中国机械工程

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1. 超疏水表面加工技术及耐磨性能研究进展

黄云, 黄建超, 肖贵坚, 刘帅, 林瓯川, 刘振扬

中国机械工程 2024, 35 (01): 2-26. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.01.001

摘要（454）

PDF（pc）（50387KB）（584）

当前制备的超疏水表面耐磨性能普遍较差，因而其在各领域的应用受到限制。研究表明微纳结构和低表面能是实现功能表面超疏水性能的关键因素，因此，首先基于超疏水表面作用机制，对超疏水表面织构进行了归纳，旨在通过优化表面织构来解决微纳结构易磨损难题；然后对超疏水表面加工技术进行了梳理总结，从成本和效率两个方面分析了降低表面能的措施，为拓展超疏水表面加工体系提供思路；进而详细总结了超疏水表面耐磨性的分析手段，并阐述了提高超疏水表面耐磨性的方法；最后，展望了耐磨性超疏水表面的未来发展前景，以期推动超疏水表面在工程中的大规模应用。

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2. 基于SAO的专利数据驱动产品创新设计

林文广, 刘晓东, 肖人彬

中国机械工程 2023, 34 (15): 1765-1777. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.15.001

摘要（384）

PDF（pc）（5241KB）（373）

借助大数据挖掘技术，提出基于主语-谓语-宾语（SAO）的专利数据驱动产品创新设计方法。首先通过语义依存句法挖掘专利文本数据库中的SAO结构，获取产品元件之间的作用关系信息；其次构建面向产品系统的复杂网络知识模型，并引入结构洞理论计算复杂网络中元件约束性系数，以此确定创新目标元件，并借助Word2Vec计算元件语义相似性系数，利用SAO相似性算法计算功能相似性系数；在此基础上，融合推荐算法以及组合矩阵，分别围绕结构创新、功能创新以及功能优化三个方面实现产品创新。最后以具有典型代表性的卫浴花洒产品为例，对所提方法进行了详细的演示，充分证实了所提方法的有效性和先进性。

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3. 钛合金超声冲击强化研究现状及发展趋势

查旭明, 袁智, 秦浩, 袭琳清, 张涛, 姜峰

中国机械工程 2023, 34 (19): 2269-2287. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.19.001

摘要（359）

PDF（pc）（36447KB）（243）

梳理、介绍了钛合金超声冲击强化技术的工艺原理与研究进展；统计分析了不同超声冲击工艺参数（静压力、超声振幅和滚压次数）对钛合金表面层性能的影响规律，结果表明不同工艺参数的择优对钛合金性能强化有重要影响，同时各工艺参数也会存在优化临界值，超过临界值反而会降低其服役性能；总结了现阶段超声冲击强化技术在工程应用上面临的难点，并结合智能制造提出超声冲击强化技术未来发展方向。

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4. 仿生六足机器人柔顺腿研究

王伟, 韦浪, 刘富盛, 王国顺

中国机械工程 2023, 34 (17): 2089-2094. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.17.008

摘要（332）

PDF（pc）（6492KB）（190）

为探索弧形腿柔顺性对仿生六足机器人运动性能的具体影响，首先使用伪刚体模型描述弧形腿的变形特征，并给出了刚度的数学表达；然后基于该刚度模型，在Webots仿真环境中构建虚拟样机，通过设定弧形腿不同的刚度，分析了仿生六足机器人在运动速度、能量消耗等方面的变化；最后通过制作不同刚度的弧形腿在物理样机中进行了验证。研究结果表明，弧形腿的柔顺性可以用伪刚体模型准确描述，它可提高仿生六足机器人的运动速度并减小能量消耗。

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5. 负载条件下RV减速器动态传动误差分析与试验

许立新, 夏晨, 杨博

中国机械工程 2023, 34 (18): 2143-2152. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.18.001

摘要（326）

PDF（pc）（8485KB）（233）

目前RV减速器传动精度出厂标定值是在空载条件下检测的，难以反映扭矩加载条件下的真实精度性能，为有效揭示负载作用下RV减速器动态传动误差特性，考虑关键传动件几何形状与位置度多源误差因素影响，提出了两曲柄轴标准型RV减速器接触多体系统动力学理论模型。在建模中，针对RV减速器传动结构特点，首先完成整机动力学参数化建模架构设计，然后针对第一级渐开线齿轮传动、第二级摆线针轮传动以及多组转臂轴承和支承轴承部分，提出详细的动态接触分析方法；在此基础上，以RV20E减速器为对象，探讨扭矩负载作用下减速器动态传动误差特性。研究结果表明，随着负载扭矩的增大，减速器传动误差幅值不断增大，但幅值增长率逐渐减小；相比于空载情况，额定扭矩下的减速器传动误差计算增幅为73.1%，试验测试增幅为58.9%。

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6. 一种仿蝗虫弹跳机器人的设计与制作

王铠迪, 陈岁繁, 唐威, 秦可成, 李其朋, 杨展, 刘阳, 邹俊

中国机械工程 2023, 34 (24): 2946-2951. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.24.006

摘要（323）

PDF（pc）（3896KB）（342）

为了提高小型机器人的机动性，增加运动步态的多样性，基于蝗虫的身体结构和运动机理设计了一款仿蝗虫弹跳的跳跃机器人，机身主体采用3D打印制作而成。为了复现蝗虫的弹跳动作机理，在机器人主体的连接处安装了扭转弹簧来模拟蝗虫的SLP机构（半月形储能机构），当机器人遇到障碍物时，扭转弹簧将储存的弹性势能释放，产生地面反作用力，实现机器人的弹跳从而越过障碍物。经实验验证，该机器人具有良好的跳跃性能，其跳跃距离可达100 cm，跳跃高度可达120 cm，约为自身身长的15倍。

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7. 考虑轮胎非线性的横摆角速度计算与车辆稳定性控制

闵德垒, 童汝亭, 危银涛

中国机械工程 2023, 34 (21): 2521-2530. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.21.001

摘要（321）

PDF（pc）（7794KB）（257）

基于非线性轮胎模型提出横摆角速度的一种准确计算方法，并将其用于车辆稳定性控制。轮胎的非线性采用刷子模型进行表征，通过摄动分析得到等效稳定性因数，进而得到稳态横摆角速度的精确解析解。对解析解存在性的分析表明轮胎非线性会对车辆稳定性产生影响。实车试验和基于车辆模型的控制仿真表明，考虑轮胎非线性可有效提高作为目标参量的稳态横摆角速度的计算精度，提高车辆稳定性的控制效果。

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8. 基于二阶近似扩展卡尔曼滤波的锂离子电池SOC估计

段林超, 张旭刚, 张华, 宋华伟, 敖秀奕

中国机械工程 2023, 34 (15): 1797-1804. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.15.004

摘要（313）

PDF（pc）（4607KB）（230）

为提高电池荷电状态（SOC）估计的准确性，更高阶的扩展卡尔曼滤波（EKF）算法被用来估计SOC值。首先建立锂离子电池一阶Thevenin等效电路模型，采用样条函数来表述开路电压（OCV）和SOC值的函数关系。为更加精确地识别等效电路模型参数，提出一种新的带有可变遗忘因子最小二乘法（VFFRLS）的算法来在线识别模型参数。由于VFFRLS解的精度依赖于算法初始值的设定，为此采用改进粒子群算法求得模型初始参数值，进而得到更加精确的VFFRLS初始值。最后采用二阶EKF来估计电池的SOC值，以此提高估计精度。两组不同的数据集用来证明二阶EKF估计SOC值具有普适性。实验结果表明，二阶EKF在估计不同工况条件下的SOC值时，平均绝对误差（MAE）都保持在1%以内，由此证明了所提方法的有效性。

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9. 滚动轴承接触疲劳裂纹建模与扩展规律研究

郭伟, 曹宏瑞, 訾艳阳, 尉询楷

中国机械工程 2023, 34 (16): 1891-1899. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.16.001

摘要（313）

PDF（pc）（19224KB）（198）

针对滚动轴承的疲劳剥落损伤演化问题，采用扩展有限元方法研究疲劳裂纹扩展机理，通过算例验证了扩展有限元方法的可靠性。运用断裂力学理论建立了包含次表面初始裂纹的滚动接触疲劳扩展有限元模型，分析了初始裂纹倾斜角度、所处深度和初始裂纹长度对次表面裂纹生长到表面的扩展路径影响机制，通过分析应力强度因子变化研究了裂纹扩展机理。研究结果表明，次表面疲劳裂纹以滑开型裂纹扩展模式为主；初始裂纹角度对疲劳裂纹扩展路径影响较大，初始裂纹角度在15°~45°时裂纹会转向表面发展而形成疲劳剥落；初始裂纹尺寸和深度对裂纹扩展路径形貌的影响较小，但会影响裂纹扩展的难易程度。

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10. 基于磨削热变形分析的切入式外圆磨削去除率的修正模型与实验研究

迟玉伦, 武子轩

中国机械工程 2023, 34 (15): 1778-1788. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.15.002

摘要（309）

PDF（pc）（13452KB）（183）

为解决切入式外圆磨削加工中磨削热变形引起的传统磨削去除率模型与实际磨削偏差较大的问题，基于磨削热变形机理分析，对传统切入式外圆磨削去除率模型进行了修正。通过分析切入式外圆磨削过程中砂轮与工件的磨削热变形量及热变形速率，确定了修正函数，建立了基于磨削热变形的切入式外圆磨削材料去除率修正模型，并通过磨削实验对模型进行了验证。结果表明，修正模型具有更高的准确性。

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11. RV减速机摆线齿轮接触应力数值分析方法与试验

黄襄茂

中国机械工程 2023, 34 (24): 3015-3023. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.24.013

摘要（306）

PDF（pc）（8857KB）（169）

计及摆线齿轮齿面弹性变形及侧隙计算了在特定载荷下摆线齿轮齿面的有效接触区域及其周向载荷分布，利用力平衡方程和变形协调方程建立了摆线齿轮齿宽方向的接触应力数学模型并给出计算步骤和流程图。该数学模型为非线性方程组，通过求解该非线性方程组完成了摆线齿轮齿宽方向的接触应力分布和接触宽度的计算。利用接触应力数学模型及计算步骤仿真分析了摆线齿轮理想状态和安装误差的接触齿宽及接触应力分布, 结合试验和仿真结果验证所提方法的正确性和可行性。

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12. 机器人铣削加工颤振自适应识别方法研究

籍永建, 姚利诚,

中国机械工程 2023, 34 (18): 2165-2176. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.18.003

摘要（302）

PDF（pc）（12897KB）（161）

针对机器人铣削颤振形式复杂、难以有效识别的问题，提出一种机器人铣削加工颤振自适应识别方法。首先对原始振动信号进行信号分离，保留能够表征机器人加工状态的信息；然后采用不同信号功率谱熵之间的差值表征不同铣削状态下振动信号的频率分布特性，采用原始信号的标准偏差表征机器人铣削振动信号的时域特性。采用上述特征指标构建能够表征机器人不同铣削状态的三维特征向量矩阵，将特征向量输入支持向量机，构建机器人铣削加工颤振自适应识别模型。对模型进行验证，并与现有方法进行对比，结果表明，构建的机器人铣削颤振自适应识别模型能够准确识别机器人铣削加工过程中的再生颤振与低频颤振；对于稳定、早期颤振、剧烈颤振、低频颤振以及空载等状态的识别准确率达到93%，优于现有方法。

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13. 一种改进基尼指数加权的轴承健康指标构建方法

钱门贵, 陈涛, 于耀翔, 郭亮, 高宏力, 李威霖,

中国机械工程 2023, 34 (15): 1813-1819，1855. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.15.006

摘要（299）

PDF（pc）（6461KB）（143）

在轴承的状态监测中，构建一个可以准确描述轴承退化趋势且能及时识别早期退化点(EDP) 的健康指标(HI) 至关重要。目前大多学者提出的健康指标能较好地描述轴承的退化趋势，但不能准确识别早期退化点。提出了一种改进基尼指数(IGI) 加权的轴承健康指标构建方法。利用集成经验模态分解(EEMD) 对原始信号进行分解，根据各分量的故障特征能量比(FCER)，对其进行加权重构得到重构信号；计算重构信号的IGI；将IGI作为重构信号的FCER进行加权计算，得到最终的指标IGI-FCER-HI。通过两个实验验证了所提方法的有效性，并与其他健康指标进行了对比。结果表明，所提方法构建的指标不仅具有良好的单调性和趋势性，而且能准确监测轴承的早期退化点。

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14. SPCA和OCHD相结合的旋转机械早期微弱故障检测方法

李鑫, 程军圣, 吴小伟, 王健, 杨宇,

中国机械工程 2023, 34 (15): 1805-1812. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.15.005

摘要（295）

PDF（pc）（4130KB）（138）

针对旋转机械早期微弱故障难以被及时准确检测的问题，提出了一种基于辛主成分分析（SPCA）和单分类超圆盘（OCHD）的智能检测方法。首先，采用SPCA将振动信号映射到辛空间，并提取最能表征信号主要能量和有效信息的辛特征值作为旋转机械故障特征。然后，将超圆盘模型引入单分类领域，提出了OCHD模型，该模型采用超圆盘模型评估已知样本的类别分布，并通过寻找几何模型上距离原点最近的点来构建最优单分类超平面，从而实现早期微弱故障的智能检测。最后，采用辛辛那提大学轴承全寿命周期数据验证所提方法的有效性，实验结果表明：SPCA能够有效提取轴承的敏感故障信息，且OCHD的故障检测性能明显优于其他单分类模型。

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15. 考虑工人数量配置优化的柔性作业车间调度问题研究

梁向檩, 宋豫川, 雷琦, 孙爱红

中国机械工程 2023, 34 (17): 2065-2076. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.17.006

摘要（295）

PDF（pc）（4704KB）（203）

在工人资源紧缺且工人成本增加的背景下，以合理的工人数量配置方案完成制造任务变得至关重要。以往考虑工人约束的柔性作业车间调度研究假设工人的数量是给定的。为实现不同技术水平工人的数量配置及柔性作业车间调度集成优化，考虑工件拖期惩罚成本、工人基础及绩效成本，建立了最小化总成本的混合整数规划模型，并提出了一种改进教学优化算法进行求解。在算法中，采用基于工人数量配置、工序排序、机器选择的三层编码并设计了活动调度解码方法，采用混合启发式初始化方法进行初始化，针对问题特征设计了有效的邻域结构。通过多组算例测试验证了所提算法能确定不同技术水平工人的实际数量并获得优异的调度方案，且在性能上优于对比算法。

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16. 超细微穿孔板构筑轻质结构的吸声特性研究

刘杰, 翦林杰, 窦泽城, 文桂林, 王锐坤, 李方义

中国机械工程 2023, 34 (20): 2395-2402. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.20.001

摘要（289）

PDF（pc）（5794KB）（155）

为了解决传统微穿孔板中低频有效吸声带宽过窄的问题，设计了一种超细微穿孔板(UMPP)构筑轻质结构，建立了基于微穿孔板理论的吸声理论模型和高保真有限元模型，并搭建了基于声阻抗管的吸声测试系统。研究了单层、双层、三层UMPP吸声结构的吸声特性，发现单层UMPP吸声结构具有较好的有效吸声带宽，但存在明显的吸声波谷，并利用归一化声阻和归一化声抗揭示了其吸声机理。为了进一步改善所提UMPP吸声结构的吸声性能，提出了一种结构优化设计策略，实现了亚波长尺度下（1/8波长），369~7000 Hz频率内的宽频有效吸声。

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17. 分布式多柔性装配作业车间调度问题研究

魏光艳, 叶春明

中国机械工程 2023, 34 (20): 2442-2455. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.20.007

摘要（284）

PDF（pc）（4457KB）（162）

针对分布式柔性装配作业车间环境，综合考虑了调度过程中的机器选择柔性、工人安排柔性和工序顺序柔性，构建了以最小化最大完工时间和最小化总能耗为优化目标的分布式多柔性装配作业车间调度问题（DMFAJSP）的数学模型。为求解DMFAJSP模型，提出了一种以分布估计算法为全局搜索组件、以邻域搜索算子为局部搜索组件的多维模因算法（MDMA）。最后，将所提出的算法与其他算法进行了对比试验，结果表明MDMA算法在求解DMFAJSP模型方面具有显著优势。

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18. 地铁小半径曲线钢弹簧浮置板轨道钢轨波磨成因分析

王志强, 雷震宇

中国机械工程 2023, 34 (24): 2899-2908. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.24.001

摘要（275）

PDF（pc）（10660KB）（218）

为探究地铁小半径曲线钢弹簧浮置板轨道上的波磨成因，从轮轨黏滑振动层面阐释了钢轨波磨的形成过程。首先，依据线路基本情况建立了轮对浮置板轨道三维有限元模型；然后，利用上述模型分析了轮轨接触黏滑特征和钢轨纵向磨耗特性以量化波磨的发生趋势；最后，基于复模态理论，研究了轮轨系统的固有振动属性与波磨形成的关系。结果显示，在轮对运行过程中，内侧轮轨黏滑分布呈现周期性变化，说明内侧轮轨系统发生了周期性的黏滑振动，进而可能导致内轨出现周期性的波状磨耗，最终形成钢轨波磨；外侧轮轨黏滑分布总体上未有明显变化，说明外侧轮轨系统未出现黏滑振动，从而不易形成钢轨波磨。在钢轨纵向上，内轨滑移量明显大于外轨滑移量，表明内轨纵向磨耗程度更大；在钢轨横向上，内外侧钢轨滑移量相差不大，表明内外侧钢轨横向磨耗程度相近。内外侧钢轨纵横向滑移云图分布均表现出了一定程度的周期性，尤其是内轨纵向滑移云图，其波长28 mm与实测波磨波长25 mm相近，这与内侧轮轨界面接触黏滑状态的周期特性相呼应，从而进一步说明了内轨更容易发生严重的周期性磨耗，即钢轨波磨。综合轮轨接触黏滑与磨耗特征及轮轨系统振动特性分析结果，可以得出实测地铁小半径曲线浮置板轨道上的内轨波磨是由664.1 Hz和665.8 Hz对应的轮轨系统不稳定振型诱发的黏滑振动所致，且该不稳定振型均表现为内轮相对于轨道的弯曲振动。参数敏感性分析表明适当地增大扣件和钢弹簧的垂向刚度能够对波磨控制起到积极作用。

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19. 融合集成模型与深度学习的机床能耗识别与预测方法

谢阳, 戴逸群, 张超勇, 刘金锋

中国机械工程 2023, 34 (24): 2963-2974. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.24.008

摘要（272）

PDF（pc）（9506KB）（120）

针对能耗过程识别方法存在的多源影响、高质量特征提取与选择以及复杂性和非线性等问题，提出了一种融合集成模型与深度学习的机床能耗识别与预测方法。以数控铣削加工为例，建立基于不同切削时段的能耗模型，并通过小波变换进行信号预处理。利用预处理信号对融合随机森林(RF)与长短时记忆(LSTM)神经网络的模型(RF-LSTM模型)进行训练和能耗预测，同时利用RF识别切削阶段，实现能耗分类预测。通过实际案例来证明所提方法的有效性和优越性，利用RF-LSTM模型对比其他四种方案，验证了该识别方法能够精准预测机床不同运行状态以及能量消耗。

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20. 考虑加班的无拖期作业车间调度问题多目标金鹰优化算法研究

史双元, 熊禾根

中国机械工程 2023, 34 (17): 2077-2088. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.17.007

摘要（272）

PDF（pc）（5011KB）（169）

按期交货是面向订单型制造企业生产运作所追求的重要目标之一。当制造系统生产负荷较重时，加班作业是保证交货期最常采用的有效措施。为实现订单的无拖期交付和加班时间的合理优化使用，以面向订单型制造系统为背景，提出了一种考虑加班的多目标无拖期作业车间调度问题，建立了以最小化总加班时间和最大完工时间为目标的数学规划模型。为有效求解该问题，提出了一种多目标金鹰优化算法。在算法中设计了连续解空间映射至问题离散解空间的编码方法；提出了两阶段解码方案；融入了基于精英保留策略的非支配排序选择算子；引入了自适应子代个体生成策略。以23个作业车间调度问题基准算例为实验对象进行了对比实验，实验结果验证了所提出算法的有效性和优越性。

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21. 气口参数对环形串联直缸发动机缸内压力的影响

徐海军, 杨聪楠, 蔡彤, 高雪

中国机械工程 2023, 34 (17): 2017-2025,2047. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.17.001

摘要（272）

PDF（pc）（10689KB）（174）

针对新构型环形串联直缸发动机介绍了一种基于气道复用的动态位置配气系统。结合双转子气缸差速旋转特性，建立了动态位置配气结构的数学模型及环形串联直缸发动机工作过程的热力学模型，分析了配气系统不同结构参数（气口位置角、尺寸和形状）对环形串联直缸发动机缸内压力变化的影响。采用数值计算方法求解热力学方程组，结果表明，中央配气轴进排气口位置角对缸内压力变化的影响较大，而对气口尺寸的影响较小，旋转配气阀气口尺寸对缸内压力变化的影响较大，而对气口形状的影响较小。发动机高压气动实验结果表明，当中央配气轴进气口位置角为78°、排气口位置角为30°、进气口尺寸为10 mm、排气口尺寸为14 mm、旋转配气阀气道口直径为6 mm时，发动机能够处于正确配气状态并稳定工作。

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22. 基于力学超材料的柔性机械臂设计技术

程基彬, 戴宁, 郭培, 熊继源, 叶世伟, 程筱胜

中国机械工程 2023, 34 (16): 1900-1906. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.16.002

摘要（270）

PDF（pc）（7243KB）（180）

以力学超材料为基础结构的柔性机械臂可通过力学超材料的调配设计实现多重弯曲运动。为探究该类柔性机械臂的变形特性，在分析柔性机械臂结构及其驱动原理的基础上，通过分段常曲率假设建立胞元组变形的数学模型，同时根据柔性机械臂单元的弯曲特性进一步提出了单节柔性机械臂单元和多节柔性机械臂单元的变形预测模型，最后通过实物实验验证了变形预测模型的有效性，完成了超过±90°的弯曲并对末端周围的环境进行探查，可应用于复杂狭小空间的检视。

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23. 薄壁易碎圆柱内壁工件的内撑式机械手抓取接触-碰撞仿真与实验研究

王良文, 孔阳光, 王若澜, 张志刚, 刘旭玲, 李林峰,

中国机械工程 2023, 34 (17): 2026-2036. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.17.002

摘要（267）

PDF（pc）（12730KB）（187）

针对工业生产中抓取薄壁易碎件的作业需求，提出了一种具有指掌协同特征的内撑式机械手构型。为了寻找合适的机械手手指作业参数，探索抓取过程中接触-碰撞时应力的变化规律，采用HyperMesh、LS-PrePost等软件集成建模的方法建立了机械手指的有限元模型，对有限元模型施加相应的约束、载荷、接触类型后，计算得到了手指与易碎件接触碰撞过程中的应力、应变云图。仿真结果表明：随着手指冲击速度的增大，易碎件所受的应力呈线性增大。速度在0.5～2.5 mm/ms变化时，应力增大为原来的3～4倍；随易碎件壁厚的增大，易碎件所受的应力逐渐减小。而在较小壁厚阶段，应力变化明显，壁厚0.5～1.0 mm时的平均应力变化是壁厚1.0～2.5 mm时应力的6～7倍；在机械手抓取易碎件的碰撞瞬间施加不同的加速度时，随加速度的增大，接触应力也相应增大，加速度在1.0～2.5 mm/ms2时的平均应力变化是加速度0.5～1.0 mm/ms2时的8～9倍。根据已有的仿真结果，通过建立Kriging代理模型，计算得到的不同壁厚、抓取速度条件下接触应力大小的预测模型，为确定不同状态下的机械手抓取参数、设计和优化手指结构建立了基础。通过构建实验系统，对相关仿真结果进行了实验验证，证明了仿真结果的正确性。

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24. 行星轮齿轮箱太阳轮齿根裂纹传递特性分析

沈子钰, 张砦, 王友仁, 李泓锟

中国机械工程 2023, 34 (18): 2177-2185. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.18.004

摘要（265）

PDF（pc）（6748KB）（131）

采用集中参数模型，考虑啮合振动的内部激励，分别对齿轮箱内啮合和外啮合两种方式下的振动信号特征进行了分析。引入改进高斯窗的时变路径函数和考虑齿轮箱材料的时不变路径函数，改进行星轮齿轮箱箱体表面振动信号模型，分析太阳轮齿根在正常和裂纹情况下，不同传递路径对箱体表面振动信号调制现象的定量影响规律。仿真和实验对比分析表明：太阳轮齿根裂纹主要影响啮合频率倍频的边频带成分；该模型能够准确分析齿轮箱正常工况和太阳轮齿根裂纹情况下振动信号的频率、幅值和边频信息，可用于太阳轮齿根裂纹故障诊断。

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25. 无人帆船翼帆桅杆根部应力影响因素及其影响规律研究

牛温超, 孙朝阳, 盛忠起, 俞建成, 赵宝德, 赵文涛,

中国机械工程 2023, 34 (22): 2647-2658. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.22.001

摘要（264）

PDF（pc）（15151KB）（178）

为研究翼帆桅杆根部应力的影响因素及其影响规律，基于等效原理提出了桅杆根部应力的数值计算模型，并通过有限元计算验证了所提模型的准确性。基于所建模型推导发现，对桅杆根部应力造成影响的参数共包含4个外部参数（无人帆船横摇周期、横摇幅值、横摇角度、翼帆偏转角度）和3个翼帆本体参数(翼帆重心高度、翼帆质量、偏心距离)。基于所建模型分析了上述因素对桅杆根部应力的影响规律，发现应力值与横摇周期成递减的负二次幂函数关系，与横摇幅值、翼帆重心高度、偏心距离和翼帆质量成正比，应力值随偏转角度的变化曲线与正弦曲线相吻合，并且在一个横摇周期内应力值曲线呈现正弦波形。最后，针对应力集中于桅杆根部的情况，提出了一种设置加强筋以优化结构的方法，并通过有限元计算和转台晃动实验分析的方法进行了验证，发现所提方法可以有效减小翼帆桅杆工作过程中根部的应力值。

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26. 高强钢Q960E对接接头残余应力与焊接变形的数值模拟

骆文泽, 成慧梅, 刘红艳, 王义峰, 叶延洪, 邓德安

中国机械工程 2023, 34 (17): 2095-2105,2141. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.17.009

摘要（262）

PDF（pc）（10205KB）（155）

利用等强匹配焊丝和混合气体保护焊方法制备了Q960E低合金高强钢的多层多道对焊接头。采用实验法测量了焊接温度循环、焊接变形以及焊接残余应力，同时观察了焊接接头的微观组织，并测量了硬度分布。基于焊接接头的组织特征，以SYSWELD软件为平台，开发了考虑“热-组织-应力”多物理场耦合的热-弹-塑性有限元计算方法。重点考虑了热影响区的固态相变材料模型，采用JMAK方程描述加热阶段的奥氏体化过程，采用K-M关系模拟冷却阶段的马氏体相变过程，同时基于Leblond模型考虑了冷却过程中的相变诱导塑性。数值模拟结果与实验测量结果的对比表明，有限元模型得到的残余应力分布和焊接变形与实测数据吻合较好，同时数值模拟结果还证明了固态相变对Q960E钢对接接头热影响区的残余应力分布与大小均有显著的影响。

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27. 基于判别性特征提取和双重域对齐的轴承跨域故障诊断

董绍江, 周存芳, 陈里里, 徐向阳

中国机械工程 2023, 34 (15): 1856-1863. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.15.010

摘要（262）

PDF（pc）（4455KB）（273）

针对不同工况下采集的滚动轴承振动数据特征分布不一致且噪声成分难以去除的问题，提出一种基于判别性特征提取和双重域对齐的深度迁移学习故障诊断方法。首先，将带标签的振动信号和未带标签的振动信号通过固定长度的数据分割方法制作成数据集；其次，为了减少实际工况中噪声信号的干扰，采用通道注意力机制SENet（squeeze-and-excitation networks）及判别损失项来辅助特征提取器提取具有区分度的特征；再次，为了解决数据特征分布不一致的问题，采用最大均值差异来对齐源域和目标域的全局域分布，并采用条件对抗方法来对齐两域的子领域分布，实现双重域对齐。最后，在两个公开变工况滚动轴承故障数据集上进行试验验证，结果表明，所提方法平均识别准确率达到98%以上，并将其与不同诊断方法进行了对比分析，证明了所提方法的有效性与优越性。

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28. 双转台五轴机床旋转轴位置无关几何误差的辨识

梁小冰, 卢耀安, 王成勇,

中国机械工程 2023, 34 (21): 2585-2591. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.21.007

摘要（255）

PDF（pc）（5263KB）（183）

旋转轴的位置无关几何误差（PIGEs）是影响五轴机床加工精度的重要因素。以AC双转台五轴机床为研究对象，提出一种基于差分演化算法的旋转轴PIGEs辨识方法。首先，建立机床旋转轴PIGEs和球杆仪杆长变化的关系模型，使用已有的辨识方法获得机床旋转轴PIGEs初始解，然后定义优化目标函数，通过差分演化算法整体优化求解旋转轴PIGEs，提高旋转轴PIGEs辨识准确性。实验与仿真的结果表明提出的旋转轴PIGEs辨识方法可有效提高辨识准确性。

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29. 高压螺纹插装式溢流阀综合性能优化

陈俊翔, 孔祥东, 许克龙, 艾超,

中国机械工程 2023, 34 (24): 2909-2919,2926. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.24.002

摘要（255）

PDF（pc）（4914KB）（168）

针对影响高压螺纹插装式溢流阀不同性能间的结构参数存在耦合、难以进行综合性能优化的问题，提出一种多目标粒子群算法对其综合性能进行结构优化。基于高压螺纹插装式溢流阀的结构特征建立启闭特性、调压偏差和稳定性数学模型，基于一阶灵敏度分析结构参数对其动态响应的影响规律，根据结构与性能间映射关系，以开启率、调压偏差、稳定性、动态响应性性能提升为优化目标，以耦合结构参数为变量，建立综合性能优化模型，通过粒子群算法以Pareto集的形式得到耦合结构参数最优解。实验结果表明：优化后的高压螺纹插装式溢流阀压力振摆降低22.7%、开启率提高1.5%、压力流量梯度降低14.58%、阀前压力超调量降低14.1%、响应时间缩短9.52%。

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30. 基于元动作的数控机床可用性分析方法研究

李健, 慕宗燚, 杜彦斌, 黄广全, 冉琰

中国机械工程 2023, 34 (15): 1848-1855. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.15.009

摘要（253）

PDF（pc）（2548KB）（132）

为了准确分析数控机床可用性，结合元动作理论，提出了基于元动作的数控机床可用性分析方法。首先通过“功能-运动-动作”结构化分解方法对数控机床进行分解，得到元动作链和元动作，以元动作为最小分析单元，以组成单元零件的故障和维修数据为基础，建立单元稳态可用度模型；然后，结合马尔可夫过程建立元动作链的稳态可用度分析模型；最后，根据整机功能形成过程，建立了整机系统稳态可用度模型。以数控磨床的可用度分析为例，对所提方法进行了说明。

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31. 变构型飞行器柔性蒙皮形状光纤重构方法

王元锋, 祝连庆, 何彦霖, 周康鹏,

中国机械工程 2023, 34 (15): 1873-1880. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.15.012

摘要（250）

PDF（pc）（5104KB）（205）

变构型飞行器在飞行过程的大尺度变形监测是航空航天领域的研究难点和热点，现有方法难以实现飞行器飞行过程中的高精度三维变形监测。针对这一问题，提出一种基于光纤传感的变构型飞行器柔性蒙皮形状光纤重构方法，以实现飞行器飞行过程中的变形监测。基于光纤光栅应变传感原理，推导了光纤应变和曲率之间的关系，建立了光纤传感局部坐标系和全局坐标系之间的转换矩阵，实现了光纤测点坐标到全局坐标系的转换，根据空间曲线拟合方法研究了基于曲线拟合的三维变形重构算法。同时，为了减小光纤传感器的测量误差，对光纤传感器进行标定测试，获得了传感器的应变灵敏度。为了验证所提方法的有效性，对柔性蒙皮样件在不同曲率下的三维变形重构进行了实验测试。实验结果表明，柔性蒙皮样件在0～15.38 m-1曲率的变形范围内，形状重构方法的平均误差为3.5%，最小误差不足2.1%。所提方法在航空航天等领域具有较好的应用前景。

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32. 碳纤维复合材料制孔结构超声无损检测及评价

杨亮, 蔡桂喜, 刘芳, 李建奎

中国机械工程 2023, 34 (19): 2327-2332. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.19.007

摘要（249）

PDF（pc）（7348KB）（108）

为实现碳纤维复合材料制孔结构的无损检测与评价，基于超声波脉冲反射法原理，研制了便携式超声螺旋C扫描检测仪器，建立了制孔结构质量评价的数学模型。通过对人工试样和在役孔进行超声波检测试验，基于静矩原理确定了不规则超声C扫描图像形心，提取了图像中过形心的最长轴线，计算了最长轴线与孔的公称直径比值（RLN）以评价制孔质量。结果表明，该检测方法可大幅提高检测速度;分层缺陷测量值与实际值相当;检测结果与在役孔的实际形貌具有一致性;RLN因子可准确评价多种形式的分层缺陷。

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33. 叶片前后缘识别及百叶轮抛磨工艺研究

琚春, 刘佳, 杨胜强, 张晶晶, 赵旭辉,

中国机械工程 2023, 34 (22): 2674-2683，2692. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.22.004

摘要（248）

PDF（pc）（8099KB）（90）

针对叶片前后缘厚度小、曲率变化急剧的结构难点，利用最小二乘法对叶片截面前后缘和部分叶身处的离散点进行椭圆拟合，通过设置平均距离、最大距离和斜率差三个误差约束条件来确定前后缘与叶盆叶背临界点，精确识别叶片前后缘；选取适合抛磨前后缘的弹性抛磨工具百叶轮，简化百叶轮抛磨模型，从单颗磨粒抛磨出发，探究抛磨过程中百叶轮压缩量与抛磨力的关系，并基于Hertz接触理论和改进的等弦高误差法确定步长行距。最后通过机器人夹持叶片、百叶轮抛磨的方式进行横抛、纵抛实验。两种抛磨方式横抛后表面粗糙度均小于0.4 μm，轮廓度误差小于0.08 mm，均能满足叶片的尺寸精度和表面质量要求。

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34. 动态束源和电磁参数下高压电子枪聚焦特性

李胜波, 宋野, 邱宇帆, 符升平, SHUTIN Denis, 常家玮, 白凤民

中国机械工程 2023, 34 (15): 1789-1796. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.15.003

摘要（245）

PDF（pc）（5425KB）（131）

以国产ZD-VEBW系列高压电子枪为研究对象，通过理论分析电子枪轴上电位与束腰和束斑直径之间的映射关系以及带电粒子经过聚焦线圈时的运动轨迹，借助于CST仿真平台，构建了电子枪仿真模型。仿真得到了电子束束斑直径在不同静电聚焦结构参数下的变化规律，依据此规律设计了不同孔径的偏压杯、阳极，构建了电子束焊接试验平台；动态调整阴阳极距离和束源参数，进行了电子束焊接的单参数以及正交试验的研究。结果表明：阴阳极距离的增加会导致束斑直径增加，偏压杯孔径的增加会导致束斑直径的减小，阳极孔径对束斑直径的影响存在最优参数，聚焦电流的增加会导致束斑直径的减小；阴阳极距离取28.40 mm、偏压杯孔径取6.00 mm、阳极孔径取10.00 mm时，能够显著提高试验型号设备同功率下电子束焊缝的深宽比，有效提高国产化ZD-VEBW系列高压电子枪的焊接性能，验证了理论和仿真分析的正确性。

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35. 无传动间隙的3K行星齿轮减速器设计

王慰军, 杨桂林, 杜庆皓, 陈庆盈,

中国机械工程 2024, 35 (01): 36-44,55. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.01.003

摘要（242）

PDF（pc）（10399KB）（228）

3K行星齿轮减速器的啮合齿轮副存在齿侧间隙，使得传动链中引入了传动间隙，导致传动精度降低以及换向冲击。为消除3K行星齿轮减速器的传动间隙，利用3K行星齿轮传动中行星架不参与力矩传递的特性，提出了一种柔性行星架以消除传动间隙，并通过仿真分析验证了所提消隙机构的有效性。通过配齿及效率优化实现了高效的正向和反向传动。研制样机并进行了传动精度、滞回特性、正弦响应误差、正向传动效率、反向传动效率以及反向启动扭矩测试，结果验证了所提柔性行星架对消除3K行星齿轮减速器传动间隙、提高传动精度和传动效率以及提高反向传动性能的有效性。

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36. 基于梯度提升决策树的冷轧高强钢卷力学性能预测

王伟, 马乾伦, 白振华, 王子昂

中国机械工程 2023, 34 (18): 2222-2229. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.18.009

摘要（241）

PDF（pc）（4675KB）（108）

基于1180 MPa级超高强度冷轧双相(DP)钢卷生产数据，研究了基于主成分分析的化学主成分提取方法、网格搜索和交叉验证相结合的超参数寻优方法，建立了DP钢力学性能梯度提升决策树(GBDT)预测模型，并将预测结果与BP神经网络模型和广义可加模型的预测结果进行了比较。为了提高断后伸长率预测精度，以预测精度较高的GBDT预测模型为基础，通过模型预测误差分类模型和考虑误差补偿的模型预测修正方法，建立了考虑误差补偿的断后伸长率预测校正模型，该模型使断后伸长率在绝对误差±0.9%下的预测准确率达到了94.63%。DP钢性能预测模型在线运行时的实际预测精度较高，达到生产要求，有助于力学性能在线质量监控。

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37. 共享制造下基于数据迁移的滚齿加工碳耗预测方法

易茜, 罗雨松, 胡春晖, 卓俊康, 李聪波, 易树平

中国机械工程 2023, 34 (15): 1820-1831. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.15.007

摘要（240）

PDF（pc）（5413KB）（173）

针对一般制造企业生产智能化程度不高、单个企业难以收集足够加工数据的问题，提出了一种共享制造下企业间数据迁移的滚齿加工碳耗预测方法。分析滚齿加工数据特征，在共享制造环境下提出用改进TrAdaBoost算法的数据迁移方法融合企业间的滚齿加工碳耗数据，形成跨企业联合数据集；利用蜻蜓算法优化支持向量回归，构造了跨企业滚齿加工碳耗预测模型。通过案例分析验证了所提方法的有效性，其预测性能在数据量少、数据关联性差的情况下具有优势，平均相对误差和决定系数分别比传统算法平均提高59.23%和16.56%。

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38. 多孔式合成射流压电风扇仿真分析与试验

王建涛, 高铭泽, 祝健, 王启智, 李昊

中国机械工程 2023, 34 (16): 1929-1935. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.16.006

摘要（240）

PDF（pc）（5736KB）（143）

为了提高压电气体驱动器的气体驱动能力，设计了一种利用压电换能器激励空气质点振荡并形成气体射流的多孔压电风扇，并从仿真与试验两个方面对多孔压电风扇的工作特性进行了研究。通过FLUENT流场仿真分析得到了不同射流孔布置密度下多孔压电风扇的气体驱动规律，采用多个射流孔可以提高压电换能器的能量利用效率和改善多孔压电风扇的气体驱动性能。设计制作了样机并进行试验测试。试验结果表明，将射流孔布置在中心时单孔压电风扇的气体驱动性能最佳；采用多个射流孔可以提高压电换能器的能量利用效率，且存在最佳的射流孔布置密度；当驱动电压Vpp为90 V时，试验测得89孔多孔压电风扇驱动气体流速达到4.7 m/s。

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39. 动态宽卷积残差网络的轴承故障诊断方法

秦国浩, 张楷, 丁昆, 黄锋飞, 郑庆, 丁国富,

中国机械工程 2023, 34 (18): 2212-2221. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.18.008

摘要（238）

PDF（pc）（9258KB）（74）

卷积神经网络特征提取范围受其卷积核感受野大小的制约，单一尺度的卷积核难以充分捕捉不同冲击的频率成分。针对上述原因导致轴承故障诊断准确率难以进一步提高的问题，提出一种动态宽卷积残差网络轴承故障诊断方法。该方法在一维深度残差网络框架基础上引入宽残差核结构，构建轴承故障特征的双通道并行网络结构；然后通过网络注意力机制对卷积核进行动态加权，自适应地充分提取不同尺度特征信息，实现轴承故障的有效识别。验证实验结果表明，所提出的方法在不同噪声水平的轴承故障诊断任务中均能达到98%以上的准确率，网络动态尺度加权机制改进能有效提高轴承故障诊断效果，尤其在强背景噪声下仍能保持高精度故障诊断。

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40. 非随机载荷不确定的机车侧墙过滤系统两相流可靠性分析

屈小章, 张加贝, 翟方志

中国机械工程 2023, 34 (15): 1881-1889. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.15.013

摘要（237）

PDF（pc）（5262KB）（152）

针对机车侧墙过滤系统制造安装和运行环境变化的可靠性问题，考虑到载荷参数认知不确定性建模困难，结合制造安装随机性，提出了一种含区间非随机载荷不确定的机车侧墙过滤系统两相流可靠性分析方法。首先，通过实验对比，建立了机车侧墙过滤系统两相流的CFD模型。其次，采用概率和区间混合不确定性模型及其相应的有效可靠性分析方法，对机车侧墙过滤系统的两相流动力学问题进行可靠性分析。对样本充足的结构参数和样本不足的载荷参数分别用概率和区间法进行度量，因样本不足而造成的认知不确定性建模困难可以快速得到解决，扩展了区间混合不确定性的可靠性分析技术在两相流动力学问题研究中的适用性。通过对电力机车侧墙过滤系统两相流问题的阻力和过滤效率等载荷可靠性问题的研究，合理提高了关键参数的不确定性水平，既可兼顾成本又可提高过滤系统的可靠性，满足电力机车运行复杂环境高可靠性应用的要求，为工程应用提供参考。

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