中国机械工程

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2023, 34(13): 0.

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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

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

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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。

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,

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

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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。

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

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

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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。

涡轮泵用球面装配机械密封热变形及磨损特性实验研究

李勇凡, 宋勇, 郝木明, 庄宿国, 周芮, 李天照, 王陈寅, 任宝杰, 李小卒

2023, 34(13): 1550-1558. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.13.004

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以少量常压煤油介质条件下涡轮泵用球面装配机械密封为对象，通过实验测试分析端面磨损形成机理。设计实验工装，实现金属环截面9点温度矩阵和石墨环座3位置轴向位移的测试，得到两种弹簧力条件下温升和位移演变数据，并对磨损端面进行光学显微观测和径向轮廓测量。结果表明：磨损深度以内径处最大，至靠近外径处一定宽度内无磨损；随转速的升高密封环轴向及径向温度梯度不断增大；两工况下密封环倾转热变形造成的端面间隙锥度约为2.5 mrad和7.5 mrad。对于该型式密封，有必要通过端面开设流体动压槽以形成主动泵入润滑等方法来改善流体静压润滑效应缺失造成的严重磨损。

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

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

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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。

Al7.8Co20.6Cr12.2Fe11.5Ni40.7Ti7.2高熵超合金的摩擦磨损行为研究

李光俊, 段宏, 徐磊, 阚琛, 刘忠亮, 高晓东

2023, 34(13): 1568-1575. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.13.006

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使用真空非自耗电弧熔炼技术制备了Al7.8Co20.6Cr12.2Fe11.5Ni40.7Ti7.2高熵超合金，表征了该合金的显微结构和力学性能，考察了该合金在硝酸介质和高温环境中的摩擦磨损性能。结果表明：该高熵超合金的显微组织以树枝晶为主，其维氏硬度、屈服强度、抗压强度和断裂韧性分别为422±8 HV0.2、991±32 MPa、2121±197 MPa和49.5±0.1 MPa·m0.5。在硝酸介质中，该高熵超合金的抗腐蚀性能优于0Cr17Ni7Al不锈钢，在硝酸介质中的摩擦因数和磨损率均低于干摩擦状态，主要是因为磨损表面氧化物的生成降低了摩擦因数并提高了抗磨损性能。在高温环境中，温度对其摩擦因数有显著的影响；随着温度的升高，摩擦因数和磨损率均呈下降趋势。不同温度下磨损表面的氧含量具有显著的差异，温度越高，其氧含量越高。

基于多目标混合进化算法的作业车间混排可变分批节能调度方法

谢法吾, 李玲玲, 李丽, 黄洋鹏

2023, 34(13): 1576-1588,1598. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.13.007

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针对作业车间分批调度问题，集成可变子批划分和子批混排策略，考虑批量划分约束、子批混排加工约束等，建立了最小化能耗和完工时间的混排可变分批调度优化模型，并提出了一种改进多目标混合进化算法。为了协调算法的全局搜索与局部搜索性能，将Jaya算法种群更新机制引入基于分解的多目标进化算法中，同时结合混排可变分批调度问题特征，设计了一种基于子批拆分/合并与关键链相结合的局部搜索策略。基于不同规模算例，对比分析了所提出的算法与其他经典算法的求解性能。实验结果表明，所提出的算法在Pareto解集收敛性和分布性方面具有明显优势，同时所提出的混排可变分批策略可有效降低能耗、缩短完工时间。

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,

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

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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。

Cu-Diamond复合材料的多次电弧烧蚀性能研究

王飞, 凤仪, 李新朝, 刘铸汉

2023, 34(13): 1599-1604. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.13.009

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采用真空热压烧结法制得金刚石分布均匀，且与铜基结合良好的Cu-Diamond复合材料（金刚石体积分数为5%）。在空气气氛中对Cu-5vol.%Diamond复合材料进行多次电弧烧蚀，通过场发射扫描电子显微镜（SEM）和三维激光共聚焦显微镜（3D LSCM）对烧蚀表面进行观察分析，利用能谱仪（EDS）和X射线光电子能谱仪（XPS）对烧蚀后的成分进行分析，结果表明，经过100次9 kV高电压电弧烧蚀后，复合材料烧蚀区域中的铜基体出现熔化和溅射，并被氧化成了CuO和Cu2O，同时金刚石颗粒较大幅度提高了该复合材料的抗电弧烧蚀能力。

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

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

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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。

新型液压机械双流传动模式切换分析与控制研究

夏光, 魏志祥, 唐希雯, 纵华宇, 汪韶杰

2023, 34(13): 1611-1627. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.13.011

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以自主开发的新型液压机械双流传动（HMT）系统为研究对象，分析了HMT系统的结构与工作特性。在此基础上，建立了HMT模式切换过程的数学模型与AMESim模型，并进行传动模式切换过程分析，获得HMT传动模式切换特性的影响因素。针对HMT模式切换过程存在的功率循环问题，提出了考虑功率循环的HMT模式切换策略。针对HMT模式切换过程中的速度波动问题，提出了基于马达输出转矩补偿的模式切换控制方法。仿真与试验结果表明：考虑功率循环的HMT传动模式切换策略可有效减小循环功率；基于马达输出转矩补偿的模式切换控制可有效减小速度的大范围波动。

汽车自动驾驶过程中不同姿态乘员在追尾碰撞中的损伤研究

武和全, 边楚虹, 胡林, 龚创业

2023, 34(13): 1628-1637. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.13.012

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为探究自动驾驶情形下不同姿态乘员在追尾碰撞中的损伤风险，利用THUMS人体模型研究了不同姿态下乘员的生物力学响应。通过对比尸体试验的运动学响应对THUMS乘员约束系统模型的有效性进行了验证，在此基础上调整THUMS姿态，使其分别为E-NCAP规范下的标准乘员姿态和120°、150°、180°姿态。然后搭建对应的4种不同座椅角度追尾碰撞模型，对其施加E-NCAP下的追尾碰撞加速度波形（中速4.88g和高速6.44g）。通过8组仿真试验对比发现，在追尾碰撞中，标准姿态与120°姿态下的乘员损伤风险较小；颈部棘突间韧带应变值随乘员倾斜角度增大而减小；150°与180°姿态下乘员存在颈部前纵向韧带拉伤的风险；安全带在4种乘员姿态下均可起到约束作用，乘员下肢会以骨盆为中心发生偏转，肋骨未发生骨折，内脏器官均未见损伤。

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2023, 34(13): 1638.

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