机械工程学报

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李响, 陈欣瑞, 雷亚国, 李乃鹏, 杨彬, 俞舒鹏

机械工程学报. 2024, 60(24): 1-10. https://doi.org/10.3901/JME.2024.24.001

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振动测量与信号处理是机械装备故障诊断的重要方法。目前，主流的接触式振动测量方法已经取得了显著的成果。然而，此类方法对传感器部署环境有较高要求，在很多工程场景下难以适用。因此，非接触式机械振动测量与故障诊断方法逐渐得到广泛关注。事件相机作为一种受生物启发的非接触式动态视觉传感器，具有极高的时间分辨率、高动态范围、低数据冗余等优秀特性，能够从视觉角度准确捕捉机械装备微振动。提出了一种动态视觉赋能的非接触式机械装备智能迁移诊断方法。首先，基于事件相机采集的机械装备动态视觉振动信号，建立了面向动态事件流数据的跨领域扩散生成模型，实现了对实测场景下装备未知故障状态的动态视觉数据智能生成。在此基础上，提出了一种基于类脑计算的动态视觉数据特征提取与装备故障模式智能识别方法，实现了机械装备变工况下跨领域迁移诊断。最后，所提方法在核电机泵冷却循环试验台上针对关键旋转机械部件进行了验证，试验结果表明所提方法实现了基于动态视觉数据的非接触式机械装备智能迁移诊断，为难以部署接触式振动传感器的工程场景下装备振动测量与故障诊断问题提供了一种新型视觉解决方案。

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基于光度立体视觉的钢轨焊缝打磨表面缺陷检测

韦逍遥, 刘文渊, 王龄裕, 丁斌杰, 曹衍龙, 杨将新, 黄芳

机械工程学报. 2024, 60(24): 11-24. https://doi.org/10.3901/JME.2024.24.011

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针对钢轨焊缝表面缺陷自动化检测存在的难题，提出基于光度立体视觉的钢轨焊缝打磨表面缺陷检测方法。分析钢轨几何特征和表面形貌，设计钢轨多表面图像采集系统，实现多照明角度下光度图像序列采集，基于高性能光度立体算法实现打磨表面法向重建。分析打磨表面法向特性以及缺陷特征，基于法向图自适应提取打磨区域，剔除背景区域干扰；提出基于双阶段和旋转矩形提取的横向纹路缺陷检测算法以及基于灰度直方图双阈值分割的高度突变缺陷检测算法，克服打磨区域的噪声和伪缺陷干扰，有效解决缺陷特征提取和定位困难的问题。试验结果表明，提出的打磨表面缺陷检测算法优于现有的基于深度学习的缺陷检测算法，横向纹路检测准确率达到94.4%，漏检率低到0.84%；高度突变检测准确率达到92.64%，漏检率低到1.56%；系统整体运行效率为23.784 s每处钢轨焊接面，满足实际生产需求。

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疲劳裂纹扩展的非线性超声相控阵成像定位检测

滕达, 刘志勇, 刘立帅, 项延训, 轩福贞

机械工程学报. 2024, 60(24): 25-34. https://doi.org/10.3901/JME.2024.24.025

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发展一种用于监测疲劳裂纹扩展的非线性超声相控阵成像方法。通过物理聚焦和虚拟聚焦两种相控阵聚焦模式实现一种等效的入射波幅值调制，以基频能量损耗比来间接分析非线性谐波生成量，在常规相控阵硬件条件下实现闭合疲劳裂纹尖端定位，并进行了二次谐波扫查验证。进一步将该方法应用于疲劳裂纹扩展过程监测，在显微测量的辅助下探究其量化裂纹尺寸、检测早期损伤和监测疲劳寿命的能力。结果显示，与常规线性超声相控阵相比，非线性超声相控阵成像能够更有效地对疲劳裂纹闭合部分进行检测；该方法对早期损伤比较敏感，约从疲劳寿命的16%开始可实现有效检测，并精确量化疲劳裂纹尺寸和监测裂纹扩展情况，使其在服役结构的寿命研究和突发事故预防方面具有较好的发展前景。

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基于图像相位与广义曲波变换改进的旋转机械振动测量研究

张文笛, 李鸿光, 周吉文, 王锦鸿, 李振平

机械工程学报. 2024, 60(24): 35-44. https://doi.org/10.3901/JME.2024.24.035

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随着数码相机和数据存储技术的发展，基于视觉的测量技术引起了研究学者的广泛关注。最近，一种基于图像相位的运动估计算法凭借亚像素级别精度、高分辨率感知能力且无需表面预处理等优势得到了迅速的发展。然而，图像多尺度分解、空间频率估计等关键技术仍存在诸多不足之处。因此，在基于相位运动估计算法的基础上，提出一种改进的基于相位运动提取算法以提升计算精度。首先，使用广义曲波变换代替传统复数可控金字塔对视频中连续帧图像进行空间多尺度分析，沿径向和周向将图像分解成具有更紧凑空间支撑的频率响应子带；其次，结合O’Shea优化策略，使用双滤波算法估计和优化空间频率；再次，采用相位差和估计的空间频率计算结构的时域振动信号；最后，对转子系统进行了恒定转速和升速工况下动力学响应位移提取试验，从时域和频域上将本方法提取结果与电涡流传感器和现有方法结果进行对比，验证了所提出方法的准确性。

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非完备数据驱动的装备复合故障智能解耦方法

李巍华, 蓝昊, 陈祝云, 黄如意

机械工程学报. 2024, 60(24): 45-55. https://doi.org/10.3901/JME.2024.24.045

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数据驱动的故障诊断方法在海量数据处理、判别特征学习和精确模式识别等方面具有显著优势，既为装备智能运维带来新的机遇，也面临着严峻的挑战：① 当前数据驱动方法的可靠性与有效性依赖于完备的带标签故障数据。然而工业场景下，装备监测数据存在标签信息缺失、故障数据欠完备、数据可利用率低等问题；② 复合故障是装备的典型故障。在缺乏复合故障数据的条件下，复合故障智能诊断的难度急剧增加，且鲜有针对复合故障智能诊断模型可解释性的研究。为应对上述挑战，提出一种非完备数据驱动的装备复合故障智能解耦方法。首先，结合小波核卷积层可从振动信号中提取可解释性特征的优势以及胶囊层在复合故障智能解耦方面的能力，构建小波胶囊网络；在此基础上，以非完备故障数据(仅含正常和单一故障样本, 缺乏复合故障样本)为输入，训练所提小波胶囊网络；最后，以某车型汽车五档变速器为研究对象，验证所提方法在复合故障智能解耦方面的有效性和可靠性，并对小波胶囊网络模型所提取的特征展开可解释性分析，从而提高模型诊断结果的可信度。试验结果表明，所提方法取得了较高的诊断精度，其习得的特征具有一定的可解释性，可为非完备数据下装备的复合故障诊断提供新的途径。

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热轧工作辊服役状态在线监测与主动再制造时机在线决策方法研究

宋守许, 张宇浩, 蔚辰, 李想, 徐瑞

机械工程学报. 2024, 60(24): 56-65. https://doi.org/10.3901/JME.2024.24.056

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轧辊再制造工作具有良好的经济、环境和社会效益，但退役轧辊性能与退役时间不确定性问题影响着轧辊再制造工作的效率与成本。通过热轧制实验模拟实际工业轧制状况中高速钢工作辊性能指标退化，根据不同性能指标对轧辊以及轧制过程的危害程度，构建了包含硬度、磨损量、耐磨性、表面摩擦因数的轧辊状态评估指标集，并提出了贝塔分布-推土机距离方法用于融合轧辊状态评估指标集，构建出具有综合性的轧辊健康状态指标 (Healthy indicator, HI)。基于指标HI将轧辊退化过程划分为磨合、稳定退化和迅速劣化三个阶段，基于Ville拐点监测方法确定了热轧工作辊主动再制造时机点。最后，采集不同状态下轧辊表面的涡流信号，提取涡流信号希尔伯特谱的能量和为工作辊退化特征，通过构建退化特征与HI映射模型，实现了高速钢工作辊综合性能退化的在线监测与定量表征，以及主动再制造时机的在线抉择。

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基于DRSN-BiLSTM模型的刀具磨损预测方法研究

史丽晨, 史炜椿, 王海涛, 李金阳, 刘亚雄

机械工程学报. 2024, 60(24): 66-74. https://doi.org/10.3901/JME.2024.24.066

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数控机床刀具磨损的预测对于提高刀具加工的安全性和产品加工质量具有重要意义。随着传感技术进步，制造业中用于设备状态监测的传感器数据量呈爆炸式增长，这促使了以深度学习为中心的数据驱动方法在刀具磨损预测领域受到高度重视。然而，如何精准地识别和提取与刀具退化紧密相关的特征，进而充分利用这些信息以提高预测模型的性能，仍然是一个挑战。针对以上问题，研究了一种基于深度学习的刀具磨损预测方法，将多通道筛选机制应用到预测模型中，提出基于深度残差收缩-双向长短期记忆网络模型的刀具磨损预测方法。根据监测信号的波动程度选择与刀具退化高度相关的多个通道进行融合，利用卷积通道注意力机制融合多通道数据并高效挖掘各个通道的抽象特征信息，后建立双向长短期记忆回归模型提取特征与刀具磨损相关的时序信息对刀具磨损进行准确预测。通过试验验证了通道筛选机制的有效性与预测模型精度。

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面向航空航天复杂载荷条件的材料热-力学属性表征方法研究进展

付佳伟, 蔡亚辉, 李霓, 齐乐华

机械工程学报. 2024, 60(24): 75-103. https://doi.org/10.3901/JME.2024.24.075

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高温、冲击复杂载荷条件下材料结构的热-力耦合行为关系着高超声速飞行器等航空航天关键装备的结构安全和服役寿命，如何实现材料结构复杂热-力学属性的准确表征，一直以来受到业界学者们的高度关注。当前，国内外已发展出众多热-力学属性试验测试技术和表征方法，相关研究成果为关键部件的选材、结构设计、安全校核和行为预测提供了重要技术支撑。概述了航空航天装备材料结构在冲击、高温极端条件下的热-力学响应，系统总结了基于均匀状态假设的经典动态/高温力学属性测试方法技术特点和应用范围，就目前快速发展的多种全场测量技术、高速成像技术和参数反演识别方法进行了综述，着重阐述了基于全场测量数据的反演识别方法在材料动态/高温力学属性表征方面的应用现状，并给出材料属性参数表征在航空航天装备部件极端工况力学行为模拟预测和结构改进方面的应用实例，最后对多场耦合条件下材料热-力学属性先进测试表征方法的未来发展趋势进行展望。

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装备减振新型基础件金属橡胶材料研究进展

史林炜, 任志英, 黄子豪, 杜鹏程, 刘天彦

机械工程学报. 2024, 60(24): 104-126. https://doi.org/10.3901/JME.2024.24.104

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金属橡胶材料是一种新型基础件，属于金属基多孔弹性阻尼材料，具备高弹性和大阻尼的特性，同时具有金属材料卓越的物理性能。作为高端装备中的关键减振基础件，该材料具有重要的应用前景。然而，由于金属橡胶制备工艺繁琐、结构复杂无序，导致材料细观结构与宏观性能的映射关系难以明确，限制了该材料的性能优化调控和产业化应用。围绕金属橡胶材料，依次介绍了金属橡胶材料作为新型基础件的制备工艺、数字化测量建模技术、性能表征理论及工程应用。重点讨论了金属橡胶独特的力学和物理性能，以及这些性能如何受到其内部结构和实际工况的影响，旨在全面了解这种金属基多孔阻尼材料的最新研究进展和未来发展趋势。

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液态金属冷却法制备镍基单晶高温合金铸件的研究进展

艾诚, 张龙, 郭敏, 黄太文, 刘林

机械工程学报. 2024, 60(24): 127-141. https://doi.org/10.3901/JME.2024.24.127

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与目前已在工业上得到广泛应用的快速凝固法(High rate solidification，HRS)相比，液态金属冷却法(Liquid metal cooling，LMC)具有更高的温度梯度，因此在制备大尺寸单晶涡轮叶片时具有显著的优势。归纳总结HRS与LMC技术的工作原理与温度梯度，由HRS与LMC技术制备的单晶高温合金铸件的枝晶组织、显微偏析、固溶处理、显微孔洞、铸造缺陷形成倾向与力学性能等特点。与HRS技术相比，LMC技术可显著地细化枝晶间距，并降低铸态组织中元素的显微偏析倾向；LMC技术可有效地降低固溶处理难度，并降低铸态和热处理态合金中显微孔洞的数量和尺寸；LMC技术可有效地降低定向凝固时雀斑和缘板杂晶等铸态缺陷的形成倾向；在较低的服役温度下，LMC技术可有效地提高合金的低周疲劳性能和高周疲劳性能。然而，LMC技术存在选晶器中引晶段晶体取向控制效果较差和Sn污染等问题，需要采用优化定向凝固工艺参数和使用高强度定向凝固型壳等方法解决上述问题。

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外部拘束控制板架结构焊接失稳变形的研究

周晓丽, 杜仕忠, 王江超, 赵宏权, 吴磊

机械工程学报. 2024, 60(24): 142-152. https://doi.org/10.3901/JME.2024.24.142

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外部拘束作为一种灵活方便的控制结构焊接变形的方法，在工程实践中得到了广泛应用。以5 mm厚高强钢板架结构为主要研究对象，首先针对典型的T型接头及其板架结构进行焊接试验，获得焊接面外变形，再现了焊接屈曲变形现象；随后使用热-弹-塑性有限元方法对T型接头及板架结构进行模拟验证，分析了板架结构焊接屈曲变形产生的力学机理；研究压条拘束距离对T型接头焊接失稳变形，以及压条拘束分布形式、拘束距离等对板架结构焊接失稳变形的影响规律，并基于固有变形理论阐明外部拘束控制其焊接失稳变形的力学机理。结果表明，外部拘束的存在能有效控制T型接头、板架结构的焊接失稳变形；在力学机理上，外部拘束能够显著地降低焊接固有变形，进而减小薄板焊接结构的面外变形，提高建造精度。相关研究可为薄板焊接失稳变形控制提供理论依据，且优化外部拘束的施加方案。

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弯曲载荷下含半椭圆表面裂纹平板疲劳裂纹扩展试验方法研究

杜开开, 包陈, 何广伟

机械工程学报. 2024, 60(24): 153-162. https://doi.org/10.3901/JME.2024.24.153

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基于能量密度等效方法提出了含半椭圆表面裂纹平板三点弯曲试样的等效应力强度因子半解析模型，结合有限元分析获得了裂纹前缘不同位置的应力强度因子分布。通过假设半椭圆表面裂纹的疲劳裂纹扩展路径，由柔度技术建立了预测表面裂纹形貌尺寸的方法，在疲劳裂纹扩展试验中通过改变应力比勾勒裂纹前缘验证了柔度法的精度。采用SA-508钢完成了不同初始形貌的半椭圆表面裂纹疲劳扩展速率试验，结果表明，疲劳弯曲下的半椭圆表面裂纹倾向于沿路径a/t=1-a/c扩展，即表面裂纹的形状在疲劳扩展中呈现固定的演化趋势，且该特性不受初始裂纹形貌和尺寸的影响。前缘上不同位置的裂纹扩展速率有明显差异，表面点的扩展速率最大，最深点最小，在优先疲劳扩展路径上，裂纹形貌差异对半椭圆表面裂纹的疲劳裂纹扩展速率影响较小，相同位置处的裂纹扩展速率近似相同。

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电弧侵蚀过程Ag/Ti2SnC复合电触头材料纳米力学退化行为及其机理

魏鑫鹏, 吴雪莲, 吴宬哲, 孙万杰, 丁健翔, 柏小平, 柳东明, 张世宏, 任万滨, 孙正明

机械工程学报. 2024, 60(24): 163-176. https://doi.org/10.3901/JME.2024.24.163

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银基电触头是承载低压电器设备结构-功能一体化的关键材料，在实际服役过程中“材料组成-力学特性”的维持是抵抗电弧侵蚀进而避免电触头过早失效的关键。阐明材料在电弧侵蚀过程中纳米力学性能的演变规律，对于丰富电接触机理、开发新型电接触材料进而推动低压电器更新换代具有重要意义。设计了经不同次数电弧侵蚀的Ag/Ti₂SnC电触头材料样品，并采用纳米压痕技术 (静态压痕、蠕变、连续刚度、NanoBlitz 3D压痕)对其断面近电弧侵蚀区域纳米力学性能进行了系统分析。研究发现，尽管随电弧侵蚀次数增加材料纳米力学性能逐渐退化，但退化速度呈明显减缓趋势。在侵蚀初期(1～100次)和中期 (100～1000次)，力学性能下降主要归因于增强相Ti₂SnC的部分分解和有限表面氧化。而在侵蚀后期(1 000～6 200次)，即使电弧破坏由表及里深入了Ti₂SnC内部，但表面氧化层的存在和Ag-Sn互扩散行为有效延缓了力学性能的退化速率，从而使Ag/Ti₂SnC仍保持了较好的抗电弧侵蚀能力。从纳米力学角度深入剖析了Ag/Ti₂SnC复合电触头材料的抗电弧侵蚀性能及其机制，为该体系材料的持续设计和优化提供了理论参考。

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不同温度下铝合金表面等离子喷涂镍基涂层的摩擦学性能研究

韩冰源, 高祥涵, 杜文博, 李洪亮, 崔方方, 吴海东, 朱胜

机械工程学报. 2024, 60(24): 177-187. https://doi.org/10.3901/JME.2024.24.177

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镍基合金是一种典型的高温合金材料，具有硬度高、热稳定性好、耐磨性好等特点，被广泛应用于航空、汽车发动机、工业零部件的表面强化。采用等离子喷涂技术在ZL109铝合金表面制备Ni60合金涂层，并对其在不同温度(T=25 ℃、100 ℃和350 ℃)下的摩擦学性能进行了评价。采用X射线衍射(X-ray diffraction，XRD)、扫描电子显微镜(Scanning electron microscopy，SEM)和能谱仪(Energy dispersive spectroscopy，EDS)对不同喷涂距离(D=100 mm、110 mm和120 mm)制备的Ni60合金涂层进行了物相分析和微观形貌表征。结果表明：随着喷涂距离的增加，气孔、微裂纹等缺陷逐渐减少；孔隙率由2.2%降至0.76%，分形维数由1.83降至1.57；粉末和涂层的元素组成(Ni、Fe、Cr、Si、C、B)和相组成(Ni₃Fe、Cr₂₃C₆和Cr₇C₃)基本相同；喷涂后涂层的显微硬度约为基体的5倍。当D=120 mm时，涂层的显微硬度和结合强度最高，分别为804 HV_0.1和26 MPa±2 MPa。稳定阶段涂层的摩擦因数随温度的升高而减小，变化范围在0.1～0.2之间。随着摩擦温度的升高，涂层磨痕的宽度、深度和体积逐渐增大。

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“挤镦”剧变形力学模型建立

王珍, 张治民, 于建民, 程眉

机械工程学报. 2024, 60(24): 188-198. https://doi.org/10.3901/JME.2024.24.188

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针对“挤镦”剧变形过程缺少变形力的计算模型，无法进行设备选择、工艺设计及工装模具设计的现状，建立过程中的载荷求解模型。采用Deform-3D模拟软件研究了坯料尺寸、成形件尺寸及摩擦因数对于成形载荷的影响。由于变形特征为局部注入式镦粗变形的特殊性，传统力学模型无法进行计算，通过分析变形过程中的质点流动规律，提出新的边界条件假设。采用主应力法建立微小单元体的力学平衡方程，从而实现载荷模型的建立，并通过AZ80及VW124A两种典型镁合金进行物理试验验证。模型曲线的变化趋势与模拟曲线的变化趋势一致，表明所提出的边界条件假设是合理的，可用于“挤镦”剧变形的力能计算。但物理试验的变化趋势与之不同，是因为材料性能受应变状态的影响。成形载荷物理试验结果与计算结果偏差均小于10%，表明所建模型的合理性，为设备选择及工艺设计提供理论依据。

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泡核沸腾对高温富氧水中Zr合金腐蚀行为的影响

曾奇锋, 刘妍洁, 张乐福, 司胜义, 李聪, 卢俊强, 刘庆冬

机械工程学报. 2024, 60(24): 199-210. https://doi.org/10.3901/JME.2024.24.199

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为了揭示空泡份额对高温富氧水中Zr合金表面水垢沉积和腐蚀行为的影响规律，采用高温高压动水回路试验，对Zr-4和SZA-4合金包壳管开展42 d腐蚀行为的对比评价研究。通过扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)对Zr合金氧化膜及水垢的显微组织进行了观察，采用氢含量分析仪对吸氢量进行测定。结果表明，随着沿包壳管轴向温度和空泡份额的提高，两种Zr合金氧化膜厚度均表现出增加趋势，氧化膜/基体(O/M)界面的起伏程度加剧，同时吸氢量随之增加。腐蚀42 d时，两种Zr合金均处于腐蚀转折前的早期阶段，氧化膜保持良好的致密性及保护性，外层为等轴晶区，内层为柱状晶区，分布着较多尚未被完全氧化的第二相析出粒子(SPPs)，同时O/M界面存在明显的过渡层。包壳管表面水垢主要由不同晶粒尺寸的Fe的氧化物组成，可分为“疏松区”和“致密区”，其中疏松区的晶粒细小，存在大量孔洞。含Nb的SZA-4合金的氧化膜厚度大于无Nb的Zr-4合金，高温富氧水中的耐腐蚀性能较差，证实了Nb元素增加富氧环境中Zr合金腐蚀速率的事实，而这与常规压水堆环境中的腐蚀规律相反。

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考虑滑移的无人履带车自适应路径跟踪控制策略

吴洋, 王聪, 董国新, 曾日芽, 曹恺, 曹东璞

机械工程学报. 2024, 60(24): 211-225. https://doi.org/10.3901/JME.2024.24.211

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履带车由于工作环境多变、履带-地面接触机理复杂等因素，通常难以建立准确的动力学模型。此外，受到非结构化路面的起伏扰动冲击，难以通过低成本的传感器实现准确的速度测量，这些不利因素对履带车的路径跟踪控制带来了挑战。针对动力学建模困难的问题，建立以履带转动加速度为虚拟控制输入的动力学-运动学混合模型，利用广义扰动来描述履带滑移引起的不确定性。针对速度测量困难的问题，以混合模型为基础设计了基于扩展状态估计(Extended state observer，ESO)的速度与广义扰动观测器，实现了仅依赖GNSS和履带转动编码器信息的整车状态估计。最后，以履带转动加速度为中间控制量，设计了具有抗扰能力的分层控制策略，包括上层路径跟踪控制器和下层履带转速控制器。仿真和试验结果表明，所提出的状态观测与控制策略能够准确估计履带车的实时速度，并有效提高在外部扰动下的履带车路径跟踪精度。

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基于等效摩擦因数的星球车牵引性能评价及影响分析

王正印, 杨怀广, 兰清宁, 丁亮, 李楠, 高海波

机械工程学报. 2024, 60(24): 226-235. https://doi.org/10.3901/JME.2024.24.226

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随着星球巡视探测任务的复杂化，地面力学正由半经验模型向物理模型发展，新一代的星球车地面力学模型需要一种基于物理的牵引性能评价指标。针对星球车轮滑转沉陷的特点，分析沉陷量对轮-地接触摩擦因数的影响，提出等效摩擦因数作为牵引性能评价指标。设计单轮测试试验，得到车轮等效摩擦因数随滑转率呈现先增后减的变化趋势，等效摩擦因数的变化规律表明，星球车轮牵引力的增加是以沉陷量的增大为代价，而当滑转率超过最优驱动滑转率时，单位下沉所能提供的牵引力增量将减少，陷车的风险将增加。考虑载荷对车轮牵引性能的影响，利用二元线性方程建立了纵滑体积刚度与载荷的关系。在模拟星壤、石子以及石板地形上验证等效摩擦因数的有效性，试验结果表明，等效摩擦因数对不同车轮构型、运动以及地形条件下的车轮牵引性能均可进行定量评价。等效摩擦因数可以为星球车的驱动控制和风险预警提供参考。

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低温升功能保持架轴承流场特性分析

韦春辉, 吴维, 李铁, 杨浩亮, 苑士华

机械工程学报. 2024, 60(24): 236-243. https://doi.org/10.3901/JME.2024.24.236

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为提高轴承在高转速工况下的传热性能，降低轴承的温度，提出一种具有低温升性能功能保持架。通过建立的轴承数值计算模型，揭示功能保持架对轴承腔气相流场的调控作用。基于场协同理论探究在高速工况下功能保持架对轴承温度场与换热性的影响。对比分析传统保持架和功能保持架轴承在不同转速下的油液分布以及流动特性。最后，通过轴承温升测试系统，对比传统保持架和功能保持架轴承在不同转速下的温升特性。研究结果表明，功能保持架调控轴承腔内的气相流场，增加流入轴承腔的气体流量，提高轴承腔的换热性能。相比传统保持架，功能保持架使更多的油液流经轴承腔，具有低温升性能，最大温度降低了2.2 ℃。此研究为设计具有降低轴承温升功能的保持架提供新的思路。

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变速工况下重载机车车轮多边形识别方法研究

刘仁哲, 王红兵, 陈是扦, 王开云

机械工程学报. 2024, 60(24): 244-253. https://doi.org/10.3901/JME.2024.24.244

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通过监测车辆部件振动响应识别车轮多边形状态对机车车辆的安全稳定运行具有重要意义。重载机车复杂的运行环境导致其监测信号呈现出强噪声干扰和快频率调制特征，给车轮多边形识别带来巨大挑战。为此，提出基于频谱集中性指标优化的重载机车车轮多边形识别方法。该方法采用多项式函数刻画轴箱加速度低频信号的瞬时频率，并通过优化频谱集中性指标估计多项式参数，逼近真实瞬时频率；基于此对轴箱加速度进行空间域转换，以消除机车速度变化引起的频带扩散现象；进一步通过阶次分析获得高分辨率的车轮多边形阶次谱，实现谐波阶次的准确识别。为验证该方法的有效性，建立重载机车动力学模型，模拟实际变速工况以获得非平稳轴箱加速度。应用所提方法分析该信号，结果表明，该方法可以在变速工况下准确识别车轮多边形谐波阶次。另外，所提方法在分析实测轴箱加速度信号时表现出良好的准确性和噪声鲁棒性。

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基于车载视觉和动力学模型的路面附着系数融合估计方法

杨显通, 郑玲, 金彦林, 张涵柯, 曾迪, 冀杰

机械工程学报. 2024, 60(24): 254-264. https://doi.org/10.3901/JME.2024.24.254

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综合车载视觉和车辆动态响应信息，提出一种路面附着系数融合估计算法，以实现路面附着条件变化时对路面附着系数快速准确的估计。首先，标注路面种类语义分割数据集，使用Deeplabv3+算法训练路面种类语义分割模型，根据张正友标定法对相机进行标定，将路面种类语义分割结果映射到车辆坐标系，采用时序加权法对路面种类语义分割结果进行融合，并将其转换为对应的路面附着系数范围。其次，设计状态约束平方根容积卡尔曼滤波(Constrained square-root cubature Kalman filter，CSCKF)算法。最后，构建基于车辆七自由度双轨动力学模型和Brush轮胎模型的系统状态方程和观测方程，将路面语义分割结果作为CSCKF算法的约束边界输入，实现对路面附着系数的估计。结果表明，所提出的路面附着系数融合估计算法在路面附着条件突变时能够快速收敛，并且具有较高的识别精度。

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高速动车组二系垂向减振器半主动控制技术研究

王淳骁, 池茂儒, 代亮成, 郭兆团

机械工程学报. 2024, 60(24): 265-273. https://doi.org/10.3901/JME.2024.24.265

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高速动车组以150～200 km/h的速度经过桥梁时，会发生车体垂向点头振动，降低车辆平稳性。为减弱这种点头共振，提出用半主动二系垂向减振器(下称半主动减振器)来替代原车被动式减振器的解决方法。设计性能参数可调的半主动减振器并建立仿真模型，通过试验对比验证了模型的准确性，表明半主动减振器可以替代原车被动式减振器实现阻尼性能调节的功能。基于车辆半主动减振器控制策略，建立减振器与车辆动力学的联合仿真模型并分析不同减振器状态下的车辆过桥梁和正常线路行驶的动态行为。结果表明：在无桥梁激励的路段，半主动减振器和被动式减振器性能基本一致，在桥梁激励路段，半主动减振器能够有效减弱车辆过桥梁发生的点头共振，在共振频率附近的振动幅值显著降低。与传统被动式垂向减振器车辆相比，在易发生点头振动的运营速度区间内，搭载半主动减振器的动车组动力学性能更优。

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基于猫爪生物功能实现机理的轮胎花纹结构耦合仿生设计

梅烨, 周海超, 王国林, 李劲松

机械工程学报. 2024, 60(24): 274-281. https://doi.org/10.3901/JME.2024.24.274

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轮胎噪声和抓地性能间存在矛盾特性。为将猫爪不同步态下运动时展现出的良好静音、强抓地生物功能移植于轮胎中，实现协同提升轮胎噪声和抓地性能的目的，先借助VIC-2D平面非接触变形测试系统对猫不同步态下运动时爪垫的接地性态展开试验分析以明晰猫爪垫不同生物功能的实现机理；后利用猫爪生物功能实现机理指导轮胎花纹结构耦合仿生设计，并对轮胎耦合仿生设计前后的噪声和抓地性能进行仿真对比。结果表明，猫不同步态下运动时爪垫在接地几何、接地变形等接地性态上会产生适应性变化以满足实现不同生物功能时的力学需求；相较于原始轮胎，耦合仿生轮胎改善了胎面-路面间滚动接触时的径向激励力，增大了胎面接地区在X方向上的变形分布，实现了轮胎噪声和抓地性能的协同提升(噪声值降低1.16 dB，抓地力增大53.21 N)。相关研究对于提升我国绿色轮胎研发水平具有一定参考价值。

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变轨距机车动力学性能分析与踏面磨耗预测

石怀龙, 王开云, 戴焕云, 徐艳辉, 陈吉永, 刘志强

机械工程学报. 2024, 60(24): 282-295. https://doi.org/10.3901/JME.2024.24.282

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为支撑跨国互联互通和一带一路铁路建设，分析HXD2型机车在中国准轨、欧洲准轨和宽轨3种轨距线路上的轮轨关系、动力学性能及基于国标/苏标/欧标标准的评价差异，进而考虑轮轨界面参数随机变化，预测JM3踏面在不同轨距线路上的车轮磨耗演化规律。结果表明：根据等效锥度来评价10种踏面在不同轨距线路下的适应性，发现宽轨线路上的既有踏面能够兼顾两种准轨，而欧洲和中国既有踏面难以兼顾3种线路；JM、JM2、JM3、S1002和Belarus踏面在中国准轨和宽轨上的临界速度均满足最高120 km/h实际运营速度需求，而JM3和S1002还可以兼顾欧洲准轨，但不同踏面或不同线路上的动力学指标差异不大；欧标的蛇行稳定性评价结果比国标更严格，相差1～2倍，而国标和欧标的运行品质评价结果基本一致，差异在10%以内；国标的平稳性指标比苏标严格约10%；苏标的安全性评价结果比另两个标准略宽松15%；在不考虑牵引制动影响下，一位和二位轮对踏面磨耗分布不同，导致等效锥度增长规律不同，一位轮对的锥度逐渐降低；欧洲准轨上的踏面磨耗深度和体积最大，宽轨上最小而中国准轨居中。

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基于GRNN-GSA-ELM的在线锂离子电池RUL多步预测

蔡艳平, 王新军, 姜柯, 韩德帅, 赵沁峰

机械工程学报. 2024, 60(24): 296-308. https://doi.org/10.3901/JME.2024.24.296

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考虑到锂离子电池剩余寿命在线预测能力不足，以及基于极限学习机网络模型对小样本训练数据学习能力不强的问题，提出构建连续的健康因子的方法，使用广义回归神经网络与改进极限学习机(Extreme learning machine，ELM)融合的方法对锂电池剩余寿命进行多步预测。首先，提取锂电池等压降放电时间作为健康因子，利用插值补充的方法将离散的电池运行参数重构为连续的健康因子，然后，使用广义回归神经网络对锂离子电池早期剩余寿命进行预测，引入引力搜索算法对极限学习机进行优化，建立具有实时更新能力的锂离子电池中后期剩余寿命预测(Remaining useful life，RUL)多步预测模型，最后，基于马里兰高级生命周期工程中心的CS2-35～CS2-38号以及CS2-7号电池数据对模型进行验证。试验结果表明，基于广义回归神经网络与引力搜索算法优化极限学习机融合的锂电池在线RUL多步预测模型具有较高的预测精度，与其他模型相比鲁棒性与适用性较好。

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基于分区RANS-LES的混流泵叶顶间隙泄漏涡流动结构及非定常特性研究

刘亚斌, 谭磊, 韩亚东

机械工程学报. 2024, 60(24): 309-316,329. https://doi.org/10.3901/JME.2024.24.309

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基于分区边界处雷诺平均(Reynolds-averaged Navier-Stokes，RANS)和大涡模拟(Large eddy simulation，LES)的湍流应力项混合，实现RANS到LES的快速过渡；同时，在LES计算区域内近壁区引入无量纲壁面距离限制器实现边界层内部流动的模化处理，发展了适应叶顶间隙泄漏涡流特征的RANS-LES分区混合计算模型。基于该混合计算模型，在混流泵设计工况下进行精细的非定常数值计算，研究叶顶间隙泄漏涡流动结构及非定常特性。根据生成机理和分布区域的特点，混流泵叶顶间隙泄漏涡可分为主泄漏涡、次泄漏涡和分离涡三种结构。在叶顶间隙内存在显著的流动分离，在叶顶吸力侧附近存在强烈的流动相干剪切。随着叶片压力面和吸力面压差的增加，平均泄漏流速逐渐增大。叶顶间隙涡流区湍动能生成与间隙射流-主流的剪切效应、主泄漏涡-主流的相干作用密切相关。间隙射流-主流剪切区和主泄漏涡区的压力脉动最为剧烈，主泄漏涡涡心轨迹点的压力脉动强度逐渐下降。

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基于预训练模型与相似度算法的复杂产品装配技术问题风险预警方法

张晋, 刘检华, 赵文浩, 庄存波, 张旭

机械工程学报. 2024, 60(24): 317-329. https://doi.org/10.3901/JME.2024.24.317

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在复杂产品研制过程中，常因装配工艺不完善而出现各种装配技术问题。传统的管控方案是在装配技术问题出现后，对其进行多轮反馈处理，严重影响装配效率。为了减少装配技术问题的出现，提出一种基于预训练模型与相似度算法的复杂产品装配技术问题风险预警方法，实现在装配工艺设计阶段对潜在技术问题的风险预警。首先，对复杂产品装配流程进行分析。其次，针对短文本，使用Chinese-roberta-wwm-ext-large预训练模型；针对长文本，使用paraphrase-multilingual-mpnet- base-v2预训练模型，对历史技术问题反馈信息进行语义提取。在此基础上，分别使用改进词转移距离算法和余弦相似度算法计算历史问题工艺文本与新工艺文本的语义相似度，从而检索出新工艺中可能存在的风险点位并进行预警。最后，开发复杂产品装配技术问题管控系统并应用于某航天企业，验证了所提方法的有效性和准确性。

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R(RPS&RP)&2-UPS并联机构运动学建模与性能评价

汪满新, 李正亮, 王明昊

机械工程学报. 2024, 60(24): 330-339. https://doi.org/10.3901/JME.2024.24.330

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研究一种新型五自由度混联机器人的主机构R(RPS&RP)&2-UPS并联机构运动学建模与性能评价方法，该机构由一条1T2R(T表示移动，R表示转动)空间混合运动链和两条空间无约束主动支链组成。基于位置解析解以及几何约束，建立工作空间的参数化模型并提出任务空间/机构体积比指标；采用矢量法建立其解耦雅可比矩阵，进而得出并联机构末端速度与驱动关节速度之间的映射关系，借助矩阵论提出一套可衡量此类机构切向和法向速度传递特性的运动学性能评价指标；在此基础上，研究尺度参数对机构全域运动学性能及任务空间/机构体积比指标的影响规律，并以运动学性能和几何干涉等为约束得出机构尺度参数可行域。最后，通过比对分析验证所提出的R(RPS&RP)&2-UPS并联机构与著名Tricept机器人和TriMule机器人中的并联机构具有相似的运动学性能，表明R(RPS&RP)&2-UPS并联机构具有良好的应用前景。

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新型复合轴承流固声耦合特性研究

解忠良, 焦见, 杨铭, 田佳彬, 刘时铭, 杨康

机械工程学报. 2024, 60(24): 340-349. https://doi.org/10.3901/JME.2024.24.340

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水润滑轴承在低速、重载条件下易产生摩擦振动噪声，影响舰船乘坐舒适性及声隐身性能。为此，设计了一种双衬层轴承结构，可实现水润滑轴承增载降阻、缓振减噪性能的突破。针对典型工况下夹心衬层结构轴承，构建流固声双向流固耦合动力学模型，分析考虑空化效应和声辐射影响的轴承润滑性能，研究不同材料组合下轴承流固声特性及声辐射规律，探明转速和偏心率对变形、应力以及出现空化效应临界转速等参数的影响规律。研究结果表明夹心轴承声学性能与夹心衬层材料组合密切相关，对该类轴承设计研发及国产化具有重要意义。

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光-机-热-流多场耦合建模方法及其在激光传输系统中的应用

梁朋伟, 庞勇, 任博, 张帅, 王沐晨, 李清野, 阚子云, 宋学官

机械工程学报. 2024, 60(24): 350-364. https://doi.org/10.3901/JME.2024.24.350

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激光传输系统涉及光学、机械、热、流场等多个物理场，在其设计制造过程中，进行多学科耦合建模分析至关重要。通过分析系统的多场耦合关系，提出一种光-机-热-流多场耦合建模方法。首先构建机械、热和流场的耦合模型，实现力、热和光作用下耦合变量的求解；其次基于代理模型方法，实现空间不均匀折射率场的拟合与预测模型；然后结合Fermat原理、光线追迹算法、波前畸变分析方法，提出不均匀折射率场光束传输分析方法，实现多场耦合变量的融合，形成光-机-热-流多场耦合模型；最终完成在多场耦合作用下，光学元件位姿变化、光束指向偏差、波前畸变的分析计算。利用两个数值案例对该方法进行验证，并应用该方法分析讨论激光传输系统中的多场耦合问题，结果表明该方法可用于光机系统中各设计参量的分析研究，为光学系统、机械系统、热控系统、自适应光学系统的设计优化提供依据。

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工序随机失效及其修复条件下的退役机电产品拆解工艺路线决策研究

任亚平, 任莹, 郭洪飞, 张超勇

机械工程学报. 2024, 60(24): 365-376. https://doi.org/10.3901/JME.2024.24.365

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对退役机电产品进行合理拆解并回收利用不仅可以促进资源的回收利用，还有利于减少环境污染与安全隐患等不良后果。针对退役机电产品拆解过程中时常出现的工序失效行为，从其内部零件失效角度及拆解工艺流程执行层面，系统性研究拆解工序的随机失效行为机理，包括多工序间失效因果关联机理的准确解析和单个工序随机失效(条件)概率的精准估计，建立工序随机失效及其修复条件下的拆解工艺路线决策模型，并提出贝叶斯网络-遗传混合算法，通过贝叶斯网络分别获取拆解工序间的失效因果关联和各拆解工序的随机失效条件概率，在此基础上运用遗传算法高效求解全局近似最优拆解工艺路线。最后，选择退役动力电池作为实际案例，对提出的模型和算法进行验证，试验结果表明通过提出的模型和方法求出的失效修复条件下的拆解工艺路线，其回收效益明显优于一般随机失效条件下的拆解工艺路线。

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2024年, 第60卷, 第24期　
刊出日期：2024-12-20

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