中国机械工程

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2018, 29(06): 0.

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2017年度机械工程学科国家自然科学基金管理工作综述

赖一楠;曹政才;叶鑫;刘磊

2018, 29(06): 631-638.

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介绍了国家自然科学基金委员会（以下简称“基金委”）工程与材料科学部工程科学二处（机械工程学科）2017年度科学基金项目的申请、评审及资助情况以及2016年度科学基金项目的结题、进展情况，总结了项目执行过程中存在的问题，回顾了学科在学术交流与合作、人才培养、团队建设和项目布局等方面的管理举措，列举了2017年度本学科资助下我国机械工程领域取得的最新进展和典型成果。

已知深度范围缺陷的选频带脉冲涡流检测方法

赵莹;解社娟;田明明;仝宗飞;李勇;陈振茂

2018, 29(06): 639-644.

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为进一步提高对一定深度范围的局部减薄缺陷的检测能力，提出了选频带脉冲涡流检测方法。介绍了选频带脉冲涡流的工作原理，说明了选频带脉冲涡流激励信号的选取原则，比较了传统方波脉冲涡流与选频带脉冲涡流对一定深度范围的局部减薄缺陷的检测灵敏度，并考察了选频带脉冲涡流的提离交叉点特征。数值实验结果表明：对于一定深度范围的局部减薄缺陷，选频带脉冲涡流比传统方波脉冲涡流检测灵敏度更高，且选频带脉冲涡流提离交叉点的特征能反映出缺陷深度。

双相外激波摆杆活齿传动耦合刚度

宜亚丽;豆林瑞;郭辉;金贺荣

2018, 29(06): 644-649.

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针对双相外激波摆杆活齿传动的结构特点，提出了活齿传动耦合刚度的概念。通过建立固定于活齿架的整体系统坐标系，分别推导出外激波凸轮与中心轮的齿形方程及传动压力角，综合应用变形协调条件与Palmgren形变公式，求解了多齿接触的系统径向力。在此基础上计算了传动系统的时变耦合刚度，并结合实例分析了主要结构参数对耦合刚度系数的影响。

基于数据挖掘的风电机组齿轮箱运行状态分析

贾子文;顾煜炯

2018, 29(06): 650-658.

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针对风电机组齿轮箱运行状态识别困难的问题，基于数据挖掘思想，提出改进的非线性状态估计方法，得到了机组参数与运行状态之间的关联机制；通过因子分析，有效减小样本数据空间，提高了样本数据的解释能力；根据机组实际运行特点，运用滑动窗口与异常率的方法对预测残差进行分析，保证了最终分析结果的准确性与可信性。结合实际案例分析可知，该方法较传统分析方法能够更及时、准确地察觉风电机组齿轮箱异常状态。

谐波齿轮的侧隙规律研究与有限元模型仿真

杨朋朋1,2;陈晓霞1,2;邢静忠1,2;姚云鹏1,2

2018, 29(06): 659-666.

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为更真实地反映谐波齿轮的侧隙分布，改进侧隙算法中柔轮齿根的定位方式，建立坐标变换下的齿廓方程以代替原有侧隙算法中的齿厚方程，提出基于周向位移定位和弧长定位的侧隙计算方法，建立含渐开线齿廓的平面齿圈实体有限元模型，获得空载啮合状态下侧隙分布。将理论计算的侧隙值与有限元模型计算的侧隙值比较发现，两者所得结果一致性较高。同时为了揭示侧隙偏差的来源，获取了有限元模型柔轮中性层的径向位移、周向位移和法线转角，并求解了周向位置极角。与理论算法结果比较发现，柔轮齿根周向位移偏差是引起侧隙偏差的主要因素。

La₂O₃改性树脂基制动材料的摩擦学性能

郑开魁1,2;高诚辉1;何福善1;林有希1;江良煊1

2018, 29(06): 666-673.

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通过定速摩擦试验、CHASE摩擦试验及磨损表面形貌观察等方法探讨La₂O₃含量对稀土La₂O₃改性树脂基制动材料的摩擦磨损性能、抗热衰退性能与恢复性能的影响。定速摩擦试验结果表明，制动材料中添加适量La₂O₃可有效提高其摩擦因数，降低其磨损率，同时还可增加其摩擦因数的稳定性；其中，添加20% La₂O₃试样的综合摩擦学性能为最优。CHASE摩擦试验结果表明，La₂O₃的加入可有效提高复合材料的抗热衰退性能与恢复性能。

缩径管内两相流砂粒碰撞和冲蚀特性研究

姚利明1;刘巨保1;张宏岩2;张晓川2;岳欠杯1

2018, 29(06): 674-681,704.

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针对目前建模方法在描述两相流中砂粒碰撞行为方面存在的不足，运用计算流体力学和离散单元耦合方法建立了压裂工况下的缩径管两相流模型，实验验证了仿真模型的准确性。分析了缩径管内砂粒间碰撞及缩径斜面受力规律，研究发现，缩径斜面冲蚀深度随砂比增大而增大，砂比大于40%时，相同时间的冲蚀深度增量减小，并趋于最大值；缩径斜面冲蚀深度随黏度增大而减小，流体黏度对缩径斜面外缘比对内缘的冲蚀深度影响大。

风洞六自由度机构运动解耦性分析

孙琦;谢志江;吴经纬;李晟;宋宁策

2018, 29(06): 682-687.

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为了提高高速风洞试验的可靠性，设计了一种适用于支撑外挂物模型的六自由度机构并提出一种尾支杆变换后姿态角的补偿方法。通过串联机器人正向运动学的指数积(POE)公式，推导出机构在模型质心与机构旋转中心重合和不重合两种情况下的运动学正解公式，并给出不重合情况下不解耦姿态角的补偿量。激光跟踪仪标定试验证明该补偿方法具有可行性，从而为实现机构的轨迹规划及实时控制提供了理论基础。

平面四杆机构刚体导引综合的小波特征参数法

孙建伟1;王鹏1;刘文瑞1;褚金奎2

2018, 29(06): 688-695.

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针对傅里叶级数理论不能进行非整周期刚体导引综合的问题，提出了基于Haar小波级数的解决方法，将早期提出的解决平面四杆机构轨迹综合问题的方法扩展到平面四杆机构的刚体导引综合中。通过对刚体转角和其对应基本尺寸型的连杆转角小波系数进行分析，发现了二者的内在联系。在此基础上建立了101 408组基本尺寸型的平面四杆机构刚体导引输出特征参数数据库。将位置输出问题转化为平面四杆机构轨迹综合问题，并给出了计算平面四杆机构实际尺寸和机构安装位置参数的理论公式。利用建立的数据库和理论公式，实现了平面四杆机构非整周期刚体导引综合。以生产线上的输送工件的铰链四杆机构为例，证明了本文方法的有效性和可行性。

水平井钻柱涡动特性数值分析与试验

王宝金1;任福深1;朱安贺2;赵蕾3

2018, 29(06): 696-704.

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根据转子动力学和流体力学理论，建立了水平井钻柱涡动的动力学方程，分析了钻柱自重、井壁摩阻、钻井液流速等因素对水平井钻柱涡动的影响规律，阐释了诱发水平钻柱涡动产生的机理及边界条件。基于自主研制的水平井钻柱动力学试验装置，采用数值模拟和试验研究相结合的方法，分析了钻压、转速、流体速度等参数对钻柱涡动轨迹和涡动速度的影响规律。研究结果表明：在钻柱的远钻头段不会发生涡动，但是转速达到阈值后，近钻头段便会出现涡动现象，并且随着钻压和转速的增加，其涡动轨迹幅值也在增大；而近钻头段的涡动方向并不是始终如一的，存在正反两个方向的涡动，并且随着转速的增大，还会出现“半频涡动”现象；另外，钻井液的存在及其流动速度的增大都不会改变钻柱现有的运动状态，仅小幅增加其运动范围。研究成果对水平井钻井工艺参数的选定有一定的借鉴作用。

一种表面结构多尺度融合测量系统

王生怀1, 2;徐风华1;陈育荣1;谢铁邦2

2018, 29(06): 705-711,719.

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提出了一种表面结构多尺度融合测量系统，该系统将显微图像测量、垂直扫描白光干涉测量、白光干涉纳米探针测量和白光干涉金刚石探针测量等多种不同尺度的表面结构测量方法融合在一起。实验结果表明，显微图像测量对300μm标准玻璃线纹尺的示值误差为-0.251μm，标准偏差为0.4013μm；白光干涉测量对1.26μm和3.33μm单刻线样板的测量平均值分别为1.263μm 和3.328μm，示值误差分别为0.003μm和 -0.002μm，示值相对变化量为1.27%和0.63%；白光干涉纳米探针对高度为（106.8±1.0）nm的校准光栅测量平均值为103.1nm，相对示值误差为-3.5%；白光干涉金刚石探针测量对Ra=4.08μm样板的测量值为4.05μm，测得值的相对误差为0.74％。所提出的测量系统满足表面结构的多尺度融合测量要求。

2RPU/UPR+RP五自由度混联机器人静刚度分析

张东胜1,2;许允斗1,2;姚建涛1,2;赵永生1,2

2018, 29(06): 712-719.

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为快速建立基于三自由度并联机构2RPU/UPR构造出的五自由度混联机器人的解析刚度模型，首先对混联机器人的结构进行了描述；然后基于串联和并联结构独立求解思想，建立了混联机器人的位置反解模型；再对混联机器人的结构进行简化处理，分别求解并联部分与串联部分两子系统的静刚度模型，从构造系统的力旋量系和弹性变形协调条件入手，简单且快速地建立了混联机器人的整体刚度模型；最后构造混联机器人的等效三维模型，运用有限元和MATLAB软件，对典型位姿下混联机器人受外力/力矩产生的微位移进行仿真验证，并给出了整机静刚度在任务空间中随位形变化分布图。通过仿真与理论计算的对比分析，验证了该混联机器人理论刚度模型的正确性。

基于聚类优化的非负矩阵分解方法及其应用

栗茂林1;梁霖2;陈元明2;徐光华2;何康康2

2018, 29(06): 720-725.

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针对不断增加的机电系统运行状态信息，传统的特征提取和选择方法已无法满足需求。根据非负矩阵分解典型算法的特点，基于非负矩阵分解的聚类特性，提出了一种面向故障诊断的分解方法。通过分类能力和迭代效率的对比分析，选择了相关性约束和稀疏性约束的改进型交替最小二乘迭代算法，确定了低维嵌入维数及迭代初始化方法，在UCI测试数据集和TEP系统的特征选择应用中验证了该方法的有效性。

模型的视觉关注度简化方法与轻量化装配技术

王咏梅1;杜宝江2

2018, 29(06): 726-731.

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提出了模型的视觉关注度简化方法与轻量化装配技术，建立了从最精确到空模型的6级标准件模型特征库。通过对设计人员视觉、装配结构体、运动链关联的分析，给出了装配部件上的标准件模型动态精细度层级的计算方法，实现了自动切换不同精细度模型的轻量化装配功能，并在飞机设计中应用，有效地提高了设计效率。

船体除锈机械手的干扰抑制轨迹跟踪控制

王众1,2;焦晓红1;程明星1,3

2018, 29(06): 731-737.

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船体外壁除锈喷漆过程中需要控制机械手臂的变幅和伸缩油缸协调动作，以保证机械手臂末端在垂直轨迹方向上的匀速直线运动。针对运动过程中存在的机械手臂的柔性变形不确定性等干扰以及比例阀油缸系统内部状态量的不可测性，运用Lyapunov稳定性理论设计了基于降维观测器的干扰抑制轨迹跟踪控制器，并将所设计控制器对干扰的鲁棒性与传统PID控制进行了仿真对比。同时，应用所设计的控制算法对样机进行了相关测试，验证了所设计的控制器对机械臂外部干扰的抑制作用。

机械合金化改性硫化亚铁/铜合金粉末的特性

尹延国;曾庆勤;张国涛;刘剑峰

2018, 29(06): 738-742,747.

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为了解决FeS/Cu粉末冶金复合材料中FeS易团聚以及界面结合差的问题，采用机械合金化技术制备了FeS/Cu复合材料粉末。利用扫描电镜、X射线衍射仪、金相显微镜等对不同球磨时间的质量分数为6%的FeS/Cu合金粉末的混合特性、压制特性及烧结后的力学性能进行检测和分析，结果表明：机械合金化可有效改善FeS颗粒与基体合金粉末的混合均匀性，烧结后材料的密度、硬度均得到提高，FeS和Cu界面结合良好；由于FeS颗粒均匀弥散地分布在铜合金基体中，割裂了基体材料的连续性，反而使复合材料的韧性和压溃强度有所降低。

风轮叶片疲劳试验加载设计

傅程;张方慧

2018, 29(06): 743-747.

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鉴于风电叶片截面形状和铺层结构的复杂性，推导了叶片疲劳试验过程中的加载弯矩分布计算方法，实现了对叶片危险区段校验的目的，也规避了叶片部分截面超载的风险；同时，通过测试手段获取被测叶片的真实参数，避免了叶片实物与叶片设计参数误差而导致的试验载荷不确定性，提高了试验的可靠性和可信度。

物联网技术引发服务业革命——《中国制造新起点:服务业革命开启服务业文明》解读

许永硕

2018, 29(06): 748-755.

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