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1. 机器组成概念从近代到现代的演变

张策, 杨廷力, 刘建琴

中国机械工程 2023, 34 (10): 1135-1139. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.10.001

摘要（427）

PDF （2405KB）（428）

随着生产力的发展，机器在发展，“机器组成”的概念也在演变。现代社会对机器的要求逐步提高，而复杂的机器来源于对传统机器的改造，了解机器的演变是对传统机器进行改造的必要过程。马克思在《资本论》中描述了机器的组成，当时适逢第二次工业革命开始，但其后不过数年，控制系统就加入到机器中，马克思的“机器组成说” 开始被突破；20世纪下半叶，在第三次科技革命中，机电一体化概念出现，电子技术、控制技术和传感器技术等被融入到机械系统中。通过机械的发展历史说明了机器组成概念的演变过程，并提出了更准确的现代机械系统的定义，从而给人以启发，增加对机器本身的了解，对现代机械产品设计者具有指导意义。

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2. 高锁螺母收口、装配及松动过程有限元分析

张京东, 邓博, 桂学文, 李健, 廖日东

中国机械工程 2023, 34 (12): 1387-1394，1406. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.12.001

摘要（370）

PDF （12625KB）（271）

针对UNJ螺纹高锁螺母开展了有限元建模方法研究，编写了可生成结构化网格的建模程序，并建立了精细的有限元网格模型。对高锁螺母的收口过程、装配过程及受到横向载荷下的松动行为进行了有限元仿真，并通过拧紧试验对仿真得到的锁紧力矩值进行了验证。仿真结果表明：在一定收口量范围内，高锁螺母的最大径向位移量以及锁紧力矩均与收口量近似满足线性关系，且随着收口量的增大，最大径向位移量与锁紧力矩均增大；高锁螺母的锁紧力矩越大对应防松性能越好，然而收口量对防松性能存在最优值，当收口量超过最优值后，继续增大收口量对防松性能的提升效果并不显著。

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3. 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（329）

PDF （5241KB）（318）

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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4. 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（329）

PDF （50387KB）（472）

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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5. 摆线针轮多齿啮合特性与承载接触分析方法

王永强, 魏冰阳, 徐家科, 杨建军

中国机械工程 2023, 34 (10): 1151-1158. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.10.003

摘要（322）

PDF （4467KB）（252）

采用包络法推导了摆线轮齿廓方程并进行了齿面接触分析，获得了齿面接触参数；提出侧隙几何学分析的精确算法，解决了传统侧隙算法只能针对等移距修形的缺陷；采用逐齿消隙法求解变形协调方程，避免了常规啮合分析的误差与不确定性，提高了承载接触分析的计算精度和计算效率。给出了齿面接触分析到承载接触分析的完整计算流程，获得了任意转角位置、不同修形方式的精确载荷参数。

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6. 分子动力学模拟纳米颗粒添加剂对边界润滑的影响

潘伶, 林国斌, 韩雨晴, 余辉

中国机械工程 2023, 34 (10): 1140-1156. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.10.002

摘要（307）

PDF （12614KB）（178）

通过试验和模拟的方法研究了不同压力条件下纳米铜颗粒添加剂在正十六烷基础油中的边界润滑行为。建立具有正弦曲面粗糙峰的边界润滑模型，采用分子动力学分别模拟了在25，50，100，200 MPa 4种压力下，含纳米铜颗粒与不含纳米铜颗粒时润滑油沿膜厚方向的密度分布。在润滑体系的上下固体壁面施加方向相反的剪切速度，计算出壁面原子与铜颗粒原子的应力、固液界面摩擦力、正压力和摩擦因数。采用微纳米划痕仪测量了含铜颗粒润滑剂的摩擦因数。结果表明：不同压力下两种润滑体系中的十六烷基础油均出现分层现象；纳米粗糙峰直接接触时，接触界面仍存在少量的正十六烷分子，且分子主链的排列方向与剪切方向相同；在200 MPa时铜颗粒使固体壁面的最大应力减小35.3%，提高了润滑体系的承载能力；不含铜颗粒润滑体系润滑油膜在50 MPa时破裂，含铜颗粒润滑体系润滑油膜在200 MPa时破裂；模拟计算的边界润滑状态下两种润滑体系的摩擦因数符合试验测量值。

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7. 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（296）

PDF （36447KB）（223）

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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8. 高精度微球半径测量模型及圆度评定方法比较

李瑞君, 段刘辉, 赵文楷, 程真英, 范光照

中国机械工程 2023, 34 (10): 1159-1163,1171. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.10.004

摘要（287）

PDF （3444KB）（151）

提出了一种基于回转轴法和两点法原理的高精度微球半径测量模型，实现了基于半径变化量的微球圆度评定。建立了可以分离主轴跳动误差和计算各测量点对应半径的模型。利用团队开发的基于高精度气浮转台和两个迈克尔逊干涉仪的微球圆度测量系统，对标称直径为300 μm、圆度为250 nm的红宝石球的赤道圆截面进行了扫描测量。将采用所建模型测得的微球半径与采用直径算得的半径进行对比，并通过最小区域法对所测微球圆度进行评定，结果表明：所建模型与传统直径评定方法得到的微球圆度分别为280 nm和403 nm，标准差分别为2 nm和23 nm，所建微球半径测量模型准确可靠，利用所建模型和最小区域法评定出的微球圆度更加准确可靠。所建模型可以方便准确地获得被测微球的半径，可应用于微球圆度准确评定。

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9. 碳纤维增强碳/碳坩埚预制体柔性缠绕成形系统设计与实验研究

王征, 董九志, 陈云军, 蒋秀明,

中国机械工程 2023, 34 (10): 1184-1190,1198. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.10.007

摘要（281）

PDF （5668KB）（316）

为解决目前手工增强缠绕碳/碳坩埚预制体无法保证产品一致性及生产效率低下的问题，设计了一种碳纤维增强坩埚预制体柔性缠绕成形系统。基于非测地线法提出了适用于一端平面封头一端椭球封头特殊回转体结构坩埚芯模的线型设计流程，介绍了计算机辅助线型设计的各个模块及实现方法，并对设计线型进行了仿真；根据缠绕特性设计了四自由度专用缠绕机运动机构，基于可编程控制器和触摸屏设计了四自由度缠绕机控制系统，并进行了碳纤维增强缠绕实验。实验结果表明：缠绕机运行稳定，纤维可连续稳定地缠绕在芯模表面，所设计的系统可实现碳纤维增强碳/碳坩埚预制体的自动化缠绕。

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10. 轮腿式可变形车轮设计及整车控制研究

耿雪晴, 吴孟武, 华林,

中国机械工程 2023, 34 (12): 1446-1452. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.12.007

摘要（273）

PDF （6422KB）（258）

针对当前复杂地形与路况对整车机动性及越障能力的需求，设计了一种轮腿式可变形车轮结构，该车轮结构可在不同地形与路况下进行轮式与腿式的状态转换。介绍了可变形车轮的设计原理并对结构参数进行了计算与优化，分析得到了轮腿式可变形车轮最大变径比。设计了一套简单有效的轮腿式可变形车轮智能变形控制系统，并据此开展整车布局设计，分析整车运动过程。制作并搭建了样车平台，通过实验测试了整车的机动性与越障能力。结果表明该变形车轮可在轮式与腿式状态下快速智能转换，使得整车系统可同时在结构化与非结构化路面稳定行驶，具有较高的机动性与越障能力。

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11. 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（264）

PDF （8485KB）（196）

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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12. 重载工况下行星齿轮传动啮合偏载分析

谭建军, 李浩, 杨书益, 朱才朝, 宋朝省, 孙章栋

中国机械工程 2023, 34 (13): 1513-1524. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.13.001

摘要（261）

PDF （24327KB）（253）

为了深入研究重载行星齿轮传动多柔体变形下齿面载荷分布规律，提出一种计入结构柔性与齿轮副动态接触的行星齿轮传动耦合动力学建模方法。以某型兆瓦级风电齿轮箱行星轮系为研究对象，根据内齿圈、行星架结构及其边界特征，采用有限元缩聚理论建立内齿圈轮齿、行星架耦合点与弹性支撑之间的关联关系，利用齿轮副动态承载接触作为界面协调条件将各构件进行耦合，建立行星齿轮传动耦合动力学模型，分析了啮合偏载现象以及结构参数对啮合特性的影响。研究结果表明，作用在行星轮上的合弯矩以及行星架销轴非对称结构变形是造成啮合偏载的主要原因，系统共振会加剧啮合偏载程度；在共振区附近，齿轮动态啮合刚度与静态啮合刚度存在较大差异；增加销轴刚性、增大螺旋角可以改善啮合偏载程度，减小共振区系统振动，但在低转速区不利于系统减振，而增大行星架连接板刚性可以保持低转速区系统振动状态，同时减小共振区系统振动。

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13. 机翼蒙皮铺层顺序和材料布局协同优化

彭翔, 江浩浩, 郭玉良, 李吉泉, 易兵, 姜少飞,

中国机械工程 2023, 34 (12): 1415-1424,1435. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.12.004

摘要（261）

PDF （11856KB）（85）

为了实现机翼蒙皮的轻量化和减振设计，将混杂复合材料引入到机翼蒙皮中，提出了机翼蒙皮铺层顺序和材料布局协同优化设计方法。将机翼蒙皮的铺层顺序和材料布局作为优化设计变量，建立了以成本为约束，蒙皮质量和位移最小化、频率最大化为目标的协同优化模型，利用搭建的通用化机翼蒙皮优化设计框架，使用非支配排序遗传算法-Ⅱ（NSGA-Ⅱ）实现了蒙皮内部结构的优化设计。与铝合金机翼蒙皮、初始结构方案蒙皮的性能对比表明，协同优化后的机翼蒙皮结构在不增加成本的条件下，综合性能显著提高，验证了方法的有效性。

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14. 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（259）

PDF （7794KB）（214）

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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15. 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（257）

PDF （13452KB）（177）

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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16. 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（252）

PDF （19224KB）（181）

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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17. 电火花机械磨削修整粗粒度成形砂轮试验研究

袁尚勇, 陈根余, 戴隆州, 鲁恩昊

中国机械工程 2023, 34 (10): 1164-1171. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.10.005

摘要（250）

PDF （12429KB）（81）

粗粒度金属基金刚石砂轮磨削效率高，面形精度保持性好，可以满足各种成形零件的精密加工，但存在因修整困难而难以推广的问题。针对该问题，提出采用电火花机械磨削法修整粗粒度金刚石砂轮。探究了放电参数对修整效率及刀具损耗量的影响规律，并以修整效率为优化目标选取粗修整试验放电参数，以修整精度为优化目标选取精修整试验放电参数。设计了半径为3 mm的凹圆弧、凸圆弧砂轮修整试验，粗修整后凹圆弧、凸圆弧半径分别为2867.510 μm、2919.254 μm，尺寸误差分别为4.43%、2.69%，轮廓精度PV值为54.34 μm；精修整后凹圆弧、凸圆弧半径分别为3005.107 μm、3001.588 μm，尺寸误差分别为0.17%、0.053%，轮廓精度PV值为17.28 μm。最后，磨削碳化硅陶瓷试件，获得凹圆弧、凸圆弧半径的尺寸误差分别为0.24%、0.045%，工件表面粗糙度Ra可达0.463 μm。

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18. 激光辅助水射流微铣削单晶β-Ga2O3衬底的实验研究

田龙, 黄传真, 刘盾, 姚鹏, 刘含莲, 刘雪飞

中国机械工程 2023, 34 (13): 1559-1567. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.13.005

摘要（249）

PDF （7739KB）（178）

氧化镓（β-Ga2O3）是一种新型高性能半导体材料，由于其易解理、高脆性、导热性差和各向异性等特点，在传统的精密加工和激光加工过程中易产生微裂纹，这极大地制约了氧化镓单晶的应用。激光辅助水射流加工集成了激光加工效率高、精度高以及水射流加工不产生热损伤的优势，能实现硬脆材料的近无热损伤加工，在半导体晶圆加工领域具有良好的应用前景。对激光辅助水射流微铣削单晶β-Ga2O3衬底进行了全因素实验研究，结果表明，工艺参数对微槽深度和微槽底部表面粗糙度具有显著影响，通过工艺参数优化，激光辅助水射流加工能获得低表面损伤、底部平整且表面粗糙度低（Ra<1 μm）的微槽。

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19. 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（249）

PDF （4607KB）（202）

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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20. 基于电机运行状态的电静压伺服机构内泄漏检测方法

贺青川, 刘慧, 潘骏, 陈文华

中国机械工程 2023, 34 (12): 1407-1414. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.12.003

摘要（242）

PDF （6937KB）（166）

针对电静压伺服机构存在的内泄漏难以直接观测且缺乏有效间接检测方法的问题，利用电机运行状态变化与闭式循环液压系统内泄漏之间的关联关系，提出了一种基于电机电流、转速数据的电静压伺服机构内泄漏检测方法。为从运行状态数据中精准提取微弱故障特征，基于深度学习建立了一种能够定向提取数据特征的卷积神经网络算法。经故障植入实验验证，所提方法的内泄漏检测的准确率高达98.7%，从而为解决电静压伺服机构内泄漏检测难题提供了有效方法。

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21. 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（241）

PDF （3896KB）（265）

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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22. 激光辅助水射流加工砷化镓晶片微槽的实验研究

段凌云, 黄传真, 刘盾, 姚鹏, 刘含莲

中国机械工程 2023, 34 (10): 1172-1183. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.10.006

摘要（237）

PDF （12064KB）（120）

对干激光、低压水射流辅助激光和激光辅助水射流技术加工砷化镓晶片微槽进行了对比实验，结果表明，激光辅助水射流技术适合加工砷化镓材料，它能够加工出晶片表面无污染、大深度、小热影响区宽度、大深宽比的高质量微槽，加工表面微观形貌均匀、微裂纹少，优于其他两种加工方式。实验研究了激光辅助水射流加工砷化镓晶片微槽的切割性能，结果表明，加工参数（激光脉冲能量、水射流压力、加工速度、水射流倾斜角度、焦平面位置和加工次数）对微槽深度、微槽宽度和材料去除率具有显著影响。微槽深度、微槽宽度和材料去除率随着激光脉冲能量的增大而增大，随着水射流压力的增大而减小，材料去除率随着加工速度的增大而显著增大。

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23. 接触式机械密封外圆周织构强化换热机理研究

余旻丰, 彭旭东, 孟祥铠, 梁杨杨

中国机械工程 2023, 34 (11): 1268-1279. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.11.002

摘要（237）

PDF （11367KB）（146）

冲洗是强化机械密封换热的主要措施之一，但在一些特殊场合下冲洗量的大小往往是给定的，因此，需要采取一些强制换热措施来改善机械密封的运行环境。通过在密封环的外周面开设织构，针对冲洗量一定的情况，基于SST k-ω湍流模型，采用Ω方法分析了不同转速下织构深径比对端面温度、外周面局部努塞尔数Nu和织构区域流场的影响，对比研究了动环织构和静环织构的换热机理。研究结果表明：在相同工况、冲洗量和织构几何参数条件下，若动静环外周面单独开设织构，则动环的换热效果更佳。在相同转速下，动环外周面开设织构时，减小深径比会使织构内部换热效果差的区域增大，换热效果减弱，但对于静环织构，减小深径比会使织构流体流动下游侧换热效果差的区域减小，换热效果增强；随着转速的增大，较小深径比动环织构内部出现了新的差换热效果区域，单位面积换热强度显著下降。因此，为获取较优的换热效果，在低转速下宜选取小深径比织构，而在高转速下应选取大深径比织构。

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24. 二维活塞/缸体副微间隙流场的剪切空化实验研究

丁川, 章立超, 夏宁, 陈豪奇, 阮健, 孟彬,

中国机械工程 2023, 34 (12): 1395-1406. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.12.002

摘要（232）

PDF （19471KB）（80）

二维液压元件能充分利用二维活塞的面密封以及周向旋转配流等特点以获得更好的工作性能，但面临二维活塞与缸体配合微间隙中油液强剪切可能诱发空化的问题。为探究该处微间隙内油液的一维运动工况，利用自制的外筒旋转同心圆筒装置开展纯剪切流动实验研究，分别就不同转速、流场压力、油液上方空气占比、内筒外壁面配流槽结构以及微间隙厚度进行可视化研究。实验结果表明：流场压力与发生剪切空化的临界剪切应力成线性增大关系，压力越大油液空化所需剪切应力越大；若油液上方空间内留有空气，则上方空气含量越高对剪切空化的抑制作用越强；而二维活塞的配流槽结构一方面会减小油液的剪切扭矩，另一方面会改变纯剪切流场，从而抑制剪切空化的发生；微间隙厚度的减小将使发生剪切空化的临界剪切应力减小，从而降低剪切空化发生的难度。

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25. 基于NURBS曲线的超高速电梯导流罩多目标气动优化设计

陈西忍, 叶文华, 张朝宏, 崔坤坤, 冷晟, 叶柳康

中国机械工程 2023, 34 (12): 1436-1445,1464. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.12.006

摘要（231）

PDF （10776KB）（74）

随着电梯梯速的提高，轿厢受到的气动阻力和升力越来越大，这不仅制约着梯速的进一步提高，也成为影响电梯舒适性和安全性的关键因素。为优化电梯的气动性能，利用NURBS曲线构建了包括导流罩、轿厢、对重和井道的电梯系统参数化模型。以气动阻力系数Cd和气动升力系数Cl为优化目标，利用敏感性分析筛选出对优化目标影响最大的4个关键设计参数。通过网格独立性检验选取合适的仿真计算网格，为缩短计算时间，结合最优空间填充设计的样本点建立Kriging模型对导流罩进行多目标优化，得到一系列Pareto解，并对优化前后导流罩的气动性能进行了对比分析。结果表明，降低导流罩侧面和后部凸凹度，增大导流罩总高和后部高，可以改善电梯系统的气动性能,优化后导流罩的Cd减小26.67%，Cl减小34.27%，并且在不同梯速下具有较好的适用性。

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26. 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（231）

PDF （10689KB）（160）

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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27. 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（224）

PDF （5794KB）（129）

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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28. 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（224）

PDF （10660KB）（209）

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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29. 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（223）

PDF （12730KB）（180）

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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30. 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（222）

PDF （15151KB）（166）

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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31. 高减比准双曲面齿轮摩擦功耗分析与效率试验

魏冰阳, 古德万, 王永强, 杨建军,

中国机械工程 2023, 34 (13): 1525-1532. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.13.002

摘要（222）

PDF （10205KB）（131）

针对高减比准双曲面（HRH）齿轮拓扑曲面复杂的问题，利用对偶等切共轭的方法，构建了HRH齿轮齿面模型与ease-off曲面，解析得到齿面接触点曲率参数、卷吸速度、滑滚比等运动学参数。利用接触线微分单元法建立轮齿刚度、载荷与变形协调方程，进行承载接触分析（LTCA）计算，获得了齿面载荷与接触应力分布规律；结合弹流润滑（EHL）摩擦因数经验公式，解决了瞬时接触区畸变、EHL参数计算问题。分析了齿面上油膜厚度、摩擦因数、摩擦功耗的分布规律。通过传动效率试验验证了所给出的LTCA、摩擦功耗分析与啮合效率计算模型。

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32. 采用曲面综合法的复杂齿面微分修形与拓扑结构设计

魏冰阳, 古德万, 曹雪梅, 杨建军,

中国机械工程 2023, 34 (11): 1261-1267，1279. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.11.001

摘要（222）

PDF （9702KB）（124）

针对高减比准双曲面(HRH)齿轮空间曲面极端扭转、曲率修正难度大的问题，提出了刀具双向修形点接触齿面修正方法。利用ease-off曲面综合法、齿面微分修形、拓扑结构精益化设计，实现了点接触齿面啮合质量的精确控制。建立了曲面综合法齿面微分精益化设计计算流程，给出了轻修形、内对角重修形、内对角轻修形三种拓扑结构设计形式；利用齿面承载接触分析（LTCA）方法，对比了上述三种形式的齿面啮合刚度、传动误差及载荷分布特性，其中内对角轻修形方式的接触性能最好。进行了HRH齿轮动态啮合性能试验，齿面接触斑点检验了点接触齿面ease-off梯度特征。研究结果表明，实测振动特性变化规律与啮合刚度、承载传动误差（LTE）理论仿真分析一致。齿轮在较宽转速与载荷范围运转平稳，验证了所设计HRH齿轮的齿形关系正确，微分精益化修形控制良好。

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33. 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（221）

PDF （12897KB）（143）

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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34. 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（220）

PDF （6748KB）（104）

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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35. 纵向超声辅助螺旋磨削Ti3Al微孔的磨削力模型研究

高国富, 王得宇, 潘贤荣, 乔淮, 浮宗霞, 向道辉, 赵波

中国机械工程 2023, 34 (11): 1280-1286. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.11.003

摘要（216）

PDF （4319KB）（75）

为建立超声辅助螺旋磨孔过程中磨削力的预测模型，充分发挥磨削力在Ti3Al微孔磨削工艺参数优化中的指导作用，基于切屑断面面积理论，分析了超声振动下切削变形力和摩擦力的变化，建立了超声螺旋磨孔的磨削力模型。搭建超声辅助螺旋磨削Ti3Al微孔实验平台，采集磨削力数据并与所建模型进行验证。研究结果表明，磨削力随着主轴自转速度的增大而减小，并随着进给速度的增大而增大；当超声振幅由0增大至1.6 μm时，平面磨削力和轴向磨削力分别减小了27.2%和28%。超声螺旋磨孔磨削力模型的预测结果与实验数据显示出良好的一致性，数值误差保持在20%以内，为超声辅助螺旋磨削Ti3Al微孔的工艺参数优化提供了理论依据。

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36. 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（215）

PDF （7243KB）（151）

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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37. 磁气负载比对箔片磁力混合轴承支承特性及转子动力学特性的影响

雷新沛, 冯利博, 张航, 冯凯

中国机械工程 2023, 34 (11): 1287-1295,1305. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.11.004

摘要（209）

PDF （13089KB）（125）

箔片磁力混合轴承是一种能降低箔片轴承起飞前的摩擦损耗且可改善磁轴承高速时的承载和动力学性能的新型高性能主动控制型轴承。提出了一种箔片磁力混合轴承的设计方法，设计并搭建箔片磁力混合轴承支承特性实验台和箔片磁力混合轴承转子实验台，实验探究了磁气负载比（即气体箔片轴承和主动磁轴承之间的载荷分配比）对箔片磁力混合轴承支承特性和转子动力学特性的影响。实验结果表明：箔片磁力混合轴承比箔片轴承的总体静态刚度和刚度变化率有所提高。箔片磁力混合轴承结构刚度随频率的提高而增大，等效黏性阻尼随频率的提高呈现先降后增的趋势。此外，合适的负载比可以降低起飞转速，改善摩擦损耗，抑制次频振，有利于提高转子的高速稳定性。

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38. 兼顾时频域特征量提取的非线性油气悬架参数识别

伍建伟, 孙蓓蓓, 江秋博, 陈林

中国机械工程 2023, 34 (11): 1296-1305. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.11.005

摘要（208）

PDF （3886KB）（109）

针对完全基于时域或完全基于频域的非线性参数识别方法的局限性，提出了一种兼顾时频域特征量提取的非线性油气悬架参数识别方法。在建立含非线性油气悬架车辆动力学仿真模型的基础上，采用快速傅里叶逆变换法获得标准路面不平度等级的输入激励，结合小波分析和滤波处理提取实验结果的时频域特征量，构建非线性油气悬架参数识别的优化模型，通过最小化仿真结果与实验结果在时频域的特征量，实现了非线性油气悬架参数在实际工况下的准确识别。识别的定量与定性分析表明了识别结果的准确可靠。通过将路面时域建模技术、小波滤波技术和优化模型构造方法与模拟退火算法的有机结合，为非线性悬架系统的参数识别提供了一种有效可靠的方法。

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39. 约束支链或无约束支链对并联机构运动学与刚度性能的影响——以两个部分运动解耦的新型三平移并联机构的设计、分析及其优选为例

沈惠平, 李霞, 李菊, 李涛, 孟庆梅, 吴广磊

中国机械工程 2023, 34 (13): 1533-1549. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.13.003

摘要（204）

PDF （15664KB）（94）

设计了两个零耦合度且部分运动解耦的两支链新型三平移并联机构，它们含有的相同支链Ⅰ为混合支链，而支链Ⅱ分别为约束支链和无约束支链。分析了两个机构的主要拓扑特性，并给出其拓扑解析式；对两个机构的位置正反解、奇异性、动平台的速度与加速度以及工作空间依次求解；进行了刚度计算与分析。最后，比较分析两个机构的运动学与刚度性能，结果表明含约束支链的机构1具有工作空间较大、刚度性能好等优势，为优选机型；给出了机构1用于工件物料在货车与堆场或仓库之间的分拣及转送应用场景的概念设计。

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40. 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（203）

PDF （5425KB）（118）

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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