机械工程学报

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机械工程学报. 2023, 59(9): 0-0.

摘要 ( 62 ) PDF全文 ( 252 )

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微小型仿蝗虫机器人设计及其无翻转跳跃运动实现

许毅, 张雨来, 斯云昊, 李昌, 黄强, 石青

机械工程学报. 2023, 59(9): 1-11. https://doi.org/10.3901/JME.2023.09.001

摘要 ( 93 ) PDF全文 ( 328 )

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以跳跃类昆虫为仿生对象,研制出一种微小型仿蝗虫机器人,可实现微小尺度下无翻转跳跃运动。通过分析蝗虫后胸跳跃足的骨骼肌肉模型,设计了基于斯蒂芬森六杆机构的仿生跳跃足结构;根据运动学优化六杆参数,解决了跳跃足末端轨迹的非线性和能量储存受限的问题;利用蝗虫蓄力时海特勒肿块与肌腱锁死实现能量锁存的工作机制,设计了基于棘轮-棘爪机构的锁能与释放装置,实现了机器人蓄力时能量的持续累积锁定,及起跳时的能量瞬时释放;利用动力学分析解算出机器人起跳阶段冲量矩和速度波动角的变化,从理论上验证了本机器人可实现无翻转跳跃的运动特性。最后,通过物理样机实验验证,表明设定胫节与地面夹角75°时,可实现机器人的无翻转、高爆发跳跃,即保持与起跳时一致的空中姿态且跳跃最大高度可达5倍体高。

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爬壁机器人焊缝高效修形技术研究

陈咏华, 孙振国, 张文, 陈强

机械工程学报. 2023, 59(9): 12-19. https://doi.org/10.3901/JME.2023.09.012

摘要 ( 54 ) PDF全文 ( 142 )

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针对大型容器建造过程中焊缝余高打磨效率低、质量不稳定、自动化程度低等问题,首先应用力学原理探讨了加工力大小及方向对爬壁式焊缝修形机器人影响,优化了爬壁机器人焊缝修形刀具姿态等条件。在此基础上进一步通过切削反力及修形效率的建模分析,提出了一种适用于爬壁机器人的焊缝修形"锉铣"新技术,设计并研制了相应的"锉铣"刃具和焊缝修形爬壁机器人系统;实验结果表明,机器人系统能对焊缝余高进行高效切削,且加工质量优于国家和行业标准的相关规定,同时还较传统加工方法显著改善了生产环境。

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基于6自由度串联机器人的电火花铣削加工轨迹规划及伺服控制策略研究

岳晓明, 臧烁, 徐作珂, 张勤河, 张建华, 霍孟友

机械工程学报. 2023, 59(9): 20-27. https://doi.org/10.3901/JME.2023.09.020

摘要 ( 48 ) PDF全文 ( 470 )

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针对传统电火花铣削加工所存在的灵活性不足和被加工工件尺寸受限等问题,提出了基于6自由度串联机器人的电火花铣削加工方法。基于四元数理论建立了工具电极复杂轨迹规划方法,实现了工具电极变姿态铣削加工。为了解决串联机器人无法满足电火花加工对放电间隙实时调整的快速响应要求,提出了工具电极垂直轨迹回退的伺服控制策略,实现了对加工间隙的快速调整。利用机器人的3个自由度和6个自由度分别开展了工具电极定姿态和变姿态下的电火花铣削加工实验,实验结果表明当工具电极变姿态时,加工过程中工具电极端部与工件表面发生放电,铣削加工轨迹的槽宽略大于工具电极直径,因此工具电极变姿态电火花铣削加工曲面工件时精度和效率更高。最后,在半球形工件上实现了电火花铣削加工三种复杂轨迹,验证了基于6自由度串联机器人电火花铣削加工技术的可行性和有效性,具有很大的市场应用潜力。

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多足蠕动式攀爬机器人混联机构运动特性及其工作空间

陈凯云, 盛晨原

机械工程学报. 2023, 59(9): 28-39. https://doi.org/10.3901/JME.2023.09.028

摘要 ( 63 ) PDF全文 ( 535 )

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针对海洋钢桩腐蚀防护的自动化作业问题,提出一种多足蠕动式攀爬机器人。该机器人在攀爬过程中具有混联构型和并联构型两种状态,通过两组机械足交替夹持与移动,实现攀爬作业任务。基于螺旋理论和修正的Grübler-Kutzbach公式,分析机器人的自由度,得到机器人并联部分机构的自由度恒为1,不会受到机械足数量的影响;采用Denavit-Hartenberg(D-H)法和解析法,建立机器人的运动学模型,确定机械足与机器人主体的位置映射关系;利用蒙特卡洛算法,计算六足、八足以及十足的机器人攀爬工作空间。基于此,在确定海洋钢桩的规格后,综合考虑机器人主体尺寸、夹持力等因素,最终选择六足构型。通过若干组机器人攀爬实验,对建立的机器人运动学模型进行验证。试验结果表明:研制的六足蠕动式攀爬机器人实验样机结构设计合理,符合攀爬工作要求。研究成果将为海洋钢桩腐蚀防护自动化装备的研制,以及混联机构在管外攀爬机器人领域中的应用,提供理论依据。

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一种食指康复外骨骼机器人设计与分析

田宇, 王洪波, 刘颖, 杜家正, 牛建业

机械工程学报. 2023, 59(9): 40-50. https://doi.org/10.3901/JME.2023.09.040

摘要 ( 100 ) PDF全文 ( 475 )

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针对现有手部康复机器人精细化操作不足与人机相容性较差的问题,从脑卒中临床康复需求出发,基于人体解剖学理论,提出一种新型欠驱动食指外骨骼康复机器人。采用2-UPS并联机构与鲍登线的新型组合设计,实现了掌指关节二自由度主动康复运动,提高了机器人精细化操作能力;在设计过程中将指骨作为人机闭式运动链的组成部分,并探讨了食指屈曲/伸展与内收/外展运动的耦合关系,完善了患者康复训练中的约束条件,使机器人运动与人体自然运动更加协调,提高了机器人的人机相容性;求解了机构的运动学反解,分析了机构的工作空间并完成了仿真验证;搭建实验样机并开展了机构性能测试,基于对15个被试开展的人机工程学与康复运动舒适性的调查问卷结果,采用层次分析法对设备进行了评价,结果表明该机构可以满足使用者的康复需求。

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基于非线性弹簧模型的轮腿自平衡机器人跳跃算法研究

高靖松, 金弘哲, 朱延河, 高良, 吕红亚, 赵杰, 蔡鹤皋

机械工程学报. 2023, 59(9): 51-62. https://doi.org/10.3901/JME.2023.09.051

摘要 ( 73 ) PDF全文 ( 550 )

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轮腿式自平衡机器人兼具轮式的高速高效性和足式的地面适应性,在面对非结构化地形时可以进行跳跃越障。按照腿部自由度可将其分为单自由度式和二自由度式,其中单自由度式轮腿自平衡机器人结构更简单、质量更轻、控制难度更低。但在跳跃轨迹规划问题上,一方面单自由度腿部结构对髋关节出力需求更高,采用双质量块线性弹簧模型轨迹规划方法能够达到的最大越障高度有限;另一方面机器人在高度调整过程中整体质心会产生x向位移,对跳跃的准确性与稳定性造成影响。针对单自由度式轮腿自平衡机器人跳跃问题展开研究,首先提出了基于腾空动力学模型的轮部控制算法,使机身俯仰姿态在跳跃过程中始终可控,进而保证了跳跃的稳定性。之后提出了基于双质量块非线性弹簧模型的跳跃轨迹规划方法,相比基于线性弹簧模型的规划方法具有轨迹规划更加灵活,对髋关节出力要求更低等优点;然后进一步利用轮部在腾空过程中对机身俯仰角的控制效果,设计了一种机器人原地跳远方法,使机器人可以在更短的起跳时间和起跳距离下达到相同的跳跃距离;最后建立了单自由度式轮腿自平衡机器人三维简化模型及其运动学、单腿静力学以及腾空动力学模型,并通过Simulink-Adams联合仿真验证了轨迹规划与跟踪算法的可行性。

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一种新型五自由度混联机器人动力学建模与性能评价

王明昊, 汪满新

机械工程学报. 2023, 59(9): 63-75. https://doi.org/10.3901/JME.2023.09.063

摘要 ( 43 ) PDF全文 ( 394 )

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研究一种新型五自由度混联机器人动力学建模和性能评价方法。该混联机器人的主机构为由一条串接一转动副的1T1R(T:平动,R:转动)平面并联运动链和两条空间无约束主动支链组成的1T2R三自由度并联机构。建立该机器人位置逆解、速度、加速度及其动力学模型,并通过Solidworks motion验证动力学模型的正确性。在此基础上,计及末端转头加减速运动对并联机构驱动关节驱动力的影响,并考虑到此类机构切向和法向运动的差异,基于矩阵奇异值理论分别提出该机器人并联机构切向和法向加减速特性评价指标,揭示关键尺度和结构参数对加减速特性影响规律,为机器人的集成优化设计提供参考依据。最后,通过比对分析验证所提出的新型五自由度混联机器人具有与著名Tricept机器人和Trimule机器人相似的加减速特性。

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面向移乘护理的冗余双臂机器人行为安全控制

李洋, 冯适意, 朱德良, 郭士杰, 宋元昊, 田倩倩

机械工程学报. 2023, 59(9): 76-89. https://doi.org/10.3901/JME.2023.09.076

摘要 ( 66 ) PDF全文 ( 361 )

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人体移乘是劳动强度最大的护理任务之一,因此移乘护理任务的机器人化是护理领域的迫切需求,双臂机器人以其灵活性和多功能化的优势,在护理领域受到广泛关注。不同于传统工业机器人的定位任务,护理任务需要机器人与人体接触,且场景通常为存在障碍的非结构化环境,因此任务过程中人体的安全性和舒适性至关重要。为实现非结构化环境中的人体移乘护理任务,提出轨迹变形算法,使双臂机器人具备规避障碍物及主动柔顺的功能。首先通过人工势场概念设计基于障碍及位姿的排斥函数和吸引函数,将机器人的障碍规避及主动柔顺功能通过人工势场虚拟力及人机交互力的合力描述。以合力下虚拟弹簧-阻尼系统的等效运动作为轨迹偏差,并通过雅可比矩阵将轨迹偏差变换到关节空间,避免冗余机器人的逆运动学求解。仿真结果表明,轨迹变形算法可在实现主动柔顺的同时规避障碍物。最后进行双臂机器人的人体移乘护理实验,验证轨迹变形算法可基于交互力及势场迭代调整轨迹,证明轨迹变形算法可用于非结构化场景中的人体护理任务,对提高人机交互过程中的安全性,进而实现机器人在康复护理领域的推广与应用具有重要意义。

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基于自适应变分模态分解与功率谱熵差的机器人铣削加工颤振类型辨识

孙朝阳, 彭芳瑜, 唐小卫, 闫蓉, 辛世豪, 吴嘉伟

机械工程学报. 2023, 59(9): 90-100. https://doi.org/10.3901/JME.2023.09.090

摘要 ( 79 ) PDF全文 ( 295 )

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机器人铣削加工存在模态耦合颤振和再生颤振现象,有效地进行机器人铣削加工颤振类型的辨识是进行颤振精准抑制和保证加工质量的基础。为此,提出一种基于自适应变分模态分解与功率谱熵差的颤振类型辨识(AVMD-ΔPSE)方法。通过分析机器人铣削加工颤振特性和主导模态,将机器人铣削颤振分为机器人结构模态主导的模态耦合颤振和刀具-主轴结构模态主导的再生颤振两种类型。为了提取颤振敏感子信号,利用自适应变分模态分解方法对原始信号进行分解,根据功率谱熵和频率消除算法设计功率谱熵差颤振类型辨识指标,结合多组试验数据采用高斯混合模型自适应地确定辨识指标最佳分类阈值。颤振辨识试验表明机床铣削加工颤振辨识方法运用于机器人铣削加工中仅能识别颤振却无法区分不同的颤振类型,而AVMD-ΔPSE方法能准确有效地辨识和区分机器人铣削加工中的模态耦合颤振和再生颤振,为机器人铣削颤振的针对性抑制提供理论指导。

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机械系统动力学Rosenberg嵌入法的扩展与解耦：一阶约束与二阶约束的整合

赵睿英, 余进, CHEN Y H, 冯艳丽, 曹学鹏

机械工程学报. 2023, 59(9): 101-115. https://doi.org/10.3901/JME.2023.09.101

摘要 ( 73 ) PDF全文 ( 277 )

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如何正确又有效地将非完整约束引入一直是机械系统动力学建模的重点和难点。传统的机械系统动力学建模方法(如:拉格朗日乘子法、Gibbs-Appell方法和Kane方法)通过借助拉格朗日乘子、广义伪速度和伪加速度等辅助变量来建立系统的运动方程,这些方法正确,但步骤复杂、计算量大。相比而言,伯克利大学力学大师Reinhardt M. Rosenberg提出了一种完全不同的约束嵌入方法,该方法将约束嵌入到虚位移中,再借助基本方程来建立机械系统的动力学模型,可获得低维的机械系统动力学模型。与上述传统建模方法相比,Rosenberg嵌入法简单、直观且无需辅助变量,弥补了其他约束嵌入建模方法在机械系统动力学中可能存在不适用问题(特别是非完整约束)。然而,该方法借助"嵌入"约束对系统降维,存在降维后的动力学模型耦合性较强,且后续解耦困难等问题。因此,创新地提出将约束的一阶与二阶形式进行整合的思想,对Rosenberg方法进行扩展和补充,建立完全解耦的机械系统动力学模型,并利用经由完全不同理念所推导出的Udwadia-Kalaba方程对扩展后的Rosenberg嵌入法进行理论验证,确认扩展后的方法正确、有效。其次,基于扩展后的Rosenberg嵌入法,建立了太空悬浮机器人和三轮全向移动机器人的动力学解析模型,通过与Udwadia-Kalaba方程建立模型的数值仿真结果相对比,完全验证了所建动力学模型的正确性,为机械系统动力学建模提供了一个具有实际应用价值的新方法。

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竖直静压圆柱导轨系统运动误差理论模型研究

查俊, 张会杰

机械工程学报. 2023, 59(9): 116-124. https://doi.org/10.3901/JME.2023.09.116

摘要 ( 59 ) PDF全文 ( 132 )

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针对双面抛光机床中竖直静压圆柱导轨运动误差影响被加工零件平行度的难题,提出一种基于压力油膜误差均化效应的运动误差理论模型。考虑圆柱导轨轮廓误差并对油膜厚度进行均化处理,建立圆柱导轨轮廓误差分析模型,求解各油垫的油膜承载力,量化竖直静压圆柱导轨系统在运动过程中产生的线性偏差和角度偏差。进一步,从初始设计油膜间隙、设计节流比、供油压力三个方面研究圆柱导轨轮廓误差对运动误差的影响机制。通过实验测得圆柱导轨轮廓误差曲线,并根据最小二乘法进行数据拟合,得到圆柱导轨轮廓误差函数并计算出实际倾角误差。圆柱导轨轮廓误差模型的计算结果与仿真结果相差2.4%,与实验结果相差9.2%,圆柱导轨轮廓误差模型适用于工程实践。结果表明:建立的竖直静压圆柱导轨系统运动误差理论模型精度高,可为竖直静压圆柱导轨精度分析和工程应用提供理论基础。

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基于VMD-EEMD-LSTM的涂层型关节轴承剩余使用寿命预测方法

林亮行, 马国政, 孙建芳, 韩翠红, 雍青松, 苏峰华, 王海斗

机械工程学报. 2023, 59(9): 125-136. https://doi.org/10.3901/JME.2023.09.125

摘要 ( 46 ) PDF全文 ( 293 )

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涂层型关节轴承由于其结构紧凑且具有较好的摩擦性能,在航天航空设备领域有广泛的应用前景,对其剩余使用寿命(Remaining useful life,RUL)进行有效预测,能够为设备的维护提供一定的理论依据。因此,提出了一种基于变分模态分解(Variational mode decomposition,VMD)、集成经验模态分解(Ensemble empirical mode decomposition,EEMD)以及长短期记忆神经网络(Long Short-term memory neural network,LSTM)模型的剩余使用寿命预测方法。首先,利用VMD以及EEMD对轴承摩擦扭矩信号进行特征提取,并根据时间相关性进行特征筛选,得到相关性较高的3组特征序列,对筛选出的特征进行相对归一化处理作为模型输入,减小不同工况下摩擦扭矩幅值变化带来的影响;最后,选择超参数优化区间对LSTM进行贝叶斯优化,得到贝叶斯优化-LSTM模型,对涂层型关节轴承的RUL进行预测。研究结果表明,该预测模型融入了能够表征涂层型关节轴承退化信息和寿命衰减的多个信号特征,对不同工作载荷下的轴承均有较高的RUL预测精度以及较好的泛化性能。

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基于定量递归分析的冷轧颤振状态识别与预报

王晓勇, 郜志英, 辛岩莉

机械工程学报. 2023, 59(9): 137-145. https://doi.org/10.3901/JME.2023.09.137

摘要 ( 50 ) PDF全文 ( 176 )

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冷轧板带生产中的颤振问题始终是制约生产效率提高和高强薄板新产品开发的"瓶颈",而过度依赖生产经验难以及时地发现并抑制冷轧颤振,因此颤振状态快速识别与预警是板带轧制智能化的重要依据,提出了基于定量递归分析与核密度估计法相结合的冷轧颤振状态识别方法,对实际生产过程积累的轧机历史振动数据进行研究。首先,分别对轧制生产过程中颤振状态和稳定状态的加速度信号进行递归图构建和定量递归分析,比较两种状态下递归图拓扑结构与定量递归分析指标的差异性;然后,利用核密度估计法计算基于不同定量递归分析指标的报警阈值,实现稳定状态和颤振状态的区分;最后,将定量递归分析指标与振动报警阈值相结合,实现对颤振状态的快速、有效辨识。研究结果表明:相较于传统的振动加速度信号时域特征指标,定量递归分析法能够更加快速地对冷轧颤振状态进行识别和预报,提高了颤振状态的辨识敏感度以及在发生颤振时的快速响应能力,不仅对实际生产具有积极的指导作用,而且对推动板带冷轧智能化具有重要意义。

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基于分量加权重构和稀疏NMF的轮毂电机轴承复合故障特征提取方法

薛红涛, 丁殿勇, 李汭铖, 徐兴

机械工程学报. 2023, 59(9): 146-156. https://doi.org/10.3901/JME.2023.09.146

摘要 ( 37 ) PDF全文 ( 311 )

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为解决复合故障特征分离提取效果不佳的问题,针对轮毂电机轴承故障,提出一种基于分量加权重构(Component weighted reconstruction, CWR)与稀疏非负矩阵分解(Sparse nonnegative matrix factorization, SNMF)相结合的故障特征提取方法。首先,提出了一种融合指标CIH,从多角度评价振动信号并自适应选取局部均值分解后的乘积函数(Product function, PF)分量,进行CWR实现故障特征的增强表达;其次,分析重构信号时频能量矩阵的奇异值与隐含子空间的关系,基于奇异值方差比定义重构信号的平滑系数,对SNMF算法最优分解维数进行预估计;最后,引入板仓-斋藤(Itakura-Saito, IS)距离和稀疏约束建立SNMF算法,对时频能量矩阵进行分解降维,通过短时傅里叶逆变换获得子空间时域分离信号并进行频谱包络分析,提取故障特征。由仿真及试验结果表明,所提方法可以有效实现复合故障特征的分离提取,具有一定的工程应用价值。

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指尖密封结构参数的多目标混合教与学优化方法

王娟, 刘美红, 祝世兴, 陈文博, 李遇贤, 孙军锋

机械工程学报. 2023, 59(9): 157-170. https://doi.org/10.3901/JME.2023.09.157

摘要 ( 86 ) PDF全文 ( 135 )

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作为一种先进柔性密封,指尖密封结构参数对其性能的影响较为复杂,传统建模方法难以有效刻画两者间的映射关系,这导致指尖密封结构参数的优化难以实现。为此,首先利用BP神经网络构建迟滞率、平均接触压力和基圆半径、指尖梁个数等多个结构参数间的拟合关系,并在此基础上建立同时最小化迟滞率和平均接触压力(Minimize hysteresis-rate and average contact pressure,MHACP)的多目标优化问题模型;然后,设计结合Pareto支配法的混合教与学优化方法(Hybrid teaching-learning-based optimization,HTLBO)对所建模型进行求解;最后,通过仿真实验对BP神经网络、MHACP和HTLBO进行验证。结果表明:BP神经网络的整体线性回归拟合度超过0.99;95%置信区间(Confidence interval,CI)下,MHACP的仿真结果在等价区间[0.7,1]上与ANSYS等效,说明MHACP可以较好地反映指尖密封结构的特性,通过对MHACP的求解可以实现对指尖密封结构参数的优化;HTLBO具有较好的稳定性和优化性能,能同时有效改善指尖密封的迟滞和磨损问题并提供多组具有不同性能偏好的解以满足实际工程需求,为机械密封领域结构参数优化提供了一种普适方法。

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微流道界面剪切对液膜密封空化流场特性的影响研究

胡琼, 肖洋, 卢迪, 曹志康, 王晓雷, 王衍, 武扬, 何一鸣

机械工程学报. 2023, 59(9): 171-185. https://doi.org/10.3901/JME.2023.09.171

摘要 ( 54 ) PDF全文 ( 397 )

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针对高转速下液膜密封空化区界面发生强烈波动导致密封失稳的问题,为寻找波动抑制方法,考察了微流道槽底面剪切条件对液膜空化流场特性的影响。选用Schnerr-Sauer空化模型,运用Laminar和转捩SST模型,对比研究了不同转速槽底面无滑移和无剪切条件下的开启力F_o、泄漏率Q、空化占比和空化区速度分布规律。结果表明:流动模型的选择(Laminar和转捩SST模型)对F_o和Q的影响可以忽略,但对空化影响十分显著;液膜空化泡在膜厚方向呈不规则曲面状,在槽区膜厚中部位置的轴截面空化面积占比最大,无滑移时向非开槽端面单侧减小,无剪切时向密封端面双侧减小;可分开判定非槽区和槽区流态,非槽区始终为层流,槽区在11 300 r/min以下为层流,高于11 300 r/min为转捩流,若存在局部区域流动因子9/16<ζ<1或有空化发生,均应采用转捩SST模型;槽底面进行超滑水改性,可显著提高F_o(15 000 r/min时提高51.6%),降低Q(1 000 r/min时降低2.8%),有效降低空化率(15 000 r/min时空化体积占比降低超过80%),提升空化临界转速(从4 000 r/min提升至7 000 r/min)及液膜稳定性(空化区速度波动减弱,且槽区湍流形成临界转速由4 000 r/min提升至11 300 r/min),并使空化随转速的变化具有规律性、可预测性。此为提升液膜密封性能以及完善微流道流动理论和实现空化调控提供参考。

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中等强度沙尘暴环境下钢轨硬度对轮轨滚动磨损与损伤影响

舒康, 丁昊昊, 林强, 王文健, 郭俊, 刘启跃

机械工程学报. 2023, 59(9): 186-197. https://doi.org/10.3901/JME.2023.09.186

摘要 ( 68 ) PDF全文 ( 187 )

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为研究戈壁和沙漠中等强度沙尘暴环境下钢轨硬度对轮轨滚动磨损和损伤的影响,采用风沙环境双盘滚动接触疲劳试验机对四种不同硬度的珠光体钢轨材料进行了轮轨滚动试验。结果表明,戈壁和沙漠中等强度沙尘暴环境下,随着钢轨硬度增加,平均黏着系数均无显著变化,车轮磨损率均先减小后增加,但钢轨磨损率在戈壁和沙漠中等强度沙尘暴环境下分别呈下降和上升趋势;这两种中等强度沙尘暴环境下,车轮的磨损机制主要为氧化磨损和疲劳磨损,且车轮氧化磨损随着钢轨硬度的增加而逐渐加剧,而钢轨的磨损机制主要为疲劳磨损;随着钢轨硬度的增加,这两种中等强度沙尘暴环境下,钢轨剖面裂纹深度总体均呈下降的趋势,表明钢轨的疲劳损伤随着钢轨硬度的增加而逐渐减轻;由于疲劳损伤对轮轨运行安全的影响比磨损更大,综合考虑钢轨材料的抗滚动磨损性能和抗滚动接触疲劳性能可以得出,高硬度的热处理钢轨更适合用于中等强度沙尘暴环境。

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航空发动机齿轮泵轴承润滑及抗偏载特性分析

解忠良, 焦见, 杨康

机械工程学报. 2023, 59(9): 198-211. https://doi.org/10.3901/JME.2023.09.198

摘要 ( 42 ) PDF全文 ( 296 )

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针对航空发动机齿轮泵滑动轴承复杂工况下存在的润滑性能不清晰、摩擦特性不明朗的问题,将转轴转速升高,分析光滑油膜和带槽油膜压力变化,增大入口供油压力,观察承载力变化,同时,施加并增大轴承偏载。结果表明,转速升高,光滑油膜正压增大、负压减小,带槽油膜的负压降低,承载能力显著增长,入口压力对承载力的影响逐渐减弱。存在临界入口压力,使得处在低于该值的工况,转速越高,无量纲摩擦因数越大。偏载持续增大,极大可能导致轴承油膜破裂、润滑失效。存在偏载临界点,使得处于临界点以下的轴承性能较好,高于该点的轴承性能较差。此外,偏载具有刚度增强和阻尼增强的作用。研究结果为齿轮泵滑动轴承设计研发及其国产化提供理论依据。

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机械产品装配偏差分析方法研究进展与展望

余海东, 高畅, 赵勇, 袁可

机械工程学报. 2023, 59(9): 212-229. https://doi.org/10.3901/JME.2023.09.212

摘要 ( 116 ) PDF全文 ( 472 )

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机械产品装配是制造过程的最终阶段,装配质量对机械产品的服役性能和可靠性有直接影响。建立合理的数学模型描述机械产品装配过程中的偏差传递、累积和淹没规律,对产品的容差设计与故障诊断,并进一步提高产品性能和服役周期具有重要意义。归纳并总结了现有机械产品装配偏差分析的理论方法,从基于刚性假设的偏差分析与考虑柔性变形的偏差模型两个方面系统地论述了目前机械产品装配偏差传递分析的研究进展。刚性偏差分析围绕尺寸链模型与确定性定位模型展开,并对基于尺寸链理论的雅可比旋量方法做了详细介绍与具体的应用分析。对于主流的柔性装配偏差传递建模方法,详细论述了影响系数法与装配偏差场传递模型的理论建模过程与及其应用范围,并从大型结构装配的现场应用出发,对装配偏差场传递模型进行了具体的案例分析。针对目前航空航天等领域机械产品大尺寸、高承载的发展趋势,提出了对于局部刚性整体柔性的大型结构装配偏差预测的难点以及研究展望。

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电场驱动喷射沉积微纳3D打印及其在先进电路和电子制造中的应用

兰红波, 李红珂, 钱垒, 张广明, 于志浩, 孙鹏, 许权, 赵佳伟, 王飞, 朱晓阳

机械工程学报. 2023, 59(9): 230-251. https://doi.org/10.3901/JME.2023.09.230

摘要 ( 77 ) PDF全文 ( 1623 )

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微纳3D打印是近年出现的一种颠覆性新技术,经过10多年的迅猛发展,国内外学者已经提出10多种微纳3D打印工艺,但现有微纳3D打印大都面临打印材料和基材的普适性和兼容性差、大面积宏/微跨尺度结构制造困难、生产成本高,尤其是还存在成形效率(尺寸)和打印精度相矛盾的挑战性难题。经过近10年的研究与技术攻关,提出并建立了一种电场驱动喷射沉积微纳3D打印新技术,围绕该技术在基础理论、数值模拟、关键技术和装备、打印材料、实验研究和工艺优化、工程应用等方面开展了较为系统和深入研究。主要综述了电场驱动喷射沉积微纳3D打印基本原理和近年取得重要进展,尤其是系统介绍了该技术在先进电路和电子制造中的典型应用,旨在为先进电路和电子的制造提供了一种低成本、普适性好的具有工业化应用前景的全新解决方案。

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基于改进力密度法和非线性有限元法的索-膜-桁架天线形态优化设计

谷永振, 段宝岩, 杜敬利, 史伟杰, 张永涛, 武路鹏, 冯树飞

机械工程学报. 2023, 59(9): 252-262. https://doi.org/10.3901/JME.2023.09.252

摘要 ( 51 ) PDF全文 ( 198 )

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索-膜组合结构预张力会通过边界索力作用到支撑桁架上导致桁架变形,桁架变形又会改变索-膜组合结构的边界形状和预张力分布,这是索-膜-桁架之间的力-形耦合问题。针对索-膜-桁架天线中普遍存在的这种力-形耦合问题,提出了基于改进力密度法和非线性有限元法的形态优化设计方法进行解决。首先推导了索-膜组合结构的改进力密度平衡方程,利用力密度迭代方法确定边界固定时的索-膜组合结构初始形态,作为形态优化的初始值。然后推导了索-膜-桁架组合结构的非线性有限元平衡方程,并以索和薄膜预张力为设计变量、薄膜反射面的最佳拟合形面精度为优化目标、索-膜组合结构不松弛或褶皱为约束条件建立形态优化模型。最后通过对某口径5米索-膜-桁架天线和某口径20米的偏置索-膜-桁架天线进行形态优化设计仿真,验证了提出方法的有效性。设计完成的某口径5米的索-膜-桁架天线,实物模型测量取得了预期结果。

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改进博弈论四重组合赋权法下的开口甲板多目标拓扑优化设计

崔宇朋, 余杨, 韦明秀, 李振眠, 余建星

机械工程学报. 2023, 59(9): 263-273. https://doi.org/10.3901/JME.2023.09.263

摘要 ( 51 ) PDF全文 ( 529 )

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结构刚度、振动及开口处强度影响开口甲板服役寿命。针对开口甲板型式,以多项式惩罚模型(Polynomial penalization model,PPM)为理论依据并辅以三段式延拓(Three-stage continuation,TSC)法,提出一种基于折衷规划法(Compromise programming method,CPM)和改进博弈论四重组合赋权法(Improved fourfold combination weighting model of game theory,IFCWGT)的强度-刚度-振动多目标拓扑优化(Topology optimization,TO)综合策略。为缓解传统变密度法收敛至局部最优解及局部模态问题,将应用TSC技术的PPM引入至开口甲板多目标概念设计领域。建立结合CPM和PPM-TSC的最大单元应力最小化、静态多应变能最小化、动态多频率最大化的多目标TO模型并应用β法以获取Pareto妥协解。提出利用博弈论思想无偏好耦合层次分析(Analytic hierarchy process,AHP)法、熵权法(Entropy weight method,EWM)、基于层间相关性(Criteria importance through intercriteria correlation,CRITIC)法及变异系数法(Coefficient of variation method,CVM)的IFCWGT策略,以得到兼具设计决策者主观价值和数据客观性的子目标综合权重因子。研究表明,所提出的融合四种主客观赋权法的IFCWGT技术在子目标权重分配及开口甲板拓扑性能、拓扑布局方面更具先进性。

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基于重复控制的静压轴承-主轴系统非圆轴心轨迹成型技术研究

向绍通, 潘伟, 张艺馨, 陈淑江, 路长厚

机械工程学报. 2023, 59(9): 274-284. https://doi.org/10.3901/JME.2023.09.274

摘要 ( 48 ) PDF全文 ( 451 )

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非圆轴心轨迹成型技术可用于异形曲面加工等特殊用途。为提高非圆轴心轨迹的成型精度,提出了可控静压轴承主轴系统的重复控制方法。可控静压轴承主轴系统是一个多变量耦合系统,模型复杂。为了便于控制器的设计,对系统原有线性参变模型进行了简化,建立了线性解耦模型。根据非圆轴心轨迹成型的特点,将重复控制器引入原PI控制系统,并根据稳定性准则,设计了重复控制器各参数,同时,为保证系统对非圆轨迹的跟踪精度,分析了增益参数对系统稳定性和性能之间的影响。最后建立了可控静压轴承主轴仿真与实验系统,并将重复控制与传统PI控制策略进行了对比。结果表明,该重复控制系统具有较强的鲁棒性且稳态误差更小,控制精度相较于PI控制系统有显著的提升。

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多光束变光斑激光定向能量沉积工艺及分析模型

黄胜, 李涤尘, 张晓宇, 崔滨, 李青宇, 张安峰

机械工程学报. 2023, 59(9): 285-297. https://doi.org/10.3901/JME.2023.09.285

摘要 ( 120 ) PDF全文 ( 328 )

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为了兼顾成形效率与精度,提出多光束变光斑激光定向能量沉积技术。研发了多光束变光斑激光熔覆头,该熔覆头采用3个激光输出头设计,输出的激光束在焦点处汇聚,每束激光束具有不同直径。开发了变光斑控制模块,通过控制3个激光束的不同组合,实现小光斑与多光束组合大光斑的快速变换。基于能量守恒和质量守恒原理,分析了激光、粉末和基板的交互作用,建立了多光束变光斑激光定向能量沉积工艺分析模型。经过实验证实,该分析模型能够预测不同工艺参数下的熔覆单道尺寸与粉末利用率,可为该工艺的参数优化和工艺参数选定提供参考。多光束变光斑激光定向能量沉积工艺具有响应速度快、可靠性高、激光能量利用率高等优点,为变光斑激光定向能量沉积工艺提供新的方法和相应的理论基础。

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蜂窝芯超声切削技术研究进展

孙健淞, 康仁科, 周平, 董志刚, 王毅丹

机械工程学报. 2023, 59(9): 298-319. https://doi.org/10.3901/JME.2023.09.298

摘要 ( 129 ) PDF全文 ( 638 )

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蜂窝夹层构件因其密度低、比强度和比刚度高等特性,广泛应用于航空航天等领域。Nomex蜂窝和铝蜂窝是广泛采用的蜂窝材料,但由于其薄壁、多孔等结构特征,在加工中容易出现撕裂和毛刺等问题。超声切削技术具有减小切削力、改善加工表面质量和提高加工效率等特点,作为解决蜂窝材料难加工问题的关键方法,近年来受到了国内外广泛关注。围绕刀具运动学和切削力模型、切削仿真、加工表面形貌与面形精度分析、加工轨迹规划方法和超声加工系统研制等方面,总结了蜂窝材料超声切削机理与工艺、超声切削系统与装备的研究现状,并对蜂窝材料超声切削技术的发展趋势与未来研究重点进行展望。

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电渗效应对水基切削液在刀-屑界面渗透润滑影响机理的实验研究

冯伯华, 栾志强, 张若冲, 夏雨, 姚伟强, 胡晓冬, 许雪峰

机械工程学报. 2023, 59(9): 320-334. https://doi.org/10.3901/JME.2023.09.320

摘要 ( 41 ) PDF全文 ( 222 )

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切削区毛细管润滑理论在解释切削液刀-屑界面渗透发挥润滑作用时主要考虑大气压力和毛细力,未关注切削区荷电粒子发射所引起的切削液电动效应。切削区电学效应所产生的电场足以诱发切削液产生电渗流。基于此,首次探究了电渗效应对水基切削液渗透机理的影响,揭示了电渗添加剂、毛细管材料和轴向电场对切削液电渗特性的影响规律。通过测量切削区间隙中的荷电粒子发射强度,掌握了切削区毛细管两端自激轴向电场的变化特性。结果表明,切削液在切削区存在电渗效应且与工件材料和荷电粒子发射强度相关。车削AISI 304不锈钢时,电渗促进型切削液润滑下的切削力相比于纯去离子水和电渗抑制型切削液润滑时分别降低了31.1%和44.3%。刀具刃口的扫描电子显微镜(Scanning electron microscopy, SEM)和能谱分析(Energy dispersive spectroscopy, EDS)显示,随切削液电渗性能提高,切削刃的磨损形式由粘附磨损转变为微崩刃,表明电渗效应与切削液的渗透及切削性能呈正相关。研究结果对于了解电渗效应对切削液渗透机理的影响,完善毛细润滑理论,以及最终提高切削液使用效率有重要参考价值。

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基于目标检测的选区激光熔融成形过程熔池与飞溅监测

毛杨坤, 段现银, 林昕, 傅盈西, 朱锟鹏

机械工程学报. 2023, 59(9): 335-348. https://doi.org/10.3901/JME.2023.09.335

摘要 ( 86 ) PDF全文 ( 581 )

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在选区激光熔融成形过程中,飞溅与熔池包含了能够体现加工质量的重要特征信息,从成形过程采集到的熔池图像中,获得这些信息,实现选区激光熔融的过程监测是近年来研究的重点之一。为了更加精确且有效地从图像中提取熔池和飞溅的信息,提出了一种基于YOLOv5目标检测模型,实现了对成形过程图像中飞溅与熔池的实时定位与捕获。首先,以YOLOv5s目标检测网络为基础,调整骨干网络的深度与宽度,修改检测头的数量。之后,引入自校正卷积与CBAM注意力机制模块,设计了新的特征整合结构,通过上述步骤,提升了网络的检测性能。将工业相机采集到的图像制作为目标检测数据集,进行模型的训练与测试,结果表明该网络能够从原始图像中对飞溅与熔池目标进行准确的定位,在具有良好的检测精度的同时,网络模型的参数量极少,更加符合工业应用的需求。网络的检测精度mAP@0.5:0.95达到了0.466,为基于图像的选区激光熔融过程监测提供了一种新的方法。

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磨削白层特性及其与声发射信号的相关性

毛聪, 孙鹏程, 唐伟东, 张明军, 罗源嫱, 胡永乐, 张德嘉, 唐昆, 管付如

机械工程学报. 2023, 59(9): 349-359. https://doi.org/10.3901/JME.2023.09.349

摘要 ( 84 ) PDF全文 ( 271 )

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磨削白层严重影响零件的服役性能和寿命。为了研究磨削白层的物理本质,揭示磨削白层特性与声发射信号频谱幅值的相互关联,开展了淬硬GCr15轴承钢磨削实验,观测了磨削白层特性,揭示了磨削机械挤压和磨削热的耦合作用下声发射信号频谱规律。研究表明,白层组织更加致密,耐腐蚀性更强,显微硬度高于暗层与基体组织;磨削白层受到磨削温度与塑性形变的协同影响,当磨削温度低于工件材料名义相变温度时,在剧烈的塑性变形诱导下,磨削表面也会出现白层,当磨削温度超过名义相变温度时,白层厚度会突增;磨削时声发射信号受机械挤压应力和热应力效应协同影响,低频段幅值主要取决于机械挤压应力,高频段幅值主要受热应力效应影响,当磨削温度超过名义相变温度时,工件材料分/原子内能显著增大,进而产生无序高频振动,从而高频段幅值急剧增大。揭示了声发射信号高频段幅值与白层厚度之间关联关系,磨削过程中根据高频段幅值是否出现突变,可以判断磨削表面和亚表面是否出现相变及产生厚的白层。为白层厚度可控的磨削提供了在线监测方法。

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皮秒激光辅助砂带磨削TC17钛合金材料去除行为研究

贺毅, 肖贵坚, 朱升旺, 刘岗, 黄云

机械工程学报. 2023, 59(9): 360-372. https://doi.org/10.3901/JME.2023.09.360

摘要 ( 132 ) PDF全文 ( 398 )

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钛合金具有强度高、耐热性好等特点,属于典型的难加工材料。激光辅助加工可改变材料的性能,显著提高材料的加工性能。提出了皮秒激光辅助砂带磨削TC17钛合金新方法,基于皮秒激光辅助单磨粒划擦,研究了激光辐照工艺参数对表面预热温度以及磨粒的不同初始压力对主切削力、材料去除行为的影响规律。仿真结果表明,激光功率和激光扫描速度均对表面温度影响显著,在激光功率为4.8 W和激光扫描速度为300 mm/s时,激光辐照表面最大温度为2 019℃,超过了TC17的熔点。实验结果表明,与单磨粒划擦相比,皮秒激光辅助单磨粒划擦可显著减小主切削力,最大可减小58.7%;适当的激光功率辅助加工可提高材料的去除能力,在激光功率为1.8~2.4 W时最优,过大的激光功率反而会导致材料去除能力变弱;辅助加工材料去除行为仍主要表现为延性去除,磨屑随着激光功率的增加逐渐转变为锯齿形磨屑。皮秒激光辅助砂带磨削加工结果显示,磨削区域的力热耦合作用降低,提高了表面的加工质量。

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