机械工程学报

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李响, 付春霖, 雷亚国, 李乃鹏, 杨彬

机械工程学报. 2023, 59(6): 1-9. https://doi.org/10.3901/JME.2023.06.001

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大数据驱动的机械装备智能故障诊断方法在近年来取得了显著的成果，当前良好的诊断效果主要依赖于大量有标注的状态监测数据以中心化的方式训练模型，然而在实际工程问题中，单一用户往往难以收集充足的高质量训练数据，因此智能诊断方法的实际应用仍存在巨大困难。在工业界，多个用户往往拥有相似的机械装备与各自收集的监测数据，因此联合多用户协同进行故障诊断建模能够良好解决数据稀缺问题。然而，数据隐私性至关重要，不同用户往往不愿将私有数据与其他用户共享，给协同建模带来巨大挑战。提出保证数据隐私的装备协同智能故障诊断方法FedTL，各用户私有数据不出本地完成模型训练，多用户间传输共享数据高级表征；提出软标签信息传输方法，通过捕捉共享数据不同故障模式关系实现对私有数据诊断知识的传递；考虑多用户装备工况不同等场景，提出联邦迁移学习方法。通过轴承状态监测试验对所提方法进行验证，结果表明所提方法能够保证数据隐私良好完成多用户协同智能故障诊断。

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基于训练局部字典的倒装芯片高频超声检测信号稀疏去噪方法

宿磊, 谈世宏, 吉勇, 明雪飞, 顾杰斐, 李可

机械工程学报. 2023, 59(6): 10-17. https://doi.org/10.3901/JME.2023.06.010

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针对高频超声检测倒装芯片缺陷的精度易受噪声影响以及高频超声信号维度高的问题，提出一种基于K-奇异值分解(K-Singular value decomposition, K-SVD)训练局部字典的高频超声信号稀疏去噪方法。采用K-SVD训练字典来减小信号与字典中原子之间的误差，并针对K-SVD不能训练高维度字典的问题，将高频超声信号分段，在低维度字典上对局部信号进行稀疏分解，从而降低训练字典和稀疏分解的计算复杂度；利用信号的全局最大后验概率(Maximum a posteriori probability, MAP)估计重构信号，消除因局部处理带来的信号跳变，实现高频超声信号的去噪。仿真和试验结果证明，提出的方法能够有效的去除高频超声信号中的噪声，与在全局字典上进行高频超声信号的稀疏分解相比，采用局部训练字典对信号进行稀疏分解在保证去噪性能的同时降低了计算复杂度。

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基于集成自适应欠采样的铝管表面缺陷检测方法研究

郎宁, 王德成, 程鹏

机械工程学报. 2023, 59(6): 18-31. https://doi.org/10.3901/JME.2023.06.018

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铝管作为一种常见的传输零件，对其表面缺陷进行检测是保证其生产质量、运行安全的必要措施。基于机器视觉的铝管表面缺陷检测方法因其检测精度高、速度快等优点，已取代人工检测，成为主流检测方法之一。但由于缺陷样本与背景样本之间分布不平衡,导致分类器决策边界偏移、检测精度下降，限制了其应用范围。针对这一问题，提出一种基于集成自适应欠采样的铝管表面缺陷检测方法，首先利用支持向量描述方法对数据分布间的重叠区域进行识别，其次通过构建样本局部密度关系自适应确定欠采样对象及数量，最终利用随机空间生成技术同时对数据样本空间和特征空间进行优化。试验结果表明，所提方法在铝管表面缺陷数据集上识别精确率达到98.52%，优于其他先进检测方法。

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基于可见光和热成像的风机叶片全周期无损检测综述

何赟泽, 李响, 王洪金, 侯岳骏, 张帆, 牟欣颖, 刘浩, 程豪, 李时华, 李杰

机械工程学报. 2023, 59(6): 32-45. https://doi.org/10.3901/JME.2023.06.032

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风机叶片在制造、服役和维修阶段的无损检测非常重要。叶片长期在高强度的风力载荷下工作，制造过程产生的任何微小缺陷将在服役中扩大，进一步威胁到风机的正常运行。因而，风机叶片的无损检测一直是工业界与学术界探索的难题。根据叶片视觉检测方法结合无人机技术应用、相关数据包括图像处理方法以及缺陷评判方法的智能程度等方面对前人以及作者所在课题组的前期工作进行综述、总结、分析与对比。目前，可见光视觉检测与红外热成像检测等以视觉为基础的检测手段满足了风机叶片在役运维时非接触、高效、低成本、安全等需求。视觉检测与无人机巡检技术相结合能最大程度的保证人员安全，同时克服了望远镜检测视野受限的难题。然而该检测手段在风机叶片巡检中目前尚存在缺陷定量难、内部缺陷识别率低等方面的不足。通过分析对比可见光检测与热成像检测技术，认为结合智能算法的无人机搭载双光融合检测手段未来有望于解决风机叶片检测中存在的不足。

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喷丸强化残余应力对疲劳性能和变形控制影响研究进展

张吉银, 姚倡锋, 谭靓, 崔敏超, 周征, 孙蕴齐, 李国喜, 樊怡

机械工程学报. 2023, 59(6): 46-60. https://doi.org/10.3901/JME.2023.06.046

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作为机械表面强化技术之一，喷丸强化使工件表层发生形变硬化，引入较高的残余压应力，减少了疲劳应力作用下微裂纹的萌生并抑制其扩展，从而显著提高零件的抗疲劳断裂和抗应力腐蚀开裂的能力。基于喷丸残余应力解析计算模型，从余弦函数模型、接触应力模型和球腔膨胀模型三个方面介绍喷丸强化残余应力的产生，进而对喷丸残余应力的仿真预测及影响规律进行论述。为了提高试件疲劳强度而引入的残余压应力会带来影响形位精度的变形，基于此阐述了喷丸残余应力对疲劳性能的影响及其在疲劳过程中的演化，同时论述了喷丸残余应力变形预测及控制的研究现状，最后对喷丸残余应力未来的研究内容与发展方向进行展望。

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覆膜铁熔融覆膜过程界面传热与熔膜填充行为研究

张勃洋, 张清东, 耿力博, 刘吉阳, 石允飞

机械工程学报. 2023, 59(6): 61-71. https://doi.org/10.3901/JME.2023.06.061

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覆膜铁是金属包装领域的新型复合材料。成品覆膜铁的界面结合强度和水透性取决于覆膜过程中高聚物薄膜熔融层的厚度和流动铺展行为。但覆膜过程复杂而迅速，且受钢板表面微观形貌影响，熔融层膜厚及其流动铺展行为难以精细调控。针对此，基于分形理论表征与重构基板带钢表面微观形貌；基于广义Maxwell模型试验建立聚合物膜的黏弹性本构关系；建立了考虑基板带钢表面微观形貌的覆膜过程有限元仿真模型，并试验验证了模型的准确性。研究表明，熔融层膜厚主要受基板带钢初始预热温度影响，界面填充率则主要受覆膜辊压力影响。高聚物膜熔融层厚度和界面填充率随基板带钢粗糙度降低以及基板带钢和覆膜辊初始预热温度增加而增加，且辊压力增加也导致界面填充率增加。这些规律被定量化描述，为精细化调控熔融层膜厚及其流动铺展行为提供了理论依据。

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基于弹塑性解析方程的薄片试样低周疲劳试验方法

张泽权, 蔡力勋, 韩光照, 黄茂波

机械工程学报. 2023, 59(6): 72-83. https://doi.org/10.3901/JME.2023.06.072

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针对薄片漏斗试样，基于能量密度等效和量纲分析，提出了移幅-载荷幅关系(Relation between displacement-amplitude and load-amplitude, RDL)半解析方程；能量密度等效代表性体积单元(Representative volume element, RVE)的循环等效应力幅、等效应变幅(Cyclic equivalent stress-amplitude and strain-amplitude, CESS)解析方程；漏斗根部材料RVE单轴应变幅(Uniaxial strain-amplitude of material RVE at funnel root, US-R)半解析方程；材料与几何普适的薄片试样低周疲劳试验新方法。针对5种几何尺寸和13种预设材料组合的18种试样工况进行有限元分析，及对G115和16Mn进行薄片试样低周疲劳试验，结果表明，CESS解析方程预测的薄片漏斗试样等效应力幅-应变幅曲线与有限元预设曲线密切吻合，且新试验方法得到的G115和16Mn循环等效应力幅-应变幅关系和Manson-Coffin律与标准圆棒试样低周疲劳试验结果密切吻合。

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压力注胶对硅烷接枝Ni/CFRP粘接的影响

王辉, 黄开, 孙展鹏, 华林, 陈一哲

机械工程学报. 2023, 59(6): 84-94. https://doi.org/10.3901/JME.2023.06.084

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针对复合材料(Carbon fibre reinforced plastics, CFRP)叶片镍包边粘接强度不足，稳定性不高的问题，提出压力注胶强化KH550接枝Ni/CFRP粘接方法。通过气缸压力推动注胶活塞，将胶粘剂注入密封处理后的待粘接区域，完成充填后在压力作用下实现初步固化粘合，以增强Ni/CFRP的粘接性能。通过单搭接剪切试验测试试样剪切强度，利用扫描电子显微镜(Scanning electron microscope, SEM)、X射线能谱(X-ray energy spectroscopy, EDS)和傅里叶红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)表征镍板表面和粘接界面的形貌变化和化学成分变化，采用分子动力学方法分析压力作用对粘接界面分子间化学反应的影响。结果表明，1% KH550接枝处理可提高Ni/CFRP粘接试样剪切强度15.7%，压力注胶工艺可进一步提升剪切强度4.8%，提升粘接稳定性29.3%。压力作用有效减少气泡、胶层裂纹的产生，促进胶粘剂微结构渗透，减小界面处胶粘剂/偶联剂分子距离，增强界面相互作用，同时促进胶粘剂分子与偶联剂分子反应，提高界面分子间的化学键合率。压力注胶方法可以促进粘接界面机械嵌合、物理吸附和化学键合，从而改善粘接性能，为复杂曲面轮廓件的胶粘连接强化提供参考。

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稀疏重构SAM芯片焊点检测方法研究

陆向宁, 刘凡, 何贞志, 廖广兰, 史铁林

机械工程学报. 2023, 59(6): 95-102. https://doi.org/10.3901/JME.2023.06.095

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提出了基于稀疏表示的声扫描显微镜(Scanning acoustic microscope, SAM)图像超分辨率重构方法，以解决其空间检测分辨率受超声波频率和穿透深度的限制，原始SAM图像分辨率较低，不利于封装缺陷辨识等问题。通过字典设计训练和稀疏系数α求解获得了重构的高分辨率SAM图像，利用Levenberg-Marquardt算法改进BP神经网络(LM-BP)，并用于倒装芯片焊点缺陷识别。与原始图像及双三次插值图像相比，稀疏重构图像的峰值信噪比明显增大，提高了SAM图像质量，减小了芯片焊点的错误识别数目，错误率降至2.76%。试验结果表明稀疏表示的SAM重构算法和LM-BP神经网络训练速度快、识别精度高，可用于高密度半导体封装缺陷的检测及可靠性评估。

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配备下限流导液管的环缝喷嘴雾化能力研究

董延楠, 王璞, 刘佳奇, 杨东, 庞靖, 李晓雨, 张家泉

机械工程学报. 2023, 59(6): 103-113. https://doi.org/10.3901/JME.2023.06.103

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高品质金属粉末是众多制造领域中的基础材料，微细粉末成型的关键技术在于气雾化制备阶段，而喷嘴及导液管结构和雾化工艺参数对气雾化粉末的质量有重要影响。基于高速射流流体动力学的数值模拟方法研究了雾化压力、雾化气体温度、导液管下口直径与伸出长度对配备下限流导液管环缝喷嘴雾化能力的影响，通过喷盘流场检测验证模型的可靠性。结果表明：环缝喷嘴装配下限流导液管临界入口压力为128.1 kPa，雾化压力2.0 MPa时既能有效增大雾化腔内的气体最大速度和降低最低温度，又能防止过高压力造成返喷而影响气雾化顺行。此外，在极限雾化压力2.0 MPa下，通过增大雾化气体温度、下限流导液管下口直径由5 mm降低至1 mm以及伸出长度由0 mm增大至2 mm均能继续提升气液质量流速比而提升其雾化能力。生产实践也证实了模型的预瞻性，在此优化工艺下生产顺行且粉末粒度D₅₀仅为23.84 μm。

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40Cr表面梯度晶体缺陷促进包埋渗Al涂层的组织及性能

胡建军, 王蝶, 郭宁, 杨显, 李晖, 许洪斌

机械工程学报. 2023, 59(6): 114-122. https://doi.org/10.3901/JME.2023.06.114

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包埋渗Al工艺是改善40Cr钢耐蚀性能的有效且经济的方法之一。在传统包埋渗铝(Al)法的工艺前加入扭转预变形，在40Cr钢引入高密度晶体缺陷增加扩散通道来提高包埋渗工艺中Al原子的扩散速率，从而达到降低加热温度、提高材料综合性能的目的。研究扭转工艺对晶粒取向、晶界、局部取向差的影响，表征扩散渗Al后试样的微观组织，测试硬度和耐腐蚀性能，分析不同温度(600 ℃、650 ℃、700 ℃及750 ℃)对渗层组织与性能的影响。研究结果表明：扭转变形在40Cr表面引入高密度晶体缺陷，可提高扩渗效率，增大渗层厚度；温度越高，渗层越厚，晶粒尺寸越大，组织的不均匀性增强，硬度越低。750 ℃时其渗层上存在较多的孔洞，对耐腐蚀性造成一定的影响，700 ℃试样耐腐蚀性能最优。

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基于钝尾缘翼型叶片的三维风力机性能分析

杨欢, 伊鹏辉, 覃锴, 黄典贵

机械工程学报. 2023, 59(6): 123-130. https://doi.org/10.3901/JME.2023.06.123

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随着风力机向大型化发展，为有效提升风力机叶片的性能以及结构强度，将钝尾缘翼型应用于风力机叶片设计。以NACA639XX系列翼型为基准翼型，通过Hicks-Henne型函数和钝尾缘函数对翼型进行参数化拟合，使用多岛遗传算法优化得到层流钝尾缘翼型族(USST-XXX)。将此翼型族中相对厚度为21%的USST-211翼型与NACA63921层流翼型替换NREL Phase VI叶片截面的S809翼型，建模得到两种三维风力机叶片，采用数值模拟的方法，对这两种叶片不同风速下的流场进行分析，并与NREL Phase VI风力机叶片的气动性能进行对比。数值模拟结果表明，在额定风速附近，采用层流钝尾缘翼型所构造的新叶片风力机的风能利用系数高于其他两种叶片。研究结果表明优化得到的层流钝尾缘翼型族可以有效提升风力机气动性能，在大型水平轴风力机叶片设计方面具有良好的应用前景。

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三芯随动式水基比例阀位置跟随特性

廖瑶瑶, 陶泽, 廉自生

机械工程学报. 2023, 59(6): 131-140. https://doi.org/10.3901/JME.2023.06.131

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高压大流量水基比例方向阀是煤矿液压支架实现智能化的核心控制元件，关系到整个工作面的精准控制效果和支护安全性。提出一种新型三芯随动式水基比例阀，解决现有水基比例阀难以满足液压支架高压大流量工况及难控制的问题。通过理论分析、AMESim建模仿真及试验对比的综合分析方法，验证三芯随动原理的可行性，探索该阀的位置跟随特性。结果表明：新型水基比例阀具备快速响应能力，额定工作条件下的全行程阶跃响应开启时间为84 ms，关闭时间约为35 ms；斜坡连续控制时，摩擦效应导致三芯随动机构位置跟随效果不佳，小阶跃步进控制能较好克服摩擦效应，使比例阀展示良好的位置跟随特性。研究成果为液压支架高压大流量水基比例阀设计提供参考，同时丰富了水基比例阀类型。

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双螺杆水蒸气压缩机喷水冷却特性研究

田雅芬, 耿妍婷, 夏阳, 赵兆瑞

机械工程学报. 2023, 59(6): 141-148. https://doi.org/10.3901/JME.2023.06.141

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水蒸气压缩机在机械蒸汽压缩、海水淡化、高温热泵等工业领域具有良好的节能潜力与应用前景。喷水可以有效解决排气温度过高的问题，提高水蒸气压缩机的性能。为了获得最佳喷水量的变化规律，建立了双螺杆水蒸气压缩机喷水冷却实际工作过程的传热传质模型，考虑喷入水的汽化、泄漏、闪蒸、输送等对实际压缩过程的影响。与试验结果对比，计算结果误差在±5%以内，表明模型能够较好地预测喷水螺杆水蒸气压缩机的工作过程与性能。利用此模型，研究了喷水量、转速和吸气压力对压缩机性能的影响。研究结果表明，喷水可以有效提升压缩机性能，相比不喷水而言，喷水在部分工况下可将压缩机容积效率提高11.9%，绝热效率提高17.2%，且存在最佳喷水量，使得喷水螺杆水蒸气压缩机的性能最佳，最佳喷水量随着转速、吸气压力的增加而增加；最佳喷水比主要受转速的影响，随着转速的增大而增大，其最佳喷水比在8.9%～10.4%之间；随着吸气压力降低，压差增大，喷水螺杆水蒸气压缩机的性能降低较快，表明泄漏对喷水螺杆水蒸气压缩机性能影响较大，尚需进一步研究。

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电液耦合转向系统应急转向控制方法研究

施国标, 张洪泉, 王帅, 鞠程赟, 桑冬岗

机械工程学报. 2023, 59(6): 149-158. https://doi.org/10.3901/JME.2023.06.149

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针对重载商用车应急转向难题，提出一种采用新型电动化的商用车电液耦合转向系统(Integrated electric-hydraulic steering system，IEHS)实现应急转向的新方法，针对电液耦合转向系统应急转向切换控制平顺性和时效性关键问题，研究一种基于混杂理论的电液耦合转向系统应急转向控制方法，以满足最新应急转向法规对重载商用车转向系统的新强制要求。其中，上层根据混杂切换逻辑进行正常转向与应急转向模式的切换控制，下层采用模糊PID控制对目标电流的精准跟随。在MATLAB/Simulink环境下进行正常转向和应急转向之间切换控制的仿真验证，同时在硬件在环试验台架上进行对应急转向功能的试验验证。仿真和试验结果表明，所提出的应急转向控制方法能够在电液耦合转向系统液压部分失效的情况下较好地实现应急转向功能，并保证混杂切换的时效性和平顺性，满足应急转向法规的要求。

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多拓扑结构锂电池组外短路特性分析及模型评价

于全庆, 王灿, 李建明, 汤爱华, 赵立军

机械工程学报. 2023, 59(6): 159-172. https://doi.org/10.3901/JME.2023.06.159

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新能源汽车的快速发展受到动力电池系统安全的掣肘，锂电池组外部短路故障是导致电池热失控进而引发汽车起火爆炸的主要因素之一，而不同拓扑结构及初始荷电状态(State of charge, SOC)影响锂电池组外部短路特性。搭建锂电池组外部短路故障试验平台，进行多拓扑结构锂电池组在静置工况下的外部短路试验，模拟汽车停置时电池发生外部短路故障过程，揭示不同拓扑结构及不同初始SOC对锂电池组外部短路特性的影响，为锂离子电池单体分选成组、外部短路故障诊断等方面提供数据支撑。此外，锂离子电池外部短路模型重构是进行故障诊断的基础，对不同等效电路模型对锂离子电池外部短路电压预测精度等进行综合评价，为锂离子电池外部短路电特性重构模型选择提供指导。

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增强现实辅助的互认知人机安全交互系统

郑湃, 李成熙, 殷悦, 张荣, 鲍劲松, 王柏村, 谢海波, 王力翚

机械工程学报. 2023, 59(6): 173-184. https://doi.org/10.3901/JME.2023.06.173

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在现代制造业中，人和机器人的交互共融是制造智能化的焦点问题之一。在人机交互中，机器人对工人的伤害风险是影响安全生产的关键因素。然而，在动态、不确定性的人机交互环境中，目前的人机安全交互系统仍然是基于机器人对环境的感知实现被动避让，缺乏基于互认知的自适应决策。为提高人对环境的认知能力，并增强机器人的自主避让和自适应能力，设计并实现了一种基于可穿戴增强现实技术的互认知人机安全交互系统。其中，可穿戴增强现实设备作为人机交互的媒介，实现机器人的虚实注册和工作环境的虚拟映射，收集人、机器人和作业空间的信息，实时为操作人员和机器人提供互认知辅助。互认知人机安全交互系统从三个方面确保人机安全：根据人机距离的机器人速度控制和安全区域可视化；虚实映射的运动预览和碰撞检测；基于深度强化学习的机器人避障策略。最后，通过搭建原型系统验证了所提出系统设计方法的可行性，以期促进先进人工智能技术与人机交互技术的融合发展，实现人机共融、安全协作。

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车轮多边形对高速列车车轴疲劳强度影响研究

高闯, 孙守光, 任尊松, 任君临

机械工程学报. 2023, 59(6): 185-193. https://doi.org/10.3901/JME.2023.06.185

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车轮多边形是铁道车辆一种常见的非圆化病害，对轮对振动和车辆运行安全有明显的影响。在建立刚柔耦合拖车和动车车辆系统动力学模型基础上，将车轮多边形简化为简谐波并将其考虑为车轮轮径的变化，研究20阶车轮多边形对拖车和动车车轴疲劳强度的影响。结果表明，等效应力幅比值与速度呈非线性关系，且拖车和动车峰值出现位置有所不同，拖车峰值位置出现在速度为225 km/h，对应多边形激励频率432.7 Hz；动车不同截面分别在300 km/h、375 km/h时存在峰值，对应多边形激励频率分别为576.5 Hz、721.2 Hz。在各峰值位置处，多边形幅值的变化对拖车和动车部分截面的等效应力幅比值均有显著影响。拖车和动车车轴等效应力最大值均位于C截面，并且随着车轮多边形幅值的增加，其等效应力显著增大，超过车轴疲劳强度限值，降低车轴使用寿命。研究结果有助于改善20阶车轮多边形对高速列车车轴疲劳强度及弹性振动的影响。

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嵌入式轨道与扣件轨道曲线啸叫噪声试验分析

何远鹏, 韩健, 陈鹏, 董博南, 肖新标, 圣小珍

机械工程学报. 2023, 59(6): 194-203. https://doi.org/10.3901/JME.2023.06.194

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嵌入式轨道是一种减振降噪型轨道，可以通过高分子材料的包裹增加轮轨系统阻尼。测试和分析100%低地板有轨电车通过嵌入式轨道和扣件式轨道小半径曲线时产生曲线啸叫噪声，测试曲线半径为50 m，试验速度范围5～15 km/h，测试结果表明，当有轨电车经过扣件式轨道时，导向轮对(第一位轮对)内侧车轮发出的啸叫噪声最为显著，其产生机理是轮轨间的横向蠕滑激励车轮960 Hz频率处(0, 2)轴向模态振动，从而产生强烈的单频振动并发出啸叫；与扣件式轨道相比，嵌入式轨道对曲线啸叫有一定的抑制效果；建立三维轮轨接触有限元模型，发现耦合模态阻尼受轨道结构阻尼影响较大，改变轨道结构的阻尼能有效的提高轮轨耦合模态阻尼，其中提高轨道结构参数中的横向阻尼是抑制曲线啸叫最有效的方式。

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基于转向架姿态轨迹的轨道线路曲率探测系统研究

肖春昱, 罗湘萍, 田师峤, 宫岛

机械工程学报. 2023, 59(6): 204-213. https://doi.org/10.3901/JME.2023.06.204

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主动径向技术是进一步提高轨道车辆曲线通过性能、彻底解决直线运行稳定性和曲线通过之间矛盾的有效途径，而实现轨道线路曲率准确、高效的探测是其中的重要环节。为了提高轨道线路曲率探测的精度和实时性，首先提出了一种基于转向架姿态轨迹的曲率探测系统(Bogie attitude trajectory based curvature detection system，BATCDS)，该系统由布置于转向架上的速度传感器、角速度传感器、倾角传感器以及算法单元组成，布局简单且易于实现。此后，提出了与上述系统相匹配的曲率探测算法，该算法利用转向架偏航角速度ω和车速v获取转向架在二维水平面上的运行轨迹，并据此初步估计线路曲率；利用转向架侧滚角α和车速v获取转向架的侧滚姿态轨迹，进而估计转向架侧滚角；综合转向架上述各项姿态信息，利用轨道线路固有几何规律融合计算线路曲率。最后，建立了BATCDS的联合仿真模型，仿真计算的结果表明，该系统在有效滤除原始信号中的高频噪声的基础上，仍能维持较高的实时性；仿真工况下，相较传统的低通滤波而言曲率探测结果的精度和实时性得到显著改善，相对误差率均降低至传统方法的50%以下，最大降幅可达65%。

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转动C形腿与沙土作用建模及力学参数辨识

杨传潇, 胡雄, 孙士斌, 顾邦平, 丁亮, 唐德威, 高海波, 邓宗全

机械工程学报. 2023, 59(6): 214-225. https://doi.org/10.3901/JME.2023.06.214

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机器人足端与沙土相互作用力学模型的建立和参数辨识，是沙土表面步行移动机器人多模态感知和决策的重要约束条件和物理信息。C形腿构型在沙土表面具有高通过性和适应性，基于地面动力学中的抵抗力学理论，充分考虑C形腿在摆动步态条件下位姿和速度矢量对足地相互作用动态力学的影响，进而建立C形腿与沙土的相互作用力学模型。然后，通过三组宽度条件的C形腿与沙土表面的转动接触力学试验，提取数据并分析水平和竖直接触力随姿态角度的变化规律。然后，通过积分模型的解析推导获得线性表达形式，基于递归最小二乘算法对未知参数矩阵进行逐项推导。最后，基于逐项迭代输入输出矩阵函数，获得参数在已有数据样本容量空间内的辨识结果。与试验结果相比，辨识后的预测竖直力和水平力误差分别为4.05%和4.22%，验证参数辨识的准确性和有效性。辨识的参数能够反映沙土地面的部分物理特征，基准值则反映腿部几何构型对力学模型的影响。

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氢燃料电池混合动力有轨电车的自适应瞬时等效能耗优化

高锋阳, 张浩然

机械工程学报. 2023, 59(6): 226-238. https://doi.org/10.3901/JME.2023.06.226

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城市轨道交通机车负载具有空间分布广泛、冲击性强以及强脉动宽频域变化等特性，致使传统等效氢耗最小化策略 (Equivalent consumption minimization strategy, ECMS) 在应用到燃料电池混合动力有轨电车的能量管理时，存在工况适应性和鲁棒性差的问题，为此提出一种等效能量因子自适应调整的瞬时优化新方法。将传统马尔科夫链扩展到多维度状态空间中，构建计及运行车速、加速度以及道路坡度时变性的三维转移概率矩阵，采用蒙特卡洛采样法获取工况序列，并进行瞬时特征参数误差分析。基于等效氢耗理论，将电车牵引制动能耗分为内部氢能源的实时燃料消耗和外部储能电源的电能消耗两部分，推导等效能量因子随锂电池荷电状态(State of charge, SOC)自适应调整的数学模型，矫正电-氢能量转化的评估偏差。最后搭建300 kW有轨电车动力系统半主动式仿真平台，应用多维状态空间下的负载功率历程，对比所提策略、传统ECMS策略以及状态机策略的在线运行性能。结果表明，所提的有轨电车行驶工况构建方法瞬态误差低于1.2%，稳态误差低于0.2%，对高精度推演实际行驶场景具有广泛代表性和普适性；所提的能量管理策略根本上解决了基于瞬时优化的方法普遍存在的计算量庞大、控制结构复杂度高、功率分配和能耗无法实现全局最优的问题，工程应用前景广阔。

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锂离子动力电池能量密度特性研究进展

杨续来, 袁帅帅, 杨文静, 刘闯, 杨世春

机械工程学报. 2023, 59(6): 239-254. https://doi.org/10.3901/JME.2023.06.239

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动力电池作为新能源纯电动汽车的动力源，其能量密度与整车的续驶里程及安全性等密切相关，而锂离子电池具有高能量密度和长寿命等特点，是当前新能源汽车动力电池的主流选择。基于锂离子电池发展史和我国第1～48批《免征车辆购置税的新能源汽车车型目录》中2 000余款纯电动乘用车的锂离子动力电池能量密度数据，系统研究了锂离子动力电池能量密度演变趋势，回顾了我国锂离子动力电池能量密度的提升历程及其对推动新能源汽车发展起到的良好作用。在此基础上，从电极材料、电池工艺和成组结构等3个方面，剖析了锂离子动力电池能量密度提升技术方案的优势与不足；并从电池能量密度和安全性的关联性出发，总结了高能量密度电池在设计、制造和使用等全生命周期中的安全技术，展望了锂离子动力电池未来的发展趋势，为新能源汽车行业未来的健康发展提供参考。

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电磁旋转涡流制动特性分析和力矩模糊控制方法研究

任乔, 张济民, 张鹏

机械工程学报. 2023, 59(6): 255-263. https://doi.org/10.3901/JME.2023.06.255

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运用理论分析法和有限元计算方法，研究电磁旋转涡流制动器的制动特性。介绍制动器的基本结构与工作原理，并结合磁路分析法与分层理论，推导出制动盘中的涡流密度及涡流损耗公式，解析得到制动力矩的理论公式。结果显示，制动力矩同线圈匝数及励磁电流乘积的平方成正相关，而且受气隙长度、制动盘厚度、电磁材料的磁导率与电导率影响；建立旋转涡流制动器的三维有限元模型，验证了理论结果的有效性，并进一步研究制动器的几何参数与电磁参数对制动特性的影响规律，得到适用于列车紧急制动工况的制动器参数；根据制动特性曲线建立制动器的参数模型，设计了模糊控制器以改善高速区间内列车制动的平稳性。所提出的制动力矩理论推导、制动特性分析及控制器设计方法可以为涡流制动器的总体设计及优化研究提供借鉴。

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叶栅参数对液力缓速器起效特性影响规律研究

魏巍, 李一非, 安媛媛, 郭东栋, 闫清东

机械工程学报. 2023, 59(6): 264-271. https://doi.org/10.3901/JME.2023.06.264

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叶栅参数对液力缓速器稳态制动特性具有决定性影响，但其对动态制动特性、尤其是保证制动响应快速性的液力缓速器起效特性影响的研究鲜有涉及。为提升液力缓速器起效特性和保证行车安全，在给定负载惯量和充液方式时，构建液力缓速制动动态特性预测模型，通过对叶片表面压力分布积分预测动轮角速度和角加速度，获取起效过程制动转矩与转速随时间变化趋势，并由台架试验进行对比验证。通过给定不同动、定轮主叶栅及辅助叶栅典型参数配置，分析叶栅系统参数对起效特性及其轮腔内部流动状态变化的影响规律。结果表明，动、定轮主叶栅参数影响轮腔内部油液流动旋涡结构的衍生与发展，进而在起效特性上反映出峰值转矩与起效时间的差异。利用该方法能够为液力缓速器动态特性优化设计提供理论依据。

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基于AC转角变化最小的五轴FDM熔覆路径的法矢量优化技术

刘浩, 陈正颖, 沈楷, 熊旭辉

机械工程学报. 2023, 59(6): 272-284. https://doi.org/10.3901/JME.2023.06.272

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五轴熔覆通过AC转台带动工件转动，使得喷嘴轴线尽可能与熔覆曲面的法矢量重合以达到最优的熔覆效果。熔覆指令通过AC转角离线计算的曲面法矢量来调整喷嘴轴线的位置。由于熔覆曲面数据噪声和外形特征的影响，熔覆路径上两个邻近点AC转角的差异可能非常大，从而使得控制系统自动插补得到的两点间路径与两点连线段的差异很大，导致熔覆过程中工件损坏或者熔覆质量降低。为了克服这一缺陷，基于遗传算法提出一种AC转角的优化方法，使得邻近点AC转角的差异尽可能小。在此基础上，进一步对差异较大的点的五个指令变量(X, Y, Z, A, C)进行线性插值，从而达到熔覆路径优化的效果。算法被集成到了自主研发的五轴FDM三维打印系统，并采用多个复杂曲面的熔覆实例验证其有效性。

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基于毛细力的芯片微操作方法研究

王彬开, 常博, 张衡

机械工程学报. 2023, 59(6): 285-294,308. https://doi.org/10.3901/JME.2023.06.285

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提出一种基于毛细力的芯片微操作方法，可实现微芯片的精准拾取、释放以及与尺寸匹配的基底的高精度自对齐。开发可精确模拟液桥形态的双迭代算法，求解微芯片操作过程中的拾取力与释放力，深入研究基于毛细力的微芯片的拾取以及释放的机理以及必要条件。研究液滴体积、基底接触角对微芯片拾取力和释放力的影响。结果表明，拾取力和释放力均随液滴体积的增大而增大，释放力随基底接触角的减小而增大。进一步通过试验验证基于毛细力的芯片微操作方法的可行性，研究液滴体积对微芯片操作的影响，并统计微芯片操作的成功率。基于毛细力的微操作方法在软体机器人、微机电系统、可穿戴设备的集成等领域具有潜在应用。

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多维非线性特征重构与融合的复杂产品工期预测方法

常建涛, 乔子萱, 孔宪光, 杨胜康, 罗才文

机械工程学报. 2023, 59(6): 295-309. https://doi.org/10.3901/JME.2023.06.294

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制造企业复杂产品零部件种类众多、加工和装配工序复杂，质量、工艺、设备等各类数据呈现多维度、多尺度、多噪声等特点，工期的关键影响特征提取难度大，预测精度难以保证。针对上述问题，提出一种多维非线性特征重构与融合的复杂产品工期预测方法，首先提出基于集成堆栈式自编码器的多维非线性特征重构与融合方法并构建相应模型，建立特征间的复杂关联耦合关系，形成工期关键因素特征池；基于深度学习算法构建多维非线性重构与融合的复杂产品工期预测模型，实现复杂产品工期的准确预测。选取某企业断路器和3D打印产品为对象进行工期预测的应用验证和对比分析，本方法的均方根误差平均值为1.28，平均绝对百分比误差平均值为3.01%，与未进行特征重构融合的方法，以及支持向量机、神经网络等方法相比，在精度方面均有提升，方均根误差至少降低了约10.87%，平均绝对百分比误差至少降低了约7.74%，证明所提方法的有效性和实用性。

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2023年, 第59卷, 第6期　
刊出日期：2023-03-20

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