中国机械工程

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2022, 33(17): 0.

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磁流变测量系统的控制滞后与动态响应

吕靖成, 危银涛, 邬明宇, 何俊祥, 梁冠群, 尹航

2022, 33(17): 2017-2023. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.17.001

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磁流变系统的控制效果依赖于系统建模，因此对滞后与动态响应特性的建模尤为重要。通过分析磁流变系统受控制信号激励时各部分的滞后，得到了系统研究各部分动态行为的方法；通过施加直流加交流的激励，测试与研究了磁流变测量系统的动态响应特性。结果表明，无偏置简谐电流激励下电流-剪切应力关系为蝶形曲线，经分析可知其由响应滞后所致，而曲线光滑的上下沿分别由滞后和系统的非线性导致。最后，通过引入滞后时间较好地描述了各种情况下电流与剪切应力间的动态响应关系，其值为23.1 ms。

线切蓝宝石晶片面形质量评价方法的试验研究

王兰青, 黄辉, 崔长彩

2022, 33(17): 2023-2028. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.17.002

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多线切割广泛应用于硬脆材料的切片加工，线切后晶片的面形质量会对后续研磨抛光加工工艺产生较大影响。提出了一种针对线切片面形质量的评价指标：线切片最小加工余量（MMA）；设计出MMA的测量原理，并给出具体实施方法；分析了不同工艺参数下线网不同位置处MMA的变化规律。试验结果表明，提出的评价指标能够更好地反映线切加工工艺参数对晶片面形质量的影响规律。

射流束切削时在边壁约束下的直径增大变形及加工表面质量研究

郝宇聪, 赵韡, 杨焘, 郭鹏,

2022, 33(17): 2029-2037. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.17.003

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利用氯化钠晶粒射流切削生物骨材料时，射流束变形可能会导致骨材料切削断面产生预期之外的损伤，不利于生物组织的后期恢复。为探索射流束切削加工时在边壁约束下产生的变形，以及相应加工表面的质量特点，设计了磨料水射流切削可视化实验。使用高速摄影机拍摄磨料水射流加工过程，利用可视化手段观测射流束变形情况，并使用表面粗糙度Ra表征加工表面质量。研究发现，射流束在前端边壁与两侧边壁共同约束下存在沿切削进给方向的直径增大变形，该变形使加工表面粗糙度沿切深的减小幅度增大及出现频率增多。最后对表面粗糙度Ra沿切割深度的变化数据进行二次处理，提出了一种新的建立磨料水射流切削材料表面粗糙度预测模型的思路。

全周边液压滑阀冲蚀形貌及性能演化特性

李双路, 訚耀保, 张鑫彬, 王晓露, 傅俊勇

2022, 33(17): 2038-2045. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.17.004

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针对高端液压元件因滑阀冲蚀磨损引起阀口轮廓变动与性能不确定性问题，考虑颗粒物撞击阀口的概率事件，提出了基于Edwards冲蚀模型的全周边滑阀冲蚀圆角定量计算方法，并以阀控对称缸为例，揭示了四边滑阀各阀口冲蚀后的轮廓及阀特性的演化规律。研究结果表明，阀口的冲蚀圆角由颗粒物尺寸、颗粒物数量、撞击速度、阀口大小等因素直接决定；阀口流量越大、颗粒物数量越多、压差越大，颗粒物的撞击速度就越大；颗粒物尺寸相对阀口开度越大，颗粒物撞击阀口的概率就越大；在阀控缸动力机构中，液压缸的结构尺寸、运动速度、负载决定了各个阀口流量、压降和阀口开度。在负载恒定、液压缸恒速情况下，阀控对称缸4个阀口的流量相同但压降不同，冲蚀后的阀口圆角不一致。冲蚀导致滑阀压力增益降低，泄漏量增大，且产生零偏，零偏位移可通过惠斯通桥路平衡原理求出。

基于局域共振的舰船浮筏低频减振方法

郭彭, 周奇郑, 骆子寅, 李剑

2022, 33(17): 2046-2052，2060. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.17.005

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为控制动力机械激励下的舰船浮筏低频振动和噪声线谱，由变分原理建立了动力机械平板局域共振单元的耦合振动方程，采用模态叠加法导出了耦合振动方程的解，并给出了平板辐射声功率级的计算公式；设计了小尺寸轻质低频局域振子，分析了局域共振单元对动力机械激励下平板结构低频振动与辐射声功率线谱的控制效果。研究表明：在附加质量小于平板质量3%的要求下，局域共振单元可将低频振动线谱激励下平板结构表面平均振速级和辐射声功率级降低10%以上；当局域共振单元中包含多个固有频率不同的局域振子时，可以控制平板结构的多个低频振动与噪声线谱。

磁悬浮高速电机转子低频振动机理及补偿方法

纪历, 马雪晴, 陈震民

2022, 33(17): 2053-2060. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.17.006

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在实际工业应用中，磁悬浮电机转子时常出现与转速无关的低频振动。针对该问题，从数学模型及外部激励两个层面对该低频振动进行了分析，结果表明磁悬浮电机转子的低频振动由闭环控制系统的固有频率决定，且该振动会在噪声的激励下被激发。研究了基于扩展状态观测器的振动补偿策略，并提出了引入扩展状态观测器后控制系统稳定性的判据方法。通过仿真与试验对提出的振动补偿策略进行了验证。结果表明：在同样白噪声激励下，加入补偿器后转子最大振动量较单独使用PID控制时下降约21%；在30 000 r/min转速下，补偿器的作用更为明显，转子最大振动量减少了26.6%。

融合实测数据的航空结构件修配量迭代寻优及评价方法

陈帅, 郭飞燕, 孟月梅, 王明阳, 侯志霞

2022, 33(17): 2061-2070，2078. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.17.007

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针对航空大型结构件一次装配成功率低、装配偏差难以预测、修配量无法精准预知等问题，提出了一种融合实测数据的修配量迭代寻优及综合评价方法。以提高修配质量为目标，融合装配过程实测数据重构模型，提出了修配方案逐步优化的总体方案，并根据修配工艺要求提出了基于改进粒子群算法的修配仿真优化方法，进行修配仿真与装配精度预测，确保装配精度首先满足要求；根据模糊数学隶属度理论对修配成本、难度等定性因素进行综合量化评价，实现了多组修配方案的最终优化。以某型中央翼盒总装站位的肋缘条位置偏差控制为例，开发修配方案生成软件工具，开展实际装配作业前的精度预测与修配仿真优化工作。现场应用表明：所提方法可精确预测装配误差，事先准确确定修配方案，切实提高装配质量及效率。

融合脑电-肌电信号的人机协作装配意图识别方法

董元发, 蒋磊, 彭巍, 周彬, 方子帆

2022, 33(17): 2071-2078. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.17.008

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针对人机协作装配场景下基于单源生理电信号识别协作意图准确率不高、稳定性不好的问题，首先采用支持向量机方法分别从脑电信号和肌电信号识别单源协作装配意图，然后采用D-S证据理论对多源协作装配意图识别结果进行融合，提出了一种融合EEG-EMG信号的人机协作装配意图识别方法。实验结果表明，所提方法可以有效提高人机协作装配意图识别的准确率和稳定性。

水陆两栖六足机器人的设计与性能评估

王宇, 周爽, 李亚鑫

2022, 33(17): 2079-2086. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.17.009

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为提高机器人两栖环境下的运动性能，同时降低其运动机构在水陆间切换的机械复杂性与控制难度，提出了一款复合运动肢的水陆两栖六足机器人。对机器人进行陆地和水下的运动规划，解决了机器人适应不同坡度斜坡地形的稳定性问题；通过配置矢量推进器的位姿，实现了机器人多自由度的水下运动。ADAMS下机器人爬行运动的仿真结果在验证机械设计合理的前提下也表明机器人在不同坡度的斜坡爬行具有较好的稳定性。为进一步评估机器人的运动性能，搭建了机器人样机，在测试机器人斜坡爬行性能的同时，验证了机器人在水下可实现包括直行、旋转、上浮和下潜的多自由度运动。实验结果表明，机器人在陆地与水下均具有良好的运动性能。

复合式增材制造技术研究现状及发展

熊晓晨, 秦训鹏, 华林, 胡泽启, 纪飞龙,

2022, 33(17): 2087-2097. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.17.010

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形性问题制约金属增材制造技术的发展与应用，复合式增材制造在解决制件形性问题方面效果显著。高度概括了复合式增材制造技术分类方式与主体类别；简要总结了增减材复合制造在制件成形精度和表面质量控制方面的研究进展和技术发展状况；重点评述了增等材复合制造技术类别、成形原理、制造特征和关键问题，以及在制件显微组织、应力状态、宏观性能调控方面的研究现状和主体结论；系统介绍了超声、电磁、激光三类特种辅助能场对增材熔池流动、结晶、固态相变的作用机制，以及特种能场作用下，增材层显微组织状态、力学性能、成形精度的演化规律；展望了复合式增材制造技术未来的发展趋势。

考虑定向能量沉积工艺特点的减材加工余量优化

侯亮, 郭敬, 陈云, 叶超, 徐杨, 邹佳豪

2022, 33(17): 2098-2106. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.17.011

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针对定向能量沉积（DED）复杂曲面零件余量不均及台阶效应明显等问题，提出了考虑DED复杂曲面成形特点的中面动态配准技术，以优化后处理减材加工余量。首先根据扫描路径构建曲面零件最小外包络的截面线，用于在机检测毛坯点云；然后提取理论模型中面与测量毛坯中面点云，引入不同区域配准精度要求，利用动态加权迭代最近邻点算法实现加工余量优化，并通过两简单案例对算法可行性进行初步验证；最后，以离心叶轮叶片为复杂案例，分析所提余量优化方法的准确性，并与基于遗传算法的多配准精度要求的加工余量优化技术进行对比。结果表明，所提余量优化算法的配准精度及计算效率高，可用于DED制造复杂曲面类零件的余量快速优化。

SiC陶瓷旋转超声振动套磨制孔有限元仿真及实验研究

董香龙, 郑雷, 宋春阳, 吕冬明, 徐苏柏, 韦文东, 秦鹏

2022, 33(17): 2107-2114. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.17.012

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为解决SiC陶瓷加工时容易出现崩边、裂纹等问题，结合仿真与实验对其进行旋转超声振动套磨制孔技术研究。根据SiC陶瓷宏观力学本构模型，建立SiC陶瓷制孔仿真有限元模型并进行加工过程仿真分析，相比常规制孔，超声振动制孔的仿真轴向力最大可减小26.1%。常规加工和超声振动加工的对比实验研究表明，旋转超声振动加工可减小轴向力达32.9%，可大幅减少陶瓷材料脆性断裂，显著改善孔壁表面质量。有限元仿真与实验研究所得的轴向力在超声振动下最大相差7.5%，常规条件下两者最大相差14%，验证了有限元模型的正确性。仿真和实验研究结果表明：超声振动加工可显著减小轴向力和刀具磨损、提高刀具耐用度、改善制孔质量、降低加工成本。

静轴肩摩擦搅拌焊温度场仿真分析与参数优化

张军, 王稳, 王健, 金涛涛, 田志鹏

2022, 33(17): 2115-2124. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.17.013

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为了解决非刚性支撑条件下传统搅拌头易陷入被焊接板材而导致焊接失败的问题，设计研发了静轴肩焊接结构。通过建立有限元仿真计算模型，并使用热红外成像仪对焊接表面温度进行实时监测，分析不同工艺参数下静轴肩摩擦搅拌焊焊接过程中的温度场变化情况。使用设计研发的静轴肩摩擦搅拌焊进行现场试验并对完成焊接表面无缺陷的焊缝与母材进行拉伸试验对比，检测其焊缝机械强度，并对断口进行微观组织分析。结果表明：在使用静轴肩搅拌头焊接过程中，产热量主要来源于搅拌针轴肩的摩擦生热和搅拌针端部的摩擦生热，搅拌针的侧面摩擦生热和静轴肩的摩擦生热占比较小；对产热量影响较大的是主轴压力和主轴转速，C轴转速对产热量影响不大；在主轴压力为2940～3430 N，主轴转速为1000 r/min，C轴转速为0.05 r/min的工艺参数下，完成焊接的焊缝表面光滑无飞边，内部无沟槽隧道缺陷，焊缝抗拉性能达到母材的71.5%左右；焊缝断口存在分层现象，靠近焊接表面的上层呈脆性断裂特性，下层呈延性断裂特性，与母材相比，焊缝试样的延伸率和抗拉强度均有所降低。

钢轨砂带打磨与砂轮打磨综合性能对比实验研究

吴志伟, 樊文刚, 王谦, 刘弋, 马腾飞,

2022, 33(17): 2125-2132. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.17.014

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基于自主研发的锂电驱动钢轨砂带打磨机和砂轮打磨机，以60N型钢轨廓形作为实验对象，全面对比了新型钢轨砂带打磨技术和传统砂轮打磨技术的性能。结果表明：当打磨压力在45～75 N范围内时，砂带打磨的材料去除率约为砂轮打磨的15～30倍，而当压力增大到90 N时，砂带打磨的材料去除率高达砂轮打磨的102倍；砂带打磨的振动加速度、噪声和能耗均小于砂轮打磨；砂带打磨切屑为带状，而砂轮打磨则表现为高温熔融状，同时当打磨压力增大到105 N时，砂轮打磨后钢轨表面会出现发蓝现象，而砂带打磨不会；此外，砂带打磨的横向表面粗糙度大于砂轮打磨，最高可达8 μm，但满足中国铁路钢轨养护要求的最大值10 μm。综上，钢轨砂带打磨技术在材料去除率、振动、噪声、能耗和温度等方面显著优于传统砂轮打磨技术，预期将成为工程实际中解决钢轨严重病害问题的有效方法之一。

异形PDC齿切削破岩提速机理研究

刘伟吉, 阳飞龙, 祝效华, 罗云旭, 何灵

2022, 33(17): 2133-2141. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.17.015

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在室内切削实验基础上基于有限元二次开发建立了异形齿切削及全钻头破碎非均质花岗岩的三维数值仿真模型，研究了12种形状聚晶金刚石复合片（PDC）齿切削非均质岩石过程中的切向力、法向力、岩屑、破岩比功，并研究了齿形对全尺寸钻头破岩效率的影响。研究结果表明：锥形齿的切向力最小，破岩比功最高，对应的锥形齿钻头的进尺也最小；三平面齿的法向力和切向力均为最大；破岩比功最低的齿为双曲面齿；进尺最大的全钻头齿形为更易吃入岩石的鞍形齿、双曲面齿以及斧形齿。

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2022, 33(17): 2142.

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