机械工程学报

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温众普, 石照耀, 谭久彬, 吴剑威, 崔海龙

机械工程学报. 2025, 61(5): 1-12. https://doi.org/10.3901/JME.2025.05.001

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超精密测量是指准确度优于100 nm量级的测量。高端制造通常需要在超精密量级上，例如将光机分成数十个系统、上千个零部件高度集成、协同工作才能实现。因此，超精密测量是建立国家测量体系和完整制造连、产业链的基石，是装备制造业向中高端跨越的必要条件。在超精密测量技术体系中，直线/回转运动基准就像是仪器装备的骨骼，其精度和性能很大程度上决定了仪器装备的整体精度和性能。气浮技术的一般精度就达到0.1 μm/100 mm，且具有摩擦小寿命长的特点，已经成为实现超精密测量的核心技术支撑。根据气浮装备工作原理与结构的分析，提出了性能提升方法中的两类矛盾、以及两者在结构设计上的统一性；分析了工程计算法、表压比法、气阻计算法、有限元法等主要设计方法的特点，归纳总结各方法的适用范围；最后，从装备需求、性能提升、分析计算、创新结构方面展望了国内静压气浮技术的发展趋势，指出突破现有技术指标所面临的问题和发展方向。

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真空气体静压轴承研究进展

吴剑威, 王继尧, 郑健, 赵鹏越, 高席丰, 温众普

机械工程学报. 2025, 61(5): 13-25. https://doi.org/10.3901/JME.2025.05.013

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随着气体静压润滑技术的不断发展及兼容真空工作环境的迫切需求，基于密封设计的真空气体静压轴承已成为近年来的研究热点之一。因其具有高动态、低摩擦、高精度和无污染等优势，在精密加工、检测等领域有着良好的应用前景。从真空气体润滑方式、结构优化及实验研究等三方面入手，详述了真空气体静压轴承的国内外研究现状。对比了真空气体静压轴承相较于传统气体轴承的优缺点，同时归纳了真空气体静压轴承的常规密封方法及高效抽排方式。在此基础上分析了真空气体静压轴承在设计中存在的支承特性、结构设计、加工工艺等关键技术问题，并对真空气体轴承未来发展趋势进行了初步展望，为真空气体静压轴承的设计提供相应依据。

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三线槽式自补偿液体静压导轨油膜刚度优化设计

陈刚利, 俞利庆, 崔海龙, 刘聪, 陈开强

机械工程学报. 2025, 61(5): 26-39. https://doi.org/10.3901/JME.2025.05.026

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液体静压导轨是各类精密和超精密机床的核心功能部件，其油膜刚度是影响机床加工精度的关键性能指标。为提升三线槽式自补偿液体静压导轨的支承性能，提出了油膜刚度的准确计算与快速优化设计方法。设计了三线槽式自补偿液体静压滑块及导轨原理样机，基于液压欧姆定律和流量守恒条件建立了油膜刚度的理论模型，并通过数值模拟验证了其准确性。建立了油膜刚度最优化问题的数学模型，然后采用遗传算法对其进行求解，优化后的油膜刚度提高了约31.6%。设计并搭建了三线槽式自补偿液体静压导轨原理样机的油膜刚度测试系统，试验结果进一步验证了油膜刚度理论模型的准确性及优化设计的有效性。采用理论建模、数值模拟和试验测试相结合的方法对三线槽式自补偿液体静压导轨的油膜刚度进行了优化设计研究，实现了油膜刚度的准确计算与快速优化设计，为液体静压导轨支承性能的提升奠定了理论基础与技术支撑。

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基于超精密磨削耦合效应的空气静压主轴设计分析方法与试验验证

岳松洁, 程凯, 白清顺, 丁辉, 赵亮, 高思煜

机械工程学报. 2025, 61(5): 40-49. https://doi.org/10.3901/JME.2025.05.040

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超精密内圆磨床工件轴采用空气静压支承，其在超精密内圆磨削过程中与砂轮轴间的耦合效应往往会改变空气静压主轴的回转精度并引入新的误差，对加工过程和工件精度有重要影响。提出了一种新的建模方法来研究空气静压主轴回转的耦合效应及对超精密磨削过程的影响。将工件轴-砂轮轴组成的磨削系统作为一个整体加工闭环系统来进行设计分析。为了科学地解析这一过程，以开发的超精密内圆磨床为研究对象，建立空气静压主轴双转子耦合模型，评估了空气静压轴承参数和超精密内圆磨削过程对主轴动态响应的影响。并进一步分析耦合效应在亚微米-纳米尺度下对加工表面形貌的影响。研究发现，空气静压轴承参数和动态磨削力对主轴振动有很大的影响，会降低表面加工质量，而最终的加工表面形貌由磨削系统和磨削过程的耦合共同影响决定。研究最后展示了加工试验验证，用频谱分析方法得到了加工表面的圆度误差，试验与分析结果一致，进一步验证了该方法的精密工程可靠性和应用性，该研究对于设计分析高精度空气静压主轴与科学的理解超精密内圆磨削系统中空气静压主轴耦合效应具有重要意义。

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气-磁-金属复合的大承载三向准零刚度减振器设计

周一帆, 高瑞齐, 吴明凯, 吴九林, 陈学东, 姜伟

机械工程学报. 2025, 61(5): 50-61. https://doi.org/10.3901/JME.2025.05.050

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提出了一种气-磁-金属复合的大承载三向准零刚度减振器，通过吨级承载的空气静压止推气浮支承配合可调片弹簧机构实现水平向准零刚度，通过高线性环形磁负刚度机构与金属弹簧并联实现垂向准零刚度。基于数值模拟方法分析止推气浮支承节流器结构参数和工作参数对承载力和刚度的影响规律，并进行优化设计；基于磁荷法建立多层环形磁负刚度计算模型，分析磁体结构参数对负刚度大小和线性度的影响规律并进行优化设计。研制了气-磁-金属复合的大承载三向准零刚度减振器样机，并搭建单元测试平台分别验证气浮支承的吨级承载能力和磁负刚度机构与金属弹簧并联的准零刚度特性。测试结果表明，研制的气浮支承机构承载力大于1 200 kg，承载力计算与实验误差小于5%；垂向磁负刚度理论计算与实验误差小于7%，垂向准零刚度部件综合刚度20.3 N/mm，均满足设计要求。所提出的减振器可实现吨级承载和三向准零刚度，适用于六自由度超低频减振。

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考虑固液摩擦的液体静压轴承油膜温升试验及模型反求研究

熊万里, 原帅, 张翰乾, 金志鑫, 方泽荣

机械工程学报. 2025, 61(5): 62-73. https://doi.org/10.3901/JME.2025.05.062

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液体静压轴承的油膜温升是限制主轴转速提高的关键因素之一，而现有轴承油膜温升模型并没有考虑固液摩擦做功产生的热量，在长期研究液体静压主轴并跟踪其实际应用时发现，根据现有模型计算的轴承油膜温升值与测试结果存在显著差距。针对上述问题，搭建了液体静压轴承液膜剪切特性原理性试验台，测量了不同主轴转速、不同供油压力以及不同油膜厚度条件下的轴承油膜温升值及流量值。将轴承油膜温升测量值与理论值进行了对比分析，发现根据现有液体静压轴承油膜温升模型计算的油膜温升值远小于试验测试值，并且该误差主要与摩擦功耗引起的油膜温升有关。以试验测试结果为基础，通过反求研究不同工况对固液摩擦特性的影响规律，发现由固液摩擦引起的轴承油膜温升相对主轴转速的增大线性增大，相对油膜厚度的增大线性减小，而固液摩擦剪应力相对主轴转速的增大逐渐增大后趋近于某值，相对供油压力的增大线性增大。通过拟合建立了考虑固液摩擦的液体静压轴承油膜温升新模型，并通过对比试验测试结果验证了新模型可极大地提高理论计算准确性，在本研究范围内，可将理论计算误差由90%左右降低到4%～14%。

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弹性节流器空气静压径向轴承的动态性能研究

陈东菊, 张璇, 潘日, 孙锟, 范晋伟

机械工程学报. 2025, 61(5): 74-86. https://doi.org/10.3901/JME.2025.05.074

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由于润滑介质是气体，空气静压轴承具有刚度低、稳定性差的缺点，因此将弹性节流器引入空气静压轴承来提高空气静压轴承动态特性和稳定性。首先采用双向流-固耦合的方法对该空气静压轴承耦合模型进行求解，在轴承静态平衡状态的基础上根据差分法得到了轴承的动态系数。然后结合气膜的非线性动态特性建立了轴承-转子动力学模型及方程，通过对主轴振动信号的求解及处理获得带有弹性节流器空气静压主轴的时域特性及频域特性，并与传统空气静压轴承进行对比。最后对固体弹性节流器在流-固耦合过程中的应力、应变及变形情况进行了稳定性分析。结果表明该轴承提高了气膜的动态系数，能够使主轴的振动位移减少12%以上，提高了主轴的共振频率，降低了谐振带宽，并且弹性节流器具有良好稳定性，所设计的弹性节流空气静压轴承有效地改善了主轴的动态性能。

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真空环境下微孔节流气体静压止推轴承静动态特性

寇新俊, 于贺春, 臧立彬, 李广平, 侯月婷, 李鹏, 张国庆, 侯玮杰

机械工程学报. 2025, 61(5): 87-96. https://doi.org/10.3901/JME.2025.05.087

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当前常压环境下气浮式微低重力模拟试验难以适应遥感卫星敏捷机动姿态控制高精度要求，而真空环境气浮技术是实现无风阻高保真微低重力模拟试验的重要途径。以地面高保真微低重力仿真试验核心部件微孔节流气体静压轴承为研究对象，对真空环境下气体静压轴承静动态特性进行了研究。首先，理论分析了环境压力对轴承气膜内流场的影响；然后，建立仿真模型计算了不同环境压力下气膜内压力分布和流速变化规律；最后，通过常压和真空环境轴承静动态性能测试试验，揭示了环境压力对轴承静动态性能影响规律。结果表明，在真空环境中，环境压力的降低使得轴承气膜内外压差增大，承载力提高；轴承气膜内压力下降速率加快、气体流速增大、涡流面积增加，导致动态稳定性降低，容易诱发轴承自激振动。

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多孔质可倾瓦动静压气体推力轴承静态特性理论与试验研究

石明辉, 夏勇杰, 张绍林, 郭红, 吴培飙

机械工程学报. 2025, 61(5): 97-107. https://doi.org/10.3901/JME.2025.05.097

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针对多孔质气体推力轴承结构相对单一，且动静压耦合特性研究较少的问题，提出了一种新型柔性铰链多孔质可倾瓦动静压气体推力轴承。在稳态条件下，基于达西定律、N-S方程、质量守恒方程及瓦块倾斜方程建立了新型轴承静态特性分析模型，并搭建了多孔质动静压气体推力轴承悬浮承载特性测试实验台。研究了供气压力、多孔质材料渗透率、转速等因素对轴承静态特性的影响。结果表明，轴承的承载力与供气压力正相关，与名义间隙负相关，并且随着转速的增加出现先增加后减小的趋势；而通过多孔质材料的气体流量与供气压力、名义间隙正相关，随着转速的增加出现先减小然后增大的趋势；转速对静压效应具有一定的削弱作用，并且随着转速增加，削弱作用不断增强；名义间隙越小时，轴承的静特性参数受转速影响也就越明显。实验曲线与理论曲线的变化趋势具有较好的一致性，在一定程度上验证了理论模型的合理性。本文研究对于多孔质动静压气体推力轴承的理论研究及工程应用有一定的指导意义。

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硅片磨床用空气静压主轴动态特性研究

徐嘉慧, 康仁科, 朱祥龙, 董志刚, 李猛

机械工程学报. 2025, 61(5): 108-116. https://doi.org/10.3901/JME.2025.05.108

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空气静压主轴是硅片超精密磨床的关键部件，其刚度是影响硅片磨削后表面磨纹生成的重要因素。首先基于功率谱密度分析方法，分析了硅片磨削后磨纹的频率组成；接着建立了考虑结合面刚度和磨削力的主轴转子动力学模型，分析了轴向刚度和径向刚度对转子频率的影响，推导出转子频率与轴向刚度和径向刚度之间的关系方程。仿真计算结果表明，与轴向刚度相比，径向刚度对磨纹的影响更加敏感；最后，为了降低硅片磨纹的幅值，确定了硅片磨床用空气静压主轴刚度的最优设计指标：轴向刚度为800～1 000 N/μm，径向刚度为90～110 N/μm时，转子频率处于300～410 Hz之间。并设计了一种改进的主轴转子结构方案，该方案下磨纹幅值可以减小20 nm，为硅片磨床用空气静压主轴设计提供参考。

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O型圈对多孔质轴承-转子实验台稳定性的影响

张康, 胡海东, 郭明慧, 崔海龙, 黄禹, 荣佑民

机械工程学报. 2025, 61(5): 117-125. https://doi.org/10.3901/JME.2025.05.117

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对采用O型圈作为阻尼结构的多孔质轴承-转子实验台进行了测试和稳定性评估。系统性地阐述了多孔质轴承及其所构成系统的工作原理。通过激振实验测试了不同材料O型圈的动态刚度和阻尼值，数据表明O型圈材料的刚度越大，其阻尼值也会越大。通过转子实验研究了旋转速度、供气压力和O型圈材料等参数对多孔质系统稳定性的影响。实验结果表明供气压力变化对转子中心的同步振动幅值影响很小，但增大供气压力可以抑制转子在高转速时产生的次同步振动。用VMQ(硅橡胶)制作的O型圈所在系统的稳定性最好，转子在17～27 kr/min的高转速区间时，能维持同步振幅约仅1μm的稳定旋转；SBR(丁苯橡胶)系统的稳定性最差，在低供气压力时转子容易产生次同步振动，同步振动的幅值也偏大；HNBR(氢化丁腈橡胶)系统的稳定性介于两者之间，这说明不同材料的O型圈对多孔质轴承-转子系统稳定性影响存在明显差异。

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基于扩张状态观测器的液体静压轴承重复控制技术研究

孙文龙, 潘伟, 向绍通, 张艺馨, 张聪, 路长厚

机械工程学报. 2025, 61(5): 126-137. https://doi.org/10.3901/JME.2025.05.126

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重复控制(Repetitive control，RC)是根据上个周期的误差信号计算新的输入的控制策略，被广泛用于可重复操作的领域。静压轴承的主轴的径向位移可以分解为水平方向和竖直方向的周期运动，因此可以运用重复控制的方法实现振动抑制、轴心轨迹跟踪等。但可控液体静压轴承转子系统是非线性的，存在耦合因素，同时受到加工误差和环境噪声等非周期性干扰，因此提出了一种基于扩张状态观测器(Extended state observer，ESO)的RC策略，前者可以将非周期扰动以及非线性因素观测出来并加入到线性状态反馈控制器中进行补偿，而后者保证了良好的周期轨迹跟踪精度和周期扰动抑制能力。针对可控静压轴承转子系统，推导了ESO的收敛条件和改进后的控制系统的稳定性条件。最后，通过仿真和实验对所提方法进行验证，并与经典的PID控制和传统的RC进行了对比。结果表明，基于ESO和RC的液体静压轴承主动控制比传统RC和PID方法有更好的轴心轨迹跟踪能力和扰动抑制能力。

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现代机构学的构建与发展的方法论思考

杨廷力, 李菊, 罗玉峰, 沈惠平

机械工程学报. 2025, 61(5): 138-152. https://doi.org/10.3901/JME.2025.05.138

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一百多年来，相应于机械系统的发展，机构学先后提出了基于杆-副单元建模的、基于Assur杆组单元建模的、基于回路单元建模的，以及基于单开链单元建模的机构学的4种理论体系。近四十年来，以机器人机构发展为背景，又提出了基于螺旋理论的、基于速度空间的、基于位移子群/子流形的，以及基于方位特征集的机构拓扑学的4种系统理论。本文拟在哲学的方法论层次上，揭示机构学4种理论体系与机构拓扑学4种系统理论的深层次的某些规律性，如，理论体系的基本架构(基本问题-基本概念-基本原理-基本公式-设计方法)；机构拓扑学、运动学与动力学研究的基本问题及其内在联系；多体约束系统的模式分析方法及其单元结构的层次性、对称性与有序性等；由非逻辑思维提出的基本问题、基本概念与基本原理是其原始创新之源，而由逻辑推理形成理论体系等；同时，进一步揭示构建不同的理论体系的某些规律性，如，不同理论体系源于由非逻辑思维提出的不同的基本问题、基本概念与基本原理；基本概念、基本公式及其运算规则与设计方法等不同层次之间的内在联系；机构学的内蕴性质；机构拓扑学是机构学成为一门独立学科的主要依据等。方法论的思考有助于促进机构学理论研究的深化和拓宽，以及与后续发展的共鸣。

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面向踝关节康复的自调心并联机构构型综合

王森, 李兵, 彭福军

机械工程学报. 2025, 61(5): 153-164. https://doi.org/10.3901/JME.2025.05.153

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针对现有的踝关节康复机构大多数是被动康复模式、一般适用于康复早期，并且康复中后期人机相容性差的问题，提出一种面向各种康复时期的自调心踝关节康复机构的构型综合新方法，并综合出一系列具有多康复模式的自调心踝关节康复机构的新构型。首先，基于人体踝关节的运动学，给出与人体踝关节运动等效的(3PS)_H分支。然后，在(3PS)_H分支基础上添加3R机构构造含人体踝关节的3R机构，将上述机构靠近定平台的分支与3TnR机构靠近动平台的运动副取交集，得到适合前期康复的踝关节康复机构。最后，重构上述机构的三个移动驱动使之变为三个被动的移动副，让踝关节的转动中心位置可以通过三平移机构实现自动补偿，得到适用于康复中后期的可自动调心的踝关节康复机构，并验证了康复机构自由度和自动调心功能的正确性，为后续具有多康复模式的自调心踝关节康复机器人的设计提供了构型基础。

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基于Voronoi骨架的移动机器人融合路径规划

武星, 李杨志, 臧铁钢, 孟昭旭, 陈俊哲, 王晨涛

机械工程学报. 2025, 61(5): 165-177. https://doi.org/10.3901/JME.2025.05.165

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针对栅格地图下移动机器人路径规划存在路径拐点多、运行不平滑、安全性不高等问题，提出一种基于Voronoi骨架的融合路径规划方法。首先采用Delaunay三角剖分、对偶Voronoi图构造及无向图邻接矩阵变换等方法将栅格地图变换为Voronoi骨架图。其次基于骨架顶点使用A*算法进行全局路径规划，并根据空间避障需求进行路径点优化，提高全局路径的安全性与精炼性。再次优化DWA算法速度采样空间，通过引入全局优化引导改进评价函数，构建全局引导型DWA算法，并采用动态目标点将局部路径规划与全局规划路径进行融合。实验结果表明，该融合路径规划方法具有导航安全性、路径平滑性和运行高效性，可使移动机器人快速规避随机动-静态障碍物。

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一种新型装载机工作装置的运动学与动力学分析

黄鹏, 张金程, 丁华锋, 陈子明, 赵玉倩

机械工程学报. 2025, 61(5): 178-190. https://doi.org/10.3901/JME.2025.05.178

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为实现具有自主知识产权的装载机工作装置的研发设计，针对一种八杆含单个复铰的新型装载机工作装置进行运动学与动力学分析。通过对新型装载机工作装置的自由度分析，验证了该工作装置满足装载机作业要求的一个旋转自由度和一个移动自由度。采用复矢量法对新型工作装置进行运动学分析，建立了铲斗末端的位姿空间和各构件的角加速度与驱动空间的映射关系。基于虚功原理，建立了新型工作装置的动力学模型，推导出液压缸驱动力的数学模型。对液压缸的运动进行规划，采用两种装载机常用的铲掘方法，基于Matlab和ADAMS软件对装载机的一个作业循环进行动力学仿真对比分析，得到举升液压缸与转斗液压缸驱动力的变化规律，仿真结果误差在合理范围之内，验证了动力学模型的正确性。以动臂举升工况为例，研究了不同液压缸驱动速度和加速度对液压缸驱动力的影响，得到当液压缸驱动速度和加速度小幅度变化时，液压缸驱动力受到的影响较小而工作装置惯性力受到的影响较大。此外，工作装置所受的重力和外负载对于液压缸的驱动力起决定性作用。研究结果为装载机工作装置的研发设计提供了重要理论依据，对于工作装置的液压系统设计具有指导意义。

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产形线与平面齿廓双自由度啮合滚棱加工方法

郭二廓, 张洪川, 周艺涵, 陈明

机械工程学报. 2025, 61(5): 191-201. https://doi.org/10.3901/JME.2025.05.191

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齿轮倒棱是一种采用特殊刀具对齿轮棱边进行切削或挤压成形的加工方法，能够减少齿轮棱边毛刺脱落和应力集中损伤齿面等问题，目前已成为新能源汽车高性能齿轮加工中必不可少的工艺。基于产形线与平面齿廓双自由度啮合滚棱加工原理，提出了一种圆柱齿轮端面齿廓滚棱刀具设计方法。通过建立刀刃曲线与端面齿形的双自由度滚切啮合几何学模型，阐述以齿廓倒棱平面为基准的滚棱刀具刃形计算方法；通过建立滚棱刀具刃扫面与被加工齿面展成运动关系，分析滚棱刀具参数与安装参数对倒棱结果的影响规律，并提出滚棱刀具侧后螺旋面不产生切削干涉的数值分析方法；通过建立滚棱刀具重磨误差分析模型，讨论滚棱刀具的重磨厚度变化对倒棱一致性的影响；最后，仿真加工与滚棱切削试验验证了所述滚棱加工方法的可行性。研究结果为圆柱齿轮滚棱工艺优化与刀具设计提供了理论依据。

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循环式行星滚柱丝杠副啮合机理与接触特性分析

乔冠, 刘付乐, 唐术锋, 李宗学, 付晓军

机械工程学报. 2025, 61(5): 202-213. https://doi.org/10.3901/JME.2025.05.202

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根据循环式行星滚柱丝杠副滚柱无螺旋升角的结构特点，建立了丝杠、滚柱和螺母的螺旋滚道曲面方程和空间啮合模型，计算了循环式行星滚柱丝杠副的啮合点位置与轴向间隙，并讨论了牙侧角与螺距对啮合点位置与轴向间隙的影响规律。其次，根据微分几何原理推导了循环式行星滚柱丝杠副的主曲率计算公式，利用赫兹接触理论求解了滚柱与滚道间的主曲率差、接触椭圆面积及最大接触应力，并讨论了牙侧角与螺距对接触特性的影响规律。结果表明：丝杠-滚柱侧的啮合点位置总是偏离丝杠与滚柱轴线之间的连线，丝杠和滚柱上的啮合点偏向螺纹牙顶；当滚柱与螺母的牙侧角相等时，滚柱-螺母侧的啮合点位置将位于二者螺纹中径的切点处。分析循环式行星滚柱丝杠副接触特性时，可用零件的名义半径代替啮合半径来近似计算主曲率；牙侧角增大时，滚柱两接触侧的主曲率差和接触椭圆面积逐渐减小，螺纹牙上的最大接触应力逐渐增大；螺距增大时，主曲率差增大，但接触椭圆面积和最大接触应力变化不明显。因此要实现循环式行星滚柱丝杠副的最优设计，不宜设置过大的牙侧角。

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计及碰撞瞬态拓扑特征识别的落体系统运动机理完整性分析方法研究

杨玉维, 李照童, 陈鹏宇, 龚健超, 王浩宇, 刘祺, 马跃

机械工程学报. 2025, 61(5): 214-227. https://doi.org/10.3901/JME.2025.05.214

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准确识别涵盖法向嵌入深度、切向侧滑阻尼、碰撞相对位姿及相对速度、接触轮廓几何非线性等要素的正/斜碰撞瞬态拓扑特征，对冲击碰撞影响下系统的局部与整体运动响应分析具有重要意义。鉴于此，基于多体力学建模方法的系统性与普适性，首先提出一种关于落体正/斜碰撞时变性瞬态拓扑特征识别的有效方法，进而提出一种集合法向碰撞与切向侧滑于一体的单/双侧冲击碰撞广义力模型的通用性构建方法；其次针对落体碰撞事件后期系统的纯滚动运动状态需由落体转角与路面轮廓曲线上其接触点切线斜率共同决定的复杂性运动几何特征，通过向系统引入新型增广构型矢量，提出一种将上述纯滚动非完整运动约束转化为滚动体轮廓上一等效动点对路面轮廓轨迹实施跟踪的完整运动约束的研究方法；再次针对落体与路面形成的碰撞多体系统，提出一种涵盖碰撞前、中、后3个子事件的系统动力学综合模型的构建方法；最后通过圆环-谐波路面落体运动的数值仿真，有效揭示落体碰撞系统事件完整性运动机理及规律，同时验证分析方法的正确性与有效性。研究成果对冲击碰撞动力学与多体运动学的理论丰富与应用，具有重要的学术与应用价值。

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航空发动机叶片机器人磨削颤振半主动抑制研究

祁若龙, 王杰, 李论, 赵吉宾

机械工程学报. 2025, 61(5): 228-238. https://doi.org/10.3901/JME.2025.05.228

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为降低机器人磨削加工颤振对航空发动机叶片表面质量和光整特性的负面影响，基于磁流变液不同磁场条件下的变阻尼特性，提出一种半主动振动抑制方法，消除主颤振频域下的振动峰值，抑制磨削颤振，提高加工质量。以航空发动机叶片机器人砂带磨削加工系统为研究对象，建立两自由度再生颤振模型，发现叶片刚度是影响磨削系统稳定性的重要因素。通过有限元分析软件对磨削系统开展进一步分析，发现通过辅助支撑调节磨削系统刚度与阻尼是实现颤振抑制的可行策略。由此，为使振动抑制器的系统特性覆盖叶片类零件机器人磨削振动的频域范围，设计并验证了一款磁流体减振器，通过磁场控制减振器的刚度阻尼，从而有效减小颤振能量。最后，通过试验得到叶片磨削系统振动信号与叶片表面粗糙度结果，研究结果表明，减振后叶片磨削振幅峰值降低约45%，表面粗糙度可达0.17 μm，实现了叶片磨削系统颤振的半主动抑制，叶片表面加工质量得到明显改善。

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考虑多齿对接触的非平行轴变厚齿轮副承载接触分析高效数值方法

操兵, 何坤, 李国龙, 陈永鹏

机械工程学报. 2025, 61(5): 239-249. https://doi.org/10.3901/JME.2025.05.239

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齿面承载接触分析(Loaded tooth contact analysis, LTCA)是设计、优化变厚齿轮副的重要工具。由于变厚齿轮齿面复杂，导致高效、准确获取齿面承载接触性能面临挑战。提出考虑多齿对接触的非平行轴变厚齿轮副承载接触分析数值方法。该方法考虑齿面接触过程中所有变形，采用解析法-有限元数值法混合方法获得齿面接触区柔度特性。针对多齿对接触情况，提出了传动误差协调条件，并建立了齿轮副承载传动误差计算模型；基于影响系数法建立交错轴变厚齿轮承载接触分析模型。通过求解该模型，可得到齿面接触压力、接触变形、传动误差及多齿对载荷分配系数等指标。经验证，基于该方法得到接触压力和变形计算结果与有限元仿真计算结果基本一致，单齿接触和多齿接触计算效率相较于有限元仿真分析显著提高。

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连续纤维3D打印张力自适应调控方法和装置优化研究

刘晓军, 单忠德, 刘检华, 刘丰, 李志坤, 张敬科, 郭珍珍

机械工程学报. 2025, 61(5): 250-262. https://doi.org/10.3901/JME.2025.05.250

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在连续纤维3D打印过程中，打印喷头无规则、随机运动的特点极易导致纤维松弛。针对现有机械式或PID张力控制方法仅可实现张力单向调节，不能实现纤维回抽和张力双向调节的问题，提出连续纤维3D打印张力自适应双向调控方法。首先，开展张力自适应调控系统设计，搭建了连续纤维张力自适应双向调控装置并开展不同工况下的张力实验。随后，分析了初始装置的缺点，并将装置进行结构优化。最后，研究了装置优化前后系统在不同工况下的张力控制精度。研究结果表明，该张力自适应调控系统已初步实现连续纤维在不同收卷速度和张力设置值的张力控制，并且在收线辊正向加速、反向加速、正反向混合变速情况下具有快速调节能力，可将张力的最大误差和平均误差控制在0.24 N和0.097 N。装置优化后，系统的控制精度有明显提升，张力最大误差和平均误差分别减小至0.16 N和0.065 2 N。

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基于非对称多段S型曲线的矿用电铲轨迹优化

龙秀华, 胡正国, 付涛, 连楷研, 宋学官

机械工程学报. 2025, 61(5): 263-274. https://doi.org/10.3901/JME.2025.05.263

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作为露天煤矿开采的关键装备，矿用电铲机体结构复杂且庞大，其具有作业工况多变、作业惯性较大等特点。为了提高挖掘的稳定性和平滑性，降低挖掘能耗，提出了一种基于非对称多段S型曲线速度控制的大型矿用电铲轨迹规划方法。运用解析法推导出铲斗的运动学模型，为后期的轨迹优化提供模型基础。以矿用电铲的铲斗、推杆、提升绳为结构约束，以推压电机和提升电机的功率为性能约束，以最低挖掘能耗为优化目标，运用遗传算法(GA)优化速度曲线的各段控制时间得到最优决策变量，最后将优化所得的决策变量作为输入，代入目标函数进行实验验证。实验结果表明，得到的推杆和提升绳的速度输出没有突变，挖掘力的输出也较为平稳，挖掘轨迹连续且平滑，挖掘能耗均显著低于T型曲线和传统的对称S型曲线速度控制算法，证明了该方法的有效性和优越性。

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船用新型夹心轴承热耦合特征研究

解忠良, 焦见, 杨康, 杨铭

机械工程学报. 2025, 61(5): 275-284. https://doi.org/10.3901/JME.2025.05.275

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极端工况下舰船水润滑轴承易产生较多热量致使液膜破裂、润滑失效。针对水润滑夹心衬层轴承在热效应下润滑性能不清晰、摩擦特性不明朗等问题，建立了水润滑夹心衬层轴承流-固-热耦合润滑动力学模型，研究了热效应下水膜的润滑和摩擦性能及衬层结构变化规律；分析了转速、偏心率对水润滑轴承温升的影响，明确了衬层厚度对轴承散热的影响规律，揭示了双衬层之间较大温差产生机理，探明了热效应下衬层变形、应力和应变的变化规律。研究结果丰富了水润滑多衬层结构轴承理论体系，为该类新型轴承国产化提供理论基础。

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面向重用与装配复杂度均衡性的机电产品非合作博弈模块化设计方法

鲍宏, 王政, 陶璟, 李红真, 于随然, 宋培龙

机械工程学报. 2025, 61(5): 285-296. https://doi.org/10.3901/JME.2025.05.285

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针对废旧机电产品零部件重用与装配双重复杂度过大导致再升级生产制造的效率低、成本高以及难以响应大规模定制需求等问题，综合考虑模块重用性与装配性复杂度之间的平衡，提出一种面向重用与装配复杂度均衡性的机电产品非合作博弈模块化设计方法，以实现生产效率和成本的双重优化。首先，利用信息熵理论构建模块重用性与装配性的复杂度分析函数。其次，根据模块重用性与装配性复杂度的影响程度通过模糊聚类形成博弈方策略归属。然后，建立面向模块重用性与装配性复杂度均衡性的非合作博弈优化模型，通过博弈理论分析各方的最优决策策略。利用纳什均衡分析获得最优模块规划方案及其零部件重用策略。最后，以某型号机电产品风机轴承座装配体为例验证了该方法的合理性与有效性。

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低温缠绕管内流体螺旋绕流压降特性研究

张周卫, 代德山, 汪雅红, 牛旭转

机械工程学报. 2025, 61(5): 297-307. https://doi.org/10.3901/JME.2025.05.297

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多股流低温缠绕管换热器管内流体主要以螺旋交叉绕流为主，在天然气及氢气液化等低温工况下难以确定管侧压降数学计算模型，不能为低温动能损失设计提供理论依据；建立了低温缠绕管螺旋交叉结构系统物理模型、不同尺度螺旋缠绕管单元数学模型及压降单元数值模型；针对不同螺旋缠绕管物理模型，提出了单元螺旋压降计算模型及方法，并进行了单元模型压降数值模拟研究；构建了不同结构参数螺旋缠绕管实验模型并对单元理论模型及数值模型进行了实验验证。研究表明：单元螺旋压降法可用于解决复杂低温缠绕管换热器管侧压力损失的工程计算难题，为不同尺度不同结构的螺旋交叉缠绕管压降计算提供理论依据及工程设计方法。

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动压气体止推箔片轴承结构优化研究

王永亮, 林振霞, 张阔, 张明锋, 刘艳鹏, 崔颖

机械工程学报. 2025, 61(5): 308-322. https://doi.org/10.3901/JME.2025.05.308

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为研究动压气体止推箔片轴承支撑区域楔形面结构参数对轴承承载力性能的影响，获得高承载力的轴承楔形面结构参数，提出了一种动压气体止推箔片轴承的优化方法。首先将轴承支撑区域模型沿半径方向离散，基于雷诺方程，建立一维轴承支撑区域模型，将优化后的不同半径下的一维模型结构参数组合成为二维模型参数，然后通过仿真分析得到优化后的刚性轴承支撑区域压力分布，利用刚性压力分布来设计支撑刚度，以此来针对平箔片和波纹箔片进行优化。研究结果表明：采用该种方法极大地提高了动压气体止推箔片轴承的承载能力。该优化方法为气体止推箔片轴承的结构设计优化提供了参考。

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氧化铝纤维强化陶瓷型芯的3D打印及尺寸精度控制

许西庆, 李世元, 杨永康, 周玉珑, 牛书鑫, 李鑫

机械工程学报. 2025, 61(5): 323-329. https://doi.org/10.3901/JME.2025.05.323

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针对航空涡轮叶片用陶瓷型芯的复杂内腔结构，为满足型芯尺寸精度从而提高叶片的铸造合格率。通过光固化3D打印技术制造了氧化硅基陶瓷型芯。原料选用熔融石英粉、莫来石粉和氧化铝粉，添加纤维长度为48～100 μm不同质量百分比的氧化铝纤维作为第二相，探究其对型芯性能与尺寸精度的影响。当纤维质量分数为3.5%时，由于打印铺料中的刮刀作用，大多数纤维在打印层内表现出定向分布，其表面成为了裂纹扩展的快速通道，降低了抗弯强度。随着纤维质量分数逐渐增加至10.5%，一些纤维表现出无序分布，并连接层间裂纹，在断裂时纤维的拔出需要较大的自由能，提高了打印层间的结合强度。氧化铝纤维的加入成功的制备了低收缩率，高抗蠕变性能的陶瓷型芯，使型芯尺寸精度得到了显著提升。

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基于微结构化工具的大长径比微齿内螺纹精密磨削技术研究

孟庆宇, 孟变变, 郭兵, 郭振飞, 吴贵成, 李川渠, 赵清亮

机械工程学报. 2025, 61(5): 330-342. https://doi.org/10.3901/JME.2025.05.330

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在大长径比微齿内螺纹磨削过程中，加工干涉、磨削变形及振动始终是影响加工精度的重要原因。针对上述问题，开展了微结构化大磨粒砂轮的微齿内螺纹磨削技术研究。采用平行轴磨削的加工方式，设计了微结构砂轮的截形误差。分析大长径比减振复合磨杆的静态、谐响应和模态性能，从而进行磨削系统结构优化。基于非简化随机磨粒模型，建立了大长径比磨削系统的动力学模型。最后，通过相关实验验证了理论模型的准确性，并进一步优化磨削参数。结果表明：微结构化工具具有调控磨削振动的能力，理论与实验结果的最大误差为8.1%。所加工的螺纹平均齿高为374μm，平均齿形角度为90.1 °，平均底部圆角半径为23 μm，平均螺距为1.006 mm，满足大长径比内螺纹的加工精度需求。

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航空齿轮齿根磨削和超声滚压表面完整性分布规律研究

党嘉强, 安庆龙, 李宇罡, 明伟伟, 王浩伟, 刘忠明, 陈明

机械工程学报. 2025, 61(5): 343-353. https://doi.org/10.3901/JME.2025.05.343

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提出了表面纹理作用下等效初始裂纹长度和应力集中系数评价模型，研究了齿轮成形磨削后齿根表面完整性分布规律，并对成形磨齿参数进行优选讨论。设计搭建了航空齿轮超声滚压强化试验装置，将其应用到齿根强化中，对齿根超声滚压后表面完整性分布规律进行了分析。结果表明，齿根磨削后表面等效初始裂纹长度和应力集中系数分别高达5.09 μm和2.6，表面微观组织变形层深约30 μm，残余压应力层深约30 μm，硬化层深约200 μm。高磨削速度、高进给和小切深有助于减小齿根表面等效裂纹长度，低磨削速度、低进给和小切深有助于提升齿根残余压应力幅值。超声滚压工艺能提高齿根表面光洁度，将等效初始裂纹长度降低至0.28 μm，引入较深塑性变形层，相比磨削加工和机械喷丸工艺，表面残余压应力层深明显提升。

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考虑胶辊间隙的工艺参数耦合对复合材料湿法缠绕制品性能的影响与优化

韩宇泽, 刘雁鹏, 任明法, 祖磊, 何景轩

机械工程学报. 2025, 61(5): 354-363. https://doi.org/10.3901/JME.2025.05.354

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考虑湿法缠绕中的胶辊间隙，以缠绕制品的层间剪切强度、孔隙率、纤维体积分数为缠绕制品性能表征参数，采用响应面法设计三因素三水平的湿法缠绕成型试验，对胶辊间隙对性能表征参数的敏感度进行分析。建立考虑胶辊间隙的多工艺参数与不同性能表征参数的多元回归预测模型，揭示胶辊间隙在不同工况下对制品性能的影响规律，并在此基础上分析胶辊间隙与缠绕张力、缠绕速度的多工艺参数耦合对制品性能的影响机制；基于多元回归预测模型，采用主要目标法制定多目标优化方案并设计缠绕成型试验。结果表明：通过优化方法获得的缠绕过程的工艺参数组合，在减小了缠绕制品孔隙率的同时改善了缠绕制品的力学性能，有效提高了湿法缠绕成型制品的综合质量。

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群电极电火花高效加工镍基高温合金闭式整体叶轮

赵萌, 周明, 胡天赏, 杨建伟, 王衍学, 王亮, 徐佩, 辛方晴

机械工程学报. 2025, 61(5): 364-374. https://doi.org/10.3901/JME.2025.05.364

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针对加工镍基高温合金闭式整体叶轮表面质量差和加工效率低这一问题，提出基于多变量自适应控制系统的群电极电火花加工工艺规划方法。该加工工艺分为粗、精加工两个阶段。粗加工中，搭建电火花多变量自适应控制系统，实时调整间隙电压、脉冲间隔和放电时间保证加工稳定性，同时分析脉冲宽度对加工镍基高温合金加工状态的影响，得到最优的粗加工工艺条件；精加工中，研究电极运动轨迹、极性效应、电流大小和加工余量对表面质量的影响，得到最优的精加工工艺条件。实验结果表明，所规划的工艺方法提高了加工效率且降低了叶轮表面粗糙度，最终加工叶片表面粗糙度为Ra1.2～1.5 µm，超过航空企业Ra3.2 µm的要求，同时加工效率成倍提高，本工艺方法在加工航空航天难加工、大扭曲复杂零件具有广阔的应用前景。

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刊出日期：2025-03-05

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