2022年, 第33卷, 第14期　
刊出日期：2022-07-25

  

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机械基础工程
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  具备温度感知的船用智能水润滑尾轴承设计及性能验证

  薛恩驰, 郭智威, 袁成清,

  中国机械工程. 2022, 33(14): 1639-1645. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.14.001

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  提出了一种船用智能水润滑尾轴承的创新设计方法，以此辅助船舶尾轴系统在苛刻环境下的运行状态监测与性能预测。基于微型嵌入式自供电监测系统和水润滑轴承结构与材料设计，实时采集与分析船舶航行中水润滑轴承的关键性能参数，实现其运行状态辨识、评估与寿命预测。以苛刻工况下轴承内部温度变化特性及其表征为例，利用CBZ-1摩擦磨损试验机进行智能水润滑尾轴承设计方案的可行性验证。试验结果表明，轴承内部温度可以很好地反映其润滑与工作状态，常温水润滑条件下，其初期升温速度为0.1~0.4 ℃/min、末期升温速度为0~0.01 ℃/min、平稳运行时温度为29~33 ℃，而在干摩擦条件下，以上三项数据分别为0.6~1.4 ℃/min、0.03~0.25 ℃/min、36~45 ℃。不同润滑状态下的巨大差异使得通过温度判断轴承润滑状态成为可能，温度监测的实现将大大提高水润滑轴承的可靠性。
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  工件分特征下的五轴数控机床关键几何误差分析与补偿方法

  卢成伟, 钱博增, 王慧敏, 项四通

  中国机械工程. 2022, 33(14): 1646-1653. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.14.002

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  提出了工件分特征下的五轴数控机床关键几何误差分析与补偿方法，将复杂工件进行特征分解，通过灵敏度分析辨识工件分特征下的关键几何误差并补偿，从而提高工件整体加工精度。以某一复杂工件为例，首先，将其分解为平面、斜面、圆柱和圆锥台四个典型特征；然后，基于灵敏度分析分别辨识出各典型特征对应的关键几何误差；最后，分特征地进行误差补偿。在AC双转台五轴数控机床上进行了实验验证，实验结果表明，辨识得到的关键几何误差灵敏度系数之和占比均大于90%，补偿后工件四个典型特征的加工精度提高了20%~30%。研究结果表明，所提方法能有效辨识不同工件分特征下的关键几何误差，从而提高复杂工件的加工精度。
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  一种用于鸭翼控制的摇头型双圆环压电马达研究

  刘吉磊, 陈超, 陈恒, 王均山, 吴树熊

  中国机械工程. 2022, 33(14): 1654-1660. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.14.003

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  针对制导弹药平台对舵机的紧凑、直驱等要求，提出了一种采用夹心式换能器诱发双圆环弯曲振动的复合型压电定子结构，由此可构成结构精巧的摇头型双圆环旋转压电马达，用以驱动鸭式舵翼产生特定的偏转运动。该马达中的复合定子主体为一个具有四片压电陶瓷片的夹心式换能器，分别在换能器两输出端设计了利于放大振幅的环形圆盘；夹心式换能器的摇头运动激励出两端环形圆盘的五阶弯曲模态，通过圆环将输出振幅进一步放大；两个圆盘形转子在一定的预压力作用下与复合型压电定子两端的圆环表面保持紧密接触，通过摩擦将圆环表面的椭圆轨迹转换为转子的旋转运动。设计了可用于某制导系统鸭舵偏转操纵的直驱马达结构，建立了基于夹心式换能器的双圆环形定子结构动力学模型，通过有限元软件对定子的模态进行了仿真分析，设计并加工出了样机。搭建了测试平台对样机的输出特性进行了实验，测试结果表明：该双圆环（双）输出轴马达可实现双输出轴同时旋转，在300 V峰峰值的驱动电压下，最大转速可达190 r/min，最大输出扭矩可达0.07 N·m。
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  成形法双面磨削拓扑修形误差齿面对齿轮传动的影响

  李彦, 汪中厚, 刘雷, 刁鑫伟, 王学军

  中国机械工程. 2022, 33(14): 1661-1669,1679. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.14.004

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  附加径向运动方式的斜齿轮双面磨削方法具有小批量多品种加工的特性与机构可靠的优点，但在加工时会出现无法避免的齿面扭曲现象，导致加工齿面与理论齿面存在原理性误差，针对该现象对斜齿轮性能的影响进行了量化研究。以数值方法计算得到双面磨削方法的误差齿面模型，将该误差齿面与理论齿面进行对比,采用齿面接触分析方法（TCA）计算获得不同齿面下的传动误差和接触斑点。结果表明，齿形扭曲对左齿面性能影响较小，左齿面可基本实现理论修形效果，齿向扭曲现象导致右齿面性能发生了明显劣化；合适的修形方式与轴交角可以使左右齿面传动误差差异缩小在15%左右。
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  用户关联的驱动桥试验场耐久性试验规范研究

  邹喜红, 凌龙, 陈静, 王超, 苟林林, 蒋明聪, 袁冬梅

  中国机械工程. 2022, 33(14): 1670-1679. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.14.005

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  为实现驱动桥用户与试验场耐久性之间的关联，提出了基于用户和试验场道路实测数据制定试验场耐久性试验规范的方法。以采集的用户扭矩载荷为基础，结合挡位和转速等信号，基于旋转雨流计数和非参数核密度估计方法，预测了用户在不同挡位下驱动桥Total（包含轴载荷和齿载荷）载荷分布模型。关联试验场各个特征工况的系数损伤矩阵，建立了“用户试验场”多目标优化模型。运用带精英策略的非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ），以试验场实际使用情况为依据设置约束条件，求解了多目标优化模型并选取出了最优解。从载荷相对损伤和载荷分布角度，验证了优化模型解的有效性。研究结果表明：所制定的试验场试验规范其总里程约为46 133.3 km等效于用户实际行驶200 000 km，路面强化系数为4.34。本研究为更加有效地制定驱动桥试验场耐久性试验规范、合理评价整车及其零部件耐久性与可靠性提供了参考及依据。
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  双支链六自由度并联机构尺度设计与性能分析

  谢志江, 程清, 丁军, 何苗, 范乃吉, 吴小勇

  中国机械工程. 2022, 33(14): 1680-1690. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.14.006

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  提出了一种新型六自由度并联机构，该机构由两条运动支链组成，每条支链各包含一个主动球副。与常规六自由度并联机构相比，支链数目的减少可有效增大机构工作空间。基于封闭矢量法求得所提机构的运动学位置逆解，在此基础上分析了机构输入与输出的速度映射关系，建立了机构雅可比矩阵。以工作空间和全域灵巧度为性能评价指标，借助性能图谱法完成了机构尺度设计，基于该尺度参数，对特定工作姿态下的工作空间、灵巧度、承载性能及刚度性能进行了全面研究。最后，搭建了3D打印样机，并对其典型应用场景进行了分析。
智能制造
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  具有压力和位置检测功能的气囊型触觉传感器

  王顶, 吴德宇, 杨达亮, 陈立挺, 叶锦华, 吴海彬

  中国机械工程. 2022, 33(14): 1691-1696,1706. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.14.007

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  为了提高机器人与外界环境的安全交互性能，基于导电面电势分布理论和封闭气体压缩定律提出一种适用于机器人曲表面的触觉传感器模型，实现了接触位置与接触压力的检测。传感器采用三层结构，包括导电层、压缩气体隔离层和信号提取层。为了适应任意曲面形状，降低导电层电势非线性分布影响，采用机器学习算法对电势分布模型进行重建。采用COMSOL软件对传感器导电层进行物理建模与仿真，并制备了传感器样品。仿真和实验结果表明，提出的触觉传感器模型可以定制于机器人曲表面上，并能实现接触位置和接触压力的实时检测，可用于人机信息交互。
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  改进的共振稀疏分解方法及其在滚动轴承复合故障诊断中的应用

  张守京, 慎明俊, 杨静雯, 吴芮

  中国机械工程. 2022, 33(14): 1697-1706. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.14.008

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  滚动轴承复合故障信号中各故障特征受到传输路径和其他干扰源的影响，在多缺陷共存条件下提取单个缺陷诱发的故障特征存在困难。提出一种基于双参数优化、子带重构改进的共振稀疏分解(RSSD)滚动轴承复合故障诊断方法：首先利用人工鱼群算法自适应选择RSSD的品质因子和分解层数以构造与故障特征匹配的最优小波基，获得包含瞬态冲击的低共振分量；然后依据提出的子带筛选准则选择并重构低共振分量中包含瞬态冲击成分的最佳子带；最后通过多点最优最小熵反卷积（MOMEDA）方法识别并提取重构信号中周期性故障冲击。仿真信号和轴承全寿命周期复合故障信号分析结果表明，与RSSD-MCKD方法相比，所提出方法能有效提取复合故障信号中各故障特征，精确实现轴承复合故障诊断。
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  残差卷积自编码网络无监督迁移轴承故障诊断

  温江涛, 张鹏程, 孙洁娣, 雷鸣

  中国机械工程. 2022, 33(14): 1707-1716. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.14.009

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  深度学习类轴承故障智能诊断研究中，一般会假设训练数据与测试数据同分布且典型故障样本充足，而实际工况复杂多变，难以获得大量标签数据。将残差学习引入卷积自编码，并结合迁移学习，提出了基于残差卷积自编码无监督域自适应迁移的故障诊断方法。堆叠一维卷积自编码进行特征提取，通过残差学习避免过拟合，提高学习效率；融合多层多核概率分布适配来约束网络学习域不变特征；实现了基于无监督域自适应迁移学习的故障诊断，并获得了较高准确率的识别结果。采用凯斯西储大学轴承数据集进行验证，结果证明了所提出方法的有效性，此外还对主要参数及其影响进行了探讨并给出了对比结果。
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  无缝钢管斜轧穿孔顶头表面缺陷非接触在线检测方法

  于浩, 黄华贵, 郑加丽, 赵铁琳, 周新亮

  中国机械工程. 2022, 33(14): 1717-1724. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.14.010

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  针对无缝钢管斜轧穿孔顶头表面缺陷在线检测的现实需求，提出了一种基于激光扫描、空间点云数据处理及深度学习的非接触测量方法。根据无缝钢管产线特点确定了检测位置、系统构成和顶头轮廓数据采集方案，并引入迭代最近点（ICP）配准方法，实现了测量点云与标准CAD模型的配准。针对头部缺陷设计了相应的分类数集和渐变形态，使用点云深度学习方法实现了缺陷精确分类和量化预警。针对表面磨损缺陷，设置磨损深度上限阈值以实现磨损程度的精确监测。为验证系统可靠性，搭建了顶头检测物理模拟平台，并利用3D打印技术定制了含有不同缺陷特征的顶头实物模型。测试结果表明，表面轮廓检测误差在0.06 mm以内，头部缺陷分类精度可达97.7%、准确度可达98.1%，满足在线检测要求。
先进材料加工工程
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  A6061薄壁圆锥管轴向压缩性能的数值分析和理论研究

  韦铁平, 周兴洋, 郭金泉, 曾寿金, 叶建华, 杨晓翔

  中国机械工程. 2022, 33(14): 1725-1733,1750. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.14.011

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  采用LS-DYNA软件对锥倾角0°~40°、壁厚1 ~2.5 mm的A6061圆锥管进行轴向压缩仿真，研究锥倾角和壁厚对圆锥管吸能特性和变形规律的影响；基于Mamalis圆锥管瞬时载荷压溃模型，提出大范围锥倾角（15°~40°）瞬时载荷修正公式。研究结果表明：变形模式的临界角为15°,当锥倾角小于等于15°时，变形模式为堆叠模式，当锥倾角大于15°时，变形模式转变为嵌套模式；平均载荷与比吸能均随着锥倾角的增大缓慢减小，而初始峰值载荷则大幅度减小；随着壁厚增大，压溃模式由钻石模式转变为环形对称模式，平均载荷、初始峰值载荷和比吸能均增大。基于仿真结果，采用皮尔逊相关系数分析法修正了Mamalis瞬时载荷公式，修正值与仿真值的最大误差小于10%，通过试验验证了修正公式的准确性。修正公式为揭示大范围锥倾角薄壁管压溃机理提供了理论依据。
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  薄壁扇形筋板挤压成形开裂抑制及翻转展宽策略

  胡福泰,

  中国机械工程. 2022, 33(14): 1734-1740. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.14.012

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  通过对大高厚比扇形筋板挤压成形机理进行数值模拟和物理实验，明确了扇形筋板局部变形不协调和角部应力集中是筋板角部产生开裂的主要原因。提出采用应力转移法在筋板成形初期提前预制局部切口，有效改变筋板内部拉应力分布形态，使筋板与侧壁的连接处拉应力由原有的120 MPa降低到50 MPa甚至更低。实验与模拟分析证明，预制切口可释放筋板自身变形约束，使筋板变形以切口为中心分界，左侧部分筋板向左侧面内弯曲，右侧部分筋板向右侧面内弯曲。得出在小拉应力作用下依靠筋板的面内弯曲可大幅度增加筋板长度的结论。
工程前沿
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  多轴车辆线控液压转向系统设计及转角控制

  刘俊, 石朝欢, 林贝清, 黄鹤

  中国机械工程. 2022, 33(14): 1741-1750. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.14.013

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  为减小多轴转向车辆货厢部位的第三轴转向轮转向磨损，要求该车轮与驾驶室部位的前转向轮转角关系满足阿克曼转向原理。针对某型号8×2四轴重型车辆，设计出一种第三轴线控液压转向系统，并建立其动力学模型，设计了基于指数趋近律的滑模控制器对第三轴转向轮转角进行控制，选取典型工况对所设计的控制器进行了仿真分析，并进行实车试验验证。研究结果表明：基于指数趋近律的滑模控制比基于比例切换函数的滑模控制及开环控制响应更快速、趋近目标值时间及超调持续时间更短、稳态差值更小；与采用机械液压转向系统相比，安装基于该控制器的线控液压转向系统不仅能显著提高第三轴轮胎的转向抗磨损性能，同时也改善了整车的转向性能。
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  伞形风力机尾流特性及输出特性研究

  刘东, 包道日娜, 刘旭江, 刘嘉文, 吴胜胜, 王鹏, 唐迪

  中国机械工程. 2022, 33(14): 1751-1759. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.14.014

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  为适应分布式风力发电机的恶劣应用环境，同时满足功率调控以及风机自我保护的需求，提出了一种新型伞形风力机。为研究伞形风力机风轮收缩角对尾流特性和输出特性的影响，分别进行了数值模拟和风洞试验。研究结果表明：伞形风力机风轮收缩角增大后，扫掠面积减小，尾流直径减小，尾流轴向影响范围增大，速度恢复减缓，同时会导致叶尖涡强度减小，中心涡强度先增大后减小，但是中心涡强度一直大于叶尖涡强度，所以叶根后的速度亏损要一直大于叶尖后的速度亏损。此外，风洞试验也验证了风轮收缩角对功率控制的有效性。
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  迈向以人为本的柔性设计--《Design for Flexibility：a Human Systems Integration Approach》导读

  郑冉, 王柏村, 易兵, 张莹

  中国机械工程. 2022, 33(14): 1760-1763.

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  导语：近年来，数字技术快速发展并得到广泛应用，在给人们带来便利的同时，也产生了流程僵化等问题,尤其在应对突发事件时，更凸显了流程僵化导致的系统的脆弱性。由此，加快从刚性自动化向柔性自主性的转变，实现以人为本的柔性设计，并构建面向未来智造的人-系统集成系统成为当下的研究重点。《Design for Flexibility：a Human Systems Integration Approach》一书阐述了柔性设计的概念、方法和过程，提出社会-技术系统柔性分析框架，介绍了人-系统集成(Human-system integration, HSI)这一新兴学科，为处理突发事件并提出问题解决方案提供了工具和方法，相应研究成果有望为提高设计和操作柔性、促进人机交互效率、构建可持续发展的社会-技术系统提供理论支撑。HSI作为一门新学科，旨在将以人为本的设计理念融入复杂系统工程的全生命周期过程，为以人为本的柔性设计提供了方法论，同时也为人本设计、人本智造等研究提供了参考。0 引言近年来数字化、网络化、智能化等技术迅猛发展，人类生产和生活自动化水平不断提高，数学技术给世人带来诸多便利的同时，也产生了流程僵化等问题。尤其在面对不可预见的突发事件时，传统管理方式面临严峻挑战，也更加凸显了流程僵化导致的系统的脆弱性。“如何管理突发事件，实现从刚性自动化向柔性自主性的过渡，构建一个更加注重柔性和可持续发展的世界”引起了人们的关注。如何合理利用新一轮科技革命技术成果，构建人-社会集成系统和可持续发展模式引起了学者Gug André BOY的思考，进而他提出了以人为本柔性设计的新理论和技术体系来解决当前的社会技术问题，并撰写了《Design for Flexibility：a Human Systems Integration Approach》^[1]一书。该书围绕以人为本的柔性设计主题，介绍了社会-技术系统柔性分析的概念、框架、模型，对进行柔性分析的人-系统集成(Human-system integration , HSI)方法展开了详细阐述，并探讨了复杂系统的有形性问题，给出了以人为本的虚拟设计(virtual human-centered design, VHCD)实体化的具体方法和有形度量指标，为设计和制造人-自然-社会和谐的人工制品提供理论指导。HSI作为新兴学科，是心理学、社会科学、生物学、数学、计算机科学等多学科交叉的一门学科，该学科所提出的基本框架可用于分析复杂问题、获得解决方案和提高社会-技术系统的柔性^[2]。人-系统集成将以人为本的设计与复杂系统工程有机结合起来，依托虚拟样机，利用人在回路仿真(Human-in-the-loop simulations, HITLS)和数字孪生技术，考虑社会-技术系统中人的因素和组织因素，实现设计过程的人机交互和产品全生命周期的仿真，促进以技术为中心的传统系统工程向以人为中心的数字工程的转变，旨在提高整个系统全生命周期的柔性。 1 复杂社会-技术系统该书第一章以新冠肺炎疫情的爆发为背景，揭示了打破传统僵化的程序、灵活处理突发事件的重要性，强调了研究技术、组织和人员方面的柔性的迫切需求，进而引出人-系统集成这一多学科交叉的新兴学科，以实现从刚性自动化到柔性自主化的转变，提高社会-技术系统的柔性。第二章介绍了社会-技术系统的柔性分析框架。考虑技术成熟度、实践成熟度和社会成熟度三种与自主性密切相关的成熟度以及管理复杂系统的三个主要过程(图1)，阐述如何实现从刚性自动化到柔性自主化的转变，这个转变需要定义“系统”的一致表示，即系统是由结构和功能组成的，提出图2所示的“情境-资源正交”框架。书中对资源和情境的概念分别进行了定义，其中资源被形式化为客体或主体，情境由结构、功能和动态三种因素定义，与TOP模型(technology, organization and people)(图3)结合构成情境分析全局框架，如图4所示，最后区分情境与情景的概念，提出态势感知(situation awareness, SA)的情境模型框架，如图5所示。图1 程序执行、自动监督和问题解决过程图2 “情境-资源正交”框架图3 TOP模型图4 HSI情境框架图5 态势感知的情境模型第三章介绍了实现柔性设计的基础方法和模型。首先对复杂社会-技术系统进行定义并对复杂系统的特性进行阐述，引出SFAC模型(structure/function vs. abstract/concrete)(如图6所示，提供了人工制品的结构和功能之间的等效表达，即抽象和具体)、NAIR模型(natural/artificial vs. cognitive/physical)(如图7所示，阐述了社会-技术系统的认知功能和物理功能的区别)和AUTOS金字塔模型(artifact, user, task, organization and situation)(如图8所示，是TOP模型的扩展，一个简化的HCD工程框架)，图6 SFAC模型图7 NAIR模型图8 AUTOS金字塔构建以人为本的柔性设计的概念框架^[3]，并分析系统的复杂性。其中，复杂系统的特性主要包括：①组件及组件间的互连；②多人参与全生命周期过程；③未包含在组件中的全局属性或行为；④复杂适应机制和行为；⑤不可预测性的表征。 2 人-系统集成(HSI)第四章详细阐述了人-系统集成的具体内涵。介绍了人-系统集成的认识论及演变，说明可分离性问题是复杂系统的一个重要特性；阐述了HSI的仿真方法--人在回路仿真(HITLS)，并分析在系统全生命周期考虑资源投入、设计柔性和系统知识三个参数的影响；分析了从传统工程到数字工程的转变，回答了如何提供更多的自主性和柔性问题(图9)；引出在这个过程中获取程序性和陈述性知识的工具(人工智能)和方法(PRODEC方法)。图9 从传统工程到数字工程的转变-- 从刚性自动化到柔性自主性的转变第五章介绍了基于活动的设计。通过基于场景的设计(表现形式如图10所示)处理任务分析，通过人在回路仿真完成活动观察和分析，进而实现基于活动的设计。分析了从HighTech(最先进的可用技术)到FlexTech(支持工程设计和操作柔性的技术)的演变过程，包括从人因和人机工程学(HFE)、人机交互(HCI)和图10 人机系统形成性评价的多规则方法人-系统集成(HSI)三个时期，如图11所示，这种演变创新被视为一种冒险活动。作者从互联网快速流行的原因、航空公司意外事件的管理，证明了创新需要冒险。图11 以工程为导向到以人为本设计的演变第六章分析了基于模型的人-系统集成及其柔性。首先介绍了影响HSI柔性的重要因素：态势感知、具体化和熟悉度；接着给出了预测模型和知识模型两种模型，并以新冠肺炎疫情为背景，说明了两种模型的作用，证明不同模型只在特定情境中有效，提出基于经验的建模方法，在这个过程中，识别突发情况至关重要；最后介绍了监督、调解、合作三种系统交互模型(表1)，以支持更多的自主性、协调性和柔性。 表1 系统交互模型