中国机械工程

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1. 流-热-力耦合的高性能结构拓扑优化设计方法

李荣启, 闫涛, 何智成, 米栋, 姜潮, 郑静

中国机械工程 2024, 35 (03): 487-497. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.03.011

摘要（1372）

PDF（pc）（5000KB）（849）

拓扑优化和增材制造技术的快速发展为高性能复杂装备提供了高效的产品设计和制造方法。目前高性能结构拓扑优化只考虑热力耦合或者流热耦合的设计，且大多局限于简单结构，未考虑流热力三场共同作用下的设计，限制了结构性能的提升。针对流热力多物理场工况下的高性能复杂结构设计这一挑战，提出了一种流热力耦合拓扑优化方法，以提高复杂结构的承温能力。首先引入流场、温度场和结构位移场的控制方程，对计算域的流固材料进行统一表征；然后以最小化平均温度为目标，以流动能量耗散和结构柔度为约束，建立了流热力耦合的拓扑优化模型，并结合变分法和拉格朗日函数开展了设计变量的灵敏度分析；最后将所建立的拓扑优化模型应用于涡轮的结构设计，得到了散热性能良好、流道分布合理的可增材制造结构。

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2. 含Ni量、渗氮层深度及喷丸强化对42CrMo齿轮弯曲疲劳性能影响研究

武忠睿, 陈地发, 吴吉展, 杨玉典, 刘怀举

中国机械工程 2024, 35 (03): 394-404. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.03.002

摘要（712）

PDF（pc）（9652KB）（766）

针对不同含Ni量、渗氮层深度和喷丸强化组合的42CrMo齿轮开展弯曲疲劳试验，探究了不同工艺组合的齿轮弯曲疲劳极限提升效果，为齿轮抗疲劳制造提供工艺指导。基于随机森林算法分析了不同工艺组合齿轮的表面硬度、渗氮层深度、表面残余应力和含Ni量对弯曲疲劳极限的贡献度，采用多元回归建立了考虑表面硬度、渗氮层深度、表面残余应力和含Ni量的齿轮弯曲疲劳极限预测公式。预测值与试验值相比，最大误差可以控制在7.80%以内，为工程应用中快速、低成本评估齿轮弯曲疲劳极限提供了理论依据。

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3. 基于改进量子粒子群优化算法的机器人逆运动学求解#br#

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陈卓凡, 周坤, 秦菲菲, 王斌锐

中国机械工程 2024, 35 (02): 293-304. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.02.014

摘要（941）

PDF（pc）（9273KB）（557）

针对工业机器人在逆运动学求解过程中存在的位姿奇异、解不唯一、求解精度低等问题，提出了一种改进量子粒子群算法。首先，利用D-H参数法建立机器人运动学模型，以机械臂末端最小位姿误差为主要优化目标，加入运动前后关节角变化最小、行程平稳连续的约束条件，设计了目标函数；其次，通过采用Levy飞行策略改进粒子更新方式、非线性地动态调整收缩膨胀因子、采用变权重方法计算最优平均位置等方法设计了一种改进量子粒子群优化(IQPSO)算法；然后，模拟单点位姿和连续轨迹两种不同的求解情况进行三种算法（IQPSO、APSO、QPSO）的仿真对比实验，结果表明IQPSO算法具有收敛速度快、求解精度高等优点；最后，将IQPSO算法用于机械臂本体进行实物验证，实验结果表明IQPSO算法求解出的插值点所组成的轨迹连续且平滑，进一步证明了该算法应用于实际运动控制中的稳定性和可行性。

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4. 外圆磨削18CrNiMo7-6力模型及表面完整性研究

王栋, 陈磊, 张志鹏

中国机械工程 2024, 35 (03): 381-393. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.03.001

摘要（736）

PDF（pc）（8185KB）（532）

为了准确和有效地控制磨削参数对磨削力及表面完整性的影响，通过解析法，以磨粒与材料间的塑性变形、压痕理论以及剪切应变效应为理论依据，建立了三阶段的磨削力理论模型。选定棕刚玉砂轮进行磨削试验，探究了磨削参数对磨削力的影响以及磨削参数和磨削力对表面完整性的影响，通过外圆横向磨削正交试验获得了外圆磨削最优工艺参数。结果表明，外圆磨削力模型法向磨削力和切向磨削力的预测平均误差分别为5.56%和7.08%；砂轮径向进给速度fr对磨削力的影响最大，磨削宽度b次之，工件转速nw和砂轮粒度的影响较小；fr和b对残余应力的影响较大，砂轮粒度对表面粗糙度的影响最大；随着磨削力的增大，表面粗糙度值一直增大，残余应力先减小后增大，沿深度方向残余应力最大值先增大后减小，在试验所取参数条件下，影响残余应力的深度分布范围基本在20~40 μm；最优工艺参数组合如下：fr=0.15 mm/min,nw=120 r/min,b=10 mm,砂轮粒度80。

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5. 大功率风机主轴滑动轴承研究现状及发展趋势

朱才朝1, 张荣华1, 宋朝省1, 谭建军1, 杨亮2

中国机械工程 2024, 35 (10): 1711-1721. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.10.001

摘要（1166）

PDF（pc）（4422KB）（515）

风电机组大型化步伐加快，核心零部件的可靠性对风机运行的影响越来越大。滑动轴承具有高承载、长寿命、易维护、可扩展、小体积等优点，对风机主轴承关键零部件的国产安全可靠替代水平提高具有显著作用和很大潜力。分析了大功率风机主轴滚动轴承存在的问题与主轴应用滑动轴承的优势，并详细论述了风机主轴滑动轴承设计、材料、润滑、试验验证等多方面的技术方法和应用现状，总结了大功率风机主轴滑动轴承存在的问题及未来的发展趋势，为大功率风电主轴承数字化设计与产业发展提供参考。

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6. 振动压路机的能量传递模型与作业参数优化研究

惠记庄, 骆伟, 张泽宇, 张军, 王杰

中国机械工程 2024, 35 (03): 541-547. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.03.016

摘要（546）

PDF（pc）（1996KB）（384）

为提高振动压路机作业过程的压实质量，研究了振动压路机的能量传递模型与作业参数优化。首先基于U-K方程建立“碾轮被压实材料”的系统振动动力学模型，结合能量守恒提出振动压路机能量传递模型；然后以振动频率和压实速度作为寻优工作参数，构建路面压实质量的优化模型；最后通过案例验证证明了所提方法的可行性与有效性。结果表明：工作频率与被压实材料的固有频率比值保持在2～2范围内，可避免共振带来的影响；初始阶段低速碾压，材料性能稳定后提高碾压速度可保证高效压实，得出振动频率在21.8～27 Hz、压实速度在2.36～2.91 km/s范围内，可达到最优的压实效果。所提的能量传递模型、作业参数优化模型为保障振动压路机压实质量奠定了基础，为提高振动压路机压实质量和效率提供了参考。

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7. 基于双传感器差分机制的铁磁性金属板件亚表面腐蚀缺陷脉冲涡流可视化检测

王瑾1, 李勇1, 苏冰洁1, 高文龙1, 向异1, 2, 刘正帅1, 陈振茂1

中国机械工程 2025, 36 (03): 381-390. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2025.03.001

摘要（629）

PDF（pc）（17686KB）（368）

针对铁磁性金属板件亚表面腐蚀缺陷，提出了一种基于双传感器差分机制的脉冲涡流可视化检测方法。该方法利用双传感器差分探头拾取脉冲涡流检测信号，提取检测信号下降沿对数曲线斜率和归一化差分信号峰值作为信号特征，用于对不同尺寸缺陷进行可视化检测。通过仿真及实验研究，建立了所提信号特征与缺陷尺寸间的关联规律，并验证了双传感器差分探头相较于传统单传感器探头在降低噪声干扰和提高检测灵敏度方面具有优势。此外，提出了对两种信号特征进行融合的方法，结果表明，使用融合信号特征的缺陷图像信噪比更高。所提方法为铁磁性金属板件亚表面腐蚀缺陷的可视化检测提供了一种有效且可靠的解决方案。

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8. 基于改进预瞄控制模型的车道保持系统设计

梁永彬, 付广, 林智桂, 何智成, 张家洛, 陈涛

中国机械工程 2024, 35 (03): 548-558. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.03.017

摘要（654）

PDF（pc）（8767KB）（359）

为解决扭矩控制的车道保持（LKA）系统鲁棒性不高、受车辆制造一致性以及路面激烈干扰影响大的问题，采用神经网络技术、Autofix算法及预瞄反馈控制理论，利用预期轨迹决策和跟随PID控制算法设计了一套基于角度控制的车道保持系统。基于Carsim/Veristand/MATLAB搭建了硬件在环仿真试验平台，通过虚拟仿真验证了该车道保持系统设计的有效性与准确性。基于GB/T 39323—2020、CN-CAP—2021、Euro-NCAP—2022并结合实车调试及用户关注场景对车道保持系统的测试要求，通过仿真及实际场景对比验证得出以下结论：相对于扭矩控制的LKA系统，在相同使用场景下，使用角度控制的车道保持系统具有较好的车道保持能力、稳定性、适应性和鲁棒性。

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9. 2023年度机械设计与制造学科国家自然科学基金管理工作综述

叶鑫, 黄志权, 张军辉,

中国机械工程 2024, 35 (04): 571-579. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.04.001

摘要（667）

PDF（pc）（8141KB）（355）

介绍了2023年度国家自然科学基金委员会工程与材料科学部机械设计与制造学科（工程科学二处）“人才”和“研究”两类项目系列中部分类型项目的申请、评审与资助情况，以及科学基金项目的进展与结题情况，阐述了机械设计与制造学科在科学基金改革探索、加强人才培养和研讨未来发展方向等方面的具体举措，并展望了2024年的主要工作。

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10. 水压泵柱塞密封性能实验装置的设计

罗龙君, 贺小峰, 刘珣, 张洽璇, 黄贺文

中国机械工程 2024, 35 (02): 229-235. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.02.006

摘要（482）

PDF（pc）（4818KB）（354）

为解决油水分离式柱塞泵的柱塞与缸套的密封可靠性及选型设计问题，研制了模拟水压柱塞泵实际运行工况的柱塞密封性能实验装置及其加载系统，并对实验装置进行了动平衡设计。在建立实验装置加载系统的仿真模型后，通过仿真对比确定了合理的加载方式。该实验装置的加载实验和稳定性实验表明，实验装置运行稳定可靠，且容积效率在合理范围内。

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11. 带后掠桨尖旋翼/螺旋桨的悬停气弹特性分析

黄薇, 池骋

中国机械工程 2024, 35 (02): 191-200. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.02.001

摘要（519）

PDF（pc）（9640KB）（341）

针对旋翼/螺旋桨的大负扭和后掠桨尖设计在桨叶内部所带来的严重应力应变集中问题，结合三维结构动力学模型、旋翼气动模型和旋翼配平方法，对复合材料旋翼/螺旋桨进行了综合建模与气弹载荷分析，并通过悬停实验验证了综合模型的准确性。对比分析了无负扭、大负扭和大负扭带后掠桨尖的桨叶气弹特性，发现大负扭导致桨叶应力集中区域扩大，后掠桨尖使桨尖过渡区域的应力集中区域扩大，集中程度加剧。

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12. 车身多性能约束下的一体压铸三角梁轻量化设计

苏永雷, 张志飞

中国机械工程 2024, 35 (04): 691-699. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.04.012

摘要（642）

PDF（pc）（6363KB）（340）

系统性地构建了一体压铸结构的优化方法，基于车身系统超单元模型实现多性能约束下的车身压铸件轻量化设计。首先，缩减复杂的车身系统，针对连续的车体结构，提出了子系统划分原则和方法，分别对各子系统进行超单元缩减，保证车身系统模型的分析精度并提高计算效率，为快速优化奠定基础；其次，同步考虑压铸结构单体性能和车身系统性能，采用折衷规划法归一化静动态子目标并构建综合目标函数，应用层次分析法得到子目标权重系数，进而开展了多模型拓扑优化，确定了加强筋位置分布；进一步地，同步考虑可设计与可制造性，对压铸结构变厚度拔模面进行参数化定义，并在优化过程中施加制造约束，基于构造的组合代理模型完成厚度参数设计。研究结果表明：在保证分析精度的前提下，缩减的车身系统模型可节省97.3%的计算资源；通过优化，在大幅提高车身一体压铸三角梁结构相关性能的同时，可实现轻量化，表明了所提方法的正确性和实用性。

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13. 隧道环境内无人驾驶车辆目标-决策两级信息融合感知策略

王茂森, 鲍久圣, 谢厚抗, 刘同冈, 阴妍, 章全利

中国机械工程 2024, 35 (03): 427-437. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.03.005

摘要（656）

PDF（pc）（4400KB）（318）

基于隧道内的特殊行驶环境和无人驾驶感知需求，选择合适的传感器及硬件搭建试验车辆，构建了毫米波雷达与摄像头多传感器融合的感知系统；基于YOLOv4目标级信息融合算法和改进D-S证据理论决策级信息融合算法，提出了一种“目标决策”两级信息融合策略；最后，在城市道路隧道环境内开展了感知信息两级融合验证试验，试验结果表明：相比单一的摄像头或毫米波雷达感知效果，基于摄像头与毫米波雷达传感器感知ROI区域关联实现的目标级融合结果可以提高9.51%的识别准确率，弥补了单一传感器在隧道环境内感知技术的不足；基于目标级融合感知结果，利用改进后的D-S证据理论算法再进行决策级融合，相比于单一的目标级融合结果，误检率降低了3.61%，显著提高了检测精度。采取多传感器感知信息目标决策两级融合策略能够满足隧道特殊环境内无人驾驶车辆可靠感知需求，为推动无人驾驶技术落地应用提供了理论与技术支撑。

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14. 喷油润滑聚醚醚酮的接触疲劳性能

吴若, 魏沛堂, 谢怀杰, 边疆, 卢泽华, 刘怀举

中国机械工程 2024, 35 (02): 221-228. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.02.005

摘要（579）

PDF（pc）（12856KB）（290）

聚醚醚酮(PEEK)是一种高强度、耐热的工程塑料，但其接触疲劳基础数据的缺失制约了它在重载场合下的高可靠、长寿命服役。开展了喷油润滑下的PEEK滚子滚动接触疲劳试验与PEEK齿轮接触疲劳试验，绘制了接触疲劳S-N曲线。对比发现，PEEK滚子滚动接触疲劳极限比齿轮接触疲劳极限高14%，接触压力135 MPa下的滚子滚动接触疲劳寿命比齿轮接触疲劳寿命长58%，进而提出PEEK的滚子齿轮接触疲劳寿命转换公式。

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15. 1180 MPa级超高强钢冷连轧过程的厚度综合控制技术

张文军, 王文奇, 张晓东, 林威, 张燕东, 白振华,

中国机械工程 2024, 35 (02): 347-353，370. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.02.019

摘要（612）

PDF（pc）（5696KB）（281）

针对超高强钢在冷轧过程中厚度波动大以及带头带尾厚度超差的问题，首先根据金属秒流量模型建立了厚度超差预测模型与辊缝调节量预估模型；随后开发了轧制过程中的厚度控制系统，并进行了辊缝调节量优化；最后建立了带钢头尾轧制过程中的轧制速度与张力优化模型。以国内某冷连轧机组的第1机架为技术应用对象，选择两种典型的超高强钢进行生产测试，测试结果表明：超高强钢AR4146E1与DU6220A1的厚度超差长度分别从70.3 m、36.89 m下降到了16.85 m、16.33 m。

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16. 基于NSGA-Ⅱ的滑油泵叶轮结构优化设计

孙永国, 金欣, 薛冬, 单建平, 石晓春

中国机械工程 2024, 35 (03): 559-569. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.03.018

摘要（623）

PDF（pc）（6468KB）（278）

滑油泵常需要在高空、低压工况下稳定运转，常会出现供油不足、效率降低等问题。为了得到满足设计要求且具有最佳性能的滑油泵，以某直升机用滑油泵叶轮为研究对象，对其结构进行优化设计。选择高空两个典型工况的效率与扬程作为优化目标，利用NSGA-Ⅱ算法对滑油泵叶轮几何参数进行寻优，对优化前后的滑油泵效率、扬程进行对比分析。采用CFD流体仿真及实验方法对优化结果进行对比验证。结果表明：所选优化参数对滑油泵性能有较大影响，优化后的滑油泵叶片位置附近流动更加平稳，高低压区域过渡平缓，能量损失更小，且降低了汽蚀发生的可能性；优化后的滑油泵设计点扬程提高2.6 m，效率提高2.86%。

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17. 复杂载荷下的核管路支架智能布置

孙宇翔, 陈丽, 龙波, 王艳苹, 刘诗华, 贾坤

中国机械工程 2024, 35 (02): 317-323，336. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.02.016

摘要（602）

PDF（pc）（5695KB）（277）

当前，核电管路支架布置通过人工试算反复迭代来实现，存在劳动强度大、设计周期长、成本高等缺点。借助管路有限元力学分析，提出一种基于粒子群遗传混合算法的三维空间核电管路支架智能布置方法。布置示例表明，所提方法可在管路的三维全局空间内自动布置不同功能的多个支架，在满足《压水堆核岛机械设备设计和建造规则》设计规范的同时减小了工作量。

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18. 航空高速齿轮泵齿轮端面摩擦副的润滑特性

陈源1, 熊典峰1, 李运堂1, 高永操2, 李传仓2, 王冰清1, 金杰1

中国机械工程 2024, 35 (07): 1178-1187. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.07.005

摘要（603）

PDF（pc）（9034KB）（275）

针对航空外啮合齿轮泵齿轮端面摩擦副磨损严重的问题，在齿轮端面开设仿特斯拉阀型槽和椭圆孔组合的新型复合织构以改善润滑特性。基于流体动力润滑理论和有限元仿真计算方法建立齿轮织构端面摩擦副的润滑理论分析模型，分别在有无织构条件下仿真分析了端面液膜内流体的压力分布和速度分布，研究了工况和结构参数对齿轮端面开启性和密封性的影响规律。结果表明：织构产生的流体动压力可使齿轮端面摩擦副非接触运行，对减摩增效具有积极作用；综合考虑齿轮端面摩擦副的开启性和控漏性，织构结构参数即槽深取7~9 μm、高度差取5~6 μm、倾斜角取0°~10°、形状因子取0.4~0.5为宜。

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19. 轮轨激扰下轨道车辆轴箱轴承振动与润滑特性分析

马巧英, 杨绍普, 刘永强,

中国机械工程 2024, 35 (04): 580-590. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.04.002

摘要（602）

PDF（pc）（12680KB）（273）

基于赫兹接触和弹流润滑理论建立了考虑轴箱轴承的轨道车辆模型，研究了轮轨激扰对轴箱轴承的振动特性和油膜刚度特性的影响规律。分别采用MATLAB/Simulink和UM软件建立了轴承动力学模型和轨道车辆模型，通过相互作用力实现二者的耦合关系。模拟了轴承和轮对的典型故障形式，并详细分析了这些故障对轴承的振动特性和润滑特性的影响。研究结果表明：润滑可以有效减小轴承的振动；轴承的局部故障将导致油膜刚度的增大，轴承故障和车轮扁疤都对润滑的影响较为显著；此外，轮轨激扰会降低轴承外圈的振动比率，但是会增大车辆其他部件的振动，对车体的振动几乎无影响。

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20. 基于监督降维和自适应Kriging建模的高维不确定性传播方法研究

宋周洲1, 2, 张涵寓1, 2, 刘钊3, 朱平1, 2

中国机械工程 2024, 35 (05): 762-769，810. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.05.001

摘要（1794）

PDF（pc）（3068KB）（270）

高维不确定性传播目前面临维度灾难和小样本的问题，难以利用有限的样本资源获得高精度的分析结果，针对此问题，提出了一种基于监督降维和自适应Kriging模型的高维不确定性传播方法。利用改进充分降维方法将高维输入投影到低维空间中，并利用Ladle估计器确定低维空间的维度。将降维投影矩阵嵌入Kriging核函数中以减少待估计超参数的数量，提高建模精度和效率。最后，创新性地定义了投影矩阵留一交叉验证误差，并基于此提出了相应的Kriging自适应采样策略，可以有效避免模型精度在自适应采样过程中发生较大波动。数值算例与工程案例的结果表明，相比现有方法，所提方法能够以较少的样本点获得高精度不确定性传播结果，对复杂装备结构的不确定性分析和设计具有一定参考作用。

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21. 一种多指标综合最优的抗冲击轨迹规划方法

荣誉, 陈刚, 豆天赐,

中国机械工程 2024, 35 (02): 305-316. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.02.015

摘要（615）

PDF（pc）（9989KB）（263）

为提高机械臂作业效率以及抗冲击能力，提出了一种综合最优轨迹规划方法。首先通过建立3-5-3多项式曲线数学模型构造出端点运动参数可控的关节运动轨迹；然后考虑关节位置、速度、加速度等约束条件，通过加权系数法定义目标函数，使机械臂的动作时间、冲击和灵巧度达到综合最优，在目标函数的设计中采用动态加权方法来处理关节速度与冲击之间的矛盾；最后，针对标准粒子群算法，利用拉丁超立方抽样函数均匀化种群，并提出随机惯性权重更新策略，得到改进粒子群算法，利用该算法对目标函数进行优化，得到综合最优运动轨迹。进行了仿真和样机实验，实验结果证明所提方法具有可行性。

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22. 面向微小软排线装配的阵列触觉状态感知技术#br#

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林杰, 胡智凯, 刘思源, 唐维威, 楚中毅

中国机械工程 2024, 35 (02): 287-292，304. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.02.013

摘要（494）

PDF（pc）（7211KB）（259）

针对微小软排线装配操作中器件体积小且存在视觉遮挡的问题，提出一种基于电容式阵列触觉传感器的机器人软排线装配状态感知技术。首先，对电容式三维触觉感知机理进行分析，并针对软排线装配的小尺寸空间感知需求，设计了一种基于垂直拓扑网状介质层的高灵敏阵列触觉传感器，实现微小软排线装配状态的高灵敏感知。其次，为突破布线复杂度与阵列扫描周期的限制，基于电容数字芯片拓展实现高动态三维阵列信息扫描系统的设计与微小软排线装配状态的高动态感知，并完成小型化电容式阵列触觉传感器的一体化制备。最后，搭建机器人软排线装配操作系统并实时采集和分析软排线装配过程中的阵列触觉信息特征，以验证所提出技术的准确性和有效性。

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23.

航空航天复杂关键构件高性能制造控形与控性研究专题

中国机械工程 2025, 36 (04): 1-.

摘要（354）

PDF（pc）（293186KB）（257）

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24. 面向物理约束的机器人运动学标定最优位姿集规划方法研究

姜吉光, 侯爵, 苏成志, 巴麒蛟, 田爱鑫, 徐明宇

中国机械工程 2024, 35 (03): 472-480. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.03.009

摘要（597）

PDF（pc）（5499KB）（254）

在物理约束下的工业机器人运动学标定过程中，标定精度受到位姿集的影响，而位姿集的选取又受到标定装置的约束，针对以上问题，提出了一种采样区间评价结合位姿集优选的最优位姿集规划方法。首先建立了机器人运动学模型及距离约束标定模型，计算了机器人系统参数误差约束方程及误差雅可比矩阵；然后对机器人工作空间进行空间网格划分，应用拉丁超立方采样结合可观测指标对各个网格区间进行评价，得到最优采样区间；再次基于离线数据建立标定精度预测模型，在最优采样区间内实现最优位姿集的搜索；最后对中瑞RT-608机器人进行最优位姿集的规划及验证，结果表明：基于最优位姿集标定后的平均拟合球半径为0.3947 mm，较随机位姿集减小了57.98%。

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25. 矿用钢丝绳捻向攀爬轮式巡检机器人设计

唐超权, 佟秉航, 唐玮, 张岗, 王思远, 汤洪伟, 刘贝, 周公博

中国机械工程 2024, 35 (10): 1732-1739. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.10.003

摘要（658）

PDF（pc）（6279KB）（243）

针对矿用钢丝绳无人巡检需求，设计研制了一种沿钢丝绳捻向攀爬的巡检机器人。该机器人所需的驱动力约为传统沿轴向攀爬机器人的0.915倍，携带负载3 kg时，其越障高度比轴向攀爬机器人的越障高度大0.6 mm，障碍物高度为3 mm时，它携带的最大负载比轴向攀爬机器人大0.4 kg。模拟深井环境开展了钢丝绳振动工况下的巡检机器人攀爬实验。研究结果表明：在钢丝绳静止状态下，攀爬机器人展现出稳定的攀爬性能，最大攀爬速度达到8.25 m/min，可连续攀爬500 m；在低频大幅振动工况下，机器人攀爬速度高于静止时的速度；在高频小幅振动工况下，钢丝绳振动会导致攀爬速度小幅度波动。

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26. 微流控芯片流体动压抛光工艺研究

付振峰, 王振忠, 王彪

中国机械工程 2024, 35 (03): 534-540. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.03.015

摘要（521）

PDF（pc）（6895KB）（241）

基于流体动压润滑理论设计了微结构抛光球，理论分析得出微结构在抛光球转动过程中会产生更大的流体动压力；利用Fluent分析了微结构类型、微结构尺寸对抛光产生的动压力的影响，通过MATLAB拟合Fluent的数据得到其产生的抛光力。得到微结构的较优参数后进行微流控芯片的区域抛光，微流控芯片平面区域表面粗糙度从1.330 nm降至0.658 nm，流道表面粗糙度从0.737 nm降至0.379 nm。由此可进一步探索流体动压抛光技术在微流控芯片确定性抛光中的应用。

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27. 复杂载荷、极端环境下焊接结构疲劳寿命预测研究综述

董志波1, 王程程1, 李承昆1, 李峻臣2, 赵耀邦2, 历吴恺2, 徐爱杰2

中国机械工程 2024, 35 (05): 829-839. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.05.008

摘要（850）

PDF（pc）（6000KB）（240）

焊接接头易出现缺陷和应力集中，在疲劳载荷作用下将成为疲劳裂纹萌生和扩展的薄弱区域。与均质材料相比，接头各区域微观组织及应力局部化使得焊接结构疲劳问题进一步复杂化。区别于理想实验条件，实际焊接结构服役环境复杂，疲劳寿命预测须考虑环境因素与焊接结构耦合特性。为此，对影响焊接结构的内在因素进行总结分析，从复杂载荷和极端服役环境两方面对现有焊接结构寿命预测模型进行综述，结合最新研究进展对改进焊接结构疲劳寿命评估方法提出建议。

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28. 高压气动压力伺服系统的鲁棒控制

张迪嘉1, 2, 高路平2, 周少梁2, 高隆隆2, 李宝仁2

中国机械工程 2024, 35 (07): 1141-1150. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.07.001

摘要（643）

PDF（pc）（7020KB）（237）

高压气动压力伺服系统的参数不确定性和未建模动态制约了其控制精度的提高，针对此提出了基于RISE的自适应鲁棒控制算法用于高压气动压力伺服系统的控制。考虑到核心元件高压电气伺服阀的控制性能对高压气动压力伺服系统高精度控制的影响，设计了交叉对比实验，实验结果表明，伺服阀位置控制算法有助于避免正弦信号失真、减小稳态压力抖动，系统压力控制算法能提高系统的响应速度和动态跟踪能力。

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29. 风车桥气动干扰作用下的汽车纵横向协调控制

袁志群, 李曰瀚, 林立, 孙鹏飞, 张义,

中国机械工程 2024, 35 (04): 731-741. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.04.016

摘要（491）

PDF（pc）（14748KB）（232）

为提高跨海大桥上轿车的风致行车安全能力，采用合成风和动网格耦合方法建立了轿车超越集装箱货车的瞬态分析模型，揭示了“风车桥”气动交互作用机理及其对轿车气动特性的影响规律。采用五次多项式插值算法建立了超车轨迹规划模型，基于模糊逻辑的双PID控制方法与径向基神经网络的滑模控制方法设计了纵横向协调控制器，开展了轿车超车过程的路径跟踪能力分析及行驶稳定性评价。研究结果表明：风车桥的气动干扰大小与行驶车道及位置有显著关系，纵横向协调控制器的路径跟踪控制精度和鲁棒性较好，轿车侧风稳定性提高效果明显。

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30. “复杂装备不确定性分析与可靠性设计”专辑

中国机械工程 2024, 35 (05): 1-.

摘要（313）

PDF（pc）（110765KB）（226）

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31. 砂布轮抛光航空发动机叶片温度仿真与试验研究

鲜超1, 3, 辛红敏2, 3, 代辉2, 程清思2

中国机械工程 2025, 36 (04): 802-810. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2025.04.017

摘要（382）

PDF（pc）（9909KB）（224）

在ANSYS软件中使用矩形热源加载的方法仿真得到了砂布轮抛光叶片过程瞬时温度场，研究了抛光过程中叶片表面和沿叶片厚度方向的温度分布，并探究了工艺参数对抛光温度的影响规律。结果表明：随着抛光加工的进行，抛光温度分布逐渐趋于稳定，当抛光温度趋于稳定时，叶片已加工部分在不同深度处的温度值趋于一致，正在加工部分的温度沿着深度方向不断减小；抛光温度梯度从正在加工的接触区域向已加工区域逐渐递减；抛光温度随主轴转速的增加而升高，进给速度对抛光温度的影响并不明显，抛光温度与切向抛光力正相关。将测量温度值与仿真温度值进行比较，偏差率不超过10%，表明两者具有良好的一致性，仿真准确性较高。

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32. 聚碳酸酯超低温冷却车削表面形貌试验研究

包锐, 刘阔, 张杰, 韩灵生, 李建明, 左月帅, 刘海波, 王永青

中国机械工程 2024, 35 (02): 201-207. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.02.002

摘要（464）

PDF（pc）（9197KB）（222）

针对聚碳酸酯加工时存在的耐热性差、变形、溶胀等问题，分别在干切削、水冷和超低温冷却条件下进行了聚碳酸酯的车削试验，并分析了材料加工表面的形貌，从分子链弛豫时间、银纹产生和脆韧性转变的角度解释了加工表面形貌的差异。研究发现，聚碳酸酯干切削表面产生大量粗大银纹，水冷切削表面产生大量细密银纹，超低温冷却切削表面银纹较少，因此超低温冷却对提高聚碳酸酯的加工质量具有积极作用。

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33. 基于S变换双阈值法的汽车零部件载荷谱加速编辑

姚凌云, 林勇杰, 李丽,

中国机械工程 2024, 35 (02): 215-220. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.02.004

摘要（447）

PDF（pc）（2538KB）（218）

针对S变换编辑法加速编辑效果不佳的问题，提出了一种基于S变换双阈值编辑方法。该方法先对载荷谱进行S变换以获取最大幅值谱，在以双阈值识别并保留的幅值谱片段为依据保留对应的载荷谱片段后，再将其拼接成加速后的载荷谱，最后对比分析S变换双阈值编辑法与S变换编辑法编辑的加速谱的统计参数、功率谱密度、穿级计数和疲劳仿真结果。研究结果表明，S变换双阈值编辑法可明显压缩原始载荷时间，且其压缩效率高于S变换编辑法，转向节的疲劳损伤和寿命分析误差更小，适用于汽车零部件载荷谱加速编辑研究。

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34. 主动磁悬浮轴承系统保护轴承热特性研究及减摩设计

李迎春, 聂傲男, 杨明宣, 朱定康, 邱明, 杨更生

中国机械工程 2024, 35 (04): 646-655. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.04.008

摘要（635）

PDF（pc）（8283KB）（218）

针对主动磁悬浮轴承系统（AMBs）转子跌落过程中转子与保护轴承碰摩产生巨大冲击、振动和大量摩擦热，易使保护轴承失效的问题，对立式转子跌落到保护轴承过程中的热特性进行了研究，分析了转子跌落对保护轴承造成破坏的主要影响因素，进而提出了一种采用磁控溅射技术在保护轴承关键表面沉积固体润滑薄膜（类石墨碳基薄膜，GLC）的减摩方法，并对镀膜、未镀膜的保护轴承进行了转子跌落试验。研究结果表明：跌落转速为20 000 r/min时，保护轴承的最高温度为210.60 ℃，出现在转子与轴承内圈端面高速碰摩阶段，该温度超过了轴承钢160 ℃的回火温度，导致轴承烧伤而失效。在跌落试验中，镀有GLC薄膜的自润滑保护轴承试验后的沟道和端面外观明显优于未镀膜保护轴承，由碰摩发热导致的内圈端面硬度下降也较轻，质心轨迹和轴向位移更加平稳，温升更低，GLC薄膜起到了关键的自润滑和减摩功能，提高了保护轴承的使用寿命和服役可靠性，为解决主动磁悬浮轴承系统中保护轴承易失效而发生重大事故的问题提供了一种思路和方法。

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35. 复合波提升仿生机器鱼推进性能研究

罗自荣1, 夏明海1, 殷谦2, 卢钟岳1, 蒋涛1, 朱一鸣1

中国机械工程 2024, 35 (11): 1901-1908. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.11.001

摘要（583）

PDF（pc）（8473KB）（218）

受地震纵波和横波复合作用具有极大破坏性的启发，提出并设计了一种纵横复合波动新型水下仿生推进器。理论上建立了纵横复合波动运动学模型，开发了物理样机与测试平台，通过计算流体动力学(CFD)仿真和物理试验对比分析推进器在不同纵波幅值叠加下的推进性能。仿真结果表明，纵横复合波动能够显著增大波动鳍的推力和速度，推力均值可提高27.6%，峰值增大幅度大于200%。试验结果表明，推进器在2 Hz频率和20°纵波幅值下的稳态平均速度达到0.761 m/s，相比无纵波时提高约14.7%。该研究结果表明，相较于单一正弦横波，复合波动仿生鱼鳍具有更好的推力和速度性能，为高性能仿生波动机器鱼的研制提供了一种新的推进机理。

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36. 基于变分模态滤波和注意力机制的重载机器人铣削系统颤振辨识方法

梁志强1, 2, 陈司晨1, 杜宇超1, 刘宝隆1, 2, 高子瑞1, 乐毅3, 肖玉斌4, 郑浩然1, 仇天阳1, 刘志兵1

中国机械工程 2025, 36 (05): 1018-1027,1073. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2025.05.013

摘要（1295）

PDF（pc）（7393KB）（217）

提出了一种定参变分模态滤波、包络滤波和注意力机制网络辨识相结合的重载机器人铣削系统颤振辨识方法。首先，根据变分模态滤波理论，通过合适地优选二次惩罚项实现对目标高频非颤振信号分量的剔除；然后，为快速辨识当前的加工状态，从信号时域分布出发，结合频域在时域上的映射规律，采用包络滤波方法实现低频主轴转速相关信号分量的剔除；最后，构建基于注意力机制的网络辨识模型，对预处理后的多时序短时信号片段进行分类以实现加工状态辨识，并开展重载机器人铣削系统加工验证实验。实验分析结果表明，通过剔除高频非颤振信号和低频主轴转速相关信号分量，再生颤振辨识准确度得到了进一步提高，辨识准确度可达98.75%。通过与其他辨识方法对比，所提出的重载机器人铣削系统颤振辨识方法可以有效地识别重载机器人铣削系统加工过程中的再生颤振，为后续重载机器人铣削系统颤振在线抑制提供技术支撑。

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37. 考虑双资源约束的柔性机械加工车间逆调度问题研究

魏书鹏, 唐红涛, 李西兴, 杨冠宇, 张健

中国机械工程 2024, 35 (03): 457-471. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.03.008

摘要（677）

PDF（pc）（13436KB）（214）

为提高机械加工车间在动态生产环境下的效率和稳定性，建立了考虑机器与工人约束的柔性机械加工车间逆调度问题模型。该模型以最小化完工时间、机器能耗和逆偏差指数为目标，通过调整工件排产、工人作业以及机加工工艺参数对原始调度方案进行优化。针对问题特征，提出了一种差分进化算法。在算法中，设计了混合双层编码方式以降低搜索难度；提出了两种基于调度规则的初始化方式以提高种群质量；为加强和平衡全局与局部搜索，设计了自适应遗传操作以及基于精英选择的局部搜索策略；改进了哈明距离，并提出了一种拥挤度算子以反映种群真实多样性。在实验中构建了33组测试算例，并将所提算法与其他7种算法进行对比，验证了所提算法性能。最后，分析了某液压缸生产车间在两种不同动态环境下的真实逆调度案例，结果表明，所提算法能够在较小程度改变原始调度的情况下缩短4.2%的完工时间、降低20.2%的机器能耗。

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38. 基于GPU加速的等几何拓扑优化高效多重网格求解方法

杨峰, 罗世杰, 杨江鸿, 王英俊,

中国机械工程 2024, 35 (04): 602-613. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.04.004

摘要（706）

PDF（pc）（8284KB）（213）

针对大规模等几何拓扑优化(ITO)计算量巨大、传统求解方法效率低的问题，提出了一种基于样条h细化的高效多重网格方程求解方法。该方法利用h细化插值得到粗细网格之间的权重信息，然后构造多重网格方法的插值矩阵，获得更准确的粗细网格映射信息，从而提高求解速度。此外，对多重网格求解过程进行分析，构建其高效GPU并行算法。数值算例表明，所提出的求解方法与线性插值的多重网格共轭梯度法、代数多重网格共轭梯度法和预处理共轭梯度法相比分别取得了最高1.47、11.12和17.02的加速比。GPU并行求解相对于CPU串行求解的加速比高达33.86，显著提高了大规模线性方程组的求解效率。

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39. 重载足式机器人变缩放比例腿设计

索喆, 李想, 刘建峰, 王继新

中国机械工程 2025, 36 (02): 191-196. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2025.02.001

摘要（466）

PDF（pc）（7951KB）（208）

分析了二自由度比例缩放机构的运动特性，对比了多种变缩放比例设计方案及其优缺点，提出了一种变缩放比例腿，设计了非线性腿长调整机构，仅用一个驱动器即可实现大腿杆和小腿杆的长度按照非线性比例关系进行调整，进而在保证缩放特性的同时实现了缩放比例的调整。变缩放比例腿无需进行拆卸和更换零部件即可完成缩放比例的调整，改变了足端运动空间和机器人的承载能力。

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40. 基于参数映射的叶轮粗加工椭圆摆线轨迹优化

韩飞燕, 顾志成, 赵一鹏, 张传伟

中国机械工程 2024, 35 (03): 438-444，456. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.03.006

摘要（544）

PDF（pc）（17907KB）（202）

为了提高复杂曲面叶轮流道开槽加工效率，提出了一种曲面粗加工摆线轨迹规划方法。首先确定流道的可加工区域并进行参数化;然后在该参数域建立以最小加工时间为优化目标的椭圆摆线轨迹关键参数的数学模型，通过区间缩小法求解出满足加工要求的最佳椭圆短半轴长度与行距，从而获得参数域摆线轨迹;最后将参数域的轨迹映射至物理域来获取走刀路径。为了验证所提轨迹规划方法的高效性和有效性，以某叶轮为对象，计算了流道椭圆摆线开粗加工轨迹，并将所提方法的计算时间与传统行切法轨迹计算时间进行对比，发现计算效率提高了19.4%。此外，摆线流道开粗和行切法流道开粗的仿真加工对比结果证明，相同参数设置下所提方法的加工效率比传统行切法的加工效率高22.4%。实际摆线铣削开粗结果表明，叶轮流道切痕形状与摆线轨迹一致，表面残留满足粗加工要求，证明所提方法是有效可行的。

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