2025年, 第61卷, 第22期　
刊出日期：2025-11-20
  

  • 全选
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    仪器科学与技术
  • 航空发动机碰摩故障特征及辨识指标构建
    周涛, 张维宇, 王浩, 刘斌, 胡明辉, 江志农
    机械工程学报. 2025, 61(22): 1-16. https://doi.org/10.3901/JME.2025.22.001
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    叶片-机匣碰摩是航空发动机典型故障之一，但是由于设备结构复杂，诊断碰摩故障仍是一个难题。综合考虑机匣振动与叶片振动的影响，设置局部不均匀间隙并改进碰摩力施加方式，通过构建模型研究碰摩故障的振动特性，并利用航空发动机故障模拟试验台验证结论。模型仿真及试验结果表明：碰摩故障会使转子振动中转频幅值下降，同时使机匣振动基频幅值上升；转子与机匣振动频谱中，转频的各个谐波会在碰摩故障中受到不同程度的激励；碰摩故障会显著激励机匣振动中的叶片通过频率。根据模型仿真所得结论，基于机匣振动响应构建碰摩故障辨识指标，数值结果说明了指标对不平衡故障有抗干扰的能力且能够准确反映碰摩故障程度的变化。最后，通过航空发动机试验台数据及外场试飞数据验证了所构建指标的有效性。研究成果可为航空发动机叶片-机匣碰摩故障诊断提供参考。
  • 基于漏磁检测-电磁超声多物理融合传感器技术研究
    唐琴, 高斌, 薛淞文, 范永昭, 魏云锦, 谌梁
    机械工程学报. 2025, 61(22): 17-27. https://doi.org/10.3901/JME.2025.22.017
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    为了克服单一无损检测方法的局限性，提出一种漏磁检测和电磁超声检测方法融合的传感结构，用于实现钢试样中表面及内部缺陷的同步检测。所提出的复合传感结构充分利用漏磁检测和电磁超声换能器的磁路特性。通过轭铁与永磁体的相互配合，在被测试样内部形成水平磁化场，用于检测试样表面和近表面的缺陷；其次，漏磁检测的磁化结构提供的局部垂直磁场与EMAT激励线圈相互作用，在试样中激励出超声波，用于检测试样中的内部缺陷。漏磁检测的激励源是准静态，超声波信号是2 MHz的脉冲激励源，二者之间的巨大频率差异，使得两种信号之间没有显著的干扰。仿真与试验均表明，所提出的传感结构能克服电磁超声中的近声场检测盲区和漏磁检测中的深度限制，可同时实现大厚度铁磁性试样中表面缺陷和内部盲孔缺陷的有效检出与分类。
  • 考虑可逆劣化分级的预防维修策略
    王智明, 张鑫永
    机械工程学报. 2025, 61(22): 28-35. https://doi.org/10.3901/JME.2025.22.028
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    为了延长系统的使用寿命，基于系统劣化可不同程度逆转的特性，提出将劣化分解为可逆劣化和不可逆劣化，并以系统预防维护(Preventive maintenance, PM)可消除的可逆劣化的多寡作为划分PM等级的依据。结合系统故障率递增因子和役龄递减因子，以更换前总运行时间为优化目标，最低PM间隔时间及可靠度阈值作为约束条件，通过经济性分析的方法确定每一次预防维修的等级，建立一种基于可逆劣化分级的多级维修联合的预防维修模型。最后，以某数控机床电气控制系统为例，通过数值分析验证了所提策略的有效性。结果表明，相较于未考虑可逆劣化的PM，考虑可逆劣化的多级PM策略可延长机床电气系统总运行时间至19.21%，且对于注重产出价值的高产值设备而言，运行时间的显著增加远比成本的小幅降低更加重要；同时，不可逆劣化的变化对机床可靠度有明显的影响：不可逆劣化的比例越低，系统可靠度阈值到达的时间越晚，维修间隔也随之增大。
  • 永磁球型电机目标方位的旋转磁矢量补偿控制
    张永顺, 王莉, 吴振华, 刘高仁
    机械工程学报. 2025, 61(22): 36-46. https://doi.org/10.3901/JME.2025.22.036
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    为了解决永磁球型电机电磁结构复杂、控制变量冗余、磁矩奇异问题，依据永磁体转子轴线始终转向磁场旋转轴线的旋转定轴效应，以三轴正交组合线圈为定子，研制一种内置永磁体转子万向随动机构为主体的二自由度永磁球型电机。针对电机负载会导致磁场旋转轴线与电机输出端同轴的永磁体转子轴线产生方位偏差现象，提出通过磁矢量方位补偿实现负载电机输出端逼近期望目标方位轨迹的驱动控制方法，具体采用磁场旋转轴线侧摆、俯仰角为独立控制变量的三相电流公式叠加旋转磁场，建立与磁场旋转轴线补偿方位参量和电机目标方位参量相关的旋转定轴磁矩模型和转差角模型，实现侧摆、俯仰磁矩分量解耦。鉴于平衡点永磁体转子具有陀螺稳定性，在期望目标方位轨迹的每个平衡控制点可忽略系统惯性力矩并建立电机力矩静态平衡方程，最终求得磁矢量补偿方位轨迹，解决驱动电流解析求解难题。试验表明电机运动轨迹控制精度良好，实现了电流与磁矩的一一对应，为实现永磁球型电机的精确控制研究奠定了基础。
    • 材料科学与工程
  • 复杂叶片修复的电弧熔丝沉积姿态控制方法研究
    陈祉旭, 陈远航, 李晨星, 杨春利
    机械工程学报. 2025, 61(22): 47-56. https://doi.org/10.3901/JME.2025.22.047
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    电弧熔丝沉积修复航空发动机高压压气机叶片是一项技术难题，焊枪固定姿态沉积容易造成修复区成形与数模的偏差。面向整体叶盘叶片修复技术需求，提出适用于叶片修复的钨极气体保护电弧(Gas tungsten arc, GTA)熔丝沉积路径规划和焊枪姿态控制规划方法，主要通过控制侧倾角使焊枪在沉积过程中跟随叶片型面倾斜改善成形。结果表明，焊枪侧倾改变了电弧压力分布，促进液态金属向内侧边缘的填充，增大沉积宽度；并且侧倾角越大，液态金属同时越容易向外侧铺展，降低沉积塌陷风险。焊枪侧倾姿态沉积的侧壁波纹度相比垂直姿态沉积降低约0.4 mm，有效厚度提高约0.44 mm，表面粗糙度降低约12.7%。实际修复的叶片没有明显沉积缺陷，避免了焊枪垂直姿态沉积时的成形偏差。最小单边加工余量约0.88 mm，为精加工提供保障。沉积过程中控制焊枪姿态将为提高复杂曲面结构的成形能力提供方法参考。
  • 预成形和热处理工序对2219铝合金旋压薄壁结构应力分布的影响
    卢书林, 王建峰, 占小红, 段宇航, 程立宏, 黄舒文, 赵耀邦
    机械工程学报. 2025, 61(22): 57-68. https://doi.org/10.3901/JME.2025.22.057
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    为提高可重复火箭的使用寿命，针对火箭贮箱箱底制造过程中预成形和热处理工序对2219铝合金旋压薄壁结构残余应力的影响开展研究。基于Abaqus软件建立考虑预成形和热处理的旋压仿真模型，通过预定义场实现应力及变形的仿真结果传递，并采用盲孔法进行试验验证。对比有无预成形工序的旋压仿真结果，发现“预成形+旋压”零件中部区域应变更为均匀，壁厚变化较小，减薄率降低达5.2%，这是由于预成形作用下，后续旋压工序变形量减小，旋压过程变形更稳定。无预成形工序的“单旋压”零件在外沿部位存在由应力集中区域组成的应力环，最大残余应力值为173.9 MPa。相比之下，“预成形+旋压”零件的应力环受预成形工序引入应力的影响，最大残余应力增大41.3%，可达245.7 MPa，但是应力环分布更加均匀且宽度减小，应力集中区域细化。随后对“预成形+旋压”零件施加热处理，结果表明，热处理对应变及减薄率影响不显著，但可使旋压后的残余应力显著降低63.5%，有助于缓解旋压引起的应力集中现象，使残余应力分布均匀化。
  • 基于超声相控阵全聚焦成像的焊接结构表面裂纹扩展寿命研究
    王超, 杨冰, 朱涛, 阳光武, 肖守讷
    机械工程学报. 2025, 61(22): 69-79. https://doi.org/10.3901/JME.2025.22.069
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    面向服役焊接结构完整性评估的需求，焊接接头表面疲劳裂纹演化的状态对其疲劳寿命的评估至为重要。当前尚未建立有效监测焊接结构表面裂纹扩展的方法，难以表征裂纹形态演化对其疲劳寿命的影响。创新性地提出一种基于超声相控阵全聚焦成像技术的焊接结构表面三维疲劳裂纹扩展状态监测方法。采用该成像技术对8 mm厚铝合金足尺寸对接接头进行疲劳试验，通过实时成像获取焊趾部位表面疲劳裂纹的形态演化过程。将裂纹扩展的成像结果与断口形貌特征进行对比分析，验证所提出状态监测方法的有效性。通过将裂纹深度a与长度c的监测数据拟合为分段函数引入到以a/c和a/t为参数的BS7910解析函数中，对裂纹前缘的应力强度因子进行了优化计算。研究结果表明，基于超声相控阵全聚焦成像的状态监测方法能够有效捕捉焊趾处疲劳裂纹深度a与长度c的动态演化过程，完整揭示贯穿厚度失效模式下表面裂纹形态的演化规律。此外，动态裂纹形态特征解析函数的引入，显著提升了焊接结构疲劳裂纹扩展寿命评估的准确性。该方法为焊接结构疲劳裂纹扩展的状态监测与寿命预测提供了一种全新的思路，具有重要的理论意义与工程应用价值。
  • 聚合物阵列微沟槽吸液芯结构热压成形及机理研究
    唐恒, 黄强, 伍春霞, 孙亚隆, 汤勇
    机械工程学报. 2025, 61(22): 80-87. https://doi.org/10.3901/JME.2025.22.080
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    针对柔性聚合物均热板沟槽吸液芯结构存在结构简单且传热性能较差等问题，提出二次热压成形工艺在聚合物表面制备阵列微沟槽吸液芯结构。首先，采用电火花加工技术制备表面具有阵列微沟槽结构的金属模具；随后，通过热压成形将金属模具表面结构转印至非晶合金表面，制备得到非晶合金模具；最后，通过热压成形将非晶合金模具表面结构转印至聚合物表面。通过改变热压成形的工艺参数，研究热压温度、热压压力以及热压时间对非晶合金模具以及聚合物表面结构填充性能及形状精度的影响。结果显示，非晶合金模具在热压成形中温度影响最为显著，最大填充率可达99.76%；聚合物表面热压成形时压力影响最大，最大填充率为97.71%。整体而言，二次热压成形后的整体填充率达到97.48%，实现了金属表面阵列微沟槽结构在聚合物表面的精确复制，该研究成果为聚合物均热板吸液芯结构的制备提供了一种新方法，同时也为相关领域的研究和应用提供了重要的参考和借鉴。
  • 预热温度对电弧增材镁合金与基板结合质量的影响
    李杰, 范霁康, 蔡佰豪, 段林烨, 杨东青, 王克鸿
    机械工程学报. 2025, 61(22): 88-96. https://doi.org/10.3901/JME.2025.22.088
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    为探索预热温度对电弧增材镁合金与基板结合质量的影响，分别在基板保持室温（25℃）、预热（100℃、200℃、300℃、400℃）条件下借助电弧增材工艺制备出了AZ91镁合金样件，对样件的宏观成形与基板结合位置及其底部区域的组织和力学性能进行深入分析。研究发现，所得样件构件表面光滑，但随预热温度的升高构件两端出现轻微塌陷，显微组织均呈现出等轴晶的特征，主要由α-Mg、β-Mg17Al12和η-Al8Mn5组成。室温（25℃）条件下，沉积层与基板结合不良，存在裂纹和气孔缺陷，两者剪切强度仅为53.4 MPa；预热后，沉积层与基板结合情况得到显著改善，400℃时，剪切强度提升至144.7 MPa。平均硬度随预热温度升高由76.9 HV降至60.9 HV。同时，电弧增材制造得到的镁合金底部区域样件拉伸性能均优于传统压铸态镁合金，随着预热温度的升高，抗拉强度先增加后降低，断后伸长率线性增加。
  • 基于一体化模型的铝合金MIG增材单道形貌、传热及流动行为研究
    赵文勇, 魏艳红, 胥国祥, 胡庆贤, 王耀伟
    机械工程学报. 2025, 61(22): 97-108. https://doi.org/10.3901/JME.2025.22.097
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    深入理解工艺参数条件与复杂物理现象及成形质量之间的内在影响机理是获得结构合理、性能可靠、无缺陷的高质量电弧增材构件的重要前提。本研究综合考虑电弧传热、熔滴过渡、金属蒸发、熔池自由表面变形、熔池金属对流、金属熔化与凝固及焊枪与基板相对移动等多物理过程，构建铝合金电弧增材制造电弧-熔滴-熔池一体化三维瞬态数值模型。模型中，采用流体体积分数法追踪气液自由界面，基于“局部热力学平衡-扩散近似”模型考虑鞘层复杂热效应，采用移动参考系处理焊枪与基板的相对运动，并从熔滴过渡及熔覆层形貌两方面验证了模型的准确性。基于建立的模型，模拟分析焊接电流和熔覆速度对铝合金电弧增材单道成形形貌演变、液态金属传热和流体动力学行为的影响机理。结果表明：随着焊接电流的增加，熔覆层截面形貌由圆弧状向扁平状转变，熔池金属温度梯度和流速升高，但流动类型变化较小；随着熔覆速度的增加，熔覆层截面形貌由扁平状向圆弧状转变，熔池深度和内部金属温度梯度降低，同时液态金属整体向熔池后方流动的流动行为转变加快。
    • 运载工程
  • 锂离子电池低温加热技术研究进展及应用综述
    熊瑞, 朱宇华, 张骞慧, 张奎, 梅冰昂, 孙逢春
    机械工程学报. 2025, 61(22): 109-132. https://doi.org/10.3901/JME.2025.22.109
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    以电动汽车为代表的新能源汽车迎来了前所未有的发展机遇。锂离子电池凭借高比能、低自放电率及长寿命等优点，成为电动汽车动力系统的主流选择。然而，低温下锂离子电池性能显著下降，直接导致电动汽车续航里程缩短，充电时间延长，还可能引发安全隐患，是电动汽车推广的一个核心难题。低温加热作为克服电池低温性能瓶颈的关键方法之一，是当前业界攻关的重点。对锂离子电池低温加热技术最新进展及实车应用现状进行了全面的总结和讨论，涵盖外部加热、内部加热和复合加热三类。全面阐述每种技术的原理、最新进展、优势劣势及潜在的优化空间。此外，对每种技术进行定性比较，并分析当前加热技术在实车上的应用现状。最后，探讨低温加热技术的未来发展前景，聚焦于关键技术突破与机遇，为低温加热技术的下一步研究和实车应用提供全面的视角。
  • 协同牵引铰接式重载车辆系统的动力学建模及稳定性分析
    张宁, 王浩潭, 张钱辰, 邵梁, 王成, 李普, 殷国栋
    机械工程学报. 2025, 61(22): 133-142. https://doi.org/10.3901/JME.2025.22.133
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    协同牵引铰接式重载车辆作为面向大件运输的新型重载装备，由前、后牵引单元通过铰接装置连接货物构成，相对传统重载车辆，其建模与稳定性分析难度大。面向协同牵引铰接式重载车辆系统水平面动力学响应，提出一种协同牵引铰接式重载车辆系统动力学建模方法及稳定性分析方案。在系统建模方面，基于运动学与动力学分析，对各铰接点处动力学耦合关系进行分析，建立4自由度协同牵引铰接式车辆单轨模型。在稳定性分析方面，首先，通过对牵引单元1和牵引单元2不足转向梯度独立定义的方法对协同牵引铰接式重载车辆系统的操稳性进行了分析，研究车辆参数对CTA-HDV系统不足转向梯度的影响。结果表明，牵引单元1质心相对位置及牵引单元1与中间刚体铰接点的相对位置对系统的不足转向梯度影响最大，当k1从0.3调整至0.6时，系统不足转向梯度降低约79%。当k1从0.6调整至1.2时，系统不足转向梯度提高了约86%；其次，结合铰接式车辆动态稳定性分析方法，对CTA-HDV系统动态临界车速进行研究，得到CTA-HDV系统动态临界车速在100 km/h左右，并分析结构参数对系统动态稳定性的影响。本研究为CTA-HDV系统安全性设计提供了理论依据。
  • 电磁作动器辅助的高速列车防滑控制策略研究
    苗堉淏, 凌亮, 张恒, 翟婉明
    机械工程学报. 2025, 61(22): 143-154. https://doi.org/10.3901/JME.2025.22.143
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    随着列车高速化和运营场景多样化趋势的发展，对列车运行效率提出了更高的要求，同时列车防滑控制问题愈发关键。现有防滑控制策略多通过缩减牵引/制动力矩抑制车轮滑动，这往往会造成牵引/制动能力下降。涡流制动器、轨道加压器等电磁作动器可与钢轨间产生垂/纵方向电磁力，常被用于新一代高速列车以提高牵引/制动能力。基于此提出一种电磁作动器辅助的高速列车防滑控制策略，在现有最优黏着控制的基础上，采用电磁作动器辅助牵引/制动，在解决车轮打滑问题的同时提高列车牵引/制动效率。基于车辆-轨道耦合动力学理论，建立考虑电磁作动器的高铁车辆-轨道垂纵耦合动力学模型；仿真分析复杂接触条件下电磁作动器辅助防滑控制策略对高铁车辆牵引/制动性能和轮轨动态相互作用行为的影响。结果表明，该控制策略可将轮轨纵向蠕滑率维持在最优阈值附近，电磁作动器可增大轮轨垂向力进而提升轮轨黏着性能，在制动工况下还可提供非黏着纵向涡流制动力，在保证最大黏着利用的同时提高牵引/制动力；与传统最优黏着防滑控制相比，采用电磁作动器辅助的高速列车防滑控制策略可有效提高列车在低黏着接触条件下的牵引/制动性能。
  • 阀芯速度对燃油泄压过程中空化流动特性的影响
    梁玉秀, 黎一锴, 刘辉
    机械工程学报. 2025, 61(22): 155-166. https://doi.org/10.3901/JME.2025.22.155
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    为探明电磁阀阀芯速度对高压燃油泄压过程中空化特性和压力特性的影响规律和机制，采用可视化试验验证三维数值计算模型，并基于验证的模型对不同阀芯速度时电磁阀打开过程中的空化流动进行数值计算。结果表明，流动分离和射流卷吸是导致节流处和下游空化的主要原因；阀芯升程相同时，阀芯速度越大，节流处的空化强度越大，且阀芯速度的影响随着阀芯升程增大而减小；阀芯升程小于0.08 mm时，随着阀芯速度增大，下游的空化减弱；阀芯升程大于0.08 mm时，定位柱上方出现渐弱的周期性旋涡空化，而且旋涡空化随着阀芯速度增大而增强。此外总蒸汽体积分数的变化是导致节流处和下游压力波动的主要原因；节流处的压力在阀芯升程小于0.04 mm时出现衰减波动，且波动的两个频率分量均随着阀芯速度增大线性增长；下游的压力波动发生在阀芯升程小于0.06 mm时，且随着阀芯速度增大，压力峰值增加。
  • 长大编组重载列车空气制动系统快速仿真方法研究
    郭舜, 池茂儒, 蒋益平, 罗赟
    机械工程学报. 2025, 61(22): 167-175. https://doi.org/10.3901/JME.2025.11.167
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    针对长大编组重载列车空气制动系统仿真模型复杂，仿真速度慢，甚至难以仿真的问题，提出加快仿真速度的方法。首先，在AMESim软件中，根据120-1空气制动阀的压力特性，建立简化模型。其次，将并行方法建立的空气制动系统仿真模型和传统方法建立的空气制动系统仿真模型进行仿真对比，仿真对比的结果表明，并行方法的仿真耗时比传统方法至少减少50%。且列车编组越长，模型越复杂，并行方法的仿真提速效果越明显,仿真耗时最高减少了94%。最后，用并行方法建立2万吨重载列车空气制动系统模型，将仿真结果与试验结果对比，验证仿真模型的准确性。简化单阀模型，并行方法建立空气制动系统模型，减少重载列车空气制动系统模型状态变量，提高仿真速度，为长大编组重载列车空气制动系统提供一种新的快速仿真方法。
  • 基于简化P2D模型的锂离子电池析锂评估方法
    熊瑞, 李幸港
    机械工程学报. 2025, 61(22): 176-188. https://doi.org/10.3901/JME.2025.22.176
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    快速充电是锂离子电池快速发展的必然需求，然而，快充过程中由于锂离子无法及时嵌入石墨负极，极易出现“析锂”，严重影响电池耐久性和安全性。析锂在线检测是提升电池快充安全性的必要手段。为此，首先基于电池多孔电极模型理论，选取5个表征电势分布固液相颗粒点实现P2D电化学模型的简化；其次对电池内部固相颗粒中和液相中锂离子扩散过程分别离散求解，以负极表面固液相电势差作为依据开展析锂评估；最后通过扫描电镜微观形貌观测与能谱分析对析锂进行定性分析，并提出使用充电结束后的弛豫电压微分曲线峰值出现时间与峰值高度的乘积作为析锂的验证参数对估计析锂量进行间接定量验证。不同温度和倍率下工况的模型验证结果表明，该模型对析锂的验证参数估计误差小于15%，可实现锂离子电池的析锂快速评估。
  • 主动径向与迫导向转向架曲线通过性能差异化研究
    田师峤, 罗湘萍, 肖春昱, 周劲松, 宫岛, 赵增闯
    机械工程学报. 2025, 61(22): 189-197. https://doi.org/10.3901/JME.2025.22.189
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    采用主动径向或迫导向转向架均可以大幅提高轨道车辆的曲线通过性能。但两种径向转向架由于导向方式的不同，在进出圆曲线的过渡段有着不同的瞬态动力学性能。并且，主动径向与迫导向转向架均改变了传统转向架一系悬挂处的结构与物理拓扑，因此同一动力学参数对不同转向架曲线通过性能的影响规律也会存在差异。为回答上述问题，首先建立主动径向、迫导向车辆动力学模型，分别分析其在两种典型曲线工况上的曲线通过性能。研究结果表明，迫导向转向架的导向方式存在几何惯性滞后，因此其曲线通过性能在进出圆曲线的过渡段会降低。而只要主动径向系统径向动作超前或滞后的距离不超过三分之一车辆定距，且最大动作速度不低于6.5 mm/s，那么主动径向转向架的曲线通过性能便优于迫导向转向架。然后采用灵敏度分析方法，以磨耗数为指标，综合比较关键动力学参数对传统、主动径向、迫导向转向架曲线通过性能的影响规律。结果表明，主动径向与迫导向转向架将轮对导向的行为与一系悬挂刚度解耦，因此在参数设计时可以不用考虑一系悬挂刚度对曲线通过性能的制约，为转向架参数设计带来便利。
  • 面向多场景高速公路的多专家学习自主换道决策方法
    姚福星, 李浩宇, 冷江昊, 杨雄基, 孙超
    机械工程学报. 2025, 61(22): 198-210. https://doi.org/10.3901/JME.2025.22.198
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    高速公路环境下自动驾驶汽车的自主换道决策过程对驾驶安全性与效率有很高要求，导致基于学习的决策算法训练耗时显著增加。研究提出一种多专家学习换道决策方法(Multi-experts learning method,MELM)，该方法集成多个软演员评论家算法(Soft actor-critic,SAC)训练的专家模型，每个专家在预先划分的不同子场景约束条件下进行训练。子场景根据原始高速公路的换道特征定义，各专家在其对应子场景中控制车辆，并通过场景分类器识别当前子场景进行集成。相较于单一SAC模型，MELM能够显著降低SAC训练难度，使模型训练时间减少62.19%。仿真实验结果表明：在典型驾驶场景下MELM相比单一SAC模型驾驶效率提高27.06%，且在100回合测试(约10万步)中达成零碰撞与零出界事故的优秀安全性能。此外，通过不同道路条件设置下的仿真试验场景验证了MELM的高适应性。
  • 不同流线型长度400 km/h高速列车的气动阻力与经济性研究
    周智, 李田, 戴志远, 向泽锐, 张继业
    机械工程学报. 2025, 61(22): 211-221. https://doi.org/10.3901/JME.2025.22.211
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    为分析流线型长度对高速列车气动阻力的影响规律，基于计算流体力学数值模拟了明线运行时400 km/h高速列车的气动阻力分布特性，并对不同流线型长度的列车模型进行气动阻力预测。利用风洞试验验证数值模拟计算的可靠性。在列车整车长度不变的条件下，研究头尾车流线型长度变化对流线型头型、非流线型车体、转向架各部位的气动阻力影响规律，考虑的流线型长度范围为10～15 m。研究流线型长度增加使得气动阻力减小带来的正收益和乘客空间减小产生的负收益之间的经济效益关系。研究结果表明，头车流线型区域气动阻力与其表面积与流线型长度的比值呈正相关；头车非流线型区域每米阻力值向列车中心区域呈梯度递减，中间车部分每米阻力向尾车方向递减速度变缓。尾车非流线型部分每米阻力逐渐收敛；尾车流线型阻力随流线型长度递减；当流线型长度约为13 m时，列车达到最大收益49.88元/km，同时减少700 N的气动阻力，效益最优。通过综合考虑高速列车气动性能与经济性，研究高速列车最佳流线型长度，对高速列车设计与减阻优化有重要意义。
  • 基于车内振动噪声响应的钢轨波磨状态评估方法
    王阳, 肖宏, 张智海, 叶利宾, 金锋, 方树薇
    机械工程学报. 2025, 61(22): 222-236. https://doi.org/10.3901/JME.2025.22.222
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    为建立车内振动噪声响应与线路钢轨表面波磨状态的映射机制，通过动态时间规整算法(Dynamic time warping, DTW)实现振动、噪声信号与钢轨表面波磨信号的同步，利用自适应小波时频分析方法揭示钢轨波磨对车内振动及噪声时频域的影响，基于机器学习K-means聚类算法和自定义加窗Pearson系数构建车内振动噪声与线路钢轨波磨的映射关系，并以此提出基于车内振动或噪声响应评估钢轨波磨状态的新方法。结果表明，车内噪声和地板垂向振动主频主要由钢轨波磨导致，车内噪声主频分布在400～1 200 Hz范围，车内地板垂向振动主频分布在300～1 000 Hz范围。车内噪声与曲线内外轨波磨的Pearson系数分别在0.82和0.62附近，车内地板垂向振动与曲线内外轨波磨的Pearson系数分别在0.81和0.72附近。基于提出的噪声指数和振动指数评价线路钢轨波磨状态，与现场实测数据保持一致。噪声指数和振动指数可表征线路钢轨波磨的波长和波深幅值，为地铁钢轨波磨的识别提供一种新的方法。
  • 考虑非线性累积损伤模型修正的转向架构架疲劳可靠性评估
    肖乾, 黄文龙, 陈道云, 孙守光, 李强, 石晓玲
    机械工程学报. 2025, 61(22): 237-249. https://doi.org/10.3901/JME.2025.22.237
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    为对某型高速列车转向架构架进行疲劳可靠性评估，基于相关分析结果选取构架部分关键测点进行线路试验，在采集到线路实测动应力后，经过雨流计数处理得到一维应力谱；分别介绍Corten-Dolan和Manson-Halford两种非线性损伤理论模型的建立过程，并以考虑载荷间的相互作用以及加载次序为切入点，对模型进行修正；基于扩展因子法对实测应力极值进行推断，结合概率密度分布函数将所有测点的应力谱扩展至全寿命周期，以此为依据筛选出评估精度较高的Corten-Dolan非线性模型，其中，为提高拟合精度，采用Levenberg-Marquardt优化回归算法进行参数寻优处理；基于等效损伤理论推导出非线性理论下的等效应力计算公式，将实测应力谱代入相应公式中对各测点的等效应力进行分析计算，并结合三种存活率下的S-N曲线，对两种牌号的构架材料进行疲劳寿命对比分析。研究结果表明，在构架最薄弱测点处采用牌号为SMA的材料可使疲劳寿命得到延长。
  • 分布式驱动电动汽车回馈制动单侧电机失效的机电液复合控制
    张利鹏, 刘一帆, 刘帅帅, 任长安, 高铭泽, 樊小健
    机械工程学报. 2025, 61(22): 250-261. https://doi.org/10.3901/JME.2025.22.250
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    分布式驱动电动汽车下长坡回馈制动时出现一侧电机失效，会使制动强度大幅衰减以及因两侧制动不平衡而跑偏，通过截断异侧电机制动力矩和液压制动主动补偿虽可保证制动效能，但无法修正跑偏及继续回馈能量。为解决以上问题，将基于所发明的分布式/集中式双模耦合驱动系统和电液制动系统探索新的机电液复合控制方法。首先，分析基于双模耦合驱动系统进行单侧电机失效后回馈制动可行性；然后，进行整车动力学建模和控制器设计，针对复合控制精度差问题，提出结合矢量控制的模型预测控制方法；最后，通过硬件在环仿真验证了复合控制效果。研究结果表明，在一侧电机制动失效后除施加转矩截断和液压补偿控制外，利用未失效电机进行差动驱动能够保证制动安全，此后将双电机分布式驱动切换为单电机集中式驱动，则可以继续进行回馈制动并保证预期制动性能。所提出机电液复合控制将控制精度提高了64.83%，制动能量回收值提升了58.70%，有效保证了车辆制动安全和能量回馈能力。
  • 横风环境下转向架区域的雪粒运动与沉积特性
    兰洪, 张继业, 蔡路, 樊永祺
    机械工程学报. 2025, 61(22): 262-270. https://doi.org/10.3901/JME.2025.22.262
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    为了研究高速列车在高寒环境运行出现的转向架积雪现象，建立动车转向架和简化车体模型，采用欧拉-拉格朗日法研究横风环境下的雪粒运动与沉积特性。研究结果表明，横风导致转向架表面的摩擦风速增加，雪粒所受剪切力增大，因此雪粒稳定沉积的概率降低。横风将大量雪粒从列车底部带出转向架区域，使得雪粒在轮对附近上扬进入转向架区域的量减少，随着横风的速度增加，雪粒向上运动的速度相对于横风速度的比值减小，导致转向架区域的积雪量降低。雪粒从迎风侧穿过转向架底部流至背风侧，再从背风侧扩张流出转向架区域的过程中，背风侧表面会有大量的雪粒碰撞，且背风侧表面的气流受到迎风侧部件的阻碍，背风侧的雪粒所受剪切力较小，容易形成积雪。
    • 交叉与前沿
  • 增材制造流道低压损短路径设计优化方法
    姚静, 李曼迪, 张熙堃, 郭琪, 李想, 张昊
    机械工程学报. 2025, 61(22): 271-281. https://doi.org/10.3901/JME.2025.22.271
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    液压集成块内部流道是液压系统承载压力、传递动力的重要载体，然而其受限于减材制造，导致体积重量大、工艺孔多、压力损失较大等问题，严重影响移动装备液压系统功重比。针对上述问题，提出基于快速扩展随机树(Rapid-exploration random tree,RRT)算法与贪心算法的面向增材制造成型的多向异形连接区域最短流道路径设计方法，然后采用伴随优化方法对最短路径流道进行基于压力损失的形状敏感度优化，最后使用选区激光熔融技术成形低压损最短路径流道，并搭建压力损失测试试验台进行试验研究。结果发现伴随优化后的某电静液驱动执行器(Electro-hydrostatic actuator,EHA)集成块流道轴线路径缩短了49.6%，且油液流动顺畅，流道内部涡结构范围与强度较小；同时，试验表明伴随优化后的流道在不同通流状态下，平均压损降低了75.04%。研究成果将为增材制造成形的液压集成块流道优化设计提供新思路。
  • 航空发动机预旋供气系统盖板腔换热特性研究
    马佳乐, 刘高文, 吴帅, 孔晓治, 林阿强
    机械工程学报. 2025, 61(22): 282-293. https://doi.org/10.3901/JME.2025.22.282
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    预旋供气系统中盖板腔作为主要的换热元件，对其性能有重要影响。为了研究盖板腔内部的换热特性，首先采用数值计算分析盖板腔内涡轮盘壁面的换热系数与努塞尔数的径向分布规律，揭示主流冲击和旋流对换热的影响机理。随后，提出基于牛顿冷却公式的高速金属转盘对流换热系数测量的新方法，搭建试验平台开展预旋供气系统换热试验研究与验证，阐明旋转马赫数和压比对涡轮盘壁面平均换热参数的影响。研究结果表明，涡轮盘壁面换热主要受主流冲击影响，旋流的影响相对较小。压比与主流冲击密切相关，而旋转马赫数与旋流密切相关。因此，改变工况实质上是改变主流和旋流对换热的影响权重。数值结果与试验结果吻合良好，偏差均在10%以内。试验结果显示，在压比一定的条件下，旋转马赫数从0.27增加到0.64时，平均对流换热系数提高了11.1%～23.2%；在旋转马赫数一定的条件下，压比从1.05增加到1.15时，平均对流换热系数提高了44.7%～60.5%。研究结果可为预旋供气系统的结构设计提供依据。
  • 基于同步位置误差自适应补偿的双驱运动平台同步控制
    施逸轩, 武星, 孟凯, 张航瑛, 楼佩煌
    机械工程学报. 2025, 61(22): 294-305. https://doi.org/10.3901/JME.2025.22.294
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    针对双驱运动平台同步误差导致的定位精度下降、摩擦扰动增大等问题，提出一种双电机跟踪误差自适应补偿的双驱运动平台同步控制方法。先对双驱运动平台进行系统建模并分析同步误差导致的摩擦扰动力。其次，构建双驱运动平台自适应同步控制架构，提出面向弱跟踪性能电机的实时同步误差选择性补偿策略，设计融合单轴位置指令跟踪和同步位置误差补偿的同步位置控制器，为速度环提供兼顾单轴跟踪精度和双轴同步性能的速度控制指令。最后，完成双驱运动平台的同步控制仿真和试验：在位置环和速度环采用了比例积分微分(Proportion integration differentiation,PID)控制算法，对比多种同步控制策略的控制性能。仿真与试验结果表明，自适应同步控制策略明显优于并行同步控制策略。与交叉耦合控制策略相比，该自适应的控制策略不仅显著提升了单电机的位置跟踪精度，还增强了双电机的位置同步性能。
  • 电液混合驱动大型电动挖掘机回转系统节能特性
    成杰, 王慧杰, 权龙, 黄家海, 黄伟男, 夏连鹏, 郝惠敏, 杨飞
    机械工程学报. 2025, 61(22): 306-316. https://doi.org/10.3901/JME.2025.22.306
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    液压挖掘机每个作业工作循环均包含2次回转动作，频繁回转启停产生大量的溢流损失和节流损失，针对现有挖掘机回转系统节能技术无法解决消除节流损失和同时回收利用制动能的问题，提出一种由永磁同步电机作为主动力源，驱动上车回转系统回转，液压马达-蓄能器回收并利用制动动能的混合驱动回转系统，有效消除了原液压挖掘机经过多路阀的节流损失，同时回收并利用制动过程中制动动能。基于串联电机直接转矩控制，实现回转起动由电机和马达混合驱动加速，而制动过程由马达单独制动的控制策略。研究表明，与原液压挖掘机回转系统相比，电液混合驱动大型电动挖掘机回转系统动力源峰值功率可以降低24%～32%，系统能耗可以降低14.1%～50.5%。
  • 超大型电控液压挖掘机动力系统匹配研究
    陈俊翔, 高春莹, 孔祥东, 李智, 艾超
    机械工程学报. 2025, 61(22): 317-328. https://doi.org/10.3901/JME.2025.22.317
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    针对超大型电控液压挖掘机在大负载快速加载下因发动机掉速导致泵口压力波动的问题，以动臂提升动作为例，对发动机、主泵、负载间动态匹配特性展开研究，建立泵控液压缸、等效负载力、发动机掉速数学模型，分析发动机-变量泵-负载间动态匹配影响因素。提出扭矩-转速复合联控策略：将发动机掉速值转换为失速补偿扭矩值，失速补偿扭矩值与泵自然扭矩值的加和结果与设定理想扭矩间的偏差、实际转速与设定理想转速的偏差分别进行模糊PID控制，输出扭矩补偿和转速补偿电流，取大后用于变量泵的排量补偿控制。试验结果表明，扭矩-转速双联控下，当控制失速补偿扭矩比重在10%～35%时，液压泵排量波动改善58%，泵口压力波动改善30%以上，提高了矿用液压挖掘机的作业性能。
  • 海水淡化能量回收-增压一体式装置压力/流量脉动特性与试验
    尹方龙, 罗浩, 聂松林, 杨友胜, 纪辉, 马仲海
    机械工程学报. 2025, 61(22): 329-341. https://doi.org/10.3901/JME.2025.22.329
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    能量回收装置是反渗透海水淡化系统的核心配置，可大幅降低系统的产水能耗和制水成本。海水淡化能量回收装置输出流量品质对反渗透膜的性能和寿命、反渗透系统的能耗与稳定性有较大影响。针对反渗透海水淡化能量回收-增压一体式装置，建立考虑空化效应的泵端集中参数压力-流量模型。按照国际标准ISO 10767-1-2015规定的试验方法搭建装置的流量脉动测试试验台，进行装置出口的流量脉动测试试验。根据理论方法推导装置的泵源流量脉动和泵源阻抗，还原不同工况下装置出口的实际流量脉动。获取不同工况下装置的流量脉动和压力脉动的变化规律：平均流量和平均压力均随转速的增加而升高；流量脉动和压力脉动也随转速的增加而升高，但在1 700 r/min时下降。试验结果表明，压力特性曲线RMSE值最大不超过0.121，流量特性曲线RMSE值最大不超过0.538，试验测试结果与仿真结果能较好吻合，为优化能量回收-增压一体式装置设计以提高流量品质提供了理论依据，对海水淡化能量回收装置的应用具有实际指导意义。
  • 基于降阶预测模型的自激振荡消防喷嘴流场预测
    袁晓明, 刘存飞, 肖浩阳, 沈炳韩, 徐新宇, 张立杰
    机械工程学报. 2025, 61(22): 342-354. https://doi.org/10.3901/JME.2025.22.342
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    作为消防水射流系统的核心部件，自激振荡消防喷嘴适用于消灭大多数固体物质火灾，且具有结构简单、工作效率高、成本低廉等优点。利用数值模拟方法可计算其流场，并得到高精度结果，但计算时间长且计算量大。降阶预测模型是实现降低流场维度、实现流场重构和预测流场分布的有效手段。因此，以自激振荡消防喷嘴为研究对象，提出基于编码器和本征正交分解的降阶模型，以长短时记忆神经网络和深度神经网络为推理器，开展喷嘴流场脉冲机理分析、特征提取重构、时序预测与脉冲打击力分析研究。预测结果表明，喷嘴外流场预测平均相对误差为7.02%，内流场预测平均相对误差为7.20%，脉冲射流压力预测平均相对误差为3.25%。经试验验证，预测模型与试验的最小脉冲打击力误差为7.74%，最大脉冲打击力误差为5.65%；数值仿真与试验的最小压力误差3.14%，最大压力误差为6.72%。本项目研究可为预测喷嘴流场提供一种方法。
  • 电动工程机械变转速-定量泵压差可控阀前补偿负载敏感系统研究
    林元正, 林添良, 李钟慎, 缪骋, 陈其怀, 赵恒, 石家榕
    机械工程学报. 2025, 61(22): 355-369. https://doi.org/10.3901/JME.2025.22.355
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    工程机械电动化和智能化发展对负载敏感系统提出了更高的节能性和操控性要求。针对传统负载敏感系统的阀前补偿不抗流量饱和、阀后补偿存在额外换向能耗、系统压差固定设置等问题，提出一种变转速-定量泵压差可控阀前补偿负载敏感系统，进一步设计变转速压差调控和抗流量饱和控制策略，并进行仿真和试验研究。研究结果表明，①所提系统具有良好的抗流量饱和特性；②所提系统可运行在不同系统压差以获得可变阀口流量增益，避免系统进入流量饱和，与LUDV系统相比，主阀芯有效控制行程得到拓展，具有更加良好的微调特性和流量控制特性；③与LUDV系统相比，所提系统消除了额外换向节流损失并降低阀口节流损失，在不同执行器速度工况下，系统能耗降低6.3%～13.7%。
  • 微型柱塞泵配流性能仿真和试验分析
    巴金磊, 姜志文, 吴德发, 崔岩, 刘银水
    机械工程学报. 2025, 61(22): 370-382. https://doi.org/10.3901/JME.2025.22.370
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    采用微型液压系统分段独立驱动油田固井滑套是实现油层开采分散独立控制，并最终实现油田智能化控制开采的创新思路。由于布放空间极度狭小，现有微型液压泵难以满足要求。提出一种阀配流结构的单柱塞微型泵(下文简称微型泵)，其最大外径仅16 mm。因为柱塞泵微型化设计不能依赖现有常规尺寸泵的缩比设计，提出新的表征参数—结构系数比。建立微型泵流动特性的集总参数仿真模型，研究微型泵配流性能对不同影响参数的敏感性，搭建微型泵性能测试平台，分析微型泵在不同吸入条件下的压力流量特性。结果表明：初始闭死容积由0.12 mL下降到0.04 mL时(对应结构系数比由6C变为2C)，微型泵的容积效率由83.5%上升到92.97%，同时，增大泵的入口压力可有效增强微型泵吸液能力，从而提高微型泵的配流效率。
  • 复合轧制过程接触模型及轧制区变形特性研究
    李志强, 张明泽, 郭宝琦, 陈鹏, 王涛, 黄庆学
    机械工程学报. 2025, 61(22): 383-397. https://doi.org/10.3901/JME.2025.22.383
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    复合轧制是一种快速、高效、环保的金属复合板生产方法，具有广阔的应用前景。复合轧制过程中板材与轧辊以及板材与板材之间的接触是影响复合板变形以及结合强度的关键因素。针对复合轧制过程中复杂的接触非线性问题，基于Mortar法对接触界面进行离散，使用拉格朗日乘子法进行接触约束的施加，构建了复合轧制过程轧辊与板材以及板材与板材之间的接触模型。通过对偶基函数对拉格朗日乘子进行插值，实现了有限元刚度矩阵简化。最后，基于该接触模型对Cu/Al复合轧制过程进行了三维有限元模拟。经验证，该模型在板厚以及轧制力预测方面具有较高的精度。该接触模型能够对接触界面上接触相关参数进行模拟，结果表明：铝板与轧辊接触界面以及铜板与轧辊接触界面以滑动摩擦为主，而铜板与铝板的接触界面以粘着摩擦为主。通过对不同压下率下的复合轧制过程进行模拟，揭示了压下率对中性点以及搓轧区的影响机理以及板材结合界面接触力随压下率的变化规律。结果表明：随着压下率的增加以及与板材中心距离的减小，xN/xL的值减小且压下率的增加使得搓轧区两侧的摩擦力方向发生改变。在板材与板材接触界面上，压力以及摩擦力的峰值位置随着压下率的增加而逐渐远离出口。
机械工程学报
Journal of Mechanical Engineering
ISSN 0577-6686
CN 11-2187/TH

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