機械工程設(shè)計

蔣歡軍，王斌，呂西林

機械工程設(shè)計

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)樓梯震害分析與設(shè)計建議

蔣歡軍，王斌，呂西林

目的：樓梯本應當建成為突發(fā)事件的應急疏散安全通道，但是近年來國內(nèi)外幾次地震中卻發(fā)現(xiàn)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的樓梯間發(fā)生了嚴重的破壞。樓梯構(gòu)件在地震中充當了第一道抗震防線，首先發(fā)生屈服破壞，失去了應急疏散安全通道的作用，不能滿足預期的抗震設(shè)防要求。本文通過建立典型框架結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，考察樓梯對結(jié)構(gòu)受力的影響，分析了鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆樓梯和預制樓梯在地震中破壞的原因，提出了樓梯的改進設(shè)計建議。方法：首先分析現(xiàn)澆樓梯震害原因分析，探討目前結(jié)構(gòu)設(shè)計中樓梯構(gòu)件設(shè)計方法的不足，并針對典型鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進行靜力彈塑性分析，對比地震作用下考慮樓梯作用和不考慮樓梯作用時的屈服破壞機制，其次分析了預制樓梯在地震中發(fā)生倒塌破壞的原因，結(jié)合目前有關(guān)樓梯的設(shè)計方法，針對樓梯在罕遇地震下的抗震設(shè)防目標，提出了樓梯防破壞設(shè)計方法的改進建議。結(jié)果：現(xiàn)澆樓梯構(gòu)件在考慮地震作用的情況下，內(nèi)力比僅考慮豎向荷載作用時復雜。靜力彈塑性分析結(jié)果表明，在整體結(jié)構(gòu)破壞發(fā)展過程中，作為疏散通道的樓梯首先發(fā)生屈服破壞。預制樓梯若要實現(xiàn)其在地震作用中的抗震預期目標，梯板、平臺梁和平臺板之間的連接構(gòu)造措施是關(guān)鍵因素之一。若梯段與平臺梁缺乏有效的連接，梯板可能會因地震作用導致與平臺梁分離墜落，造成樓梯倒塌破壞。結(jié)論考慮樓梯與主體結(jié)構(gòu)之間的相互作用時，建議提高樓梯構(gòu)件抗震設(shè)計的重要性系數(shù)。同時還應采取更有效的構(gòu)造措施保證樓梯間的安全性，如對平臺梁箍筋間距宜加密，梯板鋼筋宜拉通配置，對樓梯短柱增加配箍率等。采用樓梯與主體之間脫開的設(shè)計方法，使得樓梯構(gòu)件傳力明確，減弱樓梯與主體結(jié)構(gòu)之間的相互作用，有效避免地震中樓梯對主體結(jié)構(gòu)的不利影響，并避免樓梯自身遭受破壞，實現(xiàn)疏散安全通道的作用。

來源出版物：振動與沖擊, 2013, 32(3): 22-28

入選年份：2014

基于形態(tài)奇異值分解和經(jīng)驗模態(tài)分解的滾動軸承故障特征提取方法

湯寶平，蔣永華，張詳春

摘要：目的：如何從非平穩(wěn)信號中提取特征信息是滾動軸承故障診斷的關(guān)鍵，而經(jīng)驗模態(tài)分解（EMD）非常適合于處理這類非線性、非平穩(wěn)信號。但是，由于現(xiàn)場采集的振動信號中往往存在著較強的窄帶脈沖和隨機噪聲干擾，會嚴重影響EMD分解質(zhì)量。因此，本文利用形態(tài)奇異值分解（SVD）、形態(tài)濾波（MF）、EMD技術(shù)，提高EMD的分解質(zhì)量，并形成一種滾動軸承故障特征提取方法。方法：首先對原始振動信號進行相空間重構(gòu)和奇異值分解，根據(jù)奇異值分布曲線確定降噪階次進行SVD降噪，再進行形態(tài)濾波，最后把消噪后的信號進行EMD分解，利用本征模態(tài)分量（IMF）提取故障特征信息，整體分析方案基本流程如圖4所示。在SVD降噪中，降噪階次的選定十分關(guān)鍵，不同的降噪階次下，信號的降噪效果明顯不同。當所選階次過低時，會導致降噪信號的信息不完整，甚至發(fā)生波形的畸變現(xiàn)象；當所選階次過高時，會使得降噪信號中仍保留了一部分噪聲信息，無法達到信號充分降噪的目的。因此，在SVD降噪階次上，選取奇異值曲線降低到漸近值時的值作為信號的降噪階次，既可以保證信號故障特征信息的基本完整又可以有效地濾除隨機噪聲干擾。形態(tài)濾波是一種基于數(shù)學形態(tài)學的非線性濾波技術(shù)。形態(tài)濾波的效果不僅取決于變換形式，還與結(jié)構(gòu)元素有關(guān)。結(jié)構(gòu)元素的選取包括結(jié)構(gòu)元素的形狀、寬度和高度等。在形態(tài)濾波方法上，采用開閉和閉開組合濾波器，選擇直線型，中心過原點與水平方向成零度角的結(jié)構(gòu)元素，可有效抑制脈沖干擾。最后對進行SVD-MF降噪濾波后的信號進行EMD分解，利用IMF提取故障特征信息。結(jié)果：對包含一個調(diào)制波、一個正弦波、有效值為1的白噪聲及指數(shù)衰減脈沖信號的仿真信號直接進行EMD分解，前三個IMF都是高頻噪聲，雖然第四和第五個IMF已基本把有用成份分解出來了，但是由于受前面噪聲引起的邊界積累誤差以及脈沖噪聲的影響，分解出的IMF出現(xiàn)了頻率混疊的畸變現(xiàn)象，尤其是在脈沖噪聲發(fā)生的三個時刻尤其突出，這使得分解出的信號很難達到分析信號特征的要求。因此，為了提高EMD的分解質(zhì)量，在EMD分解前對信號進行預處理十分必要。對原始振動信號進行相空間重構(gòu)，選取奇異值曲線降低到漸近值時的值作為信號的降噪階次對信號進行奇異值分解，信號中的隨機噪聲被大幅削減，脈沖干擾也得到了削弱，但脈沖干擾還是較為明顯，奇異值分布曲線及不同降噪階次時SVD降噪結(jié)果。因此，還需再對經(jīng)過SVD降噪后的信號再進行濾波，去除窄帶脈沖干擾。對SVD降噪后的重構(gòu)信號進行形態(tài)濾波，脈沖干擾得到了有效抑制，且隨機噪聲也進一步的削弱，信號特征已突現(xiàn)出來，形態(tài)濾波及形態(tài)奇異值分解濾波結(jié)果如圖3所示。最后把消噪后的信號進行EMD分解，利用IMF即可提取出滾動軸承的故障特征信息。結(jié)論：將所提方法先對仿真信號進行了分析，仿真信號中的隨機噪聲經(jīng)過SVD降噪大幅削弱后，EMD的分解層數(shù)也得到有效減少，信號中的兩個主要成份在第一層和第二層即被分解出來，減小了分解層的積累端點誤差，使EMD的準確性和時效性都得到了提高。而脈沖干擾經(jīng)形態(tài)濾波去除后，分解出來的IMF已沒有發(fā)生頻率混疊現(xiàn)象，提高了EMD提取信號特征的精度。再對實際的6205-2RS型深溝球軸承的內(nèi)圈故障信號進行了分析，軸承信號及形態(tài)奇異值分解-EMD分析結(jié)果如圖6所示，并與直接EMD、形態(tài)-EMD、SVD-EMD、小波-形態(tài)-EMD等方法進行了比較分析，幾種方法的分析結(jié)果對比，結(jié)果表明，所提方法能更有效地提高信噪比，突出故障特征，提高故障診斷的準確性，這為提取滾動軸承故障特征提供了一種新的手段。

來源出版物：機械工程學報, 2010, 46(5): 37-42

入選年份：2014

奇異值差分譜理論及其在車床主軸箱故障診斷中的應用

趙學智，葉邦彥，陳統(tǒng)堅

摘要：目的：利用奇異值分解（Singular Value Decomposition，SVD）來提取信號中的故障特征時，存在一個關(guān)鍵問題需要解決，即如何選擇特征奇異值。如果奇異值數(shù)目選擇過多，則會使特征提取結(jié)果混進一部分干擾，而選擇過少又會丟掉有效的特征信息。目前雖然提出了一些方法如奇異熵法來解決這一問題，但這些方法的選擇特征不明顯，效果不是很理想。針對這一問題，提出一種奇異值差分譜方法，以實現(xiàn)對特征奇異值的合理選擇。方法：首先，分析了Hankel矩陣方式下SVD的信號分解和重構(gòu)原理，從理論上證明了SVD的信號分解本質(zhì)實際上是將原始信號分解為一系列分量信號的線性疊加，而每一個分量信號與一個奇異值相聯(lián)系，這種分離出來的分量信號能夠保持它們在原信號中的相位不變，具有零延遲相位特性，通過選取特征奇異值所對應的分量進行簡單的疊加，可以實現(xiàn)對原始信號的特征信息的提取。其次，從Hankel矩陣的結(jié)構(gòu)特點出發(fā)，分析了確定性信號和噪聲的奇異值序列的特點，發(fā)現(xiàn)對于確定性信號，只有前面的有限個奇異值比較大，而之后的奇異值則非常接近于零，奇異值曲線存在明顯的突變；而對于噪聲來說，其各個奇異值大小比較均勻，奇異值曲線變化平緩。最后，根據(jù)確定性信號和噪聲奇異值的這種差異，提出了奇異值差分譜的概念，差分譜反映了兩兩相鄰奇異值的變化情況，當奇異值序列中存在一個突變時，在差分譜中將產(chǎn)生一個峰值，利用差分譜中的峰值可以實現(xiàn)對特征奇異值的選取。結(jié)果：通過對模擬信號和實際工程信號進行研究，得到如下結(jié)果：（1）當差分譜最大峰值位于第一個坐標時，則表明原始信號中存在較大的直流分量，此時根據(jù)差分譜中的第二最大峰值位置可以確定特征奇異值的個數(shù)，其中第一個奇異值對應著直流分量，否則就根據(jù)最大峰值位置來確定特征奇異值的個數(shù)。（2）除了最大峰值外，通過差分譜中的其他峰值也可以確定出相應的特征奇異值，利用這些特征奇異值所對應的分量信號進行簡單相加，可以分離出原始信號中不同頻率成分的波形特征。（3）利用差分譜分析了Hankel矩陣的結(jié)構(gòu)對SVD消噪效果的影響，結(jié)果表明，如果原始信號的長度N為偶數(shù)，應取列數(shù)n＝N/2、行數(shù)m＝N/2＋1來構(gòu)造Hankel矩陣；如果N為奇數(shù)，應取列數(shù)n＝（N＋1）/2、行數(shù)（N＋1）/2來構(gòu)造Hankel矩陣，這樣的矩陣結(jié)構(gòu)可以使SVD獲得最好的消噪效果。（4）利用奇異值差分譜方法對車削力信號進行特征提取，結(jié)果提取到了清晰的調(diào)幅特征信號，通過對主軸箱齒輪振動特征頻率的計算，結(jié)合功率譜分析證實車削力信號中的這種調(diào)幅特征是受主軸箱中齒輪的振動影響而產(chǎn)生的，并根據(jù)提取的調(diào)幅信號定位了主軸箱中的故障齒輪。結(jié)論：奇異值差分譜反映了奇異值序列中相鄰奇異值的變化情況，確定性信號的奇異值序列存在突變，而噪聲的奇異值序列比較均勻，不存在突變，利用奇異值差分譜中的峰值可以確定奇異值突變的位置，當最大峰值位于第一個坐標時，表明原始信號中存在較大的直流分量。根據(jù)奇異值差分譜的不同峰值，可以確定相應的特征奇異值，利用這些特征奇異值所對應的分量信號簡單相加，可以提取出原始信號中不同頻率成分的波形特征。相比其它方法，奇異值差分譜的選擇特征非常明顯。對于長度確定的含噪信號，文中利用差分譜法得到了合適的Hankel矩陣結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以使SVD獲得最好的消噪結(jié)果，并利用這種方法提取到了車削力信號中清晰的調(diào)幅特征信號，進而確定了故障齒輪。

來源出版物：機械工程學報, 2010, 46(1): 100-108

入選年份：2014

機械故障診斷基礎(chǔ)研究“何去何從”

王國彪，何正嘉，陳雪峰，等

摘要：機械故障診斷技術(shù)是監(jiān)測、診斷和預示連續(xù)運行機械設(shè)備的狀態(tài)和故障，保障機械設(shè)備安全運行的一門科學技術(shù)，其突出特點是理論研究與工程實際應用緊密結(jié)合。機械設(shè)備一旦出現(xiàn)故障，將帶來巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。正所謂“千里長堤，潰于蟻穴”，若能準確及時識別設(shè)備運行過程中故障的萌生和演變，對保障機械系統(tǒng)安全運行，減少或避免重大災難性事故具有非常重要的意義。自20世紀60年代以來開展了故障診斷方法探索研究，在可靠的信號獲取與先進的傳感技術(shù)、故障的產(chǎn)生機理和表征形式、故障征兆提取、復雜機械設(shè)備故障的智能診斷技術(shù)與實用診斷系統(tǒng)研發(fā)等方面取得了豐碩成果。但是機械故障診斷技術(shù)在經(jīng)歷了數(shù)十年的研究后，其基礎(chǔ)研究工作究竟“何去何從”，這是本領(lǐng)域?qū)W者非常關(guān)注的問題，本文根據(jù)本領(lǐng)域的多次研討、自然基金的統(tǒng)計分析等，給出了相應的觀點?，F(xiàn)階段機械故障診斷基礎(chǔ)研究中，在故障機理、診斷方法以及智能診斷系統(tǒng)等方面還存在以下問題：（1）現(xiàn)有研究中對機械故障機理研究重視不足，主要原因包括：大型裝備的故障機理研究通常需要涉及繁多的數(shù)學和力學知識，工程結(jié)構(gòu)的簡化和力學模型的建立都存在較大的難度；故障機理研究需要結(jié)合大量的試驗驗證，然而建設(shè)一個模型簡化合理、故障模型典型、制造精度保證和測試數(shù)據(jù)可靠的試驗臺，往往不是一朝一夕可以實現(xiàn)的；實驗室針對單一故障的準確表征，還需要工程實際的驗證，單一的故障特征在實際工程中往往可遇而不可求。（2）機械設(shè)備診斷首先要分析設(shè)備運轉(zhuǎn)中所獲取的各種信號，然后提取信號中的各種特征信息，從中獲取與故障相關(guān)的征兆，最終利用征兆進行故障診斷。故障診斷方法研究中提出了許多有效的“望聞問測”診斷手段，但是針對早期故障、微弱故障、復合故障、系統(tǒng)故障等的診斷方法還存在不足，可靠的診斷方法有限。（3）隨著機械裝備的大型化、復雜化、高速化、自動化和智能化，迫切需求融合智能傳感網(wǎng)絡(luò)、智能診斷算法和智能決策預示的智能診斷系統(tǒng)、專家會診平臺和遠程診斷技術(shù)等，然而現(xiàn)有的智能診斷系統(tǒng)其診斷能力還比較薄弱。綜合上述現(xiàn)階段我國機械故障診斷基礎(chǔ)研究存在的問題，總結(jié)起來有“八多八少”現(xiàn)象：研究故障表現(xiàn)多，研究故障機理少；研究旋轉(zhuǎn)機械多，研究往復機械少；研究通用機械多，研究專用機械少；研究單一方法多，研究綜合診斷少；研究部件故障多，研究系統(tǒng)故障少；研究顯著故障多，研究微弱故障少；研究仿真數(shù)據(jù)多，研究工程數(shù)據(jù)少。為此，機械故障診斷的基礎(chǔ)研究必須實現(xiàn)以下5個方面的突破：由表象研究到機理研究的突破，由定性研究到定量研究的突破，由單故障研究到群故障研究的突破，由強故障研究到微弱故障研究的突破，由零部件故障研究到機械系統(tǒng)故障研究的突破。

來源出版物：機械工程學報, 2013, 49(1): 63-72

入選年份：2014

曲軸NTR彎曲鐓鍛物理模擬系統(tǒng)相似性分析

王棟彥，張連洪，李航

摘要：目的：研究與開發(fā)不同規(guī)格曲軸的NTR彎曲鐓鍛工藝，在低成本消耗的情況下提高曲軸彎曲鐓鍛工藝的效率?；谙嗨贫ɡ矸治銮SNTR彎曲鐓鍛物理模擬系統(tǒng)相似性，應用軸坯縮尺模型進行鍛件加工過程的仿真模擬，得到了鍛件宏觀成形質(zhì)量及力學數(shù)據(jù)，為原型系統(tǒng)曲軸NTR彎曲鐓鍛工藝研究提供參考。方法：研制了大型曲軸全纖維NTR彎曲鐓鍛成形模擬試驗機，分析了曲軸NTR彎曲鐓鍛物理模擬系統(tǒng)與原型系統(tǒng)的相似條件（幾何相似性、運動學相似性與動力學相似性）?；诖宋锢砟M系統(tǒng)，以42CrMo鋼6G32曲軸為原型，采用鉛軸坯進行NTR彎曲鐓鍛物理模擬試驗。結(jié)果：（1）曲軸NTR彎曲鐓鍛物理模擬系統(tǒng)能精確實現(xiàn)與原型系統(tǒng)的幾何相似與運動學相似，動力學條件只能實現(xiàn)近似相似。（2）根據(jù)相似準則，鉛軸坯尺寸、模具尺寸、對應時刻鐓鍛與彎曲模具運行速度均為原型系統(tǒng)的1/24。（3）曲柄臂主要結(jié)構(gòu)尺寸與原型鍛件設(shè)計圖中尺寸比例均符合系統(tǒng)幾何相似系數(shù)。（4）通過鉛曲軸物理模擬成形載荷數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬載荷數(shù)據(jù)對比，物理模擬鐓鍛力行程時間曲線、彎曲力行程時間曲線分別與數(shù)值模擬曲線變化趨勢相吻合。（5）所得鍛件出現(xiàn)了曲軸原型系統(tǒng)模鍛工藝中容易產(chǎn)生的塌角與飛邊現(xiàn)象，且主體結(jié)構(gòu)尺寸與原型鍛件設(shè)計尺寸之間符合系統(tǒng)幾何相似常數(shù)，系統(tǒng)傳感器記錄的模具成形載荷數(shù)據(jù)與預期變化趨勢吻合。結(jié)論：（1）曲軸NTR彎曲鐓鍛物理模擬系統(tǒng)軸坯與模具尺寸滿足與原型系統(tǒng)的精確幾何相似條件，通過控制三個步進電機，可以精確實現(xiàn)其與原型系統(tǒng)的運動學相似。（2）根據(jù)雙曲正弦形式修正的Arrhenius流變應力數(shù)學模型，對于給定相關(guān)性水平α＝0.05，鉛的室溫塑性變形性能與42CrMo鋼的高溫塑形變形性能近似相似。以鉛作為模擬材料的曲軸NTR彎曲鐓鍛系統(tǒng)可以實現(xiàn)與原型系統(tǒng)的近似動力學相似。（3）曲軸NTR彎曲鐓鍛物理模擬系統(tǒng)可有效仿真原型系統(tǒng)中各種有關(guān)參數(shù)的效應和所期望的有關(guān)現(xiàn)象。所得鍛件出現(xiàn)模鍛工藝中容易產(chǎn)生的填充不滿與飛邊現(xiàn)象，并且主體結(jié)構(gòu)尺寸與鍛件設(shè)計尺寸滿足相似常數(shù)。（4）基于相似理論的物理模擬方法可降低曲軸彎曲鐓鍛工藝研究成本，可為大型全纖維曲軸NTR彎曲鐓鍛成形規(guī)律研究提供可靠研究方法與工藝參考數(shù)據(jù)。

來源出版物：中國機械工程, 2014, 25(10): 1406-1409

入選年份：2014

基于兩階段蟻群算法的帶非等效并行機的作業(yè)車間調(diào)度

張潔，劉國寶，張鵬

摘要：目的：帶非等效并行機的作業(yè)車間調(diào)度問題在電子/汽車等行業(yè)的制造系統(tǒng)中廣泛存在。如何對這類生產(chǎn)調(diào)度問題進行有效建模與調(diào)度，是快速響應和滿足客戶需求的必要條件。本文利用蟻群并行搜索算法在求解復雜優(yōu)化問題方面的優(yōu)越性，對構(gòu)建的多目標生產(chǎn)調(diào)度模型進行求解。方法：設(shè)計兩階段蟻群并行搜索算法對帶非等效并行機的作業(yè)車間多目標調(diào)度問題進行求解。首先，分析這類生產(chǎn)調(diào)度問題中的約束條件，同時考慮制造系統(tǒng)對生產(chǎn)成本、準時交貨率等目標要求，構(gòu)建最小化完工時間和提前/拖期懲罰的雙目標Pareto優(yōu)化模型。其次，基于二維析取圖建立調(diào)度問題與蟻群并行搜索算法的映射關(guān)系，并將調(diào)度過程分成任務(wù)分派和任務(wù)排序兩個階段，每個階段分別設(shè)計蟻群算法進行優(yōu)化，將兩階段尋優(yōu)螞蟻有機結(jié)合，構(gòu)建一種具有繼承關(guān)系的兩階段蟻群并行搜索生產(chǎn)調(diào)度算法。最后，采用均勻試驗和統(tǒng)計分析方法確定影響蟻群算法性能的關(guān)鍵參數(shù)組合。結(jié)果：從算法有效性驗證的實驗結(jié)果可以看出：（1）CPLEX精確解方法雖然能得到較優(yōu)或最優(yōu)的解，但計算耗時過長，與問題規(guī)模呈指數(shù)增長關(guān)系；（2）SLA（Least Amount of Slack）規(guī)則計算耗時雖然可以接受，但任務(wù)的排序基于貪婪搜索的方式，隨著問題規(guī)模的增大，很難得到較優(yōu)解；（3）ACS（ant colony system）算法在求解大規(guī)模復雜調(diào)度問題時能在較短的時間內(nèi)獲得可行解，而經(jīng)過改進后的TSACS（Two-Stage ant Colony System）算法在求解質(zhì)量和計算時間方面均優(yōu)于ACS算法。與文獻中的求解多階段非等效并行機調(diào)度問題的IGA（Improved Genetic Algorithm）算法進行對比，從實驗結(jié)果可以看出：（1）TSACS在最優(yōu)值和平均值兩個指標上均好于文獻的IGA，問題規(guī)模較小時，IGA求解結(jié)果較集中，但隨著問題規(guī)模增大，最優(yōu)值到平均值的偏離程度越來越大，穩(wěn)定性變差；TSACS雖然在任務(wù)數(shù)量小于15時計算結(jié)果的穩(wěn)定性不如IGA，但隨著問題規(guī)模增大，TSACS的表現(xiàn)越來越好；（2）在算法的時間性能方面，在問題規(guī)模較小時，TSACS的表現(xiàn)同樣不如IGA，少量的任務(wù)排序很容易就能完成，而此時TSACS的兩階段優(yōu)化過程是浪費時間的；但隨著任務(wù)數(shù)量增加，問題復雜度呈指數(shù)增長，TSACS的兩階段搜索過程的優(yōu)勢得到體現(xiàn)，前一階的搜索為第二階的蟻群提供了篩選和過濾的作用，為第二階的螞蟻尋優(yōu)節(jié)省了大量時間。同樣與IGA算法進行對比，從多目標優(yōu)化的實驗結(jié)果可以看出：兩種方法都能很好地逼近Pareto前沿，搜索效率很高。在解區(qū)間［225，245］上，TSACS算法求解結(jié)果分布較為緊湊，算法搜索到的解多集中在該區(qū)段。最后，TSACS算法在上海某軍工研究所生產(chǎn)車間進行了實施應用，從目前車間反饋回的情況來看，調(diào)度系統(tǒng)的實施使生產(chǎn)過程中工序間等待時間減少18%，產(chǎn)品交付周期縮短12%。結(jié)論：帶非等效并行機的作業(yè)車間調(diào)度問題的調(diào)度過程可以分解，基于此本文設(shè)計了具有繼承關(guān)系的TSACS算法。有效性驗證的實驗結(jié)果表明，TSACS算法無論在優(yōu)化結(jié)果還是計算時間上，對于求解帶非等效并行機的作業(yè)車間調(diào)度問題均是可行的。進一步的實驗表明，TSACS算法在任務(wù)數(shù)量小于15時計算結(jié)果的穩(wěn)定性不如IGA，但隨著問題規(guī)模增大，TSACS的表現(xiàn)越來越好，設(shè)備利用率明顯提高；同時，TSACS算法兩階段螞蟻的有機組合也節(jié)省了大量的計算時間。多目標優(yōu)化的實驗表明，TSACS算法在逼近Pareto前沿的基礎(chǔ)上，解的穩(wěn)定性更佳。

來源出版物：機械工程學報, 2014, 49(6): 136-144

入選年份：2014

基于自相關(guān)分析和LMD的滾動軸承振動信號故障特征提取

王建國，吳林峰，秦緒華

摘要：目的：滾動軸承的早期故障信號是非平穩(wěn)的時變信號，具有調(diào)制特性。而且早期故障信號容易被周圍的噪聲干擾，信噪比低，難以識別。本文利用局域均值分解方法分析滾動軸承的早期故障信號，探索滾動軸承故障早期診斷的可行性。方法：利用自相關(guān)分析方法去除特征信號中的隨機噪聲，經(jīng)過自相關(guān)處理后留下的是包含了故障特征的周期信號。利用局域均值分解方法對留下的周期信號進行分解，局域均值分解后將自適應的得到若干個特征分量PF分量。計算各PF分量與原始信號的相關(guān)系數(shù)，根據(jù)相關(guān)系數(shù)判定法則確定包含故障特征信息的主要PF分量。最后利用共振解調(diào)技術(shù)完成對PF分量中的故障特征信號的提取。結(jié)果：從信號的分析過程中可以看到，滾動軸承故障信號被調(diào)制成高頻信號，造成頻帶遷移，一般這種信號存在于軸承早期故障。由于軸承外圈缺陷，在運行過程中會產(chǎn)生低頻的故障脈沖，通常是數(shù)百赫茲以內(nèi)，此故障脈沖會激發(fā)軸承某元件的固有頻率振動，因此放大了包含故障特征頻率的頻段。而且該頻段存在大量的隨機噪聲，經(jīng)過自相關(guān)技術(shù)分析后，隨機噪聲得到了有效抑制，信號的頻譜譜線清晰，信號的周期部分有效的保留了下來。雖然經(jīng)自相關(guān)處理后信號的幅值和相位發(fā)生了一些變化，但是信號的周期特性沒有改變，因此不影響后期的故障特征提取。利用局域均值分解方法LMD分析后，得到5個PF分量，更加突出了故障信號的局部特征信息，使用相關(guān)系數(shù)分析后，剔除了次要的PF分量，確定了包含故障特征信息的主要PF分量。使用共振解調(diào)技術(shù)對主要的PF分量進行包絡(luò)分析，從頻譜圖可以看到該故障信號的故障特征f，以及二倍頻2f、四倍頻4f，從而實現(xiàn)了故障的判斷。結(jié)論：采用自相關(guān)處理方法能有效解決軸承故障信號容易受噪聲干擾，信噪比低的問題。局域均值分解方法適合處理非平穩(wěn)的多分量調(diào)制信號信號，能夠?qū)⑤S承故障信號自適應的分解為多個PF分量，試驗證明LMD有效的將故障特征頻率分離了出來，通過對PF包絡(luò)解調(diào)準確的提取出了故障特征頻率。

來源出版物：中國機械工程, 2014, 25(2): 186-191

入選年份：2014

基于提升多小波的機電設(shè)備復合故障分離和提取

袁靜，何正嘉，訾艷陽

摘要：目的：大量工程實踐表明，機電設(shè)備的故障通常并不單一，往往表現(xiàn)為復合故障。這些復合故障同時或級聯(lián)出現(xiàn)，其振動信號常表現(xiàn)為多故障特征的相互耦合，給故障的確診帶來更大的困難。本文研究多小波提升框架分解和重構(gòu)算法以及改進多小波后處理流程，有效解決復合故障耦合特征的一次性分離與提取難題，為機械設(shè)備復合故障診斷提供有效手段。方法：本文研究基于多小波提升框架的復合故障分離與提取方法，其分解算法包含預處理、剖分、預測、更新和改進后處理五個步驟，如下所述：（1）預處理：設(shè)原始信號為，采用正交、對稱、具有三階逼近階的Haar預處理器進行預處理，獲得矢量輸入。（2）剖分：將矢量輸入剖分為r維偶序列s和r維奇序列d。（3）預測：對偶序列采用矢量預測器來插值預測奇序列，其預測偏差定義為細節(jié)信號。（4）更新：利用細節(jié)信號通過矢量更新器來更新修正偶序列，其更新結(jié)果定義為逼近信號。（5）改進后處理：去除多小波變換的后處理運算，直接輸出多通道信號，使各解耦特征分別清晰呈現(xiàn)于不同通道信號中。同時，應用Hilbert包絡(luò)解調(diào)對多小波變換后的多通道輸出信號進行后處理，使得特征信息有效地得到表達。基于Hermite樣條插值，構(gòu)造緊支、雙正交、對稱和4階逼近階的多小波，相應矢量預測器和矢量更新器為結(jié)果：為驗證有效性和實用性，將提出的方法應用于齒輪-軸承試驗臺和電力機車走行部復合故障診斷中：（1）在齒輪-軸承試驗臺復合故障診斷中，本方法分析結(jié)果輸出通道1中軸承內(nèi)圈局部故障特征頻率85.16 Hz非常明顯，并未發(fā)現(xiàn)明顯的分布式故障特征信息。通道2中，轉(zhuǎn)軸不規(guī)則彎曲的分布式故障特征譜線128.10 Hz格外突出，而內(nèi)圈故障特征頻率相對不明顯。分析結(jié)果顯示該方法可以很好地將復合的軸承內(nèi)圈局部故障和轉(zhuǎn)軸不規(guī)矩彎曲的分布式故障一次性分離，并且兩者的特征信息在不同通道的結(jié)果中清晰地呈現(xiàn)，非常容易識別。而Db8小波、傳統(tǒng)Hilbert 解調(diào)和傳統(tǒng)多小波后處理的對比方法只能提取單一故障模式，無法實現(xiàn)復合故障的一次性分離與全面識別。（2）為了解決鐵路機車走行部滾動軸承復合故障問題，引入提升多小波變換方法對機車車輛走行部進行監(jiān)測診斷。在某型客運型電力機車頂輪測試中，本方法分析結(jié)果輸出通道1中機車軸承外圈故障特征頻率62.50 Hz非常清晰，通道2中軸承滾動體故障特征頻率53.13 Hz及其二倍頻106.3 Hz十分突出。以上分析說明，該滾動軸承同時存在滾動體和外圈損傷的復合故障。并且在通道1結(jié)果中，滾動體故障特征頻率并不明顯，通道2結(jié)果中，也找不到清晰的外圈故障特征頻率。而對比分析方法因受到噪聲干擾，結(jié)果均不理想。將滾動軸承從軸箱取出，對其進行解體，發(fā)現(xiàn)軸承外圈存在損傷故障，而滾動體有較多凹坑，與診斷結(jié)果一致。以上分析顯示該方法可以有效地一次性分離機車軸承復合故障，并使得軸承滾動體故障和外圈故障的特征頻率在輸出的兩通道結(jié)果中易于提取和識別，為復合故障的確診提供有利的依據(jù)。結(jié)論：采用提升框架構(gòu)造的多小波不依賴于傅里葉變換，可以完全在時域完成雙正交小波的構(gòu)造，并且具有算法簡單，運行速度快等優(yōu)點。因此，本文研究類似二代小波的基于提升框架的多小波分解和重構(gòu)算法。同時基于Hermite樣條插值，構(gòu)造緊支、雙正交、對稱和4階逼近階的多小波，并給出其相應的前處理算法。針對機電設(shè)備復合故障一次性分離和提取問題，改進多小波分析流程，去除傳統(tǒng)多小波變換的后處理步驟，使得由多小波變換后解耦的特征信息能夠清晰地呈現(xiàn)在不同通道中，實現(xiàn)復合故障的分離和提取。將提出的方法應用于軸承試驗臺和電力機車走行部復合故障診斷中，結(jié)果顯示該方法可以有效地實現(xiàn)試驗臺軸承內(nèi)圈故障和轉(zhuǎn)軸不規(guī)則彎曲故障的分離和提取，并成功解耦出機車軸承外圈和滾動體損傷復合故障。

來源出版物：機械工程學報, 2010, 46(1): 79-85，91

入選年份：2015

工業(yè)機器人的最優(yōu)時間與最優(yōu)能量軌跡規(guī)劃

徐海黎，解祥榮，莊健，等

摘要：最優(yōu)軌跡規(guī)劃是工業(yè)機器人最優(yōu)控制問題之一，規(guī)劃的任務(wù)是根據(jù)給定的路徑點規(guī)劃出通過這些點并滿足邊界約束條件的光滑的最優(yōu)運動軌跡。目前的研究工作主要存在兩個問題，其一，所采用的尋優(yōu)算法，其結(jié)構(gòu)過于簡單，沒有完全體現(xiàn)原有優(yōu)化問題的本質(zhì)特征，所得解的效果往往不是很理想，不能適應更復雜的工業(yè)應用場合；其二，最優(yōu)軌跡規(guī)劃是帶約束的優(yōu)化問題，在解決這類問題時，通常采用罰函數(shù)的方法，而懲罰系數(shù)的設(shè)計通常采用一個固定的預設(shè)值，由于約束條件的限制，很難在解的質(zhì)量和尋優(yōu)效率上得到兼顧。論文提出一種能量最優(yōu)和時間最優(yōu)的綜合優(yōu)化方法，將機器人的軌跡視為由機器人關(guān)節(jié)空間中一系列的關(guān)鍵點構(gòu)成，關(guān)鍵點兩兩之間通過三次多項式曲線進行連接。約束條件表示為作用于機器人上的運動學和動力學性能的物理極限，表明運動必須有一定的限度，能量資源也是有限的。考慮了關(guān)節(jié)速度、加速度、二次加速度以及力或力矩等約束條件，對產(chǎn)生的運動軌跡進行優(yōu)化時，應用加權(quán)系數(shù)法定義了目標函數(shù)，對系統(tǒng)的動作時間和消耗能量進行平衡，從而使機器人總的動作時間和消耗的能量在某種程度上均達到最優(yōu)。在有約束問題的求解中，由于約束條件的存在，可行解集空間變得非常復雜，一般采用罰函數(shù)的方式來處理，在代價函數(shù)的設(shè)計中，采用了一種新穎的罰函數(shù)排序形式來處理約束問題，主要有以下幾條規(guī)則。（1）當兩個個體都符合約束條件時，目標函數(shù)值小的排序靠前。（2）當兩個個體有一個不合約束條件時，目標函數(shù)值小而且約束條件值小的排序靠前。（3）當兩個個體有一個不合約束條件時，目標函數(shù)值小與約束條件值小條件不同時成立，則以兩個個體約束條件的比值為概率，隨機排序。上述排序規(guī)則在強調(diào)約束條件的同時保證了目標函數(shù)值小、約束條件值也不大的個體也能有一定的機會在群體中傳播基因，其優(yōu)點能夠克服由于約束條件而造成的可行解集空間不連續(xù)的限制，提高了優(yōu)化解的質(zhì)量。為了獲得全局最優(yōu)解，提出了基因環(huán)境雙演化免疫克隆算法對所定義的代價函數(shù)進行優(yōu)化。算法中的算子有免疫疫苗選擇，克隆，克隆環(huán)境變異，克隆直接變異，克隆更新?？寺…h(huán)境變異算子的作用有二，其一，在群體中較優(yōu)個體周圍探索前進方向，從而提高免疫算法效率；其二，通過環(huán)境變量獲取進化過程中的歷史經(jīng)驗，使算法在一定程度上具有學習能力，增強了算法的全局搜索能力。對斯坦福機器人的仿真結(jié)果表明了本文方法與現(xiàn)有方法相比，規(guī)劃出的關(guān)節(jié)速度、加速度和二次加速度曲線不僅均滿足約束條件，且具有更高的搜索效率，能得到性能更良好的解。

來源出版物：機械工程學報, 2010, 46(9): 19-25

入選年份：2015

基于激光干涉儀的測量機幾何誤差檢定技術(shù)

朱嘉，李醒飛，譚文斌，等

摘要：目的：隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對測量機的精度提出了越來越高的要求。影響測量機精度的因素很多，包括幾何誤差、力變形誤差、熱變形誤差、動態(tài)誤差等，其中幾何誤差對測量精度的影響最大，達40%以上。單純依靠提高測量機的制造精度、采用更精確的標尺系統(tǒng)、嚴格限制測量機的使用條件來達到高精度是難以實現(xiàn)或成本昂貴的。誤差補償技術(shù)是經(jīng)濟地提高測量機精度的一項重要技術(shù)，其內(nèi)容包括誤差模型的建立、誤差檢定和誤差補償。幾何誤差的準確檢測和識別是誤差補償?shù)那疤岷突A(chǔ)。激光干涉儀不僅精度高，量程大，而且能進行連續(xù)測量，因此，激光干涉儀在測量機的誤差檢定中被廣泛應用。方法：針對RFXZ型結(jié)構(gòu)形式的測量機，基于2l項幾何誤差的準剛體誤差修正技術(shù)建立了其包含13項原始幾何誤差的誤差補償數(shù)學模型；提出了基于激光干涉儀的，針對包括定位誤差、直線度運動誤差、角運動誤差和垂直度誤差在內(nèi)的測量機各單項幾何誤差的檢定方法。檢定時，（1）激光干涉儀的獨立激光器架設(shè)在三腳架上，干涉光學鏡和反射光學鏡分別安裝于測量機的工作臺和測端。（2）令測量機回零，建立絕對的儀器坐標系，以保證誤差檢測與補償時的坐標系統(tǒng)一。（3）記錄裝在測端上的角隅棱鏡頂點與測端球心的位置偏置量。（4）設(shè)置數(shù)據(jù)采樣點坐標和運動的循環(huán)次數(shù)，數(shù)據(jù)的采集和處理由測量計算機自動完成。（5）測定測量機的13項單項幾何誤差后，以表格的形式存儲在計算機中。檢定還可先以較大的采樣點距做粗檢，再以較小的采樣點距對實用中測量點密集的軸段作細檢。補償時，根據(jù)測量點在儀器坐標系中的坐標，將存于計算機表格中的原始誤差代入表示測量機數(shù)學模型的誤差計算公式計算，得到補償量和經(jīng)補償后的坐標值。當然，測量點一般不會正好落在誤差檢定時的采樣點上，這時需要先查出各坐標軸上與測量點相鄰采樣點的原始誤差值，再進行插值計算，得到該點的各項原始誤差值。結(jié)果：RFXZ型測量機的一個顯著特點是不具備y方向的運動，卻具有y方向的誤差。試驗證明：激光干涉儀能夠準確地提取補償所需的各項原始誤差，利用本文的方法檢測RFXZ型測量機直線運動部件的各項幾何誤差，帶入誤差補償模型計算空間內(nèi)各點的測量誤差并利用表格法作軟件補償后，測量機單軸在176 mm測量范圍內(nèi)的最大測量誤差從0.1399 mm減為0.0017 mm。方法：中的采樣點坐標設(shè)置，運動控制，數(shù)學模型的建立和計算，誤差補償都可以通過程序?qū)崿F(xiàn)，因此可生成檢定模塊嵌入測量機軟件中，實現(xiàn)對測量機幾何誤差的快速、反復檢定，有效提高測量機精度。結(jié)論：利用該方法檢定測量機的幾何誤差并作誤差補償能夠經(jīng)濟、有效地提高測量機精度。隨著近年來測量機軟件技術(shù)的發(fā)展和激光干涉儀便攜性的提高，針對不同結(jié)構(gòu)形式的測量機建立不同的數(shù)學模型，該方法對一般的三坐標及多坐標測量機同樣適用。

來源出版物：機械工程學報, 2010, 46(10): 25-30

入選年份：2015

基于改進證據(jù)理論及多神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合的故障分類

李巍華，張盛剛

摘要：目的：故障診斷本質(zhì)上是一個模式識別問題。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NN）能有效地解決從特征參數(shù)空間到故障空間的復雜非線性映射問題，從而實現(xiàn)故障的分類診斷。然而，當特征參數(shù)空間維數(shù)較高時，將導致網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復雜，訓練時間較長，故障分類精度降低。此外，當若干故障表現(xiàn)出類似的癥狀時，需要通過信息融合求取各種故障發(fā)生的概率，通過概率大小判定主要故障。證據(jù)融合理論（DS）適于處理信息融合的故障診斷問題。其關(guān)鍵在于如何確定各證據(jù)分配給故障識別框架中各命題的基本概率賦值（Basic Probability Assignment，BPA）。DS在合成高度沖突的證據(jù)時，得到的結(jié)果往往有悖常理，Yager等人所提方法部分解決此問題，但其收斂速度較慢；同時，這些改進方法在組合一致證據(jù)時會發(fā)散，從而大大限制了證據(jù)理論在故障診斷領(lǐng)域的應用。針對以上問題，本文將證據(jù)融合理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行有機結(jié)合并應用于故障診斷，以有效實現(xiàn)故障的分類識別。方法：提出了一種基于證據(jù)可信度的證據(jù)合成新方法，通過計算證據(jù)間的距離來獲得證據(jù)的可信度因子，并據(jù)可信度衡量證據(jù)源可靠性，對原始證據(jù)進行修正，然后采用DS合成公式對修正后的證據(jù)進行組合。借鑒生物感知系統(tǒng)的信息分解、融合及決策過程，提出了采用多故障特征參數(shù)融合診斷的思想，以達到提高診斷精度的目的。針對K類故障的分類問題，將整個故障特征參數(shù)空間按一定的規(guī)則劃分為K個子空間，對每一個特征子空間確定相應的診斷模型，借助于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)特征子空間到故障空間的映射。K個特征子空間就存在K個子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可得到K個診斷結(jié)果，這一過程相當于信息單元的分解；將K個子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷結(jié)果作為K個證據(jù)體，再利用證據(jù)理論通過所提的證據(jù)合成方法將K個證據(jù)體進行組合，即可實現(xiàn)信息單元的融合，從而得到診斷結(jié)果。結(jié)果：進行了齒輪早期點蝕、早期剝落故障試驗，采集傳動系統(tǒng)的振動信號作為分析對象。選擇了13個常用的統(tǒng)計特征參數(shù)作為齒輪狀態(tài)的原始特征集，用于描述齒輪故障模式。將故障特征參數(shù)空間劃分為3個子空間：時域特征參數(shù)子空間（均值，方差，偏斜度，峰值，均方根值），統(tǒng)計特征子空間（峭度，波形指標，峰值指標，脈沖指標，裕度指標），頻域特征子空間（低頻段幅值和［0～140 Hz］、嚙合頻率調(diào)制頻段幅值和［500～780 Hz］、中高頻段幅值和［800～1500 Hz］），并據(jù)此構(gòu)造相應的子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類模型。再利用所提的證據(jù)合成方法和NN結(jié)合實現(xiàn)故障模式的分類識別，并與DS方法、Yager、孫權(quán)、李弼程等人所提出的證據(jù)合成方法及直接利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的分類結(jié)果進行了對比，驗證了所提方法的有效性。結(jié)論：早期故障由于故障特征不明顯，故障信號容易受到強噪聲的影響，其振動信號的時域、頻域特征非常相似，使得傳統(tǒng)基于信號分析的方法難以有效診斷早期故障，本文所提出的證據(jù)融合-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷方法可實現(xiàn)齒輪早期故障分類識別。研究發(fā)現(xiàn)，所提出的證據(jù)合成方法能對各種證據(jù)進行有效組合，相對于傳統(tǒng)的NN方法和其他證據(jù)合成方法，能明顯地提高分類識別精度和速度。所提出的DS-NN診斷系統(tǒng)能有效地避免噪聲和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自身誤差的影響，具有較強的魯棒性和穩(wěn)定性。

來源出版物：機械工程學報, 2010, 46(9): 93-99

入選年份：2015

機械零部件的動態(tài)可靠性靈敏度分析

王新剛，張義民，王寶艷

摘要：目的：傳統(tǒng)的零部件可靠性模型不能很好地反映變幅隨機載荷和強度退化對可靠性的影響，其可靠性指標一般會隨使用時間的增加而出現(xiàn)逐漸減弱的趨勢，這一可靠性指標逐漸減弱的過程是一個動態(tài)的過程，所以結(jié)構(gòu)的可靠性也就應該考慮時間因素。機械零部件可靠性靈敏度設(shè)計是在可靠性基礎(chǔ)上進行機械零部靈敏度設(shè)計，所以其靈敏度設(shè)計也應是隨時間變化的，是個動態(tài)靈敏度問題?？煽啃造`敏度分析在可靠性設(shè)計修改、可靠性優(yōu)化設(shè)計、可靠性維護等方面均有重要的應用。方法：本文采用隨機過程和順序統(tǒng)計理論建立考慮變幅隨機載荷和強度退化下機械零件的動態(tài)可靠性功能方程模型，通過二階矩和攝動方法求出機械零部件的動態(tài)可靠性指標，與靈敏度分析方法相結(jié)合，建立動態(tài)可靠性靈敏度數(shù)學模型。通過靈敏度與時間的曲線迅速準確地得到零部件在不同使用期間的可靠性靈敏度設(shè)計信息。結(jié)果：從文中圖3中可以看出，可靠性指標b隨使用時間的增加而出現(xiàn)逐漸減弱的趨勢，其可靠度也會隨使用時間的增加而逐漸降低，這與原有的靜態(tài)可靠性數(shù)學模型有著本質(zhì)的區(qū)別。由于可靠性指標b隨使用時間的變化，各隨機參數(shù)在不同時段對零部件的可靠性靈敏度是不一樣的，而不再是一個具體的確定數(shù)值。從算例圖4中可以看出參數(shù)靈敏度隨時間變化的過程，而且可以得到任意時間點不同參數(shù)的靈敏度對比信息，這樣便于對敏感參數(shù)加以控制，以保證零部件具有較高的可靠性和穩(wěn)健性。結(jié)論：本文從機械零部件的實際工況和載荷實際作用效果出發(fā)，建立了機械零部件的動態(tài)可靠性計數(shù)學模型和靈敏度數(shù)學模型。由于考慮了強度和載荷隨時間變花的情況，所以使之更接近于工程實際中零部件的可靠性問題，為進一步分析機械零部件的動態(tài)可靠性穩(wěn)健設(shè)計奠定了理論基礎(chǔ)。

來源出版物：機械工程學報, 2010, 46(10): 188-193

入選年份：2015

ISG型中度混合動力汽車驅(qū)動工況控制策略優(yōu)化

秦大同，葉心，胡明輝，等

摘要：目的：在汽車動力學基礎(chǔ)上，通過對基于集成起動機/發(fā)動機的中毒混合動力汽車的系統(tǒng)效率進行瞬時優(yōu)化計算，在保證汽車動力性的前提下，實現(xiàn)最佳燃油經(jīng)濟性和排放，制定ISG型混合動力汽車混合動力系統(tǒng)動力源的匹配與優(yōu)化控制策略。方法：首先采用系統(tǒng)效率瞬時優(yōu)化的方法，對中度混合動力系統(tǒng)額靜態(tài)工作點進行分析與評估，以中度混合動力汽車的系統(tǒng)效率最高為優(yōu)化目標，得到混合動力汽車控制策略。然后在瞬態(tài)優(yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上，確定混合動力系統(tǒng)能量匹配策略中的三個關(guān)鍵系數(shù)：電池電量切換閾值Xsc、發(fā)動機充電曲線系數(shù)Xe_chg和發(fā)動機關(guān)閉曲線系數(shù)Xe_off，以及他們的取值范圍。最后在Matlab/Simulink仿真平臺下，建立仿真模型，以中度混合動力汽車綜合油耗最低為優(yōu)化目標，對上述三個關(guān)鍵系數(shù)進行優(yōu)化，從而確定ISG型中度混合動力系統(tǒng)動力源的匹配和優(yōu)化控制策略。結(jié)果：根據(jù)仿真計算結(jié)果，在系統(tǒng)瞬時優(yōu)化控制策略下，ISG型中度混合動力汽車的百公里油耗為5.6113 L。采用ADVISOR仿真軟件的基線控制策略，得到ISG型中度混合動力系統(tǒng)的百公里油耗為6.5036 L。而動力性相當?shù)膫鹘y(tǒng)汽車百公里油耗為8.9 L。通過對中度混合動力控制策略中Xsc、Xe_chg和Xe_off的優(yōu)化計算，得到的結(jié)果與傳統(tǒng)汽車相比較，百公里油耗降低了36.95%；與ADVISOR中采用并聯(lián)型基線控制策略所得到的結(jié)果相比，百公里油耗降低13.72%。同時保證了中度混合動力汽車的動力性。結(jié)論：（1）首先對ISG型中度混合動力系統(tǒng)效率進行瞬時優(yōu)化，得到ISG型中毒混合動力汽車控制策略。然后在Matlab/Simulink仿真平臺下，對控制策略中的三個關(guān)鍵參數(shù)Xsc、Xe_chg和Xe_off所確定動力源的不同匹配方案進行仿真分析，并將電池電量折算成為等效友好，以綜合油耗最低為優(yōu)化目標，確定了ISG型中度混合動力系統(tǒng)的最優(yōu)匹配控制參數(shù)。（2）與ISG型輕度混合動力汽車相比，ISG型中度混合動力汽車增加了電動機的功率，且在發(fā)動機于電動機之間增加了一個離合器，斷開離合器，該混合動力系統(tǒng)具有純電動工作模式，在制動或減速時能高效回收能量，提高了能量的利用率，有利于改善燃油經(jīng)濟性。本文提出的這種優(yōu)化動力源匹配的計算方法，考慮到計算量的關(guān)系，系數(shù)Xsc、Xe_chg和Xe_off的步長均取為0.1，減小仿真步長，可以得到更加精確的ISG型中度混合動力系統(tǒng)動力源的匹配方案。（3）與傳動汽車相比，按照本文提出的優(yōu)化動力源匹配方法得到的中度混合動力系統(tǒng)的百公里油耗降低了36.95%；與ADVISOR中的混合動力汽車的基線控制策略得到的結(jié)果相比，百公里油耗降低了13.72%。同時，保證了ISG型中度混合動力系統(tǒng)的動力性。

來源出版物：機械工程學報, 2010, 46(12): 86-92

入選年份：2015

機械制造領(lǐng)域測量技術(shù)的發(fā)展研究

裘祖榮，石照耀，李巖

摘要：人類在對物質(zhì)世界進行測量、監(jiān)控中，逐漸形成了認識世界、改造世界的測試計量技術(shù)。機械科學及其先進制造系統(tǒng)與測試技術(shù)的關(guān)系密切，測量技術(shù)及儀器不再是單純的輔助檢測設(shè)備，而是作為生產(chǎn)制造設(shè)備的一部分，集成于機械系統(tǒng)，參與到制造過程，成為機械科學研究和先進制造的“眼睛”；在現(xiàn)代科學技術(shù)的推動下，機械制造中測量技術(shù)的范圍不斷擴大，測量參數(shù)的定義更加復雜，被測對象的尺寸小到納米、原子量級，大到幾十米甚至幾百米。隨著測量精度的提高，測量條件受到環(huán)境影響的程度也越加明顯，新的物理效應的應用，新的光機電算的結(jié)合方法和信息融合技術(shù)應運而生。常規(guī)測量越加成熟，極限尺寸的測量研究越來越受到人們的關(guān)注和投入。隨著近幾年世界經(jīng)濟格局的變化和我國經(jīng)濟技術(shù)高速發(fā)展的趨勢，極端制造中的測量技術(shù)成為測量中的前沿技術(shù)；在靜態(tài)測量理論的基礎(chǔ)上，動態(tài)測量理論受到更多的關(guān)注，測量技術(shù)從傳統(tǒng)的“離線”測量，進入到制造現(xiàn)場，參與到制造過程，實現(xiàn)“在線”測量；測量過程從簡單信息獲取到多信息融合，多個測量信息融合（包括幾何量和非幾何量）后的目標信息形成了新興的研究領(lǐng)域；與此同時，自主創(chuàng)新能力差，原創(chuàng)技術(shù)少，高端測量儀器幾乎空白、可靠性差仍然是困擾中國機械制造中測量技術(shù)發(fā)展的瓶頸?；趯H，國內(nèi)機械制造領(lǐng)域測試技術(shù)近幾年的發(fā)展和現(xiàn)狀分析，建議國家有關(guān)部門依托國家重大專項，高度重視機械制造一線的測量技術(shù)重大需求和出現(xiàn)的新的測量問題。重點關(guān)注包括新型傳感原理及傳感器研究、超大尺寸，微納米級精密測量，先進制造的現(xiàn)場、非接觸、數(shù)字化測量、儀器智能化、基標準及相關(guān)測量理論研究，復雜型面的檢測等基本問題，形成適應我國先進制造需求的測量技術(shù)體系。機械制造中的應用和創(chuàng)新需求，決定其研究內(nèi)容和發(fā)展方向。預測今后5～10年，機械制造領(lǐng)域測量技術(shù)的研究熱點和發(fā)展趨勢將集中在以下方面：（1）研究極限制造提出的各種新的測量問題，包括微納米超精密測量方法，超大尺寸精密測量方法和制造現(xiàn)場的非接觸、數(shù)字化測量。（2）計量學的基本問題的研究，重點是基標準及相關(guān)測量理論研究，實現(xiàn)各種自標定、自校準的溯源要求。（3）應用新的物理原理及新的技術(shù)成就，發(fā)現(xiàn)新型傳感原理并設(shè)計發(fā)明性能更好的新型測量儀器，解決機械制造中出現(xiàn)新的測量問題。（4）研究適合機械制造在線測量的快速高效、抗干擾能力強、高可靠性的測量技術(shù)。（5）復雜、小尺寸零件的測量（毫米級）。該級別的測量任務(wù)既不同于常規(guī)尺寸測量，也不同于極限尺寸的測量，需要采用特殊的測量方法。

來源出版物：機械工程學報, 2010, 46(14): 1-11

入選年份：2015

激光熔覆成形技術(shù)的研究進展

宋建麗，李永堂，鄧琦林，等

摘要：激光熔覆成形（Laser Cladding Forming，LCF）技術(shù)集激光技術(shù)、計算機技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、測量傳感技術(shù)及材料加工等技術(shù)于一體，是一種多學科交叉的先進制造技術(shù)。該技術(shù)將快速原型制造技術(shù)和激光熔覆表面強化技術(shù)相結(jié)合，根據(jù)零件的計算機輔助設(shè)計（Computer Aided Design，CAD）模型，逐點、逐線、逐層堆積材料，直接生成三維近終形金屬零件。激光熔覆成形技術(shù)可分為送粉式和材料預置式兩種，送粉方式主要有：激光工程化近成形（Laser Engineered Net Shaping，LENSTM）、直接光制造技術(shù)（Directed Light Fabrication，DLF）、直接金屬沉積（Direct Metal Deposition，DMD）、堆積成形制造（Shape Deposition Manufacturing，SDM），激光固結(jié)（Laser Consolidation，LC），激光增材制造（Laser additive manufacturing，LAMSM）等，粉末預置方式主要有：選擇性激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）和金屬直接激光燒結(jié)（Direct Laser Sintering of Metals，DSM）等。（1）激光熔覆成形技術(shù)的特點和應用成形零件結(jié)構(gòu)復雜。由于采用逐層疊加的制造方法，可成形具有復雜內(nèi)腔和懸臂特征的零件而無需支撐，零件結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化；成形注塑模具內(nèi)部的隨形冷卻管道可提高冷卻效率、零件變形減小，生產(chǎn)周期縮短約20%。（2）成形零件組織細小、性能優(yōu)良。由于熔池的快速凝固，成形零件組織細小，綜合力學性能達到甚至超過傳統(tǒng)鑄造和鍛造方法。（3）適用材料范圍廣，可實現(xiàn)梯度功能?？捎脕砑庸るy熔金屬、高溫合金和金屬間化合物等難加工材料。通過改變不同送粉料筒內(nèi)的材料并精確控制送粉速率，可進行梯度功能材料（Functional Gradient Materials，F(xiàn)GM）制造，實現(xiàn)零件任意部位成分和性能的定制。（4）環(huán)保、節(jié)材、柔性好、縮短產(chǎn)品研制周期。成形過程不產(chǎn)生廢水、廢氣，無邊角料，未熔化的金屬粉末還可以回收再利用，加工時基體的變形和熱影響區(qū)小、熔覆層和基體為冶金結(jié)合，尤其適合復雜零件的單件小批量快速制造和關(guān)鍵零部件的修復。激光熔覆成形技術(shù)的研究進展（1）激光熔覆成形系統(tǒng)Sandia國家實驗室開發(fā)的激光近形制造（LENSTM）系統(tǒng)主要由4部分構(gòu)成：高功率Nd：YAG固體激光器、可控氣氛手套箱、三軸數(shù)控工作臺和送粉系統(tǒng)。整個加工過程均在充滿惰性氣體的手套箱中進行。制造的鎳基超合金、H13工具鋼、不銹鋼、鈦合金及梯度材料等零件，強度和塑性均顯著高于鍛件提高。x、y方向加工精度達到0.05 mm，Z方向精度為0.38 mm。Los Alamos國家實驗室開發(fā)的DLF系統(tǒng)采用2 kW Nd︰YAG激光器和五軸數(shù)控工作臺，手套箱氧氣和水的濃度小于5 ppm，系統(tǒng)帶有粉末回收裝置，可以輸送四種不同的粉末實現(xiàn)懸臂零件和功能梯度材料的制造，零件表面粗糙度達到10 μm，精度達±0.12 mm。AeroMet公司開發(fā)的LasformSM系統(tǒng)內(nèi)裝有自動反饋控制傳感器，可進行航空鈦合金等較大體積零件的制造和修復。單層沉積厚度達到4 mm，單道沉積寬度達到13 mm，成形零件最大尺寸達到2400 mm×225 mm×100 mm。生產(chǎn)的Ti-6Al-4V零件Lockheed-Martin F-22支架、波音F/A-18 E/F機翼連接板和降落連桿零件已達到航空零件的性能要求，不僅疲勞壽命大大超出傳統(tǒng)工藝制造的零件，零件成本降低20%～40%，生產(chǎn)周期縮短80%。（2）激光熔覆成形理論成形零件的組織和性能取決于熔覆成形材料、工藝參數(shù)、熔池的傳熱、傳質(zhì)和固液界面的冷卻速度等。激光、粉末和基體的相互作用、成形組織的外延生長以及柱狀晶、等軸晶的轉(zhuǎn)變理論等取得了一定的進展。激光熔覆成形過程中熔池固液界面具有極高的溫度梯度，非平衡快速凝固理論的研究尚需進一步完善。成形過程的穩(wěn)定性在很大程度上也取決于熔池尺寸的精確控制，該領(lǐng)域的研究主要集中于熔池形狀、尺寸和溫度的數(shù)值模擬和有限元模擬等方面。同步送粉三維激光熔覆成形溫度場，尤其是應力場的數(shù)值模擬，計算量大，收斂較為困難，且難以考慮熔池的傳質(zhì)，尚需進一步研究；材料熱物性參數(shù)隨溫度的變化仍有待于進一步補充和完善，以反映成形過程的相變。（3）激光熔覆成形檢測與控制激光熔覆成形檢測系統(tǒng)主要由嵌入式的視覺系統(tǒng)CCD攝像機、雙色溫度傳感器和位移傳感器等組成，一般采用同軸和側(cè)向兩種安裝方式對凝固過程和熔池進行檢測。檢測到的信號通過傳感器反饋給計算機，閉環(huán)控制系統(tǒng)通過調(diào)整工藝參數(shù)對熔覆高度、熔池形狀和溫度分布等進行控制。Michigan大學的DMD閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)采用3個互成120°的傳感器，當進行多層熔覆時，高度傳感器可以“感知”熔覆層的厚度，使每一處的厚度均勻一致，零件表面粗糙度降低14%～20%。清華大學通過傳感器來直接監(jiān)測金屬零件的熔覆高度，通過對送粉量的閉環(huán)控制來保證制造過程中熔覆高度的穩(wěn)定性。Stanford大學和Carnegie Mellon大學開發(fā)的SDM工藝將分層沉積和CNC銑削加工結(jié)合起來加工全密度金屬零件。每沉積完一層材料后，用5軸CNC銑床加工至最終尺寸，并采用支撐材料以制造懸臂結(jié)構(gòu)。激光熔覆成形殘余應力與裂紋激光熔覆成形裂紋與成形過程殘余應力和變形、溫度的分布與累積、基體約束、成形材料物理特性、凝固特性和組織、工藝參數(shù)及掃描路徑等密切相關(guān)，控制難度高。裂紋檢測方法主要有全息鉆孔法、X射線衍射和中子衍射等。通過熔覆材料與基體材料的合理選擇與匹配、基體預熱及后處理、優(yōu)化工藝參數(shù)、熔覆過程引入超聲振動及添加稀土元素等，可降低熔覆層溫度梯度、改善組織、減小殘余應力，對熔覆成形過程裂紋加以控制。激光熔覆成形技術(shù)的發(fā)展方向：（1）設(shè)計開發(fā)激光熔覆成形專用材料。目前激光熔覆成形所使用的材料大都是熱噴涂用的自熔性合金粉末和實用工程材料，需開發(fā)適用于激光熔覆成形的高性能合金粉末和材料。（2）進一步深化成形理論。激光熔覆成形快速凝固理論、成形組織形成規(guī)律及組織性能控制理論等還需進一步深化和系統(tǒng)化。（3）提高成形效率和精度。研發(fā)大功率多頭激光加工設(shè)備，進行梯度材料及組織優(yōu)化設(shè)計，研究激光增材/機加工減材復合制造等激光熔覆成形新原理、新工藝、新裝備，改善成形質(zhì)量，提高成形效率和精度。（4）制定激光熔覆成形質(zhì)量評價標準。加快相關(guān)檢驗與評價標準的制定，以促進其推廣應用。

來源出版物：機械工程學報, 2010, 46(14): 29-39

入選年份：2015

基于齒輪副整體誤差的齒輪動力學模型及其動態(tài)特性

石照耀，康焱，林家春

摘要：目的：迄今提出的各種齒輪動力學模型，在處理齒輪誤差的影響時，都回避因齒輪重合度大于1而分不清單雙嚙區(qū)的事實，由此得出的結(jié)果不能較全面反映實際情況?，F(xiàn)有的動力學模型中，一般都把輪齒的嚙合過程簡化為由一個剛度和一個嚙合誤差組成的等效數(shù)學模型，從理論上講這樣就會出現(xiàn)以下分不清單對輪齒嚙合和雙對輪齒嚙合過程，即不清楚引起模型中靜態(tài)傳動誤差的是一對輪齒還是兩對輪齒；在雙齒嚙合區(qū)，不能反映兩對共同參與嚙合的輪齒的誤差是如何相互影響系統(tǒng)的動態(tài)特性。為此，本文建立一種新的考慮單、雙嚙過程的直齒輪動力學模型，能更精確地描述齒輪系統(tǒng)的動力學行為，解決現(xiàn)有模型存在的這些主要問題。方法：為了解決問題，本文在建立新的動力學模型時引入了齒輪副整體誤差概念。解決了齒輪傳動誤差在研究齒輪動態(tài)特性和振動噪聲時的不足，綜合考慮齒輪嚙合過程的時變嚙合剛度、誤差激勵等非線性因素，建立一種新的考慮單、雙嚙過程的直齒輪動力學模型，該動力學模型充分考慮一對輪齒嚙合的3個過程和3個過程中一共有3對輪齒參與了嚙合的實際情況，同時考慮了誤差激勵和時變的齒輪副綜合嚙合剛度激勵，通過變步長四階Rounge-Kutta法，求解高精度的數(shù)值解。結(jié)果：首先通過計算了模擬齒輪副整體誤差條件下的數(shù)值解，驗證了利用通過變步長四階Rounge-Kutta法求解本動力學方程的可靠性和正確性。通過研究不同載荷作用下新模型的動態(tài)響應得出：在嚙合過程中，當輪齒由單對輪齒嚙和過渡到雙對輪齒嚙合時，將產(chǎn)生很大的沖擊，這表明齒輪嚙合剛度的變化是產(chǎn)生振動的主要原因，而且隨著載荷的增加，由剛度激勵引起的動態(tài)響應在加劇，誤差激勵引起的動態(tài)響應占的比重在減少；通過研究不同轉(zhuǎn)速下新模型的動態(tài)響應得出：隨著轉(zhuǎn)速的增加，由誤差激勵引起的動態(tài)響應加劇，剛度激勵引起的動態(tài)響應基本不變。結(jié)論：以齒輪副整體誤差為基礎(chǔ)的新動力學模型以及計算結(jié)果可以為分析和控制齒輪系統(tǒng)的動力學行為提供科學的理論依據(jù)。齒輪系統(tǒng)的動態(tài)響應與誤差激勵（齒輪副整體誤差）具有一一對應的頻率關(guān)系，其響應振幅不僅與誤差量的大小有關(guān)，而且還與誤差的方向、嚙合剛度、載荷和轉(zhuǎn)數(shù)等齒輪參數(shù)有關(guān)；對于動力齒輪，尤其是重載齒輪，剛度激勵對系統(tǒng)響應幅值的影響占主導，控制剛度（齒廓修形）是改善齒輪傳動準確性與動態(tài)穩(wěn)定性的關(guān)鍵，對于高速齒輪，誤差激勵對系統(tǒng)響應幅值的影響占主導，可以通過提高加工精度和齒輪配對等方法來減小這種動態(tài)響應。

來源出版物：機械工程學報, 2010, 46(17): 55-61

入選年份：2015

制造系統(tǒng)研究的挑戰(zhàn)和前沿

鄭力，江平宇，喬立紅，等

摘要：生產(chǎn)模式對制造業(yè)的影響深刻而長遠，特別是近40年來，發(fā)達國家先后提出先進制造系統(tǒng)的研究計劃，提出如智能制造、大規(guī)模定制、可持續(xù)制造等一系列新的制造模式，嘗試突破以批量生產(chǎn)為主流的生產(chǎn)模式，建立國家競爭優(yōu)勢。生產(chǎn)系統(tǒng)的研究大都跨越傳統(tǒng)的技術(shù)因素，經(jīng)濟和社會影響也常常納入研究的視野。生產(chǎn)系統(tǒng)研究的基本目標是系統(tǒng)的效率、質(zhì)量和成本，而近些年服務(wù)和環(huán)境也成為生產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化的目標。生產(chǎn)系統(tǒng)的分析、設(shè)計和運行控制是生產(chǎn)系統(tǒng)研究的基本問題，但制造系統(tǒng)的系統(tǒng)復雜性問題十分突出，其主要求解工具：運籌學和系統(tǒng)理論仍然有待突破。現(xiàn)代信息技術(shù)為制造系統(tǒng)的基本目標提供了突破的新方法，因此近幾十年來，以信息技術(shù)為基礎(chǔ)，數(shù)字化為手段的新興制造系統(tǒng)成為研究熱點，也取得了重大突破。制造系統(tǒng)是一個跨學科的研究領(lǐng)域，未來制造系統(tǒng)的研究機遇在如下4個方面：（1）制造系統(tǒng)工程：針對制造系統(tǒng)的日益復雜化，近年來出現(xiàn)了一些新的制造系統(tǒng)工程理論或方法，如：不確定環(huán)境下的系統(tǒng)分析方法、無尺度網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分析方法、誤差流理論等，新的復雜制造系統(tǒng)的分析方法為日益復雜的制造系統(tǒng)分析提供基礎(chǔ)的理論和方法。（2）制造系統(tǒng)的計劃及控制：這個領(lǐng)域盡管相當傳統(tǒng)，但在新的數(shù)字化環(huán)境下卻有著突破的潛力，其中新的智能方法將大大提高生產(chǎn)運行與控制質(zhì)量的水平。新的研究機遇包括：先進計劃與調(diào)度（APS）、新模式下（如：約束理論）的生產(chǎn)計劃與控制、新的質(zhì)量控制理論、基于可靠性的設(shè)備性能維護理論、基于計算智能的生產(chǎn)計劃與控制等。（3）數(shù)字化制造過程與系統(tǒng)：由無線射頻標簽、條碼和傳感器構(gòu)成的傳感網(wǎng)絡(luò)為制造系統(tǒng)的物質(zhì)資源提供了“物體”識別標志，是實現(xiàn)實時的全數(shù)字化制造過程的核心?？鐚W科的數(shù)字化制造過程仿真更好解決制造過程資源的有效配置和協(xié)同控制。新一代的制造執(zhí)行系統(tǒng)實現(xiàn)透明的現(xiàn)場生產(chǎn)，成為數(shù)字化制造系統(tǒng)的中樞。E制造以電子商務(wù)為基本環(huán)境，通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)制造企業(yè)在產(chǎn)供銷方面的電子化、數(shù)字化、服務(wù)化、在線化及協(xié)同商務(wù)化，進而達到從工廠底層設(shè)備直接到客戶和供應商的整個供應鏈系統(tǒng)的集成。（4）新興制造系統(tǒng)：制造模式并無定式，市場環(huán)境的變化、技術(shù)進展、企業(yè)社會責任和環(huán)境保護等都對現(xiàn)有工業(yè)化的生產(chǎn)、生活方式提出質(zhì)疑，從而提出新的制造模式，引領(lǐng)制造業(yè)的發(fā)展。其中綠色制造、服務(wù)型生產(chǎn)將是今后發(fā)展的趨勢。展望未來，制造系統(tǒng)將向著精確化、綠色化和服務(wù)化方向發(fā)展，在此背景下，生產(chǎn)系統(tǒng)的研究將面臨著更多的機遇和挑戰(zhàn)。

來源出版物：機械工程學報, 2010, 46(21): 124-136

入選年份：2015

帶有前置導葉離心泵空化性能的試驗及數(shù)值模擬

譚磊，曹樹良，桂紹波，等

摘要：目的：為了提高離心泵實際運行時的性能，除了改進離心泵水力設(shè)計方法、提高設(shè)計點的效率外，尋求一種高效的工況調(diào)節(jié)方式對節(jié)能減排、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略有重要的意義和工程實際應用價值。前置導葉預旋調(diào)節(jié)在壓縮機中得到了較為普遍的應用，在水泵行業(yè)中，因輸運介質(zhì)及葉輪幾何結(jié)構(gòu)的限制，關(guān)于離心泵前置導葉預旋調(diào)節(jié)的相關(guān)報道并不多見，而關(guān)于而對前置導葉離心泵空化性能進行試驗和數(shù)值模擬離心泵前置導葉預旋調(diào)節(jié)的空化性能研究幾乎沒有。本文通過試驗測量和數(shù)值模擬手段分析前置導葉對離心泵空化性能的影響。方法：試驗中通過控制機構(gòu)改變前置導葉的預旋角度來實現(xiàn)預旋調(diào)節(jié)。數(shù)值模擬采用RNGk-ε雙方程湍流模型和SINGHAL完全空化模型，考慮空泡流可壓縮性的影響，引入函數(shù)f（ρm）對進行修正。結(jié)果：由無導葉、導葉預旋角γ＝±12°時離心泵的空化性能曲線可知，臨界空化余量LNPSHc隨流量的增大近似線性增大，安裝前置導葉后其值比無導葉時稍大。在試驗范圍內(nèi)，預旋角γ對臨界空化余量影響不大。由無導葉、導葉預旋角γ＝±12°時離心泵在不同流量下H－LNPSHa曲線計算值與試驗值的對比可知，本文計算結(jié)果能較好地模擬H隨LNPSHa降低而突然下降的趨勢，但計算值與試驗結(jié)果有一定偏差。由臨界空化余量LNPSHc計算值與試驗值的對比可知，計算值較試驗值普遍偏小，最大偏差約為25%。由無導葉時小流量工況下離心泵葉輪內(nèi)空泡體積率av的分布可知，小流量工況運行時，流體在葉輪進口形成正沖角，葉片背面發(fā)生脫流并形成局部低壓區(qū)。因此，隨著NPSHa的降低，空泡首先在葉片的吸力面出現(xiàn)并逐漸長大，此時泵的揚程并沒有明顯下降。當LNPSHa降低為2.97 m時，葉輪后蓋板上出現(xiàn)較大面積的空泡區(qū)，且吸力面的空泡區(qū)開始向流道中間擴展。隨著LNPSHa的進一步降低，葉輪內(nèi)部的空化發(fā)展更為嚴重，葉片頭部附近壓力面也開始出現(xiàn)空泡區(qū)。由于空泡區(qū)體積的急劇增加，葉輪流道受到嚴重堵塞從而導致離心泵的做功能力降低，揚程開始急劇下降。在前置導葉預旋角γ＝12°時，對于正預旋，空泡首先出現(xiàn)在葉片吸力面，葉輪內(nèi)部空泡的發(fā)展趨勢與無導葉時基本相同。與無導葉工況相比，正預旋工況在相同的LNPSHa下，葉輪內(nèi)空泡體積和空化區(qū)都有所增大。因此，正預旋對離心泵的吸入性能會產(chǎn)生一定的不利影響。無導葉、前置導葉預旋角γ＝－12°對比時，與無導葉工況相比，負預旋工況在相同LNPSHa下，葉片吸力面及后蓋板表面上的空泡區(qū)更大。因此，負預旋也會導致離心泵葉輪的吸入性能有所下降。由離心泵無導葉、前置導葉預旋角γ＝12°時小流量工況下葉輪進口斷面的壓力系數(shù)分布可知，預旋角γ＝12°時葉輪進口斷面的壓力系數(shù)比無導葉時小，這是由前置導葉的水力損失所引起的。與無導葉相比，離心泵采用正預旋調(diào)節(jié)時，葉輪進口斷面上的壓力梯度明顯減小，壓力分布更加均勻。因此，正預旋能夠有效抑制葉輪進口的回流并改善葉輪進口的速度分布，提高葉輪進口壓力分布的均勻性。由離心泵無導葉、前置導葉預旋角γ＝－12°時，大流量工況下葉輪進口斷面的壓力系數(shù)分布可知，負預旋同樣能夠改善葉輪進口流態(tài)，提高葉輪進口壓力分布的均勻性。結(jié)論：（1）對安裝前置導葉前后不同工況下的離心泵全流道空化流場的數(shù)值模擬與試驗結(jié)果對比表明：基于均相流假設(shè)的完全空化模型和考慮空泡流可壓縮性的影響修正的RNGk-ε湍流模型，能夠較好地模擬泵葉輪內(nèi)部空化流場。（2）與無導葉相比，離心泵采用前置導葉預旋調(diào)節(jié)后，葉輪進口斷面上平均壓力都會因?qū)~的水力損失而有所降低，從而在一定程度上對離心泵葉輪的空化性能產(chǎn)生不利影響，但影響較小。（3）與無導葉相比，離心泵采用前置導葉預旋調(diào)節(jié)能夠有效抑制葉輪進口的回流，使葉輪進口斷面上的壓力梯度明顯減小，壓力分布更加均勻，從而改善葉輪進口的速度分布，有利于機組整體效率的提高。

來源出版物：機械工程學報, 2010, 46(18): 177-182

入選年份：2015

一種非球面超精密單點磨削與形狀誤差補償技術(shù)

陳逢軍，尹韶輝，范玉峰，等

摘要：目的：隨著光學、電子信息技術(shù)的快速發(fā)展應用，高精度的非球面光學零部件及模具的需求量不斷增大，其制造精度也越來越高。目前我國在小口徑非球面模具的超精密磨削與補償工藝方法等方面還需要深入研究，本文利用超精密單點磨削和形狀誤差補償方法，探討獲得高形狀精度與表面質(zhì)量的超硬非球面模具的途徑。方法：非球面模具的超精密磨削實驗設(shè)備選擇具有在位測量裝置的四軸（x，y，z，B）超精密磨床，預先將圓柱微粉砂輪進行精密修整。單點斜軸磨削過程中，移動x、z軸使工件磨削點與砂輪直角尖點保持接觸，同時砂輪繞軸繞B軸中心（即繞砂輪尖點）進行旋轉(zhuǎn)，使工件表面磨削點處的法線與砂輪的軸線始終保持固定的角度45°。磨削工件為用于熱壓成型的超硬碳化鎢的凹形非球面模具，口徑為6.0 mm。首先利用粗磨削砂輪快速成形，然后用樹脂基金剛石砂輪在誤差補償磨削策略下進行精磨削與誤差補償加工。當非球面模具磨削完畢后，機床上的在位測量裝置直接對工件表面進行點接觸式測量。通過處理在位測量數(shù)據(jù)，包括：高頻率濾波，去除測量系統(tǒng)的隨機誤差；通過疊加理想的非球面曲線，擬合出實際的磨削曲線；對比理想的磨削曲線，提取法向的殘余誤差。通過建立單點斜軸磨削的誤差補償模型確定圓柱砂輪的補償路徑。砂輪沿著目標輪廓曲線的法矢量方向移動相應的法向殘余誤差值進行誤差補償磨削。循環(huán)補償加工，直至加工表面形狀精度滿足要求。結(jié)果：（1）對在位測量系統(tǒng)的誤差數(shù)據(jù)進行了處理，提取了法向殘余形狀誤差。（2）根據(jù)單點斜軸磨削方式，對在位測量獲得的誤差數(shù)據(jù)進行實際磨削曲線的重構(gòu)，對前次磨削的砂輪軌跡進行了補正。（3）利用超精密磨床對非球面碳化鎢模具進行了超精密磨削與誤差補償試驗。（4）未進行形狀誤差補償前的超精密精細磨削后的非球面形狀精度，PV為0.449 μm，法向殘余誤差與原始z向的殘余誤差的最大偏差為0.14 μm。第一次形狀誤差補償磨削后，形狀精度PV提高到0.323 μm。第二次補償磨削后，形狀精度PV達到0.182 μm，最大偏差值減小為0.04 μm。結(jié)論：（1）具有在位測量裝置的四軸（x，y，z，B）超精密加工磨床是獲得超精密形狀精度及表面質(zhì)量的基礎(chǔ)。（2）在位測量裝置可避免工件的重復安裝誤差，便于集成后續(xù)的誤差補償工藝，從而可以提高加工精度與效率。（3）單點斜軸磨削方法能夠準確地控制砂輪的磨削路徑，法向殘余誤差更適于法向補償磨削，也使得后續(xù)的誤差補償控制更為簡單。（4）利用圓柱形砂輪對凹形非球面碳化鎢模具進行了超精密單點斜軸磨削與誤差補償加工試驗。隨著補償加工循環(huán)的增加，非球面的形狀精度會逐漸提高并趨于穩(wěn)定，同時法向殘余誤差與原始殘余誤差的偏差也逐漸減少。

來源出版物：機械工程學報, 2010, 46(23): 186-191

入選年份：2015

基于自適應波形匹配延拓的局部均值分解端點效應處理方法

張亢，程軍圣，楊宇

摘要：目的：局部均值分解（local mean decomposition，LMD）能將復雜的多分量信號自適應地分解成若干個瞬時頻率具有物理意義的單分量信號，但在其分解過程中會產(chǎn)生端點效應，使結(jié)果失真。在詳細分析了LMD產(chǎn)生端點效應的原因后，提出了自適應波形匹配延拓法來解決端點效應。方法：根據(jù)被分析信號的內(nèi)部規(guī)律和趨勢，對信號進行延拓。首先，以信號端點處的三角波形作為特征波形，然后，搜尋整個信號找出與特征波形最相似的三角波形，作為匹配波形，最后，以匹配波形前（左延拓）或后（右延拓）的數(shù)據(jù)作為延拓波形對信號進行延拓；對于邊界數(shù)據(jù)與內(nèi)部數(shù)據(jù)有較大差異的信號，則采用異常數(shù)據(jù)段內(nèi)的極值點的平均值作為信號端點處的極值對信號進行延拓。結(jié)果：對仿真信號和實驗信號分別進行了分析，可以看出：由3個正弦分量組成的仿真信號，直接進行LMD分解，得到的3個分量都存在端點效應現(xiàn)象，尤其是5 Hz的低頻分量，邊界失真嚴重；對仿真信號采用自適應波形匹配延拓法延拓后，再進行LMD分解，得到的3個分量幾乎沒有發(fā)生端點效應現(xiàn)象，分解結(jié)果非常理想；對未延拓的相同仿真信號進行EMD分解，與LMD的分解結(jié)果比較，其端點效應更加嚴重，并且5 Hz分量不能分解出來；仿真信號采用自適應波形匹配延拓法延拓后進行EMD分解，其端點效應得到了明顯的改善，但5 Hz分量仍然無法分解出來，存在模態(tài)混淆現(xiàn)象。將仿真信號延拓前和延拓后經(jīng)由LMD分解獲得的瞬時幅值與瞬時頻率組合，得到原信號的時頻分布。延拓前的時頻分布在端點處出現(xiàn)了明顯的振蕩現(xiàn)象，反映信號端點處能量發(fā)生了泄漏；延拓后的時頻分布清晰準確地反映了原信號的各個頻率成分，端點處的振蕩幾乎消失。同樣求得仿真信號延拓前和延拓后的Hilbert譜，其中延拓前的Hilbert譜相比于延拓前基于LMD的時頻分布端點效應更嚴重，5 Hz分量已完全失真；而采用自適應波形匹配延拓法經(jīng)過兩次延拓后（Hilbert變換也會產(chǎn)生端點效應）得到的Hilbert譜，端點效應得到了明顯改善，但相比于延拓后基于LMD的時頻分布，仍存在模態(tài)混淆現(xiàn)象。對齒輪裂紋故障振動信號采用自適應波形匹配延拓法進行延拓，延拓部分與原信號連接光滑且波形符合原信號的趨勢。延拓后的信號經(jīng)LMD分解，再通過包絡(luò)譜分析可獲得清晰的故障特征。結(jié)論信號端點不是局部極值點，是LMD分解時產(chǎn)生端點效應的原因。自適應波形匹配延拓法根據(jù)信號本身的趨勢與規(guī)律以及信號邊界處的波形特征，利用原信號內(nèi)部的子波形對信號進行延拓。延拓部分的數(shù)據(jù)保持了原信號的趨勢與規(guī)律，有效地抑制了LMD分解的端點效應。

來源出版物：中國機械工程, 2010, 21(4): 457-462

入選年份：2015

DCT變速器雙離合器壓力最優(yōu)控制方法的仿真研究

李瑜婷，趙治國，章桐

摘要：目的：區(qū)別于機械式自動變速器（Automated Manual Transmission，AMT）雙離合器自動變速器（Dual Clutch Transmission，DCT），在換擋過程通過兩離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的交互保證換擋過程的動力不中斷，實現(xiàn)動力換擋。因此，車輛起步過程離合器傳遞轉(zhuǎn)矩優(yōu)化控制及換擋過程兩離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的協(xié)調(diào)控制是車輛起步/換擋品質(zhì)的重要保證。并且離合器傳遞轉(zhuǎn)矩是通過離合器壓力得以實現(xiàn)，因此對起步和換擋過程中離合器壓力控制問題的研究就顯得尤為必要。同時起步和換擋品質(zhì)評價指標又由兩個相互矛盾的滑磨功和沖擊度組成。本文針對單離合器起步及換擋過程，充分考慮滑磨功和沖擊度兩項性能指標采用線性二次型最優(yōu)控制對離合器壓力進行控制。方法：首先，基于DCT變速箱結(jié)構(gòu)及工作原理，對DCT模型進行簡化，從而建立DCT起步和換擋過程動態(tài)模型。其次，分析DCT起步及換擋品質(zhì)的評價指標：滑磨功和沖擊度?；诰€性二次型最優(yōu)控制方法分別設(shè)計DCT單離合器起步及換擋過程離合器壓力最優(yōu)控制模型，其中性能指標函數(shù)的設(shè)計綜合考慮了滑磨功和沖擊度對起步和換擋品質(zhì)的影響選取合適的加權(quán)系數(shù)q和r。為簡單有效地獲得換擋過程中雙離合器協(xié)調(diào)控制的壓力曲線，提出了設(shè)定兩個離合器壓力變比系數(shù)的方法。最后基于MATLAB/Simulink平臺搭建包括發(fā)動機模型、起步/換擋控制策略以及起步、換擋及在擋DCT變速器模型的仿真模型。對所設(shè)計的控制算法進行仿真驗證。同時基于仿真模型對滑磨功和沖擊度選取不同的加權(quán)系數(shù)以及兩離合器壓力變化的變比系數(shù)，探索兩設(shè)計參數(shù)對算法控制性能的影響。結(jié)果：（1）基于前述DCT模型及控制策略，設(shè)定控制參數(shù)，其中q1＝3000，q2＝500，r1＝r2＝1，變比系數(shù)k＝0.5，對起步和換擋工況進行仿真，仿真結(jié)果表明：運用所設(shè)計的雙離合器壓力最優(yōu)控制方法的起步和換擋過程較一般換擋過程而言，滑摩功有效減小，且沖擊度均不大于10 m/s3。（2）基于模型對二次型最優(yōu)控制的加權(quán)系數(shù)q/r值進行仿真，通過不同取值所得的結(jié)果之間的對比可知：q/r值越大，起步和換擋時間越短，起步過程中發(fā)動機轉(zhuǎn)速與離合器轉(zhuǎn)速的差值越大，滑摩功越小，沖擊度越大，且其存在一個下限值，超過后將導致控制無法完成。（3）對換擋過程中兩個離合器的壓力的變化速率設(shè)定不同變比系數(shù)k，并進行仿真。通過仿真結(jié)果可知：k值減小時，離合器2完全接合的時間變長，導致?lián)Q擋時間變長，滑摩功增大，沖擊度減??；k值過大將使沖擊度不穩(wěn)定，過小將使換擋過程無法完成；不恰當?shù)膋值會使二次型矩陣出現(xiàn)奇異值，從而無法求解最優(yōu)控制壓力。即k值的設(shè)定對系統(tǒng)最終的狀態(tài)性能會有非常大的影響。結(jié)論：（1）利用線性二次型最優(yōu)控制的方法對DCT起步、換檔過程中的離合器壓力進行了控制，方法簡單，控制效果好。（2）控制參數(shù)的比值q/r決定了系統(tǒng)滑摩功和沖擊度的大小，即當q/r值較大時，滑磨功越小，沖擊度越大，換檔時間越短。而對其值的合理確定只能基于經(jīng)驗通過試湊完成，如該值確定的不恰當，就會引起無法完成換檔或是系統(tǒng)不穩(wěn)定等情況。（3）在換檔過程中對最終的系統(tǒng)狀態(tài)是由雙離合器的輸出轉(zhuǎn)矩所決定，而對于同一最優(yōu)轉(zhuǎn)矩，離合器1壓力和離合器2壓力的分配方式可以有許多種，設(shè)定兩個離合器壓力變比參數(shù)，可加快并最終確定各離合器的分配壓力。

來源出版物：中國機械工程, 2010, 21(12): 1496-1501

入選年份：2015

拓撲修形齒輪附加徑向運動成形磨削中的砂輪廓形優(yōu)化方法

李國龍，李先廣，劉飛，等

摘要：目的：拓撲修形可以較好地改善齒面嚙合狀態(tài)，有效防止邊緣接觸，減少振動和運動噪音，延長齒輪的工作壽命。目前，幾乎所有的高速、重載、薄壁結(jié)構(gòu)的精密齒輪都需要進行拓撲修形。拓撲修形齒輪附加徑向運動成形磨削時，砂輪與齒輪的接觸線隨時在變，基于齒輪任一截面齒形計算出的砂輪廓形都會引起較大的磨削誤差，為此，提出了一種減小磨削誤差的砂輪廓形優(yōu)化方法。方法：首先，依據(jù)成形磨的空間嚙合原理，采用拋物線附加徑向運動軌跡，建立了成形砂輪理論廓形的解析法求解模型；然后，平行于齒輪端面等距截出多個平面齒廓，求解出以點表示的不同齒廓對應的砂輪廓形，再將各砂輪廓形投影到同一平面生成點云，通過區(qū)間劃分，采用最小二乘法求解出每個區(qū)間點云的擬合點，連接各擬合點形成優(yōu)化的砂輪廓形。為驗證砂輪磨削效果，由砂輪與齒輪的嚙合條件，建立了由砂輪廓形求解齒輪廓形的反算數(shù)學模型，給出了實際齒形與設(shè)計齒形的偏差計算公式。最終以一種齒向修形齒輪為例，進行了成形磨輪廓形計算及優(yōu)化。結(jié)果：（1）附加徑向運動成形磨削時，齒輪齒向各截面處齒形對應的砂輪廓形有較大變化，兩端面處砂輪廓形變化最大，砂輪右側(cè)變化量又比左側(cè)變化量大。（2）通過砂輪廓形優(yōu)化，使齒向左端處齒形誤差有所降低，右端誤差有所增加，但總體上實現(xiàn)了誤差的均勻分布，改善了磨削質(zhì)量。（3）對于整個砂輪點云的上下最大點，如果按區(qū)間點云優(yōu)化，就會造成齒向中間齒形頂部及兩端齒形根部加工不到。因砂輪與齒頂?shù)菇羌褒X根部分沒有具體的嚙合要求，為此，本文直接將點云的上下最大點取為擬合點，不會產(chǎn)生砂輪與齒根及齒頂?shù)菇前l(fā)生干涉的現(xiàn)象。（4）由于砂輪徑向下降速度呈線性增加，當齒向修形量大到一定程度，易導致齒形誤差超差，得到扭曲的螺旋曲面。這種情況下進行砂輪廓形優(yōu)化時，可取齒寬80%范圍內(nèi)的齒形對應的砂輪廓形進行優(yōu)化，即重點保證齒寬中間80%的齒形精度，兩端形狀由砂輪磨削運動自動生成，不納入優(yōu)化范圍。（5）砂輪進入及退出軌跡遵循拋物線運動，如果改用平動進入與退出，會引起兩端面處及附近齒形變化，在砂輪軌跡規(guī)劃時應避免這種情況。（6）拋物線附加徑向運動磨齒時，雖在兩端處修形量急劇增加，但在齒寬中部很大范圍內(nèi)磨削去除的材料較少，因而使修形齒輪強度降低較少，選作為附加徑向運動軌跡是合適的。結(jié)論：（1）提出了拓撲修形齒輪的成形磨輪廓形優(yōu)化方法。該方法主要包括：砂輪廓形的解析法求解數(shù)學模型；基于各理想砂輪廓形點云的最小二乘法擬合。（2）建立了拓撲修形齒輪磨削誤差預測模型，進行了一種拓撲修形齒輪的成形磨削砂輪計算與磨齒誤差預測，誤差分析結(jié)果表明，砂輪優(yōu)化后加工出的齒形比優(yōu)化前的齒形加工誤差分布要均勻，精度等級要高1～2級，可滿足實際工程應用要求。（3）本文研究成果在成形磨齒機控制系統(tǒng)設(shè)計以及提高拓撲修形齒輪的加工精度方面具有工程應用前景。（4）下一步將把本文研究結(jié)果集成于正自主研發(fā)的成形磨齒機中，進行實際磨齒驗證，并面向工程應用進行完善。

來源出版物：機械工程學報, 2011, 47(11): 155-162

入選年份：2015

有限元網(wǎng)格剖分與網(wǎng)格質(zhì)量判定指標

李海峰，吳冀川，劉建波，等

摘要：目的：目前，有限元法在工程技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的應用十分廣泛，其計算結(jié)果已成為各類工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計和性能分析的可靠依據(jù)。網(wǎng)格剖分作為建立有限元模型的一個重要環(huán)節(jié)，要求考慮的問題多，需要的工作量大，劃分的網(wǎng)格會對計算規(guī)模、計算結(jié)果和計算精度產(chǎn)生直接影響。故而，對有限元網(wǎng)格劃分的研究十分必要。前處理網(wǎng)格剖分工作比較繁瑣，但是又十分重要，這是進行有限元正確分析的基礎(chǔ)。因此，開展更好的分析對象離散化網(wǎng)格劃分工作，對于數(shù)值分析工作者來講，具有非常重要的意義。方法：討論了網(wǎng)格剖分中的一些常見問題，闡述了網(wǎng)格剖分應遵循的要求：合法性、相容性、協(xié)調(diào)性、逼近精確性、形狀合理性、良好過渡性、自適應性、一致性、對稱性；介紹了兩種網(wǎng)格劃分方法：網(wǎng)格直接生成法（直接建模法）和由幾何實體生成網(wǎng)格法（實體建模法）；回顧了近十多年來網(wǎng)格剖分方法的研究進展，回顧了網(wǎng)格剖分各種算法：拓撲分解法、Delaunay三角剖分法、推進波前法、網(wǎng)絡(luò)模板法、映射法、幾何分解法、基于柵格法、空間編碼法，并比較了各種算法的優(yōu)缺點及適用范圍。結(jié)果：基于工程計算需求，分別針對一維、二維、三維有限元網(wǎng)格提出了網(wǎng)格質(zhì)量要求及判定指標，探討了網(wǎng)格質(zhì)量優(yōu)化問題。網(wǎng)格質(zhì)量的改進可分為兩個方面：一是拓撲關(guān)系的調(diào)整；二是節(jié)點位置的調(diào)整。對目前主要存在的兩種優(yōu)化方法：網(wǎng)格精整和網(wǎng)格光滑處理進行了簡單介紹，重點介紹了網(wǎng)格自適應方法，以提高計算精度。同時，介紹了當前使用廣泛的網(wǎng)格剖分前處理商業(yè)軟件及其應用狀況，如HyperMesh、Patran、Ansa、TrueGrid等。結(jié)論：結(jié)合作者的工作，給出了復雜模型網(wǎng)格剖分的具體實例。最后展望了網(wǎng)格剖分的發(fā)展趨勢：自適應網(wǎng)格剖分技術(shù)、六面體網(wǎng)格自動剖分技術(shù)、大規(guī)模網(wǎng)格生成的并行化等。

來源出版物：中國機械工程, 2012, 23(3): 368-377

入選年份：2015

絲杠冷滾打成形過程金屬流動規(guī)律研究

張璐，李言，楊明順，等

摘要：絲杠作為機械和儀器中定位和傳動的重要零件，在機械工業(yè)中具有重要的地位。絲杠常規(guī)的加工方法如切削、銑削等，能耗大、材料利用率低，而且在加工過程中，工件表面金屬纖維因被切斷而不連續(xù)，削弱了工件表面組織強度、降低了工件疲勞壽命及耐沖擊性能。絲杠冷滾打成形技術(shù)是利用金屬塑性成形的特點，采用高速旋轉(zhuǎn)的滾打輪對絲杠毛坯進行滾壓和打擊，從而強迫金屬流動形成零件廓形的一種近凈成形加工方法。與傳統(tǒng)的絲杠成形相比，冷滾打成形具有載荷小、能耗低、柔性高的特點。但目前國內(nèi)外未見對絲杠冷滾打成形過程中金屬流動規(guī)律研究的文獻報道。本文在簡要介紹絲杠冷滾打成形原理的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬與試驗相結(jié)合的方法，研究了絲杠冷滾打成形過程中的金屬流動規(guī)律，為進一步揭示絲杠冷滾打這種新的成形工藝的成形機理以及精確參數(shù)控制提供指導。絲杠冷滾打成形是利用斷續(xù)往復高速擊打的方法實現(xiàn)動態(tài)沖擊局部加載、逐點累積變形的自由成形方法，其成形過程是高速、瞬態(tài)、高沖擊、大變形的復雜成形過程，鑒于絲杠冷滾打成形是高速、瞬態(tài)、高沖擊、大變形的復雜變形過程，存在幾何非線性、材料非線性和邊界條件非線性等特點，在考慮彈性變形的同時還要考慮塑性變形，因此對絲杠冷滾打成形過程采用大變形彈塑性有限元軟件ABAQUS/Explicit進行計算，利用彈塑性有限元法進行模擬研究并建立了絲杠冷滾打成形過程的數(shù)值模擬方案；根據(jù)對應力場、應變場數(shù)值模擬結(jié)果的分析，進行了絲杠冷滾打成形試驗，對試驗獲得的絲杠工件金相組織變形、硬度分布及硬化層分布進行分析研究。隨著塑性變形的發(fā)展，金屬的塑性變形抗力也在迅速增加，硬度和強度顯著提高，塑性和韌性下降，產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，這樣可以提高冷滾打加工工件的機械強度和表面質(zhì)量。絲杠毛坯經(jīng)冷滾打后，金屬組織發(fā)生變化，硬度相應發(fā)生變化。金屬變形程度和纖維組織密度直接影響加工硬化程度，變形量大和組織密集的地方硬度值比較高，特別是成形工件的齒槽底部最先滾打的點相比最后滾打的點變形量小；齒槽底部硬度增大，沿其底部法線方向有一定深度的硬化層，使材料硬度和強度得以提高。獲得絲杠冷滾打過程中的金屬流動規(guī)律，為進一步揭示絲杠冷滾打成形工藝的成形機理以及精確參數(shù)控制提供指導。但應該指出的是，由于實驗設(shè)備限制，并考慮到絲杠冷滾打過程中的沖擊力較大，在數(shù)值模擬和試驗中，采用銅來進行研究。下一步的研究應該從以常用絲杠材料（45鋼、40Cr等）為對象來進行數(shù)值模擬和試驗研究，從而更好的揭示絲杠冷滾打成形過程金屬流動規(guī)律。

來源出版物：中國機械工程, 2012, 23(13): 1623-1628

入選年份：2015

基于遠程參數(shù)控制的DCT關(guān)鍵零部件道路模擬試驗

鄒喜紅，譙凱，石曉輝，等

摘要：目的：由于路面激勵和發(fā)動機振動的存在，DCT中的閥體、傳感器及電子元件等關(guān)鍵零部件長期工作在劇烈的振動沖擊之下，其疲勞可靠性是DCT 各項性能中最基本和最重要的性能之一，同時也是我國自主研發(fā)DCT產(chǎn)業(yè)化急需解決的關(guān)鍵問題之一。本文提出了一種基于RPC技術(shù)的DCT道路模擬試驗方法，以準確高效考核DCT閥體、傳感器及電子元件等關(guān)鍵零部件的疲勞可靠性。方法：利用遠程參數(shù)控制技術(shù)，建立DCT閥體、傳感器及電子元件等關(guān)鍵零部件道路模擬試驗方法。首先，在DCT關(guān)鍵部位布置加速度傳感器，按照《汽車道路試驗方法通則》（GB/T 12534—90）進行車輛準備，在襄陽試車場的綜合路、工況路、高速環(huán)道和山區(qū)路按照企業(yè)耐久性試驗規(guī)范進行振動數(shù)據(jù)同步采集，并根據(jù)時間歷程和功率譜密度驗證信號的重復性。其次通過濾波、除均值和除偏置等方法對采集數(shù)據(jù)進行預處理，采用頻率分析找出各種典型路面振動信號能量分布特征，并選取期望相應信號。再次，將DCT安裝在組建的道路模擬試驗臺上，采用白噪聲激勵測量提取系統(tǒng)頻率響應函數(shù)，利用遠程參數(shù)方陣控制原理不斷對期望響應信號進行模擬迭代，使之達到較高的模擬精度。最后，利用遠程參數(shù)模擬迭代生成的驅(qū)動信號，結(jié)合路況分配比例和連接方式對DCT關(guān)鍵零部件進行道路模擬可靠性試驗。結(jié)果：對采集的DCT關(guān)鍵部位振動加速度進行分析表明，采集的各循環(huán)信號重復性好，采集方法正確，路面引起的振動能量主要集中在30 Hz以下的低頻范圍內(nèi)，以12 Hz附近最為集中，在5～30 Hz范圍內(nèi)各種路面的功率譜密度從大到小依次為共振路、砂石路、礫石路、坑洼路、坡道路。系統(tǒng)頻率響應函數(shù)幅頻特性在0～50 Hz范圍內(nèi)有兩個峰值，第一個峰值出現(xiàn)在12 Hz附近，第二個峰值出現(xiàn)在39 Hz附近。對比采集信號功率譜密度，發(fā)現(xiàn)頻率響應函數(shù)幅頻特性的第一個峰值點正好對應信號功率譜密度峰值點，載荷譜的主要峰值在一定程度上由系統(tǒng)本身的頻率響應特性引起。遠程參數(shù)控制模擬迭代結(jié)果表明，模擬響應信號逼近實際道路采集的目標響應信號，在0～30 Hz頻段內(nèi)兩者幅值及變化趨勢一致，監(jiān)測點處模擬響應信號與實際響應信號的變化趨勢和幅值低頻段吻合也很好，實際道路載荷譜在室內(nèi)得到精確再現(xiàn)。在DCT遠程參數(shù)控制道路模擬驗證試驗中，DCT雙離合器壓力及主壓力都比較穩(wěn)定，但出現(xiàn)了2次2擋降1擋失敗的現(xiàn)象，通過分析和排查，排除了液壓系統(tǒng)本身故障的因素，確定換擋失敗是由于TCU電源搭鐵接觸不良引起。結(jié)論：基于遠程參數(shù)控制的DCT關(guān)鍵零部件道路模擬試驗方法能夠在室內(nèi)高效準確再現(xiàn)DCT關(guān)鍵零部件在實際行駛時的振動情況，能夠?qū)CT閥體、傳感器及電子元件等關(guān)鍵零部件振動疲勞可靠性進行準確考核，同時也為汽車零部件振動疲勞試驗提供了一種行之有效的方法。

來源出版物：中國機械工程, 2013, 24(11): 1537-1541

入選年份：2015

基于Hilbert譜奇異值的軸承故障診斷

趙志宏，楊紹普，李韶華

摘要：軸承的內(nèi)、外圈以及滾動體等出現(xiàn)損傷時，會在軸承特征頻率上產(chǎn)生一系列沖擊振動，使得原來的平穩(wěn)振動信號變成非平穩(wěn)振動信號。針對機械故障振動信號時頻特征提取問題，提出一種基于Hilbert譜奇異值的特征提取方法，并將其應用于軸承故障診斷。該方法首先利用經(jīng)驗模式分解方法將振動信號分解為若干個內(nèi)蘊模式函數(shù)之和，接著對每個內(nèi)蘊模式函數(shù)進行Hilbert變換得到振動信號的Hilbert譜。得到的Hilbert譜時頻矩陣維數(shù)比較高，數(shù)據(jù)量大，且包含大量的相互關(guān)聯(lián)的特征，不利于進一步的分析計算，因此利用奇異值分解的方法提取故障信號Hilbert譜時頻矩陣的特征。通過對Hilbert譜矩陣進行奇異值分解，得到的奇異值代表了振動信號Hilbert譜的時頻結(jié)構(gòu)特征，可以反映機械狀態(tài)的特征。最后利用Hilbert譜矩陣的奇異值作為特征向量，使用支持向量機的方法進行機械故障診斷。對軸承振動信號進行EMD分解，得到內(nèi)蘊模式函數(shù)IMF，然后對得到的IMF進行Hilbert變換，得到Hilbert譜，其中軸承正常、內(nèi)圈故障、滾動體故障、外圈故障四種工況信號的Hilbert譜表現(xiàn)出明顯的非平穩(wěn)特征，其中包含了豐富的信息，能量主要集中在低頻范圍，并且四種工況振動信號的Hilbert譜有不同之處，但并不容易對四種工況進行區(qū)分。軸承不同工況振動信號的Hilbert譜的奇異值明顯不同，軸承在正常情況下的奇異值較小，當故障出現(xiàn)后，其Hilbert譜的奇異值增大，并且，不同故障的奇異值不同，外圈故障時的奇異值最大。說明軸承振動信號Hilbert譜的奇異值可以作為軸承故障診斷的特征。利用CWRU實測軸承振動加速度數(shù)據(jù)進行故障診斷實驗，將不同損傷程度的10組數(shù)據(jù)進行9種不同的故障診斷測試，軸承正常情況的樣本數(shù)為59個，隨機選擇其中29個樣本作為訓練樣本集，其余30個樣本作為測試樣本集；其余每種故障情況的樣本數(shù)為29個，隨機選擇其中14個樣本作為訓練樣本集，其余15個樣本集作為測試樣本集。選用“一對一”的SVM多類識別方法，核函數(shù)選擇最常使用的高斯核函數(shù)應用Hilbert譜前20個奇異值作為特征進行訓練與識別，實驗結(jié)果在9個故障診斷測試集上都取得了比較高的識別率，總體識別率達到96.44%，說明了基于Hilbert譜奇異值方法用于軸承故障診斷的有效性。（1）機械故障振動信號的Hilbert譜包含了時間、頻率兩方面的信息，是分析機械故障信號的有力工具。（2）機械故障信號的Hilbert譜維數(shù)比較高，數(shù)據(jù)量大，不易對機械故障進行區(qū)分。通過對機械故障信號的Hilbert譜進行奇異值分解，得到的奇異值代表了振動信號Hilbert譜的時頻結(jié)構(gòu)特征，具有數(shù)據(jù)量小的特點，可以很好地提取Hilbert譜的時頻特征。（3）軸承正常、內(nèi)圈故障、滾動體故障、外圈故障實測信號實驗結(jié)果表明，該方法能有效地提取軸承故障振動信號特征，具有一定的工程應用價值。

來源出版物：中國機械工程, 2013, 24(3): 346-350

入選年份：2015

復雜曲面零件超精密加工方法的研究進展

李敏，袁巨龍，吳喆，等

摘要：目的：超精密加工技術(shù)是降低工件表面粗糙度、去除損傷層，獲得高形狀精度、表面精度和表面完整性的終加工手段。復雜曲面一般是由多曲率的曲面組合而成，達到某些數(shù)學特征的高精度、追求功能與美學效果的外觀形態(tài)，包括非球面、自由曲面和異型面等。隨著復雜曲面零件的廣泛應用和精度要求的不斷提高，迫切需要進一步提高復雜曲面零件的加工水平，以期達到高效超精密加工。因此，實現(xiàn)復雜曲面高效、高質(zhì)量的超精密加工已成為制造領(lǐng)域的一項重要研究課題。本文對復雜曲面零件超精密加工方法的研究進展進行綜述并預測發(fā)展趨勢。方法：對復雜曲面超精密加工方法的研究進展進行綜述，回顧復雜曲面超精密加工的發(fā)展，闡述復雜曲面超精密成形加工、超精密拋光的原理及影響因素，比較復雜曲面超精密加工中加工工具同工件表面吻合度、精度、表面損傷、效率等要素，最后對復雜曲面超精密加工方法進行科學預測與展望。結(jié)果：復雜曲面超精密切削以超精密單點金剛石切削（Single-Point Diamond Turning，SPDT）為代表，依靠納米級微細刀具、高剛度與高精度的機床為支撐，由于較高的材料去除率使加工效率明顯提高，可獲得很高精度表面質(zhì)量。基于非均勻有理B樣條曲面（Non-Uniform Rational B-Splines，NURBS）曲線的插補實現(xiàn)刀具路徑控制的快刀伺服加工（Fast Tool Servo，F(xiàn)TS）加工，將進一步提高曲面加工面形精度。復雜曲面超精密磨削必須要有高性能砂輪，雖然在線電解修整（Electrolytic In-process Dressing，ELID）磨削利用電解特性對砂輪在線修銳，但由于電解液、切削液、磨削液的存在，對環(huán)境影響很大；砂帶磨削具有柔性砂帶與曲面吻合較好、加工成本較低等優(yōu)點，但難以控制工具拋光路徑，導致加工復雜曲面面形精度相對較差。這類復雜曲面超精密成形加工，依靠刀具或磨粒的機械去除作用實現(xiàn)工件材料的去除，不可避免地產(chǎn)生亞表面損傷層，從而限制了所能獲得的表面質(zhì)量。計算機控制光學表面成型技術(shù)（Computer-Controlled Optical Surfacing，CCOS）、應力盤拋光（Stressed-Lap Polishing，SLP）、氣囊拋光（Bonnet Tool Polishing，BTP）、磁流變拋光（Magnetorheological Finishing，MRF）、磁性磨粒加工（Magnetic Abrasive Finishing，MAF）、磨料液體射流拋光（Fluid Jet Polishing，F(xiàn)JP）等超精密曲面拋光方式，由于微細磨粒的機械作用使得工件表層材料的塑性去除，但工件表面會殘留拋光顆粒等殘余雜質(zhì)，導致微小的亞表面損傷。CCOS、SLP的加工工具與工件表面為剛性接觸，磨粒尺寸對加工精度和效率影響很大，侵入表面的硬質(zhì)大顆粒磨?？蓪е鹿ぜ髲U，在降低加工精度和加工效率的同時會使得生產(chǎn)成本的大幅上升。MAF、MRF、磁流變磨粒流拋光（Magnetorheological Abrasive Flow Finishing，MRAFF）雖然降低了對硬質(zhì)大顆粒的敏感度，但存在著磁性磨粒制備過程復雜（MR液穩(wěn)定性問題）、加工成本高等缺點，一定程度上限制了其發(fā)展和應用。隨著復雜曲面工件亞表面質(zhì)量和完整性要求的提高，這類加工方法的工件表面精度誤差演變理論與控制尚需進一步研究。離子束成形技術(shù)（Ion Beam Figuring，IBF）、等離子體噴射加工（Plasma Jet Machining，PJM）和等離子體化學蒸發(fā)加工（Plasma Chemical Vaporization Machining，PCVM）通過原子能結(jié)合、離子濺射及化學腐蝕等方式實現(xiàn)材料去除，可達到極高的加工面形精度和表面質(zhì)量，一般作為終加工工序，去除前道工序留下的亞表面損傷，實現(xiàn)無損傷的復雜曲面超精密拋光。其不存在因拋光工具在工件邊緣處去除函數(shù)不完整而導致的邊緣效應，還可對邊緣效應進行修正，但因加工設(shè)備要求嚴格而導致加工成本較高。PJM、PCVM的反應氣體和生成物都含有大量劇毒的氟化物，一旦處理不當對環(huán)境影響巨大。這類方法在光學復雜曲面加工中，去除函數(shù)寬度、加工殘差等對整個加工工藝及工件最終性能的影響將是后期研究的重點。以電化學磁力研磨拋光（Electrochemical-Magnetic Abrasive Finishing，EMAF）為代表的基于磁力研磨技術(shù)的復合加工，ELID磨削和MAF或彈性發(fā)射加工（Elastic Emission Machining，EEM）等組合的加工工藝，以及MJP、MRAFF和超聲波磁流變復合拋光技術(shù)（Ultrasonic-Magnetorheological Compound Polishing，UMCP）等基于磁流變技術(shù)的復合拋光技術(shù)，由于兼具各自優(yōu)點，可獲得較高的面形精度和表面質(zhì)量。復合工藝存在著多種加工參數(shù)優(yōu)化選擇與控制策略難度以及加工成本高等缺點，但對發(fā)展復雜曲面超精密拋光新技術(shù)具有重要意義。為了克服加工設(shè)備復雜、成本高、加工效率低、難以滿足曲面或復雜異形曲面的高效加工要求等問題，出現(xiàn)了一種有望用于曲面超精密加工的剪切增稠拋光（Shear-Thickening Polishing，STP）新方法。結(jié)論與展望：復雜曲面零件的廣泛應用和精度要求的不斷提高，取決于復雜曲面零件的超精密加工技術(shù)，如超精密成形加工、超精密拋光等方法。高效、高質(zhì)量、低成本以及環(huán)境友好性成為復雜曲面零件超精密加工技術(shù)發(fā)展的重要特點。如何提高復雜曲面成形加工效率及面形精度是迫切需要解決的問題。對亞表面質(zhì)量和完整性提出新要求的加工方法的工件表面誤差演變理論與控制技術(shù)，將成為復雜曲面超精密加工重要研究領(lǐng)域。復合拋光技術(shù)中多種加工參數(shù)優(yōu)化選擇與控制策略，如何解決加工成本的高低和環(huán)境友好性等問題都將是復雜曲面零件超精密加工的重要研究方向。剪切增稠拋光（STP）將有望應用于曲面超精密加工。

來源出版物：機械工程學報, 2015, 51(5): 178

入選年份：2015