机械工程学报

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机械工程学报. 2023, 59(13): 0-0.

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FAST舱-索悬挂系统阻尼识别的原型试验研究

李辉, 汤为, 孙才红

机械工程学报. 2023, 59(13): 1-10. https://doi.org/10.3901/JME.2023.13.001

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FAST望远镜的馈源支撑系统采用六根柔性钢索并联驱动馈源舱的方案，用于实现对目标射电源的初步指向和跟踪功能。馈源舱和六索构成度达600 m的巨型柔性舱-索悬挂动力学系统，其系统阻尼是影响FAST指向和跟踪精度的重要因素。对刚刚建成的舱-索悬挂系统原型的阻尼比进行大量的测试分析，根据馈源舱的运动范围分别选取4个不同的馈源舱位置进行舱-索系统振动测试，试验过程中主要采集馈源舱上不同位置点的振动加速度时程曲线作为主要测试数据，并对数据采用ITD法识别其模态频率和阻尼比。测试结果表明，FAST舱-索悬挂系统的阻尼比不低于0.003 5，相比以往的缩尺模型具有更高的能量耗散和动力学控制稳定性，为FAST的控制算法和调试提供重要参考依据。

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航天器相对运动模拟与相对位姿测量评估系统设计与试验

周芮, 刘延芳, 曹姝清, 武海雷, 齐乃明

机械工程学报. 2023, 59(13): 11-23. https://doi.org/10.3901/JME.2023.13.011

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为满足航天器相对位姿测量技术的验证需求，需要在地面实现目标航天器与追踪航天器之间相对位置和姿态运动模拟，并获取实时位姿数据。航天器相对运动模拟与相对位姿测量评估系统，采用双机械臂和二维导轨实现对目标航天器与追踪航天器相对运动的模拟；通过激光跟踪仪完成标定，建立了目标航天器及追踪航天器两个运动平台的基座、末端及工具的坐标系和基准坐标系，并给出各坐标系间的转换关系。此外，利用“棋盘格”标定板对航天器相对位姿测量系统进行标定，得到相机参数及目标模型靶标工具坐标系、相机工具坐标系与运动平台末端坐标系间的转换关系。航天器相对运动模拟试验结果表明，相对运动位置模拟精度优于3 mm、角度模拟精度优于0.2°；航天器相对位姿测量技术验证试验表明，航天器相距2 m时，相对位置测量最大误差小于0.045 m，角度测量最大误差小于0.417°。试验结果表明，航天器相对运动模拟精度能够满足航天器相对位姿测量评估需求。

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变胞折块机构：圆柱体/圆锥体切割链接而成的变胞折块机构设计与运动学分析

贾广鲁, 李兵, 戴建生

机械工程学报. 2023, 59(13): 24-35. https://doi.org/10.3901/JME.2023.13.024

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折纸是一种将纸折叠使其具有良好折叠效果的艺术。为了使其能够应用于机器人与机构学领域，学者们相继提出了厚板折纸机构的设计技术，使折纸可以广泛应用于折展机构与可重构机构的设计中。在这些研究中，变胞机构开辟了一种可以将折纸机构特别是厚板折纸引申于机构与机器人广泛应用的重要领域，将折纸机构的折叠特性与机构特征结合起来，使得所得机构更具有高适应性。提出一种新型研究方向，即变胞折块机构。这一研究突破了厚板折纸机构设计的局限，基于圆柱体和圆锥体的几何体，采用几何面分割与切换，提出了一种普适性新型折块机构设计方法，设计出一般类型的圆柱型和圆锥型变胞折块机构。这一类型机构具有典型的变胞特性，进行折体变换，并变换拓扑与活动度。文章通过推导这类变胞折块机构闭环方程，举例进行了不同类型变胞折块机构运动学分析。该类机构在变胞机构、折展机构、过约束机构和可重构机构等领域具有潜在的丰富应用前景。

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多构型组合式模块化可展开天线机构设计与分析

田大可, 高海明, 金路, 范小东, 刘荣强, 郭振伟, 赵丙峰

机械工程学报. 2023, 59(13): 36-48. https://doi.org/10.3901/JME.2023.13.036

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针对空间可展开天线大口径、高收纳率、高结构利用率等迫切发展需求，提出一种多构型组合式模块化可展开天线机构。首先，阐述了机构的总体方案，分别从模块组合规则、肋单元展收原理等对结构进行了详细分析，并基于机构学基本理论对机构的自由度进行了计算；其次，根据机器人学理论分别建立了单模块与多模块的运动学模型，利用空间等包络圆法求解出各肋单元夹角间的关系；同时采用数值仿真软件对多模块联动过程中肋单元夹角的变化规律进行了研究，对建立的多构型组合式模块化机构运动学模型进行了验证及分析；最后对比了单构型与多构型组合式两类天线的结构利用率、收纳率等关键参数，并研制了一台六棱柱单模块原理样机，开展了展开功能试验与验证。仿真及试验结果表明：所提出的机构能够实现由收拢至展开态的运动变化，展开过程中机构无干涉、卡滞等问题；同时，提出的新构型方案不仅保留了模块化结构通用性好、易拓展等特点，还具有较高的收纳率和结构利用率，研究成果对于丰富和发展宇航空间机构基础理论，推动该型天线的工程应用等具有较高的参考价值和借鉴意义。

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基于“误差流”理论的精密线性平台微行程定位精度表征方法

唐皓, 张栋, 张贺, 高贵兵, 郑煜

机械工程学报. 2023, 59(13): 49-58. https://doi.org/10.3901/JME.2023.13.049

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定位精度是衡量精密线性平台运动准确度的关键指标，传统方法无法准确揭示定位误差传递过程，其数学意义与对应分布规律难以准确映射，无法满足微行程尺度的需求。提出一种基于“误差流”理论的概率密度函数传递方法，通过建立微行程尺度下的定位误差数学模型，揭示定位误差传递规律，获取可用于表征定位精度分布规律的行程-定位误差函数，为后续误差预测与补偿提供理论基础与技术支撑。首先，剖析精密线性平台的机械结构，分析误差源，比较宏、微行程尺度下影响定位精度各因素及其权重，获取敏感误差项与相应的分布信息；其次，构建精密线性平台拓扑构型图，揭示定位误差传递规律；第三，基于“误差流”理论，建立“组件加工工艺—加工误差—装配误差—微动特性—微行程定位误差”的数学模型，逐阶段推导微行程尺度下定位精度的函数表达式，建立微行程尺度下定位误差与分布规律的数学映射关系。实验结果表明，影响定位精度各因素权重随行程变化的趋势与基于“误差流”理论的数学模型一致，新方法分布曲线在微行程(0.01～1 mm)下与实验结果更接近。

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2K-H型封闭式周转轮系功率流与传动效率计算

王成

机械工程学报. 2023, 59(13): 59-67. https://doi.org/10.3901/JME.2023.13.059

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轮系传动效率研究对降低装置能耗和提高装置性能具有重要意义。以2K-H型封闭式周转轮系为研究对象，提出了一种确定功率流和计算传动效率的方法。首先，利用沿啮合线积分法，建立了符合齿轮连续传动的内外齿轮副啮合效率模型。其次，根据齿轮所受啮合扭矩和转向，提出了一种判断轮系中主从动轮以及功率流向的方法。最后，针对2K-H型封闭式周转轮系的结构特征，绘制功率流图，利用分流功率理论和虚功率理论分别计算流经齿轮副的功率，进而建立2K-H型封闭式周转轮系的传动效率模型。以某H封闭式周转轮系为例，利用上述方法判断出其存在功率回流，对改进后轮系的传动效率进行计算。对比了齿轮副传动效率查表值对轮系传动效率的影响，结果表明，查表值中最大值和最小值所获得的轮系传动效率差值达到了0.016 5，误差较大。分析了齿数对轮系传动效率的影响，得出了轮系传动效率与齿数同方向变化的结论。据此，采用计算法获得齿轮副啮合/传动效率使轮系传动效率的模型更为精确。与已有方法进行了对比，为后续轮系传动性能的改善奠定了理论基础。

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无人作业运动平台的动态稳定性分析与失稳预测

刘翰泽, 赵江波, 王军政, 汪首坤, 张新

机械工程学报. 2023, 59(13): 68-78. https://doi.org/10.3901/JME.2023.13.068

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无人运动平台在复杂地形作业时面临致使倾翻失稳的危险因素，需要实时进行动态稳定性判定以及失稳预测，确保安全作业。现有失稳预测方法在抗干扰性、复杂环境适应性和超前性上存在不足。基于力角稳定裕度法，提出一种适用于无人作业运动平台的、不考虑与地面相互作用机理的稳定性分析方法，综合利用无人运动平台的结构、姿态和运动信息，得到倾翻稳定性的归一化标量表示，作为稳定性判据。针对失稳预测抗干扰能力不足、不够超前的问题，提出一种基于模糊推理的失稳预测方法。模糊推理包含基本规则集和扩展规则集，输入为稳定裕度及其变化率，输出为综合稳定性指标，经过对该指标的判定，给出预测结果。在四轮独立转向车和并联六自由度平台组成的无人运动平台上进行仿真和试验，结果表明提出的方法能实现对倾翻失稳的超前预测，并具有较强抗干扰能力。

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基于深度强化学习的四足机器人跟随策略研究及系统实现

钟沛成, 骆德渊, 庞明君

机械工程学报. 2023, 59(13): 79-88. https://doi.org/10.3901/JME.2023.13.079

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目标跟随策略是四足机器人目标跟随系统的重要组成部分。针对跟随过程中目标运动随机因素多、系统决策复杂以及现实部署鲁棒性不足的问题，首先，提出一种基于深度强化学习的目标跟随策略，该策略根据输入的目标相对于机器人的空间位置信息，输出跟随动作指令，实现机器人对随机运动目标的跟随决策。然后，使用基于Actor-Critic框架的深度强化学习算法对机器人进行训练，并添加观测值噪声以获得更鲁棒的跟随策略和引入修正因子来减少仿真环境与真实环境中机器人的运动速度偏差，先在仿真平台上进行了初步验证，最后将跟随策略部署到四足机器人上进行实验验证。结果表明，系统跟随性能良好，满足大多数应用场景的需要。

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自主工作模态分析方法研究综述

康杰, 王寅, 罗杰, 孙嘉宝, 曾舒洪

机械工程学报. 2023, 59(13): 89-109. https://doi.org/10.3901/JME.2023.13.089

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为适应结构健康监测对模态分析高效和自动化的需求，自主工作模态分析(Automated operational modal analysis，AOMA)在近二十年已成为结构动力学领域的研究热点之一。自动鉴别并剔除模态分析结果中的虚假模态，保留结构真实模态，是AOMA的核心和难点。现有AOMA方法可分为三类：①聚类法，核心是基于聚类算法自动挑选稳定图中的稳定模态作为真实模态，是目前的主流方法。②峰值提取法，自动挑选由真实模态引起的响应功率谱密度函数曲线或其奇异值曲线的峰值。③深度学习法，利用神经网络将工作模态分析问题转化为图像目标检测或时序分析问题。重点分析了三类方法的核心思想、分析流程及各自的特点，介绍了AOMA方法在工业软件及工程结构中的应用案例，最后阐明AOMA应用中应注意的问题及发展趋势。

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振动频率对电涡流阻尼非线性行为的影响

李力源, 李斌, 王东升

机械工程学报. 2023, 59(13): 110-123. https://doi.org/10.3901/JME.2023.13.110

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电涡流阻尼器是一种非接触式的阻尼消振装置，在结构振动控制领域具有广泛的应用前景。但是电涡流阻尼在实验中表现出显著的振动频率相关性，具有明显的阻尼非线性特征，而目前尚缺少深入的研究方法对这一现象进行定量分析与机理阐释。为此，以板式电涡流阻尼器为研究对象，考虑电涡流产生的时变反抗磁场的作用，提出了基于动磁场分布的电涡流阻尼力简化计算方法，并通过全耦合的磁-力有限元仿真及实验等验证了简化方法的有效性。与基于静磁场分布的传统线性电涡流阻尼模型相比较，该简化方法可以有效表征不同振动频率工况下阻尼力的非线性变化趋势；在100 Hz频率范围内，简化方法与精细有限元方法的计算结果之间表现出良好的一致性，误差不超过10%。之后进一步分析了运动诱导的反抗磁场强度和动磁场相位延迟与振动频率的相关性，进而揭示了两者对电涡流阻尼的竞争影响机制。研究结果表明，在振动频率较低时，电涡流阻尼的非线性主要受控于频率增大引发的动磁场相位延迟；而随着振动频率的持续增大，动磁场相位延迟的影响逐渐减弱，电涡流阻尼的非线性主要受控于反抗磁场对静磁场的影响。研究结论为电涡流阻尼器的宽频减振设计提供了有益的理论参考。

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弹性环配合紧度对转子动力学特性的影响

罗忠, 刘家希, 李雷, 吴法勇, 葛向东

机械工程学报. 2023, 59(13): 124-132. https://doi.org/10.3901/JME.2023.13.124

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弹性环式支承结构作为航空发动机中典型的弹性支承结构，其配合紧度很大程度上影响支承系统的刚度，进一步影响转子系统动力学特性，但相关研究尚少。因此，首先建立了弹性环式支承结构的有限元模型，分析了配合紧度对其刚度及强度特性的影响，并发现可通过分段刚度出现时的位移与凸台高度之间的关系来判断弹性环式式支承结构的配合紧度，然后搭建了相关实验台与测试结果对比，验证了仿真结果的正确性，最后建立了考虑弹性环式支承结构配合紧度的转子系统有限元模型，研究了其对转子系统动力学特性的影响。研究表明：过盈配合下的弹性环式支承结构会导致转子系统临界转速升高，间隙配合会导致临界转速降低，并会引起转子系统非线性振动，研究结果可为采用弹性环式支承结构的转子支承系统设计提供理论参考。

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基于多体接触瞬态动力学不对中故障模拟及试验验证

左彦飞, 李宁, 马波, 史守州, 冯坤

机械工程学报. 2023, 59(13): 133-147. https://doi.org/10.3901/JME.2023.13.133

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提出一种基于多体接触瞬态动力学的转子系统不对中故障等效模拟分析方法，通过偏移(偏转)驱动转速，模拟各部件非线性接触运动产生不对中激励，分析了模拟方法的力学等效性。以典型电机-泵系统为对象，建立了多体动力学模型，获得了高次谐波及相应相位特征，研究了螺栓与半联轴器、滚动体与内外圈的瞬态接触力及箱体振动响应，得到了高次谐波特征产生机理及联轴器两侧振动相位特征。通过试验测试，验证了模拟分析方法模拟主要故障特征的正确性。结果表明：单个螺栓与半联轴器间的瞬态接触力是产生不对中故障特征的激励源；箱体振动响应频谱中除产生1、2倍频外，还产生3、4倍频等高次谐波；平行(角度)不对中时联轴器两侧径向2倍频(1倍频)相位差为180°(0°)左右，且随不对中量增大呈递减(递增)趋势；箱体振动仿真及测试结果的故障特征频率大小一致，各特征频率幅值相对大小、幅值随不对中量变化规律均具有较好的一致性。

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仿真驱动下基于Ramanujan周期变换的轴承早期故障特征提取

胡文扬, 王天杨, 张飞斌, 褚福磊

机械工程学报. 2023, 59(13): 148-156. https://doi.org/10.3901/JME.2023.13.148

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在多源耦合强噪声干扰下，滚动轴承的早期故障特征信号往往很难进行快速而又准确地提取。针对现有研究中存在的抗噪能力较弱、计算效率较低等问题，一种基于仿真驱动的Ramanujan周期变换的滚动轴承早期故障特征提取方法被提出。首先，基于待分析滚动轴承的先验知识，构建故障仿真动力学模型并获得仿真的稳态响应。其次，将该仿真信号作Ramanujan周期变换得到变换系数，并基于该变换系数获得故障特征信息的变换位置。最后，基于仿真响应信号所得到的故障特征信息变换位置，对实际监测信号进行Ramanujan周期变换来分离出早期故障特征。采用IMS轴承数据集对所提出的方法进行了验证，结果表明所提出的方法能够在强背景噪声下高效且准确地提取滚动轴承的早期故障特征。

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基于载荷传递路径的履带车辆多层级耦合动力学建模与分析

李春明, 鲍珂

机械工程学报. 2023, 59(13): 157-174. https://doi.org/10.3901/JME.2023.13.157

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履带车辆由车体、行动系统、动力装置等组成，顶部安装武器系统或作业设备等任务负载，是国防和特种工业领域重要的陆基移动平台形式。在动力装置激励和路面不平度激励的综合作用下，履带车辆的多层级耦合动力学特性十分复杂，载荷传递路径对任务负载的动力学稳定性影响显著，开展相关研究具有重大的理论意义和工程价值。某重型履带车辆为对象，根据车体、动力装置、负重轮、履带之间的载荷传递关系，建立模块化的多层级耦合动力学模型；基于“激励源-传递路径-目标点响应”的振动传递机理，进行动力装置和路面两种激励源下实车载荷传递特征测试，对多层级耦合动力学模型的有效性进行验证；基于经过实车测试验证的动力学模型，计算获得典型载荷激励下车体各自由度的响应谱和整车模态动能分布规律，进而讨论了结构轻量化、行驶速度、履带预张紧力等因素对任务负载动力学稳定性的影响。研究结果表明，基于载荷传递路径的履带车辆多层级耦合动力学模型能够有效表征车体在多源激励下的振动传递机理，在试验条件受限时为履带车辆结构设计、动力学优化、振动控制提供基础理论依据和高效分析方法，并可拓展用于履带车辆故障诊断和激励源定位。

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冲击响应机理驱动稀疏表示自编码网络的滚动轴承故障特征提取

郑琛, 丁康, 何国林, 林慧斌, 蒋飞

机械工程学报. 2023, 59(13): 175-183. https://doi.org/10.3901/JME.2023.13.175

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由于时域滑移、非承载区信号丢失、噪声等因素的干扰，滚动轴承故障特征难以准确提取，而智能诊断方法提取的多为抽象特征，不具备可解释性。首先，联合冲击响应机理与稀疏表示理论，设计了具备可解释性的稀疏表示自编码网络，将自编码网络的编码层和解码层分别等效为稀疏向量的求解与过完备字典的学习；其次，基于冲击响应参数的损失函数特征设计了自适应优化算法，有效实现了特征参数的快速全局寻优；结合设计的稀疏表示自编码网络与滚动轴承冲击信号特征构建了二层神经网络，对轴承故障信号进行高精度的特征重构。最后，仿真分析表明该方法特征提取精度高、抗噪性能好，能够提取具有明确物理意义的冲击故障特征参数，并进一步通过实验验证了所提方法的有效性。

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基于自修正系数和模糊PID的高端装备亚微米级不平衡振动靶向抑制方法

许聪聪, 潘鑫, 张皓宇, 张馨

机械工程学报. 2023, 59(13): 184-192. https://doi.org/10.3901/JME.2023.13.184

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转子系统不平衡振动是以高档机床和航空发动机为代表的高端装备振动超标的主要原因，为了实现高端装备不平衡振动的快准精稳抑制，提出了一种基于自修正系数和模糊PID的不平衡振动靶向抑制方法。该方法基于电磁式平衡执行器，以自修正系数法为核心，引入模糊PID算法对执行器内配重盘单次动作步数进行优化，仿真结果表明，模糊PID算法实现了配重盘的变步长控制，降低了平衡时间。最后通过模拟实验和现场试验验证了该方法的有效性和可靠性。模拟实验结果表明，该方法较传统影响系数法控制效果更好，平衡速度更快。现场试验结果表明，自动平衡系统可在30 s内将机床的不平衡振动从5.0μm降低至0.3 μm，实现了高端装备的振动亚微米级控制，并有效提高了加工工件的圆度误差。

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数字工程及十个领域应用展望

陶飞, 张辰源, 刘蔚然, 张贺, 马昕, 高鹏飞, 张建康

机械工程学报. 2023, 59(13): 193-215. https://doi.org/10.3901/JME.2023.13.193

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依赖物理手段规划、研究、设计、制造、试验和使用产品或系统，通常存在研制周期长、运营成本高、响应不及时、智能程度低、体系优化难等问题，数字工程为解决上述问题提供了新的思路和途径。通过总结近20多年数智化实践和分析未来发展趋势，从物理空间出发，提出基于“信息空间”提速增效、基于“数字空间”仿真分析、基于“数实空间”虚实交互、基于“数智空间”智能决策、基于“数智生态”体系优化的数字工程演进历程和五等级成熟度模型。在数字工程范畴下，定义了“数力”和“智力”，以及由“控全局、破孤岛、聚能力、跨时空、强智能、深协同”组成的数字工程“能力”，进而提出通过开发“数力”，运用“智力”，进而提升体系化解决问题和满足需求“能力”的数字工程新理解与系统思考。分析了NewIT时代下数字工程的六大需求与挑战。设计提出以“智能中枢”为核心，以“物理线程、模型线程、数据线程、服务线程”四线程为主线的数字工程体系架构，并阐述支撑数字工程的八类关键技术。最后结合团队科研实践，基于所提架构和技术，面向海陆空天复杂产品与装备研制，以及城市、医疗、能源等复杂系统工程重大需求，对核电厂数字工程、航空发动机数字工程、卫星互联网数字工程、海洋系统及海洋装备数字工程、风洞数字工程、未来战场数字工程、城市数字工程、高档数控机床数字工程、能源数字工程、车辆数字工程等重大领域进行应用探索。期望相关工作为复杂产品或系统全生命周期科学组织、智能管控和体系优化，以及为数字中国建设与数字经济发展提供参考。

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面向可持续价值共创的跨组织协同产品全生命周期设计方法

陶璟, 邬如靖, 鲍宏, 盛博, 于随然

机械工程学报. 2023, 59(13): 216-227. https://doi.org/10.3901/JME.2023.13.216

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可持续发展已成为世界各国的共识。产品全生命设计是以提高产品服务系统可持续性为原则的先进设计方法论，是落实绿色制造战略的重要手段。针对产品全生命周期设计利益相关主体多、设计环节多、难度大风险高的问题，分析明确了跨组织协同必要性，辨析了不同主体可持续价值主张对协同设计的驱动作用；提出了基于“可持续价值-需求”-“技术要求”-“技术方案”域映射的产品生命周期设计方法框架，解决了面向可持续性的跨组织协同目标构建、设计冲突辨识、产品及其全生命周期过程(如工艺、服务)绿色设计实现等关键问题，并通过工程机械装备案例研究验证了可行性和有效性。

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再制造工作辊热轧退化脉冲涡流在线监测方法研究

宋守许, 蔚辰, 李想, 徐瑞

机械工程学报. 2023, 59(13): 228-237. https://doi.org/10.3901/JME.2023.13.228

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再制造工作辊熔覆层在高温潮湿的工作环境中易发生复杂的氧化退化行为，而其辊面性能的下降对轧件质量会产生巨大影响。通过热轧模拟试验揭示了工业热轧条件下的再制造工作辊辊面退化过程，发现热轧过程中高速钢熔覆层发生马氏体基体碳析出以及合金碳化物的分解与析出，引发熔覆层硬度下降和马氏体基体磁性软化。基于熔覆层马氏体基体磁性软化现象，构建了一套高速钢再制造氧化退化过程的脉冲涡流监测方法与系统，并提出一种变分模态分解-希尔伯特(Variational mode decomposition-Hilbert，VMD-Hilbert)方法，该方法可在脉冲涡流相应信号中有效提取再制造高速钢工作辊熔覆层的退化信息。最后，以0～5 000 Hz频率内脉冲涡流信号的边际谱加权和为新特征，实现再制造高速钢工作辊热轧退化状态的定量表征。所构建的脉冲涡流在线监测方法可适用于监测各类再制造工作辊的高温退化过程，具有广阔应用前景。

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面向寿命定制的废旧产品再制造设计过程模型研究

江志刚, 张俊辉, 朱硕, 鄢威, 张华

机械工程学报. 2023, 59(13): 238-245. https://doi.org/10.3901/JME.2023.13.238

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寿命定制是量化废旧产品再制造需求并保障再制造产品设计质量的重要途径。针对废旧产品再制造设计目标不明确、设计质量不稳定等问题，引入寿命定制策略提升再制造设计过程的可解释性、增强设计模型的导向作用，考虑设计需求与废旧产品自身失效特征对再制造设计过程的双重影响，基于产品质量功能展开(QFD)的思想创建再制造产品寿命定制设计屋模型，实现面向寿命定制的废旧产品再制造设计。在寿命定制设计屋模型的关键再制造设计参数分析模块中，建立设计需求和失效特征双向反馈的寿命影响因素相互关系矩阵，得到影响寿命的关键设计参数；在再制造设计参数的生成模块中，构建基于关键设计参数的BP神经网络寿命预测模型，并以定制寿命为优化目标，采用神经网络-果蝇优化算法(BP-FOA)将最接近定制寿命的再制造设计参数作为最优解输出。以典型家电产品电冰箱的再制造设计过程为例，对模型的有效性进行验证。

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基于改进Q学习的可重入混合流水车间绿色动态调度

吴秀丽, 闫晓燕

机械工程学报. 2023, 59(13): 246-259. https://doi.org/10.3901/JME.2023.13.246

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节能减排对于实现可持续发展具有重要意义。考虑了动态扰动事件对生产的影响，研究了可重入混合流水车间绿色动态调度问题，提出了改进的Q学习算法。在可重入混合流水车间中，将各个加工阶段抽象为智能体，搭建了多智能体强化学习模型。选用均值漂移算法对历史状态进行聚类。为实现全局优化，设计了经验共享策略实现各个智能体之间的经验交互，并设计了自适应贪婪策略选取动作。最后进行了数值实验，实验结果表明，在求解可重入混合流水车间绿色动态调度问题时，改进的Q学习算法优于单一的调度规则，可以在提高生产效率的同时保证较低的能耗，并且能够对实际生产环境中的动态扰动因素快速做出反应，能够有效地解决实际问题。

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螺旋锥齿轮数字孪生体模态参数的提取与分析

曹雪梅, 何宏图, 魏冰阳, 许浩

机械工程学报. 2023, 59(13): 260-267. https://doi.org/10.3901/JME.2023.13.260

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为了得到准确的螺旋锥齿轮数字孪生体模态参数，通过螺旋锥齿轮的模态试验，得到了自由模态的模态频率、模态振型、频响函数；计算了自模态置信准则度矩阵(Auto MAC)，各阶模态相关性很低，表明模态试验提取的模态振型具有较好的准确性。以各阶试验模态频率为目标，修正螺旋锥齿轮的物理属性并进行模态仿真，得到自由模态的模态频率、模态振型、频响函数。与模态试验结果对比，最大模态频率偏差为1.235%；计算了试验与数字孪生体模态振型的互模态置信准则度矩阵(Cross MAC)，表明数字孪生体模态振型与试验模态振型具有较好的一致性；试验和仿真频响函数对比进一步验证了数字孪生体模态分析的准确性。对数字孪生体的模态仿真不仅可以辨识出由于试验条件限制无法测试出的模态参数；通过试验与仿真模态振型Cross MAC与试验模态振型的Auto MAC对比，还可以识别出试验误差较大的模态参数。试验和仿真对比分析表明本文方法构造的螺旋锥齿轮数字孪生体模型是准确的，可以解决由于试验条件限制测不全和测不准的问题。

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基于数字孪生的大马力拖拉机湿式离合器压力控制方法研究

张延安, 杜岳峰, 毛恩荣, 宋正河, 陈度, 朱忠祥

机械工程学报. 2023, 59(13): 268-279. https://doi.org/10.3901/JME.2023.13.268

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大马力动力换挡拖拉机作业环境多变、工况复杂，其工作过程换挡频繁，针对动力换挡变速箱(Power shift transmission, PST)湿式离合器压力控制不准确、响应迟滞等问题，引入数字孪生的理念，提出了一种数字孪生驱动的时变比例微分自适应控制(Digital twin driven time-varying proportional integral adaptive control, DT-TVPIA)方法。首先，建立湿式离合器液压系统物理模型，分析系统物理模型的干扰因素；然后，利用输入/输出(Input/Output, I/O)数据构建湿式离合器液压系统数字孪生体；其次，利用Savitzky-Golay滤波器实时处理传感器数据，设计基于改进投影算法的自更新控制器，考虑最小化加权一步向前预报误差的控制电压准则函数，引入微分控制因子，设计时变比例微分自适应控制器；最后，开展基于快速控制原型(Rapid control prototype, RCP)的离合器压力控制试验。结果表明，伪梯度估计值随系统状态变化而变化，在系统状态发生剧烈变化时，数字孪生体能够在0.445 s内迅速更新并准确描述离合器液压系统，验证了基于I/O数据的湿式离合器液压系统数字孪生体的有效性；对比试验结果表明，与PID相比，DT-TVPIA的离合器压力响应速度更快，鲁棒性更好，其方波压力响应时间、超调量、稳态误差分别在0.445 s、0 MPa、0.001 MPa以内，正弦压力响应延迟时间、跟随误差、压力波动分别在0.05 s、0.024 MPa、0.001 MPa以内，满足拖拉机湿式离合器压力控制要求，研究结果为动力换挡拖拉机换挡品质的提升提供了基础，同时，为数字孪生技术在复杂非线性系统优化控制方面的应用提供了参考。

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基于QP改进模型的离心泵性能预测方法

吴跃忠, 张婷, 费铭昊, 吴登昊, 任芸

机械工程学报. 2023, 59(13): 280-289. https://doi.org/10.3901/JME.2023.13.280

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离心泵广泛的应用于工业生产的各个领域，其用电量占工业电动机用电总量的22%。为了实现离心泵机组能耗的有效监测，以及解决传感器测量技术存在的成本高、故障率高等问题，需要发展一种新的无传感在线监测技术。在标准流量Q-轴功率P(QP)预测模型的基础上，以一台异步电机驱动的多级离心泵为研究对象，通过水力性能测试获取了不同工况下的性能数据。借助离心泵相似定理，修正当前转速下的离心泵特性曲线，建立流量与轴功率和转速以及扬程与流量和转速的数学预测模型。基于不同转速下预测模型的流量和扬程误差分析结果，提出一种基于转速差加权算法的QP改进模型。开展4种不同转速差权重函数的流量和扬程预测模型的误差分析，结果表明：带有权重函数Ⅲ的QP改进模型平均预测误差最小，其流量平均误差为3.66%和扬程平均误差为1.51%，与标准QP模型相比，其预测精度得到大幅提升。该QP改进模型进一步提升了离心泵运行状态的预测精度，为离心泵性能无传感在线监测技术的发展提供了一定理论参考。

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面向金属基材的清洗技术及清洁度评价方法研究新进展

赵勇, 郭江, 冯健, 王钦强, 龙鹏宇, 张金龙, 张林伟, 王朔, 孟令刚, 金洙吉, 康仁科

机械工程学报. 2023, 59(13): 290-313. https://doi.org/10.3901/JME.2023.13.290

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清洗技术及清洁度评价的发展已难以满足制造业日益提升的要求，因此综述清洗技术及清洁度评价方法变得尤为重要。探讨了面向金属基材的干式及湿式清洗技术的原理、典型案例及发展水平；分析了清洁度定性及定量评价方法的特点、评价标准及使用范围。在此基础上，指出了清洗技术及清洁度评价方法的发展趋势。分析表明：高效复合清洗工艺及绿色清洗技术、多样化的清洁度评价方法及面向特定工艺的清洁度评价体系将是未来研究的重点关注问题；此外，提高基材初始清洁度，重视基材主动清洗技术将是进一步提升金属基材表面清洁度的关键。以金属基材的清洗及评价为视角系统地综述了清洗技术及清洁度评价方法的研究进展，为后续的相关研究提供了全面的参考。

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基于切削运动学分析的铣削加工表面粗糙度预测方法研究

郭国强, 杨博宇, 李建华, 成群林, 王大中, 林立芳, 沈彬

机械工程学报. 2023, 59(13): 314-324. https://doi.org/10.3901/JME.2023.13.314

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基于切削过程中的刀刃运动轨迹对加工表面形貌生成过程开展了运动学分析，首先基于刀具几何形状建立了面铣刀几何模型，并结合进给量、切削深度等切削参数和刀具偏心跳动带来的影响，建立了工件坐标系下的切削刃运动轨迹方程。其次对加工表面进行了离散化处理，并使用切比雪夫多项式求解计算得到每个网格处的表面形貌高度，并叠加取最小高度值作为最终的加工表面形貌高度。最后将单次铣削的预测结果与切削宽度结合，从而扩展到多次横向走刀铣削加工，提出了用于面铣刀几何形状和切削参数的表面粗糙度预测方法。通过不同平面铣削参数下的试验测量值对预测结果进行了验证，结果表明，同时考虑刀具几何形状与偏心跳动影响，预测值能够较为准确地表达出实际加工表面粗糙度的变化趋势与大小。

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纳米增强生物润滑剂CFRP材料去除力学行为与磨削力预测模型

高腾, 李长河, 张彦彬, 杨敏, 曹华军, 王大中, 刘新, 周宗明, 刘波

机械工程学报. 2023, 59(13): 325-342. https://doi.org/10.3901/JME.2023.13.325

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碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)由于比强度和比刚度高且能实现材料结构性能一体化设计制造，已成为航空航天装备减重的优选材料。精密磨削是CFRP成形后保证装配公差和精度必需的加工方法。切削液解决了磨削界面强热力作用下冷却润滑和排屑等问题，但CFRP易吸湿膨胀导致力学性能降低限制了浇注式润滑的应用。而干切削易造成表面完整性恶化和粉尘污染，以极少量生物润滑剂雾化浸润切削区的准干式切削加工是必然选择。然而，对于非均质各向异性的CFRP的精密平面磨削材料去除力学行为尚不明确。基于此，提出了基于纳米增强生物润滑剂微量润滑的CFRP磨削方法。首先，分析了磨削区磨粒的几何学运动学规律，研究了随机磨粒对多相异质CFRP的随机碳纤维的磨削干涉状态。其次，揭示了磨粒纤维的接触力学行为和磨粒对纤维断面的挤压材料去除机理。分析了单侧约束纤维的弯扭破坏及其所致界面相剥离，通过多纤维块状去除力学行为分析确定了纤维束去除中纤维断裂平均应力。建立了磨粒与纤维的椭圆域接触力学模型，和基于拉伸断裂破坏的单纤维切削力学模型。最后，考虑砂轮工件界面摩擦建立了不同工况的CFRP平面磨削力模型并进行了实验验证，最优条件下模型误差14.73%。结果表明，纳米增强生物润滑剂微量润滑的磨削力最低，法向和切向力相比干磨削分别降低了22.93%和55.79%。

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多冲击角度下Cr₃C₂-kNiCr涂层的冲蚀磨损行为

李燕乐, 徐同明, 李方义, 李剑峰, 鹿海洋, 杜际雨, 戚小霞

机械工程学报. 2023, 59(13): 343-352. https://doi.org/10.3901/JME.2023.13.343

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利用行星式球磨机和超音速火焰喷涂设备制备了6组NiCr含量分别为25%、40%、55%、70%、85%和100%的Cr₃C₂-kNiCr涂层，采用冲蚀磨损试验系统测试了各涂层在低、中、高冲击角度下的冲蚀率，并观察了涂层表面的冲蚀磨损特征。采用纳米压痕测试仪、断裂韧性测试仪和维氏硬度仪等设备测试了6组涂层的弹性模量、断裂韧性和维氏硬度。测试分析了涂层的截面形貌和孔隙率，分析了粉末的微观形貌、粒度和成分。结果表明，各涂层内、层间和界面质量好，孔隙率低至0.46%以下；各粉末球形度好、粒度分布均匀性和一致性好、元素分布均匀；随着NiCr含量增大，各涂层的显微硬度和弹性模量稳定减小，断裂韧性稳定增大；随着NiCr含量的增加，Cr₃C₂-kNiCr涂层的冲蚀磨损行为及特征由典型脆性材料逐渐转为典型塑性材料，低冲击角度下抗冲蚀性能逐渐劣化，而高冲击角度下逐渐增强；低、高冲击角度下抗冲蚀磨损的机制分别是高硬度抵抗冲蚀粒子的切入和高韧性通过塑性变形吸收法向冲击能量。因此，可通过调控Cr₃C₂-kNiCr涂层中NiCr含量来适用不同冲击角度下金属陶瓷涂层的抗冲蚀性能需求。

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超高强钢焊管无回弹补偿冷热复合精密弯曲

徐怡, 胡馨予, 张学宇, 何祝斌

机械工程学报. 2023, 59(13): 353-363. https://doi.org/10.3901/JME.2023.13.353

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复杂异形金属管件常具有不规则截面和空间弯曲轴线。对于DP双相钢、QP淬火延性钢等超高强度金属管件，需要进行多道次回弹补偿和修模才可获得高尺寸精度。以轴线曲率半径分段突变的薄壁弯管为对象建立了弯管回弹与位移理论解析模型，分析了圆弧段回弹角与弯管不同位置处相对位移的映射关系，明晰了圆弧段回弹角对弯管精度的影响。基于此，提出薄壁管无回弹补偿冷热复合精密弯曲方法，通过对预弯曲管坯进行局部热态模压及模内约束冷却，实现弯曲段精确变形及环向组织性能均匀化。以DP980钢ERW焊管为对象，测试了不同弯曲角度弯管的回弹角和环向壁厚，以及预弯管自阻加热时升温速率、温度分布及环向温差；通过模压实验，测试了冷热复合弯曲前后弯管回弹角及组织性能的变化。结果表明：(1) 弯管自阻加热时沿管端向对称截面处温度逐渐升高并趋于稳定，但同时环向温差逐渐增加，当管坯中心区温度为800 ℃时环向温差约100 ℃；(2) 冷弯后弯管回弹明显且弯曲角度越大回弹角越大，但在热模压及模内冷却后，弯管的回弹角仅为预弯后回弹角的约5%；(3) 模压后水冷虽可提高弯管的强度和硬度，但将破坏DP980钢的原始组织状态，同时在焊缝区出现局部弱化。采用模冷可实现弯曲段环向组织性能均匀化，且强度和硬度与原始管坯接近。研究结果验证了“冷热复合精密弯曲”的可行性，无需回弹补偿即可实现超高强钢焊管的短流程精密弯曲。

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钢铜磁脉冲接头微观组织演化机理及数值模拟

牟刚, 何伦, 郑开魁, 沈忱, 向红亮, 马鑫磊

机械工程学报. 2023, 59(13): 364-374. https://doi.org/10.3901/JME.2023.13.364

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为揭示内外管径向间隙对电磁脉冲焊接头界面微观组织的内在作用机理，本文通过改变304L不锈钢与T2紫铜管的径向间隙，结合微观表征和数值模拟，深入研究微观组织演化机理。研究表明，试样界面呈现倾倒波浪状是高速碰撞引起的开尔文-亥姆霍兹界面失稳效应造成的。随着径向间隙由1.65 mm增加到2.15 mm，磁场强度峰值、碰撞速度及碰撞角度增加，界面微观组织的未结合区域增加，波浪状界面波长变大，且应力分布呈现S型。界面元素分布是局部区域高温熔化和较高温度下元素互扩散的综合作用引起的。接头形成过程包括外管上表面弧形化、外管端部的破碎化、未结合区域以及结合区域的形成四个阶段，其原因是在冲击波、反射波以及冲击波传播方向的综合叠加作用下，金属管不同部位发生了不同的塑性变形。

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刊出日期：2023-07-05

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