机械工程学报

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戴一帆, 彭小强, 薛帅, 蒋庄德

机械工程学报. 2023, 59(21): 1-14. https://doi.org/10.3901/JME.2023.21.001

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聚变点火、同步辐射、光刻机、深空探测、侦察预警等高端装备要实现一系列前所未有的极端性能，并朝着多样化和复杂化的方向发展。强光元件、同步辐射反射镜、掩膜版和光刻物镜、深空探测X射线反射镜等关键光学元件是这些系统实现聚焦、极高能量输出、极高峰值功率、极端尺寸光束聚焦和纳米尺度精确图案转印等极端性能的关键。要实现这些高端装备的极端性能，对核心关键元件的光学制造提出了高精度、低损伤、低应力、洁净制造和功构一体等要求，要求实现的是多物理参数约束下的高性能。元件的性能不仅由设计约束，更受到制造水平的制约，传统的以提升精度为目标的光学制造方法面临挑战，亟待实现从高精度制造到高性能制造的跃升。高性能光学制造是指面向极端性能高端制造装备发展对材料/结构特殊、高功率/高能辐照、低缺陷和洁净制造等关键光学元件的制造需求，以服役性能精准调控为目标，通过高性能光学制造装备、工具、检测和工艺等方面的技术创新，制造特殊材料/结构或者极高功能的元件，可作业于极端性能服役环境的制造。将近年来国内外围绕光学元件和超精密零件高性能光学制造的工作进行初步凝练，总结高性能光学制造典型元件的特点、光学制造要求和光学制造技术，尝试阐明高性能光学制造的内涵，介绍高性能光学制造的关键技术和发展趋势，并给出了高性能光学制造的应用实例。

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磨削加工颤振稳定性研究综述

朱子俊, 朱祥龙, 董志刚, 康仁科, 鲍岩

机械工程学报. 2023, 59(21): 15-33. https://doi.org/10.3901/JME.2023.21.015

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在磨削难加工材料制成或具有薄壁、大长径比、复杂曲面结构的零部件时，磨削系统颤振会直接影响零部件表面加工质量和轮廓精度，从而影响使用寿命。但是目前对磨削颤振系统产生机理，稳定性模型建立与分析的研究仍有不足。深入开展磨削加工过程中颤振稳定性研究对于提升加工质量、保障磨削系统稳定运行具有重要意义。围绕磨削颤振机理、磨削稳定性建模与求解方法和应用进行综述，首先分析磨削系统稳定性的主要影响因素，深入讨论颤振的成因和磨削系统动力学建模进展；然后，从频域、时域、实验等方面重点分析磨削稳定性模型的求解方法，比较并归纳各种求解方法的过程原理、研究现状与优缺点；最后总结稳定性分析应用方法与现状，并对磨削加工颤振稳定性研究未来的发展方向进行展望。

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微圆弧金刚石刀具刃磨关键技术及应用

刘汉中, 张瑞涛, 宗文俊, 孙涛

机械工程学报. 2023, 59(21): 34-42. https://doi.org/10.3901/JME.2023.21.034

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微圆弧金刚石刀具是实现微结构功能表面机械加工的必备工具之一，高性能刀具可提高微结构表面精度和质量一致性。针对机械刃磨技术，研究微圆弧金刚石刀具的定向设计、制造工艺和装备，分析不同定向刀具的切削刃强度与其刀刃圆弧波纹度、锋利度和耐用度的关系。结果表明，微圆弧金刚石刀具的使用性能与其定向方案有关；针对不同定向的刀具，采用专门的刃磨工艺参数可减小因定向不同导致的刀具质量差异。采用最新研制的金刚石刀具专用刃磨机床，可以获得刀刃圆弧波纹度优于30 nm/60°包角、锋利度优于50 nm的微圆弧金刚石刀具。

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基于重复控制的快速刀具伺服系统前馈补偿方法

黄维维, 张鑫泉, 朱利民

机械工程学报. 2023, 59(21): 43-51. https://doi.org/10.3901/JME.2023.21.043

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快速刀具伺服(Fast tool servo，FTS)系统的跟踪性能直接影响其对光学微结构表面的加工精度和加工效率。为此提出基于重复控制的离线前馈补偿方法，该方法通过对跟踪误差进行分段在线学习和离线补偿，实现FTS系统对非周期参考轨迹的高速精密跟踪。在自制单轴FTS系统上进行对比跟踪测试，测试结果表明：相比于二自由度控制方法，提出的离线前馈补偿方法对随机均匀B样条曲线和复合频率正弦曲线的均方根跟踪误差分别减小94.47%和93.83%。此外，将该FTS系统与超精密车床联动在高转速下加工得到网格面和复眼透镜阵列，这两种表面的最大轮廓误差分别为93.59 nm和134.73 nm，表面粗糙度均小于5 nm。研究结果为基于FTS的光学微结构表面高效、高精加工提供了新方法和新思路。

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单晶硅的激光抛光表面形貌演化

李涛, 黄惟琦, 龙归, 杨思铄, 张建国, 肖峻峰, 许剑锋

机械工程学报. 2023, 59(21): 52-64. https://doi.org/10.3901/JME.2023.21.052

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激光抛光是一种非接触式等材超精密抛光方法，在单晶硅的激光抛光实验中观测到的“山”字形表面形貌演化规律无法用传统的表面张力和马兰戈尼效应主导的熔池流动理论解释，研究发现塑性变形在单晶硅表面形貌演化中扮演关键角色。通过对残余应力的测量以及截面TEM的观测，发现塑性变形出现在材料熔化之前。综合考虑熔化前的塑性变形及熔化后的表面张力和马兰戈尼效应，对单点激光抛光后中心凸起及边缘堆积的“山”字形表面形貌的演化进行了探究。以此为前提，对不同激光光斑扫描间距下受塑性变形影响的表面形貌的演变进行了分析。当扫描间距小于2.5 μm时，塑性变形产生的中心凸起可以被后续激光脉冲所抛光，单晶硅表面粗糙度从4.04 nm降低至0.34 nm。经过研究，总结出激光抛光中塑性变形与毛细流动共同作用下的表面形貌演化规律与机理，为激光抛光的参数选择提供理论指导。

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高比重钨合金超声椭圆振动切削去除机理研究

潘延安, 鲍岩, 冯嘉健, 殷森, 董志刚, 康仁科

机械工程学报. 2023, 59(21): 65-74. https://doi.org/10.3901/JME.2023.21.065

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高比重钨合金作为一种难加工金属材料，其应用范围一直受限于其超精密加工水平。超声椭圆振动切削技术在高比重钨合金超精密切削加工中极具应用前景，通过切削去除机理研究，可推动其在高比重钨合金超精密切削领域中的应用。因此，首先对超声椭圆振动切削轨迹进行分析，结合瞬时剪切角变化，建立了超声椭圆振动切削弯矩及切削力模型，并基于上述模型，通过与常规车削相对比，对超声椭圆振动切削特性进行分析。然后，采用单晶金刚石刀具，进行高比重钨合金超声椭圆振动划擦实验和切削实验，并通过SEM、白光共聚焦显微镜、X射线残余应力分析仪等设备对材料塑脆特性、切屑厚度、切削表面残余应力及切削表面加工损伤等进行检测与分析。理论分析与切削实验表明，与常规车削相比，超声椭圆振动切削下材料去除尺度由微米量级减小为纳米量级，高比重钨合金表现出更强的塑性；随着剪切角变化，超声椭圆振动切削在材料去除过程中，会产生更大的向下的分力，在切削表面留下更大的残余应力；超声椭圆振动切削下，切削方向与材料断裂方向更为一致，结合锋利的单晶金刚石刀具，有利于实现高比重钨合金超精密切削。

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大气等离子体射流加工的热误差在线补偿方法

李洲龙, 王锐, 范哲, 朱利民

机械工程学报. 2023, 59(21): 75-84. https://doi.org/10.3901/JME.2023.21.075

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大气等离子体射流加工由于其化学刻蚀的加工原理，材料去除速率极易受温度影响，然而加工区域内温度波动造成的面形误差目前仍难以有效预测与抑制。为了补偿大气离子体射流加工中热效应引起的非线性加工误差，搭建了可在线测量加工区域温度的大气等离子体射流加工系统，分析了加工过程中全局和局部热效应对材料去除速率的影响规律，建立了考虑热效应的时变非线性去除函数模型及标定方法，依据加工区域温度的实时测量数据，实现了基于驻留时间动态调整的大气等离子体射流加工热误差在线补偿技术。熔石英光学元件的修形加工实验结果表明，所提出的方法有效补偿了加工过程中由温度波动引起的面形误差，材料去除量误差PV从362.71 nm降低至132.25 nm，提升63.54%，RMS从90.02 nm降低至33.45 nm，提升62.84%。研究结果为提升大气等离子体加工的修形精度提供了新的思路与参考。

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全液体静压支承结构磨削系统的磨削成圆规律及圆度极限预测

熊万里, 曾旭, 张翰乾, 李媛媛, 原帅, 金志鑫

机械工程学报. 2023, 59(21): 85-98. https://doi.org/10.3901/JME.2023.21.085

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主轴轴颈的圆度直接影响液体静压主轴系统的回转精度，要制造纳米级回转精度的液体静压主轴系统，必须不断提高主轴零件轴颈的圆度。目前国内外高精密磨床可实现的轴颈磨削圆度范围在0.2～0.5 μm，要想进一步提高轴颈磨削圆度，以上磨削方案已很难满足需要。基于此，系统研究头架主轴、尾架主轴和砂轮主轴均采用液体静压支承的全静压支承结构磨削系统的磨削成圆规律，探讨可能达到的圆度极限。首先建立计入头架主轴回转误差、尾架主轴回转误差、双顶尖不同轴误差、砂轮主轴回转误差和工件初始表面轮廓圆度误差的磨削系统耦合动力学模型；提出基于Newmark-β数值积分方法的“磨削力-瞬态磨削深度”循环迭代收敛算法，实现工件外圆轮廓形成过渡过程的定量仿真。研制全液体静压主轴支承结构磨削系统，通过磨削实验和磨削成圆仿真结论的对比，证实所建立模型和所提出算法的有效性。最后根据所提模型和仿真算法，研究各磨削系统误差对磨削圆度的影响规律，并在此基础上对可实现的磨削圆度极限进行了预测。

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光刻机超精密运动台数据驱动MIMO定结构前馈控制

李敏, 陈涛涛, 鲁森, 杨开明, 朱煜, 胡楚雄

机械工程学报. 2023, 59(21): 99-109. https://doi.org/10.3901/JME.2023.21.099

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超精密多输入多输出(Multiple-input multiple-output,MIMO)运动台是集成电路制造装备——光刻机的核心部件之一，其轨迹跟踪性能是保证光刻机产率和分辨率的关键。提出一种高效的数据驱动MIMO定结构前馈控制方法，有效补偿参考轨迹引入的伺服误差，降低各自由度间的耦合，从而提高光刻机超精密运动台对不同轨迹跟踪任务的适应性及跟踪性能。采用多项式对MIMO前馈控制器进行参数化，以保证前馈控制器的固有稳定性及其对变轨迹的鲁棒性。利用脉冲响应实验法无偏估计过程灵敏度函数矩阵的马尔可夫参数，进而建立高效的数据驱动参数优化算法，根据伺服系统的输入-输出数据迭代优化MIMO前馈控制器参数。所提方法无需对光刻机运动台建模，且每次迭代仅需一次轨迹跟踪实验。将所提方法应用于课题组自主研发的光刻机硅片台，2种参考轨迹的跟踪实验结果验证所提方法在有效提高轨迹跟踪性能的同时降低各自由度间的耦合。

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基于微动特性分析的精密线性平台微行程重复定位精度表征与补偿

唐皓, 张贺, 张栋, 高贵兵, 郑煜

机械工程学报. 2023, 59(21): 110-120. https://doi.org/10.3901/JME.2023.21.110

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重复定位精度是衡量运动系统精确性和稳定性的关键指标。以广泛应用于精密/超精密工程领域的精密线性平台为对象，针对微行程尺度下重复定位精度信息表征不清晰，误差补偿不精确等问题开展研究。首先，分析精密线性平台机械结构，辨识误差源并获取敏感误差项；其次，求解丝杠螺母副等效刚度、丝杠螺母副等效摩擦、直线导轨等效摩擦等物理信息，分析微行程(<0.1 mm)下精密线性平台微动特性，建立微行程尺度下动力学微分方程；最后，综合建立精密线性平台重复定位精度的误差模型，基于统计学规律计算其重复定位精度分布特性。通过不同行程(10 mm,0.1 mm,0.01 mm)测量试验可知，各带宽区间与理论值基本相等，表明重复定位精度数值与行程无直接关系，且位移-时间、速度-时间曲线均和仿真曲线趋势相同，证明了模型的精确性。调整材料属性后，新平台重复定位精度与误差模型预测值基本接近，同时结果优于原平台，证明了所提出精密线性平台微行程重复定位精度表征与补偿方法的可行性。该方法对于提升精密线性平台微行程重复定位精度具有重要意义。

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化学镀NiP的凸面闪耀光栅超精密切削特性研究

彭小强, 李煌, 王跃明, 关朝亮, 胡皓, 赖涛, 徐超

机械工程学报. 2023, 59(21): 121-130. https://doi.org/10.3901/JME.2023.21.121

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凸球面闪耀光栅的切削表面质量直接影响Offner型光谱成像系统的性能。采用微晶铝6061表面化学镀NiP作为凸球面闪耀光栅的材料，首先通过材料性能表征手段研究其切削性能；其次通过模拟二维楔形工件切削过程和三维凸面闪耀光栅切削过程来确定其最小未变形切屑厚度和研究刀具倾斜角度对切屑流动和应力分布的影响规律；最后通过改变进给方向对比凸球面闪耀光栅的切削表面质量。研究结果表明化学镀NiP表现出明显的非晶特性，涂层表面和内部的元素分布均匀，车削平面的粗糙度值Ra可达0.794 nm；化学镀NiP的最小未变形切屑厚度约为30.52 nm，而刀具倾斜角度的增大是导致陡峭侧更易形成毛刺的原因；进给方向沿陡峭侧方向可改善光栅顶部毛刺，提高轮廓精度，但是对闪耀面粗糙度并没有改善，最终闪耀面粗糙度Ra均小于3 nm。

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并联机构瞬轴面研究进展

张雷雷, 赵延治, 赵铁石

机械工程学报. 2023, 59(21): 131-146. https://doi.org/10.3901/JME.2023.21.131

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沿动定瞬轴面连续地螺旋对滚，是并联机构固有的运动特性，也是并联机构转动和移动强耦合输出的几何表现形式。这种复杂空间刚体运动，极大地增加了并联机构的运动学标定和控制的难度。近年来，有学者利用瞬轴面来定性地描述这类机构的复杂运动特性，也有学者利用瞬轴面来优化设计机构。最近，有学者提出了动定瞬轴面螺旋对滚方程，来定量地计算这种复杂的空间运动。但是，瞬轴面在并联机构学中的研究和应用，并未受到国内外学者的广泛关注。为此，首先分析了并联机构的运动特性，综述了并联机构转轴和瞬轴面的分布规律，回顾了并联机构瞬轴面的计算方法和动定瞬轴面螺旋对滚方程的推导过程，并给出了该方程的几何应用。最后，展望了瞬轴面在并联机构学研究中的发展方向。

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基于正四棱台Bricard单元的双环可展开天线机构构型设计

姚鹏飞, 吕胜男, 张武翔, 丁希仑

机械工程学报. 2023, 59(21): 147-156. https://doi.org/10.3901/JME.2023.21.147

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单环桁架式可展开天线的结构刚度随口径增大而降低的特点制约了其大型化，提出一种基于空间过约束正四棱台Bricard机构单元的双环可展开天线机构设计方法。首先，由等腰梯形面对称Bricard机构综合出展开构型与正四棱台几何体具有相同几何约束的正四棱台机构。而后，以始终存在一组正交对称面为约束条件推导出正四棱台Bricard机构的扭角约束关系，满足该约束的正四棱台机构自由度为1、可束状收拢。最后，由正四棱台机构构建出5 m口径的双环桁架式可展开天线机构。为双环桁架式可展开天线机构设计提供了过约束机构方案，提高了桁架的利用率，有助于面对称Bricard机构的广泛工程应用。

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基于动态视觉范式与实时反馈校验的脑控机械臂

张德雨, 刘思宇, 张健, 闫天翼, 吴景龙, 明致远

机械工程学报. 2023, 59(21): 157-166. https://doi.org/10.3901/JME.2023.21.157

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提出了一种应用于脑控机械臂的动态脑控视觉范式以及实时反馈的脑控指令校验方法，并基于该范式及方法实现了一套脑控机械臂系统。相比于当前广泛采用的固定视觉刺激，使用者通过注视不同位置控制机械臂末端运动过程的控制实现方法，提出的视觉范式基于动态刺激标签输出面向控制对象的脑控指令。该指令结合机械臂的自主空间运动，实现了基于脑-机协同下的快速抓取。同时，针对面向运动过程脑机接口中脑特征识别准确率低，系统鲁棒性不足的问题，提出了一种实时反馈校验方法，基于该方法对系统使用者的意图进行校验，可有效提升脑控机械臂对人类意图识别的准确率。实验结果表明，研究提出的动态刺激及实时反馈校验方法，其脑控抓取的平均成功率为85%(基于运动过程的控制方法的成功率为47.9%)，单次抓取任务下的平均时间消耗为22.46 s (基于运动过程的控制方法为64.76 s)。在未来，提出的脑控机械臂框架可以以节点模块的形式整合入机器人操作系统，并应用于人-机体系协同下的脑机接口闭环控制。

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基于深度神经网络的四折痕锥形折纸结构设计

陆晨浩, 陈耀, 何若琪, 范维莹, 冯健

机械工程学报. 2023, 59(21): 167-176. https://doi.org/10.3901/JME.2023.21.167

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锥形折纸结构不仅具有高强轻质、形态可变、刚度可控等特点，而且有效改善了传统薄壁折纸结构面外刚度薄弱问题，在伸展臂、可展天线、吸能耗能构件等领域具备良好的应用前景。然而，目前锥形折纸设计难以从工程需求出发、实现特定几何尺寸的结构设计。因此，通过解析几何，推导折痕参数间的关系，并基于深度神经网络(DNN)，将折痕参数与几何参数进行拟合，构建一种四折痕锥形折纸结构的逆向设计方法，实现从三维结构到二维折痕图的逆向设计。计算分析表明，所设计的锥形结构与解析解吻合良好。此外，折纸实物模型不仅验证了所设计结构的可平折性，还利用搭接、镜像等操作丰富了结构的外立面。该设计方法适用于更广义的锥形结构设计，可为基于数据驱动的折纸结构创新发挥积极作用。

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基于等几何分析的电热驱动柔顺机构拓扑优化设计

占金青, 晏家坤, 蒲圣鑫, 朱本亮, 刘敏

机械工程学报. 2023, 59(21): 177-187. https://doi.org/10.3901/JME.2023.21.177

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为了提高计算效率，提出一种基于等几何分析(Isogeometric analysis,IGA)的电热驱动柔顺机构拓扑优化设计方法。采用NURBS曲线表达几何模型和分析模型，利用改进的固体各向同性材料惩罚法和密度分布函数描述材料分布，采用顺序耦合方法进行电-热-结构多物理场耦合有限元分析，以电热驱动柔顺机构的输出位移最大化为目标函数，以机构的体积为约束，建立基于等几何分析的电热驱动柔顺机构拓扑优化数学模型，利用移动渐近线算法求解拓扑优化问题。数值算例验证了提出的设计方法的有效性。与基于有限元分析的优化结果相比，基于等几何分析获得的电热驱动柔顺机构拓扑构型有所不同，边界更加光滑，机构的输出位移更大；并且等几何分析能够有效地减少迭代步数，显著地提高了计算效率。分析不同的输出刚度对电热驱动柔顺机构拓扑构型和机构性能的影响规律。

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融入可控阻尼的康复机器人自适应交互控制

王玉成, 贾庆轩, 褚明, 毕敬峰

机械工程学报. 2023, 59(21): 188-198. https://doi.org/10.3901/JME.2023.21.188

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针对外骨骼康复机器人的人机交互柔顺控制，以肩-肘二自由度上肢康复机器人为研究对象，提出一种融入可控阻尼的内外环嵌套式自适应阻抗控制方法，同步实现关节轨迹的超调量抑制和变强度训练。首先，通过磁流变阻尼器与关节电动机并联输出的结构模式，将电磁阻尼力矩引入康复机器人的动力学方程，进而设计关节轨迹跟踪器作为内环控制器，该控制器以关节角速度和角加速度作为输入，实时计算调整阻尼力矩的励磁电流值和关节力矩增益系数，实现超调量抑制。其次，利用Lyapunov函数设计自适应轨迹生成器作为外环控制器，该控制器以交互力、关节角速度及角加速度作为输入，实时计算并修正期望轨迹，通过调节对抗模型的刚度参数，实现对人机交互力的自适应和变强度训练。数值仿真实验结果表明，与未引入可控阻尼的控制方法相比，肩、肘关节的超调量下降率分别优于96.2%、97.5%，且只需调整刚度参数即能实现变强度训练，验证了所提方法的可行性与有效性。

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气动弯曲型人工肌肉瞬态动力学建模、分析与验证

度红望, 许晓亚, 邵仁波, 熊伟, 王海涛

机械工程学报. 2023, 59(21): 199-208. https://doi.org/10.3901/JME.2023.21.199

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气动弯曲型人工肌肉是实现柔性机械手的核心设备，针对其迟滞非线性导致的难于精确控制的问题，提出一种变截面气缸法用于动力学建模与分析。采用变步长四阶龙格库塔法对模型进行数值计算，分析了影响其动态特性的关键参数灵敏度。进一步，对编织角为60°的弯曲型执行器的动力学特性进行了仿真与实验验证。结果表明，提出的动力学模型能够准确描述该执行器的瞬态响应特性，该执行器能够在1 s之内完成充压过程，并且能够在0.1 s内做到快速响应，模型误差小于5%。动力学模型为实现柔性机械手的高精度抓取奠定了理论基础。

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2PRU-UPR过约束并联机构弹性动力学建模与分析

杨超, 黄风立, 叶伟, 陈巧红

机械工程学报. 2023, 59(21): 209-223. https://doi.org/10.3901/JME.2023.21.209

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运用全局独立广义位移坐标和拉格朗日方程研究了具有2R1T三自由度的2PRU-UPR过约束并联机构的动力学性能。首先，将连杆划分为一定数量的梁单元，建立每一个单元的动力学控制方程，基于拉格朗日方程建立连杆的动力学控制方程；其次，基于多点约束单元理论与映射矩阵的奇异性分析建立物体与物体以及物体与基座连接点的一组独立位移坐标，结合关节连接点的独立位移坐标与内部节点位移坐标得到机构的全局独立广义位移坐标；再次，结合拉格朗日方程和全局独立广义位移坐标得到机构的总体动力学控制方程；与ANSYS Workbench软件建立的有限元模型结果对比发现自然频率最大误差在3.6%之内。最后对比分析了自然频率求解子空间迭代方法、静态缩聚法和动态缩聚法的计算精度和计算成本。该方法同样适用于其他并联和串联机构。

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基于多自由度控制的线谱振动传递路径控制方法研究

谢溪凌, 任明可, 张志谊

机械工程学报. 2023, 59(21): 224-233. https://doi.org/10.3901/JME.2023.21.224

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动力设备线谱振动经基座传递至船体结构，引起的低频声辐射是船舶水下噪声的主要来源之一。针对单向集中力控制通常难以抑制动力设备振动向弹性基础传递且辐射噪声衰减效果有限的问题，提出基于路径控制体多自由度振动控制的振动传递路径控制方法，切断路径功率流传递。根据广义变分原理建立动力设备-可控隔振单元-壳体系统的耦合动力学模型，通过振动功率流分析揭示振动能量多自由度传递机理，明确基于多自由度控制的路径可控性。在此基础上，构建局部多通道耦合控制与全局分散控制相结合的控制策略，通过数值计算与实验验证基于多自由度控制的振动传递路径控制效果。结果显示，相比于单向集中力控制，基于多自由度控制的方法可有效阻止功率流传递，实现更加显著的壳体振动衰减。

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谐波特征模式分解方法在轴承故障诊断中的应用

苗永浩, 石惠芳, 李晨辉, 王南飞

机械工程学报. 2023, 59(21): 234-244. https://doi.org/10.3901/JME.2023.21.234

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分解方法是处理机械信号多成分分离最有效的手段。然而，现有的分解方法并非以典型的机械故障特征作为分解目标，且分解模式的提取难以做到自适应滤波，因此面对复杂信号的成分分离与特征提取效果差，难以满足诊断需求。针对此，提出谐波特征模式分解方法(Harmonic feature mode decomposition ，HFMD)，选择信号周期性强度评价指标谐噪比(Harmonics-to-noise ratio，HNR)作为分解目标，借助有限冲激响应(Finite impulse response，FIR)滤波器系数更新机制实现分解模式提取过程中的自适应滤波。首先，借助基于树状结构的频带划分方式初始化滤波器组。在此基础上，以HNR作为分解目标求解最优滤波器系数。进一步，利用相关系数评价、比较进而筛选冗余模式。最后，通过设定分解模式数量作为收敛准则，实现复杂信号中周期性特征的提取与谐波信号成分的分离。仿真和试验案例证实相比于传统分解方法，提出的HFMD能更准确、有效地提取轴承故障信息。

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支承动刚度对转子系统临界转速的影响及试验验证

罗忠, 刘凯宁, 刘家希, 李雷, 姜广义

机械工程学报. 2023, 59(21): 245-255. https://doi.org/10.3901/JME.2023.21.245

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支承动刚度对转子系统的临界转速等固有特性影响很大，但其影响规律及程度研究尚不深入，研究动刚度对临界转速的影响规律，提出用动刚度影响判断指数表征动刚度影响程度。首先，建立了考虑支承动刚度的转子系统动力学模型。然后，分析了支承动刚度对临界转速的影响及其不同参数对应的影响规律。结果表明，支承动刚度可导致临界转速降低并出现新的共振峰，且动刚度对临界转速的影响程度与初始支承刚度呈正相关，与转轴长度、转盘质量呈负相关。最后，提出了动刚度影响判断指数可用于动刚度影响程度定量表征，通过数值算例与试验研究对所提动刚度影响判断指数进行验证，数值与试验研究均验证了动刚度影响判断指数的有效性。

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新型无保持架球轴承纯滚动设计及动态特性分析

李延福, 莫靖宇, 曾景华, 许涛, 许水电

机械工程学报. 2023, 59(21): 256-269. https://doi.org/10.3901/JME.2023.21.256

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为了解决高速轴承打滑和保持架易断裂失效的问题，从轴承的轴向和径向角度出发，提出一种纯滚动无保持架球轴承设计方法，并通过实例对其正确性和有效性进行了验证。本方法首先根据摩擦学理论，确定轴承纯滚动边界条件，引入轴向摩擦角概念，通过径向游隙和滚道母线分别限定滚动体的径向和轴向位移，使得滚动体与滚道之间形成摩擦自锁效应，将滚道中滚动体复杂的运动形式化简为单一的纯滚动，取消保持架的同时增大了滚动体容纳量。其次，将径向游隙映射到轴承内外圈滚道母线设计中，建立基于轴向摩擦角的无保持架轴承滚道母线计算模型和设计原则。最后，提出一种基于上述方法设计的新型无保持架轴承结构，内外圈滚道母线采用对数螺旋线设计，并通过轴承特性试验评价其动态性能。结果表明，该新型轴承能够实现近纯滚动，以滚动摩擦代替滑动摩擦，大大降低了轴承的摩擦热问题，显著提高了轴承的极限转速。在3 kN轴向载荷作用下，轴承的极限转速为32 000 r/min，D_mN值可达到2.8×10⁶ mm·r/min。在20 900 r/min转速下，轴承可承受20 kN的轴向载荷，具有较高的承载能力，能够满足航空航天、国防军事等技术领域对高承载、高转速轴承的应用需求。

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数字孪生驱动的旋转叶盘振动状态全景感知方法

李宏坤, 魏代同, 陈玉刚, 许书本

机械工程学报. 2023, 59(21): 270-282. https://doi.org/10.3901/JME.2023.21.270

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可视化

针对旋转叶盘在线振动监测方法仅能获取有限测点信息的局限性，提出了一种基于数字孪生概念的旋转叶盘全域振动状态虚拟感知技术架构。首先，应用数字孪生理论从物理空间和数字空间分别介绍了该技术体系中各个模块的功能和逻辑关系，阐述了实现旋转叶盘振动状态全景感知的技术路线。其次，详细描述了孪生模型构建、非接触振动测试、孪生模型动态更新、虚拟感知及可视化模块开发等关键技术和实现方法。最后，面向旋转叶盘试验件构建了全域振动状态虚拟感知原型系统，对各项关键技术进行了理论分析与验证，并最终实现了动位移场和动应变场的全域状态感知。该方法能够在现有测试手段的基础上获得更加全面的叶盘振动信息，为旋转叶盘的在线状态监测提供了一种新的理论架构，并为后续进行叶盘疲劳寿命分析及可靠性预测提供有效的数据支撑。

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区块链和边缘计算赋能的联邦学习故障诊断框架

邵海东, 肖一鸣, 闵志闪, 韩淞宇, 张海舟

机械工程学报. 2023, 59(21): 283-292. https://doi.org/10.3901/JME.2023.21.283

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工业物联网助推机械故障诊断步入大数据时代，然而因各节点需要共享本地的私有数据而造成隐私泄露是当前工业物联网亟需解决的问题。联邦学习有望应用于工业物联网以实现在私有数据不离开本地存储的前提下，协同各节点训练诊断模型。然而，联邦学习面临着以下诸多挑战。首先，联邦学习的中心化架构极易引发单点故障。其次，工业物联网中各节点的故障数据通常是非独立同分布的，以致联邦学习难以收敛。再次，联邦学习缺乏防御手段来阻止恶意节点的攻击。最后，联邦学习需要激励机制来鼓励节点分享资源。针对这些挑战，提出了一种区块链和边缘计算赋能的联邦学习故障诊断框架，采用去中心化的模式保障工业物联网中机械设备故障数据的隐私和安全。在此框架中，构造了一种特征对比损失函数来解决非独立同分布问题，设计了一种拜占庭容错的评分机制来抵抗投毒攻击，并开发了一种基于信誉的激励算法来评估应给予节点的奖励。所提方法被应用于工业物联网中风力发电机的行星齿轮箱故障诊断模拟场景，在私有本地数据不泄露的前提下，展现出最优的综合性能。

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石墨烯及其复合纳米微粒作为润滑添加剂的研究进展

蒋正权, 杜新春, 金业铭, 余来贵, 闫明明, 仝玉萍, 郝用兴, 张晟卯, 张平余

机械工程学报. 2023, 59(21): 293-312. https://doi.org/10.3901/JME.2023.21.293

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自2004年石墨烯面世以来，世界各国对石墨烯的研究热情空前高涨，甚至有人将其称为“改变21世纪的材料”。综述了近年来石墨烯及其复合纳米微粒润滑添加剂的摩擦学研究进展，归纳总结了石墨烯单体结构、表面修饰以及复合纳米微粒的组成和润滑机制；指出石墨烯纳米微粒具有良好的摩擦学性能，是当前国际材料科学和摩擦学领域的研究热点之一，其产业化应用可望产生巨大的经济和社会效益；而石墨烯具有超薄纳米片层结构、优异的力学性能及突出的自润滑性能，在润滑添加剂领域的应用前景广阔。但石墨烯及其复合纳米微粒作为润滑添加剂目前仍然面临石墨烯的分散稳定性较差、摩擦过程中的实时服役状态不明确等问题；而实现纳米级石墨烯及其复合材料的绿色环保制备和应用，有助于推动节能减排和实现“双碳目标”，从而促进我国先进制造业的高质量发展。

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电场环境下聚乙二醇在钢/钢界面的摩擦性能研究

葛翔宇, 吴晓东, 石秋雨, 宋仕祎, 王文中

机械工程学报. 2023, 59(21): 313-320. https://doi.org/10.3901/JME.2023.21.313

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工业常用润滑油多为绝缘油，而针对绝缘油在电场环境下的摩擦性能研究较少。因此，提出一种含醚键绝缘油在电场环境下可能的减摩模型，以填补电场环境下绝缘油(如聚乙二醇(PEG))在钢/钢界面摩擦性能研究方面的空白。研究结果表明，电场对PEG的摩擦性能影响较大。正电压会导致摩擦因数增大；负电压条件下则存在一个最优工况使PEGs表现出最优的减摩性能，即电压-1.0 V、PEG黏度53 mPa·s、滑动速度100 mm/s和法向载荷2 N。分析结果表明在-1.0 V电压条件下PEG的润滑状态为混合润滑，其良好减摩性能主要归因于在接触表面形成的PEG吸附膜。此外，摩擦化学膜中Fe_xO_y和FeOOH总量的减少也有助于减摩性能的提升。证明绝缘油的摩擦性能同样受到电场环境影响，提出绝缘油在电场环境下的减摩模型，完善电场环境下的润滑理论，并为电场环境下多功能润滑材料的设计研发提供新思路。

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限量供油条件下硬脂酸吸附对面接触润滑油膜的影响

简煜升, 荆兆刚, 郭峰, 黄柏林, 韩素立, 栗心明

机械工程学报. 2023, 59(21): 321-329. https://doi.org/10.3901/JME.2023.21.321

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在限量供油条件下，利用滑块-盘面接触润滑油膜测量系统研究了PAO10(聚α-烯烃)添加硬脂酸对油膜厚度-滑块倾角关系的影响，理论分析了滑块入口润滑油堆积对润滑油膜承载力的影响，并对硬脂酸在固体表面的吸附进行了表征。结果表明，油膜厚度随滑块倾角的增加呈现总体下降的趋势。硬脂酸吸附诱导的“反润湿”作用，使润滑油在润滑轨道上由经典双侧脊分布转变为离散态条状或液滴状分布，改善了接触区入口供油，提高油膜厚度。实验发现了较低的滑动速度下低供油量反而诱发高油膜厚度的“异常”现象。硬脂酸的吸附使得润滑油在入口区形成非浸润的液滴状堆积，形成的附加拉普拉斯压力增加油膜承载力；当供油量较低时，入口润滑剂堆积的曲率半径较小，附加拉普拉斯压力较大，因此膜厚较高。

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考虑真实粗糙表面的燃机球轴承磨损与混合润滑耦合机理

冯彦, 邱卓一, 史修江, 卢熙群, 孙文, 华德良, 孙焕

机械工程学报. 2023, 59(21): 330-340. https://doi.org/10.3901/JME.2023.21.330

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船舰燃机轴承服役环境苛刻，工作界面难以建立全膜润滑状态，局部粗糙峰接触发生磨损，而磨损又会通过影响表面形貌反作用于界面混合润滑状态，影响轴承摩擦学特性。目前，面向燃气轮机滚动轴承，开展考虑真实表面粗糙度的磨损与混合润滑状态耦合作用的研究仍然很少。因此，以燃气轮机涡轮端球轴承为对象，综合考虑接触界面磨损、弹性变形与实测机械表面粗糙度影响，建立滚动体与内滚道三维磨损区域下的润滑－接触数值分析模型，研究低速、重载及滑滚苛刻条件下轴承摩擦磨损特性。

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悬索桥主缆钢丝与鞍座材料摩擦腐蚀疲劳行为

王博, 王大刚, 种海浪, 沈小满, 张德坤

机械工程学报. 2023, 59(21): 341-355. https://doi.org/10.3901/JME.2023.21.341

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大跨度多塔悬索桥主鞍座两侧主缆钢丝与鞍座材料间受恒载、车载、风荷载以及腐蚀环境耦合作用产生摩擦腐蚀疲劳行为，导致钢丝承载强度渐变劣化，严重影响主缆承载安全性。因此，研究主缆钢丝与鞍座材料摩擦腐蚀疲劳行为至关重要。搭建钢丝摩擦腐蚀疲劳试验台开展钢丝与鞍座材料摩擦腐蚀疲劳实验，运用超景深电子显微镜、扫描电子显微镜考察主缆钢丝磨损轮廓、磨损机理、磨损系数和横截面失效面积特性；通过万能试验机并结合损伤力学理论和有限元法，建立疲劳钢丝损伤度演化模型和钢丝承载强度劣化模型。结果表明：钢丝摩擦因数呈迅速增加-减小-增加-稳定趋势，随接触载荷增大而减小，随疲劳载荷增大而增大；磨损轮廓随疲劳次数近似线性增加，失效面积随疲劳次数近似抛物线增加，二者随接触载荷和疲劳载荷的增大均增加；磨损系数在磨损稳定期减小，随疲劳次数增加小幅度增长；磨损机理以黏着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损为主；钢丝损伤度与疲劳次数呈二次函数关系；接触载荷和疲劳载荷的增加，导致钢丝损伤度增大、承载强度降低。结果对悬索桥主缆损伤及承载安全性能评估具有理论指导意义。

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基于W-M分形函数的轮轨滑动接触热响应分析

丁贤旺, 杨冰, 戎有鑫, 肖守讷, 阳光武, 朱涛

机械工程学报. 2023, 59(21): 356-366. https://doi.org/10.3901/JME.2023.21.356

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利用W-M分形函数，建立考虑钢轨表面粗糙的二维轮轨弹性接触模型，进而引入温度对材料参数和摩擦系数的影响，采用直接耦合法模拟车轮以1 m/s速度沿钢轨滑动45 mm，阐明粗糙表面的轮轨滑动接触热响应的特性。利用Hertz理论验证了有限元接触算法的精确性，在此基础上研究了表面廓形影响下的接触应力随分形函数自变量维数D和尺度系数G变化的规律，验证了有限元模型模拟粗糙表面的可靠性。研究结果表明：粗糙表面对轮轨温度场分布特点没有影响，但会引起轮轨表面温度和温升过程的波动；车轮最高温度相差4℃，钢轨最高温度相差10℃，且车轮最高温度更高；车轮和钢轨表面的温度波动受D和G的控制，但影响规律存在差异：钢轨表面温度随D和G的改变线性变化，而车轮表面温度变化未体现类似的线性关系。因此，可借助轮轨表面粗糙度特征对钢轨温度波动进行合理预测。

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2023年, 第59卷, 第21期　
刊出日期：2023-11-05

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