中国机械工程

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1. 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（933）

PDF（pc）（7794KB）（1379）

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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2. 基于自适应增量Kriging模型的多目标稳健优化设计方法

田宗睿, 智鹏鹏, 云国丽, 郭新凯, 官毅

中国机械工程 2023, 34 (08): 931-940. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.08.007

摘要（1066）

PDF（pc）（9011KB）（1076）

提出了一种自适应增量Kriging模型的多目标稳健优化设计方法。依据结构特征及优化目标，构建了增量Kriging代理模型，并提出混合加点采样策略，提高增量Kriging代理模型的自适应性；提出了柯西变异多目标粒子群优化(CMMOPSO)算法，通过改进惯性权重因子、个体学习因子和社会学习因子，同时引入柯西变异策略，提高优化模型求解的效率和精度；构建以结构相关参数为设计变量、性能指标标准差为目标、3σ变量缩减区间为约束的优化模型，综合CMMOPSO算法和灰色关联分析获得多目标稳健优化最优解。算例分析结果表明，所提方法不仅能够以较少的性能函数调用次数获得高精度结构优化模型，而且优化结果与传统方法相比，收敛速度更快、稳健性更好。

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3. 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（1743）

PDF（pc）（5000KB）（1024）

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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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（1359）

PDF（pc）（50387KB）（912）

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（821）

PDF（pc）（4467KB）（908）

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. 我国中小企业数字化转型的模式与对策

王柏村, 朱凯凌, 薛塬, 白洁, 臧冀原, 谢海波, 杨华勇,

中国机械工程 2023, 34 (14): 1756-1763. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.14.013

摘要（1660）

PDF（pc）（5220KB）（883）

推动中小企业数字化转型对我国制造业的全面提质增效具有重大意义。中小企业在数字化转型中存在成本过高、路径模糊、人才短缺等问题，且缺少数字化转型的分析框架与参考范式,因此构建了中小企业数字化转型的分析框架，明确了实现数字化转型关键因素，通过案例研究归纳提出了中小企业数字化转型的四类基本路径模式。基于上述研究，为我国中小企业的数字化转型提出针对性对策建议，以期推动中小企业数字化、智能化发展。

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7. 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（863）

PDF（pc）（9652KB）（868）

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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8. 时滞金属切削系统颤振的研究进展

任勇生, 姚东辉, 张金峰

中国机械工程 2023, 34 (21): 2548-2567,2576. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.21.004

摘要（827）

PDF（pc）（9923KB）（825）

金属切削系统通常带有鲜明的时滞特征。颤振是广泛存在于金属切削加工过程的一种高度复杂动力学现象，而颤振预测是实现稳定切削的前提。从切削系统颤振预测的理论、在线监测方法，以及各种影响因素等方面对金属切削动力学研究的进展进行评述，简要介绍了不同材料在机床结构动力学设计中的应用研究进展，指出了存在的问题及其今后的研究方向。

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9. 考虑设备预维护的特种车辆白车身试制车间绿色调度优化方法

李西兴, 周文龙, 唐红涛, 吴锐,

中国机械工程 2023, 34 (15): 1832-1847. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.15.008

摘要（786）

PDF（pc）（9794KB）（818）

综合考虑最长完工时间、设备总能耗以及总烟尘排放，构建了典型柔性作业车间多目标绿色调度优化模型，并设计了一种改进人工蜂群算法对其进行求解。首先，根据激光设备功率会发生周期性衰减的特点，提出了一种区分激光设备和普通机械设备的预维护策略，以减小最长完工时间并降低设备故障发生频率。其次，设计了一种基于设备分配和功率选择的变异方式以增强算法局部搜索能力，并在跟随蜂阶段引入基于拥挤距离的选择方法进行种群更新以获得优质个体。最后，扩展现有通用测试集并开展对比实验，同时以某汽车装备制造企业的特种车辆白车身试制车间为实例，进一步验证了模型与算法的有效性和可行性。

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10. 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（946）

PDF（pc）（5241KB）（781）

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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11. 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（981）

PDF（pc）（2405KB）（777）

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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12. 轮毂电机驱动越野车原地转向控制

付翔, 刘泽轩, 刘道远, 李东园,

中国机械工程 2023, 34 (10): 1251-1259. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.10.015

摘要（970）

PDF（pc）（6293KB）（764）

针对基于阿克曼转向的越野车最小转弯半径大、转向机动性不足的问题，利用轮毂电机驱动车辆转矩独立可控的优势，开发了路面自适应的原地转向控制策略。构建整车七自由度原地转向动力学模型，阐释原地转向过程中纵横向耦合运动轮胎力的演变规律，建立原地转向阻力矩和横摆力矩随车轮滑转率、路面附着系数变化的量化模型。以转向动力响应性为优化目标设计了不同附着条件下的横摆角速度期望轨迹，并以各轮滑转率安全阈值作为稳定性约束以减小转向中心偏移量，执行层基于模型预测算法进行横摆角速度的跟踪控制，同时引入自适应滑模控制器反馈调节车轮滑转率以确保纵横向运动的稳定性。仿真测试与实车试验表明，开发的原地转向控制策略在高、中、低附路面下均实现了期望原地转向轨迹的精确跟踪，并将转向中心偏移量限制在500 mm以内，提高了越野车原地转向灵活性和横向稳定性，实现了“既快又稳”的原地转向。

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13. 基于数据挖掘的注塑产品质量在线故障检测及预测

陈昱, 项薇, 龚川

中国机械工程 2023, 34 (14): 1749-1755. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.14.012

摘要（982）

PDF（pc）（1793KB）（737）

注塑件的尺寸精度与注塑工艺参数、注塑过程中各阶段实时条件及实时工况的变化都有关联。开发了一个基于数据挖掘的工件质量诊断模型，利用模内温度、压力、位移等高频传感器采集到的实时数据构建了高维时序特征集，采用三段式特征选择法确定了关键特征子集，并将其用于训练基于LightGBM分类器的质量在线检测模型。基于卷积神经网络长短期记忆网络（CNN-LSTM）的时序模型预测了各特征的未来值，结合分类器完成了产品质量的事前预测。验证结果显示在线检测宏的平均召回率达到89.1%，事前预测宏的平均召回率为81.6%。

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14. 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（980）

PDF（pc）（4455KB）（707）

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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15. 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（999）

PDF（pc）（6422KB）（704）

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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16. 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（1143）

PDF（pc）（3896KB）（695）

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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17. 智能制造中的人-信息-物理系统协同的人因工程

杨晓楠, 房浩楠, 李建国, 薛庆

中国机械工程 2023, 34 (14): 1710-1722,1740. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.14.008

摘要（1475）

PDF（pc）（5740KB）（687）

人信息物理系统(HCPS)的智能制造理论体系明确了人在智能制造系统的中心地位。从智能制造人机协同的需求出发，基于人机交互鸿沟理论，在行为、意图、认知三个层面讨论了人因工程在“人本智造”中的研究重点。围绕虚实融合场景、多模态人机交互及认知量化等方法，阐述了人因工程在促进HCPS智能融合的重要作用。最后，从实现HCPS集成的智能制造系统出发，提出了“人本智造”的研究方向和学科发展建议。

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18. 抑制磨削振纹的多目标磨削工艺参数优化

李国龙, 朱国华, 蒋林, 陶一杰, 贾亚超

中国机械工程 2023, 34 (09): 1086-1092. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.09.009

摘要（1139）

PDF（pc）（2038KB）（652）

针对蜗杆砂轮磨削齿轮经常出现振纹的问题，采用某型新能源汽车用斜齿轮，通过正交设计实验的方法，探究了磨削工艺参数（砂轮线速度、砂轮轴向进给速度、砂轮径向进给量）对加工振动和齿面粗糙度的影响。采用多元二次回归的方法建立了以减小振动和齿面粗糙度为目标的多目标优化数学模型，采用遗传算法优化了磨削工艺参数。结果表明，优化后的工艺参数可在保持稳定的齿面粗糙度精度的同时大大削弱磨削中的振动，有效防止了振纹的产生，延长了机床的使用寿命。

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19. 基于网格搜索算法的6-RUS并联机器人时间最优轨迹规划

刘栋财, 董广宇, 杜玉红, 李文鹏,

中国机械工程 2023, 34 (13): 1589-1598. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.13.008

摘要（806）

PDF（pc）（7882KB）（651）

针对6-RUS并联喷涂机器人再现轨迹不平滑、轨迹规划效率低等问题，提出了基于优化贝塞尔曲线节点位置的6-RUS并联机器人时间最优轨迹规划方法。首先，将预处理的轨迹离散化为网格点，更新节点参数并优化贝塞尔曲线弧长，进一步拟合小线段路径获取最优几何路径；然后，计算不同粗网格点对应的最佳速度以及求解时间，选择合适的粗网格点，进一步以较小步长密化网格点间路径，迭代求解正反向最大速度，搜索路径的最佳速度曲线，获取6-RUS并联机器人的最佳运行时间。最后，在自研的6-RUS并联机器人平台上进行实验。结果表明，在相同示教轨迹条件下，基于所提的改进贝塞尔曲线算法得到的路径长为8.12 m，优于传统贝塞尔曲线算法以及G2CBS算法的结果；同时将改进的时间最优轨迹规划算法（TOPP）用于优化后的示教路径，所提算法的最优速度曲线的求解时间为416.4 ms，与TOPP-RA算法的最优速度曲线的求解时间相比缩短了244.7 ms，而且该算法下最优轨迹规划时间也优于TOPP-RA算法，该方法提高了最佳速度的求解速率，缩短了6-RUS并联机器人轨迹再现时间，提高了工作效率。

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20. 基于强化学习算法的水下滑翔机路径跟踪研究

石晴晴, 张润锋, 张连洪, 兰世泉,

中国机械工程 2023, 34 (09): 1100-1110. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.09.011

摘要（1021）

PDF（pc）（6340KB）（640）

针对洋流影响下水下滑翔机实际路径与预定路径偏差较大的问题，在传统的长短期记忆网络模型的基础上引入注意力机制，建立了具有长短期记忆与注意力机制的神经网络洋流预测模型；利用深度神经网络生成水下滑翔机运动的动态Q表，并通过强化学习算法选择最优运动姿态，同时考虑洋流的影响，构造了基于深度强化学习的水下滑翔机路径跟踪算法。结果表明，基于注意力机制的长短期记忆网络相较于传统的整合移动平均自回归模型与长短期记忆网络，其洋流预测具有更小的均方误差与均方根误差，具有良好的预测能力；相较于传统的PID控制，深度强化学习模型可使水下滑翔机轨迹均方根误差降低50.9%，显著提高了路径跟踪精度。

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21. 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（711）

PDF（pc）（5104KB）（622）

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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22. 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（856）

PDF（pc）（5263KB）（622）

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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23. 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（1305）

PDF（pc）（4422KB）（622）

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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24. 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（918）

PDF（pc）（8185KB）（612）

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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25. 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（1258）

PDF（pc）（9273KB）（605）

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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26. 运行机理与数据双驱动的风电齿轮箱系统故障预警

蒙康, 滕伟, 彭迪康, 向玲, 柳亦兵

中国机械工程 2023, 34 (12): 1476-1485. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.12.010

摘要（1066）

PDF（pc）（9342KB）（584）

传统基于机器学习的风电齿轮箱故障预警模型往往仅从数据着手分析数据与故障的映射关系，在参数和模型结构选择上缺少物理依据，导致模型的可解释性和泛化能力不强。从风电齿轮箱的结构和实际运行控制方式出发，分析了运行机理与对应的数据采集与监视控制系统数据的关系，定性地给出了齿轮箱典型故障发生时运行数据的变化趋势，然后根据数据分布变化规律选择参数和模型，建立了一系列基于单分类支持向量机的风电齿轮箱系统故障预警模型。实验结果显示各模型能够准确定位风电齿轮箱系统故障，具有清晰的物理意义。

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27. 光伏跟踪支架檩条结构高刚性轻量化设计

董小虎, 王士涛, 周德淳

中国机械工程 2023, 34 (10): 1207-1213. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.10.010

摘要（1302）

PDF（pc）（5559KB）（580）

在太阳能光伏跟踪支架系统中，冷弯型檩条结构被用于支撑光伏板，安装位置介于主梁与边框之间。首先构建以结构柔顺度最小为设计目标、单元相对密度为设计变量、体积与一阶固有频率为约束的拓扑优化数学模型，基于SIMP法获得檩条结构的最优布局构型，在此基础上，对拓扑优化构型进行工程化设计，并制造加工出相关结构。然后根据太阳能光伏跟踪支架实际服役于不同风速荷载下的环境，设计分步测试载荷工况，分别对优化前后的檩条结构进行静动态仿真分析，由仿真结果可知优化后的檩条结构在抗弯、抗扭性能以及固有频率方面均得到了提高，从而验证了优化设计方法的有效性。最后采用实验测试方法对优化设计后的檩条结构性能进行验证。研究结果表明，在机械性能明显增强的前提下，檩条结构实现了减重8.8%。

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28. 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（791）

PDF（pc）（5668KB）（560）

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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29. 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（939）

PDF（pc）（8485KB）（551）

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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30. 一种新型大转角弱耦合并联髋关节外骨骼的设计及分析

徐继龙, 刘福才, 牛云展

中国机械工程 2023, 34 (21): 2540-2547. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.21.003

摘要（683）

PDF（pc）（7047KB）（550）

为解决并联髋关节外骨骼工作空间小、正运动学建模困难、控制复杂的问题，设计出一种具有大转角、弱耦合特性的生物融合式髋关节外骨骼。开展了二级移动副详细结构的设计，得到了计算沟槽坡度的表达式。采用封闭矢量法推导了人-机复合体的位置正解与逆解，对逆解进行求导，得到了人-机复合体的逆雅可比矩阵。性能分析表明，人-机复合体具有运动范围大、内部无奇异、力传递性能良好、便于控制的优势。

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31. 结构化砂轮磨削加工工件表面形貌建模与实验研究

易军, 易涛, 陈冰, 邓辉, 周炜,

中国机械工程 2023, 34 (22): 2711-2720. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.22.008

摘要（811）

PDF（pc）（9016KB）（547）

通过对砂轮表面进行实际测量，利用粗糙表面建模方法，考虑砂轮结构化特征参数对砂轮表面连续性的影响，建立了直槽结构化砂轮表面形貌模型；在此基础上，根据砂轮工件运动学关系以及切削刃的轨迹方程，建立了磨削后工件表面微观形貌的预测模型。开展了直槽结构化电镀CBN砂轮和直槽结构化钎焊CBN砂轮磨削实验，结果表明，磨削后工件轮廓高度算术平均值Ra预测结果与实验结果的相对误差均不超过10%，工件最大轮廓高度Rz预测结果与实验结果的相对误差均不超过12%，验证了预测模型的正确性。研究了不同结构化特征参数对工件表面形貌的影响规律，发现当砂轮开槽宽度相同时，砂轮断续比增大会导致工件表面粗糙度增大；而断续比相同时，因槽宽变化而引起的工件表面粗糙度波动较小。此外，砂轮本身的粗糙程度也是决定磨削后工件表面粗糙度的重要因素，涉及的砂轮表面形貌三个表征参数中，砂轮表面高度的偏态对磨削后工件表面粗糙度的影响程度最大。

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32. 面向机电产品绿色设计与评价协同的生命周期评价参数计算方法

闫萌, 李涛, 杨晨, 王明宇, 杨东东

中国机械工程 2023, 34 (12): 1453-1464. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.12.008

摘要（808）

PDF（pc）（7115KB）（531）

为了协同分析机电产品绿色设计与评价过程，采用产品设计域、生命周期活动域和环境影响评价域多域关联的建模方法建立绿色设计与生命周期阶段之间的关联映射,通过生命周期评价参数计算方法，将生命周期活动域与环境影响评价域相关联。开发生命周期评价计算工具，将生命周期评价参数计算方法应用于产品绿色设计全生命周期阶段，当绿色设计信息改变时，只需在计算工具中调整相应参数就可以实时地得到设计信息更改之后的环境影响，从而帮助设计人员重新对产品进行绿色设计。以CWT3300D-165型风力发电机作为典型机电产品进行应用验证，建立产品结构树，计算产品整机、部件、零件的环境影响。由计算结果可知，地基、机舱这两个一级零部件对环境的影响最严重，需在产品设计阶段着重考虑绿色性，改进绿色设计方案。

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33. 产品架构演化及开放式设计策略

程贤福, 章志宏, 王承辉, 潘逸飞

中国机械工程 2024, 35 (01): 109-124. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.01.011

摘要（783）

PDF（pc）（2035KB）（527）

产品架构表征了物理组件间排列与组合的方式，可以促进产品的多样性和部件共享，更好满足客户个性化需求。开放式设计可以支持客户参与产品开发，开放式产品架构为个性化产品开发提供了平台策略。为了更加深入地研究产品架构理论及应用，阐述了架构的概念与作用及单一产品架构、产品族架构和开放式产品架构的特征、联系和区别，从架构开发模式、架构开发策略和架构组织管理等方面剖析了产品架构的演化历程及其内在动因。系统梳理了开放式产品架构的概念内涵、作用与机制，明晰了客户个性化需求、产品架构和企业开放式创新策略的相依关系，探讨了产品架构开放式设计策略。

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34. 变速箱中间轴焊接结构多轴疲劳寿命分析方法

曹蕾蕾, 康凡军, 郭城臣, 宋绪丁, 吕文彻

中国机械工程 2023, 34 (13): 1605-0610,1627. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.13.010

摘要（603）

PDF（pc）（5864KB）（525）

重载车辆传动系统具有大速比、大扭矩的特点，其变速箱中间轴焊接结构承受复杂工作载荷，焊缝处易发生多轴疲劳破坏。为了更准确有效地对中间轴焊接结构的疲劳寿命进行评估，基于多轴结构应力法提出一种重载车辆变速箱中间轴焊接结构疲劳寿命分析方法，即建立含有焊缝细节的中间轴焊接结构有限元模型，求解得到焊缝危险点处的结构应力分量时间历程，并在结构应力平面上合成载荷路径，求得非比例加载路径的等效应力范围，最后结合主S-N曲线确定焊接结构的疲劳寿命。采用该方法分别对中间轴焊接结构的焊根、焊趾部位进行疲劳寿命分析并与疲劳台架试验结果进行对比，结果表明：分析得到的疲劳破坏位置和寿命值与疲劳台架试验结果均有良好的一致性，且焊根与焊趾寿命分析结果间的差异与已有文献多轴疲劳试验数据相一致，说明采用多轴结构应力法对变速箱中间轴焊接结构的疲劳寿命评估是可靠的。

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35. 综合传动系统时变工况动力学建模与求解方法研究

张丁戈, 王立勇, 李乐, 张金乐

中国机械工程 2023, 34 (22): 2665-2673. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.22.003

摘要（739）

PDF（pc）（3130KB）（518）

为满足特种车辆综合传动系统在实际复杂工况下负载特性实时监测与健康管理的需求，采用行星变速机构矩阵分析方法和数值求解方法，以实车传感器数据作为输入，建立了可实现时变工况下快速连续求解传动输出转速和扭矩的综合传动系统动力学模型，构建了行星变速机构运动学矩阵、运动微分方程与力矩平衡方程，提出了时变工况下动力学模型的快速连续求解方法以及在道路负载信息缺失的条件下进行道路负载求解的方法，并将计算所得的传动输出转速和扭矩在起步、换挡和加速三种典型工况下与台架试验结果进行了对比分析。结果表明，构建的动力学模型在道路负载信息缺失的条件下，可实现对综合传动输出特性的动态仿真计算，为特种车辆综合传动系统服役状态实时监测、动态控制和智能运维提供了支撑。

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36. 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（999）

PDF（pc）（4607KB）（517）

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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37. 曲线焊缝的机器人焊接轨迹规划与高频控制

吴超群, 赵松, 雷艇

中国机械工程 2023, 34 (14): 1723-1728. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.14.009

摘要（1464）

PDF（pc）（6070KB）（515）

机器人实时焊缝跟踪系统中，轨迹规划时间及控制延迟过高会影响跟踪精度和焊接质量。针对这一问题，结合B样条曲线插补算法和外部引导运动模块，提出一种用于曲线焊缝的分段式实时轨迹规划与控制方法。首先根据插补时间最优原则将轨迹分段，然后采用三次非均匀B样条插补每段轨迹并得到插补点，最后设计了机器人高频控制器，利用外部引导运动模块以4 ms为周期将插补点依次发送给机器人，引导机器人运动。试验结果表明，该方法在100 ms内即可完成正弦曲线焊缝的规划并引导机器人焊接，跟踪精度控制在±0.2 mm以内，实现了轨迹的快速规划和高频控制。

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38. 轻质铝合金轮毂分级淬火形性调控策略

池慧, 燕猛, 项鹏飞, 徐正琦, 安子军, 黄华贵,

中国机械工程 2023, 34 (10): 1214-1219,1229. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.10.011

摘要（887）

PDF（pc）（9521KB）（512）

为实现轻质铝合金轮毂的热处理变形精准调控，提出了喷淋+入水的新型分级区域淬火新工艺，通过搭建铝合金轮毂分级热处理试验平台及设计轮毂端面变形检测装置，对轻质铝合金轮毂热处理变形特性进行了详细分析。研究结果表明，轮毂内/外轮缘端面变形特性受轮毂结构刚度的影响，内轮缘变形呈现与外轮缘随动的变形特征；受轮毂换热不均匀、内部组织缺陷等影响，整体变形呈现一定的随机特性。在喷淋+入水的新型分级区域淬火新工艺下，轮毂典型监测点力学性能、硬度指标满足国标要求，轮毂外轮缘端面变形最大减幅达41.5%，新工艺可有效改善轻质铝合金轮毂的热处理轮毂端面变形情况。

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39. 水平强制振动光整加工对TC4钛合金表面完整性参数的影响

韩锐, 李秀红, 王嘉明, 李文辉, 程思源, 杨胜强,

中国机械工程 2023, 34 (17): 2037-2047. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.17.003

摘要（966）

PDF（pc）（7498KB）（506）

为探究水平强制振动光整加工对TC4钛合金试件表面完整性的影响，设计单因素实验分析主要工艺参数对表面粗糙度、显微硬度、表面残余应力、接触角的影响，得到较优工艺参数组合；分析较优参数下试件加工前后表面形貌、显微组织及表面晶格变化。研究结果表明：颗粒直径是影响表面粗糙度、显微硬度及残余应力的主要因素。随着颗粒直径的增大，表面粗糙度下降率先提高后降低，显微硬度和残余压应力增大；随着振幅、频率的增大，表面粗糙度下降率提高，显微硬度和残余压应力增大。加工后试件表面粗糙度Ra、Rq、Rz、Rt、RSm最大下降率分别为65.0%、62.2%、45.2%、42.0%和73.7%；显微硬度从320.8HV0.1增大至363.9HV0.1；表面残余压应力从-420.38 MPa变化为-621.25 MPa；表面波峰被去除，表层形成了致密层，晶粒组织得到了细化；衍射峰发生了偏移，并引入了数值更大的残余压应力。

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40. 基于数字孪生的铸造工艺过程环境影响评价方法

谷振宇, 何仪, 李东洋

中国机械工程 2023, 34 (12): 1465-1475. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.12.009

摘要（955）

PDF（pc）（4109KB）（504）

围绕铸造企业开展工艺过程环境影响与碳排放评价的新需求，针对工艺过程动态评价中动态数据的一致性与动态数据处理问题，以铸造工艺过程为研究对象，将数字孪生技术引入铸造工艺过程环境影响与碳排放的评价中，构建了面向环境影响评价的铸造工艺过程数字孪生模型，并将其融合到生命周期评价的基本过程中，提出了基于数字孪生的铸造工艺环境影响评价方法。通过由孪生模型向实例模型和实例孪生体的演化，保证了工艺过程数据结构的一致性，同时通过生成不同阶段的实例孪生体实现动态场景数据的承载，实现了工艺过程动态数据的处理。最后，以某铸造企业3.5 t运输机V法线铸造工艺过程为例，展示了所提方法在工艺过程环境影响评价中的应用。

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