动力磁悬浮轴承的研究现状及关键技术

动,有力地推动了纳米电磁致动器的发展。

毫无疑问,在某些场合它仍有很大的应用价值。

然而,其
位移精度是众多因素(如驱动力和作用时间等)共同作用的结果,任何一个因素的不利变化都会导致位移精度下降。

特别是在大驱动力和变载荷情况下,上述影响就更为显著,成为其进一步发展的严重障碍。

本文介绍的电磁-压电组合式纳米致动器,最大的优点就是成功地将位移精度与驱动力分开处理,使其在大驱动力、变载荷和高稳定性纳米驱动方面具有明显的优势。

初步的研究已揭示出该组合式纳米致动器具有良好的前景,进一步的研究工作正在进行之中。

有理由相信,在不久的将来会有更多更好的纳米组合式致动器出现。

参考文献:
[1]　姚健,尤政.21世纪的科技前沿——纳米技术.中国
机械工程,1995,6(3):14～16
[2]　杨辉,吴明根.现代超精密加工技术,航空精密制造
技术,1997,33(1):1～8
[3]　江小宁,周兆英,李勇等.微驱动技术.中国仪器仪
表,1993(2):10～12,14
[4]　W AN G W an jun ,L lene Bu sch -V ishn ial .A H igh
P recisi on M icropo sitoner Based on M agneto stric 2ti on p rinci p le ,R ev .Sci .In strum ,1992,63(1):
249～254
[5]　Douglas P E Sm ith ,Sco tt A E lrod .M agnetically
driven m icropo siti oners .R ev .Sci .In strum .,1985,56(10):1970～1971
[6]　D avydov D N ,D eltou r R ,Ho rii N .C ryogen ic Scan 2
n ing T unnelingM icro scopeW ith a M agnetic Coarse A pp roach ,R ev .Sci
.In strum ,1993,64(11):3153～3156
[7]　颜国正,赵国光,余承业.微小型任意行程电磁冲击
式纳米级步距驱动装置及其控制技术的研究.仪器仪表学报,1996,17(4):391～396
[8]　B lackfo rd B L ,Jericho M H .A H amm er -A cti on
M icropo siti oner fo r Scann ing P robe M icro scopes .R ev .Sci
.In strum ,1997,68(1):133～135(编辑　华　恒)
作者简介:杨圣,男,1962年生。

中国科学技术大学(合肥市　
230026)九系副教授、博士。

研究方向为精密仪器与精密工程。

获
北京市科技进步三等奖1项。

参编教材1部,发表论文20余篇。

刘东伟,男,1978年生。

南京航空航天大学(南京市210016)机电工程学院硕士研究生。

文章编号:1004-132 (2001)11-1319-04
动力磁悬浮轴承的研究现状及关键技术
曾　励　副教授
曾　励　陈　飞　宋爱平　黄民双
摘要:提出一种新型的机电一体化产品——具有电机功能的动力磁悬浮
轴承,阐述了它的研究现状和工作原理,分析了它的应用特点,并介绍了动力磁悬浮轴承理论研究的关键技术。

关键词:动力磁悬浮轴承;旋转偏磁磁通;旋转控制磁通;旋转机械;无轴
承电机
中图分类号:TH 703.3;TM 32 文献标识码:A
1　动力磁悬浮轴承的提出及特点
实现旋转机械高速、大负荷运转的关键是支承转子的轴承和驱动电机的性能。

采用传统的支承及驱动方式,必须对支承转子及驱动电机的各机械轴承进行油雾或油液润滑,需要有经验和技术的人员进行调整,而且非常麻烦。

这种支承驱动
收稿日期:1999—10—26
基金项目:江苏省教育基金资助项目(00KJB 460009)
方式,轴向尺寸过大,可靠性差,而且由于共振频
率低,无法得到高速和超高速的转动。

如果能研制出一种具有电机功能的动力磁悬浮轴承,就可以将旋转机械的驱动电机去掉,由动力磁悬浮轴承支承转子并直接驱动其转动,使结构小型化,并真正实现高速、大负荷运转。

动力磁悬浮轴承(pow er m agnetic bearing ,P -M B )在原理上是以普通的磁悬浮轴承为基础,使其电磁铁提供的磁场不仅要产生支承转子的径向力,而且还要产生驱动转子的扭矩,是集电动机
・
9131・动力磁悬浮轴承的研究现状及关键技术——曾　励　陈　飞　宋爱平等
和轴承2种功能为一体的机械零件(见图1)。

采
(a )
采用普通磁悬浮轴承的主轴系统
(b )采用P -M B 的主轴系统
图1　2种支承驱动的电动机(或主轴系统)
用P -M B 的电机(或主轴系统)具有如下特点:
(1)由于P -M B 具有电机功能,在相同转速和相同输出的情况下,P -M B 电机的外型尺寸只有普通磁悬浮轴承-电机的1 3～1 2,其结构小而紧凑;
(2)电机结构越紧凑,即越小型化,越容易实现高速化。

主轴(转子)越长,其共振频率及临界转速越低,就越难实现高速化。

使电机小型化、缩短主轴,可抑制共振现象,实现更高的转速。

在相同输出和相同外型尺寸的情况下,P -M B 电机的转速是组合式普通磁悬浮轴承-电机的2～3倍。

(3)普通磁悬浮轴承-电机仅由一个电机输出扭矩,而利用P -M B 组成旋转机械系统时,多半是采用成对支承驱动。

故在相同外型尺寸、相同转速情况下,它是普通磁悬浮轴承-电机输出的2～3倍,因此可以实现更高的输出。

(4)P -M B 可单个使用,也可成对或多个作
为轴承和电机同时使用。

成对使用时除具有小型、高速和大扭矩的特点外,其主轴所受的扭转剪切内应力对称且很小(仅存在转动时引起的切向惯性应力),大大提高了主轴的强度和使用寿命;多个使用时,可以改善主轴的支承情况,还能使输出扭矩成倍增大。

(5)配线少但控制系统复杂。

普通磁悬浮轴承系统需要23根配线,而动力磁悬浮轴承只要13根配线。

2　国内外研究现状
动力磁悬浮轴承是具有电机功能的磁悬浮轴承,是笔者根据无轴承电机的支承驱动零件可作为任何旋转机械的支承驱动零件应用而提出的。

动力磁悬浮轴承与电动机一样,具有永磁同步型
(PP -M B )、感应型(IP -M B )、磁阻型(R P -M B )等,是应用机、电、磁等综合技术,通过磁
场力将转子和轴承分开,实现无接触驱动转子转动的新型动力支承组件,属于现代高科技领域。

无轴承电机最早见于文献[1],但它的实现却是最近几年的事情。

这种轴承是基于组合式的普通磁悬浮轴承-电机(见图1a )发展而来的。

普通磁悬浮轴承-电机是将传统电机中的机械轴承用普通磁悬浮轴承替换的。

其电机零件只是产生扭矩,电机两侧的普通磁悬浮轴承承受稳定支承转子的轴承力。

这种电机的转子轴上套有2个径向磁悬浮轴承转子、1个轴向磁悬浮轴承转子和1个电机转子等,因此其轴向尺寸较长。

转子轴越长越容易产生弯曲变形,其共振频率及临界转速也越低,这样,电机的转速就受到一定的限制。

为了降低轴向尺寸、提高转速及输出功率,近年来,苏黎世的瑞士技术联合学会及日本的几所大学基于普通径向磁悬浮轴承研制出了图1b 所示的无轴承电机(bearingless m o to rs )[1～4]。

无轴承电机是将组合式普通磁悬浮轴承-电机的主动电机零件去掉,将2个支承转子的普通径向磁悬浮轴承结合电机的电场驱动技术改制为2个动力磁悬浮轴承的动力驱动装置,这样缩短了电机转子轴,使其转速及输出功率提高1倍以上。

无轴承电机中的动力磁悬浮轴承将支承转子的轴承功能和产生扭矩功能混合已不是新思想。

国外大多数学者提出的方案是以普通的径向磁悬浮轴承包含一个产生扭矩的高极对(至少8极)结构。

自1991年以来,瑞士、日本、美国、德国等国家先后提出和研制了不同类型的动力磁悬浮轴
承。

M asah ide 、O kada 等
[5,6]
提出永磁型的动力磁悬浮轴承,在文献[5]中给出了永磁型动力磁悬浮轴承的设计及数学描述,具体对外置永磁型的永磁体厚度进行了优化,并提出了一种具有强磁悬浮力和容易控制的内置永磁型的动力磁悬浮轴
承。

还测量比较了外置永磁型、感应型、内置永磁型3种类型动力磁悬浮轴承转子所受的悬浮力。

感应型鼠笼式转子产生的悬浮力最强,内置永磁型转子产生的悬浮力较小,但比外置永磁型
产生的力大得多。

Ch ikara 等[7～9]
提出了磁阻型的动力磁悬浮轴承,文献[9]中提出了开关型动力
磁悬浮轴承,M o ri 、Satoh 等[8]
在同步磁阻动力磁悬浮轴承中提出包括电枢反应及磁饱和引起的常数变化的控制结构。

E ich i Ito 等[10,11]提出了感应型的动力磁悬浮轴承。

O kada 、D eji m a 和O h ish i
・
0231・中国机械工程第12卷第11期2001年11月
在1995年、O kada 等在1997年提出了控制径向磁气隙的永磁同步型和感应型动力磁悬浮轴承。

动力磁悬浮轴承除用于组合设计成仅用于驱动旋转机械转动的无轴承电机外,还可用于其它各种旋转机械支承并驱动其转子转动。

文献[12]已经证实了动力磁悬浮轴承在核领域、军事及空间技术方面的应用;日本的Sato sh iU eno 、瑞士的R eto Schob 等研制出了用于人造心脏的血液泵,该类血液泵由动力磁悬浮轴承直接支承叶轮并驱动其转动;瑞士的T hom as Gem pp 等研制的化工用动力磁悬浮轴承支承驱动的罐装泵,杜绝了传统罐装泵机械密封故障,以及油润滑对化工产品的污染;Ro to Schob 等根据动力磁悬浮轴承特点将其用于生物反应器的泡沫床反应堆上,这是一种结构简单紧凑且成本低的有效方案。

动力磁悬浮轴承在日本、瑞士、德国等广泛用于机床主轴系统。

采用P -M B 支承驱动的主轴系统,可以使机床向超高速、超精密方向发展。

对于超高精密加工的主轴系统,主轴前端的刀具切削工件时,要产生很大的径向力,故除要求其主轴转速高、输出功率(扭矩)大外,还应满足高刚度等条件。

采用动力磁悬浮轴承支承驱动主轴,与用组合式磁悬浮-电机驱动主轴相比较,动力磁悬浮轴承可以大大缩短主轴的长度,使其刚度得以大大提高。

开展对P -M B 的研究,对机床乃至任何旋转机械的制造水平,以及改变传统的旋转机械的支承和驱动形式都具有积极意义,并能带来显著的社会经济效益。

P -M
B 是追踪国际高科技前沿领域的产品,除用于主轴系统外,还可以用于其它任何旋转机械的支承和驱动,如电机、机床、风机、
泵、压缩机等通用机械设备,以及军事、空间、核工业、能源、化工、交通等各领域的特殊旋转机械,故具有广泛的应用前景和重要的科学
意义。

在国内只有几所高校和科研机构在从事普通磁悬浮轴承的研究,由于动力磁悬浮轴承(或无轴承电机)的研究在国外也起步不久,因此有关的研究工作(或成果)还未见文献报道。

3　动力磁悬浮轴承的工作原理
动力磁悬浮轴承主要由M 极驱动转子转动的线圈和N (N =M ±2)极悬浮转子的位置控制线圈叠加组成。

以M =4、N =2为例,其产生扭
矩及径向磁力的基本原理见图2和图3。

(a )Ξt =0 (b )Ξt =
Π2
(c )Ξt =Π (d )Ξt =
3
2
Π图2　动力磁悬浮轴承磁极旋转情况
图3　动力磁悬浮轴承Ξt =0时 产生径向轴承力的原理图
电机功能的实现,是对定子的4极线圈及2极线圈通以三相正弦交流电流,使动力磁悬浮轴承的三相绕组产生合成旋转磁场,当转子中的短路导条切割磁力线时,就产生感应电势和电流,转子电流与磁场作用产生力而驱动转子顺着磁场旋转方向转动,一直到转子的电磁转矩与负载转矩平衡为止。

磁悬浮轴承功能的实现,是以4极线圈提供的磁通54作为旋转偏磁磁通,2极控制线圈提供旋转控制磁通52,以控制转子恒工作在平衡位置。

如图3所示,当转子因扰动向下有一微小位移时,2极控制线圈将产生一控制磁通52。

控制磁通52与偏置磁通54在转子的上侧气隙1处流向相同,气隙总磁通为54+52,其气隙处的磁场吸力增大;而在转子下侧气隙2处52与54流向相反,
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1231・动力磁悬浮轴承的研究现状及关键技术——曾　励　陈　飞　宋爱平等
气隙总磁通为54-52,其气隙处的磁场吸力减小,使转子受到一向上的径向磁悬浮合力,推动其重新回到平衡位置。

如果改变2极控制线圈的电流方向和大小,则可控制径向力的方向和强度。

4　动力磁悬浮轴承的关键技术
在此提出几个有关P -M B 理论研究方面的
关键技术。

4.1　机电能量转换数学模型
P -M B 与电动机一样实际上是一种通过磁场耦合方式的机电能量转换装置,其产生的电磁悬浮力和电磁转矩是由电能通过磁场耦合转换为机械能的结果,因此,研究P -M B 的能量转换尤为重要。

表达能量转换关系的基本方程主要有磁链方程、电压方程、电磁悬浮力及电磁转矩方程及其等效电路等。

在建立这些数学模型时,要把边界条件变化(如转子与定子之间偏心引起的圆周气隙变化等)的因素考虑进去,这样,P -M B 的理论研究就比电动机本体结构理论要复杂得多。

4.2　技术性能参数
P -M B 的技术性能参数包括反映承载能力
的径向电磁悬浮力和电磁驱动转矩、转速、转差
率、刚度,以及机械特性等。

由于P -M B 的定子是由2套绕组分别产生旋转的N 极对控制调节磁场和旋转的M 极对偏置磁场,两者的合成磁场是决定这些性能参数变化的主要因素。

因两旋转磁场的极数N 和M 不相等,其合成磁通是变幅的正弦函数,故合成旋转磁场的同步转速也是随旋转波动变化的。

同步转速直接影响各性能参数的好坏,因此P -M B 技术性能参数研究的关键是合成旋转磁场的研究。

4.3　控制策略
由于P -M B 的旋转合成磁场是由旋转控制
磁场和旋转偏置磁场叠加的磁场,故径向负载的变化将对转子转速及电磁转矩产生影响;反过来负载力矩的变化又将影响径向悬浮力及轴承的支承刚度,因此必须对P -M B 支承驱动主轴时的3个自由度进行综合矢量控制。

在转子承受的负载不大时,可对转子转动和悬浮进行独立的矢量控制,但系统的稳态性能、动态性能并不是很理想的。

因此P -M B 的控制策略是影响系统性能的关键技术。

参考文献:
[1]　B ich sel J .Beitrage Zum L agerlo sen E lek tromo to r .
D issertati on ETH ,Zu rich ,1990:233
～239[2]　Ch iba A ,Pow er D T ,R ahm an M A .Characteristics
of a Bearingless L nducti on M o to r .IEEE T ran sac 2
ti on s on M agnetics ,1991,27(6):1083
～1090[3]　Schob R .Beitrage Zu r L agerlo sen A synch ronm as 2
ch ine .D issertati on ETH ,Zu rich ,1993:139
～145[4]　O h ish i T ,D eji m a K .A nalysis and D esign of a Con 2
cen trated W ound Stato r fo r Synch ronou s -T ype L evitated Ro to r .In :Fou rth In ternati onal Sympo 2
sium on M agnetic Bearings ,Zu rich ,1994:141
～148[5]　M asah ide Oo sh i m a ,Sato ru M iyazaw a ,A k ira Ch iba
et a l .A Ro to r D esign of a Perm anen t M agnet -
T ype Bearingless M o to r Con sidering D em agnetiza 2ti on .In :IEEE P roceeding of Pow er Conversi on
Conference ,N agaoka ,1997:665
～660[6]　O kada Y ,D eji m a K ,O sh ina T .A nalysis and Com 2
parison of P M Synch ronou s M o to r and Inducti on M o to r T ype M agnetic Bearings
.IEEE T ran sacti on on Indu stry A pp licati on ,1995,31(5):1047
～1053[7]　Ch ikara M ich i oka ,Tomokazu Sakamo to ,O sam u
Ich iikaw a et a l .A D ecoup ling Con tro l M ethod of R eluctance -T ype Bearingless M o to rs Con sidering M agnetic Satu rati on .IEEE T ran sacti on on Indu stry
A pp licati on s ,1996,32(5):1204
～1210[8]　M o ri S ,Satoh T ,O h saw a M .Experi m en ts on a
Bearingless Synch ronou s R eluctance M o to r w ith L oad .In :F ifth In ternati onal Sympo sium on M ag 2
netic Bearings ,Kanazaw a ,1996:339
～343[9]　M asatsugu T akemo to ,Ken Sh i m ada ,A k ira Ch iba
et a l .A D esign and Characteristics of Sw itched R e 2
luctance T ype Bearingless M o to rs
.In :4th In terna 2ti onal Sympo sium on M agnetic Su spen si on T ech 2no logy ,Gifu ,1992.
[10]　E ich i Ito ,A k ira Ch iba ,T adash i Fukao .A M ea 2
su rem eng of VA R equ irem en t in a Inducti on T ype Bearingless M o to r .4th In ternati onal Sympo sium on M agnetic Su spen si on T echno logy ,Gifu ,1992.
[11]　T akamo to Y ,Ch iba A ,Fukao T .T est R esu lts on a
P ro to type Bearingless Inducti on M o to r w ith F ive -A x is M agnetic Su spen si on .IPEC -Yokoham a
’95,1995:334
～339[12]　Yo sh ida K .T he Canned Bearing .Glacier N ew s up 2
date ,1994,1:105
～109(编辑　卢湘帆)
作者简介:曾　励,男,1957年生。

扬州大学(江苏省扬州市　
225009)工学院副教授。

研究方向为流体传动与控制、机械传动、
磁悬浮技术等。

发表论文40余篇。

陈　飞,男,1976年生。

扬州大学工学院教师。

宋爱平,1965年生。

扬州大学工学院副教授。

黄民双,男,1964年生。

北京工业大学(北京市　100022)副教授。

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2231・中国机械工程第12卷第11期2001年11月
the resu lts of quan titative physical si m u lati on ,num erical
value si m u lati on and the ten si on stress theo ry of a rigid -p lastic m echan ical model
.T he feasib ility has been p roved that op tical p lasticity cou ld be u sed in quan titative si m u la 2ti on stress field on heating fo rging p ieces cen ter .L aying a foundati on ,comp lex th ree -di m en si onal p rob lem m ay be so lved .
Key words :up setting stress field op tical p las 2ticity quan titative physical si m u lati on Research on M agnetic Abra sive M ach i n i ng by Apply i ng a Rota ti ng M agnetic F ield FAN G J iancheng (H auqiao U n iversity Q uanzhou ,Q uanzhou ,Fu jian ,Ch ina )J I N Zhu ji
　XU W en ji ZHOU J in jin p 130421306,1326
Abstract :In o rder to so lve the difficu lt p rob lem of in 2ternal fin ish ing fo r ou tsize and abno rm al shape p i pe ,the new techno logy of m agnetic field con tro lled by pu lse cir 2cu it fo r realizing m agnetic ab rasive m ach in ing (M AM )is p resen ted .T he m echan is m of M AM by app lying a ro tat 2ing m agnetic field is investigated ,and the generati on de 2vice of ro tating m agnetic field is analyzed and designed .T he resu lts show :(1)amoun t of m agnetic ab rasive (M A )supp lied effects on the stock removal and the su r 2face roughness directly ,and it has op ti m um value .(2)
the fin ish ing efficiency and su rface roughness can be i m 2p roved effectively ifM A is m ixed w ith iron pow ders in ra 2ti onal m esh size o r w eigh t percen tage .T he techno logy w ill offer u sefu l basis in p ractical m anufactu re .
Key words :ro tating m agnetic field m agnetic ab rasive fin ish ing m ach in ing m ach in ing quality Study on i ncen tive m echan is m s of green manufactur i ng W AN G N engm in (X i ′an J iao tong U n iversity ,X i ′an ,Ch i 2na )　SUN L inyan W AN G Y ingluo p 130721310Abstract :T he values of green m anufactu ring are ex 2pounded from the eth ics and econom y ,the in trin sic con 2tradicti on s to i m p lem en t green m anufactu ring are ana 2lyzed .It is pu t fo rw ard that the view of equ ity betw een generati on s is the eth ical basis of green m anufactu ring and that the p romp ting of m arket and governm en t and the incen tive compatib ility in m anufactu ring team are i m po r 2tan t i m petu s to i m p lem en t green m anufactu ring .T he in 2cen tive m echan is m s of m arket ,governm en t and m anufac 2tu ring team is i m p roved by the w ay of gam e theo ry .Key words :green m anufactu ring ,equ ity betw een generati on s ,incen tive m echan is m
Tran sport of Goods and M a ter i a l i n a M odern En terpr ise ZHOU J ian jun (J iangling M o to rs Co .,Group ,N an 2chang ,Ch ina )p 131121315
Abstract :A ccompan ied w ith the accelerati on of eco 2nom ic globalizati on ,netw o rk and in tellictualizati on ,the competiton betw een en terp rises is a competiti on of capaci 2
ty and speed w h ich can m eet cu stom s’needs
.T he change of ti m e to tran spo rt goods and m aterials ,is no t on ly an
i m p rovem en t of tran spo rt efficiency ,bu t also an i m p rove 2m en t of capacity how a en terp rise p roducti on system
adap t and react to the m arket ,and then an i m p rovem en t of the w ho le m anagem en t efficiency and the coo rdinati on among each link in a facto ry .Bu ilding up a n i m b le and re 2liab le m anagem en t system to con tro l the tran spo rt of goods and m aterials ,is the on ly w ay that a modern en ter 2p rise confo rm to the situati on of indu strial p roducti on and the competiti on on in ternati onal m arket .
Key words :en terp rise m anagem en t tran spo rt of goods and m aterials au tomob ile p roducti on
D evelop m en t of Nano m eter Electro magnetic Actua tors YAN G Sheng (U n iversity of Science and T echno logy of Ch ina ,H efei ,Ch ina )　L I U Dongw ei p 131621319Abstract :N anom eter actuato rs (also called m icro 2drivers ,m icropo siti oners etc .)are key parts of nanom e 2ter m easu rem en t and con tro l devices ,and the latter is the
i m po rtan t foundati on of nano techno logy
.T h is paper dis 2cu sses the p rinci p le of nanom eter electrom agnetic i m pu l 2
sive actuato rs ,gives som e typ ical structu res ,and p re 2sen ts a com b inati on actuato r of new m echan is m developed
by the au tho rs
.Key words :electrom agnetic actuato r m icrodriver
m icropo siti oner nano techno logy
The D evelop m en t and the Key Technology of the Power M agnetic Bear i ng ZEN G L i (Yangzhou U n iversity ,Yangzhou ,J iangsu ,Ch ina )　CH EN Fei SON G A i p ing HUAN G M in shuang p 131921322
Abstract :Based on the p rinci p le of radial m agnetic bearing ,the paper p resen ts a new type m achatron ics part —the pow er m agnetic bearing (P -M B )w ith mo rto r’s functi on .A nd the m in itype ,u ltra h igh speed and b ig to rque characteristics are discu ssed ,the developm en t and the p rinci p le are described .T he key techno logy of a P -M B w as deliverd in addti on .
Key words :pow er m agnetic bearing ro tary b ias m agnetic flux ro tary con tro l flux ro tary m ach in 2ery bearingless mo to r
Research and D evelop m en t on Fault D i agnosis of Hy -draulic Syste m s SH I Hong (H arb in In stitu te of T ech 2no logy ,H arb in ,Ch ina )　W AN G Kejun L I Guob in p 132321326
Abstract :T h is article begin s w ith the b rief in troduc 2ti on to theo ries and app roaches on fau lts diagno sis ,then discu sses som e diagno stic m ethods (viz the m ethods based on m ath model and A I )app lied to hydrau lic system s ,and analyzes the m ain featu res of these conven ti onal and mod 2ern m ethods ,w h ich p resen ts a valuab le reference to se 2lect p roper m ean s fo r the fau lt diagno sis of hydrau lic sys 2
tem s
.Key words :fau lt diagno sis hydrau lic system signal p rocessing and modeling artificial in telligen t
・
6・CH I NA M ECHAN I CAL EN G I N EER I N G V o l
.12,N o .11,2001。