中国机械工程

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2021, 32(24): 0.

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弧齿锥齿轮参数调节状态下行波共振特性及其影响规律研究

栾孝驰, 赵宇, 沙云东, 柳贡民, 赵钱,

2021, 32(24): 2899-2908，2914. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.24.001

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针对某型航空发动机中央传动锥齿轮在实际使用中因行波共振造成的从动轮断裂失效问题，采用仿真分析与试验验证相结合的方法，研究弧齿锥齿轮参数调节状态下的行波共振特性及其影响规律。基于有限元方法对齿轮进行模态分析，讨论辐板厚度和工作温度对齿轮行波共振特性的影响；基于Hertz接触理论对啮合齿轮进行瞬态动力学分析，重点讨论行波共振状态下负载功率、工作温度及阻尼系数对齿轮应力分布的影响。仿真与试验对比结果表明：模态计算和动力学分析的仿真结果误差均在合理范围内。在满足齿轮设计有关要求前提下，调整辐板厚度可避开共振转速或共振频率。在振动应力分布的共振参数敏感性方面：当齿轮在三四节径行波共振状态下工作时，齿根处应力值最大，辐板正面应力值最小；随着齿轮负载功率、工作温度和阻尼系数变化，从动轮辐板正面应力变化较小，辐板背面和齿根处变化较大。在该齿轮改进和优化设计中，需重点针对三四节径行波共振进行处理。

石墨烯-聚合物柔性电容传感器制备及性能研究

药芳萍, 黎相孟, 石强盛杰, 张潇

2021, 32(24): 2909-2914. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.24.002

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为了研究不同微结构对柔性电容式压力传感器性能的影响，采用成本较低的旋涂技术制备了无微结构、单层微结构和双层咬合微结构的柔性电容式压力传感器。通过对三种传感器进行测试试验，对比分析了具有不同微结构传感器的灵敏度，同时，对具有单层砂纸微结构传感器的响应特性、重复特性和迟滞特性进行了测试分析。试验结果表明，在20 kPa的载荷下，具有单层砂纸结构的柔性电容式压力传感器相较于其他两种传感器具有较高的灵敏度，在0～4 kPa的压力范围内灵敏度为0.451 kPa-1，4～6 kPa压力范围内灵敏度为0.14 kPa-1,6～25 kPa压力范围内灵敏度为0.03 kPa-1。制备的传感器具有较强的响应特性、良好的恢复性和稳定性，能够适应柔性可穿戴电子器件的应用需求。

基于主动转速调制的离心旋转血泵流场分析

黄峰, 王楚晨, 阮晓东

2021, 32(24): 2915-2923. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.24.003

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为研究血泵主动转速调节对血泵内部流场以及血液损伤的影响，采用计算流体动力学(CFD)方法模拟血泵在转速调制下的全流道内部流动。通过集总心血管系统数学模型和旋转血泵模型的联合数值模拟得到血泵辅助条件下的心室和主动脉压力，并设置为血泵CFD模拟的进出口边界条件。分析了匀转速以及正弦波、方波、三角波三种异步转速调制波形下的血泵流场情况，得到了旋转血泵的速度分布图以及剪切应力分布图。结果表明，转速调制下血泵的流量脉动得到了增强，是一种恢复血流搏动性的可行方案。三种速度调制波形中，正弦波转速调制下的血泵流量脉动指数高且血泵内剪切应力小，是相对理想的转速调制波形。

煤矿救援机器人可折展水弹轮式结构分析与优化

尚祖恩, 赵丽娟, 刘雄豪, 金鑫

2021, 32(24): 2924-2933. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.24.004

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设计了一种适用于煤矿井下救援机器人的水弹轮式结构，以提高救援机器人在复杂条件下的工作可靠性和非结构化环境下的适应性。提出以平行四边形为基本单元的水弹轮式结构径向运动学建模方法，研究不同基本单元水弹轮式结构的承载特性。基于连续介质损伤力学理论对轴向压缩载荷下平行四边形水弹轮式结构的疲劳寿命进行预测，以折展比为约束条件，以极限承载力、疲劳寿命作为评价函数对关键设计参数进行多目标优化。研究结果表明，在质量相同情况下平行四边形水弹轮式结构具有较好的极限承载力，优化后平行四边形水弹轮折展比、极限承载力、裂纹萌生疲劳寿命分别提高15.8％、40.7％、55.4％，水弹轮式结构的工作可靠性得到提高，实际疲劳寿命破坏区域与理论计算结果一致，试验结果验证了分析过程的准确性和优化方法的有效性。

新型围限颗粒介质联轴器持续剪切下的扭矩涨落行为

雷刚, 欧阳鸿武, 喻海良, 唐昕,

2021, 32(24): 2934-2943. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.24.005

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利用颗粒介质持续剪切下的力学响应特性设计了新型联轴器，探明了联轴器的扭矩涨落行为，进而实现扭矩传递特性的调控。通过设计专用轴向施压持续剪切实验装置，利用扭转实验台开展系列实验，获取低速范围内不同剪切速率、初始法向应力以及颗粒堆积厚度下围限颗粒介质联轴器的扭矩传递特性。实验结果表明颗粒介质持续剪切变形过程与堵塞密度φJ相关，并且该实验装置从原理上提供了堵塞密度的一种可能的测量方法。研究结果进一步表明：对剪切速率、初始法向应力以及颗粒堆积厚度等因素进行选择，可实现围限颗粒介质预期的具有速度敏感性的扭矩传递特性；通过对堵塞密度的控制，可实现围限颗粒介质联轴器扭矩涨落特性的调节。

CP型单螺杆齿槽单次包络成形加工的研究

陈就, 夏林海, 沙丰, 吴长波, 陈剑平

2021, 32(24): 2943-2949. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.24.006

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单次包络成形方法是具有齿类特征零件的主要加工方法之一。根据CP型单螺杆齿槽的结构特征，运用空间啮合原理，研究了采用单次包络成形加工的计算方法，该计算方法包括回转刀具的截面刃形计算、理论和包络成形的齿槽面方程建立及单次包络成形误差分析。运用该计算方法，对一种常见规格的单螺杆齿槽的单次包络成形进行了计算与优化，计算了优化后基准齿形的单次包络成形误差，结果显示误差较大，表明单次包络成形加工方法无法应用于CP型单螺杆齿槽的一次成形加工。

滚动轴承自适应特征提取的包络谱多点峭度多级降噪方法

张龙, 蔡秉桓, 熊国良, 王朝兵, 胡俊锋

2021, 32(24): 2950-2959. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.24.007

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滚动轴承故障信号主要包含高品质因子振动分量和低品质因子瞬态冲击分量。采用多点最优最小熵解卷积方法初步削弱传输路径等干扰影响，使微弱瞬态冲击成分得到初步增强,然后针对共振稀疏分解(RSSD)方法存在的品质因子选择困难问题，同时考虑包络谱中故障频率成分的严格周期性，提出包络谱多点峭度(ESMK)概念并将其作为优化指标，采用粒子群优化算法(PSO)对品质因子进行选择，得到一种自适应稀疏分解方法（PSO-RSSD）用于瞬态冲击信号的提取，以消除信号中高幅值干扰冲击和背景噪声的影响。轴承仿真与实测信号分析结果表明，与最小熵解卷积信号共振稀疏分解方法相比，在强冲击干扰下ESMK能够有效度量周期性瞬态冲击，PSO-RSSD方法能自适应分离最优低品质共振分量，验证了该方法的有效性和优越性。

燃气轮机气路与传感器耦合故障诊断模型研究

闫丽萍, 张华良, 董学智, 陈海生, 谭春青,

2021, 32(24): 2960-2966，2974. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.24.008

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燃气轮机传感器如在运行期间发生故障，产生的测量偏差会严重影响气路诊断结果的准确性。针对以上问题，提出一种燃气轮机气路与传感器耦合故障诊断模型，该模型采用工况变化引起的测量变化量替代常规的测量量，以减少传感器偏置故障的干扰。在此基础上，应用无迹卡尔曼滤波器跟踪测量变化量与不同工况引起的非线性模型预测变化量之间的残差估计气路健康参数，并以此更新传感器诊断系统中各个滤波器，根据滤波器的残差序列加权平方和进行传感器故障隔离。最后，对某典型三轴式燃气轮机进行仿真实例研究，结果表明该模型可减少气路故障与传感器故障的耦合效应，实现气路与传感器故障的准确诊断。

基于灰色关联度分析响应面法的橡胶软模端面抛磨表面粗糙度预测

时强胜, 张小俭, 陈巍, 杨泽源, 严思杰,

2021, 32(24): 2967-2974. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.24.009

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为解决复合材料加筋壁板上筋条与蒙皮配合间隙不均匀的问题，需在刚模表面上粘贴橡胶软模，并通过抛磨橡胶软模来消除配合间隙，然而，若打磨参数选择不当，则橡胶软模表面易起毛，致使粗糙度值过大，易吸附磨屑粉尘。针对上述问题，搭建了一套基于机器人的橡胶材料除尘端面打磨系统，探究了磨粒粒度、磨头转速、打磨压力、离边距离等打磨参数对表面粗糙度的影响规律。提出一种基于灰色关联度分析响应面法的机器人橡胶垫抛磨表面粗糙度预测方法，建立了橡胶材料打磨后粗糙度Ra值的预测模型，该模型的拟合系数R2值为0.9878，表明模型拟合效果好。使用该模型计算出的Ra预测值与观测值的均方根误差为0.014 47，验证了模型预测的有效性。基于预测模型，获得粗糙度Ra值最小（3.3 μm）的参数组合为：磨头转速4158.9 r/min、抛磨压力38.4 N、离边距离30 mm。

高强钢/碳纤维增强复合材料热冲压-连接一体化工艺可行性及试样弯曲性能研究

朱彬, 刘旺, 田丰, 刘勇, 张宜生,

2021, 32(24): 2975-2980. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.24.010

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提出一种高强钢/碳纤维增强复合材料(CFRP)的多材料零件连接成形一体化加工工艺，利用热冲压工艺对高强钢和CFRP预浸料进行连接并成形高强钢/CFRP多材料零件。研究热冲压过程中不同的淬火温度下多材料复合板的制备工艺，并对试样中钢板进行微观观测，最后对复合件进行弯曲试验。微观检测结果表明，该工艺下钢板组织为全马氏体组织。三点弯曲试验结果表明，未铺设CFRP试样、铺设2层CFRP试样和铺设4层CFRP试样的弯曲角度分别为130°、110°和104°。对弯曲试验的力位移曲线进行积分，计算试样的能量吸收量，得到如下结论：未铺设CFRP试样、铺设2层CFRP试样和铺设4层CFRP试样的能量吸收量分别为9410 J、9692 J和10 050 J；铺设2层CFRP的试样和铺设4层CFRP的试样相比于未铺设CFRP的试样，能量吸收量分别增加2.9%和6.8%。

冷轧超高强钢平直度与断面形状前馈控制技术

刘亚星, 顾清, 钱承, 白振华,

2021, 32(24): 2981-2988. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.24.011

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针对六机架冷连轧机组超高强钢生产过程中因机架数多、控制工艺复杂、各机架控制能力得不到充分发挥而导致成品平直度与断面形状超差的问题，充分结合六机架冷连轧机组的设备与工艺特点，基于超高强钢冷轧过程平直度与断面形状预报模型，分析了超高强钢冷连轧过程平直度与断面形状前馈控制策略，提出了基于来料的各机架出口目标平直度曲线设定方法，开发了适合于六机架冷连轧机组的超高强钢平直度与断面形状前馈控制技术。将该技术应用到某钢厂六机架冷连轧机组，各机架控制能力得到了充分发挥，成品平直度比该技术应用前提高了12.5%，且断面形状分布更加均匀，具有进一步推广应用的价值。

交接环形耐压壳屈曲特性试验与数值研究

狄陈阳, 张建, 王纬波, 唐文献

2021, 32(24): 2989-2994. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.24.012

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研究了不锈钢交接环形耐压壳在均匀外压作用下的屈曲性能。使用的交接环形耐压壳的截面半径为70.5 mm，壁厚为1.319 mm，圆周旋转半径为134 mm。制作了6个交接壳模型，并对其进行几何测量、静水外力试验和数值计算，在此基础上对交接环形耐压壳屈曲行为进行分析，研究了交接角度和环肋参数对屈曲的影响规律。结果表明，交接角度对交接环壳屈曲载荷没有影响，环肋的宽度和厚度达到一定阈值时，临界屈曲载荷值保持不变且接近于交接单元的屈曲载荷。

基于自适应反演的超细金刚线张力控制系统

周锋, 郑丽霞, 沈烨超, 金波

2021, 32(24): 2995-3000，3007. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.24.013

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针对多线切割机张力控制系统存在库仑摩擦和摆角耦合等较强非线性特征，以及收放卷轮直径变化引起的参数不确定问题，提出了一种基于自适应反演的非线性补偿控制方法。该方法结合实验辨识和自适应参数控制器设计方法分别对多线切割机的多轴电机同步运动控制系统和不确定系统参数进行简化分析和在线估计，使用李雅普诺夫稳定性理论保证了系统全局渐近稳定性以及系统状态的有界性。仿真和实验结果表明，所设计的自适应控制器可以实现多轴同步运动，并将张力摆角控制在较小的范围内，获得更高的张力控制精度。

图形化蓝宝石衬底干法刻蚀工艺研究

侯想, 刘熠新, 钟梦洁, 林赛, 刘杨, 罗荣煌, 罗学涛, 张飒,

2021, 32(24): 3001-3007. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.24.014

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为了缩短刻蚀时间以及提高发光二极管（LEDs）的发光性能，针对添加刻蚀辅助气体三氟甲烷（CHF3）的干法刻蚀工艺进行了研究。采用感应耦合等离子（ICP）干法刻蚀技术并通过正交试验研究了偏压功率、CHF3流量、自动压力控制蝶阀开合度（APC）对刻蚀速率和选择比的影响。试验结果表明：当偏压功率、CHF3流量和APC分别为350W、15 sccm和55%时，制程工艺有着更大的刻蚀选择比和蓝宝石刻蚀速率。使用最佳工艺参数制备出了大尺寸、高占空比、小弧度图形化蓝宝石衬底（PSS），与常规PSS相比，优化后的工艺参数制得的PSS高度增加了5.6%、占空比提高了4.6%。

基于分层贝叶斯模型的齿轮弯曲疲劳试验分析

毛天雨, 刘怀举, 王宝宾, 侯圣文, 陈地发

2021, 32(24): 3008-3015，3023. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.24.015

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常规齿轮弯曲疲劳试验数据处理方法是基于最小二乘法（LSE）等传统频率理论的，在小样本条件下可靠度应力寿命（P-S-N）曲线易发生拟合失真。基于成组法开展了8620H钢表面渗碳齿轮的弯曲疲劳试验，将贝叶斯理论应用于小样本条件下弯曲疲劳试验数据分析，建立了齿轮弯曲疲劳试验数据的分层贝叶斯（HBM）模型，并通过Gibbs采样获得了参数的后验分布，得到齿轮弯曲疲劳P-S-N曲线。同时以50%和99%可靠度下S-N曲线相对斜率比为评价指标，对比了LSE模型与HBM模型拟合效果，结果表明：随着试验样本数据量的变化，HBM模型的相对斜率比α波动变化率为传统LSE模型的1/40，小样本条件下HBM模型结果优于传统的LSE模型结果。HBM模型可推广应用至齿轮接触疲劳试验等数据分析中。

基于非等间隔采样的曲轴连杆颈测量技术研究

顾亭亭, 楼佩煌, 钱晓明

2021, 32(24): 3016-3023. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.24.016

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针对曲轴测量机主轴颈和连杆颈同步测量中高精度的需求，提出多测头测量方法和非等间隔采样的高斯滤波方法。在同步测量的基础上设计多测头的测量方法，将测量数据相加以消除谐波，达到分离误差的目的。根据连杆颈的测量过程建立真实采样角度分布函数，计算每个采样角对应的高斯权函数，将权函数与该角度对应的采集数据在空间域进行离散循环卷积运算，获得滤波后有效的圆轮廓数据。最后将修正后的测量结果与原测量结果进行比对，修正后曲轴四段连杆颈的测量误差值明显减小，精确度显著提高。

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2021, 32(24): 3024.

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