中国机械工程

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2014, 25(9): 0.

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周期性扰动下卷绕基板的横向位移控制

熊涛, 熊有伦, 王瑜辉

2014, 25(9): 1137-1142.

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柔性基板的横向位移控制是卷到卷（roll-to-roll）系统中的关键技术之一,横向偏移会导致定位误差、收卷不齐,直接影响成品的质量。针对卷绕过程中辊筒的旋转偏心造成的基板横向位置上的周期性干扰,提出将插入式重复控制器应用于柔性基板的横向位移控制。该方法不需要改变原有控制器的结构,只需在其之前增加一个重复控制器环节,即能实现对任意周期信号或干扰的高精度跟踪或抑制。仿真实验结果表明,插入式重复控制算法相比单纯PID控制能显著提高系统对辊筒偏心引起的横向周期性干扰的抑制能力,提高系统的稳态精度,具有良好的鲁棒性。

双头单螺杆泵定子衬套力学行为分析

石昌帅, 杨启明, 祝效华, 童华

2014, 25(9): 1143-1148,1152.

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为研究双头单螺杆泵定子衬套的受力状态及内轮廓线的变形规律,分析了内压、压差、材料非线性、橡胶泊松比等多种因素对定子衬套应力、应变及内轮廓线变形规律的影响,并拟合出双头单螺杆泵定子衬套在均匀内压作用下内轮廓线位移的方程式及非均匀内压下内轮廓线最大位移公式。分析结果表明：均匀压力下,衬套应力、应变呈周期性变化,内轮廓线位移呈正弦规律变化,位移与内压成线性关系;压差作用下,衬套应力、应变最大值向压差作用处转移,内轮廓线变形规律发生改变,位移及其变形幅度均增大;衬套橡胶泊松比微小的变化即会对衬套变形产生非常大的影响。因此,实际生产中应注意注胶工艺及泊松比的变化。研究结果为定子、转子过盈量的选取及线型的优化设计提供了理论基础,对提高双头单螺杆泵工作效率和使用寿命具有重要工程实际意义。

ITER中子屏蔽横块的模态分析与谱分析研究

陈科, 徐书成, 殷磊

2014, 25(9): 1149-1152.

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为避免真空室屏蔽层受地震的影响,根据ITER中子屏蔽层结构对其中子屏蔽单元模块进行了单点响应谱分析,将中子屏蔽结构的模态分析结果与法国某地的加速度谱进行了模态叠加。分析发现,应力极值在许可应力范围之内。

硬质合金刀具螺旋槽缓进给磨削力研究

宋铁军, 周志雄, 李伟, 任莹晖

2014, 25(9): 1153-1158.

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用离散化方法将砂轮看作是由一组不同直径的单位厚度薄片组成的,分析了硬质合金刀具螺旋槽缓进给成形磨削的磨削力;基于工件轴向磨削力和力矩建立了一个表征砂轮锐利程度的磨削力比数学模型。通过建立的测力系统测量了螺旋槽缓进给磨削过程中轴向磨削力和力矩,并对其信号进行了分析。在理论和实验的基础上获得了两种磨削参数下的磨削力比。研究结果表明,磨削力比可作为硬质合金刀具螺旋槽缓进给磨削过程的评价参数。

预紧组合结构液压机临界预紧力的研究

董晓传, 金淼

2014, 25(9): 1158-1163.

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预紧组合结构广泛应用于大型液压机本体设计,预紧力的确定是其关键问题。针对锻造液压机,尤其是自由锻液压机经常处于偏心载荷工况这一问题,在现有的偏载工况机架受力分析模型的基础上,进一步引入预紧力,建立了液压机机架临界预紧力的计算模型,并以三缸双球铰液压机为例,推导了其临界预紧力计算公式。设计制造了以某厂120MN三缸双球铰自由锻造液压机为原型的1∶15的本体模型,并对该液压机处于不同工作载荷、偏心距分别为10mm和30mm工况下机架保持整体性所需的临界预紧力进行了实验测试。实验结果表明,所提的临界预紧力计算方法具有一定的可靠性,但该值偏安全。

水包油型乳化液钛合金TC4电火花加工特性研究

薛荣媛, 刘志东, 王祥志, 邱明波, 田宗军

2014, 25(9): 1164-1168.

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为解决钛合金在煤油介质中电火花加工效率低及在蒸馏水介质中加工表面质量差的问题,提出利用乳化剂将煤油和蒸馏水超声振动后形成水包油型乳化液作为工作介质的加工方法。分别以煤油、水包油型乳化液和蒸馏水为工作介质,对钛合金TC4进行放电加工试验,从加工效率、电极相对损耗率和表面质量三个方面,对比研究了不同工作介质中钛合金电火花加工的特性。试验结果表明：水包油型乳化液中的加工效率是煤油中加工效率的两倍左右,工件表面粗糙度值Ra比蒸馏水中的Ra值减小了15%~20%,加工后工件表面微裂纹较少,表面较平整,但其电极相对损耗率高。

数控机床旋转轴误差的快速测量与辨识新方法

林述温, 吴城汀, 林清锋

2014, 25(9): 1169-1174.

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根据齐次变换理论推导出旋转轴基本几何误差辨识模型,在此基础上,提出了一种基于球杆仪的旋转轴基本几何误差快速测量和辨识新方法,将球杆仪一端的中心座分别安装在旋转工作台的3个不同位置,通过联动控制球杆仪另一端球心按圆形轨迹运动,分别测量旋转轴圆周每个离散位置点在X、Y、Z方向上的偏差,并根据所建立的辨识模型,辨识出旋转轴的6项基本几何误差。同时,提出了基于系数矩阵灵敏度分析的方法,用于指导测量点的合理分布,减少测量误差的影响,从而提高误差辨识精度。

脉冲磁场辅助磁性复合磨粒化学机械抛光技术及其加工试验研究

黄亦申, 赵彬善, 黄水泉, 游红武, 许雪峰

2014, 25(9): 1175-1179,1238.

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提出一种脉冲磁场辅助新型磁性复合磨粒化学机械抛光技术。该技术利用磁性聚合物微球与SiO2磨粒组成的复合磨粒抛光液,在脉冲磁场辅助作用下,实现磨粒尺寸对硬质抛光盘微观形貌依赖性小、磨粒易进入抛光区域、材料去除率较高的抛光。设计了“之”字形的对位式结构电磁铁,模拟计算表明其磁感应强度沿抛光平面分布均匀,磁性微球受到的磁力一致性好。磁性微球在抛光系统中的受力分析表明：磁性微球受磁力作用时有利于复合磨粒从近抛光区进入抛光区,以二体磨损的方式去除加工表面;磁性微球不受磁力作用时,复合磨粒随抛光液的流动而移动,避免大量聚集形成磁链。以表面粗糙度Ra=1.1μm的硬质抛光盘进行硅片抛光试验,施加不同频率和占空比的脉冲磁场前后,硅片的去除率从137nm/min提高到288nm/min,频率5Hz、占空比50%时获得最大值,硅片表面粗糙度由抛光前Ra=405nm减小到Ra=0.641nm。

基于COMSOL的电喷镀阳极喷嘴设计研究

王颖, 康敏,

2014, 25(9): 1180-1185.

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为了缩短阳极喷嘴研制周期,按液体湍流建立加工区域流场的数学模型,并按照“电镀,移动网格”建立二次电镀的数学模型,根据电喷镀加工工艺参数设置边界条件,采用COMSOL Multiphysics软件对加工区域进行数值模拟,分析加工区域流场分布及电场分布对实际加工的影响,并模拟不同时刻阴极生长的轮廓曲线,最终确定较好的阳极喷嘴设计方案。结果表明,底端圆弧状的阳极喷嘴获得的沉积层效果较好,计算机模拟结果与工艺试验结果一致。

树形微通道热沉仿生建模及三维热流特性数值分析

徐尚龙, 郭宗坤, 秦杰, 蔡奇彧, 胡广新, 王伟杰

2014, 25(9): 1185-1188.

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对几种典型树叶进行参数测量,获得了各级叶脉直径、交角值及直径比例关系,在此基础上建立了树形微通道热沉的CAD模型,并对不同分形级数的双层微通道系统内的温度和流动特性分布进行了数值分析。结果表明,树形微通道具有更好的均温性,7级分形的树形微通道与6级和8级分形的树形微通道相比,所冷却芯片的温度更低,压降更小,具有更好的冷却效果。

基于改进免疫遗传算法的混合车间调度研究

汤洪涛, 丁彬楚, 李修琳, 鲁建厦

2014, 25(9): 1189-1194,1201.

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建立了以最大总完成时间最小为目标的混合车间调度模型。该模型包括作业车间和并行流水装配车间两部分调度问题。为降低问题求解难度,采用分解的策略对调度问题分阶段求解,并引入多Agent协商机制和模拟退火算法与免疫遗传算法相结合,提出了基于分解策略的免疫遗传算法,并通过在某汽车减振器企业的实施验证了模型和算法的有效性。

基于多色集的柔性工艺路线网络形式化推理生成

吕盛坪, 乔立红

2014, 25(9): 1195-1201.

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为有效构建各零件柔性工艺网络,提出了一种基于多色集的分步形式化推理生成方法。相应的推理实现机制主要包括：特征约束关系矩阵构建与特征关系网络推理生成;特征聚类体及矩阵构建与特征关系网络修正;特征-加工方法关系矩阵构建和柔性工艺路线子网络图生成;工序-资源关系矩阵构建。以一个齿轮轴零件为例说明基于多色集分步推理生成柔性工艺路线网络的可行性。

多管相贯结构中圆管分点平移试探排料算法

黄世游, 徐雷, 罗勋, 任清川

2014, 25(9): 1202-1207.

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在多管相贯的桁架结构中,圆管端口截面相贯线通常为突变多、形状复杂的空间曲线。针对传统排料算法难以处理多管相贯模型下圆管排料的问题,利用空间解析几何知识和数值积分原理,在分析相贯线平面展开的基础上,提出了多管相贯结构中圆管的分点平移试探排料算法。该算法以细分点为自变量,通过对细分点位置进行平移,循环比较展开图中管件废料的积分面积,从而找出最优排料方案。该算法能有效处理端口截面相贯线为任意形状的圆管排料问题。对以该算法为基础的排料模型进行了仿真试验,验证了该算法的通用性和可靠性。

基于复杂零件五轴加工系统的可重构机器人建模与试验

夏伯雄, 杜军

2014, 25(9): 1208-1213.

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将数控机床的通用编程语言G代码应用于加工轻质材料、低公差自由曲面复杂零件的可重构机器人多轴加工系统,并将复杂曲面加工的五轴立式关节机器人视为倾斜五轴（X,Y,Z,A,B）立式铣床的特殊配置,开发出了机器人的控制系统原型。阐述了机器人的建模方法,包括运动学问题的正向解和逆向解的求解方法;分析了机器人三轴、五轴加工时的工作空间;通过三个轻质材料试件的加工试验,验证了实验机器人加工控制系统原型的编程、控制和加工能力。

基于钝圆尺寸效应的微细切削机理试验研究

赵孟, 何宁, 李亮

2014, 25(9): 1214-1218.

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通过微细车削试验,研究了微细切削加工参数对切削力、表面质量、切屑形成的影响,发现切削厚度与刃口半径的比值是影响微细切削的关键因素,当该比值过小时,刃口尺寸效应作用极其显著,导致切削比能迅速增大,表面质量恶化,切屑形成困难。根据这一结论可确定微细切削加工参数选择的下限范围,从而为微细切削加工参数选择提供理论依据。

基于动力学的风电增速箱多级齿轮传动系统可靠性评估

徐芳, 周志刚, 李迎春, 秦大同

2014, 25(9): 1219-1224.

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针对风力发电机齿轮传动系统在变风速工况下失效率高的问题,在模拟真实风速的基础上,建立了考虑外部随机风载及内部轮齿时变啮合刚度、轴承时变刚度、综合传递误差等激励因素的风力发电机齿轮传动系统齿轮-轴承耦合动力学模型,通过对动力学模型进行仿真计算,得到了各齿轮副的动态啮合力和各支承轴承的动态接触力,并求得齿轮的使用系数、齿轮和轴承的载荷系数。在此基础上,建立了基于动力学的风电齿轮传动系统可靠性评估模型,并求得了各零件及传动系统的可靠度,较全面地评价了随机风载作用下风力发电机齿轮传动系统的可靠性,为风力发电机齿轮传动系统可靠性设计和动态优化奠定了基础。

飞机触舰后逃逸复飞性能分析

段萍萍, 聂宏, 魏小辉

2014, 25(9): 1225-1231.

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针对舰载飞机着舰回收过程的复杂性和危险性,建立了飞机六自由度逃逸复飞数学模型,分析了飞机触舰后逃逸复飞的动态性能。该模型考虑了起落架缓冲变形运动及轮胎载荷特性。数值模拟了舰尾紊流和地面效应,采用变步长龙格库塔算法求解了机体的动力学响应,分析了航母运动、舰尾流、地面效应对飞机纵向和横向逃逸性能的影响,并阐释了其动力学成因。分析结果表明：航母横摇和艏摇运动对横向逃逸轨迹影响最大,侧向滑动达到5m;舰尾流使飞机触舰提前,缩短了飞机的逃逸滑跑距离,抬高了纵向逃逸轨迹。当甲板风为23.1m/s（45kn）时,飞机的离舰高度增加了约14m;与主观感受不同,地面效应对飞机逃逸性能无明显有利影响。

产品族一主多从模型的分解协调方法

陈陌, 杜纲, 张如川

2014, 25(9): 1232-1238.

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阐述了产品族设计中存在一类本身具有主从结构的问题。建立了一类产品族一主多从模型的一般形式,针对从者之间决策变量出现耦合的情形,通过在目标函数上添加偏差项,给出了一个分解协调的算法,使得从者之间变量独立。讨论了原问题的Pareto解与分解协调后问题可行解之间的关系,通过一个通用电机产品族的算例验证了方法的可行性。

伺服电机驱动的液压动力系统及其神经网络自适应优化控制

马玉, 谷立臣

2014, 25(9): 1239-1243.

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针对传统液压系统存在的高能耗、低响应特点,采用节能型液压动力源-永磁伺服电机直接驱动定量泵,以取代原有的异步电机驱动液压动力源,从而形成一种新型的节能、响应快速、易实现闭环控制的液压动力系统。由于实际液压系统随机干扰严重,具有多变量、非线性、强耦合的特征,难以建立较准确的数学模型,常规的PID控制算法很难满足液压系统高精度控制的要求,因此提出基于PSO与BP混合优化前向神经网络 PID自适应控制方法,实现液压系统在典型工况下流量的精确控制。PID控制器的参数采用神经网络进行自适应整定,神经网络的权值采用混合优化算法进行调整,通过神经网络的自学习能力寻找最佳的P、I、D非线性组合控制律,以增强液压系统对工况变化的适应能力。仿真和实验结果表明,该控制方法跟踪速度快、超调小、鲁棒性强,从而为液压系统流量高精度控制提供了一种新方法。

舰载型拦阻装置拦阻性能分析

柳刚, 聂宏, 任志勇, 贾锦, 任国贤

2014, 25(9): 1244-1249,1255.

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为得到舰载型拦阻装置的性能及设计方法,分析了拦阻装置的组成及工作方式,建立了舰载型拦阻装置的动力学模型,给出了飞机航向拦阻力方程。计算得到了定长冲跑条件下,不同质量飞机拦阻时定长冲跑阀油孔面积随主液压缸行程的曲线组,同时得到了飞机航向的动力学性能。研究结果表明:通过改变定长冲跑阀的油孔面积,不同质量的飞机可在限定拦阻距离内拦停,飞机的拦阻力及拦阻距离均满足美军标取值范围。

准双曲面齿轮冷摆辗加工新方法及其数值模拟

党玉功, 邓效忠, 王斌, 高振山

2014, 25(9): 1250-1255.

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针对目前准双曲面齿轮冷摆辗技术存在模具结构复杂、摆辗力相对较大等问题,提出了一种新型的冷摆辗方法。该方法简化了模具结构,采用局部线接触连续塑性成形。基于刚塑性有限元法基本理论,借助通用三维有限元软件DEFORM-3D对准双曲齿轮摆辗成形全过程进行了三维动态分析,研究了速度场量、接触区以及模具受力的分布和变化规律。研究结果揭示了准双曲面齿轮冷摆辗的变形规律。

22MnB5热变形行为研究及本构方程建立

曹淑芬, 张立强, 郭鹏程, 李落星

2014, 25(9): 1256-1261.

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以22MnB5为实验材料,在500~950℃范围内和应变速率为0.01s-1、0.1s-1、1s-1的实验条件下,采用热模拟机Gleeble-1500对硼钢进行热拉伸实验,研究了不同变形条件下硼钢的热流变行为;对拉断后的试样断面进行组织分析,阐述了不同变形条件下硼钢的组织对热流变行为变化的影响。研究表明：硼钢的热变形行为属于典型的动态回复型,其流动应力随着温度的升高而减小,随着应变速率的增大而增大,且温度对流动应力的影响更显著;在500℃、应变速率0.01s-1的条件下,硼钢高温下的热力学行为与上述规律有所差别,其流变应力高于高应变速率下的流变应力。最后根据高温拉伸实验所得数据,构建了22MnB5热变形的本构方程,以此来描述硼钢高温下的热流变行为。

基于冷气体的安全气囊模拟起爆试验方法研究

白中浩, 龙瑶, 王玉龙

2014, 25(9): 1261-1267.

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针对安全气囊起爆试验依赖气体发生器的问题,按照国内外安全气囊开发试验法规,采用冷气体压缩替代火药气体发生器的方法,开发了一种安全气囊模拟起爆试验装置。设计了展开装置并采用ANSYS软件对其强度及气密性进行了分析,利用Fluent软件分析了标定装置中密闭容器的形状对压力-时间(p-t)曲线的影响,并基于虚拟仪器技术开发了该试验装置的测控系统。最后,进行了两组不同型号安全气囊的模拟起爆试验,结果表明,该试验装置能迅速准确地展开安全气囊,从而验证了该试验方法的有效性和准确性。

发动机辅助制动性能仿真研究

龚金科, 颜胜, 黄张伟, 贾国海

2014, 25(9): 1268-1272.

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通过对发动机辅助制动工作过程进行理论分析,建立了发动机辅助制动计算模型,根据辅助制动相关参数（包括排气门开度、发动机转速和排气背压等）,对发动机辅助制动进行了单因素和多因素条件下的仿真研究及试验验证。结果表明：随着发动机转速的升高,缸内压力增大,且压力峰值更靠近上止点;制动扭矩随转速的升高而增大,减压制动时制动扭矩最大,发动机制动时制动扭矩最小;发动机转速一定时,泄漏制动和减压制动分别有一对应的最佳排气门开度值,并且转速越高,排气门开度最佳值越大,排气背压越高,制动扭矩越大。

一种电磁驱动主动头枕的设计与研究

张盼盼, 尹小琴, 王明霞, 朱喜行

2014, 25(9): 1273-1277.

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设计了一种电磁驱动主动头枕,采用机电结合的方式,通过连杆机构实现头枕的快速前移。为使头枕具有良好的运动特性和动力特性,设计了驱动滑块的位移规律并反推出电磁驱动器的控制电压。采用分时分区段能量守恒方法,得出了电压曲线中关键点的理论值;通过测试得到了电压试验值,将其与理论值进行对比,结果发现二者的电压变化规律相同。

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2014, 25(9): 1278.

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