证。实验结果表明,相比于排列熵特征提取方法以及模糊C均值聚类(Fuzzy c-means clustering, FCM)方法,该模型可以更好显示出滚动轴承性能退化规律。
攀爬机器人动力学建模与分析
王学军, 张帆
2023, 42(1): 38-45. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200601
摘要(548) HTML (317) PDF 2695KB(95)
摘要:
在越障运动过程中攀爬机器人动力学特性分析方法。通过指数积空间的形式推导得到了空间速度雅可比矩阵进而减少因微分求导而产生的奇点,基于李群李代数与旋量理论通过拉格朗日方程建立了物理意义明确、计算复杂度低的动力学方程,建立了真空模块的力学模型,求解得到直角面越障过程中真空模块的最佳吸附力,并应用coppeliasim仿真求解出机器人关节驱动力矩,验证了李群李代数与旋量理论建模的正确性及动力学模型的有效性,通过吸附实验验证了真空模块吸附能力。
两栖仿海龟机器人步态规划及分析
芮宏斌, 李路路, 曹伟
2023, 42(1): 46-52. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200571
摘要(215) HTML (184) PDF 3288KB(41)
摘要:
针对清淤机器人移动困难、稳定性差等问题,参考海龟的身体结构和爬行动作,设计出了一种两栖仿海龟机器人。在介绍机器人结构的基础上,利用D-H方法对机器人进行运动学分析,建立并求解了支腿的变换矩阵和运动学方程; 规划了两种仿海龟爬行步态,根据机器人结构规划了电推缸的行程空间,并对足端轨迹和爬行步态做以优化; 在ADAMS中进行运动仿真,分析了机体的位移和速度变化曲线。结果表明,优化后的步态可以大大提高机器人的爬行速度和稳定性。
鲁棒性幅值指数自适应谱幅值调制法
林云, 郭瑜, 刘珍
2023, 42(1): 53-58. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200578
摘要:
近期提出的谱幅值调制(SAM)法可通过调节幅值指数适应不同故障信号的特征提取,具有较好的应用前景。但该方法目前幅值指数的取值需人工判断,尚无法用其实现对故障特征的自动优化提取,且当故障特征受到复杂干扰时,通过人工选择较难选取较佳的幅值指数。为此,本文研究提出了一种鲁棒性幅值指数自适应谱幅值调制法。该方法首先利用角域重采样将信号转换到角域,再通过多点最优最小熵解卷积(MOMEDA)对故障弱冲击特征进行增强,最后利用2阶循环平稳指标(ICS2)自适应选取SAM中的倒谱幅值指数,以该优化幅值指数计算倒谱信号,实现故障特征的自动提取。在行星轴承内圈故障特征提取上进行了验证研究,实验结果表明,本文所提方法能够实现复杂干扰下行星轴承内圈故障特征的自适应提取。
限矩型液力偶合器内部两相流动数值模拟
唐欣怡, 李志鹏, 王阳, 李铁梅, 孙军红
2023, 42(1): 59-66. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200573
摘要:
限矩型液力偶合器内部存在着复杂的气液两相流动,为掌握限矩型液力偶合器内部流场分布及转矩特性变化,分别采用VOF(Volume of fluid)与Mixture两相流模型对偶合器内部流场进行模拟计算,并对其转矩特性进行监测。通过VOF模型获得的偶合器内部气液两相分布情况和通过Mixture模型得到的其内部压力速度分布图能够较好地反映偶合器内部流场变化情况。仿真结果表明:VOF模型能够较好地模拟出偶合器因流态转变而造成的转矩跌落情况,Mixture模型不能模拟出该效果,但在高、低转速比工况下模拟的转矩值仍具有一定参考意义。
轴承间隙对轴承振动影响的理论模型与试验研究
汪凯, 江胜飞, 胡波, 张晓东
2023, 42(1): 67-74. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20230073
摘要(285) HTML (147) PDF 3144KB(57)
摘要:
传动设备在安装和运行过程中,都会存在轴承间隙问题,它是影响轴承使用性能的因素之一,因此对轴承间隙的研究具有重要的理论意义与工程价值。为了确定轴承内间隙对轴承振动的影响,从轴承振动的动力学特性入手,建立了2-DOF滚动轴承的理论模型。对测试的轴承,基于赫兹弹性接触理论分析滚动轴承动力学特性,轴承内圈平衡点的个数取决于轴承间隙的大小。当轴承间隙e<4.5 μm时,有一个稳定的平衡点,而且在平衡点中心附近,轴承内圈存在周期振动;当轴承间隙e≥4.5 μm时,随着轴承间隙和转速的不断增加,系统会产生混沌振动,发生混沌振动的区域也不断增多。同时,对Ø127滚动轴承的台架实验结果表明:在相同的阻尼参数、轴承尺寸和转速下,由实验数据得到的奇异吸引子的结果与通过求解运动方程结果接近,这种定性的结果不仅证实了轴承混沌行为的存在,而且验证了理论模型的可靠性。
中型高压电机轴径向混合通风结构的强化散热特性模拟
彭德其, 周晓辉, 晏才松, 李广
2023, 42(1): 75-82. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200611
摘要(170) HTML (147) PDF 4290KB(24)
摘要:
为了提升电机的通风冷却性能、降低其运行温升,以一台400 kW中型高压电机为例,采用轴径向混合通风结构,通过磁-流-固耦合模拟研究整体电机稳态条件下温升影响规律,提出温升均匀性系数对两种通风结构的冷却效果进行量化评价。研究结果表明:相对于轴向通风结构,混合通风结构温升分布更加均匀,在电机内层和外层绕组温升均匀性系数分别提高了85.78%和6.23%;进一步探讨了径向风道高度及数量对电机温升的影响,径向风道高度为6 mm、径向风道数量为13个时冷却效果最好。
2UPS/RR脚踝康复机构设计与工作空间优化
吴广进, 卢宗兴, 于潇雁
2023, 42(1): 83-91. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200607
摘要(277) HTML (208) PDF 5023KB(31)
摘要:
为了实现脚踝康复运动,设计开发2UPS/RR脚踝康复机器人;通过螺旋理论对并联机构自由度进行计算,使用闭环矢量法求得机构的逆解方程,应用点集搜索法求得机构得工作空间;调整并研究机构杆件空间位置布局对工作空间及面积的影响, 结果表明,优化后的机构的工作空间能够满足脚踝康复所需的运动角度。最后以MATLAB及ADAMS软件通过实例验证逆解正确性, 并仿真得到机构确定点在空间中运动轨迹。
四轮独立驱动EV侧向稳定性H鲁棒容错控制
龙云泽, 封进, 张瑞宾, 韦韬
2023, 42(1): 92-98. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220182
摘要:
为解决参数不确定性四轮独立驱动电动汽车发生执行器及传感器故障时车辆侧向稳定性控制问题, 提出一种H鲁棒容错控制方法。运用故障矩阵函数引入车辆连续性故障, 建立了考虑执行器及传感器故障的二自由度车辆参数不确定性动力学模型。运用线性矩阵不等式求解方法设计车辆侧向稳定性H鲁棒容错控制器, 保证车辆动力学系统渐近稳定性及抗干扰能力, 实现控制系统H鲁棒性能满足给定的干扰衰减指标。搭建CarSim与MATLAB/ Simulink联合仿真实验平台, 验证控制器的有效性。仿真实验表明, 所设计H鲁棒容错控制器能有效提升了车辆的侧向稳定性及安全性, 对车辆故障具有良好的容错控制能力。
防冲液压支架点阵吸能结构设计及其性能分析
沈佳兴, 徐平, 范中海, 于英华
2023, 42(1): 99-105. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200587
摘要:
为提高防冲液压支架的让位吸能大小, 提高防冲液压支架的安全性, 设计一种点阵让位吸能装置。采用有限元仿真的方式分别研究3种典型点阵胞体的比吸能及单位质量支撑力, 确定金字塔结构为最佳拓扑胞体结构。采用三因素五水平的正交实验分析胞体高度, 胞体立足倾斜宽度及胞体立足直径对点阵芯体的吸能大小及支撑力的影响规律, 确定最佳的胞体结构参数。通过仿真分析得到最佳结构参数的金字塔点阵吸能装置的总吸能为1 470 kJ, 支撑力为4 679.76 kN, 且支撑力较平稳。证明金字塔结构点阵吸能装置具有优越的吸能性, 能够提高防冲液压支架的安全性。
精密制造与加工
钛合金疏水表面微坑阵列的掩膜电解加工仿真与分析
张宏伟, 孟建兵, 周海安, 曲凌辉, 董小娟, 李丽, 关庆义, 王帅柯
2023, 42(1): 106-112. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200616
摘要(346) HTML (197) PDF 3388KB(29)
摘要:
为改善钛合金疏水性能, 获得较高的接触角, 使用掩膜电解技术对钛合金进行了凹坑阵列表面微织构的加工。首先, 建立微坑阵列掩膜电解加工的数学模型并进行多物理场耦合仿真; 其次, 分析掩膜电解加工参数对微坑阵列的作用, 并借助润湿理论模型获得微坑阵列的固-液接触面积比; 最后, 以该面积比为因变量, 以电解质质量分数、电解电压和掩膜尺寸为自变量, 进行正交试验仿真和极差分析, 获得最佳工艺参数组合。与仿真预测值相比, 微坑阵列单元体直径、间距、深度、固-液接触面积比和表面接触角的测量值误差均小于8%, 从而表明该方法在未经低表面能材料修饰的情况下, 成功制备了接触角约为140°的微坑阵列。
TC4钛合金电火花小孔加工多目标优化试验研究
张文超, 王帅
2023, 42(1): 113-118. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200598
摘要:
为提升电火花加工TC4钛合金的表面加工质量和加工效率, 选取紫铜圆柱电极开展TC4钛合金电火花小孔加工试验, 采用正交试验法, 以电极相对损耗率、表面粗糙度、工件材料去除体积为工艺指标, 分析峰值电流、维持电压、放电脉宽对工艺指标的影响重要性。采用RBF(Radial basis function)神经网络对已有试验数据进行训练, 建立放电参数与工艺指标之间的数学预测模型。以该预测模型为适应度函数, 将遗传算法与Skyline选择算法结合进行多目标优化仿真, 得到最佳工艺指标, 最后开展多目标优化验证试验。结果表明: 当峰值电流为14 A、维持电压39 V/42 V、放电脉宽102 μs/108 μs时能够取得最优的加工结果, 优化值与试验值误差较小。
引入路径夹角的粒子群-禁忌搜索寻优的速度前瞻算法研究
李敏, 游达章, 许文俊
2023, 42(1): 119-124. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200585
摘要:
对于数控系统中路径为连续微线段的情况, 本文提出一种采用路径夹角进行优化的多轨迹速度前瞻算法。首先基于前后路径的约束关系初算衔接速度; 其次, 利用路径夹角对衔接速度和最大加加速度进行矢量函数映射; 最后, 将所得的加减速参数带入S加减速模型, 得到非对称S型加减速数据。并且采用粒子群-禁忌搜索混合算法对路径夹角的调整系数进行优化, 通过熵权法计算适应度函数合成指标的权重, 得到全局最优解。结果表明, 相较于传统S型加减速, 本文采用的算法显著提高了加工效率, 具有较高的柔性, 极大的提升了加工精度。
应用免穿丝型电火花线切割机床加工汽车连杆裂解槽实验研究
黎毅锋, 刘俊, 何鑫
2023, 42(1): 125-131. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200582
摘要:
为了研究免穿丝型电火花线切割机床加工连杆大头孔内表面双侧裂解槽的质量及效率问题, 以新一代免穿丝型电火花线切割机床为实验设备, 分别进行单工位加工实验与双工位加工实验, 其中双工位加工实验分为不同型号和同型号连杆裂解槽双工位加工实验。实验证明: 单工位加工时实验样品槽深H随运丝频率的增大呈现先减少后增大, 槽宽W受脉冲周期影响显著; 同型号双工位加工时实验样品裂解槽槽深H受电源电压影响显著, 左工位实验样品裂解槽槽宽W在脉宽30 ~40 μs变化明显, 右工位实验样品槽宽W随电压上升而增大。大部分实验组均能在20 s内达到连杆裂解槽加工要求, 具有良好的应用前景。
仪器、仪表科学与技术
钢板缺陷识别的Volterra-SVM模型研究
邓勇, 黄远伟, 赖治屹
2023, 42(1): 132-138. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200590
摘要:
针对钢板缺陷识别问题, 结合超声波脉冲反射原理, 提出一种基于Volterra级数和支持向量机的钢板缺陷识别方法。首先, 利用Volterra级数模型建立起钢板缺陷的特征模型; 其次, 使用分数阶粒子群优化算法提取出原始信号中的特征参数, 即Volterra级数时域核; 最后, 将提取到的特征向量输入支持向量机模型进行训练与测试, 完成对钢板缺陷的分类识别。设计实验得到多组数据样本, 进行模型验证, 实验结果表明: 基于Volterra级数和支持向量机的识别模型能够较好的完成对钢板缺陷的分类识别, 识别准确率达93.3%。
一种退役锂电池健康状态估计方法
王思亮, 武小兰, 白志峰
2023, 42(1): 139-148. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200576
摘要(198) HTML (131) PDF 5515KB(32)
摘要:
针对退役锂电池健康状态估计效率较低的现状, 提出一种快速、有效的估计方法。首先采用3阶RC等效电路模型描述电池特性得出状态方程, 确保电池模型精确性, 同时引入电池荷电状态SOC(State of charge)和欧姆内阻(R0)作为状态方程参数。其次利用区域概念, 计算出特定的区域容量与区域电压, 减少电池参数估计所需要的数据、时间。然后通过扩展卡尔曼滤波(Extended kalman filtering)算法估计电池参数SOCR0, 进而对电池健康状态(State of health, SOH)进行估计。最后, 利用电池测试设备(Arbin-BT2000)对18650电池进行充放电实验, 验证该方法的可行性。实验结果证明SOH估计所需参数明显减少, 使得电池数据测量所需时间明显缩短, 并且估计误差不超过4%, 误差较小, 说明所提出方法能快速、有效地估算出电池SOH
时频分析和深度学习相结合的滚动轴承故障诊断
任胜杰, 郭伟超, 舒定真, 汤奥斐, 高新勤, 李言
2023, 42(1): 149-158. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200575
摘要(559) HTML (312) PDF 5991KB(65)
摘要:
滚动轴承大量使用在旋转机械中, 轴承的工况严重影响着机械设备的正常运行。为了提高轴承故障的诊断精度, 本文提出了一种时频分析和深度学习相结合的滚动轴承诊断方法。首先, 分析了十种不同时频分析方法; 其次, 建立了深度学习的滚动轴承故障诊断模型, 并利用迁移学习克服训练样本数量少的问题, 通过对比分析, 常数Q变换(Constant Q transform, CQT)的准确率可达100%;最后, 利用实验数据对所提方法的有效性和可靠性进行验证, 分别评估了在不同负载和噪声情况下的识别精度, 并与文献中的方法对比, 证明所提方法在不同工作环境条件下都有较好的鲁棒性和较高的识别精度。
材料科学
弧边负泊松比结构试验与应用研究
刘宇, 郝琪, 田钰楠, 崔宏伟
2023, 42(1): 159-164. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200610
摘要:
以某弧边负泊松比结构为研究对象, 进行静态压缩试验, 对比分析试验与仿真的变形及载荷数据, 试验与仿真承载力峰值误差小, 整体变形形式一致, 模型可靠。基于该结构建立填充芯, 填充于某小型电动汽车前端结构, 进行正面碰撞应用研究。通过B柱加速度、吸能量、前端压溃量、驾驶室侵入量等参数对比分析该负泊松比结构在纵梁前端、后端两种填充方式的差异; 比较其与传统结构在后填充方式下耐碰撞效果的优劣。结果表明, 纵梁后填充方式较前填充方式具有更加优越的耐撞应用效果, 弧边负泊松比结构后端填充后, 较传统结构可以在得到较低的加速度峰值的同时具有更少的驾驶室侵入量。